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1、 总体方案设计1.1 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CBH145mm160mm12mm; 底座外形尺寸C1B1H1210mm220mm140mm; 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。1.2 总体方案确定( 1) 系统的运动方式与伺服系统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。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结
2、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) 计算机系统本设计采用了与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命令经过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。( 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, 因此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
3、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1-1 系统总体框图二、 机械系统设计2.1、 工作台外形尺寸及重量估算X向拖板( 上拖板) 尺寸: 长宽高 14516050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。2.2、 滚动导轨的参数确定、 导轨型式: 圆形截面滚珠导轨、 导轨长度上导轨( X向)
4、取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 下导轨( Y向) 选择导轨的型号: GTA16 、 直线滚动轴承的选型上导轨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。、 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,
5、 使工作台倾斜角, 由此造成误差。另外, 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。、 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, 得丝杠转速因此 X向丝杠牵引力 Y向丝杠牵引力因此最大动负荷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。、 滚珠丝杠螺母
6、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) 见表2-1。、 传动效率计算式中: 摩擦角; 丝杠螺纹升角。、 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 因此 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小, 能够忽略。因此导程总误差查表知E级精度的丝杠允许误差, 故刚度足够。、 稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承, 故不需要稳定性验算。2.4、 步进电机的选用、 步进电机的步距角取系统脉冲当量, 初选
7、步进电机步距角。、 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, 因此式中: 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, 因此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
8、, 则 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 、 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2-2。表2-2 步进电机参数型 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45BF005-1519.630003272.545584112.5、 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 , 。2.6、 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。2.7、 步进电机惯性负载的计算表2-3 齿轮尺寸 1728171
9、914.55 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) 。因此电机轴转动惯量很小, 能够忽略, 则因为, 因此惯性匹配比较符合要求。三、 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、
10、 造价低、 可维护性、 人机交互界面可操作性比较好。3.1 CPU板3.1.1 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, 而当前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多, 如当前应用最广的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。可是定位合理的单片机能够节约资源, 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
11、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、 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, 在程序开发过程中能够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, 而且采用静态时钟方式能够节省电能。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
12、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。3.1.2 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, 经过中断进行处理, 它的优先级别最高。( 2) 经过程序实时控
13、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, 而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, 因此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
14、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AT89S51键盘电磁铁8155 图3-2 AT89S51控制系统图PB口接LED反映当前运行的8个状态: X+禁止、
15、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。3.2 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。3.2.1 步进电机驱动电路和工作原理步进电机的速度控
16、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经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, 限制经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
