1、设计组号： 1 机电一体化系统综合课程设计X-Y 数 控 工 作 台 设 计 说 明 书学 校 名 称 ： 杭州电子科技大学设 计 组 长 ： 金 婕设 计 队 员 ： 谢 金 花 谢 艳 陈 磊 陈 胜指 导 老 师 ： 吴 立 群 于 保 华 叶 凌 云 二七年三月 一、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 C1B1H1210mm22
2、0mm140mm；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
3、命令通过键盘操作实现。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，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 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N3214560
4、17.809Y 向拖板（下拖板）尺寸： 14560重量：约 90N。上导轨座（连电机）重量： 223(20143828)7.1.017()N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）取动导轨长度 10Bl动导轨行程 5支承导轨长度 BLl下导轨（Y 向）50l10Bl1选择导轨的型号：GTA16 、直线滚动轴承的选型上导轨 240()XGN下导轨 87()Y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
5、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，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。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
6、的情况计算。、最大动负载 Q 的计算3HLfP查表得系数 ， ，寿命值1f60nTL查表得使用寿命时间 T=15000h，初选丝杠螺距 t=4mm，得丝杠转速max10125(/min)4Vnrt所以 6250LX 向丝杠牵引力1.4xxPfG当 ()f当 当 量 摩 擦 系 数023.9)NY 向丝杠牵引力 1.402874.06()yyf当所以最大动负荷X 向 351.3920.6()xQNY 向 247y查表，取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副 01dm的型号为 SFK1004，其额定动载荷为 390N，足够用。、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
7、符 号 计算公式和结果公称直径 0d10螺距 t4接触角 5钢球直径 q2螺纹滚道法面半径 R0.1.4qd偏心距 e/sin0.3螺纹滚道螺纹升角 0arc726tg螺杆外径 d.59.qdd螺杆内径 l 08leR螺杆螺杆接触直径 z cos.zq螺母螺纹外径 D2102螺母 螺母内径（外循环） 110.5.qdd见表 2-1。、传动效率计算 7.260.973()()tgt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0L01LEFAY 向所受牵引力大，故应用 Y 向参数计算24.7()PN0.4()Lcm6201/)cm材 料 为 钢2 2.79
8、8340.5FRc所以 616.1.().LmA丝杠因受扭矩而引起的导程变化量 很小，可以忽略。2LA所以导程总误差60110.23/.4LmA查表知 E 级精度的丝杠允许误差 ，故刚度足够。5、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 b取系统脉冲当量 ，初选步进电机步距角 。0.1/pmstep1.5b、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 s式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。s若取 ，则 ，且 ，所以bpSPG36()2pSbPG
9、TNcmA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S zP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） ；Tb电机轴负载力矩（ ）cmA本例中，取 （淬火钢滚珠导轨的摩擦系数） ， ， 为丝杠牵引力，0.30.96S。考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取 ，所以24.7sHP 287yGN6.1247.081.3()596TNcmA若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩 0.3qT取安全系数为 0.3，则 1.4.2qcA对于工作方式为三相六拍的三相步进电机max5.10.86qjTNcmA、步进电机的最高工作频率
10、 axmax17()6.1pVf Hz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 步进电机参数主要技术数据 外形尺寸 ()m型 号 步距角最 大静 转 距NcmA最 高 空载 启 动频 率 ()/step相数电压 ()V电流 A外径 长度 轴径重量(N45BF005- 1519.6 3000 3 27 2.5 45 58 4 112.5、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1.5b 4tm，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比0.1/pmstep2360.360.154bZit选 ， 。17282.6、确定齿轮模数及有关
11、尺寸因传递的扭距较小，取模数 ，齿轮有关尺寸见表 3-3。1m2.7、步进电机惯性负载的计算表 2-3 齿轮尺寸Z17 28171914.55 283025.55dmZ2a1.5f36bm12da17.5根据等效转动惯量的计算公式，得 22103180pd bZJJM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d 2kgcmA0J（ ） ； 齿轮 的转动惯量（ ） ； 齿轮 的转动惯量（ ） ；2kgcmA1J 2 2kgcmA滚珠丝杠的转动惯量（ ） ；M移动部件质量（ ） 。3J2kgcAkg对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算 3420.781DLm式中：D圆柱
12、零件直径（cm） ；L零件长度（cm） 。所以 343215.2610J kgcA207829m34323.1.Jkc电机轴转动惯量很小，可以忽略，则 23 37.260.9108d 252.15.43480kgmA因为 ，所以惯性匹配比较符合要求。.0.31927dMJ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、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，而目前
13、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、Simens，其中在 CMOS 器件
14、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 1 中断
