基于CCD的自动定位冲孔机定位系统的设计论文

1、 . . . 摘 要随着社会的发展，工业水平的不断提高，加工产品的质量和精度也在不断提高，传统的加工手段只能满足一些的精度的零件，而影响加工精度的一个关键因素就是机床的定位系统，所以定位系统的改进对于一台机床来说，将产生质的变化。自动冲孔机利用已经成熟的动态摄像技术进行冲孔的准确定位,通过CCD照相机获取输出目标的图像信号，由计算机进行图像分析，计算出相应的目标位置并驱动冲头移动至目标正上方。其定位精度高,可实现单孔高精度冲孔,但其拍照和识别围较小，只能在小围识别定位，连续作业时仍然需要人工的参与。为此，本设计根据自动定位冲孔机的这一不足，设计出了一套包含大行程粗定位和小行程精定位的自动进给控

2、制系统，这套系统除了能完成冲孔之外，还可以通过CCD相机的连续拍摄自动进给工件，连续打孔，省去了人的参，提高了加工速率。 关键词：CCD自动定位冲孔 图像分析 AbstractGoing with the developing society and the keeping promoting standard of technology, the quality and accuracy of machinery products are improving continuously.Traditional processing means can only satisfy some par

3、ts with lower accuracy.That have a big influence on accuracy is the position system of the machine tool, so a reasonable improvement on the machine tools will makes a big difference.Automatic punching tool based on the grow up dynamic shoot technology to accomplish the positioning for punching.By me

4、ans of CCD camera gets the signal of the picture of output objects,then takes it to computer for picture analysis and calculates the position of the targets.At last,moves the punch to the right above of the target. It provides high accuracy positioning and complete single punch with high precision.B

5、ut it can only works well in a small area and needs operator to join.This design aiming to improve it gives an account of a automatic feeding position system contains big stroke for roughly location and small stroke for high accuracy location. Not only can this system complete punching ,but also ach

6、ieve continuous punching based on the continuous shooting of CCD camera that gets rid of operators and improve the processing efficiency .Key words: CCD Automatic Positioning Punch Picture Analysis48 / 52目 录第一章 概述11.1 课题设计目的与意义11.2 系统的设计思路21.3 图像分析定位方案设计与论证2第二章 大行程粗定位设计42.1 机构部分设计42.1.1 机械传动部件的选择42.

7、1.2 直线滚动导轨副的计算与选型52.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型52.1.4 步进电机的计算与选型72.2 控制系统设计102.2.1 元器件介绍102.2.2 CPU接口设计132.2.3 步进电机的驱动142.2.4 单片机主流程图15第三章 小行程精定位设计163.1 机构部分设计163.1.1 机械传动部件的选择163.1.2 直线滚动导轨副的计算与选型163.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型173.1.4 步进电机的计算与选型193.2 控制系统设计223.2.1 CPU接口设计223.2.2步进电机的驱动233.2.3 单片机主流程图25第四章 系统软件的设计264.1

8、 CCD照相机原理264.2 图像数据结构274.3 图像数字处理294.3.1 位图结构294.3.2 图像灰度化304.3.3 图像二值化304.3.4 图像滤波314.3.5 定位324.4 通信协议设计33第五章 系统调试355.1 系统的软硬件的调试355.1.1 单片机AT89S51的调试355.1.2 软件调试365.2程序调试过程中遇到的问题和解决办法36第六章 总结与展望37致 39参考文献40附录41附录1： 灰度化程序41附录2： 二值化程序42附录3： 中值滤波程序43附录4： 定位程序45附录5： 通信协议程序47附录6: 工作台控制程序49第一章 概述1.1 课题设

9、计目的与意义当前产品的结构日益复杂，性能参数越来越高，产品精度要求与加工自动化要求也越来越高，但在有些实际加工过程中普通的加工手段已经不能满足要求。零件加工过程中，机床定位系统常常通过对传感器精度的提高与对机械传动部件传动精度的提高来满足精度要求，这样不仅大大提高了成本，而且还需对设备做专门的维护，并且对操作人员的要求也会相应提高，这样既不利于生产加工，也会因人为因素延误生产或提高废品率，所以即使有些机械产品由于采用了新原理、新材料、新工艺而简化了结构，但对其精度的要求的获得也没能有效降低成本。自动冲孔机利用已经成熟的动态摄像技术进行冲孔的准确定位,通过CCD照相机获取输出目标的图像信号，由计

