机电绘图工作台数控系统设计

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1、XY绘图工作台数控系统设计说明书Page22高等教育自学考试机电一体化工程专业《机电一体化专科》综合作业课程代码：09946X-Y绘图工作台数控系统设计说明书主考院校：湖南大学机械运载工程学院设计者：张指导老师：二〇一三年八月五日XY绘图工作台数控系统设计说明书Page22一、总体方案的确定1.1设计任务该课程设计题目为老师指定，设计一个数控X-Y绘图工作台及其控制系统。其工作原理与过程：计算机控制工作台的X、Y向步进电机驱动丝杠螺母副带动绘图工作台实现平面的连续路经的移动；同时由计算机控制电磁铁的通断电实现笔架（Z向）的起落从而绘出图形。这是一个典型的、简单的数控系统。设计指标如下。1

2、）绘图尺寸：125×125mm，2）绘图速度：ν=1m/min，3）绘图精度：±0.15mm，4）控制软件主要设计“手动”控制，工作台能在手动键的命令下沿X、Y轴正反向运动。5）工作台超越边界时能亮灯报警，并停止运动。6）控制部分运行可靠，有一定的抗干扰能力。7）成本低、重量轻。1.2总体方案确定根据设计任务及指标决定采用步进电机的开环控制。（1）控制系统的考虑控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。单片机需要配置按键输入、输出接口等外围设备，使用不太方便，而系

3、统机在这里采用又功能过剩，成本高，所以决定采用单板机。因为配置了单板机，所以脉冲分配采用软件分配，使用非常灵活、简单。脉冲输出与步进电机的驱动电路间采用光电耦合，隔离强电对微处理控制系统的干扰。X、Y的正负方向的手动控制键就用单板机所提供的4个控制键。利用单板机所提供的PIO接口，可输出步进电机的环分脉冲，报警信号和抬压笔信号；输入工作方式选择信号和行程越界信号。（2）机械结构部分方案XY绘图工作台数控系统设计说明书Page22由于绘图仪所受到的绘图工作阻力很小，相对于工作台导轨间移动的阻力可以忽略不计。工作台的尺寸也小、重量轻、自身惯量小，绘图精度要求也不高，因此可以采用步进电机的开环

4、控制直接驱动丝杠螺母副，丝杠螺母可以采用普通螺旋传动机构、螺母采用开口的方式消除传动间隙从而消除反向误差，导轨采用燕尾槽结构，提供适当的阻尼克服步进电机的振荡和失步。由于工作负载很小，可以由步进电机直接驱动丝杠旋转而不需要中间减速装置。二、X—Y工作台机械结构设计2.1确定脉冲当量、丝杠导程步进电机直接驱动丝杠选择普通螺旋结构，可以根据制造的工艺确定丝杠规格为M16×2。初选2.2确定步进电机步进电机无累积误差，转角误差一般为，绘图精度可以满足要求。重量估算：工作台面：0.6kg，丝杠：0.5kg，X、Y中间导轨托架（铝制）：3kg，X、Y向导轨（铝制）：3kg，其它忽略。顶上一层的负荷

5、较底层小，所以只计算底层。1）负载惯量①做直线运动物体的惯量②丝杠惯量XY绘图工作台数控系统设计说明书Page22①负载惯量1）绘图速度的脉冲速率的换算中速为500~2000pps2）计算启动转矩（启动脉冲速率取500pps）3）计算加速转矩（从500~1667pps，设上升时间为0.1s）4）工作台与导轨间的摩擦力折算到丝杠上的摩擦转矩5）全负载转矩6）确定电动机：根据上面计算出的数据和值，如选取2倍的余量，则可得到：启动转矩全负载转矩根据资料选择57BYG007步进电机，为四相，步距角为。其参数如下表，符合要求。XY绘图工作台数控系统设计说明书Page22XY绘图工作台数控系统设计说

6、明书Page222.3传动导向元件的设计计算1）丝杠螺母副传动形式为杠转动，螺母带动负载移动。滑动丝杠满足条件。螺母以螺钉与其需要带动的中间导轨托架、工作台托架固定，加工时将螺母的中心高尺寸加公差控制。丝杠与步进电机直联，采用钻铰内孔，并保证内孔与丝杠的同轴度，这在工艺上很容易保证。因为负载转矩很小，轴向力很小，电机轴承可以承受它；所以丝杠与步进电机的轴通过紧定螺钉固定并采用铁丝防松，保证其轴向定位，这是可靠的。在导轨副其中的固定件一端加工连接步进电机的安装孔，保证孔的中心高尺寸与螺母的对应。如果有安装误差可以通过在螺母的安装面加薄铜片调整，这种结构安装时稍微麻烦一点，但节省了零件和长宽

7、两向的空间，对减轻重量有利。为设计方便，两个方向采用相同的结构形式。以步进电机的安装固定来做丝杠的固定和支撑，丝杠属于自由支承形式。丝杠的螺纹长度确定，因为丝杠已确定为M16×2，则按设计经验取螺母有效长度取丝杠直径的2倍，等于32，加两端倒角定为36。工作长度，考虑联结部位以及安装、加工工艺结构，其结构长度约30，所以丝杠总长约200。刚度校核，符合，总长。丝杠可以按照6g精度制造，螺母按7H精度制造。丝杠材料选用40Cr调质处理