1、設計組號： 9 機電一體化系統綜合課程設計X-Y數控工作臺設計說明書 學 院: 信息工程學院班 級：機械三班設 計 者：屠昊杰指導老師：李沛同完成日期：2015年11月5日 目錄一、總體方案設計1 設計任務2 總體方案確定2、 機械系統設計1 工作臺外形尺寸及重量估算2 直線導軌副的計算與選型3 滾珠絲杠螺母副的計算與選型4 步進電機減速箱的選用5 步進電機的計算與選型三、控制系統硬件設計1 CPU的選擇2 CPU接口設計3 驅動系統4 步進電機驅動電路和工作原理5 電磁鐵驅動電路6 電源設計7 本章小節四、控制系統軟件設計1 總體方案2 主流程圖3 INT0中斷服務流程圖4 INT1中斷服務

2、流程圖5 復位程序流程圖6 X軸電機點動正轉程序流程圖7 繪制圓弧程序流程圖8 步進電機步進一步程序流程圖五、附錄一、總體方案設計1設計任務設計一個數控X-Y工作臺及其控制系統。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，重復定位精度為±0.02mm，定位精度為0.04mm。設計參數如下：負載重量G=1500N；臺面尺寸C×B×H240mm×254mm×15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1550mm×450mm×184mm；最大長度L=678mm；工作臺加工范圍X=300mm

3、，Y=200mm；工作臺最大快移速度為1m/min。2 總體方案確定（1）系統的運動方式與伺服系統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。定位方式采用增量坐標控制。為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環伺服系統驅動X-Y工作臺。（2）計算機系統本設計采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機控制系統。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。系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現。LED顯示數控工作臺的狀態。（3）X-Y工作臺的傳動方式為保證一定

4、的傳動精度和平穩性，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、靜摩擦系數之差，從而提高運動平穩性，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。 系統總體框圖二、機械系統設計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 240×254×50重量：按重量=體積×材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 240×254×50 重量：上導軌座（連電機）重

5、量：夾具及工件重量：約500N 。X-Y工作臺運動部分的總重量：約856N。2、直線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 單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： 查表3-41，根據工作載荷，故初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷，額定靜載荷。上述導軌硬度為60HRC，工作溫度不超過100°C，根據導軌上配有兩只滑塊，精度為4。任務書規定工作臺面尺寸為240mm×254mm，加工范圍為300mm×200mm，考慮工作行程應留有一定余量，查表3-35，按標準系列，選取導軌的長度為600mm。 （2）、距離額定壽

6、命L的計算 查表3-36和表3-40，分別取硬度系數，溫度系數，接觸系數，精度系數，載荷系數,代入上述公式得： 遠大于期望值50km，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）最大工作載荷的計算工作臺收到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）,受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）,受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）。已知移動部件總重量，按矩形導軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數K=1.1，滾動導軌上的摩擦因素，球的滾珠絲杠副的最大工作載荷：（2） 最大動載荷的計算 工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度，初選絲杠導程，則此時絲杠轉速：。 取滾珠絲杠的使用壽命，代入,得絲

7、杠壽命系數（單位為：）查表3-30，取動載荷系數，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數，代入下列式中，求得最大動載荷： （3）初選型號根據最大動載荷和初選的絲杠導程，查表3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內循固定反向單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環滾珠為3圈×1列，精度等級取5級，額定動載荷為9309N，大于，滿足要求。 （4）傳動效率的計算 ，導程，代入下式：將摩擦角代入下式：（5） 剛度計算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，見書后插頁圖6-23.絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，

8、面對面組配，左、右支承的中心距離為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1×105Mpa；查表3-31，得滾珠直徑，絲杠底徑，絲杠截面面積。拉/壓變形量2） 根據公式，求得單圈滾珠數Z=20，該型號絲杠為單螺母，滾珠圈數×列數為3×1，代入公式：=Z×圈數×列數，得滾珠總數量=60.絲杠預緊力。可求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量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少一半，取=0.0003mm。3）絲杠的有效行程為330mm，由表3-27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25，可見絲杠剛度足

