电动位移台课程设计说明书.doc

机电系统课程设计设计说明书设计题目：电动位移台 设 计 者：田 峰 012006008616 刘 昌 012006008619 周自成 012006008623 高 堃 012006008625 班级：机制0612班指定教师： 完成时间：2010年03月18日 目 录一、总体方案设计1.1 设计任务1.2 确定整体方案二、机械部分设计2.1 工作台外形尺寸2.2 滚动导轨计算选择2.3 滚珠丝杠计算选择校核2.4 丝杠轴承选择2.5 联轴器选择三、控制系统硬件设计3.1 步进电机的选择3.2 控制系统3.2.1 控制器的选择3.2.2 AT89S51接口设计3.3 驱动器的选择四、控制系统软件设计一、总体方案设计1.1 设计任务机械系统的设计主要包括：整体结构设计；电机、丝杆、导轨、联轴器等标准器件的选择；底板、轴承座、电机座等零件的设计。驱动控制系统设计包括：设计简单的步进电机驱动电路或根据电机选择成品驱动器；选择控制器或自行设计控制器，控制器配套软件的设计。驱动控制系统最终要完成电气原理图。1.1.1 机械系统设计要求l 结构轻巧合理：两维的组合方式自拟l 技术指标：行程mm脉冲当量mm中心负载最大速度重复定位精度2000002515kg40mm/s0.005mm1.1.2 驱动电路的设计或选择：针对所选择的电机，设计符合负载要求的驱动电路或选择驱动器。1.1.3 控制系统设计要求：要求实现的功能：1电机的点动控制：电机正转、反转、停止等功能2电机的轮廓控制：直线插补功能，圆弧插补功能3电机的启停时的加减速控制：1.2 确定整体方案1.2.1 运动方式与伺服系统运动方式采用点位控制系统。点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。为了减少移动部件的运动与定位时间，一般先以快速移动到终点附件，然后以低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。为了简化结构，降低成本，电机选用步进电机，采用步进电机开环私服系统驱动电移台。1.2.2 运动控制系统初步选用51系列单片机。51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列。本设计即采用了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。控制系统由微机部分、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。1.2.3 传动方式参考过资料后，为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，初步选用丝杠螺母传动。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。考虑电机步距角和丝杠岛城只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需要采用齿轮降速。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。总体框图如下：二、机械部分设计2.1 工作台外形尺寸电移台的外形如下图2-1：主要由电机座、轴承座、工作台、底座、电机、联轴器、丝杆和导轨组成。其中电机采用步进电机，导轨采用圆形截面滚珠导轨导轨，丝杆采用滚珠丝杆，联轴器采用弹性联轴器。电机电机座联轴器轴承座丝杆导轨工作台底座 图2-1 电移台的外形图根据设计要求，确定电移台外形尺寸如下：底座尺寸（mm）： 长宽高： 40010060工作台尺寸（mm）： 长宽高： 10010060丝杠受力： G=中心载荷+工作台重量 = 150+50=200N2.2、滚动导轨的参数确定、导轨型式：直线滚珠导轨、导轨长度mm mm 350mm导轨受力：G=200N，因此本系统负载相对较小。查表后得出MGN9H型直线滚动轴承的额定动载荷为260N，大于实际动负载；因此采用MGN9H。并采用两列2个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。 导轨简图如下： 图2-2 滚珠导轨外形零件图、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，若工作台刚度差，则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。2.3 滚珠丝杠的选择计算校核滚珠丝杠的负荷包括所受载荷及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按受力载荷情况计算。2.3.1 初选丝杠型号根据最大中心负载Q150N，并考虑工作台重量。查表，初选滚珠丝杠公称直径，选用滚珠丝杠螺母副的型号为 SFK0801，其额定动载荷为90N。丝杠零件简图如下： 图2-3 滚珠丝杠零件图2.3.2 丝杠的校核1、最大动负载Q的计算 ， 查表得系数，寿命值 。查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠的导程t=1mm，工作台最大速度为2.4m/min.得丝杠转速n=(1000V)/t=(10002.4)/1=2400(r/min)所以 =(60240015000)/1000000=2160丝杠牵引力 =1.4140.01200=2.83所以最大动负荷 =36.58 N36.58（N）90N因此所选丝杠合格。丝杠参数见下表2-1，其中I：导程，Da：珠径，n：珠圈数，K：刚性（kgf/m），Ca:额定动载荷（kgf）,Coa:额定静载荷（kgf）。型号dIDaDABLWHXnCaCoaKSFK0801810.8142741621183.44931737.2 表2-1 滚珠丝杠参数表2、滚珠丝杠螺母副几何参数计算见表2-2。表2-2 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8螺距1接触角钢球直径0.8螺纹滚道法面半径R=0.52=0.416偏心距=0.007螺纹升角=2.284、传动效率计算=0.92式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。2.4丝杠轴承的选用根据电移台功能需求，丝杠的轴径d=8mm，选择配套的轴承座。