(完整版)機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)_X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、114一、總體方案設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控X-Y 工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)。該工作臺(tái)可用于銑床上坐標(biāo)孔的加工和臘摸、塑料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復(fù)定位精度為±0.01mm ，定位精度為0.025mm。設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 負(fù)載重量 G=150N ；臺(tái)面尺寸 C×B × H 145mm × 160mm× 12mm ；底座外形尺寸 C1 × B1 × H1 210mm × 220mm × 140mm ；最大長(zhǎng)度 L=388mm ；工作臺(tái)加工范圍X=55mm ， Y=50mm ；工作臺(tái)最大快移速度為1m/mi

2、n 。1.2 總體方案確定（ 1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動(dòng)的過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)X-Y 工作臺(tái)。（ 2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用了與MCS-51 系列兼容的AT89S51 單片機(jī)控制系統(tǒng)。 它的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)、LED 、I/O 接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)。LED 顯示數(shù)控工作臺(tái)的狀態(tài)。（ 3）X-Y 工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，

3、又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙 V 形滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)?？紤]電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。圖 1-1系統(tǒng)總體框圖214二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 、工作臺(tái)外形尺寸及重量估算X 向拖板（上拖板）尺寸：長(zhǎng)寬高145×160× 50重量：按重量 =體積×材料比重估算1451605010 37.810 290 NY 向拖板（下拖板）尺寸：145 1605

4、0重量：約 90N。上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量：(22014038215582 )7.810 210 31.1 10 107 (N )夾具及工件重量：約150N。X-Y 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約287N 。2.2 、滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定、導(dǎo)軌型式：圓形截面滾珠導(dǎo)軌、導(dǎo)軌長(zhǎng)度上導(dǎo)軌（ X 向）取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度l B100動(dòng)導(dǎo)軌行程l 55支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度LlB l 155下導(dǎo)軌（ Y 向）l50lB 100L150選擇導(dǎo)軌的型號(hào)：GTA16、直線滾動(dòng)軸承的選型上導(dǎo)軌GX240(N )下導(dǎo)軌GY287( N )由于本系統(tǒng)負(fù)載相對(duì)較小，查表后得出LM10UUOP型直線滾動(dòng)軸承的額定動(dòng)載荷為370N，大于實(shí)際動(dòng)負(fù)

5、載；但考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素最后選擇LM16UUOP型直線滾動(dòng)軸承。并采用雙排兩列 4 個(gè)直線滾動(dòng)軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)平臺(tái)的支撐。314、滾動(dòng)導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法當(dāng)工作臺(tái)往復(fù)移動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)壓在兩端滾動(dòng)體上的壓力會(huì)發(fā)生變化，受力大的滾動(dòng)體變形大，受力小的滾動(dòng)體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力相等，工作臺(tái)保持水平；當(dāng)導(dǎo)軌移動(dòng)到位置或時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力不相等，變形不一致，使工作臺(tái)傾斜角，由此造成誤差。此外，滾動(dòng)體支承工作臺(tái)，若工作臺(tái)剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會(huì)使工作臺(tái)下凹（有時(shí)還可能出現(xiàn)波浪形），影響導(dǎo)軌的精度。2.3 、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)

6、給抗力。應(yīng)按銑削時(shí)的情況計(jì)算。、最大動(dòng)負(fù)載Q的計(jì)算Q3 L f f H P查表得系數(shù)f1 ， f H1，壽命值60 nT L 106查表得使用壽命時(shí)間T=15000h，初選絲杠螺距t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速1000Vmax10001n4250( r / min)t所以6025015000225L106X向絲杠牽引力Px1.414 f當(dāng)Gx( f當(dāng) 當(dāng)量摩擦系數(shù) )1.4140.012403.39( N )Y向絲杠牽引力Py1.414 f當(dāng)Gy1.4140.01 2874.06(N)所以最大動(dòng)負(fù)荷X向Qx3225113.3920.6(N )Y向Qy3225114.0624.7(N )查表，取滾珠絲杠

7、公稱直徑d010mm ， 選 用 滾 珠 絲 杠 螺 母 副的型號(hào)為SFK1004 ，其額定動(dòng)載荷為390N，足夠用。、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算414表 2-1滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名稱符號(hào)計(jì)算公式和結(jié)果公稱直徑d010螺距t4接觸角45o鋼球直徑dq2螺紋滾道螺紋滾道法面半徑RR0.52dq1.04偏心距eeRdq / 2 sin0.03螺紋升角arc tgt7.26od0螺桿外徑ddd00.2 0.25 dq9.5螺桿螺桿內(nèi)徑dldld02e2R7.98螺桿接觸直徑d zdzd0dq cos8.59螺母螺紋外徑DDd02e 2R 12.02螺母螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）D1D1d00.2 0.2

8、55 dq10.5見(jiàn)表 2-1 。、傳動(dòng)效率計(jì)算tgtg 7.26 o0.973tg ()tg (7.26 o0.2o )式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。、剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載P 引起的導(dǎo)程L0 的變化量PL0VL1EFY向所受牽引力大，故應(yīng)用Y 向參數(shù)計(jì)算P24.7( N )L00.4(cm)E20.6106 ( N / cm2 )材料為鋼3.14 0.7982FR20.5 cm22所以VL124.7 0.51.210 6 (cm)20.61060.5絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量VL2 很小，可以忽略。所以導(dǎo)程總誤差514V VL 1001.2 10 6 1003m / mL00.4查表

9、知 E 級(jí)精度的絲杠允許誤差15 m ，故剛度足夠。、穩(wěn)定性驗(yàn)算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。2.4 、步進(jìn)電機(jī)的選用、步進(jìn)電機(jī)的步距角b取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量p0.01mm/ step ，初選步進(jìn)電機(jī)步距角b1.5o 。、步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為 T，負(fù)載力為 P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力做功有如下關(guān)系T Ps式中：電機(jī)轉(zhuǎn)角；s 移動(dòng)部件的相應(yīng)位移；機(jī)械傳動(dòng)效率。若取b ，則 sp ，且 PPSG ，所以36 pPSG( N gcm)T2b式中： PS移動(dòng)部件負(fù)載（ N）； G移動(dòng)部件重量（N）； Pz 與重量方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N

10、）；導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；b 步進(jìn)電機(jī)步距角， （ rad ）； T電機(jī)軸負(fù)載力矩（N gcm）本例中，取0.03 （淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），0.96 ， PS 為絲杠牽引力，Ps PH24.7 N ?？紤]到重力影響，Y 向電機(jī)負(fù)載較大，因此取G Gy 287N ，所以T360.01 24.70.0328721.50.961.33( N gcm)若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩TqT0.3 0.51.330.3 ，則Tq取安全系數(shù)為4.42 N gcm0.3對(duì)于工作方式為三相六拍的三相步進(jìn)電機(jī)614Tj maxTqN gcm5.10.866、步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率f max1000Vm

11、ax1000 160 p601667( Hz )0.01查表選用兩個(gè) 45BF005-型步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2-2 。表 2-2步進(jìn)電機(jī)參數(shù)主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸 (mm)重量型 號(hào)步最 大最高空載相電壓電流外徑長(zhǎng)度軸徑(N )距 靜轉(zhuǎn)距啟動(dòng)頻率數(shù)(V )( A)角N gcm( step/ so)45BF005-1519.630003272.545584112.5 、確定齒輪傳動(dòng)比因 步 進(jìn) 電 機(jī) 步 距 角b1.5o ， 滾 珠 絲 杠 螺 距t4mm ， 要 實(shí) 現(xiàn) 脈 沖 當(dāng) 量p 0.01mm / step ，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)比Z1p360o0.013

12、60ib t1.50.6Z24選 Z117， Z228。2.6 、確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸因傳遞的扭距較小，取模數(shù)m1mm，齒輪有關(guān)尺寸見(jiàn)表3-3 。2.7 、步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算Z表 2-3齒輪尺寸1728714dmZ mm1728dad2m mm1930d fd2 1.25m mm14.525.5b36 m mm55ad1d2 mm17.52根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，得2Z12J dJ0 J1J2J3MpZ2180 b式中： Jd折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（kggcm2 ）； J 0 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kggcm2 ）； J1 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kggcm2 ）； J 2 齒輪的轉(zhuǎn)

13、動(dòng)慣量（ kggcm2 ）；J3 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kggcm2 ）； M移動(dòng)部件質(zhì)量（kg）。對(duì)材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算J0.78 10 3 D 4L kggcm2式中： D圓柱零件直徑（cm）；L零件長(zhǎng)度（cm）。所以J0.7810 31.740.53.2610 3kg gcm21J20.7810 32.840.523.910 3kggcm2J30.7810 314 53.9 10 3 kggcm2電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，則172Jd3.2610 323.93.9 10 3282250.0010.410 5kggm23.141.5180因?yàn)?Jd0.40.3191 ，

14、所以慣性匹配比較符合要求。4JM1.274814三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)X-Y 數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU 、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)、傳感器、人機(jī)交互界面。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意幾點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價(jià)低、可維護(hù)性、人機(jī)交互界面可操作性比較好。3.1 CPU 板3.1.1 CPU的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號(hào)很多，而目前市場(chǎng)上應(yīng)用MCS-51 芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8 位單片機(jī)89C51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16 位單片機(jī)， MCS-96 系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻

15、調(diào)速等各類要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運(yùn)算和擴(kuò)展能力。但是定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價(jià)比。從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)看，選用較老的8051 單片機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無(wú)疑提高了設(shè)計(jì)價(jià)格，而選用高性能的16 位 MCS-96 又顯得過(guò)于浪費(fèi)。生產(chǎn)基于51 為內(nèi)核的單片機(jī)的廠家有Intel 、ATMEL 、Simens，其中在 CMOS 器件生產(chǎn)領(lǐng)域ATMEL公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的 AT89 系列單片機(jī)內(nèi)含F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)掉電也不影響信息的保存；它和 80C51 插座兼容，并且采用靜態(tài)時(shí)鐘

16、方式可以節(jié)省電能。因此硬件 CPU 選用 AT89S51 ， AT 表示 ATMEL公司的產(chǎn)品，9 表示內(nèi)含 Flash 存儲(chǔ)器，S 表示含有串行下載Flash 存儲(chǔ)器。AT89S51 的性能參數(shù)為：Flash 存儲(chǔ)器容量為4KB 、16 位定時(shí)器 2 個(gè)、中斷源6 個(gè)（看門(mén)狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1 中斷）、RAM 為 128B、14 位的計(jì)數(shù)器WDT 、 I/O 口共有 32 個(gè)。3.1.2 CPU接口設(shè)計(jì)CPU 接口部分包括傳感器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示：（電磁鐵）（行程開(kāi)關(guān)）傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)傳感器AT89S51（步進(jìn)電機(jī)

17、）前向通道后向通道（鍵盤(pán)、 LED ）人機(jī)界面X 步進(jìn)電機(jī)Y 步進(jìn)電機(jī)電磁鐵鍵盤(pán)914圖 3-1CPU 外部接口示意圖驅(qū)動(dòng) 1P1.0-P1.2P0.0-P0.7AD0AD7驅(qū)動(dòng) 2P1.3-P1.5PA 口驅(qū)動(dòng) 3P1.6外部中斷 1P3.2P2.7CEPB口外部中斷 2P3.3P2.6IO/MPC 口AT89S518155圖 3-2 AT89S51 控制系統(tǒng)圖3.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、定位和退刀時(shí)能快速運(yùn)行、工作時(shí)能帶動(dòng)工作臺(tái)并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運(yùn)行。在定位和退刀時(shí)電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時(shí)能及時(shí)釋放磁力使

