機電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計_X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計說明書

1、設(shè)計組號:機電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計x-y數(shù)控工作臺設(shè)計說明書學校名稱：杭州電子科技大學設(shè)計組長：設(shè)計隊員：金婕謝金花謝艷陳磊陳勝指導老師：吳立群于保華葉凌云二oo七年三月、總體方案設(shè)計1.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個數(shù)控xy工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可用于銃床上坐標孔的加工和臘摸、塑 料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復(fù)定位精度為土0.01mm,定位精度為0.025mm。設(shè)計參數(shù)如f：負載重量g=150n；臺面尺寸cx bx h = 145mmx 160mmx 12mm；底座外 形尺寸cl xb1 x hl = 210mm x 220mm x 140mm；最大長度l=388mm；工作臺加工范圍 x=5

2、5mm, y=50mm；工作臺最大快移速度為lm/min。1-2總體方案確定（1）系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動的過程屮沒有進行切削，故應(yīng)用點位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標控 制。為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，釆用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)鞭動x-yi作臺。（2）計算機系統(tǒng)本設(shè)計采川了與mcs-51系列兼容的at89s51單片機控制系統(tǒng)。它的主要特點是集成度高, 可靠性好，功能強，速度快，有較高的性價比?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤、led、i/o接口、光電偶合電路、步進電機、電磁鐵功率放人 器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。led顯示數(shù)控工作臺的狀態(tài)。（3）xy工作臺的傳動方

3、式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，乂要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳 動剛度和消除間隙，釆用預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運動載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙v形滾珠導軌。采用滾珠導軌可減 少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)z差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動?？紤]電機步距角和絲桿導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。圖m系統(tǒng)總體框圖二、機械系統(tǒng)設(shè)計21、工作臺外形尺寸及重量估算x向拖板（上拖板）尺寸：長x 寬x 高145x 160x50重量：按重量=體積x材料比重估算145 x 160 x 50 x 10-3 x 7.8 x 10-2 « 90 ny向拖

4、板（下拖板）尺寸： 145x160x50重量：約90n。上導軌座（連電機）重量：（220xl40x38 + 2xl55x-x82）x7.8xl0"2 xlo-3 +1.1x10107 （tv）夾具及工件重最：約150n。x-yt作臺運動部分的總重量：約287no2.2、滾動導軌的參數(shù)確定、導軌型式：圓形截面滾珠導軌、導軌長度上導軌（x向）取動導軌長度1, =100動導軌行程1 = 55支承導軌長度厶= /+/ = 155下導軌（y向）/ = 50厶=100厶= 150選擇導軌的型號：gta16、直線滾動軸承的選型 上導軌gx = 240（ n） 下導軌gy =287（n）由于本系統(tǒng)負

5、載相對較小，查表后得出lm10uuop型直線滾動軸承的額定動載荷為370n, 人于實際動負載；但考慮到經(jīng)濟性等因素最示選擇lm16uu0p型肓線滾動軸承。并采用雙排兩 列4個直線滾動軸承來實現(xiàn)滑動平臺的支撐。、滾動導軌剛度及預(yù)緊方法當工作臺往復(fù)移動時，工作臺壓在兩端滾動體上的壓力會發(fā)生變化，受力人的滾動體變 形大，受力小的滾動體變形小。當導軌在位置i時，兩端滾動體受力相等，工作臺保持水平; 當導軌移動到位置ii或iii時，兩端滾動體受力不和等，變形不一致，使工作臺傾斜(x角，由 此造成誤差。此外，滾動體支承工作臺，若工作臺剛度差，則在自璽和載荷作用下產(chǎn)生彈性 變形，會使工作臺下凹(有時還可能出

6、現(xiàn)波浪形)，影響導軌的精度。2.3、滾珠絲杠的設(shè)計計算滾珠絲杠的負荷包括銃削力及運動部件的重最所引起的進給抗力。應(yīng)按銃削時的情況計 算。、最大動負載q的計算q = lfjhp杳表得系數(shù) = 1, .4=1,壽命值r 60/irl =106查表得使用壽命時間t二15000h,初選絲杠螺距t=4mnb得絲杠轉(zhuǎn)速1000vnviv 1000x1.n =二= 250(r/min)t4所以厶二60x250x15000二：=225106x向絲杠牽引力匕=1.414屆g*(/當當量摩擦系數(shù))= 1.414x0.01x240 = 3.39()y向絲杠牽引力pv=1.4144gv= 1.414x0.01x287

