机电一体化课程设计-600X300单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台设计.doc

全套图纸加153893706机电一体化系统设计课程设计说 明 书 课程性质：专业课(必修) 专 业：机械电子工程二班 所用时间：两周 设 计 人： 指导老师： 2018年12月 目 录 一、课程设计的题目及要求2二、总体方案的确定2三、机械部分的设计和计算3 四、控制系统硬件电路设计12五、课程设计的心得和体会16六、参考资料16一、课程设计的题目及要求（一）题目：单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。已知条件：定位精度：0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击，各题目的有效行程、快速进给速度和工作载荷见下表：题号有效行程(mm)快速进给速度(mm/min)工作载荷Fz (N)LxLyvmaxvymax1460030020001200850 （二）要求：1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；2. 认真阅读课程设计指导书，明确题目及具体要求；3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；6. 微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；7. 手工或电脑绘制机械系统装配图一张（A1），控制系统电气原理一张（A1），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰； 8. 课程设计说明书一份（不少于5000字），包括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。二、总体方案的确定根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案：进行系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。1. 系统运动方式与伺服系统采用连续控制系统。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。2. 计算机系统采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。3. XY工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。 系统总体框图三、机械部分的设计和计算1.工作台的初步设计：（1）确定系统脉冲当量脉冲当量是个进给指令时工作位移量，应小于等于工作台的位置精度。一般为0.010.005mm。（2）工作台外形尺寸及重量初步估算。取X向导轨支承钢球的中心距为140mm ,Y向导轨支承钢球的中心距为180mm，设计工作简图。工作台简图X向拖板（上拖板）尺寸：长 宽高： ；重量：按重量=体积材料比重估算： ；Y向拖板尺寸： ；重量： ；上导轨座重量：； 夹具及工件重量：约160N则XY工作台运动部分的总重量约： 690N2.钻削力的计算，查机械加工有关表得=304.11 = 1 =0.8 =1取f=0.05mm/r,则 = 138N 3. 铣削力计算铣削圆周力，（铣削宽度）=2， （铣削深度）=10，=0.1mm/Z ，=15 ，Z= 3 得=224N查表得，则走刀抗力4.滚动导轨的参数确定：（1）导轨型式：双V型滚珠导轨（2）导轨长度 上导轨（X向） 取动导轨长度 ; 动导轨行程;支承导轨长度 ; 保持器长度;下导轨（Y向） 取动导轨长度 ; 动导轨行程;支承导轨长度 ; 保持器长度;（3）滚动体尺寸与参数的确定:滚珠直径取d=6mm 数目根据决定。上导轨 , 所以;X向动导轨长度; 取,两滚珠之间的间距。下导轨 G=690N 所以因为, 取, 两滚珠之间的间距 。（4） 许用负载验算平均每个滚珠上最大负载 而式中-导轨的预加负荷，按最大工作负荷的1/2计算。 铣削的时候所受的负荷较钻削的时候小，因此，要按钻孔的情况验算X向导轨最大负荷Y向导轨最大负荷许用负荷 查表得K=60, 考虑制造精度高，且导轨短，k可提高50%，即K取90 查表得 1 ， 则 故导轨可用。5.滚珠丝杆的设计计算。初选丝杆材质钢，HRC 5860导程（1） 强度计算丝杆轴向力：（N）式中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030.005；在车床车削外圆时：；可取 ，计算得，寿命值：，丝杠转速：，则最大动载荷 X向丝杠牵引力：（N）Y向丝杠牵引力：（N）所以最大动负载 Y向（N） X向（N）查表，可取滚珠丝杠公称直径，采用外患循环式的螺母，支承方式为双推-简支式，选用滚珠螺母型的型号为（两只），其额定动载荷8630，足够用（2）滚珠丝杠螺母几何参数：公称直径，螺距t=10，接触角 钢球直径， 螺纹升角 螺杆外径D=29 ， 内径 螺母螺纹外径D=33.21， 内径（3）传动效率计算：丝杆螺母副的传动效率为式中 -摩擦角,-丝杆螺纹升角。（4）稳定性验算滚珠丝杆受工作负载P引起的导程变化是Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算。P=263N （材料为钢）所以 丝杆因受扭矩所引起的导程变化量很小，可忽略，所以导程总误差查表知E级精度的丝杆允许误差，故刚度足够。6.步进电机的选用（1） 步进电机的步距角 取系统脉冲当量初步选步进电机步距角。（2） 步进电机启动力距的计算。设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒定理，电机所做功率与负载做的功有如下关系 ：式中：为-电机转角 S-移动部件的相应位移 -机械传动效率。