機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計

機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計說明書學(xué)校名稱： 杭州電子科技大學(xué)信息工程學(xué)院學(xué)生姓名：鄭群波周益民朱建偉繆建立

專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)老師： 張巨勇、金成柱、季國順、劉薇二o一一年一月―、設(shè)計目的機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計是一個重要的時間性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合的運用所學(xué)的理論知識，獨立進(jìn)行的設(shè)計訓(xùn)練，主要目的：通過設(shè)計，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本組成及其想怪知識，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。通過對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握幾種典型傳動元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計計算及選用的方式。通過對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握常用伺服電機(jī)的工作原理、計算控制方法與控制驅(qū)動方式。培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并樹立“系統(tǒng)設(shè)計”的思想。鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫科技論文的能力。二、 設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可用于銑床上坐標(biāo)孔的加工和臘摸、塑料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復(fù)定位精度為土0.02mm，定位精度為0.04mm。設(shè)計參數(shù)如下：負(fù)載重量G=500N；臺面尺寸CXBXH=240mmX254mmX15mm；底座外形尺寸C1XB1XH1=550mmX500mmX184mm；最大長度L=678mm；工作臺加工范圍X=300mm，Y=250mm；工作臺最大快移速度為lm/min。三、 總體方案的設(shè)計（一）機(jī)械傳動部件的選擇1?導(dǎo)軌副的選用導(dǎo)軌副的種類：1）滾柱交叉導(dǎo)軌副是由兩根具有V型滾道的導(dǎo)軌、滾子保持架、圓柱滾子等組成，相互交叉排列的圓柱滾子在經(jīng)過精密磨削的V型滾道面上作往復(fù)運動，可承受各個方向的載荷，實現(xiàn)高精度、平穩(wěn)的直線運動。特點：滾柱導(dǎo)軌塊是一種精密的直線滾動導(dǎo)軌，具有較高的承載能力和較高的剛性，對反復(fù)動作、起動、停止往復(fù)運動頻率較高情況下可減少整機(jī)重量和傳動機(jī)構(gòu)及動力費用。滾柱導(dǎo)軌塊可獲得較高的靈敏度和高性能的平面直線運動。在重載或變載的情況下，彈性變形較小且能獲得平穩(wěn)的直線運動，沒有爬行。3?滾柱導(dǎo)軌塊由于其滾動體一滾柱在滾動時導(dǎo)向好，能自動定心，故可提高機(jī)械的定位精度。4?滾柱導(dǎo)軌塊中的滾柱在基體中循環(huán)運動，故采用滾動導(dǎo)軌塊，不受機(jī)床床身長度的限制，可根據(jù)承載大小及選用規(guī)格確定導(dǎo)軌塊數(shù)量。5?滾柱導(dǎo)軌塊的應(yīng)用面較廣，小規(guī)格的可用在模具、儀器等的直線運動部件上,大規(guī)格的則可用于重型機(jī)床、精密儀器的平面直線運動，尤其適用于NC、CNC數(shù)控機(jī)床。6?滾動摩擦力阻力低，穩(wěn)定性能好；7?起動摩擦力小，隨動性能好；8?接觸面積大，彈性變形量小，有效運動體多，易實現(xiàn)高剛性、高負(fù)荷運動；結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，安裝使用方便。2） 直線滾動導(dǎo)軌副特點：具有摩擦因數(shù)小，不易爬行，便于安裝和預(yù)緊，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，其缺點是抗振性較差，成本較高。直線滾動導(dǎo)軌副有導(dǎo)軌和滑塊兩部分組成，一般滑塊中裝有兩組滾珠，當(dāng)滾珠從工作軌道滾到滑塊短部時，會經(jīng)端面擋板和滑塊中的返回導(dǎo)軌返回在導(dǎo)軌和滑塊之間的滾道內(nèi)循環(huán)滾動。3） 靜壓導(dǎo)軌副特點：將具有一定壓力的油或氣體介質(zhì)通入導(dǎo)軌的運動件與導(dǎo)向支承件之間，運動件浮在壓力油或氣體薄膜之上，與導(dǎo)向支承件脫離接觸至使摩擦阻力大大降低。運動件受外載荷作用后，介質(zhì)壓力會反饋升高，以支撐外載荷。