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機電一體化系統課程設計 X-Y數控工作臺設計說明書 學校名稱： 湖北文理學院 班級學號： 2013279129 學生姓名： 張亮 班級：機電1321 2015年11月 一、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。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。 設計參數如下：負載重量G=150N；臺面尺寸CBH＝145mm160mm12mm；底座外形尺寸C1B1H1＝210mm220mm140mm；最大長度L=388mm；工作臺加工范圍X=55mm，Y=50mm；工作臺最大快移速度為1m/min。 1.2 總體方案確定 （1）系統的運動方式與伺服系統 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。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)伺服系統驅動X-Y工作臺。 （2）計算機系統 本設計采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機控制系統。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 系統總體框圖 二、機械系統設計 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 14516050 重量：按重量=體積材料比重估算 N Y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工作臺運動部分的總重量：約287N。 2.2、滾動導軌的參數確定 ⑴、導軌型式：圓形截面滾珠導軌 ⑵、導軌長度 ①上導軌（X向） 取動導軌長度 動導軌行程 支承導軌長度 ②下導軌（Y向） 選擇導軌的型號：GTA16 ⑶、直線滾動軸承的選型 ①上導軌 ②下導軌 由于本系統負載相對較小，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滑動平臺的支撐。 ⑷、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Ⅱ或Ⅲ時，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜α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。 ⑴、最大動負載Q的計算 查表得系數，，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，足夠用。 ⑵、滾珠絲杠螺母副幾何參數計算 表2-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數 名 稱 符 號 計算公式和結果 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 螺桿內徑 螺桿接觸直徑 螺母 螺母螺紋外徑 螺母內徑（外循環(huán)） 見表2-1。 ⑶、傳動效率計算 式中：——摩擦角；——絲杠螺紋升角。 ⑷、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。 ⑸、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 ⑴、步進電機的步距角 取系統脈沖當量，初選步進電機步距角。 ⑵、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 式中： ——電機轉角； ——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；——步進電機步距角，（rad）；T——電機軸負載力矩（） 本例中，取（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數），，為絲杠牽引力，。考慮到重力影響，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 取安全系數為0.3，則 對于工作方式為三相六拍的三相步進電機 ⑶、步進電機的最高工作頻率 查表選用兩個45BF005-Ⅱ型步進電機。電機的有關參數見表2-2。 表2-2 步進電機參數 型 號 主要技術數據 外形尺寸 重量 步距角 最 大靜轉距 最高空載啟動頻率() 相數 電壓 電流 外徑 長度 軸徑 45BF005-Ⅱ 1．5 19.6 3000 3 27 2.5 45 58 4 11 2.5、確定齒輪傳動比 因步進電機步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實現脈沖當量，在傳動系統中應加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比 選 ， 。 2.6、確定齒輪模數及有關尺寸 因傳遞的扭距較小，取模數，齒輪有關尺寸見表3-3。 2.7、步進電機慣性負載的計算 表2-3 齒輪尺寸 17 28 17 19 14.5 5 28 30 25.5 5 17.5 根據等效轉動慣量的計算公式，得 式中： ——折算到電機軸上的慣性負載（）； ——步進電機轉軸的轉動慣量（）；——齒輪 的轉動慣量（）；——齒輪 的轉動慣量（）；——滾珠絲杠的轉動慣量（）；M——移動部件質量（）。 對材料為鋼的圓柱零件轉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 電機軸轉動慣量很小，可以忽略，則 因為，所以慣性匹配比較符合要求。 三、控制系統硬件設計 X-Y數控工作臺控制系統硬件主要包括CPU、傳動驅動、傳感器、人機交互界面。 硬件系統設計時，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，變頻調速等各類要求實時處理的控制系統，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，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） 前向通道 傳動驅動 （電磁鐵） （步進電機） 人機界面 傳感器 AT89S51 （鍵盤、LED） 后向通道 圖3-1 CPU外部接口示意圖 AT89S51要完成的任務： （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： （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三相六拍正轉模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反轉模式。 （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。 （4）P0.0-P0.7外部I/O擴展的數據讀取。 （5）P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址。 P1.0-P1.2 驅動1 X步進電機 驅動2 Y步進電機 P1.3-P1.5 P1.6 驅動3 P3.2 外部中斷1 P3.3 外部中斷2 P0.0-P0.7 AD0~AD7 P2.7 CE P2.6 IO/M PB 口 PA口 PC口 AT89S51 鍵盤 電磁鐵 8155 圖3-2 AT89S51控制系統圖 PB口接LED反映當前運行的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)中斷1的4個行程開關的狀態(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、復位（RST）、圓弧插補6個開關的狀態(tài)。 3.2 驅動系統 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。 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） 3.2.2 電磁鐵驅動電路 該驅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，因為驅動電磁鐵的電流比較大。 