综合课程设计

1、设计组号： 9 机电一体化系统综合课程设计X-Y数控工作台设计说明书 学 院: 信息工程学院班 级：机械三班设 计 者：屠昊杰指导老师：李沛同完成日期：2015年11月5日 目录一、总体方案设计1 设计任务2 总体方案确定2、 机械系统设计1 工作台外形尺寸及重量估算2 直线导轨副的计算与选型3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型4 步进电机减速箱的选用5 步进电机的计算与选型三、控制系统硬件设计1 CPU的选择2 CPU接口设计3 驱动系统4 步进电机驱动电路和工作原理5 电磁铁驱动电路6 电源设计7 本章小节四、控制系统软件设计1 总体方案2 主流程图3 INT0中断服务流程图4 INT1中断服务

2、流程图5 复位程序流程图6 X轴电机点动正转程序流程图7 绘制圆弧程序流程图8 步进电机步进一步程序流程图五、附录一、总体方案设计1设计任务设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为0.02mm，定位精度为0.04mm。设计参数如下：负载重量G=1500N；台面尺寸CBH240mm254mm15mm；底座外形尺寸C1B1H1550mm450mm184mm；最大长度L=678mm；工作台加工范围X=300mm，Y=200mm；工作台最大快移速度为1m/min。2 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在

3、移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。（2）计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。（3）X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由

4、于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。 系统总体框图二、机械系统设计1、工作台外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：长宽高 24025450重量：按重量=体积材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 24025450 重量：上导轨座（连电机）重量：夹具及工件重量：约500N 。X-Y工作台运动部分的总重量：约856N。2、直线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 单滑块所承受的最

5、大垂直方向载荷为： 查表3-41，根据工作载荷，故初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷，额定静载荷。上述导轨硬度为60HRC，工作温度不超过100C，根据导轨上配有两只滑块，精度为4。任务书规定工作台面尺寸为240mm254mm，加工范围为300mm200mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为600mm。 （2）、距离额定寿命L的计算 查表3-36和表3-40，分别取硬度系数，温度系数，接触系数，精度系数，载荷系数,代入上述公式得： 远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。 3、滚珠丝杠螺母副的计算与选型 （1）最大工

6、作载荷的计算工作台收到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）,受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）,受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）。已知移动部件总重量，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因素，球的滚珠丝杠副的最大工作载荷：（2） 最大动载荷的计算 工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度，初选丝杠导程，则此时丝杠转速：。 取滚珠丝杠的使用寿命，代入,得丝杠寿命系数（单位为：）查表3-30，取动载荷系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数，代入下列式中，求得最大动载荷： （3）初选型号根据最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有

7、限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循固定反向单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于，满足要求。 （4）传动效率的计算 ，导程，代入下式：将摩擦角代入下式：（5） 刚度计算1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式，见书后插页图6-23.丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离为a=500mm；钢的弹性模量E=2.1105Mpa；查表3-31，得滚珠直径，丝杠底径，丝杠截面面积。拉/压变形量2） 根据公式，求得单圈滚珠数Z=20，该型号丝杠为单螺母，滚珠圈数

8、列数为31，代入公式：=Z圈数列数，得滚珠总数量=60.丝杠预紧力。可求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取=0.0003mm。3）丝杠的有效行程为330mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315-400mm时，行程偏差允许达到25，可见丝杠刚度足够（6） 压杆稳定性校核 查表3-34，取支承系数，带入下式：压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装），代入下式：远大于工作载荷171N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选滚珠丝杠副满足使用要求。4、 步进电机减速箱的选用已知滚珠丝杠的导程为5mm，初选步进电机的步距角0.75

9、，减速比25/12。本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：36，材料为45调质钢，齿面淬硬后达55HRC.减速箱中心距为55.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。5、步进电机的计算与选型（1）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径，总长l=500mm，导程，材料密度，移动部件总重力G=865N，小齿轮宽度b1=2mm，直径d1=36mm，大齿轮宽度b2=20mm，直径d2=75mm，传动比i=25/12。如表4-1所示，算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杆的转动惯量拖板折算到丝杠上的转动惯

10、量小齿轮的转动惯量大齿轮的转动惯量初选步进电机型号为90BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为0.75，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量。则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：（2） 计算加在步进电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）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：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，一部分是移动不禁暗运动史折算到电动机转轴上的摩擦转矩，还有一部分时滚珠丝杠预紧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，相对于和很小，则有：考虑传动链

11、的总效率，计算快速空载启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机最高转速，单位为r/min； -步进电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1000mm/mim； -步进电机步距角，雨轩电动机为0.75； -脉冲当量，本例。将以上各值代入式子中，可得设步进电机由静止到加速至转速所需时间，传动链总效率。则由此可得：移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：式中 -导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005； -垂直方向的铣削力，空载时取0； -传动链总效率，取0.7.由此可得出：可求得快速空载启动时电动机转轴所承

12、受的负载转矩：2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：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，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩计算，已知沿着丝杆轴线方向的最大进给载荷，则有：计算垂直方向承受最大工作负载（）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：因此可以求得最大工作服在状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：经过上述计算后得到加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩为： （3）步进电机最大静转矩的选定 考虑到

13、步进电机的驱动电源受到电网电压影响较大，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，根据来选择步进电机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安全系数K=4，则步进电机的最大静转矩应满足：上述初选的步进电机型号为90BYG2602，由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩，可见满足要求。 （4）步进电机的性能校核 1）最快工进速度时电机输出转矩校核 任务书给定工作台面最快工进速度，脉冲当量，求出电动机对应的运行频率。从90BYG2602电动机运行矩频特性曲线图6-24可以看出，再次频率下，电动机的输出转矩，远远大于最大工作负载，满足要求。3）起动频率计算一直电动机转轴上的总转动

