1、4奧Z才大4HefeiUniversityofTechnology課程設(shè)計報告名稱：光機電一體化課程設(shè)計院系：儀器科學與光電工程學院班級：光信 07-2學號：20070239學生姓名：李梓霖指導教師：陶曉杰張騰達2010 年 12 月 5 日總體方案設(shè)計1.1 設(shè)計任務一維數(shù)控工作臺是許多機電一體化系統(tǒng)的基本組成部分，如車、銃、鉆、激光加工等各種數(shù)控設(shè)備。因此一維數(shù)控工作臺對機電一體化專業(yè)的教學和科研都具有普遍的意義。設(shè)計一個一維數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)，定位精度為=0.01mm,其他設(shè)計參數(shù)如下：工作臺面板1503200承受載荷Pz=12Kg,Px=15Kg,Py=6Kg最大移動距離300mm

2、最大移動速度2.5m/min采用聯(lián)軸器傳動1.2 總體方案確定1、系統(tǒng)總體基本思想：系統(tǒng)基本原理如上圖所示，由單片機來控制步進電機的轉(zhuǎn)角，電機連著絲杠，電機轉(zhuǎn)動帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而使工作臺移動，由單片機測的編碼器的脈沖數(shù)，從而計算步進電機的轉(zhuǎn)角對應的工作臺移動距離。綜上，設(shè)計基本思想如下：(1)機械設(shè)計通過給定的參數(shù)，計算確定系統(tǒng)脈沖當量，計算運動部件慣性，確定步進電機，滾動絲杠螺母計算和選型，滾珠絲桿副的計算和選型，聯(lián)軸器的計算與選型，在此基礎(chǔ)上，繪制機械系統(tǒng)裝配圖。(2)電學設(shè)計本設(shè)計采用了與MCS-51系列兼容的SST89E58RD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，

3、速度快，有較高的性價比?？刂葡到y(tǒng)由MCU部分、存儲器擴展部分、鍵盤與LED顯示部分、I/O接口、光電耦合電路控制、步進電機、測速部分。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)光學設(shè)計系統(tǒng)的測速部分是由光學設(shè)計部分完成，光學設(shè)計部分要求利用光柵設(shè)計一個光電傳感器，利用此傳感器可以測量步進電機轉(zhuǎn)動的角度、線度等信息，為數(shù)控系統(tǒng)的閉環(huán)或半閉環(huán)控制提供參數(shù)。主要設(shè)計參數(shù)是：步進電機每轉(zhuǎn)動一步(一個步距角)至少輸出5個脈沖當量。.機械系統(tǒng)設(shè)計脈沖當量的選定我們所設(shè)計的是半閉環(huán)式數(shù)控機床，目前在此種機床上常用的脈沖編碼器兼做位置和速度反饋。伺服電機每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，傳感器發(fā)出一

4、定數(shù)量的脈沖，每個脈沖代表電機一定的轉(zhuǎn)角。步進電機是一種電脈沖控制的特種電機，對于每一個電脈沖步進電機都會產(chǎn)生一個恒定的步進角位移，每一個脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱謂步進電機的步距角。因此，每脈沖代表電機一定的轉(zhuǎn)角，這個轉(zhuǎn)角經(jīng)聯(lián)軸器和滾珠絲杠使工作臺移動一定的距離。每個脈沖所對應的執(zhí)行件的距離，稱謂脈沖當量或分辨率。應根據(jù)機床或工作臺進給系統(tǒng)要求的定位精度來確定脈沖當量?？紤]機械傳動系統(tǒng)誤差的存在，脈沖當量要小于定位精度。根據(jù)以上確定我的脈沖當量為0.01.工作臺外形尺寸及重量估算X向拖板尺寸：長 M 寬尺高1503200350重量：按重量=體積3材料比重估算_3_215020050107.810：1

5、17N工作臺運動部分的總重量：約117N。工作臺最大承重：120N工作臺總承重：237N滾動導軌的參數(shù)確定、導軌型式：滾動直線導軌副、導軌長度導軌(X向)工作臺長Lx=150mm最大移動距離L=300mm余量lx=20mm取導軌長度L=LxLlx=470mm、滾動副選擇導軌Pmax=G=237(N)查表初定導軌副型號為GTA20,額定動載荷Ca=550(N),由計算公式:60m/min時，fW=23.5。一般導軌的距離期望壽命定為50km,若距離額定壽命L大于滾動導軌的期望壽命，則滿足設(shè)計要求，初選的滾動導軌副可以采用，此處我們?nèi)H=1.0,fT=1,fC=0.81,fv=1.5,以導軌計算

