機電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計

1、機電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計x-y數(shù)控工作臺設(shè)計說明書學校名稱： 杭州電子科技大學信息工程學院學生姓名： 鄭群波 周益民 朱建偉 繆建立 專 業(yè)： 機械設(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 二一一年一月 一、設(shè)計目的 機電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計是一個重要的時間性教學環(huán)節(jié)，要求學生綜合的運用所學的理論知識，獨立進行的設(shè)計訓練，主要目的：1. 通過設(shè)計，使學生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機床的基本組成及其想怪知識，學習總體的方案擬定、分析與比較的方法。2. 通過對機械系統(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。3. 通過對機械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握常用

2、伺服電機的工作原理、計算控制方法與控制驅(qū)動方式。4. 培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題的能力，學習并樹立“系統(tǒng)設(shè)計”的思想。5. 鍛煉提高學生應(yīng)用手冊和標準、查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力。2、 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±0.02mm，定位精度為0.04mm。設(shè)計參數(shù)如下：負載重量g=500n；臺面尺寸c×b×h240mm×254mm×15mm；底座外形尺寸c1×b1×h1550mm×500mm×1

3、84mm；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1m/min。3、 總體方案的設(shè)計（一）機械傳動部件的選擇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： 1.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重量和傳動機構(gòu)及動力費用。 2.滾柱導(dǎo)軌塊可獲得較高的靈敏

4、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-滾柱在滾動時導(dǎo)向好，能自動定心，故可提高機械的定位精度。 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床、精密儀器的平面直線運動，尤其適用于nc、cnc數(shù)控機床。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

5、形量小，有效運動體多，易實現(xiàn)高剛性、高負荷運動；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

6、的立式數(shù)控銑床的，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(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

7、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)控機床等。選用滾珠絲杠副的理由：伺服電動機的旋轉(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的脈沖當量和±0

8、.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.伺服電動機的選擇1) 直流伺服電動機：直流無刷伺服電機特點：轉(zhuǎn)動慣量小、啟動電壓低、空載電流??； 棄接觸式換向系統(tǒng)，大大提高電機轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速高達100 000rpm；無刷伺服電機在執(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

9、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：異步型交流伺服電動機特點：異步型交流伺服電動機指的是交流感應(yīng)電動機。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。其結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流電動機相比，質(zhì)量輕1/2，價格僅為直流電動機的1/3。缺點是不能經(jīng)濟地實現(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：同步型交流伺服電動機雖較感應(yīng)電動機復(fù)雜，但比直流電動機簡單。它的定子與感應(yīng)電動機一樣，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

10、多種。其中磁滯式和反應(yīng)式同步電動機存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點。數(shù)控機床中多用永磁式同步電動機。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的1/5。它與異步電動機相比，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所需的集電環(huán)和電刷等，其機械可靠性與感應(yīng)（異步）電動機相同，而功率因數(shù)卻大大高于異步電動機，從而使永磁同步電動機的體積比異步電動機小些。這是因為在低速時，感

11、應(yīng)（異步）電動機由于功率因數(shù)低，輸出同樣的有功功率時，它的視在功率卻要大得多，而電動機主要尺寸是據(jù)視在功率而定的。3) 步進電動機：反應(yīng)時步進電機：反應(yīng)式步進電動機的定子和轉(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)式步進電動機掉電后不自鎖。此類電動機結(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，電動機溫升較高。永磁式步進電動機：永磁式步進電動機的轉(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

12、有自鎖能力，這種電動機的特點是動態(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分功能?；旌鲜讲竭M電動機：混合式步進電動機的轉(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)定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快

13、移動速度也只有3000r/min，只能選用混合式步進電動機，以減低成本，提高性價比。4.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(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(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電動機作為伺服電動機后，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電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉(zhuǎn)過程中不受切削力負載和電網(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

14、進電動機的步矩角相匹配?？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兩個坐標的導(dǎo)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。6.控制系統(tǒng)的設(shè)計1) 設(shè)計的x-y工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)該設(shè)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(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標。3) 要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇cpu之后，還需要擴展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，鍵盤與顯示電路。4)