若取 则 且，所以 （N/ cm）式中移动部件负载（W） G移动部件重量（N）与重力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（N/ cm）取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数）,为丝杆牵引力， N考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取N所以： 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 0.3 ，则 ；对于三相六拍的步进电机有： ；步进电机的最高工作频率：查表选用两个90BF001型步进电机，其性能参数如下：型号主要技术参数外形尺寸重量（N） 步距角（。）最大静转距（N.cm）最高空载启动频率相数电压（V）电流（A）外径长度轴径90BF0010.9/1.8392200048039014594.57.齿轮的计算和设计根据本部分的第一步所初选的电机步距角和脉冲当量，又已知滚珠丝杠螺距t=6mm，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比： 若取Z1=24，则Z2=60，因为传递的扭矩较小，取模数m=1mm 齿轮尺寸：Z24602460266221.521.5428.步进电机惯性的负载计算（1）等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：(kgcm2)式中：Jw，Jz1，Jz2和Js分别为折算到步进电机轴上的工作台、齿轮1、齿轮2和丝杠的等效转动惯量，kgcm2。其中： (Nm2)， (Nm2) (Nm2)， (Nm2)式中：d0为丝杠的名义直径；Ls为丝杠的总长；s，z分别为丝杠和齿轮的材料密度，可取为7.85x10-3kg/cm3。（2）等效负载转矩计算空载时的摩擦转矩： (Nm)工作时的负载转矩：(Nm)式中：=0.8，为考虑丝杠预紧时的传动效率。（3）起动惯性阻转矩计算(Nm)式中：电机转速m=2nm/60，起动加速时间t=0.025s。（4）步进电机输出轴上总负载转矩计算(Nm)故有总的等效转动惯量为： kg.cm29.机械传动结构装配图见附录。四、机床数控系统硬件电路设计1、确定硬件电路总体方案: 机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成： 主控制器：就是中央处理单元CPU。 总线：包括数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）。 存储器：包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。 接口：即I/O输入/输出接口电路。 数控系统的硬件结构框图如下： 控制系统硬件框图除此之外，还要根据数控系统的要求配备一些外围设备和信号变换电路。其中信号变换电路是A/D转换、D/A转换、光电隔离、功率放大等，是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。它们可根据控制系统的要求选取。2、主控制器CPU的选择： 在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下要素：（1） 时钟频率和字长（控制数据处理的速度）；（2） 可扩展存储器（ROM/RAM）的容量；（3） 指令系统功能是否强；（4） I/O口扩展的能力；（5） 开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。3、存储器扩展电路的设计: 程序存储器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。其型号分别是2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分别是2k、4k、8k、16k、32k。要注意8031所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。地址锁存器74LS373 单片机规定P0口提供低8位地址线，同时又要作数据线，所以是分时输出低8位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提供低8位地址信息，一般采用74LS373作为地址锁存器，并由CPU发出地址允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。有关程序存储器和地址锁存器的接线图参见控制部分的电气原理图。数据存储器的扩展因为8031内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的要求，需扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116和6264静态RAM数据存储器，其选用的规则与EPROM程序存储器的要求相同。有关它的接线图也参见控制部分的电气原理图。 译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机连接。单片机数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送，故要进行片选控制。片内有多个字节单元时，还要进行片内地址选则。由于外围芯片与数据存储器统一编址，因此，单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码方法。4、I/O口扩展电路设计:8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可提供给用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此在大部分应用系统中都不可避免的要进行I/O口扩展。