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1、精品资料XY运动工作台控制系统设计.数控专业方向综合课程设计说明书 “X-Y运动工作台控制系统设计”课程设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 学生姓名 指导老师 2013年 12 月27日课 程 设 计 任 务 书兹发给 班学生 课程设计任务书，内容如下：1 设计题目： X-Y运动工作台控制系统设计 2 应完成的项目：（1）原始资料：该X-Y工作台图样，小批量生产； （2）熟悉X-Y工作台图样，绘制装配图一张； （3）编写控制系统程序； （4）撰写说明书。 3 参考资料以及说明：1李洪主编.实用机床设计手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，19992郑堤主编.数控机床与编程.
2、北京：机械工业出版社，3机械加工技术手册编写组.机械加工技术手册.北京：北京出版社，19934何立民.单片机应用系统设计【M】北京：北京航空航天大学出版社，19905周开勤主编.机械零件手册.北京：高等教育出版社，19996冯辛安主编.机械制造装备设计.北京：机械工业出版社，19997吴振彪.机电综合设计指导.北京：机械工业出版社，19978李洪.机械加工工艺手册.北京：北京出版社，19904 本设计任务书于2013年 12月 16日发出，应于2013年12月 27日前完成，然后进行答辩。指导教师 签发 2013 年12 月 16 日课程设计评语：课程设计总评成绩：指导教师签字：年 月 目 录
3、摘要第一章 绪论3 1.1 引言3 1.2 课程设计的目的、意义及要求3第二章 课程设计的内容42.1 课程设计题目42.2 课程设计的内容4第三章 数控系统总体方案的确定5 3.1 系统运动方式确定5 3.2 伺服系统选择5 3.2 计算机系统选择5 3.4 X-Y工作台传送方式5 第四章 机械部分设计64.1 确定系统脉冲当量64.2 工作台外形尺寸及重量初步估算64.3 滚动导轨副的计算、选择74.4 滚珠丝杠计算、选择84.5 齿轮计算、设计104.6 步进电机惯性负载的计算114.7 步进电机的计算选择11第五章 机床数控系统硬件电路设计135.1 CPU板135.2 驱动系统145
4、.3 电磁铁驱动电路165.4 电源设计16第六章 系统控制软件设计17 6.1 总体方案17 6.2 主流程图17 6.3 X轴电机点动正转程序图18 6.4 步进电机控制程序设计20第七章 设计总结22参考文献23摘 要当今世界技术迅速，微处理器、微型机在各技术领域得到了广泛，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这
5、类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。关键字：机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趋势第一章 绪论1.1引言在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技
6、术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 1.2课程设计的目的和意义课程设计是培养学生设计能力的
7、重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：1. 能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；2. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；3. 通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；4. 通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的
8、能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。第二章 课程设计的内容第一节 课程设计题目：单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。已知条件：定位精度：0.01mm，负载G=150N，加工范围500mm*50mm,最快移动速度1m/min第二节 课程设计的内容 a.数控装置总体方案的确定 (1).数控装置设计参数的确定； (2).方案的分析，比较，论证。 b.机械部分的设计(1).确定脉冲当量；(2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(4).确定伺服电机；(5).绘制机械结构装配图；(6).系统等效惯量计算；(7).系统精度分
9、析。c.数控系统的设计(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；(2).I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用；(3).系统控制软件的设计第四章 数控系统总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。3.1 系统运动方式的确定该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。3.2 伺服系统的选择开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容
10、易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。.考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。3.3 计算机系统的选择采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。3.4 XY工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工
11、作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。 考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图如下:图3-1 系统总体框图第五章 机械部分设计机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。4.1 确定系统脉冲当量脉冲当量p是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。4.2 工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程
12、，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:工作台简图a. X向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=420*410*50重量:按重量=体积*材料比重估算为: = b. Y向拖板(下拖板)尺寸为: 重量=c. 上导轨(含电机)重量为夹具及工件重量:约155NX-Y工作台运动部分总重量为:4.3 滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0
