一維數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)【含三維模型和說(shuō)明書(shū)】

一維數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)【含三維模型和說(shuō)明書(shū)】,含三維模型和說(shuō)明書(shū),數(shù)控,工作臺(tái),設(shè)計(jì),三維,模型,以及,說(shuō)明書(shū),仿單 機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 一維數(shù)控進(jìn)給工作臺(tái)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 班級(jí) 學(xué)號(hào) 姓名 指導(dǎo) -4-9 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一維數(shù)控進(jìn)給工作臺(tái)（包括：總體設(shè)記、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)電接口元件選擇、控制電路及接口設(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)等。） 技術(shù)要求： 最大工作載荷Fm=4000N(X，Y，Z三向) 工作行程L=800mm, 最大負(fù)載進(jìn)給速度：30mm/s, 最大空載進(jìn)給速度：200mm/s, 工作壽命：20000小時(shí)， 滾道表面硬度：均為60HRC， 傳動(dòng)定位精度：±0.02mm, 工作臺(tái)面（參考）：600×400（mm×mm） 一、滾珠絲杠副設(shè)計(jì) 計(jì)算載荷的計(jì)算： 式中，為載荷系數(shù)，按書(shū)本表2-6選取1；為硬度系數(shù)，按表2-7選取1.0；為精度系數(shù)，按表2-8選取1.0；為平均工作載荷。 額定動(dòng)載荷計(jì)算值， 取導(dǎo)程為p=6,轉(zhuǎn)速r/min 由此得 根據(jù)值從滾珠絲桿副系列中選取所需規(guī)格，使其額定動(dòng)載荷值大于或者等于有，查表2-9取FC1-4006-2.5. 表中數(shù)據(jù)：公稱直徑 導(dǎo)程p=6mm 螺旋角 滾珠直徑 按表2-1中尺寸計(jì)算： 滾道半徑 偏心距 絲杠內(nèi)經(jīng) 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(yàn)算 滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩共同作用下引起的每個(gè)導(dǎo)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(duì)鋼； 為轉(zhuǎn)矩。 式中，為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；為平均工作載荷。取摩擦系數(shù)為，則有。 按最不利情況取（其中） 則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于起傳動(dòng)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(yàn)算 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為 要求在90%-95%之間，所以該絲杠合格。 經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證，F(xiàn)C1-4006-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，可選用。 二、導(dǎo)軌的選用 由已知條件可得，該導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間Th=20000h 由得： 滑座數(shù)M=4，所以每根導(dǎo)軌使用兩個(gè)滑座，由表2-15至2-18確定 由式（2-9）： 得 其中： 選用漢江機(jī)床廠的HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，查表2-13，可選用 HJG-D35型號(hào)的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。 三、接口設(shè)計(jì) 一維數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)、傳感器、人機(jī)交互界面。 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意幾點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價(jià)低、可維護(hù)性、人機(jī)交互界面可操作性比較好。 1、CPU的選擇 本設(shè)計(jì)采用的AT89S52單片機(jī) 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(guò)程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)運(yùn)行。 （3）接受鍵盤(pán)中斷指令，并響應(yīng)指令，將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)反應(yīng)到LED上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。 （4）P1.0口作為光電傳感器的信號(hào)輸入口，以采集絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息。 2、接口設(shè)計(jì) CPU接口部分包括傳感器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。 3、人機(jī)界面 一般的人機(jī)交互界面的都采用鍵盤(pán)和數(shù)碼管，鍵盤(pán)用于輸入指令參數(shù)等信息，數(shù)碼管可以反映系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)狀態(tài)等信號(hào)。目前流行的人機(jī)界面一般采用液晶顯示器和鍵盤(pán)組合，液晶較數(shù)碼管能夠輸出更多的信息，因此是人們對(duì)于系統(tǒng)狀態(tài)信息的了解更深刻，在測(cè)量控制過(guò)程，更多的信息意味著更高的測(cè)量控制精度和頻率。 4、數(shù)碼管與鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì) 電路原理圖分析： 1、 使用AT89S52的P0口作為8位數(shù)碼管的輸入端； 2、 P2.4、P2.5、P2.6、P2.7控制數(shù)碼管的通斷； LED數(shù)碼管顯示電路分析： 顯示器采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方法，P0口輸出字符的顯示碼，位碼由P2.4—P2.7來(lái)控制。動(dòng)態(tài)顯示的成本較低，但占用CPU接口資源較多，本設(shè)計(jì)中共采用了12根口線。另外由于顯示器的不斷動(dòng)態(tài)刷新，占用了CPU的部分工作時(shí)間，所以對(duì)一些時(shí)間要求較高的控制系統(tǒng)，則應(yīng)考慮顯示器顯示占用的時(shí)間。 鍵盤(pán)輸入電路分析 鍵盤(pán)采用4X4矩形鍵盤(pán)，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(gè)鍵的鍵值。在設(shè)計(jì)中，每個(gè)鍵可用來(lái)數(shù)據(jù)及命令的輸入。 3、 啟動(dòng)開(kāi)關(guān)電路 通過(guò)光耦隔離干擾信號(hào)，分別設(shè)有啟動(dòng)和停止手動(dòng)開(kāi)關(guān)，分別接P1.0、P1.2接口。 采用TLC549 A/D轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)光電傳感器信號(hào)的采集。 