毕业设计（论文）-基于单片机控制的X-Y工作台机电系统设计

毕业设计题题目：基于单片机控制的X-Y工作台机电系统设计英文题目：BasedonsinglechipmicrocomputercontroloftheX-Yworkbenchmechanicalandelectricalsystemdesign学生姓名学生姓名：学号：专业：机械电子工程系别：机电工程系指导教师：职称讲师二零XX年六月东华理工大学长江学院毕业设计摘要Fmax在铣床进行立铣的时候，工作台所受丝杠轴线方向的载荷，所受纵向的载荷，所受垂直方向的载荷，已算出工件总重量为619.5N。通过查表可知：矩形导轨的颠覆力矩影响系数K=1.1；滚动导轨的滑动摩擦因数=0.005。因此通过最大工作载荷计算公式可算出：3.4.2最大动载荷FQ当工作台在承受最大铣削力时的最高移动速度时，选取丝杠的导程，那么可以算出丝杠转速。因为一般数控机床的及一般机电设备的使用寿命约为15000h，所以这里我也取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入滚珠丝杠副的寿命计算公式得：（）；根据查表以及结合铣床在实际加工时的情况，这里我选取载荷系数，滚道的硬度为60HRC，硬度系数，代入最大动载荷公式可得：3.4.3滚珠丝杆副的型号选择及传动效率根据已初步选取的导程和计算出的最大动载荷，再经过查表之后，我选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产制造的G系列3205—3型滚珠丝杠副，它的公称直径为=32mm，导程为=5mm，循环滚珠为3圈×2列，额定动载荷为10678N，大于计算的最大动载荷，所以该滚珠丝杠副能满足要求。再根据该滚珠丝杆副的参数代入传动效率公式，可以算出：又因为：摩擦角所以传动效率为：3.4.4滚珠丝杆的刚度验算本次设计的X-Y工作台的工作方式有两种，上层为Y向运动，下层为X向运动，都是使用滚珠丝杆副进行支承，丝杠两端都使用两个推力角接触球轴承。左右支承的中心距离约，钢的弹性模量是E=2.1×MPa。又通过查表可知，G系列3205-3系列的滚珠丝杠副的滚珠直径为=3.175mm，丝杠底径为=28.2mm，那么可求得：（1）丝杠截面积：（2）丝杠在工作载荷作用下的拉/压变形量：（3）单圈滚珠数：因此可知该丝杠是单螺母的，又查表得知，循环滚珠是3圈×2列；（4）代入滚珠总数量公式：=Z×圈数×列数=192（5）丝杠预紧时的轴向预紧力：（6）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量：因为丝杠有预紧力作用，所以实际变形量约为理论数据的一半，所以实际变形量；（7）580mm跨度的丝杠总变形量：经查表可知：4级精度滚珠丝杠有效行程在580mm时的行程偏差允许值为15，远大于所求的丝杠总变形量，满足使用；（8）因为X-Y工作台上下两层滚珠丝杆副采用的支承都是采用单推-单推的方式，所以查表可知支承系数，代入截面惯性矩公式：丝杠卧式水平安装的压杆稳定安全系数K=3，同时滚动螺母至轴向固定出的最大距离=580mm，代入滚珠丝杠稳定性验算公式：远远大于最大工作载荷=1695N，所以该丝杆稳定，不会出现失稳状况。因此本设计选用济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3205-3型滚珠丝杆副可行。3.5步进电动机的计算及型号选择3.5.1步进电动机的特点步进电动机也叫脉冲电动机，，它是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。步进电动机输出的角位移与输入的脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。所以只要控制输入脉冲的数量、频率和电动机绕组的通电顺序，就可以得到想要的转角、转速和转动方向。在无脉冲的输入的情况下，在绕组电流的激励下，步进电动机可以锁相。步进电动机结构简单、制造容易、价格低廉。它的转子转动惯量小、动态响应块、起停容易，正反转和无级变速也容易实现。它的缺点主要有：低频时有振荡、速度不够均匀、在高速时输出转矩减小。3.5.2步进电动机减速箱的选择在步进电动机的输出轴上装配一个齿轮减速箱，不仅可以有效的增大步进电动机的输出转矩，而且也能让工作台和滚珠丝杆的转动惯量传递到电动机轴上尽量的小些。同时考虑到应该有消除间隙机构，所以应该采用无间隙齿轮传动减速箱。根据给定的参数可知工作台的脉冲当量，滚珠丝杆的导程，再经过查表先预选步进电动机的步矩角。可求得减速比为：经查表之后我选JBF—3型齿轮减速箱。大小齿轮的模数都是1mm，齿数比是，材料选45调质钢，齿表面淬硬后能有55HRC。减速箱中心距为[（75+36）1/2]mm=55.5mm,小齿轮厚度为15mm，双片大齿轮厚度均为15mm。3.5.3步进电动机转轴上的总转动惯量Jep的计算加在步进电动机转轴上的总转55动惯量是伺服系统的主要参数之一，它对电动机的选择有重要的意义。的主要参数包括：电动机转子的转动惯量、减速装置和滚珠丝杠以及移动部件等这算到电动机转轴上的转动惯性等。根据前面给定和选取的参数有：滚珠丝杆的总长=580mm，公称直径=32mm，导程=5mm，材料密度，移动部件的总重力G=619.5N，小齿轮宽度取15mm，直径36mm；大齿轮宽度也取15mm，直径=75mm；传动比是25/12。