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1、機電一體化系統(tǒng)課程設計X-Y數控工作臺設計說明書:稱學校名:班級學號:名生學姓:班級2016 4 月年 1 / 21、總體方案設計1.1 設計任務設計一個數控 X-Y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，重復定位精度為士0.01mm,定位精度為 0.025mm。設計參數如下：負載重量G=150N ；臺面尺寸 C x B x H = 145mm x 160mm x 12mm ；底座外形尺寸 C1 x B1 x H1 = 210mm x 220mm x 140mm ；最大長度 L=388mm ；工作臺加工范圍 X=55mm , Y=50mm ；
2、工作臺最大快移速度為1m/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。為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動X-Y工作臺。(2)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。控制系統(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。LED顯示數控工作臺的狀態(tài)。(3) X-Y工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度
3、和平穩(wěn)性，又要求結構緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構。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、靜摩擦系數之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動。考慮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 / 21二、機械系統(tǒng)設計 、工作臺外形尺寸及重量估算2.1 向拖板(上拖板)尺寸：X 50 X 145 X 160 長寬高體積x材料比重估算重量：按重量=2 3901010 7.8 145 16050 N04551 6 01 Y向拖板(下拖板)尺寸：
4、重量：約90N。 上導軌座(連電機)重量：3 22 107 10 810) 7.8 10 1.1 (220140 38 2 155 )N(。150N 夾具及工件重量：約 287N。工作臺運動部分的總重量：約 X-Y2.2、滾動導軌的參數確定 、導軌型式：圓形截面滾珠導軌 、導軌長度x向)上導軌(l 100取動導軌長度Bl 55動導軌行程L l l 155 支承導軌長度b下導軌(y向)l 10050lbL 150選擇導軌的型號： GTA16、直線滾動軸承的選型上導軌G 240(N) x下導軌G 287(N) Y由于本系統(tǒng)負載相對較小，查表后得出LM10UUOP1直線滾動軸承的額定動載荷為370N
5、,大于實際動負載；但考慮到經濟性等因素最后選擇LM16UUOP1直線滾動軸承。并采用雙排兩列4個直線滾動軸承來實現滑動平臺的支撐。3 / 21、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n或m時，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜a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生彈性變形，會使工作臺下 凹(有時還可能出現波浪形)，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銃削力
6、及運動部件的重量所引起的進給抗力。應按銃削時的情況計算。、最大動負載 Q的計算J-3LffQ P Hf 1f 1,壽命值，查表得系數H60nT L 610查表得使用壽命時間T=15000h,初選絲杠螺距t=4mm,得絲杠轉速1000V1000 1max 250(r/n min)t460 250 15000 225L所以 610X向絲杠牽引力P 1.414fG(f當量摩擦系數)xx當當 1.414 0.01 240 3.39(N)Y向絲杠牽引力P 1.414fGyy當)N287 4.06( 1.414 0.01 所以最大動負荷 J3225 1 1 3.39 Q 20.6(N) X 向J3225
7、Q 1 1 4.06 24.7(N)向 Yyd 10mm,選用滾珠絲杠螺母徑稱杠珠取表查，滾絲公直副。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計算4 / 21表2-1滾珠絲杠螺母副幾何參數稱名符號計算公式和結果公稱直徑d010螺距t4接觸角45d2鋼球直徑q螺紋滾道1.04 0.52dR R螺紋滾道法面半徑q e 0.03sin d/e 2R偏心距q螺紋升角t tg7.26 arc dO0 d 9.50.20.25d d d螺桿外徑 qod d 2e 2R 7.98d螺桿 螺桿內徑0ll d 8.59 dcosd d 螺桿接觸直徑zqz0D d 2e
