X-Y繪圖儀設(shè)計(jì)說明書

1、武漢紡織大學(xué)機(jī)電工程院機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)說明書班級： 學(xué)號： 姓名： 指導(dǎo)老師： 摘 要模塊化的小幅面平板式單坐標(biāo)畫筆驅(qū)動系統(tǒng)，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作平臺、滾珠絲杠副，以及伺服電動機(jī)等部件組成。其外觀形式如圖1-1所示。其中，伺服電動機(jī)作為執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，通過直齒圓柱齒輪的減速傳動，滾珠絲杠的螺母帶動滑塊和工作平臺仔導(dǎo)軌上運(yùn)動，完成工作臺在X方向的直線移動，調(diào)動畫筆的高度從而實(shí)現(xiàn)直線的生成。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機(jī)等均已標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專門的微機(jī)控1 機(jī)電一體化方向?qū)I(yè)課

2、程設(shè)計(jì)任務(wù)書2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控X-Y小幅面平板式繪圖儀，該用于圖紙幅面A5以下的圖形繪制，重復(fù)定位精度為0.5mm。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：臺面尺寸CBH210mm148mm10mm；底座外形尺寸C1B1H1430mm160mm20mm；最大長度L=500mm；工作臺加工范圍X=210mm，Y=148mm；工作臺最大快移速度為1m/min。2.2 總體方案確定2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)由于繪圖移動的過程中，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)，降低本錢，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動X-Y工作臺。并選用MCS-51系列的ATR89C52作開環(huán)控制，與

3、CPU、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(zhuǎn)換電路、串行接口電路等選擇適宜的驅(qū)動電源，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用組成完整的控制系統(tǒng)，X、Y兩工作位元件擬采用相同的型號與規(guī)格。2.2.2 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)荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運(yùn)動載荷不大，因此采用無預(yù)加載荷的HG系列滾珠導(dǎo)軌，采用滾珠直線導(dǎo)軌可減少兩個(gè)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，為到達(dá)分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。系統(tǒng)總體框架圖3 機(jī)械

4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 工作臺外形尺寸及重量估算X向拖板上拖板尺寸：長寬高 14516010重量：按重量=體積材料比重估算NY向拖板下拖板尺寸： 長寬高 重量：約18N。上導(dǎo)軌座連電機(jī)重量：夾具及工件重量：約10N 。X-Y工作臺運(yùn)動局部的總重量：約120N。3.2 滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定3.2.1 導(dǎo)軌型式：直線滾動導(dǎo)軌3.2.2 導(dǎo)軌長度 = 1 * GB3 上導(dǎo)軌X向 = 2 * GB3 下導(dǎo)軌Y向3.2.3 直線導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)計(jì)算作用在滑塊上的載荷，滑座數(shù)M=4，那么，單項(xiàng)行程長度，每分鐘往返次數(shù)K=5，工作壽命10000h.按下導(dǎo)軌計(jì)算導(dǎo)軌類型：由 得： 由于每根導(dǎo)軌使用兩個(gè)滑座，查表知,取。計(jì)算

5、動載荷，根據(jù)額定壽命計(jì)算公式可知：初選直線導(dǎo)軌型號：HGW15 CA3.2.3 滾動導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法 當(dāng)工作臺往復(fù)移動時(shí)，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(shí)，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(shí)，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜角，由此造成誤差。此外，滾動體支承工作臺，假設(shè)工作臺剛度差，那么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(shí)還可能出現(xiàn)波浪形，影響導(dǎo)軌的精度。3.3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲杠的負(fù)荷僅為運(yùn)動部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。3.3.1 最大動負(fù)載Q的計(jì)算查表得系數(shù)，壽命值

6、查表得使用壽命時(shí)間h，初選絲杠螺距t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速得：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。3.3.2 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算表2-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(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)3.3.3 傳動效率計(jì)算式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。3.3.4 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

7、 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。3.3.5 穩(wěn)定性驗(yàn)算由于絲杠兩端采用角接觸軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。3.3.6 角接觸軸承708 CD/P4A 的選取角接觸軸承可以同時(shí)承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨(dú)承受軸向載荷。能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作。708 CD/P4A相關(guān)參數(shù)尺寸708 CD/P4A相關(guān)參數(shù)尺寸3.4 步進(jìn)電機(jī)的選用3.4.1 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。3.4.2 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

8、機(jī)轉(zhuǎn)角； 移動部件的相應(yīng)位移； 機(jī)械傳動效率。假設(shè)取 ，那么，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，?？紤]到重力影響，Y向電機(jī)負(fù)載較大，因此取，所以假設(shè)不考慮啟動時(shí)運(yùn)動部件慣性的影響，那么啟動力矩取平安系數(shù)為0.3，那么 對于工作方式為兩相四拍的兩相步進(jìn)電機(jī) 3.4.3 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率查表選用兩個(gè)2S56Q-02976型步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見表2-2。3.5 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

