机电一体化设计
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: 齐齐哈尔大学大学
设计队员: 郑四成 李明 郭正钢 杨宝成
指导老师: 曹忠亮
二〇一二年十二月
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C×B×H=145mm×160mm×12mm;底座外形尺寸C1×B1×H1=210mm×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。
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 145×160×50 重量:按重量=体积×材料比重估算
145⨯160⨯50⨯10
-3
⨯7.8⨯10
-2
≈90N
Y向拖板(下拖板)尺寸: 145⨯160⨯50 重量:约90N。
上导轨座(连电机)重量:
(220⨯140⨯38+2⨯155⨯π⨯8)⨯7.8⨯10
2
-2
⨯10
-3
+1.1⨯10≈107(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
⑴、导轨型式:圆形截面滚珠导轨 ⑵、导轨长度
①上导轨(X向)
取动导轨长度 lB=100 动导轨行程 l=55
支承导轨长度 L=lB+l=155 ②下导轨(Y向)
l=50 lB=100 L=150
选择导轨的型号:GTA16 ⑶、直线滚动轴承的选型 ①上导轨
GX=240(N)
②下导轨
GY=287(N)
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。
⑷、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Ⅰ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Ⅱ或Ⅲ时,两端滚动体受力不相等,变形不一致,使工作台倾斜α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。应按铣削时的情况计算。
⑴、最大动负载Q的计算
Q=
ωfHP
查表得系数fω=1,fH=1,寿命值
L=
60nT10
6
查表得使用寿命时间T=15000h,初选丝杠螺距t=4mm,得丝杠转速
n=
1000Vmax
t
6
=
1000⨯1
4
=250(r/min)
所以 L=
60⨯250⨯15000
10
=225
X向丝杠牵引力
Px=1.414f当Gx (f当——当量摩擦系数)
=1.414⨯0.01⨯240=3.39(N)
Y向丝杠牵引力
Py=1.414f当Gy
=1.414⨯0.01⨯287=4.06(N)
所以最大动负荷 X向
Qx=Y向
Qy=
1⨯1⨯3.39=20.6(N) 1⨯1⨯4.06=24.7(N)
查表,取滚珠丝杠公称直径 d0=10mm,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。 ⑵、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
⑶、传动效率计算
η=
tgγtg(γ+ϕ)
=
tg7.26
tg(7.26+0.2)
=0.973
式中:ϕ——摩擦角;γ——丝杠螺纹升角。
⑷、刚度验算
滚珠丝杠受工作负载P引起的导程L0的变化量
L1=±
PL0EF
Y向所受牵引力大,故应用Y向参数计算
P=24.7(N) L0=0.4(cm) E=20.6⨯10(N/cm) (材料为钢)
6
2
⎛0.798⎫22
F=πR=3.14 ⎪=0.5(cm)
⎝2⎭
2
所以 L1=±
24.7⨯0.520.6⨯10⨯0.5
6
=±1.2⨯10
-6
(cm)
丝杠因受扭矩而引起的导程变化量 L2很小,可以忽略。 所以导程总误差
= L
100L0
=1.2⨯10
-6
1000.4
=3(μm/m)
查表知E级精度的丝杠允许误差15μm,故刚度足够。 ⑸、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
⑴、步进电机的步距角θb
取系统脉冲当量δp=0.01mm/step,初选步进电机步距角θb=1.5 。
⑵、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
Tϕη=Ps
式中:ϕ ——电机转角;s ——移动部件的相应位移;η ——机械传动效率。
若取 ϕ=θb,则s=δp,且P=PS+μG,所以
36δp[PS+μG]
2πθbη
T=(N cm)
式中:PS ——移动部件负载(N);G——移动部件重量(N); Pz——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力(N);μ ——导轨摩擦系数;θb——步进电机步距角,(rad);T——电机轴负载力矩(N cm)
本例中,取μ=0.03(淬火钢滚珠导轨的摩擦系数),η=0.96,PS为丝杠牵引力,
Ps=PH=24.7N。考虑到重力影响,Y向电机负载较大,因此取G=Gy=287N,所以
T=
36⨯0.01[24.7+0.03⨯287]
2π⨯1.5⨯0.96
=1.33(N cm)
若不考虑启动时运动部件惯性的影响,则启动力矩
Tq=
T0.3~0.5
1.330.3
=4.42(N cm)
取安全系数为0.3,则 Tq=
对于工作方式为三相六拍的三相步进电机
Tjmax=
Tq0.866
=5.1 (N cm)
⑶、步进电机的最高工作频率 fmax=
1000Vmax
60δp
=
1000⨯160⨯0.01
=1667(Hz)
查表选用两个45BF005-Ⅱ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
2.5、确定齿轮传动比
因步进电机步距角θb=1.5,滚珠丝杠螺距 t=4mm,要实现脉冲当量
δp=0.01mm/step,在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比
Z1Z2
i==
δp⨯360θbt
=
0.01⨯3601.5⨯4
=0.6
选 Z1=17 ,Z2=28 。
2.6、确定齿轮模数及有关尺寸
因传递的扭距较小,取模数m=1mm,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
⎛2
δp⎛Z⎫
=J0+J1+ 1⎪(J2+J3)+M
π⎝Z2⎭ θb⎝180
⎫⎪⎪ ⎪⎭
2
Jd
式中: Jd ——折算到电机轴上的惯性负载(kg cm2); J0——步进电机转轴的转动惯量(kg cm2);J1——齿轮 的转动惯量(kg cm2);J2——齿轮 的转动惯量(kg cm2);
J3——滚珠丝杠的转动惯量(kg cm);M——移动部件质量(kg)。
2
对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算
J=0.78⨯10
-3
DL(kg cm
4
2
)