左端为固定端，查表选择 KF6 型轴承座，轴承座外形，尺寸，参数见下图：型号d1LHFEDg6APCDBL1T1XYZFK6620713222236282853.53.46.54 表2-3 FK6型滚珠丝杠的尺寸参数 图2-4 FK6型滚珠丝杠轴承的零件图 右端为支撑端，查表选择 FF6 型轴承座，轴承座外形，尺寸，参数如下：图2-5 FF6型滚珠丝杠轴承的零件图型号d 1LHFDg6APCDBXYZFF661064223628283.46.54 表2-4 FK6型滚珠丝杠的尺寸参数2.5 选择联轴器根据设计要求，电机轴径=6.35mm，丝杠的轴径经支承座轴承后为=8-2=6mm，工作时最大转矩=2.15 Ncm，丝杠最大转速n=2400(r/min)，查表选择G1-19CH型号的弹性联轴器。联轴器零件见图如下： 图2-6 联轴器零件图 联轴器的有关参数见下表2-6. 表2-5 弹性联轴器参数型 号主要外形数据(mm)规格最高转速（r/min）DLL1M标准孔径d1/d2最大孔径（mm）容许扭矩（Nm）30000G1-19CH19203.42.55 6 6.35 881三、 控制系统硬件设计电动位移工作台控制系统硬件主要包括控制系统、驱动器、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。3.1 步进电机的选用3.1.1 步进电机的步距角由设计任务所给条件，系统脉冲当量=0.0025mm/step，初选步进电机步距角。3.1.2 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； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取 ，则，且，所以(Ncm)式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 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；步进电机步距角（rad）；T电机轴负载力矩(Ncm)。本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），=0.92，为丝杠牵引力，取= Q = 36.58。考虑到重力影响，取G =200N，所以 = 0.553(Ncm)若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.4，则 = 1.84(Ncm) 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 = 2.15 (Ncm)3.1.3 步进电机的最高工作频率 = 16000 Hz查表选用57BYG350BL-SASSML-0601型步进电机。其定位转矩为7 Ncm 2.15 Ncm。电机相关参数见下表3-1：表3-1 步进电机参数型 号主要技术数据外形尺寸重量步距角定位转距保持转矩相数电压电流外径长度轴径57BYG350BL1.20.070.45324-70657626.3553.2 控制系统该控制系统以AT89S51单片机为核心， 配以相应的软硬件而成。3.2.1 控制器的选择初步选用51系列单片机。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发展。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较多，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。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行程序修改，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。因此硬件控制器选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内Flash存储器，S表示含有串行下载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。3.2.2 AT89S51接口设计控制器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）前向通道驱动器人机界面传感器AT89S51（键盘、LED）后向通道步进电机图3-1 CPU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CPU，通过中断进行处理，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）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到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，因此要进行I/O扩展。因为步进电机工作时的驱动电流比单片机端口所能提供的要大得多单片机要控制电机的运动就不能直接将端口与电机各相相连，必须使用一定的接口电路和驱动电路。接口电路一般为锁存器，也有使用可编程接口芯片，如8255。本设计中采用内部自带锁存器的8255。驱动电路选择成品驱动器，将在下一节介绍。所以AT89S51的I/O口线分配如下：（1）P1.0-P1.2控制步进电机的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-CB-B-BA-A的反转模式。（3）P3.2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。（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。（5）P2.7和P2.6决定8255的PA、PB、PC口的地址。P1.0-P1.2驱动器步进电机P3.2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8255电磁铁驱动3P1.6图3-2 AT89S51控制系统图PB口接LED反映当前运行的4个状态：工作台前进禁止、后退禁止、手动前进运行、手动后退运行。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的手动前进运行、手动后退运行、复位（RST）、3个开关的状态。3.2 驱动系统传动驱动部分为步进电机的驱动，步进电机须满足进、退刀时能快速运行，工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行，定位时能精确定位。3.2.1 步进电机驱动器的选择步进电机的速度控制比较容易实现，目前市场上的驱动器功能强大，性价比高，根据电机的各种外径形成了一个完整的体系。根据所选电机的相关参数：电压：24V70V,电流：6A，外径：57mm。查表选择SH-30506型号的三相混合式步进电机细分驱动器。