機電一體化系統(tǒng)綜合課程設計XY數(shù)控工作臺設計說明書

1、HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY機電一體化系統(tǒng)設計課程課 外 學 分 項 目 名 稱 X-Y數(shù)控工作臺 項 目 組 成 員 王揚2013210475 朱誠誠2013210484 李青巖2013210493 黃志鵬2013210502 成 績 機械工程學院 機械電子工程系二零一六年十一月目錄1總體方案設計11.1設計任務11.2總體方案確定11.2.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)11.2.2計算機系統(tǒng)11.2.3X-Y工作臺的傳動方式12機械系統(tǒng)設計22.1工作臺外形尺寸及重量估算22.2滾動導軌的參數(shù)確定22.2.1導軌型式22.2.2導軌長度22.2.3直線滾動軸承的

2、選型2滾動導軌剛度及預緊方法32.3滾珠絲杠的設計計算32.3.1最大動負載Q的計算32.3.2滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算42.3.3傳動效率計算42.3.4剛度驗算42.4步進電機的選用52.4.1步進電機的步距角52.4.2步進電機啟動力矩的計算52.4.3步進電機的最高工作頻率62.5確定齒輪傳動比62.6確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸62.7步進電機慣性負載的計算73控制系統(tǒng)硬件設計93.1CPU板93.1.1CPU的選擇93.1.2CPU接口設計93.2驅(qū)動系統(tǒng)103.2.1步進電機驅(qū)動電路和工作原理103.2.2電磁鐵驅(qū)動電路113.2.3電源設計124控制系統(tǒng)軟件設計134.1總體方案1

3、34.2主流程圖134.3X軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖144.4步進電機步進一步程序流程圖15參考文獻161總體方案設計1.1設計任務設計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可用于銑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，重復定位精度為±0.01mm，定位精度為0.025mm。設計參數(shù)如下：負載重量G=150N；臺面尺寸C×B×H145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1210mm×220mm×140mm；最大長度L=388mm；工作臺加工范圍X=55mm，Y=50

4、mm；工作臺最大快移速度為1m/min。1.2總體方案確定系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動的過程中沒有進行切削，故應用點位控制系統(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，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動X-Y工作臺。計算機系統(tǒng)本設計采用了與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、電磁鐵功率放大器電路等組成。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)。X-Y工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)

5、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，采用預加負荷的結(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)之差，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1-1 系統(tǒng)總體框圖2機械系統(tǒng)設計2.1工作臺外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：長寬高 145×160×50重量：按重量=體積×材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 重量：約90N。上導軌座（連電機）重量：夾具及工件重量：約150N 。X-Y工作臺運動

6、部分的總重量：約287N。2.2滾動導軌的參數(shù)確定導軌型式選用x圓形截面滾珠導軌。導軌長度上導軌（X向）取動導軌長度 動導軌行程 支承導軌長度 下導軌（Y向） 選擇導軌的型號：GTA16 直線滾動軸承的選型上導軌下導軌由于本系統(tǒng)負載相對較小，查表后得出LM10UUOP型直線滾動軸承的額定動載荷為370N，大于實際動負載；但考慮到經(jīng)濟性等因素最后選擇LM16UUOP型直線滾動軸承。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。滾動導軌剛度及預緊方法 當工作臺往復移動時，工作臺壓在兩端滾動體上的壓力會發(fā)生變化，受力大的滾動體變形大，受力小的滾動體變形小。當導軌在位置時，兩端滾動體受力相等，工

7、作臺保持水平；當導軌移動到位置或時，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜角，由此造成誤差。此外，滾動體支承工作臺，若工作臺剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會使工作臺下凹（有時還可能出現(xiàn)波浪形），影響導軌的精度。2.3滾珠絲杠的設計計算滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應按銑削時的情況計算。最大動負載Q的計算查表得系數(shù)，壽命值查表得使用壽命時間T=15000h，初選絲杠螺距t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速所以 X向絲杠牽引力 Y向絲杠牽引力所以最大動負荷X向 Y向 查表，取滾珠絲杠公稱直徑 ，選用滾珠絲杠螺母副 的型號為 SFK1004，其額定動載荷為390N，

8、足夠用。滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算表2-1 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螺距接觸角鋼球直徑螺紋滾道法面半徑偏心距螺紋升角螺桿螺桿外徑螺桿內(nèi)徑螺桿接觸直徑螺母螺母螺紋外徑螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）傳動效率計算式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。剛度驗算滾珠絲杠受工作負載P引起的導程的變化量Y向所受牽引力大，故應用Y向參數(shù)計算 所以 絲杠因受扭矩而引起的導程變化量很小，可以忽略。所以導程總誤差查表知E級精度的絲杠允許誤差，故剛度足夠。穩(wěn)定性驗算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗算。2.4步進電機的選用步進電機的步距角取系統(tǒng)脈沖當量，初選步進電機步距角。步進電機啟動力