8、2R 12.02D 螺母螺紋外徑0 d 0.255d 10.50.2D D螺母 螺母內徑(外循環(huán))的團見表2-1。、傳動效率計算tg7.26tg 0.973 0 )tg(7.26 0.2tg()0o絲杠螺紋升角。摩擦角；式中：、剛度驗算L的變化量引起的導程滾珠絲杠受工作負載P0PL0 L, _ 1EFY向所受牽引力大，故應 用Y向參數計算L 0.4(cm)P 24.7(N026 材料為鋼)(N/ E20.6 10cmL很小，可以忽略。絲杠因受扭矩而引起的導程變化量所以導程總誤差5 / 21100100 6 m/ 1.2 103mL |_| 0.4L0 m15,故剛度足夠。查表知 E級精度的絲杠
9、允許誤差 、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 b stepmm/ 0.01 1.5。取系統(tǒng)脈沖當量，初選步進電機步距角pb0、步進電機啟動力矩的計算設步進電機等效負載力矩為T,負載力為P,根據能量守恒原理，電機所做的功與負載力做功有如下關系= PsTs 機械傳動效率。式中：一一移動部件的相應位移；一一電機轉角；G PP s,所以，且，則 若取 sbp G36P sp（Ncm）T 2bPP與重量方向一致的作；G 移動部彳重量（N式中：） 一一移動部彳負載（N）; Sz 步進電機步距角，（rad）；用在移動部件上的負載力（N）；
10、T 導軌摩擦系數；bNcm） 電機軸負載力矩P0.96 0.03為絲杠牽引力，本例中，取(淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數)，sP P 24.7NG G 287N,所以向電機負載較大，因此取 。考慮到重力影響，YHsy287 0.0324.7 36 0.01 1.33(NcmT ) 0.96 1.5 2若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩TT q0.50.31.33 T4.42 Ncm ,則 0.3 取安全系數為 ，q0.3對于工作方式為三相六拍的三相步進電機6 / 21T qcmN5.1 T maxj0.866、步進電機的最高工作頻率 V100011000 max)f 1667(Hz max
11、 0.016060 P 2-2。查表選用兩個45BF005- n型步進電機。電機的有關參數見表2-2步進電機參數表號型主要技術數據2)(mm外形尺寸重量)N(步 距 角最 大靜 轉距Ncm最高空 載動頻 率啟 (s/step相 數電壓V)(電流)A(外徑長度軸徑)11II 1 . 5 19.658 4 3 27 2.5 45 45BF005-30002.5、 確定齒輪傳動比 mm4t 1.5量當脈沖實角，距，滾珠絲杠螺要現距進因步電step/0.01mm ,在傳動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比p 360 Z3600.01 piO.6 i O4 Zt1.&228 17ZZ ，選 。2i2
12、.6、 確定齒輪模數及有關尺寸 mmlm因傳遞的扭距較小，取模數 3-3 ,齒輪有關尺寸見表。、步進電機慣性負載的計算 2.7 2-3表齒輪尺寸Z28177 / 2128 17 mmd mZ30 19 mm2md d a25.5 14.5 mm 1.25md d 2 f55mm 6b m3d d17.521mm a根據等效轉動慣量的計算公式，得Z piM J JJ JJ30d12Zbl80 2jJcmkg步進電機轉軸的轉動慣量式中：）一一折算到電機軸上的慣性負載（；0d的轉動慣量（2122jJcmcmkgcmkgkg；的轉動慣量（）（；）齒輪）；齒輪2Jkgcmkg）； M移動部件質量（一一滾
13、珠絲杠的轉動慣量（） o 3對材料為鋼的圓柱零件轉動慣量可按下式估算234 cmD10kgL J0.78零件長度（cm）圓柱零件直徑（cm）; L式中：D所以23 34 cm1010kg 1.7 0.5 3.26 J0.78 1234 3 cm2.8kg 0.5 23.910J 0.78 10 22 34 3cm10kg J0.78 103.915 3電機軸轉動慣量很小,可以忽略，則 2173 3103.26J 10 23.93.9d28 20.00125 m 250.4 10kg 3.141.5 180 0.4J1d10.319 ,所以慣性匹配比較符合要求。因為 1.274J4M8 / 21
14、三、控制系統(tǒng)硬件設計X-Y數控工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅動、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。3.1 CPU 板3.1.1 CPU的選擇隨著微電子技術水平的不斷提高， 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)，變頻調速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較
15、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據存儲器，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。 生產基于51為內核的單片機的廠家 有Intel、ATMEL、Simens,其中在 CMOS器件生產領域 ATMEL公司的工藝和封裝技術一直處 于領先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機內含 Flash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
