X-Y工作臺機電系統(tǒng)設計【X-Y數(shù)控工作臺設計】

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A new generation of CNC systems such typical mechatronics products are moving towards a high-performance, intelligent, systematic and lightweight, miniaturization direction. Vertical milling and horizontal milling machine compared to the major difference is that the vertical spindle arrangement, except for the different arrangement of the spindle, the table can be up and down, vertical milling cutter with relatively flexible, wider scope. You can use mills, floating cutter, drill and so on. Ergonomic machine design, easy to operate; use the operator panel Symbols design, simple and intuitive. ???Technology and modernization of the equipment industry determines the level and degree of modernization of the entire national economy, numerical control technology and equipment is the development of new high-tech industry and cutting-edge technology and industry enabling the most basic equipment, is nowadays advanced manufacturing technology and equipment core technology. CNC technology is a mechanical movement with digital information and work process control technology, CNC numerical control equipment is new technology, mechatronics technology represents for traditional manufacturing industries and emerging manufacturing Penetration of its technology coverage many areas. X-Y table drive way to guarantee a certain transmission accuracy and stability and a compact structure, the use of the ball screw nut transmission pair. To improve the transmission stiffness and eliminate the gap, there is the use of pre-load structure. Due to the weight of the moving parts of the table and the work load is not big, so the selection of linear guides, thereby reducing the coefficient of friction of the table to improve the movement smooth. Keywords: X-Y table, servo motors, machine tool design systems. 目 錄 前言 1 第一章 總體方案設計 2 1.1 總體方案確定 4 第二章 機電系統(tǒng)設計 5 2.1設計任務 5 2.2機電系統(tǒng)總體方案的確定 5 第三章 繪制裝配圖 15 第四章 電氣原理圖設計 15 4.1典型數(shù)控工作臺電氣原理圖 15 4.2單片機的選擇 15 4.3外部程序存儲器的擴展 16 4.4外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展 16 4.5 I/O口擴展電路 16 4.6 顯示器接口設計 17 4.7 鍵盤接口電路設計 17 5.8 步進電機的接口電路設計 17 第五章 控制系統(tǒng)設計 18 5.1 控制系統(tǒng)硬件設計 18 5.2 CPU接口設計 19 5.3 驅動系統(tǒng) 20 第六章 控制系統(tǒng)軟件設計 22 6.1 總體方案 22 6.2主流程圖 23 6.3 X軸電機點動正轉程序流程圖 24 第七章 結論 27 參考文獻 28 致 謝 29 前言 隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，機械加工技術發(fā)生了深刻的變化，一方面是向著提高產品加工的生產效率為主的高度自動化方向發(fā)展，另一方面則是向著以提高產品質量為主的精密化方向發(fā)展。現(xiàn)代機電設備的結構越來越復雜 ,融機、 電、 光、 液等技術于一體功能也越來越復雜和完善。在這種情況下如何提高產品的加工質量成為機械制造行業(yè)迫切需要解決的問題之一。而工作臺是實現(xiàn)高精密加工的核心部件，它的傳動部件的定位精度直接影響系統(tǒng)的加工精度。如何有效地提高機床的定位精度是現(xiàn)在當前研究的一項重要課題。 X - Y工作臺是實現(xiàn)平面X 、Y坐標運動的典型關鍵部件，能分別沿 X向和Y向移動的工作臺稱為X -Y工作臺。其工作原理是 X、Y向均采用伺服電機通過齒輪減速和絲桿傳動后，帶動工作臺做X - Y向的運動。如圖右圖1所示，工作臺由兩個互相獨立的、互為垂直的導向導軌、傳動系統(tǒng)及工作臺面等組成。其中 X向工作臺固定在 Y向工作臺的工作臺面上，由 Y向工作臺帶動其作Y向運動，X向工作臺通過定位銷定位于Y向工作臺上，兩者在水平面上保持正交。工作臺上，動導軌沿著靜導軌做定向直線運動。