9、夠（6） 壓桿穩定性校核 查表3-34，取支承系數，帶入下式：壓桿穩定安全系數K取3（絲杠臥式水平安裝），代入下式：遠大于工作載荷171N，故絲杠不會失穩。綜上所述，初選滾珠絲杠副滿足使用要求。4、 步進電機減速箱的選用已知滾珠絲杠的導程為5mm，初選步進電機的步距角0.75°，減速比25/12。本設計選用常州市新月電機有限公司生產的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數均為1mm，齒數比為75：36，材料為45調質鋼，齒面淬硬后達55HRC.減速箱中心距為55.5mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。5、步進電機的計算與選型（1）計算加在步進電機轉軸上的總轉動慣量已

10、知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長l=500mm，導程，材料密度，移動部件總重力G=865N，小齒輪寬度b1=2mm，直徑d1=36mm，大齒輪寬度b2=20mm，直徑d2=75mm，傳動比i=25/12。如表4-1所示，算得各個零部件的轉動慣量如下：滾珠絲桿的轉動慣量拖板折算到絲杠上的轉動慣量小齒輪的轉動慣量大齒輪的轉動慣量初選步進電機型號為90BYG2602，為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產，二相八拍驅動時步距角為0.75°，從表4-5查得該型號電動機轉子的轉動慣量。則加在步進電機轉軸上的總轉動慣量為：（2） 計算加在步進電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

11、情況進行計算。 1）快速空載啟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，一部分是移動不禁暗運動史折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩，還有一部分時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，則有：考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩：式中 -對應空載最快移動速度的步進電機最高轉速，單位為r/min； -步進電機由靜止到加速至轉速所需的時間，單位為s。其中：式中 -空載最快移動速度，任務書指定為1000mm/mim； -步進電機步距角，雨軒電動機為0.75°；

12、 -脈沖當量，本例。將以上各值代入式子中，可得設步進電機由靜止到加速至轉速所需時間，傳動鏈總效率。則由此可得：移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：式中 -導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.005； -垂直方向的銑削力，空載時取0； -傳動鏈總效率，取0.7.由此可得出：可求得快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：2）最大工作負載狀態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；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,相對于和很小，可以忽略不計，則有=+其中，折算到電動機轉

13、軸上的最大工作負載轉矩計算，已知沿著絲桿軸線方向的最大進給載荷，則有：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軸上的摩擦轉矩：因此可以求得最大工作服在狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩為：經過上述計算后得到加在步進電機轉軸上的最大等效負載轉矩為： （3）步進電機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電機的驅動電源受到電網電壓影響較大，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，根據來選擇步進電機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。取安全系數K=4，則步進電機的最大靜轉矩應滿足：上述初選的步進電機型號為90BYG2602，由表4-5查得該型號電動機的最大靜轉矩

14、，可見滿足要求。 （4）步進電機的性能校核 1）最快工進速度時電機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺面最快工進速度，脈沖當量，求出電動機對應的運行頻率。從90BYG2602電動機運行矩頻特性曲線圖6-24可以看出，再次頻率下，電動機的輸出轉矩，遠遠大于最大工作負載，滿足要求。3）起動頻率計算一直電動機轉軸上的總轉動慣量，電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率（查表4-5）。則可以求出步進電動機客服慣性負載的起動頻率：上述說明，要想保證步進電機起動時不失步，任何頻率都必須小雨614Hz，實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率更低，通常只有100Hz。綜上所述，90BYG2602步

15、進電機符合要求。 三、控制系統硬件設計X-Y數控工作臺控制系統硬件主要包括CPU、傳動驅動、傳感器、人機交互界面。硬件系統設計時，應注意幾點：電機運轉平穩、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。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，而性能優良，功能強大。在一些復雜的系統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，變頻調速等各類要求實時處理的控制系統，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位

16、合理的單片機可以節約資源，獲得較高的性價比。從要設計的系統來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數據存儲器，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Flash存儲器，在程序開發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，并且采用靜態時鐘方式可以節省電能。因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產品，9表示內含Fla

17、sh存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。AT89S51的性能參數為：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位的計數器WDT、I/O口共有32個。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 CPU外部接口示意圖AT89S51要完成的任務：（1）將行程開關的狀態讀入CPU，通過中斷進行處理，它的優先級別最高。（2）通