要設(shè)計的X-Y工作臺是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床的，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。2.絲杠螺母副的選用絲杠螺母副的種類：滑動絲杠副：特點：1） 結(jié)構(gòu)簡單、制造容易。由于滑動絲杠副為一般的絲杠制造容易、螺母所組成，故其結(jié)構(gòu)簡單。2） 減速傳動比大，由于當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)過一周時，做得很小，因此，采用滑動絲杠副。3） 摩擦力大、螺母只移動一個導(dǎo)程，而導(dǎo)程可以杠副可以得到很大的減速比。f-D動效率低滑動絲杠副的工作面為滑動摩擦，故其摩擦阻力大，傳動效率低。4） 具有自鎖性。當(dāng)使其螺旋升角小于摩擦角時，具有自鎖性。5） 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)則可以使滑動絲杠副具有自由于絲杠與螺母的嚙合是連續(xù)的，而且同時嗆金多。所以其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無噪聲。但低速或微調(diào)時可能出現(xiàn)爬行。滾珠絲杠副：滾珠絲杠副是在絲杠和螺母的滾道之間放入適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。其作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。絲杠或螺母轉(zhuǎn)動時，帶動滾球沿螺紋滾道滾動，螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾球回程引導(dǎo)裝置，滾球通過此裝置自動返回其入口，形成循環(huán)回路。特點：傳動效率高，運動平穩(wěn)，使用壽命長等特征，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備，精密儀器和數(shù)控機(jī)床等。選用滾珠絲杠副的理由：伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，要滿足0.04mm的脈沖當(dāng)量和土0.02mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力,只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動精度高，動態(tài)響應(yīng)快，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，壽命長，效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。3?伺服電動機(jī)的選擇1） 直流伺服電動機(jī)：直流無刷伺服電機(jī)特點：轉(zhuǎn)動慣量小、啟動電壓低、空載電流??；棄接觸式換向系統(tǒng)，大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速高達(dá)100000rpm；無刷伺服電機(jī)在執(zhí)行伺服控制時，無須編碼器也可實現(xiàn)速度、位置、扭矩等的控制；不存在電刷磨損情況，除轉(zhuǎn)速高之外，還具有壽命長、噪音低、無電磁干擾等特點。直流有刷伺服電機(jī)特點：體積小、動作快反應(yīng)快、過載能力大、調(diào)速范圍寬。低速力矩大，波動小，運行平穩(wěn)。低噪音,高效率。后端編碼器反饋（選配）構(gòu)成直流伺服等優(yōu)點。2） 交流伺服電動機(jī)：異步型交流伺服電動機(jī)特點：異步型交流伺服電動機(jī)指的是交流感應(yīng)電動機(jī)。它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應(yīng)電動機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流電動機(jī)相比，質(zhì)量輕1/2，價格僅為直流電動機(jī)的1/3。缺點是不能經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)范圍很廣的平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)吸收滯后的勵磁電流。因而令電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。同步型交流伺服電動機(jī)：同步型交流伺服電動機(jī)雖較感應(yīng)電動機(jī)復(fù)雜，但比直流電動機(jī)簡單。它的定子與感應(yīng)電動機(jī)一樣，都在定子上裝有對稱三相繞組。而轉(zhuǎn)子卻不同，按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。其中磁滯式和反應(yīng)式同步電動機(jī)存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點。數(shù)控機(jī)床中多用永磁式同步電動機(jī)。與電磁式相比，永磁式優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率較高；缺點是體積大、啟動特性欠佳。