6、F=237N代入方t算得L=98.40km,充分滿足要求。、滾動導軌剛度及預緊方法當工作臺往復移動時，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。當導軌在位置I時，兩端滾動體受力相等，工作臺保持水平；當導軌移動到位置H或出時，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜口角，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），影響導軌的精度。滾珠絲杠的設(shè)計計算滾珠絲杠的負荷包括銃削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應按銃削時的情況計算。、最大動負載Q的計算Q=3Lf.fHFm

7、查表得系數(shù)fs=1.5,fH=1,壽命值,60nTL二6106查表得使用壽命時間T=15000h,初選絲杠螺距t=4mm,得絲杠轉(zhuǎn)速絲杠牽引力=1.4140.01237150=153.35(N)所以最大動負荷CafHfTfcL=501000Vmaxn二t10002.5=625(r/min)所以6062515000106=562.5P=1.414f當GxPX（f當一一當量摩擦系數(shù)）X向Qx=遍5父1.5父1父153.35=1966.7網(wǎng)）查表，取滾珠絲杠公稱直徑孔=20mm,選用滾珠絲杠螺母副的型號為CDM2034-2.5-E,其額定動載荷為4900N,足夠用。、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算表2-

8、1滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名稱符號計算公式和結(jié)果螺紋滾道公稱直徑d020螺距t4接觸角P45二鋼球直徑dq2.3812螺紋滾道法面半徑RR=0.52dq=1.24q偏心距ee=(R-dq/2JsinP=0.035螺紋升角Va=arctg=3.39nd。螺桿螺桿外徑dd=d0-(0.20.25)dq=19.4螺桿內(nèi)徑dldi=d0+2e-2R=17.59螺桿接觸直徑dzdz=d-dqcosP=18.32螺母螺母螺紋外徑DD=d0-2e+2R=22.41螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）DID=d0+(0.20.255)dq=20.595見表2-1。、傳動效率計算tgtg3.39=0.952tg()tg(3.390

9、.17)式中：一一摩擦角；一一絲杠螺紋升角。、剛度驗算滾珠絲杠受工作負載P引起的導程L0的變化量，L=旦EFP=153.35(N)E=20.6M106(N/cm2)(材料為鋼)FGR2=3.1401=2.21cm22L0=0.4(cm),153.350.4L-_620.61062.21絲杠因受扭矩而引起的導程變化量VL2很小，可以忽略。所以導程總誤差查表知E級精度的絲杠允許誤差15Nm,故剛度足夠。、穩(wěn)定性驗算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗算。步進電機的選用、步進電機的步距角1b取系統(tǒng)脈沖當量6P=0.01mm/step,初選步進電機步距角9b=0.9、步進電機啟動力矩的計算設(shè)步進

10、電機等效負載力矩為T,負載力為P,根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力做功有如下關(guān)系T!=Ps式中：一一電機轉(zhuǎn)角；s移動部件的相應位移；一一機械傳動效率。所以=1.3510a(cm)二.LL。=1.35101000.4=3.375m/m若取甲=%，則s=6p,且P=PS+NG,所以36pPSJG1p21b(Ncm)式中：PS移動部件負載（N）;G移動部件重量用在移動部件上的負載力（N）;一一導軌摩擦系數(shù);電機軸負載力矩（NVm）本例中，取N=0.03（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù)）N）；R-與重量方向一致的作6b步進電機步距角，（rad）;T,”=0.96,PS為絲杠牽引力，Ps=28.6N。G

11、=237N,所以360.01128.60.032371T二2二0.90.96=2.37(Ncm)若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩對于工作方式為二相八拍的三相步進電機、步進電機的最高工作頻率工1000Vmax10002.5fmax吧4167(HZ)60、D600.01p4、步進電機慣性負載的計算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，得Jd二J0JiM1eh180b折算到電機軸上的慣性負載（Kg2cm2）步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（Kg2cmf）滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（Kg2cm2）移動部件的質(zhì)量（Kg）轉(zhuǎn)動慣量J=0.78D4L10多kgcm2算得Jd=7.08kgcm2查表選用110BYG250型步

12、進電機。電機的有關(guān)參數(shù)見表2-2。表2-2步進電機參數(shù)型號主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸（mm）重量(kg)步距角轉(zhuǎn)動慣量(NVm2)空載i1行頻率（KHz）1相數(shù)電壓（V）電流（A）外徑長度軸徑取安全系數(shù)為0.3,則2.37Tq=7.9Ncm0.3Tjmaxq=11.2Ncm0.707JdJ0JiM110BYG2500.9152021203105.0110112166.5刻修尺寸L10BZG250/110BTG350/110BTG550怦幽X匹）確定傳動比因為聯(lián)軸器傳動，所以傳動比為1。因步進電機步距角Hb=1.5滾珠絲杠螺距t=4mm,脈沖當量6P=0.01mm/step,系統(tǒng)傳動比,乙p3600.