9、，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比選 ， 。3.6 確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸因傳遞的扭矩較小，取模數(shù)，齒輪有關(guān)尺寸見表3-3。表2-3 齒輪尺寸184518205454753.7 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算因?yàn)?，所以慣性匹配比擬符合要求。3.8 潤滑及密封為了阻止灰塵，水，酸氣和其雜物進(jìn)入軸承并阻止?jié)櫥瑒┝魇?。再本設(shè)計(jì)中加如了軸承的密封裝置。因?yàn)闈L珠絲杠的轉(zhuǎn)速不高，所以采用接觸式密封。在透蓋與軸承中間參加了唇形密封圈，目的是防止?jié)櫥偷牧鞒?。在軸承的左側(cè)參加軸承端蓋，目的是阻止灰塵，水，酸氣和其雜物進(jìn)入軸承。為了降低摩擦阻力，散熱，吸收振動，防止銹蝕等，在整個(gè)系統(tǒng)中參加了潤滑裝置，在此系

10、統(tǒng)中滾珠絲杠和軸承都采用脂潤滑。4 控制系統(tǒng)原理及電路設(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、傳感器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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擬好。4.1 CPU4.1.1 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)有了飛躍的開展。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比擬多，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(shí)處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)

11、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、Siemens，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(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(shí)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(shí)鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件CPU選用AT89C52，AT表示ATMEL

12、公司的產(chǎn)品，9表示內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，C表示含有串行下載Flash存儲器。AT89C52的性能參數(shù)為：8k可反復(fù)擦寫1000次Flash ROM;32個(gè)雙向I/O口；256*8bit內(nèi)部RAM；3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷，時(shí)鐘頻率0-24MHZ；2個(gè)串行中斷，可編程UART串行通道；2個(gè)外部中斷源，共8個(gè)中斷源；2個(gè)讀寫中端口線，3級加密位；低功耗空閑和掉電模式、軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。4.1.2 CPU接口設(shè)計(jì)CPU接口局部包括傳感器局部、傳動驅(qū)動局部、人機(jī)交互界面三局部。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)輸入設(shè)備傳感器AT89C52LED后向通道 圖3-1 CP

13、U外部接口示意圖AT89C52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(jìn)行處理，它的優(yōu)先級別最高。2通過程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)和電磁鐵的運(yùn)行。3接受外部中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)反響到LED上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。由于AT89C52只有P1口和P3口是準(zhǔn)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(jìn)行I/O擴(kuò)展?？紤]到電路的簡便性和可實(shí)現(xiàn)性，實(shí)際中采用內(nèi)部自帶鎖存器的8155，所以AT89C52的I/O口線分配如下：1P1.0-P1.5控制X-Y兩個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)的A、B線圈通電，形成-A-B-A-正轉(zhuǎn)模式和- A - B - A -的反轉(zhuǎn)模式

14、。2P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。3P3.2和P3.3兩個(gè)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(diǎn)動、復(fù)位、圓弧插補(bǔ)開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。4P0.0-P0.7外部I/O擴(kuò)展的數(shù)據(jù)讀取。5P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址。驅(qū)動1X步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動2Y步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動3外部中斷1外部中斷2AD0AD7CEIO/MPB 口PA口PC口AT89C52輸入設(shè)備電磁鐵8155 圖3-2 AT89C52控制系統(tǒng)圖PB口接LED反映當(dāng)前運(yùn)行的8個(gè)狀態(tài)：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手動X+運(yùn)行、手動X-運(yùn)行、手動Y+運(yùn)行、手動Y-運(yùn)行。PA口低四位

15、反映觸發(fā)中斷1的4個(gè)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(yùn)行、手動X-運(yùn)行、手動Y+運(yùn)行、手動Y-運(yùn)行、復(fù)位RST、圓弧插補(bǔ)6個(gè)開關(guān)的狀態(tài)。4.2 驅(qū)動系統(tǒng)傳動驅(qū)動局部包括步進(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(shí)能快速運(yùn)行、工作時(shí)能帶開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。在定位和退刀時(shí)電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時(shí)能及時(shí)釋放磁力使筆尖壓下。4.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路和工作原理步進(jìn)電機(jī)的速度控制比擬容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反響電路。設(shè)計(jì)時(shí)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)0.5mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中采用了光電偶合器

16、，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(shí)，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(gè)單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時(shí)，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。4.2.2 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。其光電偶合局部采用的是達(dá)林頓管，因?yàn)轵?qū)動電磁鐵的電流比擬大。圖3-6 電磁鐵驅(qū)動電路4.2.3 電

17、源設(shè)計(jì)兩電機(jī)同時(shí)工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比擬大，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(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。圖3-7 電源轉(zhuǎn)換電路圖電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個(gè)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。參 考 文 獻(xiàn)：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)根底.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. 北京航空航天大學(xué)出版社,20025 李建勇.6 王愛玲，白恩遠(yuǎn)，趙學(xué)良.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.國防工業(yè)出版社,20017 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊3.機(jī)械工業(yè)出版社,20