双坐标数控工作台机械伺服结构设计及控制电路设计
毕业论文（设计）任务书
班级：姓名：
设计题目：双坐标数控工作台机械伺服结构设计及控制电路设计(1)
专题：有效行程400×250，实际工作时工件及夹具重最大120公斤，最大空运行速度Vmax≤5m/min，最大加工速度Vmax≤2.5m/min，定位精度±0.04mm/300mm，重复定位精度±0.02mm，脉冲当量δ=0.02mm，寿命20000 小时。设计来源：教师自拟
要求完成的内容：1）双坐标数控工作台机械伺服结构数字化三维建模；
2）双坐标数控工作台机械伺服结构装配图(A1图)1张；
3）工作台托板零件图(A3)1张；
4）选做内容：运动控制电路原理图设计(A3)1张；
5）设计计算说明书一份（1万字左右，20～25页）。
发题日期：2009年2月23日完成日期：2009年3月21日
实习实训单位：地点：
论文页数：25(约1万字) 页；图纸张数： A1图1张, A3图1张
指导教师
教研室主任：
院长（系主任）：
目录
第一章滚珠丝杠副的选择 (2)
1.1 滚珠丝杠副的支撑形式 (2)
1.2 滚珠丝杠副的特点 (2)
1.3 滚珠丝杠副的设计计算 (3)
1.4 选择滚珠丝杠副 (5)
1.5 稳定性验算 (6)
1.6 刚度验算 (7)
1.7 效率验算 (8)
第二章导向机构的设计 (9)
导轨的功用 (9)
二、滚动直线导轨的选择程序
三、直线运动滚动支承系统负荷的计算
四、导轨的选择
第三章步进电动机的选择 (12)
3.1 步进电动机的工作原理 (12)
3.2 选择电动机 (13)
第四章滚动轴承的计算 (14)
4.1 支撑方案的确定 (14)
4.2 轴承的校核 (15)
总结 (16)
参考文献 (17)
第一章滚珠丝杠副的选择
1.1 滚珠丝杠副的支承形式
支承应限制丝杠的轴向窜动.较短的丝杠或垂直安装的丝杠,可以一端固定,一端无支承.水平安装丝杠较长时, 可以一端固定,一端游动;对于精密和高精度机床的滚珠丝杠副,为了提高丝杠的拉压刚度,可以两端固定.为了补偿热膨胀和减少丝杠下垂,两端固定丝杠时还可以进行预拉伸。
一般情况下,应以固定端作为轴向定位基准,从固定端起计算丝杆杠副的长度误差.此外,应尽可能固定端作为驱动端。
考虑到本设计的结构与要求,我们决定采用一端固定一端游动(F-S)的支承形式, 如图1.1所示。
一端固定一端游动（F~S）。固定端采用深沟球轴承2和双向推力球轴承4，可分别承受径向和轴向负载，螺母1、挡圈3、轴肩、支撑座5台肩、端盖7提供轴向限位，垫圈6可调节推力轴承4的轴向预紧力。游动端需径向约束，轴向无约束。采用深沟球轴承8，其内圈由挡圈9限位，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩。
图1.1 一端固定一端游动支承
这种支承形势有以下一些特点：
1.需保持螺母与两端支撑同轴,故结构较复杂,工艺较困难。
2.丝杠的轴向刚度较高。
3.压杆稳定性和临界转速较高。
4.丝杠有热膨胀的余地。
5.适用于较长的卧式安装丝杠。
1.2 滚珠丝杠副的特点
1.传动效率高效率高达90%~95%,耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。
2.运动具有可逆性即可将回转运动变为直线运动,又可将直线运动变为回转运动,且逆传动效率几乎与正传动效率相同。
3.系统刚度好通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度,可满足各种机械传动要求,无爬行现象,始终保持运动的平稳性和灵敏性。
4.传动精度高经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,丝杆副工作时温升和热变形小,容易获得较高的传动
精度。
5.使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动,磨损极小,长期使用后仍能保持其精度,因而寿命长,且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高5~6倍。
6.不能自锁 特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动装置。
7.制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。
由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价,因而已成为数控机床,精密机械,各种省力机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。
1.3 滚珠丝杠副的设计计算
有效行程400*250，实际工作时工件及夹具重最大120公斤，最大空运行速度max 5/min V m ≤,最大加工速度min 2.5/min V m ≤定位精度0.04/300mm mm ±,重复定位精度0.02mm ±,脉冲当量0.02mm δ=,寿命20000小时
（1）步距角 360kmz α?