式中:D——圆柱零件直径(cm);L——零件长度(cm)。 所以
J1=0.78⨯10
-3
⨯1.7⨯0.5=3.26⨯10
4
4-3
(kg cm)
2
J2=0.78⨯10J3=0.78⨯10
-3
⨯2.8⨯0.5=23.9⨯10⨯1⨯5=3.9⨯10
4
-3
-3
(kg cm)
2
2
-3
(kg cm)
电机轴转动惯量很小,可以忽略,则 Jd=3.26⨯10
-3
⎛17⎫+ ⎪⎝28⎭
2
2
(23.9+3.9)⨯10-3
⎛⎫ 0.001⎪-52
+25 ⎪=0.4⨯10(kg m)
3.14 ⨯1.5⎪ ⎪⎝180⎭
因为
14
JdJM
=
0.41.274
=0.319
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)、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:
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、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。
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: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
图3-6 电磁铁驱动电路
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,
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 3FF8H
PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAH PC EQU 3FFBH CMD EQU 02H
ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H
AJMP INT0IS ;外部中断0入口 ORG 000BH
AJMP TM0IS ;定时器0中断入口
ORG 0013H
AJMP INT1IS ;外部中断1入口 ORG 001BH
AJMP TM1IS ;定时器1中断入口
ORG 0100H
MAIN:ANL P1,0EFH
SETB IT0 ;外中断负跳沿触发
图4-1 SETB IT1 MOV A,CTL MOV 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,它触发后通过单片机读取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
图4-2 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 P1.2 TM2C: MOV A,R2 CPL A
ANL A,#0CH JZ A,RETIN
SETB P1.3
SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN:POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC
RETI
4.4 INT1中断服务流程图
INT1IS:CLR EX1 MOV A,@DPTR
PUSH ACC JNB ACC.4,RST PUSH 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,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 DPTL
4.4.1 复位程序流程图
DIRX EQU 30H
DIRY EQU 31H RST: CLR P1.6 RPA: MOV A,PA
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 RPA LOOP0:AJMP LOOP1
4.4.2 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,LOOP2 MOTOR0: MOV DIRX,#01H ACALL XMOTOR0 MOV A,PC MOV DPTR,A MOV A,@DPTR JNB ACC.0,MOTOR0 LOOP2: 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、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F>0,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F<0,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 LP3 MOV DEF,#00H TAB: DB FEH
XMOTOR1: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 FAH LP3: MOV DPTR,#TAB MOVC A,@A+DPTR ANL P1,A
ACALL DELAY RET
XMOTOR0:JNE DEF,#00H,LP4 MOV A,#05H MOV DEF,A LP4: 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,2003
[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,2001
[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,2002
[4] 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,2002
[5] 李建勇.机电一体化技术.科学出版社.2004
[6] 王爱玲,白恩远,赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,2001
[7] 徐灏.机械设计手册(3).机械工业出版社,2003
[8] 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,2004
[9] 徐灏等.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2000
[10] 濮良贵 ,记名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2003
[11] 吴振彪.机电综合设计指导[M].湛江:湛江海洋大学,1999
[12].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,2000
[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,2000