15、 選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。7.總體方案圖微型機接口電路功放電路執(zhí)行元件機械傳動執(zhí)行機構(gòu)開環(huán)控制流程圖4、 機械傳動部件的計算與選型1. 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行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌座等,估計重量約為200n.2. 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型1) 塊承受工作載荷的計算及導(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?？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直方向載荷為： 其中，移動部件重量20

16、0n，外加載荷f=n=500n代入式，得最大工作載荷=70n=0.7kn。查表3-41，根據(jù)工作載荷=0.7kn，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為kl系列的jsa-lg15型，其額定動載荷，額定靜載荷。任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為240×254mm，加工范圍為300×250mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，按標準系列，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c，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。查表3-36表3-40，分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度

17、系數(shù)f=1.00，接觸系數(shù)f=0.81，精度系數(shù)f=0.9，載荷系數(shù)f=1.5，代入得距離壽命：l=遠大于期望值100km，故距離額定壽命滿足要求。3. 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)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：fm=kfx+(fz+fy+g)=1.1500+0.005(500+500+200)n

18、556n2) 最大動工作載荷fq的計算設(shè)工作臺的最快進給速度v=1000mm/min，初選絲杠導(dǎo)程ph=4mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速n=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：fq=3) 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fq

19、，滿足要求。4) 傳動效率的計算將公稱直徑d0=16mm,導(dǎo)程ph=4mm,代入=arctanph/（d0)，得絲杠螺旋升角=4°33。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動效率=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=2.1105mpa;查表得滾珠直徑dw=2.381mm，絲杠底徑d2=13.1mm,絲杠截面積s=/4=134.71。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。(2)

20、根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)z=18；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=54。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力/3=185.3n。則由公式求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。因為絲杠有預(yù)緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.00105mm。(3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度500mm）=0.00285mm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，行程偏差允許達到23，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fk。查表取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑d2=13.1mm求得

21、截面慣性矩1444.89；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310mm。代入得臨界載荷fk=21427n，遠大于工作載荷，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。4. 步進電動機的計算與選型1) 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=16mm，總長l=337mm，導(dǎo)程ph=4mm，材料密度=kg/;移動部件總重力g=20n.算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下： 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量js=4.57kg·cm2;初選步進電動機的型號為110bf003,為三相反應(yīng)式，步距角為0.75°，從表

22、查得該型號的電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量jm=5.5kg·cm2。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：=4.57kg·cm22) 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩teq 分快速空載和承受最大負載兩種情況進行計算。(1) 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由公式可知，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)公式可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有：=+ 考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機

23、轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩：= 其中： =166.67r/min 式中空載最快移動速度，任務(wù)書指定為1000mm/min；步進電動機步距角，預(yù)選電動機為0.75；脈沖當量，本例=0.02mm/脈沖。設(shè)步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則求得：=移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：= 式中導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動導(dǎo)軌取0.005垂直方向的銑削力，空載時取0傳動鏈效率，取0.8最后求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩： =+=0.02286nm (2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算

24、到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ 其中折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩由公式計算。有：再計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：最后求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩：=+=0.1227 最后求得在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩為：3) 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，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)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。取k=4,

25、則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 初選步進電動機的型號為75bc380a，由表查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩=0.98nm。可見，滿足要求。4) 步進電動機的性能校核(1）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度=1000mm/min，求出其對應(yīng)運行頻率。在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩=0.02168nm，滿足要求。(2）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度=1000mm/min對應(yīng)的電動機運行頻率為。查表可知75bc380a電動機的空載運行頻率可達22000，可見沒有超出上限。(3）起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量

26、，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率。由公式可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：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。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100。綜上所述，本次設(shè)計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用75bc380a步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。5. 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖進給傳動系統(tǒng)示意圖如圖5.1所示。圖5.1 進給傳動系統(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、人機交互界面。硬件系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意幾點：電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價低、可維護性、人機交互界面

27、可操作性比較好。1. cpu板1）cpu的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，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89c51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，mcs-96系列單片機廣泛應(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(shè)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(shè)計價格，而選用高性能的16位mcs-96又顯得過于浪

