机电一体化课程设计

1、 专业： 机电一体化 班级： 081班 老师： 学号： * 姓名： * 日期： 2015年2月 XY工作台部件及单片机控制设计目录1.序言32.总体方案设计32.1.设计任务32.2.总体方案确定33.机械系统设计43.1.工作台外形尺寸及重量估算43.2.滚动导轨的参数确定53.3.滚珠丝杠的设计计算63.4.步进电机的选用83.5.确定齿轮传动比133.6.确定齿轮模数及有关尺寸133.7.步进电机惯性负载的计算134.控制系统硬件设计144.1.CPU板144.2.驱动系统164.3.控制系统软件的组成和结构185.参考文献22第 22 页 共 22 页1. 序言据资料介绍，我国拥有40

2、0多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要

3、求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足

4、生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高；柔性强；易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。

5、2. 总体方案设计2.1. 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C×B×H145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；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

6、系统数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。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。2.2.2. 计算机系统的选择本设计采用了与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

7、命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。2.2.3. 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，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。 图2-1 系统总体框图综上所述，本设计的总体方案确定为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲步进电机经一级齿轮减速后，带动丝杠转动，从而实现

8、工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警，急停电路等。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 145×160×50重量：按重量=体积×材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 重量：约90N。上导轨座（连电机）重量：夹具及工件重量：约150N 。X-Y工作台运动部分的总重量：约287N。3.2. 滚动导轨的参数确定3.2.1. 导轨型式：圆形截面滚珠导轨3.2.2. 导轨长度3.2.2.1. 上导轨（X向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 3.2.2.2. 下导轨（Y向） 选择导轨的

9、型号：GTA163.2.3. 直线滚动轴承的选型3.2.3.1. 上导轨3.2.3.2. 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。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。3.2.4. 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

10、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。3.2.5. 对导轨进行按下式进行校核：式中:L为滚动导轨副的距离额定寿命（km）本设计L定为50km；为额定载荷，查表=6.07kN；F为每个滑块上的工作载荷（N）F本设计设定为588N；为硬度系数，导轨面的硬度为58-64HRC时=1.0；为温度系数，当工作温度不超过100°C时，=1；为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时=0.81；为载荷/速度系数，无明显冲击振动或v60m/min时，=1.5-2这里选择=2。 =588××2÷（

11、1×0.81×1） =1361N<=6.07kN因此所选导轨满足要求。3.2.6. 滚动导轨的润滑与防护滚动导轨采用润滑脂润滑。常用牌号为ZL-2锂基润滑脂（GB/732487，2号）。它的优点是不会泄漏，不需经常加油；缺点是尘屑进入后容易磨损导轨，因此防护要求较高。易被污染又难防护的地方，可用润滑油润滑。本设计的防护装置采用伸缩式。3.3. 滚珠丝杠的设计计算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。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T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速所以 X向

12、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3-1 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）见表3-1。3.3.3. 传动效率计算式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。3.3.4. 刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图4-20所示，最大牵引力为548N，支承间距=L=400mm丝杠螺母及轴承均进行预

13、紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。 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. 稳定性验算验算滚珠丝杠尺寸和支承方式后，应验算丝杠在承受最大轴向载荷时是否会产生纵向弯曲。滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷FK(N) 为E为材料的弹性模量，对钢E=20.6×104Mpa; I为截面惯性矩，对丝杠圆截面：I=d14/64=3.14×16.94/64=4

14、002.2mmL丝杠最大工作长度（mm）；L=500 mmfZ为丝杠支承方式系数，这里滚珠丝杠的支承方式采用一端固定一端简支的方式，所以fZ22×3.142×20.6×104×4002.2/5002=2.0731×104Nnk=Fk/Fm=2.0731×104/548=37.8nk=4所以，该滚珠丝杠不会失稳。nk许用稳定性安全系数，nk=2.543.4. 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

15、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 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 3.4.3. 步进电机的最高工作频率查表选用两个45BF005-型步进电机。电机的有关参数见表3-2。表3-2 步进电机参数

16、型 号主要技术数据外形尺寸重量步距角最 大静转距最高空载启动频率()相数电压电流外径长度轴径45BF005-1519.630003272.545584113.4.4. 启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动、快速进给运行、工进运行。前面提出的，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机在快速启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。以后还要对快进、工进时的运行矩频特性作校核。f fmax0t1ta tbt222t1t2t 图3-21 步进电机启动步进电机启动有突跳启动和升速启动，一般突跳启动很少使用。在升速启动中，步进电机从静止状态开始逐渐升速，（如图1所示）在

17、零时刻（t1=0），启动频率fq=0。在一段时间t1内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度，即fq=fmax。在整个升速、均匀运行、降速过程中，步进电机所走的步数与应该完成的输入指令脉冲总数相等。升速时间t1足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩Mkq中的加速力矩项Mka不会很大，一般不会出现丢步现象，但是降低了工作效率。升速时间t1过短，则步进电机启动力矩中的加速力矩项M就会很大，所以需要校核启动矩频特性。图3-22由图3-22初选步进电机的启动矩频特性曲线中，可知空载启动力矩M=0.05N·M值所对应的允许启动频率fyq=11000Hz>fq=1200