16、, AT表示ATMEL公司的產品，9表示內含Flash存儲器，S表示含 有串行下載Flash存儲器。AT89S51的性能參數為：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位的計數器 WDT、I/O 口共有32個。3.1.2 CPU接口設計CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示:（行程開關）感傳器AT89S51（電磁鐵）前向通道傳動驅動(步進電機)后向通道人機界面LED )(鍵盤、9 / 21圖3-1 CPU外部接口示意圖AT89S51要完
17、成的任務：(1) 將行程開關的狀態(tài)讀入CPU,通過中斷進行處理，它的優(yōu)先級別最高。(2) 通過程序實時控制電機和電磁鐵的運行。(3) 接受鍵盤中斷指令，并響應指令，將當前行程開關狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應到LED上，實現人機交互作用。由于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斷口，因此要進行I/O擴展?？紤]到電路的簡便性和可實現性，實際中采用內部自帶鎖存器的8155,所以AT89S51的I/O 口線分配如下：(4) 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三相六拍正轉模
18、式和 A-AC -C-CB-B-BA -A的反轉模式。(5) P1.6 口輸出控制電磁鐵的吸合。(6) P3.2和P3.3兩個中斷源中INT0優(yōu)先級最高，它讀入行程開關的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀入點動、復位、圓弧插補開關的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。(7) P0.0-P0.7外部I/O擴展的數據讀取。(8) P2.7 和 P2.6 決定 8155 的 PA、PB、PC 口的地址。8155P1.0-P1.2P0.0-P0.7P1.3-P1.5 P1.6P2.7 P3.2 P2.6P3.3 AT89S51AD0AD7X步進電機Y步進電機 外部中斷，1驅動2驅動 初始化電磁鐵3驅動1鍵盤2外部中斷外部中斷開外
19、部中斷，開總中 斷等待中斷CEIO/MPPBP8155T89S51控制系統(tǒng)圖3-2 A圖X+禁止、手動Y+禁止、Y-個狀態(tài)：反映當前運行的8X+禁止、X-禁止、口接PBLED運行。運行、手動Y-運行、手動X-運行、手動 Y+ 4個行程開關的狀態(tài)。PA 口低四位反映觸發(fā)中斷1的運Y-運行、手動運行、手動 X+X-運行、手動 Y+的手動位反映了觸發(fā)中斷口低PC62個開關的狀態(tài)。、圓弧插補 RST行、復位（）610 / 21中斷源。中娠源* IXT0 INT1J二 PAPC 口，圖3-3多中斷源中斷觸發(fā)圖3.2 驅動系統(tǒng)傳動驅動部分包括步進電機的驅動和電磁鐵的驅動，步進電機須滿足快速急停、定位和退刀
20、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，繪圖時能及時釋放磁力使筆尖壓下。3.2.1 步進電機驅動電路和工作原理步進電機的速度控制比較容易實現，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，電動機轉動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管 D起到續(xù)流
21、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）,其正轉的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A,其反轉的通電順序為： A-AC-C-CB-B-BA-A。11/ 2i _n_rLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrL 步進時鐘A相波形相波形BC相波形圖3-5三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉）電磁鐵百區(qū)動電路 3.2.2該驅動電路也采用了光電偶因為驅動電磁鐵的電流比其但其功放電路相對簡單。合器
22、，光電偶合部分采用的是達林頓管, 較大。電磁鐵驅動電路圖3-6電源設計3.2.3兩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)中電源作為27V,為了便于管理和電源容量需求，就采用了標準的、用到的電源電壓為27V12V、5V12V基準，通過芯片進行電壓轉換得到所需的和5V電壓。電源轉換電路圖 3-7圖此外，前面電容起防止自激作用，電路中在轉換芯片的前后有兩個電容，后面電容起濾波作用。12 / 21在具體應用的過程中，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，但是要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
23、兩個行程開關。這里行程開關作用有兩個：（1）防止工作臺超過最大行程，使電機損壞（2）可以用與定位。所以這 4個行程開關就充當了傳感器。 人機界面設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，界面簡潔明了。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 丫軸負方向通行，LED8燈亮表示手動使工作臺向丫軸正方向通行，LED9亮表示系統(tǒng)通電運
