通用二维运动平台设计课程设计报告.doc

内蒙古工业大学课程设计说明书各专业全套优秀毕业设计图纸学校代码： 10128学 号： 2010201020。 课程设计说明书题 目： 通用二维运动平台设计学生姓名： 微swan165信学 院： 机械学院班 级： 机电10-指导教师： 2014年 1 月 8 日摘要通用二维平台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的x-y工作台、激光设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。根据设计要求的工作载荷，通过计算和校核，进行导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等的选型，在满足性能的要求下，以成本最低为原则，满足工作要求的需要，能稳定完成生产任务。本次机械装配图采用国产软件caxa进行绘制，通过提取图符操作调用标准零件，因而能够较快的绘制机械装配图。电气原理图采用isis 7 professional绘制。关键词：运动平台；滚珠丝杠；计算；绘图目 录第一章 二维运动平台总体方案设计1第二章 二维运动平台进给伺服系统机械部分设计计算22.1 确定系统脉冲当量22.2 确定系统切削力22.3直线滚动导轨副的计算与选型32.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型32.5 计算减速比i72.6步进电动机的计算和选型7第三章 微机数控硬件电路设计123.1 mcs51系列单片机简介133.1.1 mcs51系列指令系统简介133.1.2 定时器/计数器143.1.3 中断系统143.2 存储器电路设计153.2.1 程序存储器的扩展153.2.2 译码电路设计153.3 i/o接口电路及辅助电路设计183.3.1 89c52 通用可编程接口芯片183.3.2 89c52 通用可编程接口芯片193.3.3 键盘显示接口电路203.3.4 电机接口及驱动电路203.3.5 辅助电路213.3.6 结果分析253.3.7 结束语25参考文献27通用二维运动平台设计 第一章 二维运动平台总体方案设计1.1系统的运动方式与伺服系统的选择为了满足二维运动平台实现x.y两坐标联动，任意平面曲面的加工，自动换象限，越位报警和急停等功能，故选择连续控制系统。考虑到工作台的加工范围，只对毛坯料进行初加工，不考虑误差补偿，故采用开环控制系统，由于任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm,定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2000，因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机电机进行驱动，以降低成本，提高性价比。1.2机械传动方式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0.01mm的脉冲当量和0.10mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠螺母副才能达到。同时，为提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。1.3计算机系统根据设计要求，采用8位微机。由于mcs51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用mcs51系列的8031、80c31、8086、dsp、基于dsp的运动控制芯片，arm嵌入式微处理器技术。控制系统由微机部分、键盘及显示器、i/o接口及光电隔离电路。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。数控机床总体方案设计，x.y数控工作台总体方案设计分别见图1-1微机驱动器驱动器步进电机步进电机工作平台中拖板图1-1 x.y数控工作台总体方案设计第二章 二维运动平台进给伺服系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的脉冲当量、区定系统的负载、，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图等。现分述如下：2.1 确定系统脉冲当量一个进给脉冲，使运动部件产生的位移量，称为脉冲当量。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数 。根据设计要求，二维运动平台采用的脉冲当量是0.01mm/step。2.2 确定系统切削力根据设计要求，机床的切削负载为：x向200n；y向300n；z向400n；g为400n。2.3直线滚动导轨副的计算与选型 1、滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨使用寿命的重要因素。本课题中的x-y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量g=400n，外加载荷fz=400n，代入上式，得最大工作载荷=500n。 查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-41，根据工作载荷=500n，初选直线滚动导轨副的型号为kl系列的jsa-lg25型，其额定动载荷=7.94，额定静载荷=9.5。 