設(shè)計(jì)一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)

1、1515一、總體方案設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)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±0.01mm，定位精度為0.025mm。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：負(fù)載重量G=150N；臺面尺寸C×B×H145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1210mm×220mm×140mm；最大長度L=388mm；工作臺加工范圍X=55mm，Y=50mm；工作臺最大快移速度為1m/min。1.2 總體方案確定（1）系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)由

2、于工件在移動的過程中沒有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制。為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動X-Y工作臺。（2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機(jī)、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(shí)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(jié)構(gòu)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(yù)加負(fù)荷的

3、結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運(yùn)動載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙V形滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個相對運(yùn)動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動平穩(wěn)性，減小振動?？紤]電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。 圖1-1 系統(tǒng)總體框圖二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1、工作臺外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：長寬高 145×160×50重量：按重量=體積×材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 重量：約90N。上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量：夾具及工件重量：約150N 。X-Y工作臺運(yùn)動部分的總重量：約287N。2.2、滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定、導(dǎo)軌型式：圓形

4、截面滾珠導(dǎo)軌、導(dǎo)軌長度上導(dǎo)軌（X向）取動導(dǎo)軌長度 動導(dǎo)軌行程 支承導(dǎo)軌長度 下導(dǎo)軌（Y向） 選擇導(dǎo)軌的型號：GTA16 、直線滾動軸承的選型上導(dǎo)軌下導(dǎo)軌由于本系統(tǒng)負(fù)載相對較小，查表后得出LM10UUOP型直線滾動軸承的額定動載荷為370N，大于實(shí)際動負(fù)載；但考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素最后選擇LM16UUOP型直線滾動軸承。并采用雙排兩列4個直線滾動軸承來實(shí)現(xiàn)滑動平臺的支撐。、滾動導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法 當(dāng)工作臺往復(fù)移動時，工作臺壓在兩端滾動體上的壓力會發(fā)生變化，受力大的滾動體變形大，受力小的滾動體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置時，兩端滾動體受力相等，工作臺保持水平；當(dāng)導(dǎo)軌移動到位置或時，兩端滾動體受力不相等，變形不

5、一致，使工作臺傾斜角，由此造成誤差。此外，滾動體支承工作臺，若工作臺剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會使工作臺下凹（有時還可能出現(xiàn)波浪形），影響導(dǎo)軌的精度。 2.3、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時的情況計(jì)算。、最大動負(fù)載Q的計(jì)算查表得系數(shù)，壽命值查表得使用壽命時間T=15000h，初選絲杠螺距t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速所以 X向絲杠牽引力 Y向絲杠牽引力所以最大動負(fù)荷X向 Y向 查表，取滾珠絲杠公稱直徑 ，選用滾珠絲杠螺母副 的型號為 SFK1004，其額定動載荷為390N，足夠用。、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算表2-1 滾珠絲杠螺母

6、副幾何參數(shù)名 稱符 號計(jì)算公式和結(jié)果螺紋滾道公稱直徑10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(nèi)徑螺桿接觸直徑螺母螺母螺紋外徑螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）見表2-1。、傳動效率計(jì)算式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。、剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量Y向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計(jì)算 所以 絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略。所以導(dǎo)程總誤差查表知E級精度的絲杠允許誤差，故剛度足夠。、穩(wěn)定性驗(yàn)算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。2.4、步進(jìn)電機(jī)的選用、步進(jìn)電機(jī)的步距角取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī)步距角。、步進(jìn)電機(jī)啟動力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為

7、T，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力做功有如下關(guān)系式中： 電機(jī)轉(zhuǎn)角； 移動部件的相應(yīng)位移； 機(jī)械傳動效率。若取 ，則，且，所以式中： 移動部件負(fù)載（N）；G移動部件重量（N）； 與重量方向一致的作用在移動部件上的負(fù)載力（N）； 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；步進(jìn)電機(jī)步距角，（rad）；T電機(jī)軸負(fù)載力矩（）本例中，取（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），為絲杠牽引力，。考慮到重力影響，Y向電機(jī)負(fù)載較大，因此取，所以若不考慮啟動時運(yùn)動部件慣性的影響，則啟動力矩取安全系數(shù)為0.3，則 對于工作方式為三相六拍的三相步進(jìn)電機(jī) 、步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率查表選用兩個45BF005-型步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見表2