根据这些参数可算出：滚珠丝杆的转动惯量：小齿轮的转动惯量：大齿轮的转动惯量：拖板这算到丝杠上的转动惯量：再选择常州宝马集团公司生产的型号为110BC380F的步进电动机，该步进电动机三相六拍驱动时步矩角为，电动机的转子转动惯量为。因此可求的步进电动机转轴上的总转动惯量是：3.5.4步进电动机转轴上的等效负载转矩Tep1步进电动机转轴所承受的负载转矩在不同的工况下是不一样的。一般情况下只考虑两种情况：一种是快速空载启动（负载为0），另一种是承受最大的工作负载。（1）空载启动时电动机转轴承受的负载转矩=其中电动机转轴上的最大加速转矩：式中：为传动链的总效率，因为在步进电动机空载启动时需要考虑的存在，这里取0.7；为对应空载最快移动素的的步进电动机的最高转速，单位是r/min；为步进电动机从静止到加速至转速所需时间，单位是s；为步进电动机的步矩角，数值选取。移动部件运动时这算到电动机转轴上的摩擦转矩：式中：为导轨的摩擦因数，其中滚动导轨的摩擦因数为0.005；为垂直方向的铣削力，当工作台空载运行时为0。因此步进电动机空载时转轴所承受负载转矩为：（2）步进电动机转轴在最大工作负载状态时承受的负载转矩其中：；；相对于和来说很小，可以忽略不计。则：（3）确定步进电动机的最大等效负载转矩结合和可知加在步进电动机转轴最大的等效负载转矩应该是：3.5.5步进电动机的选择在选取步进电动机最大静转矩的时候，要考虑安全系数K的选择，这里我选择K=4，则步进电动机的最大静转矩：，而通过查表3-1可知选取的110BC380F型步进电动机的最大静转矩为，远大于计算得出的最大静转矩，因此该步进电动机满足工作要求。型号反应式步进电机的技术参数110BC380F相数步距角电压电流最大静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量30.75/1.580~300V6A11.76N.m1200Hz12000Hz9表3-1反应式步进电机技术参数表3.5.6步进电动机的性能校核（1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核：参数给定工作台最快工进速度=500mm/min，脉冲当量脉冲，可以得出电动机对应的运行频率。从110BC380F电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩6.6Nm，远远大于最大工作负载转矩=0.840Nm，满足要求。（2）最快空载移动时电动机输出转矩校核：参数给定工作台最快空载移动速度=2500mm/min，求出其对应运行频率。在此频率下，电动机的输出转矩=2.4Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.440Nm，满足要求。（3）最快空载移动时电动机运行频率校核：与快速空载移动速度=2500mm/min对应的电动机运行频率为。查表知110BC380F电动机的空载运行频率可达10000，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，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。步进电动机克服惯性负载的起动频率为：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都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BC380F步进电动机，完全满足设计要求。3.5.7电动机特性分析及细分驱动控制步进电机的控制方式是通过脉冲分配器来实现，其主要作用是将数控装置传送的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序传输给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常都使用软件脉冲分配器和集成脉冲分配器。结合本设计的实际情况决定采用集成脉冲分配器YB013。因为步进电机采用的工作方式是三相六拍（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。步进电动机驱动系统主要是由步进电动机驱动器和步进电动机构成。步进电动机驱动系统的性能，不但要取决于步进电动机启动器的好坏，也取决于步进电动机的自身性能。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电动机驱动器接收到一个来自控制器的脉冲信号时，它就驱动步进电动机按照设定的方向转动一个固定的步矩角，它的旋转是通过固定的步矩角一步一步转动来运行的。步进电动机不能直接接通直流或交流电源工作，必须使用步进电动机驱动器。脉冲信号发生器可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，这样可以进行准确定位；同时步进电动机的速度和加速度可以通过控制脉冲频率来控制可，从而达到调速的目的。3.5.8步进电机驱动电源选用本设计中X、Y向步进电动机均为110BC380F型，工作方式为三相六拍，与其相匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为220VAC，相电流为6A。