14、惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率（查表4-5）。则可以求出步进电动机客服惯性负载的起动频率：上述说明，要想保证步进电机起动时不失步，任何频率都必须小雨614Hz，实际上，在采用软件升降频时，起动频率更低，通常只有100Hz。综上所述，90BYG2602步进电机符合要求。 三、控制系统硬件设计X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。1 CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目

15、前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装

16、技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。2 CPU接口设计CPU接口部分包括传感

17、器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示： CPU外部接口示意图AT89S51要完成的任务：（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。（2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。由于AT89S51只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155，所以AT89S51的I/O口线分配如下：（1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向

18、步进电机的A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。（2）P1.6口输出控制电磁铁的吸合。（3）P3.2和P3.3两个中断源中INT0优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断；INT1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。（5）P2.7和P2.6决定8155的PA、PB、PC口的地址。 AT89S51控制系统图PB口接LED反映当前运行的8个状态：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行。PA口低四位反映触

19、发中断1的4个行程开关的状态。PC口低6位反映了触发中断2的手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行、复位（RST）、圆弧插补6个开关的状态。3 驱动系统传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。4 步进电机驱动电路和工作原理步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有

20、较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。 步进电机驱动电路图该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。 5 电磁铁驱动电路 该

21、驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。 电磁铁驱动电路6 电源设计两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的27V电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的12V和5V电压。 电源转换电路图电路中在转换芯片的前后有两个电容，前面电容起防止自激作用，后面电容起滤波作用。此外，在具体应用的过程中，LM7805必须加上散热片。7 传感器和人机界面 由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。

22、因此，必须在X、Y轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个：（1）防止工作台超过最大行程，使电机损坏（2）可以用与定位。所以这4个行程开关就充当了传感器。人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简洁明了。此系统中共有9个LED，LED1灯亮表示X轴负方向禁止通行，LED2灯亮表示X轴正方向禁止通行，LED3灯亮表示Y轴负方向禁止通行，LED4灯亮表示Y轴正方向禁止通行，LED5灯亮表示手动使工作台向X轴负方向通行，LED6灯亮表示手动使工作台向X轴正方向通行，LED7灯亮表示手动使工作台向Y轴负方向通行，LED8灯亮表示手动使工作台向Y轴正方向通行，LED

23、9亮表示系统通电运行。界面上的7个按扭意义为：按扭1是通断电开关，按扭2是向X轴负方向运行的点动开关，按扭3是向X轴正方向运行的点动开关，按扭4是向Y轴负方向运行的点动开关，按扭5是向Y轴正方向运行的点动开关，按扭6是复位开关，按扭7是执行绘制圆弧开关。人机界面图8 本章小节本章着重介绍了数控工作台控制系统的硬件设计。CPU板介绍了CPU的选择及其外围的接口设计和控制流程；驱动系统介绍了步进电机和电磁铁的驱动电路设计；此外还叙述了人机界面各个按扭和LED的意义。四、控制系统软件设计1 总体方案对于AT89S51的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。编译器采用Keil 7.02b

24、。该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持C语言编译。同时具有完善的调试功能。2 主流程图CTL EQU 3FF8HPA EQU 3FF9HPB EQU 3FFAHPC EQU 3FFBHCMD EQU 02HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INT0IS；外部中断0入口ORG 000BHAJMP TM0IS ；定时器0中断入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中断1入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定时器1中断入口ORG 0100HMAIN： ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中断负跳沿触发 SETB

25、IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX DPTR，CMD； （A口输入，B口输出，C口输入） SETB EX0 ；允许外中断0 SETB EX1 ；允许外中断1 SETB PX0 SETB PX1 ；设置优先级 ETB EA ；开总中断 LOOP：AJMP LOOP ；等待中断在等待中断的过程中，如果有中断到来，先检查中断0的状态，是中断0则进入中断0的中断服务INT0IS，是中断1则进入中断1的中断服务INT1IS。中断服务0是由4个行程开关触发的，它触发后通过单片机读取PA口内容，然后将结果反馈到PB口的LED上。中断服务1有6个中断源，这六个中断源分别是手动X正方向运

26、行，手动X负方向运行，手动Y正方向运行，手动Y负方向运行，复位和绘制圆弧。3 INT0中断服务流程图INT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL PUSH DPTH PUSH PSW MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；读PA口内容 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 SET

27、B P1.3 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI4 INT1中断服务流程图INT1IS：CLR EX1 MOV A，DPTR PUSH ACC JNB ACC.4，RSTPUSH 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；读PC口内容 P

28、OP DPTL MOV R1，A POP PSW ANL R1，#0FH POP ACC MOV A，PB SETB EX1 MOV DPTR，A RETI MOV A，DPTR；读PB口内容 ANL A，#0FH SWAP A ORL A，R1 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR，A MOVX DPTR，R2；数据输入PB口 INC DPTL5 复位程序流程图 DIRX EQU 30H DIRY EQU 31HRST： CLR P1.6RPA： MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；读PA口内容 JNB ACC.0，ACC2 MOV DIRX，#

29、00H ；表X电机反转 ACALL XMOTOR0 ；X电机反转一步ACC2： JNB ACC.2，LOOP0 MOV DIRY，#00H ；表Y电机反转 ACALL YMOTOR0 ；Y电机反转一步 AJMP RPALOOP0：AJMP LOOP16 X轴电机点动正转程序流程图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这是X轴电机点动正转的程序，其他的X轴电机点动反转、Y轴电机点动正转、Y