7、 = 4.06()所以最大動負荷x 向2 =v225x 1x1x3.39 = 20.6()y 向2v = v225 xlxlx4.06 = 24.7(n)查表，取滾珠絲杠公稱直徑 do=lomm ,選用滾珠絲杠螺母副 的型號為sfk1004,其額定動載荷為390n,足夠用。、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算表2t滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名稱符號計算公式和結(jié)果螺紋滾道公稱直徑£10螺距t4接觸角045°鋼球直徑da2螺紋滾道法面半徑r/? = 0.52 =1.04偏心距e0 = (/?-d“/2)sin0 = o.o3螺紋升角yy - arc/g = 7.26 兀x螺桿螺桿外徑dd=

8、d°-(0.2 0.25)d “ =9.5螺桿內(nèi)徑£dl=d(2e-2r = 7.9s螺桿接觸|工徑d7dz = dq -da cos0 = 8.59螺母螺母螺紋外徑dd = d()2« + 2/? = 12.02螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）2® =d°+(0.2 0.255)d“ =10.5見表2t o、傳動效率計算= 0.973堆丫 二 7.26fg(7 + 0)rg (7.26 +0.2)式屮：（p磨擦角；/絲杠螺紋升角。、剛度驗算滾珠絲杠受工作負載p引起的導程厶的變化最p = 24.7(m)y向所受牽引力人，故應(yīng)用y向參數(shù)計算厶=0.4(cm)e

9、 = 20.6xl06(n/cm2)（材料為鋼）?4 7 x 0 5所以心莎而y皿（呦絲杠因受扭矩而引起的導程變化量 厶很小，可以忽略。所以導程總課差7 100 1 0 in_6100 2/ 、=l = 1.2 x 10=3(“加/加)>0 彳杳表知e級精度的絲杠允許謀差15/m ,故剛度足夠。、穩(wěn)定性驗算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需耍穩(wěn)定性驗算。2.4、步進電機的選用(1) 、步進電機的步距角0取系統(tǒng)脈沖當最巧,=q.qlmm/step ,初選步進電機步距和0h = 1.5°。(2) 、步進電機啟動力矩的計算設(shè)步進電機等效負載力矩為t,負載力為p,根據(jù)能量守恒原理，電機所

10、做的功與負載力 做功有如下關(guān)系t 07= ps式中：(p電機轉(zhuǎn)角；s 移動部件的相應(yīng)位移；機械傳動效率。若取(p = oh，貝=所以2加屛7式中：ps 移動部件負載(n)； g移動部件重量(n)； p：與重量方向一致的作 用在移動部件上的負載力(n)； “ 一一導軌摩擦系數(shù)；仇一一步進電機步距角，(rad)； t電機軸負載力矩(n c加)本例中，取“ = 0.03 (淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù))，77 = 0.96,厶為絲杠牽引力，p =pn = 24.1 n o考慮到重力影響，y向電機負載較大，因此取g = gv=287n,所以 36x0.0124.7 + 0.03x2871t =l1 = 1

11、.33(2 cm)2-xl.5x0.96若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩 t収安全系數(shù)為0.3,則1 33全系數(shù)為0. 3,貝itq= = 4.42(n cm)對于工作方式為三相六拍的三相步進電機、步進電機的最高工作頻率1000v1000x1f_max _7max _ 60q, _=60x0.01 =166w)查表選用兩個45bf005-ii型步進電機。電機的冇關(guān)參數(shù)見表2-2。表2-2 步進電機參數(shù)型號主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸(mm)(n)步距角(>最人 靜獅 (n cm)(step/s )相 數(shù)電壓(v)電流(4)外徑長度軸徑45bf005- ii1.519.63000327

12、2.54558411sax0.866(n cm)25、確定齒輪傳動比因步進電機步距角仇=1.5°,滾珠絲杠螺距t = 4mm ,要實現(xiàn)脈沖當量5 = 0.01mm/step ,在傳動系統(tǒng)屮應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比22sp x360°0.01x360=0.6eht1.5x4選 z, =17, z2 = 282.6、確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸因傳遞的扭距較小，取模數(shù)m = 1mm ,齒輪有關(guān)尺寸見表3-3。2.7、步進電機慣性負載的計算表2-3 齒輪尺寸z1728d mz (mm) d“ = d + 2m (m/77)df = d - 2xl.25/h(mz/7)b =(3

