通用两维运动平台设计

...wd......wd......wd...学号：201280191学号：201280191课程设计说明书题目：通用两维运动平台设计学生姓名：学院：机械学院专业：机械设计制造及其自动化班级：指导教师：2016年01月10日摘要X-Y工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管构造和功能各不一样,但基本原理一样。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对X-Y工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。本次课程设计，主要设计和研究Ｘ－Ｙ工作台及其电气原理图。确定Ｘ－Ｙ工作台的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。利用8031、6264、2764、373、8155、8255等MCS—51单片机设计其硬件电路图。关键词：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；MCS—51单片机目录27944摘要116389第一章两维运动平台总体方案设计11.1系统的运动方式与伺服系统的选择2794411.2机械传动方式2794411.3计算机系统27944127788第二章二维运动平台进给伺服系统机械局部设计计算244942.1确定系统脉冲当量253662.2确定系统切削力274022.3直线滚动导轨副的计算与选型2210472.4滚珠丝杠螺母副的计算和选型3327102.5计算减速比i6122602.6步进电动机的计算和选型6微机数控硬件电路设计11208873.1MCS—51系列单片机简介112693.1.1MCS—51系列指令系统简介11299333.1.2定时器/计数器1247913.1.3中断系统1332133.2存储器扩展电路设计13100123.2.1程序存储器的扩展13312743.2.2数据存储器的扩展13102403.2.3译码电路设计14153383.3I/O接口电路及辅助电路设计15124463.3.18155通用可编程接口芯片15263993.3.28255通用可编程接口芯片15214893.3.3键盘显示接口电路18127753.3.4电机接口及驱动电路18272483.3.5辅助电路18参考文献20第一章两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，应选择连续控制系统。考虑到工作台的加工范围，只对毛坯料进展初加工，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到达0.001mm,定位精度也未到达微米级，空载最快移动速度也只有1000，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展驱动，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到达。同时，为提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的构造。1.3计算机系统根据设计要求，采用8位微机。由于MCS—51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MCS—51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。控制系统由微机局部、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见图1.1图1.1X.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局部设计计算伺服系统机械局部设计计算内容包括：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，绘制机械局部装配图等。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1200N；Y向1400N；Z向1800N；G为1800N。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，那么单滑块所受的最大垂直方向载荷为：其中，移动部件重量G=1800N，外加载荷1800N，代入上式，得最大工作载荷=2250=2.25。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=2.25，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=35.1，额定静载荷=47.2。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：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，G=1800N，，。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：2、计算最大动负载式中——滚珠丝杠导程，初选=5mm；——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=1.2～1.5；——寿命、以转为1单位3、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，选择济宁博特精细丝杠制造生产的G系列3205-3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32mm，导程为5mm,循环滚珠为3圈×2列，精度等级取5级，额定动载荷为10678N，大于C，满足要求。4、传动效率计算将公称直径mm，导程，代入得丝杠螺旋升角=,将摩擦角，代入下式得；5、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1345N，由螺母装配总长度为46mm,丝杠螺纹长度取900mm,预计支承长度为1300mm，丝杠螺母及轴承均进展预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3。 G GJML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,丝杠底径，丝杠横截面积S==624.3,=1345。将各个数据代入下式得==0.02359mm。〔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=29；该型号丝杠为单螺母滚珠的圈数×列数为3×2，代入公式：×圈数×列数，得滚珠总数量=174。丝杠预紧时，取轴向预紧力N,代入下式得因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1／3，所以变形量可减小一半，取=0.00055。〔3〕将以上算出的和代入=＋，求得丝杠总变形量=0.02359＋0.00055=0.02414本课题中，丝杠的有效行程为900，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800～1000时，行程偏差允许到达40,可见丝杠刚度足够，且小于1／3的开环系统定位精度值0.033，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，求得截面惯性矩；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1300。代入下式得﹥=1345N，故丝杠不会失稳。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工作台的开环脉冲当量，滚珠丝杠的导程，初选步进电动机的步矩角，代入下式得=1.04取。2.6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滚珠丝杠的公称直径,总长，导程，材料密度；移动部件总重力，由公式得滚珠丝杠的转动惯量；由公式得拖板折算到丝杠上的转动惯，传动比i=1。初选步进电动机型号为90BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公生产，二相八拍驱动时步矩角为，查?机电一体化系统设计课程设计指导书?表4-5得该型号电动机转子的转动惯量。那么加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：2、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展计算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,包括三局部：一局部是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一局部是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一局部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。那么有：=﹢根据公式，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：×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；脉冲当量，任务书指定为〔开环系统〕。将以上各值代入式中，得=417r/min。设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.4s,传动链总效率=0.7。那么由公式×求得≈0259Nm由式=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，滚动导轨取0.005；垂直方向的铣削力，空载时取0传动链总效率，取1。