為保持高剛度和無間隙連接，一個合適的預載荷被施加在滾珠絲杠和滾珠導軌上。伺服電機與滾珠絲杠之間采用剛性聯(lián)軸器直接連接。與伺服圖1X - Y工作臺示意圖電動機直接連接的增量式碼盤被用于速度的反饋。位置測量信號則來自于安裝在工作臺上的直線光柵,位置測量值同時被計算機上的數(shù)據(jù)采集卡所記錄，用來分析 X - Y工作臺的運動精度。位置控制是利用 DSP制造的基于 PC機的運動控制卡來實現(xiàn)。 第一章 總體方案設計 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢。數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 ,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 ,而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大 ,他對國計民生的一些重要行業(yè) IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面:(1)高速、高精加工技術及裝備的新趨勢效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率 ,提高產品的質量和檔次 ,縮短生產周期和提高市場競爭能力。從 EMO2001 展會情況來看 ,高速加工中心進給速度可達 80m/ min ,甚至更高 ,空運行速度可達 100m/ min左右。目前世界上許多汽車廠 ,包括我國的上海通用汽車公司 ,已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。在加工精度方面 ,近 10 年來 ,普通級數(shù)控機床的加工精度已由 10μm提高到 5μm ,精密級加工中心則從 3～5μm ,提 高到 1～1.5μm并且超精密加工精度已開始進入納米級 0.1μm 。為了實現(xiàn)高速、高精加工 ,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展 ,應用領域進一步擴大。(2) 5 軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工 ,可用刀具最佳幾何形狀進行切削 ,不僅光潔度高 ,而且效率也大幅度提高。(3) 智能化、開放式、網絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質量方面的智能化 ,如加工過程的自適應控制 ,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅動性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。 1.1 總體方案確定 （1）系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng) 由于工件在移動的過程中沒有進行切削，故應用點位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標控制。為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動X-Y工作臺。 （2）計算機系統(tǒng) 本設計采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機控制系統(tǒng)。它的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，有較高的性價比。 控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進電機、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺的狀態(tài)。 （3）X-Y工作臺的傳動方式 為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結構緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構。 由于工作臺的運動載荷不大，因此采用有預加載荷的雙V形滾珠導軌。采用滾珠導軌可減少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動。 考慮電機步距角和絲桿導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。 圖1-1 系統(tǒng)總體框圖 第二章 機電系統(tǒng)設計 2.1設計任務 設計一種供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： （1）立銑刀最大直徑d =10 mm； （2）立銑刀齒數(shù)Z=3； （3）最大銑削寬度ae=10 mm； （4）最大銑削深度ap=5mm； （5）加工材料為碳素鋼或有色金屬； （6）X、Y方向的脈沖當量δx = δy = 0.001mm/脈沖； （7）X、Y方向的定位精度均為 ± 0.015 mm； （8）工作臺面尺寸為230 mm×230 mm，加工范圍為180 mm×300 mm； （9）工作臺空載最快移動速度vxmax = vymax = 6000 mm/min； （10）工作臺進給最快移動速度vxmaxf = vymaxf = 800 mm/min。 2.2機電系統(tǒng)總體方案的確定 2.2.1機電系統(tǒng) 機械傳動部件的選擇 （1）導軌副的選用 要設計的X-Y工作臺是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導軌副。它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優(yōu)點。 （2）絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，要滿足0.005mm的脈沖當量和 ±0.01mm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到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。 （3）減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構，所以采用無間隙齒輪傳動減速箱。 （4）伺服電動機的選用 任務書規(guī)定的脈沖量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有3000mm/min。