13、01360/Z2%t0.94聯(lián)軸器選型由轉(zhuǎn)動慣量、絲杠公稱直徑等參數(shù)，選擇HL2型彈性柱銷聯(lián)軸器。型-號公稱轉(zhuǎn)矩N2m許用轉(zhuǎn)速軸孔直徑*d、d2、dz軸孔長度D質(zhì)量m/kg轉(zhuǎn)動慣量Kg/m2許用補償量鐵鋼Y 型J、JZ 型徑向軸向角向LL1LHL23155600560020,22,2452385212050.2530.15+10.5三.電學部分硬件設(shè)計一維數(shù)控工作臺采用單片機控制，單片機系統(tǒng)包括：兩路步進電機速度控制，測量頭電機控制，32KROM,32KRAM,6位LED顯示，434鍵盤，2路編碼器輸入，4路模擬開關(guān)。CPU 板-Numbered_82d60954-f96d-41e2-b488

14、-c2f2065ace99-Numbered_e850bfba-ba43-43f5-b989-311c90df48b2-NumberCPU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，而目前市場上應用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，他們具有功能強大，上手容易，使用方便，且均為8位，數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點。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(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

15、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SST89E58RD。SST89E58RD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

16、斷0、外部中斷1、定時器。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。-Numbered_82d60954-f96d-41e2-b488-c2f2065ace99-Numbered_e850bfba-ba43-43f5-b989-311c90df48b2-NumberCPU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。示意圖如下所示：圖3-1CPU外部接口示意圖SST89E58RD要完成的任務：(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

17、指令，將當前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應到實現(xiàn)人機交互作用。由于SST89E58RD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。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8255,所以SST89E58RD的I/O口線分配如下：P0口、P1口用于外擴兩個8255來擴展I/O口；P2.7、P2.6用于外擴8255;P2.0用于電機控制；P2.4用于編碼器輸入；P2.5用于外擴EEPROM;控制系統(tǒng)部分原理圖：外擴RAM和ROM: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

18、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。-Numbered_82d60954-f96d-41e2-b488-c2f2065ace99-Numbered_e850bfba-ba43-43f5-b989-311c90df48b2-Number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0.01mm,步進電機每走一步，工作臺直線行進0.01mm。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

19、路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。LED上,XEqZ.EXE,白znw27VCC圖3-4步進電機驅(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。-Numbered_82d60954-f96d-41e2-b488-c2f2065ace99-Numbered_e850bfba-ba43-43f5-b989-311c90df48b2-Num

20、ber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林頓管，因為驅(qū)動電磁鐵的電流比較大。圖3-6電磁鐵驅(qū)動電路傳感器和人機界面人機界面設(shè)計的準則就是要有良好的人機交互能力,此系統(tǒng)中共有6個LED,434矩陣鍵盤。設(shè)計原理如圖：圖3-8人機界面圖此部分數(shù)碼管采用段點亮，此種方法設(shè)計雖然軟件上寫起來有些困難，但比起使用ZLG7289節(jié)約成本且對于初學者書本上講的也是段點亮，因此考慮實用和應用層面，所以采用此種方法。般要求操作簡便，界面簡潔明了。四.電學部分軟件設(shè)計系統(tǒng)初始化后通過鍵盤輸入工作臺要移動的距離,同時采用數(shù)碼管顯示電機的轉(zhuǎn)角， 并將相應的值存到

21、定電機轉(zhuǎn)角控制的工作臺移動距離。輸入完畢后由單片機控制步進電機轉(zhuǎn)動，RAM中，同時測量工作臺移動距離由此確中斷1累加器計數(shù)關(guān)聯(lián)移動距離，將累加器的值存在RAM中不同于上述的單元中，以方便后續(xù)比較。中斷2將存儲到的不同單元即電機控制工作臺移動距離和工作臺實際移動距離拿出來做比較，相同則說明工作臺移動距離與設(shè)定相同所以不作處理，不同則說明工作臺移動距離與輸入值不符，則通過單片機進行控制來做矯正處理。五.光學部分設(shè)計總體方案光學系統(tǒng)設(shè)計的目的是采用光柵副測量絲杠轉(zhuǎn)角，該部分設(shè)計涉及到光源設(shè)計、準直鏡設(shè)計、光柵副設(shè)計、光電探測器設(shè)計。光源設(shè)計包括一般選取點光源，需要去定光源類型、型號，準直鏡的作用就是