但永磁式同步電動機(jī)采用高剩磁感應(yīng)，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動外形尺寸約小1/2,質(zhì)量減輕60%，轉(zhuǎn)子慣量減到直流電動機(jī)的1/5。它與異步電動機(jī)相比，由于采用了永磁鐵勵磁，消除了勵磁損耗及有關(guān)的雜散損耗，所以效率高。又因為沒有電磁式同步電動機(jī)所需的集電環(huán)和電刷等，其機(jī)械可靠性與感應(yīng)（異步）電動機(jī)相同，而功率因數(shù)卻大大高于異步電動機(jī)，從而使永磁同步電動機(jī)的體積比異步電動機(jī)小些。這是因為在低速時，感應(yīng)（異步）電動機(jī)由于功率因數(shù)低，輸出同樣的有功功率時，它的視在功率卻要大得多，而電動機(jī)主要尺寸是據(jù)視在功率而定的。3）步進(jìn)電動機(jī)：反應(yīng)時步進(jìn)電機(jī)：反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子不含永久磁鐵，定子上繞有一定數(shù)量的繞組線圈，線圈輪流通電時，便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場，吸引轉(zhuǎn)子一步一步地轉(zhuǎn)動。繞組線圈一旦斷電，磁場即消失，所以反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)掉電后不自鎖。此類電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，材料成本低，驅(qū)動容易，定子和轉(zhuǎn)子加工方便，步矩角可以做得很小，但動態(tài)性能差一點，容易出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，電動機(jī)溫升較高。永磁式步進(jìn)電動機(jī)：永磁式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子由永久磁鋼制成，定子上的繞組線圈在換相通電時，不需要太大的電流，繞組斷電時具有自鎖能力，這種電動機(jī)的特點是動態(tài)性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，驅(qū)動電流小，電動機(jī)不易發(fā)熱，但制造成本較高。由于轉(zhuǎn)子受磁鋼加工的限制，因而步矩角較大，與之配套的驅(qū)動電源一般要求具有細(xì)分功能?；旌鲜讲竭M(jìn)電動機(jī)：混合式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鋼，可以說是永磁型，但是從定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來看，又和反應(yīng)式相似，所以是永磁式和反應(yīng)式相結(jié)合的一種形式，故稱為混合式。該類電動機(jī)的特點是輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好，步矩角小，驅(qū)動電流小，功耗低，但結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，成本相對較高。因為混合式電動機(jī)的性能/價格比較高，所以目前得到了廣泛的應(yīng)用。選擇的理由：任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有3000r/min，只能選用混合式步進(jìn)電動機(jī)，以減低成本，提咼性價比。4.減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。為此，決定采用無間隙齒輪傳動減速器。5?檢測裝置的選用選用步進(jìn)電動機(jī)作為伺服電動機(jī)后，可選用開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制，任務(wù)書所給的精度對于步進(jìn)電動機(jī)來說還是偏高的，為了確保電動機(jī)在運轉(zhuǎn)過程中不受切削力負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動機(jī)的步矩角相匹配?？紤]到X,Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計工作量，X,Y兩個坐標(biāo)的導(dǎo)軌副，絲杠螺母副，減速裝置，伺服電動機(jī)，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計1） 設(shè)計的X-Y工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。2） 對于步進(jìn)電動機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。3） 要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴(kuò)展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，鍵盤與顯示電路。4） 選擇合適的驅(qū)動電源，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用?？傮w方案圖開環(huán)控制流程圖