13、(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如下:额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够.4.4 滚珠丝杠计算、选择初选
14、丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm（1） 强度计算丝杠轴向力：(N)其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:寿命值：，其中丝杠转速(r/min)最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。查表得中等冲击时则:根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。其基本参数如下:
15、其额定动载荷为14205N 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表名称计算公式结果公称直径20mm螺距mm接触角钢球直径3.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径23.212mm螺母内径（外循环）20.7mm（2） 传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。（3） 稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。（4） 刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm
16、)Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为E级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m。4.5 齿轮计算、设计因步进电机步距角滚珠丝杠螺距t=5mm,要实现脉冲当量,在传动系统中应加一对齿轮降速传动.齿轮传动比： ，初选步进电机步距角：= 1.5/step。取小齿轮齿数 则大齿轮齿数因传递的扭距较小,取模数m=1mm则:分度圆直径: 齿顶圆直径: 齿根圆直径: 齿宽: 取 中心距: 分度圆压力角: 大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙.双片齿轮错齿消隙结构图如下:1、2-薄齿轮, 3弹簧, 4、8凸耳, 5调节
17、螺钉, 6、7螺母双片齿轮错齿消隙结构图4.6 步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，有：（1）等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：式中：为折算到电机轴上的惯性负载；为步进电机轴的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有：电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：4.7 步进电机的选用(）步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：式中为电机转角，为移动部件的
18、相应位移，为机械传动的效率。若取，则，且。所以：式中：为移动部件负载（N），G为移动部件质量（N），为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），为导轨摩擦系数，为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），.8，=279.23。考虑到重力影响，向电机负载较大，因此1200，所以有：考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：取系数为.，则： 对于工作方式为三相拍的步进电机： (） 步进电机的最高工作频率为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.电机有
19、关参数如下:型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg转子转动惯量Kg.m外直径长度轴直径9014594.51764第五章 数控系统硬件电路设计X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。5.1 CPU板a. CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-5
20、1芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。b. CPU接口设计CPU接口部分包括传感器部分
21、、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：（行程开关）前向通道传动驱动（电磁铁）（步进电机）人机界面传感器AT89S51（键盘、LED）后向通道 图5-1 CPU外部接口示意图P1.0-P1.2驱动1X步进电机驱动2Y步进电机P1.3-P1.5P1.6驱动3P3.2外部中断1P3.3外部中断2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51键盘电磁铁8155 图5-2 AT89S51控制系统图5.2 驱动系统传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、
22、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。a. 步进电机驱动电路和工作原理步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。图5-4 步进电机驱动电路图该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回
23、路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。步进时钟A相波形B相波形C相波形图5-5 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）5.3 电磁铁驱动电路 图3-6 电磁铁驱动电路该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。5.4 电源设计两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择
24、大容量电源。此系统中用到的电源电压为27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的27V电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的12V和5V电压。第六章 控制系统软件设计6.1 总体方案对于AT89S51的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。编译器采用Keil 7.02b。该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持C语言编译。同时具有完善的调试功能。上电复位P1.6=0，吸合电磁铁，绘笔抬起外部中断，8155初始化开外部中断，开总中断等待中断6.2 主流程图CTL EQU 3FF8HPA EQU 3FF9HPB EQU 3FFAHPC