10、算机计算出相应的目标位置并驱动冲头移动至目标正上方。其定位精度高,可实现单孔高精度冲孔,但其拍照和识别围较小，只能在小围识别定位，连续作业时仍然需要人工的参与。本课题的目的便是要研究一种采用大行程粗定位和小行程精定位来弥补这一缺陷，提高自动冲孔机的工作能力与适应能力。冲孔机基于CCD传感器定位系统根据所得图片进行精确的定位分析，以气动装置完成冲孔，整个过程的定位都由可由单片机控制完成，使得产品精度提高的同时，也降低了成本，降低了对加工人员的技术要求。而且随着将来技术的发展，精度作为机械技术发展的不懈追求，一个维护简单且操作方便的定位系统也是机电行业研究开发中不断完善优化的重要项目1。CCD在工

11、业、民用、商业、多媒体等领域的应用日趋广泛。由于大规模处理电路(DSP)技术和嵌入式处理技术融发展，高速计算集成电路已经开始普遍使用，比较复杂的算法都可以实时计算实现减少硬件的使用数量，实现图像实时处理跟踪等特殊功能，满足工程设备小型化的要求，同时有效的降低工程成本2。1.2 系统的设计思路自动定位冲孔机的主要包括工件进给系统、图像定位系统和气动冲孔系统。图像定位系统对CCD相机拍到工件照片进行分析处理，依照位图格式得出照片上图形的中心点，由此计算出冲头在X-Y平台上移动的距离，并发送到工件进给系统的单片机计算出相应的脉冲数，移动冲头到达靶位正上方完成冲孔。本设计的主要容是冲孔机的定位系统设计

12、，其中硬件部分由粗、精工作台与其对应控制部分等组成，软件部分则是在电脑上编写软件完成对图像的分析，并且协调控制工作台的运动。粗、精工作台分别由一片AT89S51单片机控制。粗工作台采用55BF003步进电机，精工作台90BY2602步进电机，均由专用驱动器驱动。上位机发出进给量到单片机之后，单片机计算出各个方向所需要的脉冲数，输出到驱动器，控制工作台到达靶位点上方。本设计采用C#编写控制软件，电脑做上位机，控制X-Y平台的单片机为下位机，采用串行通信模式来完成数据传送。X-Y平台包括粗行程和精行程两个，粗行程完成工件的粗略进给，精行程移动冲头至靶位上方完成定位。1.3 图像分析定位方案设计与论

13、证照相所得为彩色位图，位图有一个个像素显示排列而成。根据位图采用RGB颜色模式，每个像素点由3的字节来分别记录R、G、B三色的值。基于数字图像处理技术的发展，可对图像中每个像素点的各个字节进行编码，从而改变图像的显示模式2。在本设计中，分别完成图像的显示、灰度化、二值化、滤波、找点等过程，采用C#对图像中个个像素进行遍历，改变图像显示模式，最终识别出所要求得的点，并得出相应的X、Y方向进给量，完成定位。第二章 大行程粗定位设计2.1 机构部分设计2.1.1 机械传动部件的选择 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括冲头部件、CCD相机、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨

14、座等，估计重量约为600N。 (1) 导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的机械，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小，不宜爬行，传动效率高，结构紧凑，安装预紧方便等优点。 (2) 丝杆螺母副的选用 伺服电机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.01mm的脉冲当量，只有选用滚动丝杆副，它的传动精度高，动态响应快，运转平稳，寿命长，效率高，预紧后可消除反向间隙。 (3) 电动机的选用 本设计定位精度未达到微米级，脉冲当量也未达到0.001mm，因此，本设计采用性能好一些的步进电机，以降低成本。 (4) 检测装置的选

15、用 选用步进电机作为伺服电机之后，考虑到精度偏高，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，采用半闭环控制，拟在电动机尾部转轴上安装增量是旋转编码器，用以检测电动机的转角和转速。图2-1 XY运动平台外形图2.1.2 直线滚动导轨副的计算与选型 (1) 滑块承受工作载荷Fmax的计算与导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的X-Y工作台位水平布置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。考虑最不利的情况，即垂直与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： 2-1 其中，移动部件重量G=600N，外加载荷F=0N， 代入式(2-1

