【正文】 《機(jī)電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)題目：二維水平數(shù)控滑臺(tái) 設(shè)計(jì)　者： 學(xué)　　號(hào)： 班　　級(jí)： 指定教師：　　　　　　　　　　　　　　完成時(shí)間：2013年3月13日目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)書 31. 設(shè)計(jì)內(nèi)容 32. 設(shè)計(jì)要求 33. 設(shè)計(jì)任務(wù) 4二、設(shè)計(jì)說(shuō)明書 4 4 6機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 導(dǎo)軌的選擇或設(shè)計(jì) 7 滾珠絲杠的選擇 10 步進(jìn)電機(jī)的選型 14 15控制部分設(shè)計(jì) 17 17 17軟件設(shè)計(jì) 26 41 41一、設(shè)計(jì)任務(wù)書二維水平數(shù)控滑臺(tái)該設(shè)計(jì)可分為兩大塊，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括：整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電機(jī)、絲桿、導(dǎo)軌、聯(lián)軸器等標(biāo)準(zhǔn)器件的選擇；底板、軸承座、電機(jī)座等零件的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路或根據(jù)電機(jī)選擇成品驅(qū)動(dòng)器；選擇控制器或自行設(shè)計(jì)控制器，控制器配套軟件的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)最終要完成電氣原理圖。：l 結(jié)構(gòu)輕巧合理兩維的組合方式自擬l 技術(shù)指標(biāo)行程mm脈沖當(dāng)量mm中心負(fù)載最大速度重復(fù)定位精度1001000．002515kg40mm/s＜：針對(duì)所選擇的的電機(jī)，設(shè)計(jì)符合負(fù)載要求的驅(qū)動(dòng)電路或選擇驅(qū)動(dòng)器。：要求實(shí)現(xiàn)的功能：1）電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制：電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等功能2）電機(jī)的輪廓控制：直線插補(bǔ)功能，圓弧插補(bǔ)功能3）電機(jī)的啟停時(shí)的加減速控制3. 設(shè)計(jì)任務(wù)A．總體方案設(shè)計(jì)，收集資料，明確設(shè)計(jì)任務(wù)、方案的設(shè)計(jì)及選擇B．機(jī)械部分設(shè)計(jì)，具體任務(wù)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算、零件圖繪制、裝配圖繪制C．電氣部分設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)或選擇，控制器軟硬件設(shè)計(jì)或選擇，強(qiáng)電部分設(shè)計(jì)，電器原理圖繪制二、設(shè)計(jì)說(shuō)明書數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床（Computer numerical control machine tools）的簡(jiǎn)稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數(shù)字表示，通過(guò)信息載體輸入數(shù)控裝置。經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號(hào)，控制機(jī)床的動(dòng)作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動(dòng)地將零件加工出來(lái)。它與普通機(jī)床相比，其優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的，不僅零件加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，且自動(dòng)化程度極高，可減輕工人的體力勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了生產(chǎn)效率，特別值得一提的是數(shù)控機(jī)床可完成普通機(jī)床難以完成或根本不能加工的復(fù)雜曲面的零件加工，因而數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中的地位愈來(lái)愈顯得重要。數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體組成。：以指令的形式記載各種加工信息；：接受輸入的加工信息，經(jīng)數(shù)控裝置運(yùn)算處理，向伺服系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的脈沖；：把數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械位移；用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服控制和主軸伺服控制。：包括，主軸部分、進(jìn)給系統(tǒng)、刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置(ATC)、自動(dòng)托盤交換裝置(APC)等。XY數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱—橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的XY 工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的 XY 數(shù)控工作臺(tái)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在X、Y 方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控 XY 工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：中心負(fù)載 M=15kg；工作臺(tái)行程X=150，Y=150；工作臺(tái)最大速度V=；脈沖當(dāng)量S=；傳動(dòng)方式：絲杠直連。 總體方案確定 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)裝置的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，將直接影響工件的加工精度。為此，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)必須滿足:（1）傳動(dòng)精度高；（2）摩擦阻力??；（3）運(yùn)動(dòng)部件慣量小。此系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，以及一定的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)停止等控制功能，采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法。