=， 360p p i αδ?=， 0.02p mm δ=，1i =。
先假设p=5mm 。
表1.1
（2） 丝杠转速 快速点定位30%，加工70%。
1000*2.51000*5*70%*30%
66
291.67250541.67
n n =+=+= （3） 当量转速
加工 1000*2.5417/min
6
L n r == 点定位 1000*5
834/min 6
m n r =
= （4） 丝杠负荷
当量载荷导轨摩擦力N F ,0.006*120*107.2F mg N μμ===。
精密加工a F =500N ， 加工时总载荷1a F =507.2N 快速点定位2a F =N F =7.2N
（5） 当量负荷
m F =
411m F N == 1.4 选择滚珠丝杠副
（1） *h
aj m n k C F k f ∑
=
20000h L =小时，由机电一体化系统设计手册表2.8-63，2.8-64，
查得：
h K ------寿命系数，11
3
320000()() 3.4550500
n h L K ===。
n K ------转速系数，113333.333.3
()()0.39550
n K n ===。
f ∑------ 综合系数， 1*1*1*0.53
0.4081.3
t h a k w f f f f f f ∑=
== 其中t f 为温度系数，查表1-2得t f ＝1； h f 为硬度系数，查表1-3得 h f ＝1.0；
a f 为精度系数，查表1-4得a f ＝1.0（丝杠精度为1～3级）； w f 为负荷性质系数，查表1-5得w f ＝1.3；
k f 为可靠性系数，查表1-6得k f ＝0.53（可靠性为90%）。 可得： 3.4*411
*87820.39*0.408
h aj m n k C F N k f ∑=
==。 表1-2 温度系数t f
表1-3 硬度系数h f
表1-4精度系数a f
表
1-5 负荷性质系数w f
表1-6 可靠性系数k f
（2）根据'a C 选择滚珠丝杠副
1）假设选用FC1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于'a C 的原
查教材表2-9选以下型号规格：
FC1-2505-2.5 ，Ca=9610N
由教材表2-9得丝杠副数据：
公称直径 025D mm = 导程 6P mm = 螺旋角 λ=422' 滚珠直径 3.175o d mm =
2）按教材表2-1中尺寸公式计算：
滚道半径 00.520.52*3.175 1.651R d mm mm === 偏心距0 3.1750.707()0.707*(1.651)0.04522
d e R mm =-
=-=
丝杠直径1022252*0.0452*1.65121.788d D e R mm =+-=+-=
1.5 稳定性验算
1）由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S ，其值应大于丝杠副传动机构允许安全系数[]S （见表1.2）。
表1.2
丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷()cr F N 按下式计算：
22
()a
cr EI F l πμ=
式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于刚，E=206GPa ；l 为丝杠工作长度（m ）;
a I 为丝杠危险截面的轴惯性矩4()m ；μ为长度系数，见表1.2。
依题意， 4
4441 3.14*(0.021788) 1.1*106464
a d I m π-=== 取2
3
μ=
，则 294
92(3.14)*206*10*1.1*10 3.2*102
(*0.4)3
cr F N N -==
安全系数 8
53.5*107.8*10411cr m F S F ===。
查表1.2，[]S =2.5~3.3 。 []S S > ， 丝杠是安全的，不会失稳。
2）高速丝杠工作时可能发生共振，因此需要验算其不会发生共振的最高转速——临界转速cr n 。要求丝杠的最大转速max cr n n ≤。
临界转速cr n 可按下式计算
21
2
9910()c cr f d n l μ=
式中，c f 为临界转速系数，见表1.2。取 3.927c f = ，2
3
μ=
，则 22(3.927)*0.021788
9910*46898/min 2
(*0.4)3
cr n r ==
max cr n n >=834r/min 。 所以丝杠工作时不会发生共振。
3）此外滚珠丝杠副还会受0n D 值的限制，通常要求407*10/min n D mm r
44025*550/min 1.357*107*10/min n D mm r mm r =?=
所以该丝杠副工作稳定。
1.6 刚度验算
滚珠丝杠在工作负载()F N 和转矩()T N m ?共同作用下引起每个导程的变形量0()L m ?为
20()2C
PF P T
L m EA GJ π?=±±
式中，A------为丝杠面积，2211
()4
A d m π=；
c J ------为丝杠的极惯性距，421()32
c J
d m π
=
；
G------为丝杠的切变模量，对钢83.3G GPa =；
()T N m ?------为转矩。
tan()2
m
D T F λρ=+ 式中，ρ------为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；
m F ------为平均工作负载。
取摩擦系数tan 0.0025ρ= '''840ρ=
3'''25
411
*10*tan(422'840)0.42
T N m -=+=? 按最不利的情况取（其中m F F =）
220224
11332092294
2041624*6*10*41116*(6*10)*0.4
()3.14*206*10*(0.021788)(3.14)*83.3*10*(0.021788)2.92*10C PF P T PF P T L EA GJ Ed Gd L L m
πππμ---?=+=+
?=+?≈ 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为
2
03
3.2*100.4* 2.26*10L L l m m P μμ--??===
通常要求丝杠的导程误差L ?应小于其传动精度的1/2，即 11
*0.030.0151522L mm m
σμ?<=== 该丝杠的L ?满足上式，所以其刚度可满足要求。
1.7 效率验算
滚珠丝杠副的传动效率η为
'''tan 338'0.0769
0.978tan(422'840)0.0787
η=
==+
η要求在90%~98%之间，所以该丝杠副合格。
经上述验证，FC1-2505-2.5各项性能均符合要求，可选用。
第二章 导向机构的设计
一、 导轨的功用
机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确的完成其特定方向的运动。这个任务就由导向机构来完成。机电一体化产品的导向机构是导轨，其作用是支承和导向。
二、 滚动直线导轨的选择程序
在设计选用滚动直线导轨时，除应对其使用条件，包括工作载荷、精度要求、速度、工作行程、预期工作寿命进行研究外，还须对其刚度、摩擦特性及误差平均、阻尼特性等综合考虑，从而达到正确合理的选用，以满足主机技术性能的要求。
三、 直线运动滚动支承系统负荷的计算
直线运动支承系统的负荷与导轨配置形式(水平、竖直、倾斜等),移动件的重心和力作用点的位置,导轨上移动件牵引力作用点的位置,启动及停止时的惯性力以及切削力等有关。
本设计的直线运动导轨安装形式为水平,采用卧式导轨、滑块座移动。
图2.1 导轨
四、 导轨的选择
由机床设计要求可知对该导轨设计的基本要求为:
作用在滑座上的载荷1200F N ∑=，滑座个数4M =，单向行程长度400S l mm =，每分钟往复次数为4，用于轻型机床的工作台。
导轨的额定工作时间寿命h T =20000小时。
表2-1 硬度系数
滚道表面硬度HRC
60 58 55 53 50 45 H f
1.0 0.98 0.90 0.71 0.54 0.38
表2-2 温度系数
表2-4负荷系数
（1） 计算额定动载荷
滑座的运动速度最大为5m/min<15m\min ，工作温度在100C 0以下，导轨滚道硬度为60HRC ，无明显冲击和振动，每根导轨上滑块配置数为2。
由 3
*102S h s T T l n
= 得：
33
22*20000*0.4*6*60
10105760h s s s T l n T T km =
=
= 因滑块座M=4,所以每根导轨上2个，由表2-1~2-4确定0.81C f =， 1.0H f =，
1.0T f = , 1.2W f =, 则由式
3
(
)H T C a s W f f f C T K f F
=
得
a
H T C C=
其中
1200
300
4
F
F N N
M
∑
===
2163
1*1*0.81
a
C N
==
选用的是汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨,查其产品手册知, HJG-D 型号的导轨的Ca值为17500N,能满足五年的使用要求,所以可选用.
