机电一体化课程设计说明书2

经典word整理文档，仅参考，双击此处可删除页眉页脚。本资料属于网络整理，如有侵权，请联系删除，谢谢！学专日2013年1月7日7目录1、总体方案设计…………31.1设计任务…………41.2总体方案确定……………42、机械系统设计…………52.1工作台外形尺寸及重量估算…………62.2导轨参数确定…………72.3滚珠丝杆的设计计算…………82.4步进电机的选型与计算…………102.5机械系统结构设计…………123、控制系统硬件设计………133.1控制系统硬件组成……………133.2控制系统硬件选型………153.3控制系统硬件接口电路设计…………173.4驱动系统设计………184、控制系统软件设计…………194.1控制系统软件总体方案设计…………214.2主流程设计…………224.3中断服务流程设计…………234.4软件调试…………255、总结…………26参考文献…………271、总体方案设计1.1设计任务题目：两坐标X-Y数控工作台设计X-Y运动平台，完成机械系统设计、控制系统设计与相应软件编程，根据试验条件进行调试，完成整个开发系统；每组一题，分别由3～4位同学合作完成。其主要技术指标如下：1）工作台型号为HXY-4030；2）行程要求X=400mm，Y=300mm；3）工作台面尺寸为C×B×H＝240mm×254mm×15mm；4）底座外形尺寸为C1×B1×H1＝650mm×550mm×184mm；5）工作台最大长度L=778mm；6）工作台负载重量N=500N；7）工作台最快移动速度v=v=1m/minymaxxmax8）X,Y方向的重复定位精度为±0.02mm；9）X,Y方向的定位精度为0.04mm；10）工作台切削负载小、运动灵敏度高、低速无爬行；11）定位精度高；12）结构轻便，建议机座和滑台采用铝合金；13）标准组件，独立产品；14）可直接应用于小型钻、铣床。1.2总体方案确定方案确定思想要包括导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包括CPU控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。因X向和Y向机械结构基本相同，故只绘制X向机械系统部分的结构简图，如下：用的可选材料，符合绿色环保的现代机械设计理念，由此来确定最终方案。方案对比分析与确定（1）方案对比1）方案一动力源：采用标准工业电源；执行元件：选用混合式步进电机，其特点为输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高；导向支承部件：选用直线滚动导轨副，其特点是摩擦因数小，不易爬行，便于安装和预紧，结构紧凑；运用广泛；构，缩小机械尺寸，节约生产成本；检测装置：增量式旋转编码器；系统微控制器：选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52；2）方案二动力源：采用标准工业电源；有自锁能力，优点是动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动机不易发热，但制造成本高，步距角较大，配套的驱动电源要具有细分功能；的刚性，可以获得较高灵敏度和高性能的平面直线运动，导向性好，自动定心，滚动摩擦阻力低；传动部件：选用滚珠丝杠副；减速装置：选用无间隙齿轮传动减速箱；检测装置：增量式旋转编码器；系统微控制器：选用可编程程序控制器（PLC）；3）方案三动力源：采用标准工业电源；执行元件：选用反应式步进电动机，其特点为步矩角可达1°~15°，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低；擦阻力很小；摩擦力大，具有自锁性，但低速或微调时可能出现爬行现象；减速装置：选用无间隙齿轮传动减速箱；系统微控制器：选用AVR系列的Atmega16；（2）选择分析对比以上三个方案，其主要区别在于步进电动机、导轨副、丝杠螺母副、系统微控制器的选择和是否有必要使用减速箱。综合考虑设计任务和方案确定思生爬行显现，且为了能够满足±0.02mm的重复定位精度和0.04mm的定位精度，AT89C52达到所需的脉冲当量，因此可以不使用减速箱。综上所述，本设计选用方案一作为合理的总体方案。总体方案系统组成（1）机械系统组成1）导轨副的选用该设计课题中所要求的X-Y受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。2）丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足±0.02mm的重复定位精度和0.04mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。3）减速装置的选用副已经可以达到所需的脉冲当量，因此不使用减速箱。4）伺服电动机的选用任务书规定的X,Y方向重复定位精度为±0.02mm，由此可以取脉冲当量为0.01mm，则其定位精度未达到微米级，最快移动速度也只要求为1000mm/min。