24、行。界面上的7個按扭意義為：按扭 1是通斷電開關，按扭 2是向X軸負方向運行的點動開關，按 扭3是向X軸正方向運行的點動開關，按扭 4是向丫軸負方向運行的點動開關，按扭 5是向丫 軸正方向運行的點動開關，按扭6是復位開關，按扭 7是執(zhí)行繪制圓弧開關。 LEDS LED9Y+ii 行總開美 LED1 LED2X-蒙止X*桑止 LED 3LED4禁止T十禁止 LED5 LEDS LED?Y-通行復位圖3-8 人機界面圖3.4 本章小節(jié)本章著重介紹了數控工作臺控制系統(tǒng)的硬件設計。 CPU板介名S了 CPU的選擇及其外圍的接口設 計和控制流程；驅動系統(tǒng)介紹了步進電機和電磁鐵的驅動電路設計； 此外還敘述
25、了人機界面各個 按扭和LED的意義。13 / 21四、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 善的調試功能。4.2 主流程圖CTLEQU3FF8H3FF9HEQU PA 上電復位 3FFAH EQU PB3FFBH EQU PC02HEQU CMD,吸合電磁鐵，繪筆抬起P1.6=00000HORGMAIN AJMP 0003HORG 入口 ；外部中斷 0AJMP INT0IS000BHORG中斷入口 ；定時器0A
26、JMP TM0IS0013HORG 入口 ；外部中斷 1AJMP INT1IS001BHORG中斷入口；定時器 1 AJMP TM1IS 0100HORG0EFH,P1MAIN : ANL;外中斷負跳沿觸發(fā)IT0SETBIT1 SETB圖 4-1CTL A , MOVADPTRMOVCMD DPTR , MOVX 口輸入B 口輸出，C ; A 口輸入，0 ;允許外中斷 EX0 SETB1;允許外中斷 SETB EX1PX0SETB;設置優(yōu)先級 PX1 SETB;開總中斷 EA SETB;等待中斷 LOOP : LOOPAJMP的則進入中斷00在等待中斷的過程中，如果有中斷到來，先檢查中斷的狀態(tài)
27、，是中斷0。1的中斷服務INT1IS ,是中斷中斷服務INT0IS1則進入中斷然后將結果反口內容，個行程開關觸發(fā)的，4它觸發(fā)后通過單片機讀取PA是由中斷服務 0 LEDPB饋到口的上。14 / 21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。4.3 INT0中斷服務流程圖ACC PUSH INT0IS : DPTL PUSHDPTH PUSHPSWPUSHPA , MOV A AMOV DPTR口內容 ；讀PAMOVXA ， DPTRA ，R2MOVPB ， A MOVDPTR,A MOVDPTR,R2
28、MOVR2， A MOVA 取反 ； ACPL6 位 ；屏蔽高ANLA ， #03HTM2C A ，JZP1.0 SETBP1.1 SETBP1.2 SETBR2 ， ATM2C ： MOVACPL#0CH ， A ANLRETIN A ，JZP1.3SETBP1.44-2 圖 SETBP1.5SETBRETIN ： POP PSWPOP DPTHPOPDPTLACC POPRETI15 / 214.4 INT1 中斷服務流程圖.1 .0,應沿X軸負方向走一步， 此時 FX= (X-1) * (X-1) +Y*Y -R*R=F -2X+1 , X=X -1;若 F0,應沿 Y 軸正方向走一步，
29、此 時 FY=X*X+ (Y-1) * (Y-1) -R*R=F+2Y+1 , Y=Y+1。插補程序見附錄。19 / 214.4.4步進電機步進一步程序流程圖步進電機步進一步程序流程圖圖4-7DEF EQU 12HSJMP LP3MOV DEF , #00HTAB : DB FEHXMOTOR1:JNEDIRX , #01H, XMOTOR0DBFCHJNEDEF , #05H, LP2DBFDHCLRDEFDBF9HLP2 :MOVA, DEFDBFBHINCDEFDBFAHLP3 :MOVDPTR, #TABMOVCA, A+DPTRANLP1, AACALLDELAYRETXMOTOR0
30、:JNEDEF , #00H , LP4MOVA, #05HMOVDEF , ALP4 :MOVA, DEFDECDEF20 / 21五、附錄參考文獻1 鄭學堅 , 周斌 . 微型計算機原理及應用 . 清華大學出版社 ,20032 李廣弟 , 朱月秀，王秀山 . 單片機基礎. 北京航空航天大學出版社 ,20013 房小翠 . 單片微型計算機與機電接口技術. 國防工業(yè)出版社 ,20024 王小明 . 電動機的單片機控制 . 北京航空航天大學出版社,20025 李建勇 . 機電一體化技術. 科學出版社.20046 王愛玲，白恩遠，趙學良. 現代數控機床. 國防工業(yè)出版社 ,20017 徐灝 . 機械設計手冊（ 3） . 機械工業(yè)出版社 ,20038 張建民 . 機電一體化系統(tǒng)設計. 北京理工出版社,20049 徐灝等 . 機械設計手冊 M. 北京 : 機械工業(yè)出版社,200010 濮良貴 , 記名剛 . 機械設計 M. 北京 : 高等教育出版社 ,200311 吳振彪 . 機電綜合設計指導M. 湛江 : 湛江海洋大學 ,199912 . 楊入清 . 現代機械設計系統(tǒng)與結構M. 上海 : 上?？茖W技術文獻出版社,200013 . 張立勛 , 孟慶鑫 , 張今瑜 . 機電一體化系統(tǒng)設計M. 哈爾濱 : 哈爾濱工程大學出版社 ,200021 / 21
機電一體化系統(tǒng)設計課程設計參考