因此，本設計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。 （5）檢測裝置的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨率應與步進電動機的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。 2.2.2控制系統(tǒng)的設計 （1）設計的X-Y工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應該設計成連續(xù)控制型。 （2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU，應該能夠滿足任務書給定的相關指標。 （3）要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉換電路、串行接口電路等。 （4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。 1、 機械傳動部件的計算與選型 1. 導軌上移動部件的重量估算 由臺面尺寸為，查課程設計指導書表3-23，估計取工作臺厚度30mm，則重量：按重量=體積×材料比重估算 X向拖板（上拖板）：估計上絲桿長度，由，余程查表5-4取20mm，則絲桿長度約為320。電動機約2kg，托板和導軌合估計為 工作物重為G 則X-Y工作臺運動部分的總重量=(420+G)。 按照下導軌之上移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為800N。 2. 銑削力的計算 設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則查表得立銑時的銑削力計算公式為： （1） 今選擇銑刀直徑d=10mm，齒數(shù)Z=3，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=10mm，銑削深度ap=5mm，每齒進給量mm，銑刀轉速。則由式（1）求得最大銑削力： Fc=118×100.85×0.10.75×10-0.73×51.0×3000.13×3 N≈871 N 采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由查表，并考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：Ff =1.1Fc≈958N，F(xiàn)e =0.38Fc≈331N， Ffn =0.25Fc≈218N，工作臺受到垂直方向的銑削力Fz= Fe =331N，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力Fx= Ff=958N，徑向銑削力Fy =Ffn= 218N。 2.2.3 直線滾動導軌副的計算與選型 （1）滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]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，則單滑塊所受的最大垂向載荷為： （2） 其中，移動部件重量G＝800N，外加載荷F= Fz= 331N，代入（2）式得最大工作載荷PC=531N=0.531kN。查表，根據(jù)工作載荷PC=0.531kN，初選直線滾動導軌副的型號為：HJG-DA15C，額定動載荷為6.8KN，滿足要求。 任務書規(guī)定加工范圍180mm×300mm，考慮工作行程應留有一定余量，按標準系列，選取導軌的長度為340mm。 （2）距離額定壽命的計算 上述選取的：HJG-DA15C5型導軌副的滾道硬度為HRC60，工作溫度不超過100℃，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表，分別取硬度系數(shù)=1.0，溫度系數(shù)=1.00，接觸系數(shù)=0.81，精度系數(shù)=0.9， 載荷系數(shù)=1.5，得距離壽命： 遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求 2.2.4滾珠絲杠的設計計算 （1）最大工作載荷Fm的計算 當承受最大銑削力時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=958N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy = 218N，受到垂向的載荷（與工作臺面垂直）Fz= 331N。已知移動部件總重量G=800N，按矩形導軌進行計算，查表，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦因數(shù)μ=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm = KFx + μ（Fz + Fy + G） = [ 1.1×958 + 0.005 × ( 331+ 218 + 800 ) ] N ≈ 1061 N （2）最大動載荷FQ的計算 設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=800mm/min，由課本表5-3， 初選絲杠導程=5 mm，則此時絲杠轉速n=v/Ph = 160r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000 h，代入L0=60nT/106，得絲杠壽命系數(shù)L0=144（單位為：106 r）。查表，取載荷系數(shù)fW =1.2，滾道硬度為HRC60時，取硬度系數(shù)fH=1.0，求得最大動載荷： FQ ≈7746 N （3）初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的取HJG-S2005-3型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20 mm，導程為5 mm，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級取3級，其額定動載荷為9022N,足夠用。故HJG-S2005-3型滾珠絲杠基本導程為5mm，為絲杠有效行程300，取余程=20mm，則為絲杠螺紋全長320，公稱直徑=20 mm。 