8、-2。表2-2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)型 號主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸重量步距角最 大靜轉(zhuǎn)距最高空載啟動頻率()相數(shù)電壓電流外徑長度軸徑45BF005-1519.630003272.545584112.5、確定齒輪傳動比因步進(jìn)電機(jī)步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比選 ， 。2.6、確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸因傳遞的扭距較小，取模數(shù)，齒輪有關(guān)尺寸見表3-3。2.7、步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算表2-3 齒輪尺寸 1728171914.55 283025.5517.5根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算公式，得式中： 折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（）； 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（）；齒輪 的轉(zhuǎn)

9、動慣量（）；齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（）；滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（）；M移動部件質(zhì)量（）。對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算式中：D圓柱零件直徑（cm）；L零件長度（cm）。所以電機(jī)軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，則因?yàn)椋詰T性匹配比較符合要求。三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(jì)時，應(yīng)注意幾點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價(jià)低、可維護(hù)性、人機(jī)交互界面可操作性比較好。3.1 CPU板3.1.1 CPU的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)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

10、比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)89C51，價(jià)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(shí)時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運(yùn)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(jià)比。從要設(shè)計(jì)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(jì)價(jià)格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費(fèi)。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

11、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(jì)數(shù)器WDT、I/O口共有32個。3.1.2 CPU接口設(shè)計(jì)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

12、分。示意圖如下所示：（行程開關(guān)）前向通道傳動驅(qū)動（電磁鐵）（步進(jìn)電機(jī)）人機(jī)界面?zhèn)鞲衅鰽T89S51（鍵盤、LED）后向通道 圖3-1 CPU外部接口示意圖P1.0-P1.2驅(qū)動1X步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動2Y步進(jìn)電機(jī)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3-2 AT89S51控制系統(tǒng)圖3.2 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(yùn)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(yùn)行。在定

13、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。3.2.1 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(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)時的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺直線行進(jìn)0.01mm。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。圖3-4 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

14、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?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AC-C-CB-B-BA-A。步進(jìn)時鐘A相波形B相波形C相波形圖3-5 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)）3.2.2 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?yàn)轵?qū)動電磁鐵的電流比較大。圖3-6 電磁鐵驅(qū)動電路3.2.3 電源設(shè)計(jì)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)

15、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。四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 總體方案對于AT89S51的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)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(jī)程序設(shè)計(jì)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。4.2 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，開總中斷等待中斷CTL EQU 3FF8HPA EQU 3FF9HPB EQU 3FFAHPC EQU 3FFBHCM

16、D 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(fù)跳沿觸發(fā) 圖4-1 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

17、 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(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(yùn)行，手動X負(fù)方向運(yùn)行，手動Y正方向運(yùn)行，手動Y負(fù)方向運(yùn)行，復(fù)位和繪制圓弧。4.4.2 X軸電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)程序流程圖X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR

18、JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1這是X軸電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)的程序，其他的X軸電機(jī)點(diǎn)動反轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動反轉(zhuǎn)依次類推。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖 圖4-7 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖DEF EQU 12H SJMP LP3MOV DEF，#00H TAB： DB FEHXMOTOR1：JNE DIRX，#01H，XMOTOR0 DB FCH JNE DEF，#05H，LP2 DB FDH

19、CLR DEF DB F9H LP2： MOV A，DEF DB FBH INC DEF DB FAHLP3： MOV DPTR，#TAB MOVC A，A+DPTR ANL P1，A ACALL DELAY RETXMOTOR0：JNE DEF，#00H，LP4 MOV A，#05H MOV DEF，ALP4： MOV A，DEF DEC DEF 1 鄭學(xué)堅(jiān),周斌.微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用.清華大學(xué)出版社,20032 李廣弟,朱月秀，王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ).北京航空航天大學(xué)出版社,20013 房小翠.單片微型計(jì)算機(jī)與機(jī)電接口技術(shù).國防工業(yè)出版社,20024 王小明. 電動機(jī)的單片機(jī)控制. 北京航空航