9、矩的計算設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，電機所做的功與負載力做功有如下關(guān)系式中： 電機轉(zhuǎn)角； 移動部件的相應位移； 機械傳動效率。若取 ，則，且，所以式中： 移動部件負載（N）；G移動部件重量（N）； 與重量方向一致的作用在移動部件上的負載力（N）； 導軌摩擦系數(shù)；步進電機步距角，（rad）；T電機軸負載力矩（）本例中，?。ù慊痄摑L珠導軌的摩擦系數(shù)），為絲杠牽引力，?？紤]到重力影響，Y向電機負載較大，因此取，所以若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩取安全系數(shù)為0.3，則 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查表選用兩個45BF005-型

10、步進電機。電機的有關(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)外形尺寸重量步距角最 大靜轉(zhuǎn)距最高空載啟動頻率()相數(shù)電壓電流外徑長度軸徑45BF005-1519.630003272.545584112.5確定齒輪傳動比因步進電機步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實現(xiàn)脈沖當量，在傳動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比選 ， 。2.6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)，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 1728171914.55 283025.5517.5根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，得式中： 折算到電機軸上的慣性負載（）； 步進電機轉(zhuǎn)軸的

11、轉(zhuǎn)動慣量（）；齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（）；齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（）；滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（）；M移動部件質(zhì)量（）。對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算式中：D圓柱零件直徑（cm）；L零件長度（cm）。所以電機軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，則因為，所以慣性匹配比較符合要求。3控制系統(tǒng)硬件設計X-Y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、人機交互界面。硬件系統(tǒng)設計時，應注意幾點：電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。3.1CPU板3.1.1CPU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，而目前市場上應用MCS-51芯片

12、及其派生的兼容芯片比較多，如目前應用最廣的8位單片機89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。在一些復雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應用于伺服系統(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，獲得較高的性價比。從要設計的系統(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，無疑提高了設計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。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。ATM

13、EL公司的AT89系列單片機內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中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插座兼容，并且采用靜態(tài)時鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產(chǎn)品，9表示內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，S表示含有串行下載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。3.1.2CPU接口設計CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅(qū)動部分、

14、人機交互界面三部分。示意圖如下所示：（行程開關(guān)）前向通道傳動驅(qū)動（電磁鐵）（步進電機）人機界面?zhèn)鞲衅鰽T89S51（鍵盤、LED）后向通道圖3-1 CPU外部接口示意圖驅(qū)動1X步進電機驅(qū)動2Y步進電機P1.6驅(qū)動3P3.2外部中斷1P3.3外部中斷2AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51鍵盤電磁鐵8155圖3-2 AT89S51控制系統(tǒng)圖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，繪圖時能及時

15、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。設計時的脈沖當量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.01mm。步進電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，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。圖3-4 步進電機驅(qū)動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電時，電動機轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中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

16、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拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。步進時鐘A相波形B相波形C相波形圖3-5 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)）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)動電磁鐵的電流比較大。圖3-6 電磁鐵驅(qū)動電路3.2.3電源設計兩電機同時工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。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

17、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。4控制系統(tǒng)軟件設計4.1總體方案對于AT89S51的程序設計，由于所需實現(xiàn)的功能較簡單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil 7.02b。該編譯器是51系列單片機程序設計的常用工具，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主流程圖上電復位P1.6=0，吸合電磁鐵，繪筆抬起外部中斷，8155初始化開外部中斷，開總中斷等待中斷CTL EQU 3FF8HPA EQU 3FF9HPB EQU 3FFAHPC EQU 3FFBHCMD EQU 02HORG 0000HAJMP MAINORG 00

18、03HAJMP INT0IS ；外部中斷0入口ORG 000BHAJMP TM0IS ；定時器0中斷入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中斷1入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定時器1中斷入口ORG 0100HMAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中斷負跳沿觸發(fā) 圖4-1 SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX DPTR，CMD；A口輸入，B 口 輸出，C口輸入 SETB EX0 ；允許外中斷0 SETB EX1 ；允許外中斷1 SETB PX0 SETB PX1 ；設置優(yōu)先級 SETB EA ；開總中斷 LOOP：A

19、JMP LOOP ；等待中斷在等待中斷的過程中，如果有中斷到來，先檢查中斷0的狀態(tài)，是中斷0則進入中斷0的中斷服務INT0IS，是中斷1則進入中斷1的中斷服務INT1IS。中斷服務0是由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LED上。中斷服務1有6個中斷源，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，復位和繪制圓弧。4.3X軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖圖4-2 X軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1這是X軸電機點動正轉(zhuǎn)的程序，其他的X軸電機點動反轉(zhuǎn)、Y軸電機點動正轉(zhuǎn)、Y軸電機點動反轉(zhuǎn)依次類推。4.4步進電機步進一步程序流程圖 圖4-3 步進電機步進一步程序流程圖DEF EQU 12H SJMP LP3MOV DEF，#00H TAB： DB FEHXMOTOR