任务书规定工作台平面尺寸为200160，考虑工作行程应留有一定余量，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为340。 2 距离额定寿命l的计算 上述选取的kl系列jsa-lg型导轨副的滚道硬度为60hrc,工作温度不超过100,每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-36表3-40，分别取硬度系数=1.0、温度系数=1.00、接触系数=0.81、精度系数=0.9、载荷系数=1.5，代入式，得距离寿命： l=13301kn远大于期望值100km,故距离额定寿命满足要求.2.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型1、计算最大工作载荷查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-29，取颠覆力矩影响系数k=1.1，滚动导轨上的摩擦因数=0.005，已知g=400n，fx=200n ，fy=300n,fz=400n 。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： fm=kfx+(fy+fz+g)=1.1200+0.005(300+400+400)=225.5n2、计算最大动负载 式中 滚珠丝杠导程，初选=4mm； 最大切削力下的进给速度此处=0.8m/min； 使用寿命，按15000h； 运转系数，按一般运转取=1.21.5； 寿命、以转为1单位n=1000vsph=l=60nt106=6020015000106=180c=3l fwfm=31801.2225.5=1527.9n3、滚珠丝杠螺母副的选型根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的g系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20，导程为5m,循环滚珠为3圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为1910kn满足要求。表2-1 g系列滚珠丝杠副尺寸参数规格代号公称直径导程滚珠直径丝杠底径丝杠外径循环列数安装尺寸螺母油杯额定载荷/n刚度kc2505-4d0phdwd2d1gd1dd4lbh12mcac0agd2053.17516.219.33366048461165.810m69309215692344、传动效率计算 将公称直径d0=20mm，导程=5mm，代入得丝杠螺旋升角= 4033,将摩擦角，代入下式得； =tantan(+)=0.9645、刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图3所示。最大牵引力为225.5n螺母装配总长度为37mm,丝杠螺纹长度取340mm,预计支承长度为303mm，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3。 gj ml图2-1 纵向进给系统计算简图(1)、丝杠的拉伸或压缩变形量查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-31得，滚珠直径dw=3.175mm,丝杠底径d2=13.1mm，丝杠横截面积s=206.12 ,已知=225.5n。将各个数据代入下式得=(225.5325)/(210000206.12)=0.0017mm（2）、滚珠与螺纹滚道间接触变形根据公式,求得单圈滚珠数z=18；该型号丝杠为单螺母滚珠的圈数列数为31，代入公式：圈数列数，得滚珠总数量=54。丝杠预紧时，取轴向预紧力fyj=fm3=75.2n,代入下式得 =0.0013fm103dwfyjz/2/10=0.000713mm因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的13，所以变形量可减小一半，取=0.000357。（3）将以上算出的和代入=，求得丝杠总变形量=0.00170.000357=0.00206本课题中，丝杠的有效行程为325，由机电一体化系统设计课程设计指导书表3-37可知，五级精度滚珠丝杠有效行程在315400时，行程偏差允许达到25,可见丝杠刚度足够，且小于13的开环系统定位精度值0.025，满足要求。6、稳定性校核查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-34得，取支承系数=1；由丝杠底径d2=16.2mm，求得截面惯性矩i=3380.88mm4；压杆稳定安全系数k取3；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值325。代入式得fk=9647.8n=337不会失稳。综上所述。初选的滚珠丝杠副满足使用要求。