13、-6)m(mm)d、+(a = (mm i2 ' 7171914. 55283025. 5517.5根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，得式中：jd 折算到電機軸上的慣性負載(kg cm2 )； jo步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量(kg cm2 )； j齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量(kg cm2 )； j2齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量(kg cm2 )；j3滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量(kg cm2 )； m移動部件質(zhì)量(kg )o 對材料為鋼的圓柱冬件轉(zhuǎn)動慣最可按下式估算j=0.78x103£>4l(kg cm2)式中：d圓柱零件直徑(cm)； l零件長度(cm)。所以人=0.78x 10-3 x 1.74 x0.5

14、 = 3.26x 1 o'3 cm2)j2 = 0.78xl03 x 2.84 x 0.5 = 23.9x10-3 (kg cm2)j. = 0.78xw3xl4x5 = 3.9xl0-3(kg cm2)電機軸轉(zhuǎn)動慣量很小，町以忽略，則( 7 a2打=3.26x10+ (23.9 + 3.9)x10128丿0.001+251.5180= 0.4xl05因為所以慣性匹配比較符合耍求。三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計xy數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括cpu、傳動驅(qū)動、傳感器、人機交互界而。碩件系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意兒點：電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價低、可維護性、人機 交互界面可操作性比較好。3. 1cp

15、u 73. 1. 1 cpu的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多， 而目前市場上應(yīng)用mcs-51芯片及其派主的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)川最廣的8位單片機 89c51,價格低廉,而性能優(yōu)良,功能強大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)屮就不得不考慮使用16位單片機，mcs-96系列單片機廣泛應(yīng)川于伺 服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定 位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較鬲的性價比。從要設(shè)計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑 提高了設(shè)計價格，而選用高性能的16位mcs-96 x顯得過于浪

16、費。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單 片機的廠家有intel、atmel、simens,其中在cmos器件生產(chǎn)領(lǐng)域atmel公司的工藝和封 裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。atmel公司的at89系列單片機內(nèi)含flash存儲器，在程序開發(fā) 過程屮可以十分容易的進行程序修改，同時掉電也不影響信息的保存；它和80c51插屎兼容, 并且采用靜態(tài)時鐘方式可以節(jié)省電能。因此碩件cpu選用at89s51, at表示atmel公司的產(chǎn)品，9表示內(nèi)含flash存儲器， s表示含有串行卜-載flash存儲器。at89s51的性能參數(shù)為:flash存儲器容量為4kb、16位定時器2個、中斷源6個（看門 狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中

17、斷0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷）、ram為128b、 14位的計數(shù)器wdt、i/o 口共有32個。3. 1.2 cpu接口設(shè)計cpu接口部分包括傳感器部分、傳動駟動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示:圖3-1 cpu外部接口示意圖at89s51要完成的任務(wù)：（1）將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入cpu,通過中斷進行處理，它的優(yōu)先級別戢高。（2）通過程序?qū)崟r控制電機和電磁鐵的運行。（3）接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)指令，將當前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應(yīng)到led上, 實現(xiàn)人機交互作用。山于at89s51只有p1 口和p3 口是準雙向口，但p3 口主要以第二功能為主，并且在系統(tǒng) 中要用到第二功能的中

18、斷口，因此要進行i/o擴展?？紤]到電路的簡便性和可實現(xiàn)性，實際中 采用內(nèi)部自帶鎖存器的8155,所以at89s51的i/o 口線分配如下：（1 ）p1.0-p1.5控制x-y兩個方向步進電機的a、b、c線圈通電，形成a-ab-b-bc-c-ca-a 三相六拍正轉(zhuǎn)模式和a-ac-c-cb-b-ba-a的反轉(zhuǎn)模式。（2）p1.6 口輸出控制電磁鐵的吸合。（3）p3.2和p3.3兩個中斷源中into優(yōu)先級最高,它讀入行程開關(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷; int1讀入點動、復(fù)位、圓弧插補開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。（4）p0.0-p0.7外部i/o擴展的數(shù)據(jù)讀取。（5）p2.7 和 p2.6 決定 8155 的 pa