那么由式=求得≈0.0717最后由式=﹢，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：=﹢=0.33072〕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，包括三局部：一局部是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一局部是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一局部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。那么有：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展计算的时候，沿着丝杠轴线方向的最大进给负载=1200N，那么有：=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：==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：=1.154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3、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，那么步进电动机的最大静转矩应满足：≥上述初选的步进电动机型号为90BYG2602,由?机电一体化系统设计课程设计指导书?表4-5查得该型号电动机的最大静转矩=。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。在此频率下，电动机的输出转矩≈5.3N,远大于最大工作负载，满足要求。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，大于快速空载起动时的负载转矩，满足要求。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?机电一体化系统设计课程设计指导书?表4-5可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz,可见没有超出上限。4〕起动频率的计算电动机转轴上的总转动惯量，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?机电一体化系统设计课程设计指导书?表4-5〕。那么由可以求出步进电动机抑制惯性负载的起动频率：Hz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683.8Hz。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90BYG2602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3.1MCS—51系列单片机简介硬件是组成系统的根基，机床硬件电路由以下五局部组成：⑴、主控制器，即中央控制单元CPU；⑵、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；⑶、存储器，包括程序存储器和数据存储器；⑷、接口，即I/O输入/输出接口电路；⑸、外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。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MCS—51系列单片机作主控制器。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。在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。3.1.1MCS—51系列指令系统简介MCS—51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、MCS—51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：特殊功能存放器SFR、内部RAM128字节个单元、221个地址空间。〔3〕、存放器寻址指定某一可寻址的存放器的内容为操作数。寻址空间是R0～R7、A、B、DPTR。〔4〕、存放器间接寻址由指令指定某一存放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存放器或称变址存放器和基址存放器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位进展位操作。2、MCS—51系列指令系统主要指令简介：MCS—51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MCS—51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。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存放器TMOD的相应位，后一个模拟开关就是特殊存放器TCON的相应位。TMOD和TCON是专门用于定时器/计数器的控制存放器。用户可以用指令对其各位进展写入或更改操作，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。这两个控制存放器各位的功能：1、TMOD控制存放器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控制存放器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MCS—51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INT00003H0T0000BH1INT10013H2T1001BH3串行口中断0023H43.2存储器扩展电路设计3.2.1程序存储器的扩展1、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。〔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。其真值表见表3.1。表3.1真值表74LS373EGDQLHHHLHLLLLXQ03.2.2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。3.2.3译码电路设计1、MCS—51系列单片机应用系统中的地址译码规那么〔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0000H～FFFFH。〔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3.2是其地址译码表。表3.274LS138逻辑功能表G1G2AG2BCBAY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0100100100100100100100100其他状态000001010011100101110111XXX1111111011111101111110111111011111101111110111111011111101111111111111113.374LS138地址译码表器件地址选择线片内地址单元〔字节〕地址编码2764000XXXXXXXXXXXXX8K0000H~1FFFH6264001XXXXXXXXXXXXX8K2000H~3FFFH8155RAM01011110XXXXXXXX2565E00H~5EFFHI/O0101111111111XXX65FF8H~5FFFH825501111111111111XX46FFCH~6FFFH3.3I/O接口电路及辅助电路设计常用外围接口芯片有：8155：可编程的RAM/IO扩展接口电路〔256个RAM、两个8位口、一个6位口、一个14位的定时器/计数器〕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3.3.18155通用可编程接口芯片1、8155引脚及其功能8155的构造具有40条引脚，采用双列直插式风装，各引脚功能见表3.4。表3.48155引脚功能引脚含义引脚含义引脚含义AD0~AD7PA0~PA7PB0~PB7PC0~PC5TIMERIN地址、数据线A口B口C口定时输入TIMEROUTIO/MALERDWR定时输出IO/RAM口选择地址锁存读写CERESETVSSVCC片选复位地电源2、8155初始化程序格式如下：MOVDPTR，控制口地址MOVA，命令字MOVX@DPTR，AMOVDPTR，计数初值入口地址MOVA，计数初值MOVX@DPTR，AINCDPTRMOVA，计数初值高位MOVX@DPTR，A3.3.28255通用可编程接口芯片1、8255引脚及其功能8255引脚及内部构造见图3.9，其引脚功能见3.5：2、8255工作方式的设定8255有三种工作方式：方式0、方式1、方式2。方式0——基本的输入输出方式方式1——应答式输入输出方式方式2——应答式双向输入输出方式表3.58255引脚功能引脚含义D0~D7PA0~PA7PB0~PB7PC0~PC7A0、A1RDWRCERESETGNDVCC数据线A口B口C口地址线读写片选复位地电源图3.98255引脚及内部构造8255IO的工作方式选择通过对其内部命令存放器设定方式选择控制字来实现。其格式及工作方式见图3.10。C口置/复位控制字格式如图3.11所示。3、8255初始化程序格式如下：MOVAL，控制字；定义工作方式OUT控制口地址，ALINAL，初值OUT输出口地址，ALB组下C口：0—输出1—输入B口：0—输出1—输入模式选择：0—模式01—模式1A组上C口：0—输出1—输入A口：0—输出1—输入模式选择：00—模式001—模式1X1—模式2控制选择1=模式选择图3.10命令存放器方式选择控制字格式及工作方式置位0=复位1=置位位选择D3D2D1C口000BIT0000BIT0000BIT0000BIT0000BIT0000BIT0000BIT0000BIT0控制选择0=位操作图3.11C口置/复位控制字格式3.3.3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