其中通用可编程接口芯片8155与微机的接口较为简单，是微机系统中广泛使用的接口芯片。5、键盘、显示接口电路:键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都用行列式键盘，即用I/O口线组成行、列接构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器），为了方便显示图形，也有用CRT接口显示方式的系统。6、步进电机驱动电路:步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机，在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲数成正比，转速仅与控制脉冲频率成正比。在多数情况下，用步进电机作为执行元件的数控系统中不需要A/D或D/A转换，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济型数控机床最主要的一种的伺服驱动单元。步进电机的驱动电路由图5所示四部分组成。步进电机驱动电路计算机接口在数控系统中，步进电机接口电路至关重要。没有它将无法实现微机对步进电机的控制。如前所述，8031系列单片机含有4个并行输入/输出口，提供32根I/O线。其中P1口可供用户使用，作为步进电机及其他控制对象的接口。也可以采用8155或8255（8255功能与8155相似，可参看有关资料）等可编程并行输入、输出接口芯片设计扩展接口电路，来控制步进电机与其它外部设备。脉冲分配器脉冲分配器又叫环形分配器，是驱动步进电机比不可少的环节。步进电机的控制方式由环形分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机的正转或反转。在数控系统中通常使用较多的是集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。集成脉冲分配器，按其电路结构不同分为TTL集成电路和CMOS集成电路。目前市场上提供的TTL产品有YB013、YB014、YB015及YB016，分别为三相、四相、五相和六相。它们都是18个管角的直插式封装。软件环形分配器用软件编程的方法来实现，在数控机床教学实验中已详细地介绍了软件环形分配器的设计方法，不在赘述。隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大（几安到几十安），如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电气干扰。轻则影响计算机程序的正常进行，重则导致计算机和接口电路的破坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。光电耦合器由发光器件和受光器件组成，联结发光源的引线作为输入端，联接受光器件的引线为输出端。通常发光器件是发光二极管，受光器件是光敏三极管。图6是型号4N25光电耦合器的引脚与接线图。图（a）为共集电极输出型，图（b）为共发射极输出型。当输入信号Vt加到输入端时，发光二极管导通激发发出红外光，受光三极管受光照射后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。输入端与输出端在电气上完全隔离。由于光电耦合器非线性失真大，不适合传输模拟信号，一般只用于进行开关量的传输及电平转换。4N25型光电耦合器引脚与接线图功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出的信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机的正常运转。功率放大器按其结构不同分为单电源型和双电源型。前者电路设计为单电压供电，仅在步进电机的绕组回路串联一个小于10欧的电阻，以增大功率放大器负载回路的电阻，使步进电机绕组中电流上升的时间常数减小，提高上升沿的陡度。（=L/R）双电源型采用高低压供电电路，在功率放大器导通初始时，加上比额定电压高几倍的电源供电，使电动机绕组电流从零很快增大，当电流升到接近额定值时切断高电压电源而由额定电压为绕组提供正常工作电流。单电源功率放大器线路简单，但效率不高，只适用小功率的步进电机。目前我国步进电机的功率放大器以由生产厂家生产出系列化产品，所以在设计数控机床控制电路时不必考虑其内部电路结构，只需要根据选用的步进电机容量选择功率放大器。7、其它辅助电路设计8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件。晶体可在1.212MHz之间任选，耦合电容在530pF之间，对时钟有微调作用。采用外部方式时，可以把XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后CPU就从0000H单元开始执行程序。一般数控系统都采用上电与按钮复位组合，如图7所示。上电瞬间，RC电路允许，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上的高电平，单片机就有效复位。在实际应用系统中若有些需要复位的芯片其复位电平与8031复位要求一致，就可直接相连。当晶振频率选用6MHz时，复位电路中C取22F，R取200，Rk取1k。为了保证复位可靠，通常采用如图8所示的实用复位电路。复位电路越界报警电路为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。如是两坐标联动的数控系统，则有4个方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动，可通过光电耦合器的输入隔离电路如图9所示。行程开关接到发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接到803