2.5 计算减速比i 已知工作台的脉冲当量，滚珠丝杠的导程=5mm，初选汉德保步进电动机的步矩角a=1.8，用五相电通过电动机驱动器细分为0.72得=12.6步进电动机的计算和选型1、计算加在步进步进电动机转轴上的总转动惯量 已知滚珠丝杠的公称直径d0=20mm,总长l=340，=5mm,料密度；移动部件总重力g=400n,得滚珠丝杠的转动惯量js=0.42kg.cm2；由公式得拖板折算到丝杠上的转动惯js=0.53kg*cm2初选步进电动机型号为3404hs60ab,为五相混合式，由汉德保（hamderburg) 公司生产，二相八拍驱动时步矩角为a=0.72，查资料得该型号电动机转子的转动惯量jm=则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： =4.962、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由公式可知,包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠与今后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有： = 根据公式，考虑传动链的总效率=0.94空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： 式中 - 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为； - 步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。 其中： 式中 - 空载最快移动速度，任务书指定为2000； - 步进电动机步矩角，预选电动机为0.72 - 脉冲当量，任务书指定为（开环系统）。将以上各值代入式 nm=vmax360 中，得=400r/min。设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.23传动链总效率=0.94由公式求得 由公式 可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 式中 -导轨的摩擦因数，滚动导轨去0.005； -垂直方向的铣削力，空载时取0； -传动链的总效率，取0.94则由公式求得 0.0017n最后由=0.09605+0.0017=0.0978 n2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 由式可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有： 其中，这算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由式计算。本课题中对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给负载=200n则有： =0.1694 n.m再由式=计算垂直方向承受最大工作负载（）情况下，移动部件运动时这算到电动机转轴上的摩擦转矩：=0.003388n.m最后由，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： =0.1728 n.m经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为 teq=0.1728n.m3、步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本课题中取安全系数k=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 4teq=0.6812n.m上述初选的步进电动机型号为3404hs60a , 由汉德保电机手册表查得该型号电动机的最大静转矩可达=12.7 n.m。通常0.72度的步距角为6.3 n.m可见，满足上式要求。4、步进电动机的性能校核1）最快工进速度时电动机输出转矩校核，任务书给定工作台最快工进速度，脉冲当量，由式求出电动机对应的运行频率。从3404hs60a电动机的运行矩频特性曲线图（下图2-2所示）可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩5.9n.m,远大于最大工作负载teq=0.1728n.m 图2.2 3404hs60a 步进电机的运行矩频特性曲线2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度，仿照式求出电动机对应的运行频率。从上图中可以查得，在此频率下，电动机的输出转矩tmas=4n.m负载转矩teq1=0.0978n.m 3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载移动速度对应的电动机运行频率为。查汉德保电动机手册可知3404hs60a电动机的空载运行频率可达20000hz,最高可达2m hz可见没有超出上限。 4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量jeq=4.96转动惯量jm=，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率（查汉德保电动机手册）。则由可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： =1018hz 此式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率小于940hz。实际上，在采用软件升降时，起动频率选得更低，通常只有100hz(即100step/s)。 综上所述，本课题中工作台的进给传动选用3404hs60a步进电动机，完全满足设计要求。