第三章步进电机的选择
步进电机在自动控制系统中作执行元件。是位与电气控制装置和机械执行装置接点部位的一种能量转换装置，它能在控制装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换成机械能。
2.1 步进电机的工作原理
三相反应式步进电机的工作原理如图5.3所示，其中步进电机的定子上有6个齿，其上分别缠有A W 、B W 、C W 三相绕组,构成三对磁极,转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流供电。当A W 、B W 、C W 三相绕组轮流通电时，通过电磁力吸引步进电动机转子一步一步地旋转。
A
B C
A B
C
12
3
4A
B
C
A B
C
A
B
C
A
B
C
1
2
341
2
3
4
图５.３
2.1.2 步进电动机的通电方式和步距角
如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余断电，这种通电方式称为单相通电方式。
如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，这种通电方式称为双相通电方式。
步距角是指步进电动机每一拍转过的角度。一个m 相步进电动机，如其转子上有z 个齿，则其步距角α可通过下式计算360
kmz
α=
，式中k 是通电方式系数，当采用单相或双相通电方式时，k ＝１，当采用单双向轮流通电方式是，k ＝２。
2.2 选电动机
2.2.1电动机转动惯量的计算
滚珠丝杠的转动惯量，已知名义直径mm D 500=，螺距p=10mm.长度L=2741mm.则查表 6.6-28（机床设计手册）可得1m 长的丝杠转动惯量为35.76kg.cm 。那么次滚珠丝杠的转动惯量J s =35.76×2.741=98.01kg.cm 2
。 丝杠折算到电动机轴上的转动惯量
J==S J Z Z 22
1)((20÷30)2×98.01=43.56kg.cm 2
。
工作台折算到丝杠的惯量，已知导程10mm ，工作台以上负载1000kg 。，查表6.6-29得：重10000N 的转动惯量JG=25.80kg.cm 2
。
丝杠传动是传动系统折算到电动机轴上的总的转动惯量
JZ =JM+()??
?
???++???? ??2022
21)2(πL m J J Z Z S +J1
式中J —船工系统折算到电动机轴上的转动惯量（kg.cm ） J1—齿轮Z1的转动惯量（kg.cm ） J2--齿轮Z2转动惯量（kg.cm ） JS —丝杠的转动惯量（kg.cm ）
m —工作台及共建等移动部件的质量（N ） L0—丝杠得导程（cm ）
J1=0.78D14
L1×106
-=0.78×（5.988）4
×3×103
-=3kg.cm J2=0.78D24
L2×106
-=0.78×（9.02）4
×3×103
-=15.5kg.cm
JZ=JM+9.34+()?????
?
++??? ??22
)21(100001.985.153020π=81.06kg.cm
2.2.2 电机力矩的计算
由于此纵向进给系统不做切削运动，故只计算快速空载和快速进给力矩。
快速空载启动时所需力矩Mq=MA+Mf+M0 Mq —快速空载时的启动力矩（N.m ）
Mf —折算到电动机上的摩擦力矩（N.m ）
M0—由于丝杠的预紧折算到电动机轴上的附加摩擦力矩（N.m ） 快速进给时所需力矩MJ MJ=Mf+MO
因为MJ 2max 21060a n t π-?=81.06×22 3.141000 10600.2 -????=424.214N.cm 摩擦力矩Mf （N.㎝） Mf= 00 2F L i πη, 式中F0—导轨的摩擦力（N ） i--齿轮降速比 η--传动链效率，一般可取η=0.7～0.85 Mf= 002F L i πη=50 1.0 20.832 π??÷=6.6N.cm 附加力矩M0= ()020 012P F L ηπη - 式中F —滚轴丝杠预加负荷，这里取FM=5000N. L0—滚珠丝杠导程（㎝） η--滚珠丝杠未预紧时传动效率，一般取大于0.9，这里取0.95 M0= ()020012P F L ηπη-= ()25000 1.0 10.9520.8 π?-=60.8N.cm Mq=MA+Mf+M0=424.214+6.6+60.8=491.65N.㎝=4.92N.m 2.2.3 电机的选型 查表得，选择电动机120MB100A ，它的启动转矩9.31N.m 。 120MB100A 属于CB/MB 系列交流伺服电机采用了高性能磁性材料和优化的正弦波磁路设计，具有小型化、全密封、高精度、高相应、低噪音、地震动的特点，特别适合于对动态和稳态定性要求高的场合。 技术特点 A 、高性能铷铁硼永磁材料，纯正弦波磁路设计。 B 、铝合金精美外观，体积紧凑。 C 、小惯量CB 系列和中惯量MB 系列。 D 、动态性能好。 E 、过载能力强。 以上数据《机电一体化系统设计手册》 第四章 滚动轴承的计算 5.1 支撑方案的确定 考虑滚珠丝杠在轴向的伸缩变形，故考虑在支撑方面采用一端固定，一 端游动。在综合考虑后，决定用角接触球轴承完成支承。固定端用一对背靠背接触球轴承，而用单个角接触球轴承支于游动端。 在选择了滚珠丝杠的型号后，由于我们采用的是现存的丝杠。所以尺寸都已经确定，初选固定端7307B/DB 背对背型号内径d=35㎜，D=80㎜,B=42㎜。 游动端采用7307B 型号B=21㎜ 轴承座连接孔144?42、 M12-4 5.2 轴承型号选型及校核 轴向力Fa=383.3N 径向力Fr=10000/2=5000N 因为Fa/Fr=5000/383.3〉1.14（查机械设计第七版表13-5） 则X=0.35,Y=0.57。 fp 取1.5（中等冲击或中等惯性力..查表13-6同上） 动载荷P=fp(XFr+YFa)=1.5×（0.35×5000+0.57×883.3） =3380.25N 预计寿命Lh=5000h,转速n=1000r/min ÷1.5=666.7 计算基本额定动载荷C=N =???='15.197681050007.6666025.3380106036 6εh nL P 滚动轴承受理分析图（7-1） 因为C=19768.15 总结 本次毕业设计是继洛阳第一拖拉机厂生产实习,金工实习以及几次课程设计以来的又一次理论知识与实践相结合的锻炼。 历程12周的课题设计,在梁老师的精心指导下,完成了DHZK3600W数控短电弧机床纵向进给系统的总体结构的设计（包括滚珠丝杠、直线导轨、轴承、伺服电机、同步齿型带等）；进行总体结构的装配图绘制，相关零件的零件图绘制；另外，还进行了滚珠丝杠、直线导轨、轴承、伺服电机和同步齿型带的选择计算与校验。 在查阅相关的数控机床资料，类比同类机床的进给系统结构，以及汉江机床厂提供的相关零部件资料的基础上，用AutoCAD进行总装图的优化设计和绘制。零件的绘制。通过要求完成了毕业论文书写内容。对机床设计过程有了深刻的了解和认识。 通过此次毕业设计,使我们的综合运用能力进一步加强,把大学四年来所学的专业理论知识与实践很好的结合起来，从方案确定到选型、校核、画图等一系列都在很大程度上开发了我们的设计思维和应用能力。也是我们认识到了这次涉及的必要性和重要性，为我们以后参加工作步入岗位打下了坚实的基础。 当然这次毕业设计中我们也认识到自身的不足之处。虽然在设计中能够认真独立地思考、分析问题。但知识面不够广泛以及实际经验欠缺等诸多因素,造成设计中很多疏漏的地方以及大多方案都停留在已有基础上,创新很少。而且在优化设计方面做得很少，可以说整个设计很粗糙，当然我会在以后的工作学习生产不断积累经验，争取做得更好，敬请原谅本次设计中的不足之处。 参考文献 [1] 廖念钊主编.互换性与技术测量(第四版)，中国计量出版社，20002.7 [2] 齐占庆.燕山大学.机床电气控制技术(第三版)，机械工业出版社 [3] 清华大学.华中工学院.郑州工学院.铸造设备，机械工业出版社 [4] 大连理工大学工程画教研室.机械制图，高等教育出版社 [5] 龚桂义.机械设计课程设计指导书，高等教育出版社 [6] 濮良贵.纪名刚.机械设计(第六版)，西北工业大学，高等教育出版社, 1996 [7] 徐颖.