25、EQU 3FFBHCMD EQU 02HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INT0IS ；外部中断0入口ORG 000BHAJMP TM0IS ；定时器0中断入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中断1入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定时器1中断入口ORG 0100HMAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中断负跳沿触发 SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX DPTR，CMD；A口输入，B口输出，C口输入 SETB EX0 ；允许外中断0 SETB EX1 ；允许外中断1 SETB PX0
26、 SETB PX1 ；设置优先级 SETB EA ；开总中断 LOOP：AJMP LOOP ；等待中断在等待中断的过程中，如果有中断到来，先检查中断0的状态，是中断0则进入中断0的中断服务INT0IS，是中断1则进入中断1的中断服务INT1IS。中断服务0是由4个行程开关触发的，它触发后通过单片机读取PA口内容，然后将结果反馈到PB口的LED上。中断服务1有6个中断源，这六个中断源分别是手动X正方向运行，手动X负方向运行，手动Y正方向运行，手动Y负方向运行，复位和绘制圆弧。6.3 X轴电机点动正转程序流程图X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DP
27、TR JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1这是X轴电机点动正转的程序，其他的X轴电机点动反转、Y轴电机点动正转、Y轴电机点动反转依次类推。逐点比较法 用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步都需要以下四个步骤： 1判别偏差：Fm0或FMO ，从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算方向进给。2偏差计算：进给一步后计算新的加工偏差。3终点判别：进给一步后，终点计数器，若为零，表示到达终点停止插补，不为零则返回
28、第一步继续插补。终点计数判别可用方向坐标值判断，也可由一个方向的坐标值判断。当XeYE程序设计插补程序所用的内存单元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM电机正反转控制字电机正反转控制字为：D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0为X向电机控制。DO运行，D0=O停止，D0=1正转。D1=0反转D3D2为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止，D3=1正转，D3=0反转。第一象限制直线插补程序如下：ORG 2000H MAIN： MOV SP ， #60H； LP4 ： MOV 28H， #08CH；XE MOV 29H, #0C8H; YE MOV 2AH, #00H
29、; X MOV 2BH, #00H; Y MOV 2CH, #00H; FM MOV 70H, 0AHLP3: MOV A, 2CH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A;置电机正反转控制字为0B，+X方向进给 LCALL MOTR；调步进电机的控制子程序，+X方向进给一步 LCALL DELAY MOV A， 2CH SUBB A， 29H；F-YE INC 2AH; X+1 AJMP LP2LP1 MOV A , 70H SETB ACC.2 置电机正反转控制字为0E，+Y方向进给 CLR ACC.0 调步进电机的
30、控制子程序，+Y方向进给一步 LCALL DELAY MOV A， 2CH ADD A， 28H； F+XELP2 MOV 2CH, A MOV A, 28H CJNZ A, 2AH, LP3; XE=X? RET步进电机控制程序设计光电耦合器步进电机控制程序的任务是：判断旋转方向，依次送出控制字，运行速度实现一定的延时，判断是否结束。驱动电路P1.0P1.1P1.2P1.38031节拍：正转反转通电阻控制字18A0000 000101H27AB0000 001103H36B0000 001002H45BC0000 011006H54C0000 010004H63CD0000 11000CH7
31、2D0000 10008H81DA0000 10019HYESYESNO恢复控制字指针置反转控制字指针置正转控制字指针延时控制字地址加1转向标志为1？输出控制字是否结束总步数为0？恢复现场保护现场返回设步长数器PUSH AMOV R4, #N; 设步长记数器CLR CORL C ， D5HJC ROTE；MOV RO ；#20H 正转控制字首指针AJMP LOOPROTE MOV RO， #27H； 反转控制字首指针LOOP MOV A，RO；JZ TPL LOOP， DJNZ R4 LOOP； 步数不为0转移POP A TPL MOV A ，ROCLR C；SUBB A，#06HMOV R0
32、 A； 恢复控制字首指针AJMP LOOP1DELAY：MOB R2，#M；DELAY1：MOV A，#M1LOOP： DEC A；JNZ：LOOP DJNZ R2DELAY1RET第七章 设计总结近年来，我国机床数控化改造工作，已从初步摸索进入比较成熟的阶段。我们运用成熟可靠、性能先进的国内外数控产品，为已进入频繁故障期、维修代价昂贵的第一代数控机床实现升级换代作了大量的工作。通过这次对铣床X-Y工作台的数控化改装设计，使我们进一步的了解了普通机床与数控机床的差异。也使我们更加深刻的认识到，利用数控系统改造机床是提高产品质量、提高生产效率，提高旧设备利用率，推广机电一体化技术的重要手段。通过
33、这次课程设计，让我们进一步熟悉了数控技术的应用和设计原理，让我们深刻的把电和机结合起来，达到自动化控制的要求。同时也深刻的体会到设计的严谨性，数据的处理技巧，以及各种参数的取舍，对我们日后出来从事这方面的工作有很大的帮助。在这里，感谢我们的指导老师，在他们的指导下我们解决了各种疑难，顺利地完成设计！参考文献1李洪主编.实用机床设计手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，19992郑堤主编.数控机床与编程.北京：机械工业出版社，3机械加工技术手册编写组.机械加工技术手册.北京：北京出版社，19934何立民.单片机应用系统设计【M】北京：北京航空航天大学出版社，19905周开勤主编.机械零件手册.北京：高等教育出版社，19996冯辛安主编.机械制造装备设计.北京：机械工业出版社，19997吴振彪.机电综合设计指导.北京：机械工业出版社，19978李洪.机械加工工艺手册.北京：北京出版社，1990