东华理工大学长江学院毕业设计控制系统的硬件选择4.控制系统的硬件选择4.1数控系统的硬件电路由以下几部分组成1、主控制器：即中央处理单元CPU。2、总线：包括数据总线，地址总线，控制总线。3、存储器：包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4、I/O输入输出接口。数控系统的硬件框图如图4-1所示：存储器RAMROM中央处理单元CPU存储器RAMROM中央处理单元CPU外设：外设：键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等输入/输出I/O接口输入/输出I/O接口信号变换信号变换控制对象控制对象图4-1数控系统的硬件框图4.2主控制器CPU的选择MCS-51系列单片机是集中CPU，它有如下特点：1.可靠性高因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。系统软件(如：程序指令，常数，表格)固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。2.控制功能强具有丰富的控制指令，如：条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令。3.便于扩展片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并行和串行的输入/输出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。4.实用性好体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。综合考虑之后，我选用8051芯片作为主控芯片。4.3存储器扩展电路设计4.3.1程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为2k，4k，8k，16k，32k。在选择芯片时要考虑CPU与EPROM时序的匹配。8051所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。于8051芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8051扩展系统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是74LS373。4.3.2数据存储器的扩展由于8051芯片内部RAM只有128字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩展片外的数据存储器（RAM）。常用的数据存储器有6116、6264、62128等，这里选用6264。4.3.3I/O扩展电路设计8051单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此要进行I/O口的扩展。8155为多功能的可编程接口芯片，内部包含有256字节RAM，两个可编程8位并行口、一个6位并行口和一个14位的计数器。8155是8051单片机应用系统中最适用的外围器件。数据存贮器是256x8位静态RAM。I/O由三个通用口组成，其中的6位口可编程为状态控制信号。可编程的14位计数器/定时器用于给单片机系统提供方波或计数脉冲。8155与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。东华理工大学长江学院毕业设计数控系统电路设计5.数控系统电路设计本系统使用的控制器是以MCS-51系列8051单片机为主。扩展存储器电路选1片2732EPROM和1片6264RAM。程序存储器扩展为4K，数据存储器扩展为8K。2732的片选控制直接接地，在系统复位后，CPU从0000H开始执行监控程序，6264的片选端将由74LS138译码器的Y2输出提供，所以6264的空间地址为4000H~5FFFH，系统的扩展借口I/O电路选用通用的可编程并行输入/输出借口芯片8155。8155的片选端接到74LS138译码器的Y4输出端。所以8155控制命令寄存器及PA口、PB口、PC口的地址信号分别是8000H、8001H、8003H。8155RAM区的地址为8000H~80FFH。8155的A口为控制工作台X、Y向电机的接口。本系统X、Y方向的步进电动机都用110BC380F型步进电动机，软件环形分配器控制，高低压驱动电路。为了防止功率放大器高电压的干扰，步进电机借口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示控制电路设计在一起，8155的PC口（PC0~5）担任键盘的列线及显示器的扫描控制（字位线）；PB口的PB0~PB3为键盘的行线；8051的P1口为显示器的字形输出口（数据缓冲）。本系统采用4×6共24个行列式键盘和六位八段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口与字位口加74LS07进行驱动。