利用單片機(jī)的強(qiáng)大功能控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，可以控制電機(jī)的加減速控制功能，設(shè)置正、反轉(zhuǎn)、停止功能，因此采用基于單片機(jī)的控制方案。選用單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和鍵盤陣列，構(gòu)建了集步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器為一體的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。二維工作臺(tái)作為被控對(duì)象通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿在X/Y 軸方向聯(lián)動(dòng)。XY工作臺(tái)的傳動(dòng)方式：為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙V形滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 導(dǎo)軌的選擇或設(shè)計(jì)導(dǎo)軌是用金屬或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引導(dǎo)移動(dòng)裝置或設(shè)備并減少其摩擦的一種裝置。導(dǎo)軌表面上的縱向槽或脊，用于導(dǎo)引、固定機(jī)器部件、專用設(shè)備、儀器等。導(dǎo)軌又稱滑軌、線性導(dǎo)軌、線性滑軌，用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載， 同時(shí)可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌按摩擦性質(zhì)分為滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌和滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌。滑動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)件與承導(dǎo)件直線接觸。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接觸剛度大；缺點(diǎn)是摩擦阻力大、磨損快、低速運(yùn)動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。滾動(dòng)導(dǎo)軌在運(yùn)動(dòng)件和承導(dǎo)件之間放置滾動(dòng)體（滾珠、滾柱、滾動(dòng)軸承等）。它的特點(diǎn)有①摩擦系數(shù)小、運(yùn)動(dòng)靈便，不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；②定位精度高；③磨損較小，壽命長(zhǎng)，潤(rùn)滑方便；④結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工較困難，成本較高；⑤對(duì)臟物及導(dǎo)軌面的誤差比較敏感。A. X向?qū)к夁x用為了達(dá)到較高的精度，X 向?qū)к夁x用滾動(dòng)導(dǎo)軌，參照MISUMI 公司的產(chǎn)品，下面確定導(dǎo)軌的型號(hào)。1）導(dǎo)軌的工作條件靜載荷：中心負(fù)載m1=15kg安裝方向：水平安裝導(dǎo)軌數(shù)目：2滑塊數(shù)目：2使用環(huán)境：工作環(huán)境為一般環(huán)境，必須進(jìn)行潤(rùn)滑，無(wú)需對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行防銹、防銹處理。2）導(dǎo)軌受力分析靜態(tài)載荷：P1=P2=m1g/2=根據(jù)所受靜態(tài)載荷，選定導(dǎo)軌的型號(hào)為：SSEL2BL10。基本額定靜載荷C0a=，基本額定動(dòng)載荷C=3）導(dǎo)軌的額定壽命計(jì)算額定壽命的計(jì)算公式：L=(fHfTfCfwCPC)350其中，L：額定壽命（km）；C：基本動(dòng)額定載荷（N）；PC：負(fù)荷計(jì)算值（N）； fH：硬度系數(shù)，取值為1；fT：溫度系數(shù)，取值為1；fC：接觸系數(shù)，取值為1；fW：取值為1。 則，L=106kmB. Z向?qū)к夁x用Z向?qū)к夁x用滑動(dòng)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌數(shù)目為2，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上常用導(dǎo)軌性能比較(下表)，我們選用開式“V”形導(dǎo)軌，一邊為三角形導(dǎo)軌，一邊為矩形導(dǎo)軌。三角形導(dǎo)軌的特點(diǎn)：該導(dǎo)軌在垂直載荷的作用下，磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，不會(huì)產(chǎn)生間隙，故導(dǎo)向精度比較高。但壓板面仍需有間隙調(diào)整裝置。為增加承載面積，減小比壓，在導(dǎo)軌高度不變的條件下，應(yīng)采用較大的頂角（110176。～120176。）；為提高導(dǎo)向性，可采用較小的頂角（60176。）。矩形導(dǎo)軌特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、檢驗(yàn)和修理方便，導(dǎo)軌面較寬，承載能力大，剛度高，故應(yīng)用廣泛。 滾珠絲杠的選擇選用HIWIN微小型滾珠絲杠1) 高效率及可逆性由于滾珠絲杠（滾珠螺桿）螺桿軸及螺帽均是點(diǎn)接觸之滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以其效率可高達(dá)90%以上。因此其傳動(dòng)扭矩僅只有傳統(tǒng)導(dǎo)螺桿的1/3，滾珠螺桿的機(jī)械效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)導(dǎo)螺桿。HIWIN滾珠絲杠（滾珠螺桿）在牙型表面采以超精密加工，以降低珠槽與鋼珠間的接觸摩擦，又鋼珠與珠槽間為點(diǎn)接觸之滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，有低摩擦力及高運(yùn)轉(zhuǎn)效率的優(yōu)點(diǎn)。故可降低馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力要求，進(jìn)而降低成本。HIWIN以高精度測(cè)試儀器并依循標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試步驟以確保滾珠螺桿的效率。 2)零背隙及高剛性 CNC工具機(jī)、IT及半導(dǎo)體設(shè)備對(duì)于傳動(dòng)螺桿的要求為零背隙、最小彈性變形（高剛性）及高順暢感，經(jīng)由我們的特別設(shè)計(jì)可以達(dá)成此一要求。滾珠絲杠（滾珠螺桿）及HIWIN直線導(dǎo)軌、HIWIN導(dǎo)軌采用施加預(yù)壓力，來(lái)達(dá)到綜欣機(jī)臺(tái)的重現(xiàn)性及全行程的高剛性。但過(guò)大的預(yù)壓力，會(huì)增加操作扭矩。如此增加的摩擦扭矩將會(huì)產(chǎn)生熱及降低預(yù)期壽命。