因此，不必采用高档次的伺服电动机，只需要选用性能较好的步进电动机即可，故在本设计中选用混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。5）检测装置的选用辨率应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。（2）控制系统组成1）设计的X-Y工作台要求可直接应用于小型钻、铣床，其控制系统应该具成连续控制型。2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。3）鉴于此系统只考虑步进电机的控制，CPU的自身资源已经足够，不需要等因素，在输入和输出信号之间加入光电耦合器组成信号输入输出电路。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。（3）系统总体框图根据已确定的总体方案绘制系统总体框图如下：2、机械系统设计2.1工作台外形尺寸及重量估算按照下导轨之上移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为1200N。2.2导轨参数确定（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂向载荷为：=1200N/4+500N=800N（2-1）其中移动部件重量＝1200N，最大外加载荷受的最大垂向载荷=800N=0.8kN。=500N，故得到单滑块所查《机电一体化系统设计课程设计指导书》（下略）表3-41，根据工作载KL系列的JSA-LG15荷载荷=7.94kN，额定静载荷=9.5kN。任务书规定工作台面尺寸C×B＝240mm×254mm，行程要求X=400mm，Y=300mm。查表3-35，考虑滑块在工作台底部的安装位置，在保证工作行程应留有一定余量的前提下，按标准系列选取导轨的长度为640mm。（2）距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过4查表3-36～表3-40，分别取硬度系数=1.0，温度系数=1.00，接触系数=0.81，精度系数=0.9，载荷系数=1.5，代入得距离寿命：5611km（2-2）远大于常见球导轨的距离期望寿命50km，故初选型号满足设计要求。2.3滚珠丝杆的设计计算（1）最大工作载荷的计算根据任务书要求不考虑工作台受到的铣削力，即=500N。=0，受到垂直载荷已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数作载荷=[1.1×0+0.005×(500+1200)]N=8.5N（2-3）（2）最大动载荷的计算根据任务要求，工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度=1000mm/min，初选丝杠导程=4mm，则此时丝杠转速取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入=250r/min。，得丝杠寿命系数=225（单位为：10r）。6查表60HRC=1.0，代入得最大动载荷：42.5N（2-4）（3）初选型号CM系列2004-5204mm，循环滚珠为2×2.5，精度等级取4级，额定动载荷为9197N，大于，满足要求。（4）传动效率的计算将公称直径=20mm，导程=4mm，代入升角（5）刚度的验算，得丝杠螺旋=96.4%。工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝为=500mm；钢的弹性模量＝2.1×10Mpa；查表3-32，得滚珠直径5=3.175mm，丝杠底径=16.2mm，丝杠截面积=206.12mm。2当丝杠的拉伸或压缩变形量在总变形量中所占的比重较大时，按作用下产生的拉/压变形量=[6.5×440/(2.1×10×229.66)]mm≈7.49×10mm-552）根据公式滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式：×圈数×列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力=2.17N。则可求得滚珠与螺纹滚，求得单圈滚珠数=20；该型号丝杠为单螺母，道间的接触变形量≈6.165×10-51/3，所以实际变形量可减小一半，取=3.08×10mm。-53）将和代入mm=0.1057μm。，求得丝杠总变形量=10.57×10-5查表3-27可知，4级精度滚珠丝杠在有效行程在≤315mm时，行程偏差为，可见丝杆刚度足够。25（6）压杆稳定性校核滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，失稳时的临界载荷应满足。