17、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) 3.2.2 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3.2.3 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
18、源容量需求, 就采用了标准的27V电源作为基准, 经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。另外, 在具体应用的过程中, LM7805必须加上散热片。3.3 传感器和人机界面 由于步进电机不需要反馈电路, 可是要注意工作台不能超过最大行程。因此, 必须在X、 Y轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个: ( 1) 防止工作台超过最大行程, 使电机损坏( 2) 能够用与定位。因此这4个行程开关就充当了传感器。人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力, 一般要求操作简便,
19、界面简洁明了。此系统中共有9个LED, LED1灯亮表示X轴负方向禁止通行, LED2灯亮表示X轴正方向禁止通行, LED3灯亮表示Y轴负方向禁止通行, LED4灯亮表示Y轴正方向禁止通行, LED5灯亮表示手动使工作台向X轴负方向通行, LED6灯亮表示手动使工作台向X轴正方向通行, LED7灯亮表示手动使工作台向Y轴负方向通行, LED8灯亮表示手动使工作台向Y轴正方向通行, LED9亮表示系统通电运行。界面上的7个按扭意义为: 按扭1是通断电开关, 按扭2是向X轴负方向运行的点动开关, 按扭3是向X轴正方向运行的点动开关, 按扭4是向Y轴负方向运行的点动开关, 按扭5是向Y轴正方向运行的
20、点动开关, 按扭6是复位开关, 按扭7是执行绘制圆弧开关。图3-8 人机界面图3.4 本章小节本章着重介绍了数控工作台控制系统的硬件设计。CPU板介绍了CPU的选择及其外围的接口设计和控制流程; 驱动系统介绍了步进电机和电磁铁的驱动电路设计; 另外还叙述了人机界面各个按扭和LED的意义。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见工具, 既可用汇编, 也支持C语言编译。同时具有完善的调试功能。4.2 主流程图上电复位P1.6=0, 吸合电磁铁, 绘笔抬起外
21、部中断, 8155初始化开外部中断, 开总中断等待中断CTL EQU 3FF8HPA EQU 3FF9HPB EQU 3FFAHPC EQU 3FFBHCMD EQU 02HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP 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 图4-1 SETB IT1 MOV A, CTL MO
22、V 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。中断服务0是由4个行程开关触发的, 它触发后经过单片机读取PA口内容, 然后将结果反馈到PB口的LED上。中断服务1有6个中断源, 这六个中断源分别是手动X正方向
23、运行, 手动X负方向运行, 手动Y正方向运行, 手动Y负方向运行, 复位和绘制圆弧。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 MOV DPTR,R2 MOV A, R2 CPL A ; A取反 ANL A, #03H ; 屏蔽高6位 JZ A, TM2C SETB P1.0 SETB P1.1 SETB P1.2TM2C: MOV A, R2 CPL A ANL A,
24、 #0CH JZ A, RETIN SETB P1.3图4-2 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN: POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI4.4 INT1中断服务流程图INT1IS: CLR EX1 MOV A, DPTR PUSH ACC JNB ACC.4, RSTPUSH PSW JNB ACC.0, X+EN PUSH DPTL JNB ACC.1, X-EN PUSH DPTH JNB ACC.2, Y+EN CLR P1.6 JNB ACC.3, Y-EN MOV A, PC JNB ACC.5, ARC MOV DPTR,
25、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 ORL A, R1 MOV R2, A MOV A, PB MOV DPTR, A MOVX DPTR, R2; 数据输入PB口 INC DPTL4.4.1 复位程序流程图 DIRX EQU 30H DIRY EQU 31HRST: CLR P1.6RPA: MOV A, P
26、A MOV DPTR, A MOVX A, DPTR ; 读PA口内容 JNB ACC.0, ACC2 MOV DIRX, #00H ; 表X电机反转 ACALL XMOTOR0 ; X电机反转一步ACC2: JNB ACC.2, LOOP0 MOV DIRY, #00H ; 表Y电机反转 ACALL YMOTOR0 ; Y电机反转一步 AJMP RPALOOP0: AJMP LOOP14.4.2 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 JNB ACC.0, LOOP2MOTOR0: MOV DIRX, #0
27、1H 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, 其它的X轴电机点动反转、 Y轴电机点动正转、 Y轴电机点动反转依次类推。4.4.3 绘制圆弧程序流程图 图4-6 逐点比较法画圆弧 逐点比较法原理: 假设所画圆弧在第一象限, 圆心坐标为( 0, 0) , 圆弧上点的坐标为( X, Y) , 圆弧半径为R, 每一点的坐标偏差为F=X*X+Y*Y-R*R, 若F0, 应沿X轴负方向走一步, 此时FX=( X-1) *( X-1) +Y*Y-R*R=F
28、-2X+1, X=X-1; 若F0, 应沿Y轴正方向走一步, 此时FY=X*X+( Y-1) *( Y-1) -R*R=F+2Y+1, Y=Y+1。插补程序见附录。4.4.4 步进电机步进一步程序流程图 图4-7 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, #T
29、AB 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五、 附录参 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, 2 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, 3 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社, 4 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社, 5 李建勇.机电一体化技术.科学出版社. 6 王爱玲, 白恩远, 赵学良.现代数控机床.国防工业出版社, 7 徐灏.机械设计手册( 3) .机械工业出版社, 8 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社, 9 徐灏等.机械设计手册M.北京:机械工业出版社, 10 濮良贵 ,记名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社, 11 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, 13.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,