16、)，得最大工作载荷Fmax=150N。 根据工作载荷Fmax=150kN，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Ca=7.94kN，额定静载荷Coa=9.5kN3。 设定工作台行程尺寸为100mm100mm，考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为580mm5。2-2 直线滚动导轨副的装配2.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (1)最大工作载荷Fm的计算 工作台受到进给方向的载荷是滚动导轨导轨上的摩擦力。已知移动部件总重量G=600N,按矩形导轨进行计算，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副得最大工作载荷： Fm =G =0.0056

17、00=3N 2-2 (2) 最大动载荷FQ的计算 设工作台在保证精度时的最快进给速度v=600mm/min，初选丝杠导程Ph = 5mm，则此时丝杠转速n=v/ph=120r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入 L0=60nT/106 2-3得丝杠寿命系数L0 = 108（单位为：106r）。 取载荷系fw = 1.2 ，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH = 1.0 3，代入下式，求得最大动载荷： 2-4(3)初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择G系列2005-3型滚珠丝杠副3，为循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈

18、x1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于FQ ，满足要求。(4)传动效率的计算 将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm，代入下式 2-5得丝杠螺旋升角为4.57。将摩擦角=10，代入 2-6得传动效率=96.48%。(5) 刚度的验算 1. X-Y工作台上下两层滚珠丝杆副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杆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约为560mm，钢的弹性模量E=2.1105MPa，滚珠直径Dw=3.175mm，丝杆底径d2=16.2mm，丝杆截面积S=d22/4=206.12mm2。 2-7其中 Fm丝杆的最大工作载荷，单位N； a丝杆

19、的两端支承间距离，单位mm； E丝杆材料的弹性模量，单位E=2.1105MPa； S丝杆按底径确定的截面积，单位mm2； M转矩，单位Nmm； I丝杆按底径确定的截面惯性矩(I=d24/64)，单位mm4； 忽略上式中的第二项，算的丝杆在工作载荷Fm作用下产生的变形量1=Fma/(ES)=1.25560/(2.1105206.12)=1.61710-5mm 2-82.根据公式 Z=(d0/Dw)3， 求的单圈滚珠数Z=20；该型号丝杆为单螺母，滚珠圈数列数为31，代入公式 Z=Z圈数列数=60 2-9丝杆预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=0.417N，则由式 2-10 因为丝杆加有预紧力，

20、且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取2=5.510-4mm。 3. 将以上两式算出的1和2代入 总=1+2 ，求得丝杆总的变形为5.6610-4mm。丝杆长度为580mm时，5级精度允许偏差为32m3，丝杆刚度足够。2.1.4 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Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长l=580mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-3kg/cm3，移动部件的总重力G=600N；小齿轮宽度b1=20mm，直径d1=36mm；大齿轮宽度b2=20mm，直径d2=75mm；传动比i=5/3。 各个零部件的转动惯量如下：滚

21、珠丝杠的转动惯量Js=0.716kg/cm3；拖板折算到滚珠丝杠上的转动惯量Jw=0.517kg/cm3；小齿轮的转动惯量Jz1=0.259kgcm3；大齿轮的转动惯量Jz2=4.877kgcm3。 初选步进电机型号为55BF0033，为三相混合方式，三相六拍驱动时步距角为1.5，该型号电动机的转子的转动惯量Jm=0.06kgcm2。则加载步进电机转轴上的总转动惯量为： 2-11 (2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq快速空载起动情况下进行计算。 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1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Tamax；一部分是移

22、动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；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T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有： Teq1=Tamax+Tf2-12 考虑传动链的总效率 ，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： 2-13式中 nm 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； ta 步进电机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。其中： 2-14式中 空载最快移动速度，定位600mm/min 步进电机步距角，预选电动机为1.5 脉冲当量，本设计=0.01mm/脉冲将以上各式代入(2-

23、14)，算得nm =250 r/min。设步进电机由静止到加速至nm转速所需的时间ta=0.4s，传动链总效率=0.7。则由式(2-13)求得：当移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： 2-15式中 导轨的摩擦系数，滚动导轨取=0.005； Fz 垂直方向的作用力，空载时取0； 传动链总效率，取0.7。则由式(2-15)得： 2-16最后由式(2-12)得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：因为工作台载荷近似不变，所以Teql即电动机上最大等效负载转矩。 (3)步进电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

