机电一体化系统设计课程设计参考-

1、机电一体化系统课程设计X-Y 数控工作台设计说明书学校名称：班级学号：学生姓名：班级 ：2016年 4月一、总体方案设计1.1 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±0.01mm ，定位精度为0.025mm。设计参数如下： 负载重量 G=150N ；台面尺寸 C×B × H 145mm × 160mm× 12mm ；底座外形尺寸 C1 × B1 × H1 210mm × 220mm × 140mm ；最大长度

2、 L=388mm ；工作台加工范围X=55mm ， Y=50mm ；工作台最大快移速度为1m/min 。1.2 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

3、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。图 1-1系统总体框图二、机械系统设计2.1 、工作台外形尺寸及重量估算X 向拖板（上拖板）尺寸：长宽高145×160× 50重量：按重量 =体积×材料比重

4、估算1451605010 37.810 290NY 向拖板（下拖板）尺寸：1 4 51 6 05 0重量：约 90N。上导轨座（连电机）重量：(22014038215582 )7.8 10 210 31.1 10 107 (N )夹具及工件重量：约150N。X-Y 工作台运动部分的总重量：约287N 。2.2 、滚动导轨的参数确定、导轨型式：圆形截面滚珠导轨、导轨长度上导轨（ X 向）取动导轨长度l B100动导轨行程l 55支承导轨长度LlB l 155下导轨（ Y 向）l50l B 100L150选择导轨的型号：GTA16、直线滚动轴承的选型上导轨GX240(N )下导轨GY287(N )

5、由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列 4 个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。、滚动导轨刚度及预紧方法当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），

6、影响导轨的精度。2.3 、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。、最大动负载Q的计算Q3 L ff H P查表得系数f1 ， f H1，寿命值60nTL106查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速n1000Vmax1000 1t4250( r / min)所以L6025015000225106X向丝杠牵引力Px1.414 f当Gx( f当 当量摩擦系数 )1.4140.012403.39( N )Y向丝杠牵引力Py1.414 f当Gy1.4140.012874.06(N )所以最大动负荷X向Qx3225

7、113.3920.6(N )Y向Qy3225114.0624.7(N )查表，取滚珠丝杠公称直径d010mm ， 选 用 滚 珠 丝 杠 螺 母 副的型号为SFK1004 ，其额定动载荷为390N，足够用。、滚珠丝杠螺母副几何参数计算表 2-1滚珠丝杠螺母副几何参数名称符号计算公式和结果公称直径d010螺距t4接触角45钢球直径dq2螺纹滚道螺纹滚道法面半径RR0.52dq1.04偏心距eeRdq/ 2 sin0.03螺纹升角arctgt7.26d0螺杆外径ddd00.2 0.25 dq9.5螺杆螺杆内径dldld02e2R7.98螺杆接触直径dzdzd0dq cos8.59螺母螺纹外径DDd

8、02e2R12.02螺母螺母内径（外循环）D1D1d00.2 0.255 dq10.5见表 2-1 。、传动效率计算tgtg7.260.973tg () tg (7.26 0.2 )式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程L0 的变化量L1PL0EFY向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算P24.7( N )L00.4(cm)E20.6106 ( N / cm2 )材料为钢3.14 0.7982FR20.5 cm22所以24.70.56L120.61060.51.210(cm)丝杠因受扭矩而引起的导程变化量L2 很小，可以忽略。所以导程总误差L 1001.2 10

9、6 1003 m / mL00.4查表知 E 级精度的丝杠允许误差15 m ，故刚度足够。、稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。2.4 、步进电机的选用、步进电机的步距角b取系统脉冲当量0.01 /，初选步进电机步距角。pmm stepb 1.5、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为 T，负载力为 P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系T Ps式中：电机转角；s 移动部件的相应位移；机械传动效率。若取b ，则 sp ，且 PPSG ，所以36 pPSG( N cm)T2b式中： PS移动部件负载（ N）； G移动部件重量（N）； Pz 与重量方向