表1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 名 稱 符 號 計算公式和結果 螺紋滾道 公稱直徑 20 螺距 接觸角 鋼球直徑 螺紋滾道法面半徑 偏心距 螺紋升角 螺桿 螺桿外徑 螺桿內徑 螺桿接觸直徑 螺母 螺母螺紋外徑 螺母內徑（外循環(huán)） （4）傳動效率η的計算 將公稱直徑d0=20mm，導程Ph=5mm，代入λ= arctan[Ph/(πd0)]，得絲杠螺旋升角λ=。將摩擦角φ=10′，代入η=tanλ / tan(λ+φ)，得傳動效率 η=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。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量＝2.1 Mpa；查表，得滾珠直徑=3.175mm，絲杠底徑=16.2 mm，絲杠截面積 /4=206.12mm2。得絲杠在工作載荷Fm作用下產生的拉/壓變形量δ1=Fma/（ES）=[1779×500/（2.1 ×206.12）] mm≈ 0.0205 mm。 2）根據(jù)公式 Z＝( )-3,求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為3×1，代入公：＝Z×圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力 = /3=593 N，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量≈ 0.0026 mm。因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取=0.0013mm。 3）將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度500mm）0.0218 mm=21.8μm。由表知,5級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時，行程偏差允許達到25μm，可見絲桿剛度足夠。 （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Fk。查表，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑=16.2 mm，求得截面慣性矩≈ 3380.88 mm；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（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500mm，得臨界載荷≈ 9343N，遠大于工作載荷=1061N，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 2.2.5步進電動機減速箱的選用 為了滿足脈沖當量的設計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機轉軸上盡可能地小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進電動機的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設計成雙片結構，采用彈簧錯齒法消除側隙。 已知工作臺的脈沖當量δ=0.005 mm/脈沖，滾珠絲杠的導程Ph=5 mm，初選步進電動機的步距角α=0.75°，算得減速比： i=(αPh)/(360δ) =(0.75×5)/(360×0.005)=25:12 本設計選用大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75:36，材料為45號調質鋼，齒表面淬硬后達HRC55。減速箱中心距為[(75+36)×1/2] mm＝55.5 mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。 2.2.6 步進電動機的計算與選型 （1）計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20 mm，總長l =320mm，導程＝5mm，材料密度 ；移動部件總重量G=800N;小齒輪寬度＝20mm，直徑=36 mm;大齒輪寬度＝20mm，直徑=75 mm；傳動比i =25/12。參照表，算得各個零部件的轉動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉動慣量=0.617，拖板折算到絲杠上的轉動慣=0.517，小齒輪的轉動慣量=0.259，大齒輪的轉動慣量=4.877 。初選步進電動機型號為90BYG2602，為兩相混合式，二相四拍驅動時步距角為0.75o，則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為 = ++(++)/=30.35 （2）計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。 1）快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （3）考慮傳動鏈的總效率η，計算快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩： （4）式中 ——對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位為r/min； ——步進電動機由靜止到加速至轉速所需的時間，單位為s。 其中： （5）式中——空載最快移動速度，任務書指定為6000mm/min； α ——步進電動機步距角，預選電動機為； δ ——脈沖當量，本例δ=0.005mm/脈沖。 將以上各值代入式（5），算得nm=2500r/min。 設步進電動機由靜止到加速至nm轉速所需時間=0.4s，傳動鏈總效率η=0.7。則由式（4）求得：2.8（N·m） 當移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： （6） 則由式（6），得：0.002（N·m） 最后由式（3），求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： = + ≈ 2.8 N （7）2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩 包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩Tt ；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩Tf ；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩T0，T0相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計。