机械设计手册(第2版) (第三卷)，机械工业出版社 [8] 徐颖.机械设计手册(第2版) (第四卷)，机械工业出版社 [9] 大连组合机床研究所.组合机床设计（第三册，电气部分），机械工业出版社 [10] 梁治明.丘侃.《材料力学》.高等教育出版社 [11] 濮良贵.纪名刚.《机械设计》，高等教育出版社。 [12] 杨黎明.王智相.《机电一体化系统设计手册》，国防工业出版社 机电课程设计XY数控进给工作台设计 大学 课程设计（论文） 内容：X-Y数控进给工 作台设计 院(系)部：机械工程学院 学生姓名： 学号: 专业：机械电子工程 班级： 指导教师： 完成时间：2010-10-08 摘要 当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 关键字：机电一体化的基础基本组成要素特点发展趋势 目录 第一章课程设计的目的、意义及要求 (4) 第一节课程设计的目的、意义 (4) 第二节课程设计的要求 (4) 第二章课程设计的内容 (5) 第一节课程设计的内容 (5) 第二节课程设计的内容 (5) 第四章数控系统总体方案的确定 (6) 第五章机械部分设计 (7) 第一节工作台外形尺寸及重量初步估算 (7) 第二节滚动导轨副的计算、选择 (8) 第三节滚珠丝杠计算、选择 (10) 第四节直流伺服电机的计算选择 (12) 第五节联轴器计算、设计 (14) 第六节限位开关的选择 (15) 第七节光电编码器的选择 (15) 第六章机床数控系统硬件电路设计 (15) 第一节设计内容 (17) 第二节设计步骤························ X-Y 数控工作台课程设计 一、总体方案设计 1.1 设计任务 题目：X —Y 数控工作台的机电系统设计 任务：设计一种供立式数控铣床使用的X —Y 数控工作台，主要参数如下： （1）工作台面尺寸C ×B ×H ＝185mm ×195mm ×27mm ； （2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝385mm ×385mm ×235mm ； （3）工作台加工范围X=115mm Y=115mm ； （4） X 、Y 方向的脉冲当量均为0.005mm 、脉冲；X 、Y 方向的定位精度均为±0.01mm ； （5）负载重量G=235N ； （6）工作台空载最快移动速度为3m/min ； 工作台进给最快移动速度为1m/min 。 （7）立铣刀的最大直径d=20mm ； （8）立铣刀齿数Z=3； （9）最大铣削宽度20e a mm ； （10）最大被吃刀量10p a mm 。 1．2总体方案的确定 图1-1 系统总体框图 （1）机械传动部件的选择 ① 导轨副的选择 要设计的X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 ② 丝杠螺母副的选择 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm 的脉冲当量和±0.01mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。 ③ 减速装置的选择 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输 概要 本文介绍了用PLC S7-200为控制电路主元件，外加电器系统，输入输出电路，构成了整体的实训项目。通过PLC控制机械手来模拟工业生产过程中机电设备的工作原理。工业机械手的任务是搬运物品，要求把物品从一个工位搬到另一个工位，如下图所示。机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制，这样使我们能更近距离地了解工业生产过程。 左移 目录 前言 第一章机械手简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1．1 机械手概念 1．2 机械手总体结构 第二章PLC介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 2．1 PLC发展史 2．2 PLC应用 2．3 PLC特点 第三章汽缸简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 3．1汽缸概念与汽缸分类 3．2汽缸结构与工作原理 第四章相关元气件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 4．1电磁阀介绍 4．2传感器介绍 第五章项目的实施. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 5．1机械手的控制要求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .11 5．2机械手总体设计方案. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .11 机械学院 毕业设计（论文）开题报告 题目X-Y数控工作台设计 学生姓名 学号 院 (系) 专业机械设计制造及自动化 指导教师王振 报告日期2010年11月20日 毕业设计（论文）题目X-Y数控工作台设计 题目来源（请在有关项目下作√记号）科研实践教学学生自拟 √ 题目类别（请在有关项目下作√记号）设计论文其它√ 毕业设计（论文）起止时间2009年10月22日——2009年4月30日 X-Y数控工作台设计 一、设计依据及设计意义： 1，依据：数控机床是用数控指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它广泛应用于机械制造和自动化领域，数控机床的应用不但给传统的制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控机床的不断发展和应用领域的扩大，所以X-Y数控工作台设计对国计民生的一些重要行业（IT 汽车轻工医疗等）的发展起着越来越重要的作用。 2，意义：目前国内中小企业多采用经济型X-Y数控冲床系统，其加工速度慢、编程复杂、人机界面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。因此研制和开发一套基于双单片机的X-Y数控冲床数控系统，用于装配新冲床或对经济型数控冲床进行改造，能够有效的改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对提高企业生产效率、改善工人的工作环境有很大的实际意义,工作台是机床上必不可少的部件，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场需求，使之更有效的发挥经济效益和设计效益。 3，国际机床市场的消费主流是数控机床。1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控机床、数控铣床为主转数向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。世界X-Y数控工作台发展动向纳为下述几点：工序复合化、精密化的高速化、低价格化。 摘要 在机械制造业中，机械手已被广泛应用，大大地改善了工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。 本文通过对机械手的组成和分类，及国内外的发展状况的了解，对本课题任务进行了总体方案设计。确定了机械手用三自由度和圆柱坐标型式。设计了机械手的夹持式手部结构；以及设计了机械手的总体结构，以实现机械手伸缩，升降，回转三个自由度及手爪的开合。驱动方式由气缸来实现手臂伸缩和升降，异步电机来实现机械手的旋转。 运用了FX 系列可编程序控制器（PLC）对上下料机械手进行控制, 论述了电气控制系统的硬件设计, 控制软件结构以及手动控制程序和自动控制程序的设计。 