15、） 、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，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
16、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 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
17、、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-P0.7 AD0AD7P2.7 CEP2.6 IO/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、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
18、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
19、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
20、：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。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
21、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，图 3-6 电磁铁驱动电路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，但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）可以用与定位。所以这 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，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
22、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 轴正方向运行的点动开关，按扭 6 是复位开关，按扭 7 是执行
23、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；此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用工具，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CTL EQU 3FF8HPA EQU 3FF9HPB EQU 3FFAHPC E
24、QU 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 P1，0EFHSETB IT0 ；外中断负跳沿触发图 4-1 SETB IT1MOV A，CTLMOV DPTR，AMOVX DPTR，CMD；A 口输入，B 口输出，C 口输入SETB EX0 ；允许外中断 0SETB EX1 ；允许外中断
25、 1SETB PX0SETB 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，它触发后通过单片机读取 PA 口内容，然后将结果反馈到 PB 口的 LED 上。上电复位P1.6=0，吸合电磁铁，绘笔抬起外部中断，8155 初始化开外部中断，开总中断等待中断中断服务 1 有 6 个中断源，这六个中断源分别是手动 X 正方向运行，手动 X 负方向运行，手动
26、 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 ACCPUSH DPTLPUSH DPTHPUSH PSWMOV A，PAMOV DPTR，AMOVX A，DPTR ；读 PA 口内容MOV R2，AMOV A，PBMOV DPTR,AMOV DPTR,R2MOV A，R2CPL A ；A 取反ANL A，#03H ；屏蔽高 6 位JZ A，TM2CSETB P1.0SETB P1.1SETB P1.2TM2C： MOV A，R2CPL AANL A，#0CHJZ A，RETINSETB P1.3图 4-2 SETB P1.4SE
27、TB P1.5RETIN：POP PSWPOP DPTHPOP DPTLPOP ACCRETI4.4 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+ENPUSH DPTL JNB ACC.1，X-ENPUSH DPTH JNB ACC.2，Y+EN CLR P1.6 JNB ACC.3，Y-ENMOV A，PC JNB ACC.5，ARC MOV DPTR，A LOOP1：POP DPTHMOVX A，DPTR；读 PC 口内容 POP DPTLMOV R1，A POP PSWA
28、NL R1，#0FH POP ACCMOV A，PB SETB EX1MOV DPTR，A RETIMOV A，DPTR；读 PB 口内容ANL A，#0FHSWAP AORL A，R1MOV R2，AMOV A，PBMOV DPTR，AMOVX DPTR，R2 ；数据输入 PB 口INC DPTL4.4.1 复位程序流程图 DIRX EQU 30HDIRY EQU 31HRST： CLR P1.6RPA： MOV A，PAMOV DPTR，AMOVX A，DPTR ；读 PA 口内容JNB ACC.0，ACC2MOV DIRX，#00H ；表 X 电机反转ACALL XMOTOR0 ；X 电
29、机反转一步ACC2： JNB ACC.2，LOOP0MOV 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 P1.6MOV A，PAMOV DPTR， AMOVX A，DPTRJNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01HACALL XMOTOR0MOV A，PCMOV DPTR，AMOV A，DPTRJNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1这是 X 轴电机点动正转的程序，其他的 X 轴电机点动反转、
30、 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-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
31、 EQU 12H SJMP LP3MOV DEF，#00H TAB： DB FEHXMOTOR1：JNE DIRX，#01H，XMOTOR0 DB FCHJNE DEF，#05H ，LP2 DB FDHCLR DEF DB F9H LP2： MOV A，DEF DB FBHINC DEF DB FAHLP3： MOV DPTR，#TABMOVC A，A+DPTRANL P1，A ACALL DELAYRETXMOTOR0：JNE DEF， #00H，LP4 MOV A，#05HMOV DEF，ALP4： MOV A，DEFDEC DEF五、附录参 考 文 献1 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应
32、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 ,记名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,200311 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,200013.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,2000