則有：= Tt + Tf （8）本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷Fx=958N ，則折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩Tt有： 0.52（N·m） 再計算垂直方向承受最大工作負載（Fz=331N）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩： = 0.004（N·m） 最后由式（8），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩為： = Tt + Tf = 0.524 N·m （9）經過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為： = max{，} = 2.8 N·m （3）步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： Tjmax ≥ 4×2.8 N·m =11.2 N·m (10)上述初選的步進電動機型號為90BYG2602，查表得該型號電動機的最大靜轉矩Tjmax = 12N·m 。可見，滿足（10）式的要求。 （4）步進電動機的性能校核 1）最快工進速度時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度=800mm/min，脈沖當量δ=0.005mm/脈沖，可求出電動機對應的運行頻率 =[800/(60×0.005)]Hz ≈2666Hz。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖1可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩≈11N·m，遠遠大于最大工作負載轉矩=0.524N·m，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度=6000mm/min，可求出電動機對應的運行頻率=[6000/（60×0.005）]Hz =20000Hz。在此頻率下，電動機的輸出轉矩=3.8 N·m，大于快速空載起動時的負載轉矩= 2.8N·m，滿足要求。 3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速度=3000mm/min對應的電動機運行頻率=10000Hz。查表知90BYG2602電動機的極限運行頻率為20000Hz，可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq=30.35電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的最高起動頻率=1800Hz?？汕蟪霾竭M電動機克服慣性負載的起動頻率：=614Hz 上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于614Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。 綜上所述，本例中工作臺的進給傳動選用90BYG2602步進電動機，完全滿足設計要求。 圖2-1 90BYG2602步進電動機的運行矩頻特性曲線 2.2.7步進電動機驅動電源的選用 本例中X、Y向步進電動機均為90BYG2602型，查表，選擇與之配套的驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓100V AC，相電流4A，分配方式為二相八拍。該驅動電源與控制器的接線方式如圖2所示。 圖2-2 BD28Nb驅動電源的接線圖 2.2.8確定聯(lián)軸器的型號 由于數(shù)控平臺有沖擊，且電動機工作時經常變速，故選用撓性聯(lián)軸器。查閱參考書表10-43 選用A23型聯(lián)軸器。 計算聯(lián)軸器的轉矩： 由估算功率摩擦力作用很小，可忽略： 小于聯(lián)軸器的允許轉矩，且工作速度遠小于允許最高轉速25000.故滿足要求。 2.2.9增量式旋轉編碼器的選用 本設計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨率應與步進電動機的步距角相匹配。由步進電動機的步距角α=，可知電動機轉動一轉時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/α=480個步進脈沖?？紤]到增量式旋轉編碼器輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分，因此，編碼器的分辨率可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。 本例選擇編碼器的型號為：ZLK-A-120-05VO-10-H：盤狀空心型，孔徑 10mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每轉輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出。 第三章 繪制裝配圖 1.標注裝配圖尺寸、配合與精度等級。包括特性尺寸、最大體形尺寸、安裝尺寸和主要零件的配合尺寸。 2.寫出工作臺的技術特征。 3.編寫技術要求。 4.對所有零件進行編號。 5.列出零件明細表及標題欄。 6檢查裝配圖。 第四章 電氣原理圖設計 4.1典型數(shù)控工作臺電氣原理圖 單片機是把微型計算機的主要部分都集成在一個芯片上的單芯片微型計算機,因而可以把它看成是一個不帶外部設備的微型計算機。不同系列的單片機共同的特點是：控制功能強；體積??；功耗低；成本低。 由于上述優(yōu)越性能，單片機已在工業(yè)、民用、軍用等工業(yè)控制領域得到廣泛應用，特別是隨著數(shù)字技術的發(fā)展，它在很大程度上改變了傳統(tǒng)的設計方法。在軟件和擴展接口支持下，單片機可以代替以往由模擬和數(shù)字電路實現(xiàn)的系統(tǒng)。 如電氣原理圖所示的就是通過單片機及其外圍接口實現(xiàn)的二坐標數(shù)控工作臺電氣原理圖。它由8031型單片機、數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、存儲器EPROM2764、RAM6264、地址譯碼器74LS138、并行I/O接口8255等集成電路構成。