24、步，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本设计中安全系数取K=4 ，则步进电动机的最大静转矩应满足： Tjmax4Teq=40.0175=0.07Nm 2-17上述初选的步进电机型号为55BF003,该型号电动机的最大静转矩Tjmax=0.666Nm，可满足要求。 (4)步进电动机的性能校核 启动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=1.719kgcm2，电动机转子的转动惯量JM=0.666kgcm2 ，电动机转子不带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz。则可求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： 2-18上式说明，要想保证步进电动机不丢

25、步，任何时候的起动频率都必须小于953Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。为满足脉冲当量的设计要求，增大步进电机的输出转矩， 同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能小，今在步进电机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮连接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮。其齿轮设计为双片结构，采用图2-1所示的弹簧错齿法消除侧隙4。图2-3 双片齿轮 已知工作台的脉冲当量=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph=5mm，步进电机的步距角=1.5，根据公式算的减速比：i= (Ph)/(360) = (0.754

26、)/(3600.005)=25/12 2-19本设计的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，齿表面淬硬后达55HRC。减速箱中心距为 (75+36)/2=55.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。综上所述，本例中工作台的进给传动选用55BF003步进电机，完全满足设计要求。2.2 控制系统设计2.2.1 元器件介绍(1)AT89C51的引脚功能，如图2-1所示:图2-4 AT89S51的引脚功能图(2)管脚说明 VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收4TTL门电流。当P0口的管脚写“

27、1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高。 P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，电位被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被部上拉电阻

28、拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号8。 P3口：P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(TTL)，也是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S51

29、的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 (外部中断0)P3.3 (外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 (外部数据存储器写选通)P3.7 (外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。(3)AT89S51的基本操作 如图2-5所示，在X1和X2之间接一只石英振荡晶体构成了单片机的时钟电路，它还有另一种接法，是把外部振荡器的信号直接连接到XTAL2端，XTAL1端悬空不用。AT89S51复位引脚RST通过片一个施密特触发器(抑制噪声作用)与片复位电路相连，施密特

30、触发器的输出在每一个机器周期由复位电路采样一次。当振荡电路工作，并且在RST引脚上加一个至少保持2个机器周期的高电平时，就能使AT89S51完成一次复位。复位不影响RAM的容。复位后，PC指向0000H单元，使单片机从起始地址0000H单元开始重新执行程序。所以，当单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新启动9。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种复位方式。上电复位利用电容器充电来实现。按钮复位又分为按钮电平复位和按钮脉冲复位。前者将复位端通过电阻与Vcc相接；后者利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位目的。复位电路参数的选择应能保证复位高电平持续时间大于2个机器周期5。图2-5 AT8

31、9S51基本操作电路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。2.2.2 CPU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。（行程开关）前向通道传动驱动（电磁铁）（步进电机）人机界面传感器AT89S51（键盘、LED）后向通道 图2-6 CPU外部接口示意图P1.0-P1.2驱动1X步进电机驱动2Y步进电机P1.3-P1.5P1.6驱动3P3.2外部中断1P3.3外部中断2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB

32、 口PA口PC口AT89S51键盘电磁铁8155图2-7 AT89S51控制系统图2.2.3 步进电机的驱动 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。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。 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、工作时能带动工作台并克服外力并以指令的速度运行。 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，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU

33、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11。图2-9 电磁铁驱动电路图2-8 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12。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-A10。步进时钟A相波

34、形B相波形C相波形图2-10 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）2.2.4 单片机主流程图上电复位 P1.6=0，吸合电磁铁外部中断，8155初始化开外部中断，开总中断等待中断图2-11 单片机主流程图第三章 小行程精定位设计在工件经过粗进给之后，精行程工作台移动冲头与CCD相机，到达获取的坐标点，完成最后一步定位。3.1 机构部分设计按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括冲头部件、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为250N。3.1.1 机械传动部件的选择 (1) 导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的机械，需要承载的载荷不大，但脉冲当量

35、小，定位精度高，因此决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小，不宜爬行，传动效率高，结构紧凑，安装预紧方便等优点。 (2)丝杆螺母副的选用 伺服电机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和0.01mm的定位精度，只有选用滚动丝杆副，它的传动精度高，动态响应快，运转平稳，寿命长，效率高，预紧后可消除反向间隙。 (3) 电动机的选用 本设计定位精度未达到微米级，脉冲当量也未达到0.001mm，因此，本设计采用性能好一些的步进电机，以降低成本。 (4)检测装置的选用 选用步进电机作为伺服电机之后，考虑到精度偏高，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而