查表3-31，取支承系数=1；由丝杠底径=16.2mm，求得截面惯性矩≈3380.88mm；压杆稳定安全系数取3（丝杠卧式水平安装）；滚4动螺母至轴向固定处的距离取最大值500mm），得临界载荷≈9343N，远大于工作载荷=6.5N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。2.4步进电机的选型与计算（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知滚珠丝杠的公称直径=20mm，总长=440mm，导程=4mm，材料密度=7.85×10kg/cm；移动部件总重量G=1200N。-33参照表4-1，算得各个零部件的转动惯量：滚珠丝杠的转动惯量=0.543kg·cm，拖板折算到丝杠上的转动惯量=0.331kg·cm。22因系统脉冲当量为0.01mm/脉冲，系统传动比为1，滚珠丝杠导程为4mm，故初选步进电动机型号为90BYG2502，二相四拍驱动时步距角为0.9º，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量=4kg·cm。则加在步进电动机转轴上的总2转动惯量为：=[4+（0.331+0.543）/1]kg·cm=4.874kg·cm22（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，相对于和很小，可以忽略不计。则有：（2-5）考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：其中，为对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min：已知空载最快移动速度当量=0.01mm/脉冲，代入以上各值得=250r/min。设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.4s，传动链总效率=0.7。则可求得：N·m≈0.0456N·m移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：（2-6）其中，已知滚动导轨的摩擦因数=0.005，空载时垂直方向的铣削力=0，得：N·m≈3.638×10N·m-3故求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：=0.0492N·m2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩也包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。同样的，相对于和很小，可以忽略不计。则有：，因本设计不考虑工作台受到的铣削力，因此折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩=0。计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：≈5.911×10N·m-3求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为=5.911×10N·m。-3经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：==0.0492N·m（3）步进电动机最大静转矩的选定输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：=0.1968N·m上述初选的步进电动机型号为90BYG2502，由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩=6N·m，可满足要求。（4）步进电动机的性能校核1）最快移动速度时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快移动速度=1000mm/min，脉冲当量δ=0.01mm/脉冲，则可求出电动机对应的运行频率=[1000/(60×0.01)]Hz≈1667Hz。90BYG2502电动机的运行矩频特性曲线图如下：可见在此频率下，电动机的输出转矩≈4.5N·m，远远大于最大工作负载转矩=0.0492N·m，满足要求。2）最快移动时电动机运行频率校核与最快移动速度=1000mm/min对应的电动机运行频率4-5可知90BYG2502电动机的空载极限运行频率为3）起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量2=1800Hz.2则,可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：=1208Hz（2-6）＜1208Hz，满足要求。90BYG2502设计要求。2.5机械系统结构设计以下参照三维造型图和总装配图，来进行机械系统结构设计的说明。