关键词：机械手，气缸，可编程序控制器 目录 摘要............................................................................. I 1 绪言 (1) 1.1 机械手的概述 (1) 1.2 我国机械手的发展 (1) 1.3 气动机械手的应用现状及发展前景 (3) 1.4 PLC概念的由来和产生 (5) 1.5 本课题设计要求 (8) 2 机械手的总体设计方案 (9) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (9) 2.2 机械手基本形式的选择 (10) 2.3 驱动机构的选择 (11) 2.4 机械手的技术参数列表 (11) 3 机械手的机械系统设计 (13) 3.1 机械手的运动概述 (13) 3.2 机器人的运动过程分析 (14) 4 机械手手部结构设计及计算 (15) 4.1 手部结构 (15) 4.2 手部结构设计及计算 (16) 4.3 夹紧气缸的设计 (18) 5 机械手手臂机构的设计 (24) 5.1 手臂的设计要求 (24) 5.2 伸缩气压缸的设计 (24) 5.3 导向装置 (29) 6 机械手腰部和基座结构设计及计算 (30) 6.1 结构设计 (30) 6.2 控制手臂上下移动的腰部气缸的设计 (30) 6.3 导向装置 (34) 6.4 平衡装置 (34) 6.5 基座结构设计 (35) 数控机床课程设计说明书 设计课题：X-Y数控工作台设计 院别： 专业班级： 学号： 姓名： 指导老师： 摘要...................................................................................................................................... I 一前言. (1) 二设计任务 (1) 三设计主要步骤 (2) （一）确定设计总体方案 (2) 1、初拟机械传动部件方案： (2) 2、方案对比分析： (2) 3、最终方案： (3) （二）机械传动部件的计算与选型 (3) 1 导轨上移动部件的重量估算。 (3) 2 计算切削力 (3) 3 滚珠丝杠传动设计计算及校验 (5) 4 步进电机的传动计算及电动机的选用 (10) 5 滑动导轨的设计计算 (16) 6 其余部件的选取 (17) 结论 (20) 致谢 (21) 参考文献 (21) 21世纪以来，人类经济高速发展，人们生活发生了日新月异的变化，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 关键字：十字工作台；滚珠丝杠；滚动导轨；步进电机 目录 题目：模具注塑机机械手控制电路设计 (1) 前言 (3) 引言 (3) 一、机械手的发展与应用现状 (3) 二、机械手的前景及方向 (5) 三、本课题的研究意义 (6) 第一章机械手硬件设计 (7) 一、机械手的总体设计 (7) 二、机械手的动作过程 (8) 三、主要部件及零件及要求 (8) 四、运动方式和工作过程 (8) 五、PLC控制方式 (8) 第二章电路设计 (9) 一、主线路 (9) 二、PLC控制及I/O分配 (9) 第三章软件设计 (12) 一、编程工具 (12) 二、梯形图如下 (13) 三、指语句令表 (15) 第四章整机调试 (18) 一、手动控制过程 (18) 二、自动运行控制过程 (18) 总结 (19) 致谢 (20) 参考文献 (21) 题目：模具注塑机机械手控制电路设计 作者：王家欢 【摘要】 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文设计的机械手属于混合式机械手,它综合了电动式和气动式机械手的优点,既节省了行程开关和PLC的I/O 端口,又达到了简便操作和精确定位的目的。 【关键字】 气动机械手、注塑机机械手、机械手控制电路设计、PLC控制 目录 一、总体 (2) 二、机械结构设计 (3) 1、脉冲当量和传动比的确定 (3) 2、机械部件(工作台)总体尺寸 (3) 3、工作载荷分析及计算 (4) 4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (5) 5、导轨的选型和计算 (10) 6、联轴器的选择及计算 (11) 7、传动系统等效转动惯量计算 (12) 8、步进电机的选用 (13) 三、控制系统设计 (18) 1、控制系统硬件的基本组成 (18) 2、接口程序初始化及步进电机控制程序 (19) 3、直线圆弧插补程序设计……………………………………………………… 22 参考文献 (30) 一、 总体 1、总体参数 设计一个数控XY 工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。已知的设计参数如下： 2、开、半闭、闭环选择 开环伺服系统——步进电机驱动——没有检测装置 半闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——脉冲编码器——速度反馈 闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——位置检测装置——位置反馈 本设计采用开环步进电机驱动。 3、传动初步设计 电动机——联轴器——滚珠丝杠——工作台 4、系统组成框图 大致确定为：控制、接口、驱动、传动再到执行。 即为XY →→→→控制器接口电路驱动装置传动机构工作台 5、机械传动系统简图 X 轴与Y 轴的传动系统简图都如图所示 二、机械结构设计 1、脉冲当量和传动比的确定 1.1、脉冲当量的确定 根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械 传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量 为0.01mm 。 1.2、传动比的确定 传动比计算公式：P b L i δθ3600 = 专业课课程设计指导书（2－1） 其中：b θ为步进电机的步距角，0L 为滚珠丝杠导程，P δ为系统脉冲当量。根据传动设计，采用联轴器，初选电机步距角?=9.0b θ，丝杠导程mm L 40=， mm P 01.0=δ。 则 其传动比 101 .03604 9.03600=??== P b L i δθ 2、机械部件(工作台)总体尺寸 由于工作台的加工范围为X ＝200mm ，Y ＝150mm 。工作台尺寸一般为工作台加工范 p δ 本科生专业课程设计( 201１届） 学生姓名： 学号: 专业名称： 班级: 指导教师： 201０年11月20日 目录 任务书....................................................................................................... 错误!未定义书签。 二、总体方案的确定....................................................................................... 错误!未定义书签。 三、机械传动部件的计算与选型................................................................... 错误!未定义书签。 四、工作台机械装配图的绘制?错误!未定义书签。 五、工作台控制系统的设计........................................................................... 错误!未定义书签。参考文献........................................................................................................... 错误!未定义书签。附件1 ............................................................................................................... 错误!未定义书签。附件2?错误!未定义书签。 附件3?错误!未定义书签。 附件4 ............................................................................................................... 