19、、pb、pc 口的地址。圖3-2 at89s51控制系統(tǒng)圖pb 口接led反映當而運行的8個狀態(tài)：x+禁止、x禁止、y+禁止、y禁止、手動x+ 運行、手動x運行、手動y+運行、手動y運行。pa 口低四位反映觸發(fā)屮斷1的4個行程開關(guān)的狀態(tài)。pc 口低6位反映了觸發(fā)中斷2的手動x+運行、手動x運行、手動y+運行、手動y運 行、復(fù)位（rst）、圓弧插補6個開關(guān)的狀態(tài)。中斷源crr>與4非門“» into,inti"pa pc 口 u圖3-3多中斷源中斷觸發(fā)圖心3.2驅(qū)動系統(tǒng)傳動驅(qū)動部分包括步進電機的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動，步進電機須滿足快速急停、定位和退刀時 能快速運行、工作時

20、能帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。在定位 和退刀時電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖吋能及時釋放磁力使筆尖壓下。3. 2. 1步進電機驅(qū)動電路和工作原理步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計時的脈沖當量為o.o1 mm, 步進電機每走一步，工作臺直線行進0.01mm。步進電機驅(qū)動電路中釆用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護cpu的作用，當功放 電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在cpu上使其燒壞。27vcc圖34 步進電機驅(qū)動電路圖該電路屮的功放電路是一個單電壓功率放人電路，當a相得電時，電動機轉(zhuǎn)動一步。電 路屮與繞組外聯(lián)的二極管d起到續(xù)流作用

21、，即在功放管截止是，使儲存在繞組屮的能量通過 二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組w串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞 組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進電機采用的是三相六扌11的工作方式（三個線圈a、b、c）,其止轉(zhuǎn)的通電順序 為：a-ab-b-bc-c-ca-a,具反轉(zhuǎn)的通電順序為：a-ac-c-cb-b-ba-ao步進時鐘a 相波形 j ii ii ie 相波形 iiiii一c和波形iiiii圖3-5 三相六扌n工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)）322 電磁鐵驅(qū)動電路該驅(qū)動電路也采用了光電偶 合器，但其功放電路相對簡單。其 光電偶合部分采用的是達林頓管, 因為驅(qū)

22、動電磁鐵的電流比較大。圖36電磁鐵駁動電路3. 2. 3電源設(shè)計電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個電容，前面電容起防止口激作用，后而電容起濾波作用。此外,兩電機同吋工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大，需耍選擇大容量電源。此系統(tǒng)中 用到的電源電壓為27v、12v、5v,為了便于管理和電源容量需求，就采用了標準的27v電源作為 基準，通過芯片進行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12v和5v電壓。在貝體應(yīng)用的過程中，lm7805必須加上散熱片。3. 3傳感器和人機界面由于步進電機不需要反饋電路，但是耍注意工作臺不能超過最大行程。因此，必須在x、 y軸的方向各加上兩個行程開關(guān)。這里行程開關(guān)作用有兩個：（1）防止工

23、作臺超過最大行程， 使電機損壞（2）可以用與定位。所以這4個行程開關(guān)就充當了傳感器。人機界面設(shè)計的準則就是要有良好的人機交互能力，一般要求操作簡便，界曲簡潔明了。 此系統(tǒng)中共有9個led, led1燈亮表示x軸負方向禁止通行，led2燈亮表示x軸正方向禁 止通行，led3燈亮表示y軸負方向禁止通行，led4燈亮表示y軸正方向禁止通行，led5 燈亮表示手動使工作臺向x軸負方向通行，led6燈亮表示手動使工作臺向x軸正方向通行， led7燈亮表示手動使工作臺向y軸負方向通行，led8燈亮表示手動使工作臺向y軸止方向 通行，led9亮表示系統(tǒng)通電運行。界面上的7個按扭意義為：按扭1是通斷電開關(guān)，按

24、扭2是向x軸負方向運行的點動開關(guān), 按扭3是向x軸正方向運行的點動開關(guān)，按扭4是向y軸負方向運行的點動開關(guān)，按扭5是向y軸正方向運行的點動開關(guān)，按扭6是復(fù)位開關(guān)，按扭7是執(zhí)行繪制圓弧開關(guān)。 led9總開關(guān)led5.led6 led8 led1 led2x-禁止x+禁止 led3>led4y-禁止丫+禁止 led7復(fù)位繪制圓弧y+通行x-通行x+通行圖3-8 人機界面圖3. 4本章小節(jié)本章著重介紹了數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)的碩件設(shè)計。cpu板介紹了 cpu的選擇及其外圍的接 口設(shè)計和控制流程；驅(qū)動系統(tǒng)介紹了步進電機和電磁鐵的驅(qū)動電路設(shè)計；此外還敘述了人機界面 各個按扭和led的意義。4.1總體方