第三章 微机数控硬件电路设计根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。1、数控系统由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，机床硬件电路由以下五部分组成：、主控制器，即中央控制单元cpu；、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；、存储器，包括程序存储器和数据存储器；、接口，即i/o输入/输出接口电路；、外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。见图31。 步进电机图3-1 机床数控系统硬件图框（开环系统）2、选择中央处理单元cpu的类型考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，及经济价格比等经济性的要求。因此，在经济数控铣床中，推荐使用mcs51系列单片机作主控制器。3、存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。 在选择程序存储器芯片时，要考虑cpu与eprom时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。选用89c52，可以不用进行扩展电路，uln2803进行译码。4 、i/o口即输入/输出接口电路设计包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，lcd显示电路及其他辅助电路的设计。3.1 mcs51系列单片机简介3.1.1 mcs51系列指令系统简介 mcs51系列指令系统共有111条基本指令，其中单字节指令有49条，双字节指令有45条，单字节指令有17条。1、mcs51系列指令系统的七种寻址方式简介：（1）、立即寻址 跟在操作码后的一个字节就是实际操作数。（2）、直接寻址 指令中直接给出参加运算或传送的数的地址。可以访问三种地址：特殊功能寄存器sfr、内部ram128字节个单元、221个地址空间。 （3）、寄存器寻址 指定某一可寻址的寄存器的内容为操作数。寻址空间是r0r7、a、b、dptr。（4）、寄存器间接寻址 由指令指定某一寄存器的内容作为操作数地址，选定r0、r1、sp、dptr（16位）来存放地址，使用时前加。（5）、变址寻址 由争论指定的偏移量寄存器或称变址寄存器和基址寄存器dptr或pc相加所得结果作为操作数地址。（6）、相对寻址 在指令中给定的地址偏移量与本指令所在单元地址（即pc内容）相加，即得到真正有效的单元地址。（7）、位寻址 对内部ram的128位和sfr块内的93位进行位操作。2、mcs51系列指令系统主要指令简介：mcs51系列指令系统111条指令可分为五类：（1）、数据传送类 29条 （2）、算术操作类 24条（3）、逻辑操作类 24条 （4）、控制程序转移类 17条（5）、布尔变量操作类 17条3.1.2 定时器/计数器mcs51系列单片机提供两个十六位可编程的定时器/计数器，即t0和t1。他们具有两种工作方式和四种模式。其工作原理如图3.2所示。定时器/计数器的核心是加一计数器，加一计数器脉冲有两个来源，一个是外部脉冲源，另一个是系统的时钟振荡器。有两个模拟开关，前一个开关就是特殊寄存器tmod的相应位，后一个模拟开关就是特殊寄存器tcon的相应位。tmod和tcon是专门用于定时器/计数器的控制寄存器。用户可以用图32 定时器/计数器的结构框图指令对其各位进行写入或更改操作，从而选择不同的工作状态或启动时间，并可设置相应的控制条件。这两个控制寄存器各位的功能：1、tmod控制寄存器 gate门控位或叫选通位。c/t计数器方式或定时器方式的选择位。m1和m0工作模式控制位。00 模式0：tlx中的低5位和thx的高8位构成13位计数器。01 模式1：tlx与thx构成16位计数器。10 模式2：可自动再装入的8位计数器。11 模式3：把定时器0分成两个8位计数器，关闭定时器1。2、tcon控制寄存器tf0、tf1定时器t0、t1溢出标志位，为1时申请中断。tr0、tr1定时器t0、t1运行控制位，有软件设定，来控制定时器/计数器开启或关闭。ie0、ie1外部中断源的标志，为1时表示外部中断源向cpu申请中断。it0、it1外部中断源触发控制位。3.1.3 中断系统mcs51系列单片机提供五个中断源，配备两个中断优先级，int0、int1输入外部中断请求，两个片内定时器/计数器t0和t1溢出中断请求tf0和tf1，一个片内串行口中断请求ti和ri。各中断源所对应的中断服务程序的入口地址和优先级如下：中断源 人口地址 优先级int0 0003h 0t0 000bh 1int1 0013h 2t1 001bh 3串行口中断 0023h 41、常用的rom芯片及引脚：（1）常用的半导体rom芯片有：2716（2k*8）、2732a（4k*8）、2764、（8k*8）、27128（16k*8）、27256（32k*8）、27512（64k*8）。2764、27128、27256、27512芯片均有28脚双列直插式平封装芯片。引脚向下兼容。图3.3是2764引脚排列。（2）地址锁存器常用的地址锁存器芯片是74ls373。74ls373是带三态缓冲输出的8d触发器。其真值表见图3-3 2764引脚排列表3.1 真值表74ls373egdqlhhhlhllllxq03.2储存器3.2.1 数据存储器的扩展常用数据存储器及引脚常用的静态ram芯片有6116（2k*8）、6264（8k*8）、62256（32k*8）等，6264、62256均采用cmos工艺、28脚双列直插式平封装。