错误!未定义书签。 机械部分改装设计计算示例1 1、初步确定工作台的尺寸及其重量 根据设计要求，所取的能够加工的最大面积为2190210mm ?，最大工件的重量为150kg 。因此我初定工作台的320230230mm ??。工作台的材料为45号钢，其密度为337.810/kg m ?。（取kg N g /10=）因此： 1.1、工作台（X 向托板） 重量=体积×密度 93123023020107.8101090G N -=??????≈ 1.2、取Y 向托板=X 向托板 N G 902= 1.3、上导轨座（连电机）重量 初步取导轨座的长mm 400，宽为mm 200，高为mm 30。因此 93340020030107.81010190G N -=??????≈ 所以根据上面所求，得XY 工作台运动部分的总重量 为： N G G G G 370190290321=+?=++=动 根据要求所知，其最大加工工件为150kg ，因此： 150103701870G N =?+=总 2、传动系统设计 2.1、脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应该小于等于工作台的位置精度的1/2，由于定位精度在mm 02.0±内，因此： 1 0.020.012 mm δ=?=， 2.2、取联轴器传动，因此它的传动比为1=i ,取丝杠的导程为4P mm =。 取步距角β为0.9度，所以 脉冲当量0.01360 Pi mm β δ== 3、滚珠丝杠的设计计算及选择 3.1求丝杠的静载荷c F 已知其计算公式c d H M F f f F = 《数控机床系统设计》110P 公式5-2 式中的, H f -硬度系数，取1.0 《数控机床系统设计》110P 表5-2 d f -载荷系数，取1.5 《数控机床系统设计》110P 表5-2 M F ：丝杠工作时的轴向阻力 根据： 0.0031870 5.6M Z F F N μ==?= 其中μ为0.003-0.004 因此： 1.51 5.68.4c F N =??= 3.2、确定动载荷及其使用寿命 根据丝杠动载荷公式：H d eq C f F = 式中：C ：额定动载荷 d f ：动载荷系数，轻微冲击取1 H f ：硬度系数，HRC 58≥取1 eq F ：当量动载荷，N 'L ：寿命 根据：使用寿命使用寿命6300814400L h =??= 所以'6660/106050014400/10432L nT h ==??= 式中的n 丝杠的最高转速，因题目中所给其工作台快进的速度为 2/min m ，因此其计算为： max 1000/10002/4500/min n V P r ==?= 课程设计 课程名称：数控技术课程设计 学院：机械学院专业：机械设计制造及其自动化姓名：学号： 年级：任课教师： 2012年 1 月 16 日 课程设计任务书 课程设计（论文）任务书 学生姓名：指导教师： 任务书发出时间2011年12月25日 设计时间2011年12月26日——2012年1月16日 设计（论文）题目数控技术课程设计 设计（论文）内容 ①结合设计任务的要求拟定总体机械和电气控制设计方案。 ②根据拟定的机械设计方案进行二坐标数控工作台的机械结构设计计算和元件的 选用。 ③根据拟定的电气设计方案进行数控系统控制电路的框图设计及驱动控制电路的 计算和元件选用。 ④根据指定要求进行有关软件的流程图设计。 ⑤对指定的软件程序进行编写。 ⑥进行机械结构的工程图和电气原理图的绘制。 ⑦编写设计说明书。 设计（论文）的要求（含说明书页数、图纸份量） ①方案拟定正确。 ②设计计算根据来源可靠，计算数据准确无误。 ③元气件选用正确规范符合国家颁布标准。 ④机械结构图纸绘制视图完整、符合最新国家标准，图面整洁、质量高。 ⑤电气部份图纸要求符合国家标准，图面布局合理、整洁、质量高。 ⑥机械和电气部份图纸总量为 1.5 张“0”号图量，其中含机械装配图1～2张、 电气控制原理框图及计算机I/O接口和驱动控制电路等电气原理图1～2张。 ⑦课程设计说明书应阐述整个设计内容：如课题来源现实意义、总体方案确定、 系统框图分析、电气执行元件的选用说明、机械传动和驱动电路的设计计算以 及机械和电气的其它部分。说明书要突出重点和特色，图文并茂、文字通畅、 计算正确、字迹清晰、内容完整。说明书页数不少于 20 页 一、总体方案设计 1.1 设计任务 题目：X—Y 数控工作台的机电系统设计 任务：设计一种供立式数控铣床使用的X—Y 数控工作台，主要参数如下：1）工作台面尺寸C×B×H＝【200+（班级序号）×5】mm×【200+（班级序号）×5】mm×【15+（班级序号）】mm； 2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝【680+（班级序号）×5】mm×【680+（班级序号）×5】mm×【230+（班级序号）×5】mm； 3）工作台加工范围X=【300+（班级序号）×5】mm，Y=【300+（班级序号）×5】mm； 4）X、Y 方向的脉冲当量均为0.005mm/脉冲；X、Y 方向的定位精度均为±0.01mm； 5）夹具与工件质量M=【15+（班级序号）】kg； 6）工作台空载最快移动速度为3m/min；工作台进给最快移动速度为0.5m/min 。 7）立铣刀的最大直径d=20mm； 8）立铣刀齿数Z=3； 9）最大铣削宽度a e 20mm ； 10）最大被吃刀量a p 10mm 。 1.2 总体方案确定 （1））机械传动部件的选择 ①导轨副的选择 ②丝杠螺母副的选择 ③减速装置的选择 ④伺服电动机的选择 （2））控制系统的设计 ①伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制 ②PLC控制电机的梯形图编程 1.3 设计的基本要求 系统总体方案结构框图 （1） ）按照机械系统设计的步骤进行相关计算，完成手写设计说明书。 （2） ）计算结果作为装配图的尺寸和零部件选型的依据，通过 AutoCAD 软件绘制 XY 数控 工作台的总装配图，并绘制 AO 图纸。 （3） ）按照电气控制系统的步骤进行设计，完成电机启动、停止、正反转、电动等基本 工作状态控制的硬件连线图，并通过 PLC 协调控制 XY 电机运动，绘制相关梯形图。 XY 数控工作台结构 Y 方向传动机构 微 型机 机 电 接口 工作台 步 进 电 动机 减速器 人机接口 驱 动电 路 滚珠丝杠 减 速 器 滚 步 进 电 珠 动机 丝 杠 X 方向传动机构 机械手控制系统设计 摘要 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。 本次设计根据课题的控制要求,确定了搬运机械手的控制方案,设计控制系统的电气原理图，对控制系统进行硬件和软件选型,完成PLC（可编程控制器）用户程序的设计。设计中使用了德国西门子公司生产的S7-200系列的CPU 226。该系列PLC具有功能强大，编程方便，故障率低，性价比高等多种优点。机械手的开关量信号直接输入PLC，使用CPU 226来完成全部的控制功能，包括：手动/自动控制切换，循环次数设定，状态指示，手动完全操控等功能。机械手完成下降、伸出、加紧工件、上升、右旋、再下降、放松工件、缩回、放松、左旋十个动作。通过模拟调试，有序的控制物料从生产流水线上安全搬离，提高搬运工作的准确性、安全性，实现一套完整的柔性生产线，使制造过程变的更有效率。 通过本次毕业设计，对PLC控制系统的设计建立基本的思想：能提出自己的应用心得；可巩固、深化前续所学的大部分基础理论和专业知识，进一步培养和训练分析问题和解决问题的能力，进一步提高自己的设计、绘图、查阅手册、应用软件以及实际操作的能力，从而最终得到相关岗位和岗位群中关键能力和基本能力的训练。 