18、過程序實時控制電機和電磁鐵的運行。（3）接受鍵盤中斷指令，并響應指令，將當前行程開關狀態和鍵盤狀態反應到LED上，實現人機交互作用。由于AT89S51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性，實際中采用內部自帶鎖存器的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三相六拍正轉模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反轉模式。（2）P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。（3）P3.2和P3

19、.3兩個中斷源中INT0優先級最高，它讀入行程開關的狀態并觸發中斷；INT1讀入點動、復位、圓弧插補開關的狀態而觸發中斷。（4）P0.0-P0.7外部I/O擴展的數據讀取。（5）P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址。P1.0-P1.2驅動1X步進電機驅動2Y步進電機P1.3-P1.5P1.6驅動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 AT89S51控制系統圖PB口接LED反映當前運行的8個狀態：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手動X+運行、手動X-運行、手動

20、Y+運行、手動Y-運行。PA口低四位反映觸發中斷1的4個行程開關的狀態。PC口低6位反映了觸發中斷2的手動X+運行、手動X-運行、手動Y+運行、手動Y-運行、復位（RST）、圓弧插補6個開關的狀態。3 驅動系統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。4 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，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。

21、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，當功放電路出現故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。 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。電路中與繞組并聯的二極管D起到續流作用，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流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯的電阻為限流電阻，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-C

22、B-B-BA-A。 步進時鐘A相波形B相波形C相波形 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉）5 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。 電磁鐵驅動電路6 電源設計兩電機同時工作再加上控制系統用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統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。 電源轉換電路圖電路中在轉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，在具體應用的過程中，

23、LM7805必須加上散熱片。7 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，必須在X、Y軸的方向各加上兩個行程開關。這里行程開關作用有兩個：（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個行程開關就充當了傳感器。人機界面設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

24、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亮表示系統通電運行。界面上的7個按扭意義為：按扭1是通斷電開關，按扭2是向X軸負方向運行的點動開關，按扭3是向X軸正方向運行的點動開關，按扭4是向Y軸負方向運行的點動開關，按扭5是向Y軸正方向運行的點動開關，按扭6是復位開關，按扭7是執行繪制圓弧開關。人機界面圖8 本章小節本章著重介紹了數控工作臺控制系統的硬件設計。CPU板介紹了CPU的選擇及其外圍的接口設計和控制流程；驅動系統介紹了步進電機和電磁鐵的驅動電路設計；此外還敘述了人機界面各個按扭和LED的意義。四、控制系統軟件設計1

25、 總體方案對于AT89S51的程序設計，由于所需實現的功能較簡單，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。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 00

26、13HAJMP 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 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 ；設置優先級 ETB 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，是中斷0則進入中斷0的中斷服務INT0I

27、S，是中斷1則進入中斷1的中斷服務INT1IS。中斷服務0是由4個行程開關觸發的，它觸發后通過單片機讀取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。3 INT0中斷服務流程圖INT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL PUSH DPTH PUSH PSW MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；讀PA口內容 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR,A MOV DPTR,R2 MOV A，R2 CPL A ；A取反 A

28、NL A，#03H ；屏蔽高6位 JZ A，TM2C SETB P1.0 SETB P1.1 SETB P1.2 TM2C： MOV A，R2 CPL A ANL A，#0CH JZ A，RETIN SETB P1.3 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI4 INT1中斷服務流程圖INT1IS：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 AC

29、C.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口內容 ANL A，#0FH SWAP A ORL A，R1 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR，A MOVX DPTR，R2；數據輸入PB口 INC DPTL5 復位程序流程圖 DIRX

30、EQU 30H DIRY EQU 31HRST： CLR P1.6RPA： MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；讀PA口內容 JNB ACC.0，ACC2 MOV DIRX，#00H ；表X電機反轉 ACALL XMOTOR0 ；X電機反轉一步ACC2： JNB ACC.2，LOOP0 MOV DIRY，#00H ；表Y電機反轉 ACALL YMOTOR0 ；Y電機反轉一步 AJMP RPALOOP0：AJMP LOOP16 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，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP