机电一体化系统综合课程设计报告说明书

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1、.wd.机电一体化系统课程设计X-YX-Y 数控工作台设计说明书数控工作台设计说明书学校名称：湖北文理学院班级学号：2013279129学生姓名：张亮班级：机电13212015年11月.wd.一、总体方案设计一、总体方案设计1.1 设计任务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 CBH145mm160mm12mm；底座外形尺寸 C1B1H1210mm220mm140mm；最大长度 L=388mm；工作台加工范围

2、X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为 1m/min。1.2 总体方案确定总体方案确定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展切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化构造，降低本钱，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。控制系统由微机局部、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实现。LED 显示数控工作台的状态。3

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，又要求构造紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的构造。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，为到达分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。图 1-1系统总体框图.wd.二、机械系统设计二、机械系统设计2.2.1 1、工作台外形尺寸及重量估算、工作台外形尺寸及重量估算X 向拖板上拖板尺寸：长宽高 14516050重量：按重量=体积材料比重估算32145 16050 1

4、07.8 1090NY 向拖板下拖板尺寸：145 16050重量：约 90N。上导轨座连电机重量：夹具及工件重量：约 150N。X-Y 工作台运动局部的总重量：约 287N。2.22.2、滚动导轨的参数确定、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100Bl 动导轨行程55l 支承导轨长度155BLll 下导轨Y 向选择导轨的型号：GTA16、直线滚动轴承的选型上导轨下导轨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

5、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，假设工作台刚度差，那么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，影响导轨的精度。2.32.3、滚珠丝杠的设计计算、滚珠丝杠的设计计算.wd.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

6、的计算查表得系数1f，1Hf，寿命值查表得使用寿命时间 T=15000h，初选丝杠螺距 t=4mm，得丝杠转速所以660250 1500022510LX 向丝杠牵引力Y 向丝杠牵引力所以最大动负荷X 向3225 1 1 3.3920.6()xQN Y 向3225 1 1 4.0624.7()yQN 查表，取滚珠丝杠公称直径010dmm，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螺纹滚道公称直径0d10螺距t4接触角45钢球直径qd2螺纹滚道法面半径R0.521.04qRd偏心距e

7、/2 sin0.03qeRd螺纹升角0arc7.26ttgd螺杆螺杆外径d00.2 0.259.5qddd螺杆内径ld0227.98lddeR螺杆接触直径zd0cos8.59zqddd螺母螺母螺纹外径D02212.02DdeR螺母内径外循环1D100.2 0.25510.5qDdd见表 2-1。、传动效率计算式中：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0L的变化量Y 向所受牵引力大，故应用 Y 向参数计算.wd.所以61624.70.51.2 10()20.6 100.5Lcm 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2L很小，可以忽略。所以导程总误差查表知 E 级精度的丝杠

8、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。2.42.4、步进电机的选用、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/pmm step，初选步进电机步距角1.5b。、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式中：电机转角；s移动部件的相应位移；机械传动效率。假设取b，那么ps，且SPPG，所以式中：SP移动部件负载N；G移动部件重量N；zP与重量方向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.

9、03淬火钢滚珠导轨的摩擦系数，0.96，SP为丝杠牵引力，24.7sHPPN。考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取287yGGN，所以假设不考虑启动时运动部件惯性的影响，那么启动力矩取安全系数为 0.3，那么1.334.420.3qTN cm对于工作方式为三相六拍的三相步进电机、步进电机的最高工作频率查表选用两个 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.wd.型 号()N步距角 最 大静转距N cm最高空载启动频率(/step s)相数电压()V电流()A外径长度轴径45BF005-1 519.630003272.5

10、45584112.52.5、确定齿轮传动比、确定齿轮传动比因 步 进 电 机 步 距 角1.5b，滚 珠 丝 杠 螺 距4tmm，要 实 现 脉 冲 当 量0.01/pmm step，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比选117Z，228Z。2.62.6、确定齿轮模数及有关尺寸、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数1mmm，齿轮有关尺寸见表 3-3。2.72.7、步进电机惯性负载的计算、步进电机惯性负载的计算表 2-3齿轮尺寸Z1728dmZ mm2addm mm2 1.25fddm mm36bm mm122ddamm171914.55283025.5517.5根据等效转动惯

11、量的计算公式，得式中：dJ折算到电机轴上的惯性负载2kg cm；0J步进电机转轴的转动惯量2kg cm；1J齿轮的转动惯量2kg cm；2J齿轮的转动惯量2kg cm；3J滚珠丝杠的转动惯量2kg cm；M移动部件质量kg。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算式中：D圆柱零件直径cm；L零件长度cm。所以电机轴转动惯量很小，可以忽略，那么.wd.因为10.40.319141.274dMJJ，所以惯性匹配比照符合要求。.wd.三、控制系统硬件设计三、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

12、能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比照好。3.13.1CPUCPU 板板3.1.13.1.1CPUCPU 的选择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开展。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照多，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

13、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展程序修改，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 CPU 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

14、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。3.1.23.1.2CPUCPU 接口设计接口设计CPU 接口局部包括传感器局部、传动驱动局部、人机交互界面三局部。示意图如下所示：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.wd.图 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 C

15、PU，通过中断进展处理，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承受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反响到 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，因此要进展 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-

16、CB-B-BA-A 的反转模式。2P1.6 口输出控制电磁铁的吸合。3P3.2 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；INT1 读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。4P0.0-P0.7 外部 I/O 扩展的数据读取。5P2.7 和 P2.6 决定 8155 的 PA、PB、PC 口的地址。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 口PA 口PC 口AT89S51键盘电磁铁8155图 3-2

17、AT89S51 控制系统图PB 口接 LED 反映当前运行的 8 个状态：X+制止、X-制止、Y+制止、Y-制止、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 X-运行、手动 Y+运行、手动 Y-运行、复位RST、圆弧插补 6 个开关的状态。3.3.2 2驱动系统驱动系统传动驱动局部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、工作时能带开工作台并抑制外力如切削力、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

18、起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。3.2.13.2.1步进电机驱动电路和工作原理步进电机驱动电路和工作原理.wd.步进电机的速度控制比照容易实现，而且不需要反响电路。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 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。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管形

19、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3.2.2电磁铁驱动电路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。其光电偶合局部采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比照大。3.2.33.2.3电源设计电源设计两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电

20、源容量比照大，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，通过芯片进展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。3.33.3传感器和人机界面传感器和人机界面由于步进电机不需要反响电路，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

21、 4 个行程开关就充当了传感器。人机界面设计的准那么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 轴负方向制止通行，LED2 灯亮表示 X 轴正方向制止通行，LED3 灯亮表示 Y 轴负方向制止通行，LED4 灯亮表示 Y 轴正方向制止通行，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 轴正方向图 3-6电磁铁驱动电路.wd.通行，LED9 亮表示系统通电运行。界面上的 7 个按扭意

22、义为：按扭 1 是通断电开关，按扭 2 是向 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3.43.4本章小节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；此外还表达了人机界面各个按扭和 LED 的意义。.wd.四、控制系统软件设计四、控制系统软件设计4.14.1总体方案总体方案对于 AT89S51

23、 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。4.24.2主流程图主流程图CTLEQU3FF8HPAEQU3FF9HPBEQU3FFAHPCEQU3FFBHCMDEQU02HORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPINT0IS；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ORG0100HMAI

24、N：ANLP1，0EFHSETBIT0；外中断负跳沿触发图 4-1SETBIT1MOVA，CTLMOVDPTR，AMOVXDPTR，CMD；A 口输入，B 口输出，C 口输入SETBEX0；允许外中断 0SETBEX1；允许外中断 1SETBPX0SETBPX1；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 那么进入中断 0的中断服务 INT0IS，是中断 1 那么进入中断 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，然后将结果反响到

25、PB 口的 LED 上。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.wd.中断服务 1 有 6 个中断源，这六个中断源分别是手动 X 正方向运行，手动 X 负方向运行，手动 Y 正方向运行，手动 Y 负方向运行，复位和绘制圆弧。4.34.3INT0INT0 中断服务流程图中断服务流程图INT0IS：PUSHACCPUSHDPTLPUSHDPTHPUSHPSWMOVA，PAMOVDPTR，AMOVXA，DPTR；读 PA 口内容MOVR2，AMOVA，PBMOVDPTR,AMOVDPTR,R2MOVA，R2CPLA；A 取反ANLA，#03H