下面分別說明它們在整個控制部分中的功能、用法及其選擇原則。 4.2單片機的選擇 設隨著微電子技術水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，而目前市場上應用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應用最廣的8位單片機89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。 在一些復雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應用于伺服系統(tǒng)，變頻調速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。 計單片機應用系統(tǒng)，首先要設計其核心的單片機系統(tǒng)。從一開始就有一個單片機芯片選型問題。面對不同字長，如4位、8位、16位，各具特色的單片機芯片如何進行選擇呢？首先要滿足所設計系統(tǒng)的功能和性能要求；其次要選擇價格較低的芯片，不要盲目追求過多功能和過高性能；另外要選擇那些在國內有成熟的開發(fā)系統(tǒng)和穩(wěn)定的供貨來源。如采用流行普遍使用的芯片，資料豐富，能有效地縮短開發(fā)周期。 本課程設計目的是設計一種經濟型的二坐標數(shù)控工作臺，其功能比較簡單，成本低。因而這里選用MCS-51系列的8031單片機作為CPU，它具有良好的性能價格比，且易擴展。 4.3外部程序存儲器的擴展 MCS-51的程序存儲器空間為64K字節(jié)。對于片內無ROM的單片機（如8031），或當單片機內部程序存儲器容量不夠時，進行程序存儲器的擴展是必不可缺的。半導體存儲器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作單片機的外部程序存儲器。由于EPROM價格低廉，性能可靠，所以單片機外部擴展的程序存儲器一般為EPROM芯片（紫外線可擦除、電可編程的只讀存儲器），掉電后信息不會丟失。在選擇外部程序存儲器電路時，應注意電路的讀取時間能否與MCS-51的PESN信號匹配。其片選端接地。 由于本設計程序容量不大，因而選用2764作為外部程序存儲器。 4.4外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展 對大多數(shù)控制性應用場合，MCS-51系列單片機內部RAM已能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲的要求。對需要較大容量數(shù)據(jù)緩沖器的應用系統(tǒng)，就需要在單片機的外部擴展數(shù)據(jù)存儲器。 在電氣原理圖中根據(jù)設計功能要求選用一片6264作為外部數(shù)據(jù)存儲器。圖中其高5位地址線A8～A12由8031的P2.0~P2.4口線提供，低8位地址線A0~A7接地址鎖存器74LS373輸出端。讀、寫控制信號分別接8031的RD、WE。其片選信號通過地址譯碼法進行選通。 4.5 I/O口擴展電路 本課程設計因采用步進電機作為驅動裝置。為了降低成本，特采用可編程外圍并行接口芯片8255。使其不僅完成驅動步進電機的功能，同時完成與鍵盤/顯示器的接口操作功能。 4.6 顯示器接口設計 電氣原理圖中，由10片共陽極LED顯示塊拼成10位LED顯示器。為了簡化硬件電路，采用動態(tài)顯示方式。即所有位的段選線相應地并聯(lián)在一起，由8031的P1.0~P1.7口來控制LED顯示器的段碼，而各位的位選線分別由相應的I/O口線控制。即PC0~PC7、PB6~PB7共10個I/O口線控制，實現(xiàn)各位的分時選通。為了保證各位LED能夠顯示出本位相應的顯示字符，而不出現(xiàn)閃爍，導致人眼看不清，必須根據(jù)人眼視覺暫留現(xiàn)象，選擇一個合適的掃描頻率。圖中選用74LS07進行同相驅動。 4.7 鍵盤接口電路設計 鍵盤實質上是一組按鍵開關的集合。電氣原理圖中采用矩陣式鍵盤接口，鍵盤接口電路通過8255（U5）的PA0~PA3和PC0~PC7、PB6~PB7構成行、列線。按照逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)（即掃描）來確定閉合鍵的位置。 5.8 步進電機的接口電路設計 對于本課程設計中選用的步進電機，為五相，無論它工作在什么方式，都需要五路控制電路，并且每一路對應于步進電機的一相。而每一路控制電路的結構是一樣的。 CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示： （行程開關） 前向通道 傳動驅動 （步進電機） 人機界面 傳感器 8031 （鍵盤、LED） 后向通道 圖5-1 CPU外部接口示意圖 8031要完成的任務： （1）將行程開關的狀態(tài)讀入CPU，通過中斷進行處理，它的優(yōu)先級別最高。 （2）通過程序實時控制電機的運行。 （3）接受鍵盤中斷指令，并響應指令，將當前行程開關狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應到LED上，實現(xiàn)人機交互作用。 由于8031只有P1口和P3口是準雙向口，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，因此要進行I/O擴展?？紤]到電路的簡便性和可實現(xiàn)性，實際中采用內部自帶鎖存器的8155。 電氣原理圖中通過8255（U5）的PB0~PB4分別控制X方向步進電機的五相。對于Y軸步進電機通過8255（U6）的PC0~PC4分別控制Y方向步進電機的五相。 第五章 控制系統(tǒng)設計 X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅動、傳感器、人機交互界面。 5.1 控制系統(tǒng)硬件設計 硬件系統(tǒng)設計時，應注意幾點：電機運轉平穩(wěn)、響應性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。 5.1.1 CPU的選擇 隨著微電子技術水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，而目前市場上應用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應用最廣的8位單片機89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。 