36、失步，采用半闭环控制，拟在电动机尾部转轴上安装增量是旋转编码器，用以检测电动机的转角和转速。3.1.2 直线滚动导轨副的计算与选型 (1) 滑块承受工作载荷Fmax的计算与导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的X-Y工作台位水平布置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。考虑最不利的情况，即垂直与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： 3-1 其中，移动部件重量G=250N，外加载荷F=0N， 代入式(3-1)，得最大工作载荷Fmax=62.25N。 根据工作载荷Fmax=62.25kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA LG

37、15型5，其额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷Coa=9.5kN。 设定工作台行程尺寸为100mm100mm，考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为340mm 。 图3-1 直线滚动导轨副的装配3.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (1)最大工作载荷Fm的计算 工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）是滚动导轨导轨上的摩擦力。已知移动部件总重量G=250N,按矩形导轨进行计算，滚动导轨上的摩擦系数=0.0056。求得滚珠丝杠副得最大工作载荷： Fm =G =0.005250=1.25N 3-2 (2) 最大动载荷FQ的计算 设工作台在保证精度时的最快进给速度v=24

38、0mm/min，初选丝杠导程Ph = 4mm，则此时丝杠转速n=v/ph=60r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入 L0=60nT/106 3-3得丝杠寿命系数L0 = 54（单位为：106r）。 取载荷系fw = 1.2 ，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH = 1.0 ，代入下式，求得最大动载荷： 3-4(3)初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择G系列2004-3型滚珠丝杠副5，为循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈x1列，精度等级取5级，额定动载荷为5243N，大于FQ ，满足要求。(4)传动效率的计算 将公称

39、直径d0=20mm，导程Ph=4mm，代入下式 3-5得丝杠螺旋升角为3.64。将摩擦角=10，代入 3-6得传动效率=95.6%。(6) 刚度的验算 1. X-Y工作台上下两层滚珠丝杆副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杆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约为320mm，钢的弹性模量E=2.1105MPa，滚珠直径Dw=2.381mm，丝杆底径d2=17.1mm，丝杆截面积S=d22/4=229.5mm2。 3-7其中 Fm丝杆的最大工作载荷，单位N； a丝杆的两端支承间距离，单位mm； E丝杆材料的弹性模量，单位E=2.1105MPa； S丝杆按底径确定的截

40、面积，单位mm2； M转矩，单位Nmm； I丝杆按底径确定的截面惯性矩(I=d24/64)，单位mm4； 忽略上式中的第二项，算的丝杆在工作载荷Fm作用下产生的变形量1=Fma/(ES)=1.25320/(2.1105229.5)=8.310-6mm 3-8可忽略不计。2. 根据公式 Z=(d0/Dw)-3， 求的单圈滚珠数Z=24；该型号丝杆为单螺母，滚珠圈数列数为31，代入公式 Z=Z圈数列数=72 3-9丝杆预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=0.417N，则由式 3-10可忽略不计。 3. 将以上两式算出的1和2代入 总=1+2 ，求得丝杆总的变形为8.9310-5mm。丝杆长度为3

41、40mm时，5级精度允许偏差为25m5，丝杆刚度足够。 3.1.4 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Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长l=320mm，导程Ph=4mm，材料密度=7.8510-3kg/cm3，移动部件的总重力G=250N；小齿轮宽度b1=20mm，直径d1=24mm；大齿轮宽度b2=20mm，直径d2=40mm；传动比i=5/3。 各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量Js=0.098kg/cm3；拖板折算到滚珠丝杠上的转动惯量Jw0.012kg/cm3；小齿轮的转动惯量Jz1=0.051kgcm3；大齿轮的转动惯量Jz2

42、=0.394kgcm3。 初选步进电机型号为90BYG26025，为两相混合方式，二相八拍驱动时步距角为0.75，该型号电动机的转子的转动惯量Jm=4kgcm2。则加载步进电机转轴上的总转动惯量为： 3-11 (2) 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载起动和承受最大工作载荷两种情况进行计算。 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1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Tamax；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Tf；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T06。因为滚珠丝杠副传动效率很高，T0相对于