10、一致的作用在移动部件上的负载力（N）；导轨摩擦系数；b 步进电机步距角， （ rad ）； T电机轴负载力矩（N cm ）本例中，取0.03 （淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96 ， PS 为丝杠牵引力，Ps PH24.7N 。考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取G Gy 287N ，所以T360.01 24.70.0328721.50.961.33( N cm)若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩TqT0.3 0.51.330.3 ，则Tq取安全系数为4.42 N cm0.3对于工作方式为三相六拍的三相步进电机Tj maxTqN cm5.10.866、步进电机的最高工作频率f

11、 max1000Vmax1000 160 p601667(Hz)0.01查表选用两个 45BF005-型步进电机。电机的有关参数见表2-2 。表 2-2步进电机参数主要技术数据外形尺寸 (mm)重量型 号步最 大最高空载相电压电流外径长度轴径(N )距 静转距启动频率数(V )( A)角N cm( step/ s)45BF005-1519.630003272.545584112.5 、确定齿轮传动比因 步 进 电 机 步 距 角b1.5 ， 滚 珠 丝 杠 螺 距t4mm ， 要 实 现 脉 冲 当 量p 0.01mm/ step，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比Z1p3600.0

12、1360ibt1.50.6Z24选 Z117， Z228。2.6 、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数m1mm ，齿轮有关尺寸见表3-3 。2.7 、步进电机惯性负载的计算表 2-3齿轮尺寸Z1728dmZ mm1728dad2m mm1930d fd2 1.25m mm14.525.5b36 m mm55ad1d2 mm17.52根据等效转动惯量的计算公式，得2Z12J dJ0 J1J2 J3MpZ2180b式中： Jd折算到电机轴上的惯性负载（kg cm2）； J0 步进电机转轴的转动惯量（ kg cm2 ）； J1 齿轮的转动惯量（ kg cm2 ）； J2 齿轮的转动惯量（

13、 kg cm2 ）；J 滚珠丝杠的转动惯量（kg cm2 ）； M移动部件质量（kg ）。3对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算J 0.78 10 3 D 4 L kg cm2式中： D圆柱零件直径（cm）；L零件长度（ cm）。所以J10.7810J20.781031.740.53.261032.840.523.9103 kg cm23 kg cm2J30.7810 31453.9 10 3 kg cm2电机轴转动惯量很小，可以忽略，则2Jd3.2610 31723.93.9 10 3282250.0010.410 5kg m23.141.5180因为1Jd0.40.319 1 ，所以惯

14、性匹配比较符合要求。4JM1.274三、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。3.1 CPU 板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

15、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 C

16、PU 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。接口设计CPU 接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：（电磁铁）（行程开关）传动驱动传感器AT89S51（步进电机）前向通道后向通道（键盘、 LED ）人机界面图

17、 3-1CPU 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 两个方向步进

18、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；（ 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。X 步进电机驱动 1P1.0-P1.2P0.0-P0.7AD0AD7Y 步进电机驱动 2P1.3-P1.5PA 口电磁铁驱动 3P1.6外部中断 1P3.2P2.7CEPB口键盘外部中

19、断 2P3.3P2.6IO/MPC 口AT89S518155图 3-2 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、手动行、复位（ RST）、圆弧插补6 个开关的状态。X- 运行、手动Y+ 运行、手动Y- 运3.2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（

20、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。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，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU 上使其烧坏。CPU0.01mm，的作用，当功放图 3-4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

21、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。步进时钟A 相波形B 相波形C 相波形图 3-5三相六拍工作方式时相电压波形（正转）电磁铁驱动电路该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。3.2.3 电源设计图 3-6 电磁铁驱动电路两电机同时工作再加上控制系统用电，所

22、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。图 3-7 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。3.3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。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

23、 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， LED9 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

