一維數控工作臺設計【含三維模型和說明書】,含三維模型和說明書,數控,工作臺,設計,三維,模型,以及,說明書,仿單 機電一體化系統課程設計 一維數控進給工作臺設計說明書 班級 學號 姓名 指導 -4-9 設計要求 設計一維數控進給工作臺（包括：總體設記、機械系統設計、機電接口元件選擇、控制電路及接口設計、控制程序設計等。） 技術要求： 最大工作載荷Fm=4000N(X，Y，Z三向) 工作行程L=800mm, 最大負載進給速度：30mm/s, 最大空載進給速度：200mm/s, 工作壽命：20000小時， 滾道表面硬度：均為60HRC， 傳動定位精度：±0.02mm, 工作臺面（參考）：600×400（mm×mm） 一、滾珠絲杠副設計 計算載荷的計算： 式中，為載荷系數，按書本表2-6選取1；為硬度系數，按表2-7選取1.0；為精度系數，按表2-8選取1.0；為平均工作載荷。 額定動載荷計算值， 取導程為p=6,轉速r/min 由此得 根據值從滾珠絲桿副系列中選取所需規(guī)格，使其額定動載荷值大于或者等于有，查表2-9取FC1-4006-2.5. 表中數據：公稱直徑 導程p=6mm 螺旋角 滾珠直徑 按表2-1中尺寸計算： 滾道半徑 偏心距 絲杠內經 滾珠絲杠受值的限制，通常要求 所以絲杠副工作穩(wěn)定。 剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉矩共同作用下引起的每個導軌的變形量為 式中，A為絲杠截面積，； 為絲杠的極慣性矩，； G為絲杠切變模量，對鋼； 為轉矩。 式中，為摩擦角，其正切函數值為摩擦系數；為平均工作載荷。取摩擦系數為，則有。 按最不利情況?。ㄆ渲校? 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為： 通常要求絲杠的導程誤差應小于起傳動精度的1/2,即 該絲杠的滿足上式，所以其剛度滿足要求 效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率為 要求在90%-95%之間，所以該絲杠合格。 經上述計算驗證，FC1-4006-2.5各項性能均符合題目要求，可選用。 二、導軌的選用 由已知條件可得，該導軌的額定工作時間Th=20000h 由得： 滑座數M=4，所以每根導軌使用兩個滑座，由表2-15至2-18確定 由式（2-9）： 得 其中： 選用漢江機床廠的HJG-D系列滾動直線導軌，查表2-13，可選用 HJG-D35型號的滾動直線導軌。 三、接口設計 一維數控工作臺控制系統硬件主要包括CPU、傳動驅動、傳感器、人機交互界面。 硬件系統設計時，應注意幾點：電機運轉平穩(wěn)、響應性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。 1、CPU的選擇 本設計采用的AT89S52單片機 所需功能： （1）獲取光電傳感器反饋，提供閉環(huán)控制或者半閉環(huán)控制。 （2）通過程序實時控制電機運行。 （3）接受鍵盤中斷指令，并響應指令，將系統運行狀態(tài)反應到LED上，實現人機交互作用。 （4）P1.0口作為光電傳感器的信號輸入口，以采集絲杠轉動的角度信息。 2、接口設計 CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅動部分、人機交互界面三部分。 3、人機界面 一般的人機交互界面的都采用鍵盤和數碼管，鍵盤用于輸入指令參數等信息，數碼管可以反映系統運行過程中的各個參數狀態(tài)等信號。目前流行的人機界面一般采用液晶顯示器和鍵盤組合，液晶較數碼管能夠輸出更多的信息，因此是人們對于系統狀態(tài)信息的了解更深刻，在測量控制過程，更多的信息意味著更高的測量控制精度和頻率。 4、數碼管與鍵盤電路的設計 電路原理圖分析： 1、 使用AT89S52的P0口作為8位數碼管的輸入端； 2、 P2.4、P2.5、P2.6、P2.7控制數碼管的通斷； LED數碼管顯示電路分析： 顯示器采用LED數碼管動態(tài)顯示方法，P0口輸出字符的顯示碼，位碼由P2.4—P2.7來控制。動態(tài)顯示的成本較低，但占用CPU接口資源較多，本設計中共采用了12根口線。另外由于顯示器的不斷動態(tài)刷新，占用了CPU的部分工作時間，所以對一些時間要求較高的控制系統，則應考慮顯示器顯示占用的時間。 鍵盤輸入電路分析 鍵盤采用4X4矩形鍵盤，由P2.0—P2.3為行線，P1.4—P1.7為列線組成。用軟件掃描的方法可以確定每個鍵的鍵值。在設計中，每個鍵可用來數據及命令的輸入。 3、 啟動開關電路 通過光耦隔離干擾信號，分別設有啟動和停止手動開關，分別接P1.0、P1.2接口。 采用TLC549 A/D轉換電路，實現對光電傳感器信號的采集。 4、A/D轉換器 本控制器的A/D轉換器采用了8位串行A/D轉換器，型號為TLC549，模擬信號由2腳輸入，A/D轉換后的8位二進制數由6腳串行輸出，7腳為脈沖信號輸入端，5腳為片選端。該A/D轉換器體積小，速度高，輸出接口邵，性價比高，很適合一些進度要求不高，廉價的工業(yè)控制器。 5、 控制面板 人機界面采用如圖所示的控制面板，LED數碼管顯示區(qū)在控制面板上方，方便實現觀測工作臺運行數據及參數設置，所示鍵盤與4X4矩陣鍵盤相對應。 操作說明： （1）系統接通電源單片機即復位開機。 （2）工作臺回參考點：開機后按下“歸零”按鈕，工作臺自動回到坐標參考點。 （3）行程選擇：開機或按下“設置”后，選擇行程方向“-X”或“+X”，按數字鍵輸入目標位移值，按下“啟動”按鈕，系統即自動工作。該狀態(tài)如遇緊急情況，可按下“停止”按鈕，工作臺停止運行。 （4）關閉系統電源，單片機控制系統關閉，運行結束。 四、電機選擇 初選電動機的型號為110BF003 選用價格便宜、轉動慣量小、運行頻率高的反應式步進電機，拖板的質量m=120Kg，拖板和導軌之間的摩擦系數為 0.06，絲桿最小的拉壓長度 800mm，步進電機采用三相六拍通電方式，步距角 0.75 度，選擇系統脈沖當量為0.01mm （一）確定脈沖當量，初選步進電機 由于是開環(huán)伺服系統，選脈沖當量δp=0.01mm. （二）計算減速器的傳動比 減速器一般采用減速傳動，其傳動比可按下式計算。 i=αp360δp=0.75 ×6360×0.01=1.25 按最小慣量條件，查圖表得該減速器應采用1級傳動，傳動比可取為i=2 (三) 計算系統轉動慣量 將傳動件的轉動慣量等效為圓柱體來近似計算。圓柱體轉動慣量J（kg?m2）的計算公式為 J=πρd4l32 式中，ρ是材料密度（kg/m3）；d是傳動件的等效直徑（m）；l是傳動件軸向長度（m）。 計算出的各傳動件的轉動慣量應按下式折算到電動機軸上，以獲得總當量負載轉動慣量Jd(kg?m2)。 Jd=Jz1+Jz2+Js1i2+(p2πi)2m Jz1=Jz3=π×7.8×103×0.044×0.0232≈4.8×10-5kg·m2 Jz2=π×7.8×103×0.054×0.0232≈9.6×10-5kg·m2 Js=π×7.8×103×0.064×1.232≈1.4×10-2kg·m2 式中，Jz1和Jz2分別是電動機軸上和絲桿軸上齒輪或齒形帶輪的轉動慣量（kg?m2）；Js是絲桿轉動慣量（kg?m2）；m是工作臺質量（kg）。 Jd=Jz1+Jz2+Js1i2+(p2πi)2m=2.9×10-4kg·m2 (四)確定步進電動機動力參數. 1.電動機負載轉矩計算 作用在步進電動機軸上的總負載轉矩T可按下式計算 T=Jm+Jdεη+p(Fμ+Fw)2πηi+pF0(1-n02)2πηi J=Jm+Jd=6.2×10-4kg·m2 Tμ=p2πηiFμ=p2πηimgμ=0.012π×0.8×1.25×4950×0.2≈1.08N·m T0=p2πηiF01-η02=p2πηiFwmax31-η02=0.012π×0.8×1.25×40003×1-0.92N·m≈0.31N·m T1=Tw+Tμ+T0=2.39+1.08+0.31N·m≈3.78N·m 式中，Jm是電動機自身的轉動慣量；ε是電機啟動的角加速度；Fμ是作用在工作臺的摩擦力；Fw是作用在工作臺的其他外力；η是伺服傳動鏈的總效率；F0是滾珠絲桿副的預緊力；n0是滾動絲桿副未預緊6.4時的傳動效率，一般取η=0.8。 2.電動機最大靜轉矩確定 根據電動機實際啟動情況，計算出啟動的負載轉矩Tq，然后按表5-5選取啟動時所需步進電機的最大靜轉矩Ts1。 Ts1=Tq0.809=9.920.809N·m≈11.45N·m 根據步進電機正常運行的受力情況，計算出負載轉矩T1，然后按下式計算正常運行時所需步進電機的最大靜轉矩Ts2。 Ts2=T10.3~0.5 按Ts1和Ts2中的較大者選取步進電機的最大靜轉矩Ts，并要求 Ts≥max?{Ts1，Ts2} Ts2=T10.3~0.5=3.780.3~0.5N·m=7.56~12.6N·m 3.電動機最大啟動頻率確定 根據計算出的啟動轉矩Tq，按電動機的運行矩頻特性曲線來確定最大啟動轉矩。 Tq=TJ+Tμ+T0=9.18+1.08+0.31N·m≈10.57N·m 4.電動機最大運行頻率確定 根據計算出的啟動轉矩T1，按電動機的運行矩頻特性曲線來確定最大運行轉矩。 T1=Tw+Tμ+T0=2.39+1.08+0.31N·m≈3.78N·m (五)驗算慣量匹配 要求負載轉動慣量Jd與電動機軸自身轉動慣量Jm比值應控制在以下所規(guī)定的范圍內： 14≤JdJm≤1 因為 JdJm=2.9×10-46.2×10-4=0.467 滿足條件，說明慣量匹配比較合理。