关键词：机械手；PLC（可编程控制器）；CPU；梯形图 II The Design of Manipulator Control System ABSTRACT In industrial manufacturing and other fields, due to the demand of work, many workers are compelled to expose in harmful circumstance like high temperature, corrosion, toxic gases harm and so on, that increased labor intensity, even imperial their lives. However, since the manipulator came out, many knotty problems are smoothly solved. The design requirements under the control of the subject to determine the handling robot control program, designed control system electrical schematic diagram, the control system hardware and software selection, complete the design of the user program in the PLC (programmable controller). Design used in the German company Siemens S7-200 series CPU 226. The series PLC with powerful, easy programming and low failure rate, and cost advantages. Robot switch signal input to the PLC, the CPU 226 to complete all the control functions, including: manual / automatic control switch, set the number of cycles, status indicator, manual complete control and other functions. the production line on the safe move out, so that the manufacturing process becomes more efficient. The graduation project, the design of PLC control system to establish the basic idea: to make their own application experience; can strengthen and deepen the most of the former continued the basic theory and professional knowledge, further training and training to analyze and solve problems the ability to further improve their design, drafting, inspection manuals, application software, as well as the actual ability to operate, and ultimately related jobs and job base in key skills and basic skills training. Key Words: Manipulator;PLC;CPU;Ladder-diagram 目录 一、机电专业课程设计目的 (3) 二、总体方案设计 (3) 三、机械系统设计 (4) 1、计工作台外形尺寸及重量估算 (5) 2、电动机滚动导轨的参数确定 (5) 3、滚珠丝杠的设计计算 (6) 4、步进电机的选用 (7) 四、绘制装配图 (9) 五、电气原理图设计 (10) 1、功率单片机的选择 (10) 2、外部程序存储器的扩展 (10) 3、外部数据存储器的扩展 (10) 4、I/O口扩展电路 (11) 5、显示器接口设计 (11) 6、键盘接口电路设计 (11) 7、步进电机的接口电路设计 (11) 8、其他 (11) 六、参考文献 (12) 一、机电专业课程设计目的 本课程设计是学生在完成专业课程学习后，所进行的机电一体化设备设计的 综合性训练。通过该环节达到下列目的：（1）巩固和加深专业课所学的理论知识； （2）培养理论联系实际，解决工程技术问题的动手能力；（3）进行机电一体化设备设计的基本功训练，包括以下10方面基本功：1）查阅文献资料；2)分析与选择设计方案；3）机械结构设计；4）电气控制原理设计；5）机电综合分析；6） 绘工程图；7）运动计算和精度计算；9）撰写设计说明书；10）贯彻设计标准。 二、总体方案设计 2.1 设计任务 （1）题目：二坐标数控工作台设计。 （2）设计内容及要求： 1）工作台总装图一张（0号图纸） 2）控制电气图一张（1号图纸） 3）设计说明书一份（10-20页） 4）具体设计参数如下： 台面尺寸：140180? 行程X ：140；Y:110 定位精度：mm X 300/013.0± mm Y 300/015.0± 典型工艺参数：台面速度 X: min /0.2m ，Y ：min /0.2m ； 进给抗力 X: 225N ； Y:150N ； 工作物重：8Kg 。 2.2 总体方案确定 （1）系统的运动方式与伺服系统 由于工件在移动的过程中受到负载力较小，为了简化结构，降低成本，采用 本科生专业课程设计 学生姓名: 学号: 专业名称: 班级: 指导教师: 5 月 目录 任务书....................................................................... 错误!未定义书签。 二、总体方案的确定.................................................... 错误!未定义书签。 三、机械传动部件的计算与选型................................ 错误!未定义书签。 四、工作台机械装配图的绘制.................................... 错误!未定义书签。 五、工作台控制系统的设计........................................ 错误!未定义书签。参考文献 ......................................................................... 错误!未定义书签。附件1 .............................................................................. 错误!未定义书签。附件2 .............................................................................. 错误!未定义书签。附件3 .............................................................................. 错误!未定义书签。附件4 .............................................................................. 错误!未定义书签。 （一）、基本情况介绍 机械手结构、动作与控制要求 机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并右电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。 机械手的结构如图8-13所示，主要由手指1、手腕2、小臂3、和大臂5等几部分组成。料架6为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。每转动一定角度（由工件数决定）以保证待加工零件4对准机械手。 机械手各动作与相应电磁阀动作关系如表8-4所示。