25、案四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計對于at89s51的程序設(shè)計，由于所需實現(xiàn)的功能較簡單，釆用匯編的形式。編譯器采用 keil 7. 02bo該編譯器是51系列單片機程序設(shè)計的常用工具，既可用匯編，也支持c語言編 譯。同時具有完善的調(diào)試功能。4. 2主流程圖圖41ctlequ3ff8hpaequ3ff9hpbequ3ffahpcequ3ffbhcmdequ02horg0000hajmpmainorg0003hajmpintois；外部中斷0入口org000bhajmptmois:定時器0屮斷入口org0013hajmpinti is;外部中斷1入口org001bhajmptm1is;定時器1中斷入口org

26、01 oohmain： anlpl, oefhsetbito;夕卜屮斷負跳沿觸發(fā)setbit1mova, ctlmovdptr,amovxdptr, cmd;a 口輸入，b 口輸出,c 口輸入setbexo ；允許外中斷0setbexi ；允許外中斷1setbpxosetbpx1 ；設(shè)置優(yōu)先級setbea ；開總中斷l(xiāng)oop： ajmp loop;等待屮斷先檢查中斷0的狀態(tài)，是中斷0則進入中斷0的在等待中斷的過程中，如果冇中斷到來,中斷服務(wù)intois,是中斷1則進入中斷1的中斷服務(wù)intliso中斷服務(wù)0是山4個行程開關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機讀取pa 口內(nèi)容，然后將結(jié)果反饋到pb 口的l

27、ed ±o圖42dptr, aa, dptrr2, aa, pbdptr,adptr,r2a, r2aa, #03ha, tm2cp1.0pl.lpl.2a, r2aa, #0cha, retinpl.3pl.4pl.5pswdpthdptlacc;a取反；屏蔽高6位屮斷服務(wù)1有6個屮斷源，這六個中斷源分別是手動x正方向運行，手動x負方向運行, 手動y正方向運行，手動y負方向運行，復(fù)位和繪制関弧。4.3 into中斷服務(wù)流程圖intois： push accpush dptlpush dpthpush pswmov a, pamovmovxmovmovmovmovmovcplanlj

28、zsetbsetbsetbtm2c： movcplanljzsetbsetbsetbretin： poppoppoppopreti4.4 inti中斷服務(wù)流程圖關(guān)外部中斷1保護現(xiàn)場pl6=0,瀆pc口內(nèi)容pc 低4位內(nèi)容給pb高4位int1is： clreximova, dptrpushaccjnbacc.4,rstpushpswjnbacc.o,x+enpushdptljnbacc，x-enpushdpthjnbacc.2,y+enclrpl.6jnbacc.3,y-enmova, pcjnbacc.5,arcmovdptr, aloop1： popdpthmovxa, dptr；讀pc u

29、內(nèi)容popdptlmovrl, apoppswanlrl, #0fhpopaccmova, pbsetbeximovdptr, aretimova, dptr；讀pb 口內(nèi)容anla, #0fhswapaorla, r1movr2, amova, pbmovdptr, amovxdptr, r2；數(shù)據(jù)輸入pb 口incdptl4. 4.1復(fù)位程序流程圖dirxdiryequ 30hequ 31hrst：clrpl.6rpa：movmova, padptr, amovxjnba, dptr；acc.o, acc2讀pa 口內(nèi)容movdirx, #00h；表x電機反轉(zhuǎn)acallxmotoro；x電機反轉(zhuǎn)涉acc2：jnbacc.2, loopomovdiry, #00h；表y電機反轉(zhuǎn)acallajmpymotoro；rpay電機反轉(zhuǎn)步loopo：ajmploop14. 4.2 x軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖x+en：clrpl.6mova, pamovdptr, amovxa, dptrjnbacc.o, loop2motoro：movd1rx, #01hacallx moto romova, pcmovdptr, amova, dptrjnbacc.o, motorol00p2：ajmploop1這是