18、 Hz,步进电机会不丢步。 （2）电机快速进给矩频特性较核 最高运行频率fmax 式中：Vmax运动部件最大快进速度 快进时已经不存在加速力矩项Ma,并且一般处于空载状态，故快速进给力矩MJK= 其中：M0为附加摩檫力矩（N·cm），MKF为快进时的折算到电机的摩檫力矩（N·cm）。所以 ：MJK= =1.175（N·cm）由图3-22可知道快进力矩对应允许快进频率FYK近似为20000Hz，FmzxFYK，所以电机不会丢步。（3）、工进运行距频特性校核工进步进电机的运行频率：式中： 最大工作进给速度 工进时，步进电机运行所需力矩Mkj可按下式计算： 式中： 附加

19、摩擦力矩， 摩擦力矩 折算到电机轴上的工作负载力矩 式中：Fv垂直方向作用于工作台的工作载荷 Ft沿进给方向的切削负载，Ft=FL在图3-22初选步进电机的运行矩频率特性曲线中，对应工进频率fGJ查到的允许工进运行力矩MYJ=1.08N·m >MGJ=0.382N·m，满足工进时运行距频特性的要求。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距较小，取模数，齿轮有关尺寸见表3-3。3.7. 步进电机惯性负载的计算表3-3 齿轮尺寸 172817

20、1914.55 283025.5517.5根据等效转动惯量的计算公式，得式中： 折算到电机轴上的惯性负载（）； 步进电机转轴的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；滚珠丝杠的转动惯量（）；M移动部件质量（）。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，则因为，所以惯性匹配比较符合要求。4. 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、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。4.1. CPU

21、板4.1.1. 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

22、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

23、1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。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）人机界面传感器AT89S51（键盘、LED）后向通道 图4-1 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

24、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-CB-B-BA-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

25、.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4-2 AT89S51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）

26、、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4.2.1.1. 开环伺服系统的原理图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0.01mm。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

27、压加在CPU上使其烧坏。图4-4 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。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4-5 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）4.2.2.

28、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4-6 电磁铁驱动电路4.3. 控制系统软件的组成和结构监控系统的作用是进行人和机对话和检测系统运行状态一般包括系统初始化，命令处理循环，零件加工程序和作业程序输入，编辑，指令分析机构，以及系统自测等。1系统初始化：系统上电式复位后，系统软件进行初始化处理。包括设置CPU的状态，可编程I/O芯片的工作状态，中断方式2命令处理：系统初始化后系统即进入命令处理程序，对于一般单片机构成的系统通常采用循环处理程序作为系统的主程序3：零件加工程序或作业程序的输入和编程：零件加工

29、程序可以键盘输入，也可通过串行口通信输入。输入程序的功能就是读入源程序，并经数据处理，按规定的格式将其存入规定的数据区内。4 指令分析执行：微机控制系统对输入的指令进行分析，并根据分析的结果执行相应的操作。5诊断程序：诊断程序用于检测系统硬软件功能的正确性，找出系统故障的位置，并指出故障类型。机电系统控制软件的机构一般机电控制系统中常用的软件结构有：子程序，主程序加中断程序结构子程序3子程序1子程序2条件2条件3条件1主程序逐点比较法 用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步都需要以下四个步骤： 1判别偏差：Fm0或FMO ，从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算方向进给。2偏差计算：进给一步后

30、计算新的加工偏差。3终点判别：进给一步后，终点计数器，若为零，表示到达终点停止插补，不为零则返回第一步继续插补。终点计数判别可用方向坐标值判断，也可由一个方向的坐标值判断。当XeYE逐点比较法框图NONOY方向进给X方向进给X=XM ?Y=YM ?FM=FM+XEY=Y+1FM=FM-YEX=X+1FM0 ?初始化YESYES返回程序设计插补程序所用的内存单元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM电机正反转控制字电机正反转控制字为：D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0为X向电机控制。DO运行，D0=O停止，D0=1正转。D1=0反转D3D2为Y向电机控制位。D2=1运行

31、，D2=0停止，D3=1正转，D3=0反转。第一象限制直线插补程序如下：ORG 2000H MAIN： MOV SP ， #60H； LP4 ： MOV 28H， #08CH；XE MOV 29H, #0C8H; YE MOV 2AH, #00H; X MOV 2BH, #00H; Y MOV 2CH, #00H; FM MOV 70H, 0AHLP3: MOV A, 2CH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A;置电机正反转控制字为0B，+X方向进给 LCALL MOTR；调步进电机的控制子程序，+X方向进给一步 LCALL DELAY MOV A， 2CH SUBB A， 29H；F-YE INC 2AH; X+1 AJMP LP2LP1 MOV A , 70H SETB ACC.2 置电机正反转控制字为0E，+Y方向进给 CLR ACC.0 调步进电机的控制子程序，+Y方向进给一步 LCALL DELAY MOV A， 2CH ADD A， 28H； F+XELP2 MOV 2CH, A