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 图8-13 机械手的外形及其与料架的配置 1-手部 2-手腕 3-小臂 4-工件 5-大臂 6料架 (二)、拖动情况介绍 具体动作顺序是： 原始位置（装好工件等待加工位置，其状态是大手臂竖立，小手臂伸出并处于水平位置，手腕很横移向右，手指松开）——手指夹紧（抓住卡盘上的工件）——松卡盘——手腕左移（从卡盘上卸下已加工好的工件）——小手臂上摆——大手臂下摆——手指松开（工件放回料架）——小手臂收缩——料架转位——小手臂伸出——手指夹紧（抓住未加工零件）——大手臂上摆（取送零件）——小手臂下摆——手腕右移（将工件装到机床的主轴卡盘中）——卡盘收紧——手指松开，等待加工。 （三）、设计要求 1）加工中上料、下料各动作采用自动循环。 2）各动作之间应有一定的延（由时间继电器调定）。 3）机械手各部分应能单独动作，以便于调整及维修。 4）油泵电机（采用）及各电磁阀运行状态应有指示。 5）应有必要的电气保护与联锁环节。 二、设计过程 （一）、总体方案选择说明 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 1按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 2按驱动方式分 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 机电一体化系统综合课程设计课题名称：Ｘ－Ｙ数控工作台设计（电气部分）学院：信息工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 班级：机械三班 姓名：胡忠钦 学号： 10901313 指导老师：季国顺金成柱聂欣 目录 一、总体方案设计 (1) 1.1设计任务 (1) 1.2总体方案确定 (1) 二、机械系统设计 (4) 2.1 工作台外形尺寸及重量估算 (4) 2.2 导轨参数确定 (4) 2.3 滚珠丝杆的设计计算 (4) 2.4步进电动机减速箱设计 (6) 2.5 步进电机的选型与计算 (6) 三、控制系统硬件设计 (8) 3.1 CPU (8) 3.2 驱动系统设计 (10) 3.2.1步进电机的驱动电路 (10) 3.2.2电磁铁驱动电路 (12) 3.2.3电源转换 (12) 四、控制系统软件 (13) 4.1控制系统软件总体方案设计 (13) 4.2主流程设计 (13) 4.3中断服务流程 (15) 4.3.1 INTO中断服务流程图 (15) 4.3.2 INTI 中断服务流程图 (16) 4.4软件调试 (17) 4.4.1 复位程序流程图 (17) 4.4.2 X轴电机点动正转程序流程图 (19) 4.4.3 绘制圆弧程序流程图 (20) 4.4.4 步进电机步进一步程序流程图 (21) 五、总结 (22) 六、参考文献 (23) 七、附录 (24) 一、总体方案设计 1.1机电专业课程设计的任务 主要技术指标： 一定的规格要求（负载重量G=500N；台面尺寸C×B×H=240×254×15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1=550×550×184mm；最大长度L=678mm；工作台加工范围X=300mm；Y=300mm；工作台最快移动速度为1m/min；重复定位精度为± 0.02mm，定位精度为±0.04mm； 设计具体要求完成以下工作： （1）数控工作台装配图1张； （2）数控系统电气原理图1张； （3）设计说明书页1本； 所有图样均采用CAD绘制打印，设计说明书按规定撰写。 1.2 总体方案确定 图1-1 系统总体框图 一.控制系统硬件设计 X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。 硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机 交互界面可操作性比较好。 1. CPU板 1.1 CPU的选择 随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。 在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于 伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是 定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。 从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无 疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的 单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺 和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程 序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51 插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。 因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。 AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗 中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。 1.2 CPU接口设计 CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示： （行程开关）前向通道 传动驱动 （电磁铁） （步进电机） 人机界面 传感器 AT89S51 （键盘、LED） 后向通道 设计的任务 （一）、基本情况介绍 机械手结构、动作与控制要求 机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并右电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。 机械手的结构如图8-13所示，主要由手指1、手腕2、小臂3、和大臂5等几部分组成。料架6为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。每转动一定角度（由工件数决定）以保证待加工零件4对准机械手。 机械手各动作与相应电磁阀动作关系如表8-4所示。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 图8-13 机械手的外形及其与料架的配置 1-手部2-手腕3-小臂4-工件5-大臂6料架 (二)、拖动情况介绍 具体动作顺序是： 原始位置（装好工件等待加工位置，其状态是大手臂竖立，小手臂伸出并处于水平位置，手腕很横移向右，手指松开）——手指夹紧（抓住卡盘上的工件）——松卡盘——手腕左移（从卡盘上卸下已加工好的工件）——小手臂上摆——大手臂下摆——手指松开（工件放回料架）——小手臂收缩——料架转位——小手臂伸出——手指夹紧（抓住未加工零件）——大手臂上摆（取送零件）——小手臂下摆——手腕右移（将工件装到机床的主轴卡盘中）——卡盘收紧——手指松开，等待加工。 表8-4 电磁阀状态表 （三）、设计要求 1）加工中上料、下料各动作采用自动循环。 2）各动作之间应有一定的延（由时间继电器调定）。 3）机械手各部分应能单独动作，以便于调整及维修。 4）油泵电机（采用）及各电磁阀运行状态应有指示。 5）应有必要的电气保护与联锁环节。 二、设计过程 （一）、总体方案选择说明 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 1按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通机电课程设计XY数控进给工作台设计
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