该驱动器适合外径86mm以下的各种步进电机。采用24V50V直流供电，最大峰值6A的四档电流输出，最大30000步/转的十六种细分模式可选。驱动器的相关性能指标如下： 表3-2 驱动器电气性能电机步距角为1.2，即步进电机为360/1.2=300步/转。而脉冲信号=0.0025mm/step，丝杠的导程t=1mm，即丝杠为1/0.0025=400步/转。两者不同步，由于设计时没有设计减速齿轮，因此要对驱动器进行细分设置，SH-30506型号的三相混合式步进电机驱动器的细分设置如下： 表3-3 驱动器细分设置表根据参数，SW1，SW2，SW3，SW4四个拨码开关都设置为OFF即可达到设计要求。驱动器与步进电机及控制器的接线图如下： 图3-4 控制系统接线图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） 四、控制系统软件设计4.1 总体方案对于AT89S51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。本设计采用汇编语言。4.2 主流程图上电复位外部中断，8255初始化开外部中断，开总中断等待中断P1.6=0，吸合电磁铁，绘笔抬起CTL EQU 3FF8H ；程序替换3FF8 PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAHPC EQU 3FFBHCMD EQU 02H ORG 0000H ；起始地址AJMP MAIN ；转到程序的入口地址ORG 0003H AJMP INT0IS ；外部中断0入口ORG 000BHAJMP TM0IS ；定时器0中断入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中断1入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定时器1中断入口ORG 0100HMAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中断负跳沿触发 SETB IT1 图4-1 主流程图 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX DPTR，CMD ；A口输入，B口输出，C口输入 SETB EX0 ；允许外中断0 SETB EX1 ；允许外中断1 SETB PX0 SETB PX1 ；设置优先级 SETB EA ；开总中断 LOOP：AJMP LOOP ；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则进入中断0的中断服务INT0IS，是中断1则进入中断1的中断服务INT1IS。4.3 INT0中断服务流程图 INT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL PUSH DPTH PUSH PSW MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；读PA口内容 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR,A 图4-2 INT0中断服务流程图 MOV DPTR,R2 MOV A，R2 CPL A ；A取反 ANL A，#03H ；屏蔽高6位 JZ A， RETIN SETB P1.0 SETB P1.1 SETB P1.2 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI 4.4 INT1中断服务流程图INT1IS：CLR EX1 MOV A，DPTR PUSH ACC JNB ACC.2，RST ；条件转移PUSH PSW JNB ACC.0，X+EN PUSH DPTL JNB ACC.1，X-EN PUSH DPTH CLR P1.6 MOV A，PC JNB ACC.3，ARC MOV DPTR，A LOOP1：POP DPTH MOVX A，DPTR；读PC口内容 POP DPTL MOV R1，A POP PSW ANL R1，#0FH POP ACC MOV A，PB SETB EX1 MOV DPTR，A RETI MOV A，DPTR；读PB口内容 ANL A，#0FH SWAP A ；高低四位互换 ORL A，R1 ；或 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR，A MOVX DPTR，R2；数据输入PB口 INC DPTL ；加14.5 X轴电机点动正转程序流程图X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；读PA JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ；电机正转 ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1这是X轴电机点动正转的程序，其他的X轴电机点动反转依次类推。4.6 步进电机步进一步程序流程图DEF EQU 12H SJMP LP3MOV DEF，#00H TAB： DB FEHXMOTOR1：JNE DIRX，#01H，XMOTOR0 DB FCH JNE DEF，#05H，LP2 DB FDH CLR DEF DB F9H LP2： MOV A，DEF DB FBH INC DEF DB FAHLP3： MOV DPTR，#TAB MOVC A，A+DPTR ANL P1，A ACALL DELAY RETXMOTOR0：JNE DEF，#00H，LP4 MOV A，#05H MOV DEF，ALP4： MOV A，DEF DEC DEF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.单片机基础.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结构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 附 录附一、设计日志第一周设计日志 2010.03.012010.03.05组长：田 锋 学号：012006008616组员：刘 昌 学号：012006008619 周自成 学号：012006008623 高 堃 学号：012006008625设计题目：电移台本周我们讨论了机电系统的课程设计题目，最后决定做老师提供的电移台。本周所做工作如下：周一周二两天，我们分析讨论了题目，分头收集资料，并分配了各