四、機(jī)械傳動部件的計算與選型導(dǎo)軌上移動部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌座等,估計重量約為200N.直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型1） 塊承受工作載荷卩max的計算及導(dǎo)軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：F二G+Fmax4其中，移動部件重量G=200N，外加載荷F=N=500N代入式，得最大工作載荷F=70N=0.7kN。max查表3-41，根據(jù)工作載荷F=0.7kN,初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系max列的JSA-LG15型，其額定動載荷C=7.94kN，額定靜載荷C=9.5kN。a 0a任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為240X254mm，加工范圍為300X250mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為520mm。2） 距離額定壽命L的計算上述所取的KL系列JSA-LG15系列導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100C，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。0查表3-36?表3-40，分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度系數(shù)f=1.00，接觸系數(shù)H Tfc=0.81，精度系數(shù)f=0.9，載荷系數(shù)fw=1.5，代入得距離壽命:RwCwx—)3x50q6700Km

Fmax遠(yuǎn)大于期望值100Km，故距離額定壽命滿足要求。滾珠絲杠螺母副的計算與選型1）最大工作載荷Fm的計算工作臺受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=500N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=500N,受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=500N。已知移動部件總重量G=200N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計算，查表取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)卩=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷:Fm=KFx+卩(Fz+Fy+G)二[1.1x500+0.005x(500+500+200)]N?556N2）最大動工作載荷FQ的計算設(shè)工作臺的最快進(jìn)給速度v=1000mm/min,初選絲杠導(dǎo)程Ph=4mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速n二v/Ph=250r/min。取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h，代入L0=60nT/106,得絲杠壽命系數(shù)L0=225（單位為：106r）。取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH=1.0,代入求得最大動載荷：F=3：'LffF沁1244.41NQ 0wHm3）初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表選擇G系列1604-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為16mm，導(dǎo)程為4mm，循環(huán)滾珠為3圈*1系列，精度等級取5級，額定動載荷為4612N，大于F，滿足要Q求。4）傳動效率n的計算將公稱直徑d=16mm,導(dǎo)程P=4mm,代入入二arctan[P/（nd）]，得絲杠螺旋0 h h 0升角入=4°33'。將摩擦角屮=10',代入n=tan入/tan（入+屮），得傳動效率n=96.4%。5）剛度的驗算（1） X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式，絲杠的兩端各采用-對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為a=310mm；鋼的彈性模量E=2.1x105Mpa;查表得滾珠直徑D=2.381mm，絲杠底徑w

d=13.1mm,絲杠截面積S二兀d2/4=134.71m2。22忽略公式中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量Fa1沁0.0018。170.5x310Fa1沁0.0018。2.1x105x134.71（2）根據(jù)公式Z=Sd/D）-3，求得單圈滾珠數(shù)Z=18；該型號絲杠為單螺母,0W滾珠的圈數(shù)X列數(shù)為3x1,代入公式Z=Zx圈數(shù)x列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z=54。E s絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力F=F/3=185.3N。則由公式求得滾珠與螺紋滾道間YJm的接觸變形量5二0.0013 一-0.0021。2 訂DFZ2/10*10WYJE因為絲杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3,所以實際變形量可以減少一半，取5=0.00105mm。2（3）將以上算出的5和5代入5=5+5，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度500mm）1 2 總125=0.00285mm總絲杠的有效行程為337mm，由表知，5級精度滾珠絲杠有效行程在＜315時,行程偏差允許達(dá)到23卩m，可見絲杠剛度足夠。6）壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式計算失穩(wěn)時的臨界載荷F。查表取支承系數(shù)f=1；由絲杠底徑K kd=13.1mm求得截面慣性矩11=兀d4/64?444.89mm4；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取322（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值310mm。代入J兀2EI得臨界載荷F― =21427N，遠(yuǎn)大于工作載荷F=155N，故絲杠不會失穩(wěn)。K Ka2 m綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型1）計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq已知：滾珠絲杠的公稱直徑d=16mm，總長l=337mm，導(dǎo)程Ph=4mm，材料密0度P=7.85x10-3kg/cm2;移動部件總重力G=20N.

算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下:nlpR4J二一

s2滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量J=4.57kg?cm2;初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為110BF003,s為三相反應(yīng)式，步距角為0.75。，從表查得該型號的電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量J=5.5kg?cm2。m則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為:J二J+J+J=4.57kg?cm2

eqmWS2)計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載和承受最大負(fù)載兩種情況進(jìn)行計算。快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T由公式可知，T包括三eq1 eq1部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩T ；一部amax分是移動部件運動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩T；還有一部分是滾珠絲f杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T。因為滾珠絲杠副傳動效率很0高，根據(jù)公式可知，T相對于T和T很小，可以忽略不計。則有：0 amax fT二T +Teq1amaxf考慮傳動鏈的總效率H,計算空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩:其中：2兀Jn1T 二 eqmX—amax 60t 耳an=Vmaxa=166.67r/minm3605式中V一空載最快移動速度，任務(wù)書指定為1000mm/min；maxa—步進(jìn)電動機(jī)步距角，預(yù)選電動機(jī)為0.75；5一脈沖當(dāng)量，本例6=0.02mm/脈沖。設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至n所需時間t=0.5，傳動鏈總效率耳=0.8。則求得:m a