18、筆尖壓下。3.2.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線行進(jìn)0.01mm 。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù)CPU 的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)將大的電壓加在CPU 上使其燒壞。1014圖 3-4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖該電路中的功放電路是一個(gè)單電壓功率放大電路，當(dāng)A 相得電時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D 起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲(chǔ)存在繞組中的能量通過(guò)二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。與繞組W 串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過(guò)

19、繞組的電流不至超過(guò)額定值，以免電動(dòng)機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（三個(gè)線圈A 、 B 、 C），其正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋?A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AC-C-CB-B-BA-A。步進(jìn)時(shí)鐘A 相波形B 相波形C 相波形圖 3-5三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（正轉(zhuǎn)）3.2.2電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路該驅(qū)動(dòng)電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對(duì)簡(jiǎn)單。其光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電磁鐵的電流比較大。11143.2.3 電源設(shè)計(jì)圖 3-6 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路兩電機(jī)同時(shí)工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)中用到的電源電

20、壓為27V 、12V 、5V ，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標(biāo)準(zhǔn)的27V電源作為基準(zhǔn)，通過(guò)芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V 和 5V 電壓。四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1總體方案對(duì)于 AT89S51 的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)現(xiàn)的功能較簡(jiǎn)單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil 7.02b。該編譯器是51 系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的常用工具，既可用匯編，也支持C 語(yǔ)言編譯。同時(shí)具有完善的調(diào)試功能。4.2主流程圖上電復(fù)位P1.6=0，吸合電磁鐵，繪筆抬起外部中斷， 8155 初始化開(kāi)外部中斷，開(kāi)總中斷等待中斷圖 4-1CTLEQU3FF8HPAEQU3FF9HPBEQU3FFAHPCEQU3FFBHCM

21、DEQU02HORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPINT0IS；外部中斷0 入口ORG000BHAJMPTM0IS；定時(shí)器0 中斷入口ORG0013HAJMPINT1IS；外部中斷1 入口ORG001BHAJMPTM1IS；定時(shí)器1 中斷入口ORG0100HMAIN ： ANLP1， 0EFHSETBIT0；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā)SETBIT1MOVA，CTLMOVDPTR ，AMOVXDPTR ， CMD； A 口輸入， B 口輸出， C 口輸入SETB EX0 ；允許外中斷 01214SETBEX1；允許外中斷 1SETBPX0SETBPX1；設(shè)置優(yōu)先級(jí)SETBEA；開(kāi)總中斷

22、LOOP ： AJMPLOOP；等待中斷在等待中斷的過(guò)程中，如果有中斷到來(lái)，先檢查中斷0 的狀態(tài)，是中斷0 則進(jìn)入中斷0 的中斷服務(wù)INT0IS ，是中斷1 則進(jìn)入中斷1 的中斷服務(wù)INT1IS 。中斷服務(wù)0 是由 4 個(gè)行程開(kāi)關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過(guò)單片機(jī)讀取PA 口內(nèi)容， 然后將結(jié)果反饋到 PB 口的 LED 上。中斷服務(wù)1 有 6 個(gè)中斷源，這六個(gè)中斷源分別是手動(dòng)X 正方向運(yùn)行，手動(dòng)X 負(fù)方向運(yùn)行，手動(dòng) Y 正方向運(yùn)行，手動(dòng)Y 負(fù)方向運(yùn)行，復(fù)位和繪制圓弧。4.4.2 X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖X+EN ：CLRP1.6MOVA，PAMOVDPTR ， AMOVXA ， DPTRJNBACC.0 ，LOOP2MOTOR0 ： MOVDIRX ， #01HACALLXMOTOR0MOVA， PCMOVDPTR ， AMOVA， DPTRJNBACC.0 ， MOTOR0LOOP2 ：AJMPLOOP11314這是 X 軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)的程序，其他的 X 軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)、 Y 軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)、 Y 軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)依次類推。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖圖 4-7步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖DEFEQU 12HSJMPLP