6264引脚及逻辑符号见图3.4。图3-4 6264引脚图3.2.2译码电路设计1、mcs51系列单片机应用系统中的地址译码规则（1）程序存储器和数据存储器独立编址。程序存储器地址和数据存储器地址可以重叠使用。都是从0000hffffh。（2）外围i/o芯片与扩展数据存储器统一编址外围i/o芯片占用数据存储器地址单元，且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。（3）cpu在访问外部存储器时地址编码cpu的p2口提供高8位地址，p0口经外部地址锁存器后提供低8位地址。2、地址译码方法（1）线选法利用单片机地址总线高位中的一根线作为选择某一片存储器芯片的片选信号。此法用于规模较小的系统。其优点是不需要地址译码器，可节省硬件，降低成本。缺点是可寻址的芯片数目受到很大的限制，且地址空间不连续，不能充分利用。（2）全地址译码法对容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用这种全地址译码法。常采用的译码器是74ls138。表13是其逻辑功能表。图18是全地址译码图。表3.2是其地址译码表。表3.2 uln2803逻辑功能表g1 g2a g2bc b ay7 y6 y5 y4 y3 y2 y1 y01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0其 他 状 态0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1x x x1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 0 1 1 11 1 1 0 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1表3.3 uln2803地址译码表器 件地 址 选 择 线片内地址单元（字节）地 址 编 码2764000x xxxx xxxx xxxx8k0000h1fffh6264001x xxxx xxxx xxxx8k2000h3fffh8155ram0101 1110 xxxx xxxx2565e00h5effhi/o0101 1111 1111 1xxx65ff8h5fffh82550111 1111 1111 11xx46ffch6fffh图3-6 数控铣床全地址译码图3.3 i/o接口电路及辅助电路设计常用外围接口芯片有：89c52：可编程的ram，并且不用进行扩展，8255：可编程的通用并行接口电路（3个8位口）8279：可编程的键盘、显示接口电路3.3.1 89c52 通用可编程接口芯片1、89c52引脚及其功能89c52 的结构框图及引脚排列见图3.7。89c52 具有40条引脚，采用双列直插式风装，各引脚功能见表3.4。 表3.4 89c52引脚功能引脚含义引脚含义引脚含义ad0ad7pa0pa7pb0pb7pc0pc5timer in地址、数据线a口b口c口定时输入timer outio/malerdwr定时输出io/ram口选择地址锁存读写ceresetvssvcc片选复位地电源3.3.2 键盘显示接口电路1、显示器工作原理数控系统中使用的显示器主要有led和lcd接口显示方式。led显示器有8个发光二极管组成，控制不同组合的二极管导通，显示不同字符。七段显示器的结构如图3.12。2、键盘接口原理 键盘工作原理如图3.13所示。3、8255 初始化程序格式如下：mov al ， 控制字；定义工作方式out 控制口地址，alin al ， 初值out 输出口地址，al a)外行 b)共阳极 c)共阴极图3.12 七段显示器的结构图3.13 键盘工作原理3.3.3 电机接口及驱动电路1、脉冲分配器 脉冲分配器又叫环型分配器，有硬件环型分配器和软件环型分配器两种。2、光电隔离电路 为防止强电干扰，在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路。常用的光电偶合器连线如图3-15。图3.15 光电偶合器连线 图3.16时钟电路 图3.17复位电路3.3.4 辅助电路1、87c51的时钟电路 数控铣床单片机的时钟电路采用内部方式产生，电路图3.16。 2、复位电路 单片机的复位都靠外部电路实现。单片机通常采用上电复位和按键复位两种，图3.17为二者组合电路。 3、越界报警电路为防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。图3.18为报警信号的产生和指示电路。图3.18 报警信号的产生和指示电路4、掉电保护电路 避免在掉电的情况下，ram中的信息丢失，图321为其工作原理。 图321掉电保护电路3.3.5 硬件电路实验结果在 pro t e u s 软件平台仿真成功后 ,为了对比仿真设计和硬件电路实物的差别 ,还设计了硬件电路 。 硬件电路能够实现电机正反转控制 、 加减速控制 。因篇幅限制 ,硬件实物图略 。3.3.6结果分析( 1) 由于仿真是基于软件实现的 ,所以与在硬件实物上运行的真实系统比较 ,仿真系统在实时性上有所降低 ,尤其本系统采用中断方式控制转速 , 计时器功能与实际相比 ,存在一定延时和误差 , 故造成仿真中电机的转速与硬件实物的转速有较大的误差 。( 2) 在仿真设计中 ,键盘不采用消抖设计对信息的采集不产生任何影响 。 而硬件实