==0.01968N-mamax移動部件運動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為:2nqi=3.18x10-3N-m0.005x2nqi=3.18x10-3N-m2nx0.8x1式中H 導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動導(dǎo)軌取0.005F 垂直方向的銑削力，空載時取0zH——傳動鏈效率，取0.8最后求得快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：T=T+T=0.02286N?meq1amaxf最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2T包括三部分：一部分是折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T；一eq2 t部分是移動部件運動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩T；還有一部分是滾珠f絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T，T相對于T和T很小，可0 0 ft以忽略不計。則有：T二T+Teq2tj其中折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T由公式計算。有:tt=0.119N?mFP150x0.004f—丄=t=0.119N?m2nHi 2nx0.8x1再計算垂直方向承受最大工作負(fù)載情況下，移動部件運動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩:卩（F+卩（F+G）P2nHi0.005x（150+800）x0.0042nx0.8x1=3.78x10-3N?m最后求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩:T=T+T=0.1227N?m

eq2 tf最后求得在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為:T二maxT+TL0.2286N-meq eq、 eq?步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)T來選擇步進(jìn)電動eq機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。取K=4,則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：T>4T二0.914N-mjmax eq初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為75BC380A，由表查得該型號電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩T=0.98N-m?？梢姡瑵M足要求。jmax步進(jìn)電動機(jī)的性能校核最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度v=1000mm/min，求出其對應(yīng)運行頻率f二?二1000二3333H。在此max max60S 60X0.005 z頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=0.02168N?m,滿eq1足要求。(2)最快空載移動時電動機(jī)運行頻率校核與快速空載移動速度v=1000mm/min對應(yīng)的電動機(jī)運行頻率為f=3333H。查表可知75BC380Amax max z電動機(jī)的空載運行頻率可達(dá)22000H，可見沒有超出上限。z起動頻率的計算已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量J二1.182kg-cm2，電動eq機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量J=0.2kg-cm2，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的空載起動頻率mf=2200H。由公式可知步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為：TOC\o"1-5"\h\zq Zff二q=836.9HL .1+J/J zeqm說明：要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于836.9H。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100H。z z綜上所述，本次設(shè)計中工作臺的進(jìn)給傳動系統(tǒng)選用75BC380A步進(jìn)電動機(jī)，完全滿足設(shè)計要求。繪制進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖如圖5.1所示。圖5.1進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖五、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅(qū)動、傳感器、人機(jī)交互界面。硬件系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意幾點：電機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價低、可維護(hù)性、人機(jī)交互界面可操作性比較好。CPU板CPU的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號很多，而目前市場上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機(jī)，MCS-96系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運算和擴(kuò)展能力。但是定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。從要設(shè)計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機(jī)需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑提高了設(shè)計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機(jī)的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產(chǎn)領(lǐng)域ATMEL公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產(chǎn)品，9表示內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲器容量為4KB、16位定時器2個、中斷源6個(看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷)、RAM為128B、14位的計數(shù)器WDT、I/O口共有32個。CPU接口設(shè)計CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅(qū)動部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖:圖5-1CPU外部接口示意圖AT89S51要完成的任務(wù)：（1） 將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入CPU,通過中斷進(jìn)行處理，它的優(yōu)先級別最高。（2） 通過程序?qū)崟r控制電機(jī)和電磁鐵的運行。（3） 接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應(yīng)到LED上，實現(xiàn)人機(jī)交互作用。由于AT89S51只有P1口和P3口是準(zhǔn)雙向口，但P3口主要以第二功能為主,并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進(jìn)行I/O擴(kuò)展?？紤]到電路的簡便性和可實現(xiàn)性，實際中采用內(nèi)部自帶鎖存器的8155，所以AT89S51的I/O口線分配如下：（1） P1.0-P1.5控制X-Y兩個方向步進(jìn)電機(jī)的A、B、C線圈通電，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正轉(zhuǎn)模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反轉(zhuǎn)模式。（2） P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。（3） P3.2和P3.3兩個中斷源中INTO優(yōu)先級最高，它讀入行程開關(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀入點動、復(fù)位、圓弧插補(bǔ)開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。（4） P0.0-P0.7外部I/O擴(kuò)展的數(shù)據(jù)讀取。（5） P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址。圖5-2AT89S51控制系統(tǒng)圖PB口接LED反映當(dāng)前運行的8個狀態(tài)：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手動X+運行、手動X-運行、手動Y+運行、手動Y-運行。PA口低四位反映觸發(fā)中斷1的4個行程開關(guān)的狀態(tài)。PC口低6位反映了觸發(fā)中斷2的手動X+運行、手動X-運行、手動Y+運行、手動Y-運行、復(fù)位（RST）、圓弧插補(bǔ)6個開關(guān)的狀態(tài)。*非t1申諭馮W「■ ? ?PAPC口r圖5-3驅(qū)動系統(tǒng)傳動驅(qū)動部分包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、定位和退刀時能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。在定位和退刀時電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時能及時釋放磁力使筆尖壓下。1）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路和工作原理步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計時的脈沖當(dāng)量為0.005mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺直線行進(jìn)0.005mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù)CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。X-PA5VCCT■00Q27VCC?K63X-PA5VCCT■00Q27VCC?K639014圖5-4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時，電動機(jī)轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。

