X-Y绘图仪设计说明书.doc

武汉纺织大学机电工程院机电一体化课程设计说明书班级： 学号： 姓名： 指导老师： 机电一体化课程设计（武汉纺织大学）摘 要模块化的小幅面平板式单坐标画笔驱动系统，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠副，以及伺服电动机等部件组成。其外观形式如图1-1所示。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，通过直齿圆柱齿轮的减速传动，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台仔导轨上运动，完成工作台在X方向的直线移动，调动画笔的高度从而实现直线的生成。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专门的微机控1 机电一体化方向专业课程设计任务书2 总体方案设计2.1 设计任务设计一个数控X-Y小幅面平板式绘图仪，该用于图纸幅面A5以下的图形绘制，重复定位精度为0.5mm。设计参数如下：台面尺寸CBH210mm148mm10mm；底座外形尺寸C1B1H1430mm160mm20mm；最大长度L=500mm；工作台加工范围X=210mm，Y=148mm；工作台最大快移速度为1m/min。2.2 总体方案确定2.2.1 系统的运动方式与伺服系统由于绘图移动的过程中，应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。并选用MCS-51系列的ATR89C52作开环控制，与CPU、程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用组成完整的控制系统，X、Y两工作位元件拟采用相同的型号与规格。2.2.2 X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用无预加载荷的HG系列滚珠导轨，采用滚珠直线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，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。系统总体框架图3 机械系统设计3.1 工作台外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：长宽高 14516010重量：按重量=体积材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 长宽高 重量：约18N。上导轨座（连电机）重量：夹具及工件重量：约10N 。X-Y工作台运动部分的总重量：约120N。3.2 滚动导轨的参数确定3.2.1 导轨型式：直线滚动导轨3.2.2 导轨长度上导轨（X向）下导轨（Y向）3.2.3 直线导轨副的设计计算作用在滑块上的载荷，滑座数M=4，则，单项行程长度，每分钟往返次数K=5，工作寿命10000h.按下导轨计算导轨类型：由 得： 由于每根导轨使用两个滑座，查表知,取。计算动载荷，根据额定寿命计算公式可知：初选直线导轨型号：HGW15 CA3.2.3 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。3.3 滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷仅为运动部件的重量所引起的进给抗力。3.3.1 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h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速得：X向丝杠牵引力 Y向丝杠牵引力所以最大动负荷X向 Y向 查表，取滚珠丝杠公称直径 ，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。3.3.2 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10螺距接触角钢球直径螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杆螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）3.3.3 传动效率计算式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。3.3.4 刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算 所以 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。所以导程总误差查表知E级精度的丝杠允许误差，故刚度足够。3.3.5 稳定性验算由于丝杠两端采用角接触轴承，故不需要稳定性验算。3.3.6 角接触轴承708 CD/P4A 的选取角接触轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷。能在较高转速下正常工作。708 CD/P4A相关参数尺寸708 CD/P4A相关参数尺寸3.4 步进电机的选用3.4.1 步进电机的步距角取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。3.4.2 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（）本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），为丝杠牵引力，。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取，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 对于工作方式为两相四拍的两相步进电机 3.4.3 步进电机的最高工作频率查表选用两个2S56Q-02976型步进电机。电机的有关参数见表2-2。3.5 确定齿轮传动比因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比选 ， 。3.6 确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭矩较小，取模数，齿轮有关尺寸见表3-3。表2-3 齿轮尺寸1845182015.55454742.5531.53.7 步进电机惯性负载的计算因为，所以惯性匹配比较符合要求。3.8 润滑及密封为了阻止灰尘，水，酸气和其杂物进入轴承并阻止润滑剂流失。再本设计中加如了轴承的密封装置。因为滚珠丝杠的转速不高，所以采用接触式密封。在透盖与轴承中间加入了唇形密封圈，目的是防止润滑油的流出。在轴承的左侧加入轴承端盖，目的是阻止灰尘，水，酸气和其杂物进入轴承。为了降低摩擦阻力，散热，吸收振动，防止锈蚀等，在整个系统中加入了润滑装置，在此系统中滚珠丝杠和轴承都采用脂润滑。4 控制系统原理及电路设计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。4.1 CPU4.1.1 CPU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。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Siemens，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CPU选用AT89C52，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，C表示含有串行下载Flash存储器。AT89C52的性能参数为：8k可反复擦写（1000次）Flash ROM;32个双向I/O口；256*8bit内部RAM；3个16位可编程定时/计数器中断，时钟频率0-24MHZ；2个串行中断，可编程UART串行通道；2个外部中断源，共8个中断源；2个读写中端口线，3级加密位；低功耗空闲和掉电模式、软件设置睡眠和唤醒功能。4.1.2 CPU接口设计CPU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）前向通道传动驱动（电磁铁）（步进电机）输入设备传感器AT89C52（LED）后向通道 图3-1 CPU外部接口示意图AT89C52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）接受外部中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态反应到LED上，实现人机交互作用。由于AT89C52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。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AT89C52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线圈通电，形成-A-B-A-正转模式和- A - B - A -的反转模式。（2）P1.6口输出控制电磁铁的吸合。（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AT89C52输入设备电磁铁8155 图3-2 AT89C52控制系统图PB口接LED反映当前运行的8个状态：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、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。4.2 驱动系统传动驱动部分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。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。4.2.1 步进电机驱动电路和工作原理步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。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0.5mm。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。4.2.2 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。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。图3-6 电磁铁驱动电路4.2.3 电源设计两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，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，通过芯片进行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。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 ,纪名刚.机械