28、費。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機的廠家有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系列單片機內(nèi)含flash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(chǎn)品，9表示內(nèi)含flash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

29、、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。2）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、人機交互界面三部分。示意圖：（行程開關(guān)）前向通道傳動驅(qū)動（電磁鐵）（步進電機）人機界面?zhèn)鞲衅鱝t89s51（鍵盤、led）后向通道 圖5-1 cpu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，通過中斷進行處理，它的優(yōu)先級別最高。（2）通過程序?qū)崟r控制電機和電磁鐵的運行。（3）接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)指令，將當前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應(yīng)到led上，實現(xiàn)人機交互作用。由于at89s51只有p1口和p3口是準雙向口，但

30、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。考慮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兩個方向步進電機的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int0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、圓弧插補開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。（4）p0.0-p0.7外部i/o擴展的數(shù)據(jù)讀取。（5）p2

31、.7和p2.6決定8155的pa、pb、pc口的地址。p1.0-p1.2驅(qū)動1x步進電機驅(qū)動2y步進電機p1.3-p1.5p1.6驅(qū)動3p3.2外部中斷1p3.3外部中斷2p0.0-p0.7ad0ad7p2.7cep2.6io/mpb 口pa口pc口at89s51鍵盤電磁鐵8155 圖5-2 at89s51控制系統(tǒng)圖pb口接led反映當前運行的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）

32、、圓弧插補6個開關(guān)的狀態(tài)。 圖5-32. 驅(qū)動系統(tǒng)傳動驅(qū)動部分包括步進電機的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)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。1）步進電機驅(qū)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(shè)計時的脈沖當量為0.005mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.005mm。步進電機驅(qū)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

33、電機驅(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a相得電時，電動機轉(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。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(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(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，

34、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(qū)動電磁鐵的電流比較大。 圖5-6 電磁鐵驅(qū)動電路3）電源設(shè)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(zhuǎn)換得到所需的12v和5v電壓。 圖5-7 電源轉(zhuǎn)換電路圖電路中在轉(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。3. 傳感器和人機界面 由于步進電機不需要反饋電路，但是要注意工作臺不能超過最大行程。因此，

35、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，使電機損壞（2）可以用與定位。所以這4個行程開關(guān)就充當了傳感器。人機界面設(shè)計的準則就是要有良好的人機交互能力，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

36、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)。 圖5-8 人機界面圖六、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keil 7.02b。該編譯器是51系列單片機程序設(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. 主流程圖上電復(fù)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

37、總中斷等待中斷ctl equ 3ff8hpa equ 3ff9hpb equ 3ffahpc equ 3ffbhcmd equ 02horg 0000hajmp mainorg 0003hajmp int0is ；外部中斷0入口org 000bhajmp tm0is ；定時器0中斷入口org 0013hajmp int1is ；外部中斷1入口org 001bhajmp tm1is ；定時器1中斷入口org 0100hmain：anl p1，0efh setb it0 ；外中斷負跳沿觸發(fā) 圖6-1 setb it1 mov a，ctl mov dptr，a movx dptr，cmd ；a口輸入

38、，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(shè)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(wù)int0is，是中斷1則進入中斷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負方向運行，手動y正方向運行，手動y負方向運行，復(fù)位和繪制圓弧。3. int0中

39、斷服務(wù)流程圖int0is：push acc push dptl push dpth push psw mov a，pa mov dptr，a movx a，dptr ；讀pa口內(nèi)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，#0ch jz a，retin setb p1.3圖6-2 setb p1.4 setb p1.5 retin：pop psw

40、pop dpth pop dptl pop acc reti4. int1中斷服務(wù)流程圖圖6-3int1is：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，a loop1：pop dpth movx a，dptr；讀pc口內(nèi)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；讀pb口內(nèi)容 anl a，#0fh swap a orl a，r1 mov r2，a mov a，pb mov dptr，a movx dptr，r2；數(shù)據(jù)輸入pb口 inc dptl1） 復(fù)位程序流程圖 圖6-4 dirx equ 30h diry equ 31hrst： clr p1.6rpa： mov a，pa mov dptr，a movx a，d