步進(jìn)時鐘jLnLnLnmmL^^nLnL^A相波形_l B相波形 —C相波形 圖5-5 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)）2）電磁鐵驅(qū)動電路該驅(qū)動電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對簡單。其光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管，因為驅(qū)動電磁鐵的電流比較大。3）電源設(shè)計圖5-7電源轉(zhuǎn)換電路圖兩電機(jī)同時工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)中用到的電源電壓為27V、12V、5V,為了便于管理和電源容量需求，就采用了標(biāo)準(zhǔn)的27V電源作為基準(zhǔn)，通過芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V和5V電壓。

電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個電容，前面電容起防止自激作用，后面電容起濾波作用。此外，在具體應(yīng)用的過程中，LM7805必須加上散熱片。圖5-7電源轉(zhuǎn)換電路圖傳感器和人機(jī)界面由于步進(jìn)電機(jī)不需要反饋電路，但是要注意工作臺不能超過最大行程。因此,必須在X、Y軸的方向各加上兩個行程開關(guān)。這里行程開關(guān)作用有兩個：（1）防止工作臺超過最大行程，使電機(jī)損壞（2）可以用與定位。所以這4個行程開關(guān)就充當(dāng)了傳感器。人機(jī)界面設(shè)計的準(zhǔn)則就是要有良好的人機(jī)交互能力，一般要求操作簡便，界面簡潔明了。此系統(tǒng)中共有9個LED,LED1燈亮表示X軸負(fù)方向禁止通行，LED2燈亮表示X軸正方向禁止通行，LED3燈亮表示Y軸負(fù)方向禁止通行，LED4燈亮表示Y軸正方向禁止通行，LED5燈亮表示手動使工作臺向X軸負(fù)方向通行，LED6燈亮表示手動使工作臺向X軸正方向通行，LED7燈亮表示手動使工作臺向Y軸負(fù)方向通行，LED8燈亮表示手動使工作臺向Y軸正方向通行，LED9亮表示系統(tǒng)通電運行。界面上的7個按扭意義為：按扭1是通斷電開關(guān)，按扭2是向X軸負(fù)方向運行的點動開關(guān)，按扭3是向X軸正方向運行的點動開關(guān)，按扭4是向Y軸負(fù)方向運行的點動開關(guān)，按扭5是向Y軸正方向運行的點動開關(guān)，按扭6是復(fù)位開關(guān)，按扭7是執(zhí)行繪制圓弧開關(guān)。?LED8?LED5珥通行丿LED9?LED5珥通行?LED6總開關(guān)工-通行X+通行?LED7、、vLED1總開關(guān)工-通行X+通行?LED7、、vLED1X-禁止$LED2X+禁止?LED3Y-?LED3Y-禁止^LED4Y+禁止復(fù)位繪制圓弧復(fù)位圖5-8人機(jī)界面圖