22、叫光源的光變成平行光。光柵副設(shè)計包括主光柵的柵距、縫長、縫寬設(shè)計，指示光柵結(jié)構(gòu)、參數(shù)確定，零位光柵的選取，光柵間距的確定。光電探測器類型，一般就采用光電三極管加比較電路處理，輸出為矩形脈沖型號，可以很好的與數(shù)字電路駁接。參數(shù)計算設(shè)計要求：檢測絲杠轉(zhuǎn)角，步進電機走一步，編碼器輸出不小于5個脈沖信號，確定主要參數(shù)。光源的類型型號確定光源我們采用LED,LED的特點非常明顯：壽命長、光效高、無輻射、低功耗。LED的光譜幾乎全部集中在可見光頻段。這是采用普通光源不具有的優(yōu)勢。采用普通燈泡光源，為了使后續(xù)光電探測器的輸出信號足夠大，足夠分辨，燈泡是需要有一定的功率。然而這樣就帶來兩個問題：一是溫升問題，

23、二是燈泡壽命問題。對于高精度測量來說，光柵的溫升會引起測量誤差；燈泡的壽命太短要經(jīng)常更換，也太麻煩。采用LED類型光源就可以避免這種問題的出現(xiàn)。查找資料，選取一款來自深圳的LED光源，型號：SST-R-3528-85105-C-12。名稱：12VDCNon-waterproofrigid3528LEDlightbar(105LEDs/85cm)。卜面為該款電源的參數(shù):Description:12VDCnon-waterproof3528RigidLightBar(105LEDs/85cm)temNo.:SST-R-3528-85105-C-12nputVoltage:12VDC_EDType:

24、3528SMDBeamAngle120,EDQty:105LEDs/pcWattage8.4w_EDSpacing:8mmMin.cuttingunit3LEDsMin.cutting1ength25mmPCBA1uminumDimension:L850 xW8mmPratingNASea1methodNAnsta11ationfixingc1ipsPackage1pc/tube,50pcs/box準直鏡參數(shù).透鏡的通光口徑的確定以硅光電池直接接收式光路為例，為了提高莫爾條紋的反差，減少廣源發(fā)散的影響，一般都采用平行光垂直照射光柵面，為此必須有準直透鏡。透鏡的通光尺寸在平行于柵線方向上為口，在

25、垂直于柵線方向上為11,則.,.12、.二bL-2(1.5-4)mmb=1Lb2(13)mm式中，12/f和b2/f為燈絲發(fā)散角；f為準直透鏡焦距；12、b2為燈絲的長度和寬度；L為與傳感器有關(guān)的值；1、b分別為硅光電池的長度與寬度。由上式的準直透鏡的通光口徑為d=b12112(13)mm2透鏡的型式和焦距在上述光路中，若柵距較大而兩光柵之間間隙較小時，常采用單片平凸透鏡，并使平面朝向燈絲以減小象差；在大間隙使用時，為了減小象差，特別是色差，提高莫爾條紋的反差，應采用雙片平凸透鏡，相對孔徑不宜大于0.8,雙片平凸透鏡不宜大于1。兩光柵間隙較大時，上述數(shù)據(jù)可適當減小。適當?shù)目s短焦距，可使傳感器結(jié)

26、構(gòu)緊湊，并能提高光電池上的照度。準直鏡的主要作用就是將光源的光束變成平行光，因此準直鏡采用一般透鏡即可，考慮到安裝長度，采用小焦距的透鏡比較合適。采用焦距f=10cm,直徑為25mm的透鏡可以很好的將光源的光線變成平行光。25mm的選擇是考慮到絲杠直徑為20mm。光柵副設(shè)計光柵副包括主光柵以及指示光柵，零位光柵在實現(xiàn)原理很復雜：零位光柵測量系統(tǒng)是在增量式光柵測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型測量系統(tǒng)。增量式測量方法是采用“置0”來選擇工作原點的，它可以依據(jù)操作要求選在任一位置。零位光柵與普通光柵不同，它是一線紅復雜的柵線序列，是一種非等間隔和非等寬度的明暗相間的光柵。所以設(shè)計中就沒有設(shè)計零位光

27、柵功能。主光柵安裝在齒輪一端，因此選擇圓光柵。同時設(shè)計要求步進電機每走一步編碼器至少輸出5個脈沖，步進電機的步距角為d=0.97脈沖。從工程角度考慮，步進電機走一步，編碼器輸出6個脈沖。那么主光柵的柵距角為0.15。，光柵直徑取20mm,柵距0.026mm,縫長為2mm,縫寬默認為柵距的一半。采用2500線/周的圓形光柵即可。而只是光柵采用直光柵即可，一般情況下指示光柵的參數(shù)與主光柵相同，即：柵距0.026mm,縫長為2mm,縫寬為1mm。光電探測器的選擇光柵傳感器常用的光電接收元件主要有：硅光電池光電二極管光電三極管。硅光電池硅光電池使用的特點是：工作面積大，不需外加電源，受光照面為整機，背光照