24、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。图 3-8人机界面图3.4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4.1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。该编译器是51 系列

25、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。4.2主流程图上电复位P1.6=0，吸合电磁铁，绘笔抬起外部中断， 8155 初始化开外部中断，开总中断等待中断图 4-1CTLEQU3FF8HPAEQU3FF9HPBEQU3FFAHPCEQU3FFBHCMDEQU02HORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPINT0IS；外部中断0 入口ORG000BHAJMPTM0IS；定时器0 中断入口ORG0013HAJMPINT1IS；外部中断1 入口ORG001BHAJMPTM1IS；定时器1 中断入口ORG0100HMAIN ： ANLP1， 0E

26、FHSETBIT0；外中断负跳沿触发SETBIT1MOVA，CTLMOVDPTR ，AMOVXDPTR ， 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 1SETB PX0SETB PX1 ；设置优先级SETBEA；开总中断LOOP ： AJMPLOOP；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

27、LED 上。手动中断服务1 有 6 个中断源，这六个中断源分别是手动Y 正方向运行，手动Y 负方向运行，复位和绘制圆弧。X 正方向运行，手动X 负方向运行，4.3 INT0中断服务流程图INT0IS ： PUSHACCPUSHDPTLPUSHDPTHPUSHPSWMOVA ，PAMOVDPTR ， AMOVXA ， DPTR；读 PA 口内容MOVR2，AMOVA ，PBMOVDPTR,AMOVDPTR,R2MOVA ，R2CPLA；A 取反ANLA ，#03H；屏蔽高6 位JZA ， TM2CSETBP1.0SETBP1.1SETBP1.2TM2C ： MOVA，R2CPLAANLA ，#0

28、CHJZA ， RETINSETBP1.3图 4-2SETBP1.4SETBP1.5RETIN ： POPPSWPOPDPTHPOPDPTLPOPACCRETI4.4 INT1中断服务流程图INT1IS ： CLREX1MOVA ， DPTRPUSHACCJNBACC.4 ， RSTPUSHPSWJNBACC.0 ， X+ENPUSHDPTLJNBACC.1 ， X-ENPUSHDPTHJNBACC.2 ， Y+ENCLRP1.6JNBACC.3 ，Y-ENMOVA ，PCJNBACC.5 ，ARCMOVDPTR ，ALOOP1 ：POPDPTHMOVXA， DPTR ；读 PC 口内容POP

29、DPTLMOVR1，APOPPSWANLR1 ， #0FHPOPACCMOVA ，PBSETBEX1MOVDPTR ，ARETIMOVA ，DPTR ；读 PB 口内容ANLA ， #0FHSWAPAORLA ，R1MOVR2，AMOVA ，PBMOVDPTR ，AMOVXDPTR ，R2 ；数据输入 PB 口INCDPTL复位程序流程图DIRXEQU30HDIRYEQU31HRST：CLRP1.6RPA：MOVA，PAMOVDPTR ， AMOVXA， DPTR；读 PA 口内容JNBACC.0 ， ACC2MOVDIRX ，#00H；表 X 电机反转ACALLXMOTOR0； X 电机反转

30、一步ACC2 ： JNBACC.2 ，LOOP0MOVDIRY ，#00H；表 Y 电机反转ACALLYMOTOR0； Y 电机反转一步AJMPRPALOOP0 ： AJMPLOOP1轴电机点动正转程序流程图X+EN ：CLRP1.6MOVA，PAMOVDPTR ， AMOVXA ， DPTRJNBACC.0 ，LOOP2MOTOR0 ： MOVDIRX ， #01HACALLXMOTOR0MOVA， PCMOVDPTR ， AMOVA， DPTRJNBACC.0 ， MOTOR0LOOP2 ：AJMPLOOP1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 轴电机点动反转依次类推。绘制圆弧程序流程图图 4-6逐点比较法画圆弧逐点比较法原理：假设所画圆