六、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計1.總體方案對于AT89S51的程序設(shè)計，由于所需實現(xiàn)的功能較簡單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil7.02b。該編譯器是51系列單片機(jī)程序設(shè)計的常用工具，既可用匯編，也支持C語言編譯。同時具有完善的調(diào)試功能。2.主流程圖圖6-1CTL圖6-1CTLEQU3FF8HPAEQU3FF9HPBEQU3FFAHPCEQU3FFBHCMDEQU02HORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPINT0IS；外部中斷0入口ORG000BHAJMPTM0IS；定時器0中斷入口ORG0013HAJMPINT1IS；外部中斷1入口ORG001BHAJMPTM1IS；定時器1中斷入口ORG0100HMAIN：ANLP1，0EFHSETBITO；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā)SETBIT1MOVA，CTLMOVDPTR，AMOVX@DPTR,CMD；A口輸入，B口輸出,C口輸入SETBEX0；允許外中斷0SETBEX1；允許外中斷1SETBPX0SETBPX1；設(shè)置優(yōu)先級SETBEA；開總中斷LOOP：AJMPLOOP；等待中斷在等待中斷的過程中，如果有中斷到來，先檢查中斷0的狀態(tài)，是中斷0則進(jìn)入中斷0的中斷服務(wù)INT0IS，是中斷1則進(jìn)入中斷1的中斷服務(wù)INT1IS。中斷服務(wù)0是由4個行程開關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機(jī)讀取PA口內(nèi)容,然后將結(jié)果反饋到PB口的LED上。中斷服務(wù)1有6個中斷源，這六個中斷源分別是手動X正方向運行，手動X負(fù)方向運行，手動Y正方向運行，手動Y負(fù)方向運行，復(fù)位和繪制圓弧。3.INTO中斷服務(wù)流程圖圖6-2INT0IS：PUSHACCPUSHDPTLPUSHDPTHPUSHPSWMOVA,PAMOVDPTR，AMOVXA，@DPTR;讀PA口內(nèi)容MOVR2，AMOVA，PBMOVDPTR,AMOV@DPTR,R2MOVA，R2CPLA；A取反ANLA，#03H;屏蔽咼6位JZA，TM2CSETBP1.0SETBP1.1SETBP1.2TM2C：MOVA，R2CPLAANLA，#0CHJZA，RETINSETBP1.3SETBP1.4SETBP1.5RETIN：POPPSWPOPDPTHPOPDPTLPOPACCRETIINTI中斷服務(wù)流程圖PC口內(nèi)容傳到A中復(fù)位程序手動X正向運F手動X負(fù)向運F手動Y正向運尸手動Y負(fù)向運尸繪制圓弧F恢復(fù)也場，打開外部牯斷比中斷返回圖6-3INT1IS：CLREX1MOVA,@DPTRPUSHACCJNBACC.4,RSTPUSHPSWJNBACC.0,X+ENPUSHDPTLJNBACC.1,X-ENPUSHDPTHJNBACC.2,Y+ENCLRP1.6JNBACC.3,Y-ENMOVA,PCJNBACC.5,ARCMOVDPTR,ALOOP1：POPDPTHMOVXA,@DPTR；讀PC口內(nèi)容POPDPTLMOVR1,APOPPSWANLR1,#0FHPOPACCMOVA,PBSETBEX1MOVDPTR,ARETIMOVA,@DP