圖3-6 電磁鐵驅動電路 3.2.3 電源設計 兩電機同時工作再加上控制系統用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統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換得到所需的12V和5V電壓。 圖3-7 電源轉換電路圖 電路中在轉換芯片的前后有兩個電容，前面電容起防止自激作用，后面電容起濾波作用。此外，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軸正方向通行，LED9亮表示系統通電運行。 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Y軸負方向運行的點動開關，按扭5是向Y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。 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的硬件設計。CPU板介紹了CPU的選擇及其外圍的接口設計和控制流程；驅動系統介紹了步進電機和電磁鐵的驅動電路設計；此外還敘述了人機界面各個按扭和LED的意義。 四、控制系統軟件設計 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 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 3FF8H PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAH PC EQU 3FFBH CMD EQU 02H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INT0IS ；外部中斷0入口 ORG 000BH AJMP TM0IS ；定時器0中斷入口 ORG 0013H AJMP INT1IS ；外部中斷1入口 ORG 001BH AJMP TM1IS ；定時器1中斷入口 ORG 0100H MAIN：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：AJMP 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個行程開關觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機讀取PA口內容，然后將結果反饋到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。 4.3 INT0中斷服務流程圖 INT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL PUSH DPTH PUSH PSW MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，@DPTR ；讀PA口內容 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR,A MOV @DPTR,R2 MOV A，R2 CPL A ；A取反 ANL A，#03H ；屏蔽高6位 JZ A，TM2C SETB P1.0 SETB P1.1 SETB P1.2 TM2C： MOV A，R2 CPL A ANL A，#0CH JZ A，RETIN SETB P1.3 圖4-2 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI  4.4 INT1中斷服務流程圖 INT1IS：CLR EX1 MOV A，@DPTR PUSH ACC JNB ACC.4，RST PUSH PSW JNB ACC.0，X+EN PUSH DPTL JNB ACC.1，X-EN PUSH DPTH JNB ACC.2，Y+EN CLR P1.6 JNB ACC.3，Y-EN MOV A，PC JNB ACC.5，ARC MOV DPTR，A LOOP1：POP DPTH MOVX A，@DPTR；讀PC口內容 POP DPTL MOV R1，A POP PSW ANL R1，#0FH POP ACC MOV A，PB SETB EX1 MOV DPTR，A RETI MOV A，@DPTR；讀PB口內容 ANL A，#0FH SWAP A ORL A，R1 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR，A MOVX @DPTR，R2；數據輸入PB口 INC DPTL 4.4.1 復位程序流程圖 DIRX EQU 30H DIRY EQU 31H RST： CLR P1.6 RPA： MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，@DPTR ；讀PA口內容 JNB ACC.0，ACC2 MOV DIRX，#00H ；表X電機反轉 ACALL XMOTOR0 ；X電機反轉一步 ACC2： JNB ACC.2，LOOP0 MOV DIRY，#00H ；表Y電機反轉 ACALL YMOTOR0 ；Y電機反轉一步 AJMP RPA LOOP0：AJMP LOOP1  4.4.2 X軸電機點動正轉程序流程圖 X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，@DPTR JNB ACC.0，LOOP2 MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，@DPTR JNB ACC.0，MOTOR0 LOOP2： AJMP LOOP1 這是X軸電機點動正轉的程序，其他的X軸電機點動反轉、Y軸電機點動正轉、Y軸電機點動反轉依次類推。  4.4.3 繪制圓弧程序流程圖 圖4-6 逐點比較法畫圓弧 逐點比較法原理：假設所畫圓弧在第一象限，圓心坐標為（0，0），圓弧上點的坐標為（X，Y），圓弧半徑為R，每一點的坐標偏差為F=X*X+Y*Y-R*R，若F＞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F＜0，應沿Y軸正方向走一步，此時FY=X*X+（Y-1）*（Y-1）-R*R=F+2Y+1，Y=Y+1。插補程序見附錄。 4.4.4 步進電機步進一步程序流程圖 圖4-7 步進電機步進一步程序流程圖 DEF EQU 12H SJMP LP3 MOV DEF，#00H TAB： DB FEH XMOTOR1：JNE DIRX，#01H，XMOTOR0 DB FCH JNE DEF，#05H，LP2 DB FDH CLR DEF DB F9H LP2： MOV A，DEF DB FBH INC DEF DB FAH LP3： MOV DPTR，#TAB MOVC A，@A+DPTR ANL P1，A ACALL DELAY RET XMOTOR0：JNE DEF，#00H，LP4 MOV A，#05H MOV DEF，A LP4： MOV A，DEF DEC DEF 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,2003 [2] 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,2001 [3] 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,2002 [4] 王小明. 電動機的單片機控制. 北京航空航天大學出版社,2002 [5] 李建勇.機電一體化技術.科學出版社.2004 [6] 王愛玲，白恩遠，趙學良.現代數控機床.國防工業(yè)出版社,2001 [7] 徐灝.機械設計手冊（3）.機械工業(yè)出版社,2003 [8] 張建民.機電一體化系統設計.北京理工出版社,2004 [9] 徐灝等.機械設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000 [10] 濮良貴 ,記名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2003 [11] 吳振彪.機電綜合設計指導[M].湛江:湛江海洋大學,1999 [12].楊入清.現代機械設計—系統與結構[M].上海:上?？茖W技術文獻出版社,2000 [13].張立勛,孟慶鑫,張今瑜.機電一體化系統設計[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2000