在一些復雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應用于伺服系統(tǒng)，變頻調速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。 從要設計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑提高了設計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。生產基于51為內核的單片機的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產領域ATMEL公司的工藝和封裝技術一直處于領先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機內含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進行程序修改，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公司的產品，9表示內含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。 5.2 CPU接口設計 CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示： （行程開關） 前向通道 傳動驅動 （電磁鐵） （步進電機） 人機界面 傳感器 AT89S51 （鍵盤、LED） 后向通道 圖5-1 CPU外部接口示意圖 P1.0-P1.2 驅動1 X步進電機 驅動2 Y步進電機 P1.3-P1.5 P1.6 驅動3 P3.2 外部中斷1 P3.3 外部中斷2 P0.0-P0.7 AD0~AD7 P2.7 CE P2.6 IO/M PB 口 PA口 PC口 AT89S51 鍵盤 電磁鐵 8155 圖5-2 AT89S51控制系統(tǒng)圖 圖5-3多中斷源中斷觸發(fā)圖 5.3 驅動系統(tǒng) 傳動驅動部分包括步進電機的驅動和電磁鐵的驅動，步進電機須滿足快速急停、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。 5.3.1 步進電機驅動電路和工作原理 步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設計時的脈沖當量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.01mm。 步進電機驅動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。 圖5-4 步進電機驅動電路圖 該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電時，電動機轉動一步。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，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。 步進時鐘 A相波形 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） 由于步進電機采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。 5.3.2 電磁鐵驅動電路 該驅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林頓管，因為驅動電磁鐵的電流比較大。 圖5-6 電磁鐵驅動電路 5.3.3 電源設計 兩電機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，就采用了標準的27V電源作為基準，通過芯片進行電壓轉換得到所需的12V和5V電壓。 第六章 控制系統(tǒng)軟件設計 6.1 總體方案 對于AT89S51的程序設計，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Keil 7.02b。該編譯器是51系列單片機程序設計的常用工具，既可用匯編，也支持C語言編譯。同時具有完善的調試功能。 6.2主流程圖 上電復位 P1.6=0，吸合電磁鐵，繪筆抬起 外部中斷，8155初始化 開外部中斷，開總中斷 等待中斷 圖6-1 CTL EQU 3FF8H PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAH PC EQU 3FFBH CMD EQU 02H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INT0IS ；外部中斷0入口 ORG 000BH AJMP TM0IS ；定時器0中斷入口 ORG 0013H AJMP INT1IS ；外部中斷1入口 ORG 001BH AJMP TM1IS ；定時器1中斷入口 ORG 0100H MAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中斷負跳沿觸發(fā) SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX @DPTR，CMD；A口輸入，B口輸出，C口輸入 SETB EX0 ；允許外中斷0 SETB EX1 ；允許外中斷1 SETB PX0 SETB PX1 ；設置優(yōu)先級 SETB EA ；開總中斷 LOOP：AJMP LOOP ；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則進入中斷0的中斷服務INT0IS，是中斷1則進入中斷1的中斷服務INT1IS。 中斷服務0是由4個行程開關觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機讀取PA口內容，然后將結果反饋到PB口的LED上。 中斷服務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負方向運行，手動Y正方向運行，手動Y負方向運行，復位和繪制圓弧。 6.3 X軸電機點動正轉程序流程圖 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 這是X軸電機點動正轉的程序，其他的X軸電機點動反轉、Y軸電機點動正轉、Y軸電機點動反轉依次類推。 6.3.1步進電機步進一步程序流程圖 圖6-2 步進電機步進一步程序流程圖 DEF EQU 12H SJMP LP3 MOV DEF，#00H