4、A/D轉(zhuǎn)換器 本控制器的A/D轉(zhuǎn)換器采用了8位串行A/D轉(zhuǎn)換器，型號(hào)為T(mén)LC549，模擬信號(hào)由2腳輸入，A/D轉(zhuǎn)換后的8位二進(jìn)制數(shù)由6腳串行輸出，7腳為脈沖信號(hào)輸入端，5腳為片選端。該A/D轉(zhuǎn)換器體積小，速度高，輸出接口邵，性價(jià)比高，很適合一些進(jìn)度要求不高，廉價(jià)的工業(yè)控制器。 5、 控制面板 人機(jī)界面采用如圖所示的控制面板，LED數(shù)碼管顯示區(qū)在控制面板上方，方便實(shí)現(xiàn)觀測(cè)工作臺(tái)運(yùn)行數(shù)據(jù)及參數(shù)設(shè)置，所示鍵盤(pán)與4X4矩陣鍵盤(pán)相對(duì)應(yīng)。 操作說(shuō)明： （1）系統(tǒng)接通電源單片機(jī)即復(fù)位開(kāi)機(jī)。 （2）工作臺(tái)回參考點(diǎn)：開(kāi)機(jī)后按下“歸零”按鈕，工作臺(tái)自動(dòng)回到坐標(biāo)參考點(diǎn)。 （3）行程選擇：開(kāi)機(jī)或按下“設(shè)置”后，選擇行程方向“-X”或“+X”，按數(shù)字鍵輸入目標(biāo)位移值，按下“啟動(dòng)”按鈕，系統(tǒng)即自動(dòng)工作。該狀態(tài)如遇緊急情況，可按下“停止”按鈕，工作臺(tái)停止運(yùn)行。 （4）關(guān)閉系統(tǒng)電源，單片機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)閉，運(yùn)行結(jié)束。 四、電機(jī)選擇 初選電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為110BF003 選用價(jià)格便宜、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行頻率高的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，拖板的質(zhì)量m=120Kg，拖板和導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)為 0.06，絲桿最小的拉壓長(zhǎng)度 800mm，步進(jìn)電機(jī)采用三相六拍通電方式，步距角 0.75 度，選擇系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為0.01mm （一）確定脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī) 由于是開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，選脈沖當(dāng)量δp=0.01mm. （二）計(jì)算減速器的傳動(dòng)比 減速器一般采用減速傳動(dòng)，其傳動(dòng)比可按下式計(jì)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(yīng)采用1級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比可取為i=2 (三) 計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 將傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效為圓柱體來(lái)近似計(jì)算。圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J（kg?m2）的計(jì)算公式為 J=πρd4l32 式中，ρ是材料密度（kg/m3）；d是傳動(dòng)件的等效直徑（m）；l是傳動(dòng)件軸向長(zhǎng)度（m）。 計(jì)算出的各傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)按下式折算到電動(dòng)機(jī)軸上，以獲得總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)軸上和絲桿軸上齒輪或齒形帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg?m2）；Js是絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg?m2）；m是工作臺(tái)質(zhì)量（kg）。 Jd=Jz1+Jz2+Js1i2+(p2πi)2m=2.9×10-4kg·m2 (四)確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)力參數(shù). 1.電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 作用在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可按下式計(jì)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(dòng)機(jī)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ε是電機(jī)啟動(dòng)的角加速度；Fμ是作用在工作臺(tái)的摩擦力；Fw是作用在工作臺(tái)的其他外力；η是伺服傳動(dòng)鏈的總效率；F0是滾珠絲桿副的預(yù)緊力；n0是滾動(dòng)絲桿副未預(yù)緊6.4時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取η=0.8。 2.電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩確定 根據(jù)電動(dòng)機(jī)實(shí)際啟動(dòng)情況，計(jì)算出啟動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tq，然后按表5-5選取啟動(dòng)時(shí)所需步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Ts1。 Ts1=Tq0.809=9.920.809N·m≈11.45N·m 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行的受力情況，計(jì)算出負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1，然后按下式計(jì)算正常運(yùn)行時(shí)所需步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Ts2。 Ts2=T10.3~0.5 按Ts1和Ts2中的較大者選取步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)頻率確定 根據(jù)計(jì)算出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq，按電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線來(lái)確定最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 Tq=TJ+Tμ+T0=9.18+1.08+0.31N·m≈10.57N·m 4.電動(dòng)機(jī)最大運(yùn)行頻率確定 根據(jù)計(jì)算出的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1，按電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線來(lái)確定最大運(yùn)行轉(zhuǎn)矩。 T1=Tw+Tμ+T0=2.39+1.08+0.31N·m≈3.78N·m (五)驗(yàn)算慣量匹配 要求負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd與電動(dòng)機(jī)軸自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm比值應(yīng)控制在以下所規(guī)定的范圍內(nèi)： 14≤JdJm≤1 因?yàn)? JdJm=2.9×10-46.2×10-4=0.467 滿足條件，說(shuō)明慣量匹配比較合理。