本设计考虑设计任务工作台面尺寸要求为C×B×H＝240mm×254mm×15mm，而底座外形尺寸为C1×B1×H1＝650mm×550mm×184mm；为不超出底座外形尺寸要求，故选用了标准系列导轨副长度640mm，同时为了保证行程要求X=400mm，24mm。又因为工作台最大长度L=778mm，故总体结构相对而言较为紧凑，依靠步进凑有序，又保证了精度需求。滚珠丝杠副连接，并给联轴器预留了足够了装配空间。同时在模拟实际使用情况时，在保证行程要求的前提下，工作台不会触碰到连接座，可以安全使用。3、控制系统硬件设计3.1控制系统硬件组成考虑控制系统中需要不同的稳压电平，因此需要引入电源设计电路；CPU控制电路主要对电机信号进行控制，并接收外部限位开关、暂停和点动输入信号，电路为TTL电平，与外部信号电平不输出的电压信号不能直接频处理。3.2控制系统硬件选型微控制器的选用：本次设计选用的的是微机控制系统，X-Y数控工作台要求控制系统计算及方便扩充I/O接口的前提下，我们选择了使用AT89C52作为我们的微处理器，选择此微处理器能够满足任务书给定的相关指标的设计要求。AT89C52单片机主要性能参数及功能特性AT89C52的主要工作特性：·8031CPU（8051的内核）；·8KB的快速擦写Flash1000次；·256字节的RAM，其中高128字节地址被特殊功能寄存器SFR占用；·32跟可编程I/O端口：P0、P1、P2、P3；·2个可编程16位定时器：P3口的第二功能；·具有6个中断源、5个中断矢量、二级优先权的中断系统；·1个数据指针DPTR；定时器/计数器。控制系统在内的低电压、小电流的场合，主要负责给控制系统的主机电路供电；其电路的主要结构如下图所示。光电耦合隔离电路元件的选择：光电隔离是有光耦合器来完成的。光耦合器是以光为媒介传输信号的器件，使其输入侧与输出侧的信号得到了电气隔离，互补影响。我们选用的是普通的信号隔离用光耦合器(TLP521-1)。TLP521-1光耦合器以发光二极管为输入端，光敏晶体管为输出端，能够隔离频率在100kHz以下的信号，满足我此次设计的要求。驱动器件的选择：步进电动机的脉冲分配有多种形式，主要分为硬件环分和软件环分。CH250是三相反应式步进电动机环行分配器的专用芯片，L297和PMM8713是两相步进电动机线，一根脉冲线（或者一根正转脉冲线，一根反转脉冲线）。AT89C52单片机编程步进电机配套的驱动器BD28Nb，输入电机转动方向信号和驱动脉冲，通过驱动器内部电路的环分电路输出步进脉冲控制步进电机转动，实现数控工作台的功能要求。BD28Nb的性能指标如下：电气特性Ti=25℃步进脉冲频率逻辑信号电流绝缘电阻BD28Fb：0～200KHz；BD28Nb：0～10KHz5～10mA500MΩ使用环境及参数冷却方式—10℃～+50℃40%～90%PH重量约Kg电流选择（对BD28Nb/Fb均有效）通过面板上的设定开关第1，2位选择电流。方向控制：（1）通过面板上的设定开关第3位可设定电机运转方向。（2）外部输入信号Cw电平变化亦可改变电机运转方向。注：电机的初始运行方向与电机的接线有关，互换任意两相可以改变初始运行的方向。步进脉冲输入信号Cp:最大通过频率为200KHz（BD28Fb）或10KHz（BD28Nb）。脉冲的低电平时间应大于500nS。使能信号En：（1）EnCp端没有信号时，电机处于半流锁定状态；（2）En端悬空时，驱动器切断电机各相的电流使电机轴处于自由状态，此时步进脉冲Cp将不被响应。输出信号A1、A2，B1、B2:接二相混合式步进电动机的出线。单片机对电磁继电器的控制可以通过ULN2003A来驱动3.3控制系统硬件接口电路设计CPU控制电路：P0P1口作为控制面板的输入信号接收端，检测电动信号输入以及演示输入；P2口是限位信号输入接收端；限位以及暂停信号通过TTL门电路输出暂停中断接入INT0中断输入口。电源设计电路外部进过变压后的交流电源通过整流、滤波、稳压后输出所需的直流电压。KBPC108知道其正向电流为1A，耐压值（最高方向电压）800V，通过桥式整流，将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电。得到比较平滑的输出电压。滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现电容。稳压：电压的稳定在此采用了MC7805三端固定电压稳压器，而为了能获得+5V的稳定电压需要扩展输出电流，因此电源电路设计选择了并联两片MC7805三端固定电压稳压器。输入信号接口电路：钮信号通过TTL门电路输出暂停信号到CPU信号输入CPU的P2口用于CPU对暂停信号检测。3.4驱动系统设计因为我们选用的是90BYG2502步进电机，故选用配套的BD28Nb驱动电源来料。4、控制系统软件设计4.1控制系统软件总体方案设计程序启动后循环检测输入信号，允许点动输入，当演示按钮按下后不允许直接点动输入，要点动输入必须先按暂停按钮。限位信号和暂停按钮要立即响应，因此将这些信号归一后引入外部中断0的服务程序中要对中断触发序将