26、；屏蔽高 6 位JZA，TM2CSETBP1.0SETBP1.1SETBP1.2TM2C：MOVA，R2CPLAANLA，#0CHJZA，RETINSETBP1.3图 4-2SETBP1.4SETBP1.5RETIN：POPPSWPOPDPTHPOPDPTLPOPACCRETI4.44.4INT1INT1 中断服务流程图中断服务流程图INT1IS：CLREX1MOVA，DPTRPUSHACCJNBACC.4，RSTPUSHPSWJNBACC.0，X+ENPUSHDPTLJNBACC.1，X-ENPUSHDPTHJNBACC.2，Y+ENCLRP1.6JNBACC.3，Y-ENMOVA，PCJN

27、BACC.5，ARCMOVDPTR，ALOOP1：POPDPTH.wd.MOVXA，DPTR；读 PC 口内容POPDPTLMOVR1，APOPPSWANLR1，#0FHPOPACCMOVA，PBSETBEX1MOVDPTR，ARETIMOVA，DPTR；读 PB 口内容ANLA，#0FHSWAPAORLA，R1MOVR2，AMOVA，PBMOVDPTR，AMOVXDPTR，R2；数据输入 PB 口INCDPTL4.4.14.4.1复位程序流程图复位程序流程图DIRXEQU30HDIRYEQU31HRST：CLRP1.6RPA：MOVA，PAMOVDPTR，AMOVXA，DPTR；读 PA 口

28、内容JNBACC.0，ACC2MOVDIRX，#00H；表 X 电机反转ACALLXMOTOR0；X 电机反转一步ACC2：JNBACC.2，LOOP0MOVDIRY，#00H；表 Y 电机反转ACALLYMOTOR0；Y 电机反转一步AJMPRPALOOP0：AJMPLOOP14.4.24.4.2X X 轴电机点动正转程序流程图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，MOTOR

29、0LOOP2：AJMPLOOP1.wd.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。4.4.34.4.3绘制圆弧程序流程图绘制圆弧程序流程图图 4-6逐点比照法画圆弧逐点比照法原理：假设所画圆弧在第一象限，圆心坐标为0，0，圆弧上点的坐标为X，Y，圆弧半径为 R，每一点的坐标偏差为 F=X*X+Y*Y-R*R，假设 F0，应沿 X 轴负方向走一步，此时 FX=X-1*X-1+Y*Y-R*R=F-2X+1，X=X-1；假设 F0，应沿 Y 轴正方向走一步，此时FY=X*X+Y-1*Y-1-R*R=F+2Y+1，Y=Y+1。插补程序见

30、附录。.wd.4.4.44.4.4步进电机步进一步程序流程图步进电机步进一步程序流程图图 4-7步进电机步进一步程序流程图DEFEQU12HSJMPLP3MOVDEF，#00HTAB：DBFEHXMOTOR1：JNEDIRX，#01H，XMOTOR0DBFCHJNEDEF，#05H，LP2DBFDHCLRDEFDBF9HLP2：MOVA，DEFDBFBHINCDEFDBFAHLP3：MOVDPTR，#TABMOVCA，A+DPTRANLP1，AACALLDELAYRETXMOTOR0：JNEDEF，#00H，LP4MOVA，#05HMOVDEF，ALP4：MOVA，DEFDECDEF.wd.五

31、、附录五、附录参 考 文 献1 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.清华大学出版社,20032 李广弟,朱月秀，王秀山.单片机根基.北京航空航天大学出版社,20013 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,20024 王小明.电动机的单片机控制.北京航空航天大学出版社,20025 李建勇.机电一体化技术.科学出版社.20046 王爱玲，白恩远，赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,20017 徐灏.机械设计手册3.机械工业出版社,20038 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,20049 徐灏等.机械设计手册M.北京:机械工业出版社,200010 濮良贵,记名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,200311 吴振彪.机电综合设计指导M.湛江:湛江海洋大学,199912.杨入清.现代机械设计系统与构造M.上海:上海科学技术文献出版社,200013.张立勋,孟庆鑫,张今瑜.机电一体化系统设计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2000