PB口剩余的I/O线PB4~PB7分别为工作台+X、－X、+Y、－Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口、PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机限时巡回检测PB4~PB7的电平，当某I/O口线为“0”此外，广电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用的是7805三端集成稳压器设计。东华理工大学长江学院毕业设计系统控制软件的设计6.系统控制软件的设计6.1系统控制功能分析数控X-Y工作台的控制功能包括：（1）系统初始化：对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预先设置接口工作方式控制字。（2）工作台复位：开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。（3）输入和显示加工程序。（4）监视按键，键盘及开关：例如监视紧急停机键和行程开关，键盘扫描等功能。（5）工作台的超程显示和处理：工作台位移超过规定值时应该马上停止工作台的运动，并立刻显示相应的指示字符。6.2系统管理程序控制管理程序是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图如图6-1所示：加工程序输入键按下加工程序输入键按下机床复位开始系统初始化自动加工键按下手动加工键按下加工数据输入自动加工手动调整NNNYYY图6-1管理程序流程图6.3自动加工程序设计（1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位→刀具快速进给→加工→退刀→工作台运动到下一位置；（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工；（3）由以上分析，设计自动加工程序框图如图6-2所示：入口入口零件坐标地址指针读零件坐标调步进电机子程序工作台移动到位刀具快进加工快速退刀零件坐标地址指针加一零件加工完成NY返回图6-2自动程序加工框图6.4步进电机子程序控制设计步进电机控制主要包括速度、转角和方向的控制。步进电机在突然启动或者停止的时候，因为负载及惯性会使得电机失步，所以在步进电机运动的时候应该要有一个加减速的过程。在通过确定步进电机进给脉冲数和脉冲时间间隔，就可以实现对步进电机速度和转角的控制。以下是控制系统的时间常表6-1。脉冲时间间隔/ms时间常数脉冲时间间隔/ms时间常数6.2246.2440C32H24.1840.820019AH8.8322.587050DH24.9770.793018CH10.8161.98503E0H25.7460.4690180H12.4891.6730344H26.4930.7460175H13.9631.47402E1H27.2190.726016AH15.2961.333029AH27.9260.7070161H16.5211.2260264H28.6150.6900158H17.6621.414023AH29.2890.6730150H17.7731.0710217H29.9470.6580149H19.7461.01301FAH30.5910.6440142H20.7101.96401E1H31.2220.931013BH21.6310.92101CCH31.8400.6180135H22.5140.88301B9H32.4470.607012FH23.3640.85001A3H表6-1控制系统的时间常数表在EPROM中，时间常数依次存储在首地址为1000H的存储单元中。每个时间常熟占用两个字节，地位存放的时间常数的低8位，高位存放的时间常数的高8位。在程序中，设置加速、恒速和减速脉冲计数器。用计数器的值是否为0作为相应过程的结束标志。步进电机控制程序框图见图6-3：开始开始送时间常数送时间常数步进电机走一步步进电机走一步时间常数地址指针+1时间常数地址指针+1时间常数地址指针+1时间常数地址指针+1关中断关中断返回返回图6-36.5内存地址分配加速脉冲计数器的地址为20H。恒速脉冲计数器低8位字节地址为21H，高8位字节地址为22H减速脉冲计数器地址为23H，步进电机进给控制程序FEED的首地址为0E80H。东华理工大学长江学院毕业设计结论结论X-Y数控工作台的机电系统设计结合了机械设计和电子设计，需要对大学里所学的专业知识进行一个综合的应用。通过这次毕业设计，让我又重新巩固了以前学习的知识，主要包括了机械设计、机械制图、数控技术及装备和机电一体化等课程，同时也锻炼了理论在实际中的运用和解决实际问题的能力。这次设计我的思路大概是这样的：先确定总体设计方案，对工作台的设计进行初步规划，其中主要是对工作台需要用的的一些主要零件进行选择和分析，并绘制总体方案图；然后就是对机械传动需要用的零件进行初步选型和验算，其中包括导轨副、丝杠螺母副、减速装置等等一些零件，这是这次设计最为重要的一步，需要进行大量的验算和分析，所以必须非常的严谨；最后是对控制系统的设计，对传动系统进行硬件和软件两个方面的设计，并绘制电路原理图。在这次设计的过程中遇到了很多的问题，比如在对滚珠丝杆螺母副和电动机的计算和选择时，一开始初选的滚珠丝杆螺母副和电动机的型号往往在验算过程中被检验出达不到要求，使得自己不得不一次又一次的重新选择型号，又再进行验算，总算最后在老师的细心指导下