43、Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有： Teq1=Tamax+Tf3-12 考虑传动链的总效率 ，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： 3-13式中 nm 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； ta 步进电机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。其中： 3-14式中 空载最快移动速度，定位240mm/min 步进电机步距角，预选电动机为0.75 脉冲当量，本设计=0.005mm/脉冲将以上各式代入(3-14)，算得nm =100r/min。 设步进电机由静止到加速至nm转速所需的时间ta=0.4s，传动链总效率=0.7。则由式(3-13)求得：

44、当移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： 3-15式中 导轨的摩擦系数，滚动导轨取=0.005； Fz 垂直方向的作用力，空载时取0； 传动链总效率，取0.7。则由式(3-15)得：最后由式(3-12)得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： 3-16 因为工作台载荷固定，所以Teql即电动机上最大等效负载转矩。 (3) 步进电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Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本设计中安全系数取K=4 ，则步进电动机的最大静转矩应满足： T

45、jmax4Teq=40.158=0.632Nm 3-17 上述初选的步进电机型号为90BYG2602 ,该型号电动机的最大静转矩Tjmax=6Nm，可满足要求。 (4) 步进电动机的性能校核 启动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=4.232kgcm2，电动机转子的转动惯量JM=4kgcm2 ，电动机转子不带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz。则可求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： 3-18上式说明，要想保证步进电动机不丢步，任何时候的起动频率都必须小于875Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。 为满足脉冲当量的设

46、计要求，增大步进电机的输出转矩， 同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能小，今在步进电机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮连接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮。其齿轮设计为双片结构，采用弹簧错齿法消除侧隙7。 已知工作台的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph=4mm，步进电机的步距角=0.75，根据公式算的减速比：i= (Ph)/(360) = (0.754)/(3600.005)=5/3 3-19本设计的齿轮减速箱大小齿轮模数均为1mm，齿数比为40：24，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达55HRC。减速箱中心距为 (40+24

47、)/2=32mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。 综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电机，完全满足设计要求。 7. 增量式旋转编码器的选用 本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量是旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。 图3-2 增量式旋转编码器增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。由步进电动机的步距角=0.75，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/=480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样控制系统每发一

48、个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。本例选择编码器的型号为ZLK-A -120-05VO-10-H: 盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部输出轴相匹配，电源电压+5V，每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出7。 3.2 控制系统设计3.2.1 CPU接口设计选用AT89S51单片机 根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：1.接受操作面板的开关与按钮信息；2.接受限位开关信号；3.控制X，Y向步进电动机的驱动器；4.控制电磁阀；5.与PC机的串行通信。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：（行程开关）

49、前向通道传动驱动（步进电机）人机界面传感器AT89S51（键盘、LED）后向通道 图3-3 CPU外部接口示意图P1.0-P1.3驱动1X步进电机驱动2Y步进电机P1.4-P1.7P2.0驱动3P3.2外部中断1P3.3外部中断2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51键盘电磁阀8155 图3-4 AT89S51控制系统图3.2.2步进电机的驱动(1) 传动驱动部分包括步进电机的驱动和机头电磁阀的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和工作时能带动工作台并克服外力并以指令的速度运行。 (2) 步进电动机的驱动电源选用在控制部分采用了隔离驱动电路，

50、用光电器件作为隔离元件，利用光耦来隔离强电，以防止强电影响单片机的工作。光电隔离的目的是割断两个电路的电气联系，使之相互独立，从而也就割断了噪声从一个电路进入另一个电路的通路。光电隔离是通过光电耦合器实现的。光耦又称光电隔离器或光电耦合器，它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器与受光器封装在管壳。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接收后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“光电光”的转换。光电耦合器是把一个发光二极管和一个光敏三极管封装在一个外壳里的器件。外壳有金属的或塑料的两种。发光二极管和光敏三极管之间用透明绝缘体填充，并使发光管与光敏管对准，以提高其灵敏度，光电耦合器的电路符号如图所示。对于数字量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。图3-5 光电耦合器原理图输入信号使发光二极管发光，其光线又使光敏三极管产生电信号输出，从而既完成了信号的传递又实现了电气上的隔离。光电耦合的响应时间一般不超过几个微秒。光电耦合器的输入端与输出端在电气上是绝缘的，且输出端对输入端也无反馈，因而具有隔离和抗干