机电一体化设计

机电一体化系统综合课程设计

X-Y数控工作台设计说明书

学校名称： 齐齐哈尔大学大学

设计队员： 郑四成 李明 郭正钢 杨宝成

指导老师： 曹忠亮

二〇一二年十二月

一、总体方案设计

1.1 设计任务

设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。

设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。

1.2 总体方案确定

（1）系统的运动方式与伺服系统

由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。

（2）计算机系统

本设计采用了与MCS-51系列兼容的ATS51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。

控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。 （3）X-Y工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。

图1-1 系统总体框图

二、机械系统设计

2.1、工作台外形尺寸及重量估算

X向拖板（上拖板）尺寸：

长宽高 145×160×50 重量：按重量=体积×材料比重估算

145160501037.810290N

Y向拖板（下拖板）尺寸： 14516050 重量：约90N。

上导轨座（连电机）重量：

(2201403821558)7.810221031.110107(N)

夹具及工件重量：约150N 。

X-Y工作台运动部分的总重量：约287N。

2.2、滚动导轨的参数确定

⑴、导轨型式：圆形截面滚珠导轨 ⑵、导轨长度

①上导轨（X向）

取动导轨长度 lB100 动导轨行程 l55

支承导轨长度 LlBl155 ②下导轨（Y向）

l50 lB100 L150

选择导轨的型号：GTA16 ⑶、直线滚动轴承的选型 ①上导轨

GX240(N)

②下导轨

GY287(N)

由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。

⑷、滚动导轨刚度及预紧方法

当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。

2.3、滚珠丝杠的设计计算

滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。

⑴、最大动负载Q的计算

Q3LffHP

查表得系数f1，fH1，寿命值

L60nT106

查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速

n1000Vmaxt6100014250(r/min)

所以 L602501500010225

X向丝杠牵引力

Px1.414f当Gx (f当——当量摩擦系数)

1.4140.012403.39(N)

Y向丝杠牵引力

Py1.414f当Gy1.4140.012874.06(N)

所以最大动负荷 X向 QxY向 Qy3225113.3920.6(N) 225114.0624.7(N)

3查表，取滚珠丝杠公称直径 d010mm，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004，其额定动载荷为390N，足够用。 ⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算

表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数

螺纹滚道 名 称 公称直径 螺距 接触角 钢球直径 螺纹滚道法面半径 偏心距 螺纹升角 符 号 d0 计算公式和结果 10 4 45 t  dq R 2 R0.52dq1.04 e  eRdq/2sin0.03 arctgtd07.26  螺杆 螺杆外径 螺杆内径 螺杆接触直径 d dd00.2~0.25dq9.5 dld02e2R7.98 dzd0dqcos8.59 dl dz D 螺母螺纹外径 Dd02e2R12.02 螺母 螺母内径（外循环） 见表2-1。 ⑶、传动效率计算

D1 D1d00.2~0.255dq10.5 tgtg()tg7.26tg(7.260.2)0.973

式中：——摩擦角；——丝杠螺纹升角。

⑷、刚度验算

滚珠丝杠受工作负载P引起的导程L0的变化量

L1PL0EF

Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算

P24.7(N) L00.4(cm) E20.610(N/cm) 材料为钢

620.79822FR3.140.5cm

22所以 L124.70.520.6100.561.2106(cm)

丝杠因受扭矩而引起的导程变化量L2很小，可以忽略。 所以导程总误差

L100L01.21061000.43m/m

查表知E级精度的丝杠允许误差15m，故刚度足够。 ⑸、稳定性验算

由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。

2.4、步进电机的选用

⑴、步进电机的步距角b

取系统脉冲当量p0.01mm/step，初选步进电机步距角b1.5。

⑵、步进电机启动力矩的计算

设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系

T＝Ps

式中： ——电机转角；s ——移动部件的相应位移； ——机械传动效率。

若取 b，则sp，且PPSG，所以

36pPSG2bT(Ncm)

式中：PS ——移动部件负载（N）；G——移动部件重量（N）； Pz——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； ——导轨摩擦系数；b——步进电机步距角，（rad）；T——电机轴负载力矩（Ncm）

本例中，取0.03（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96，PS为丝杠牵引力，

PsPH24.7N。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取GGy287N，所以

T360.0124.70.0328721.50.961.33(Ncm)

若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩

TqT0.3~0.5

1.330.34.42Ncm

取安全系数为0.3，则 Tq对于工作方式为三相六拍的三相步进电机

TjmaxTq0.8665.1 Ncm

⑶、步进电机的最高工作频率 fmax1000Vmax60p10001600.011667(Hz)

查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机。电机的有关参数见表2-2。

表2-2 步进电机参数 型 号 步主要技术数据 外形尺寸(mm) 重量 (N) 最 大最高空载相电压 电流 外径 长度 轴径 启动频率数 (V) (step/s) (A) 距静转距角Ncm 45BF005-Ⅱ 1．5 19.6

3000 3 27 2.5 45 58 4 11 2.5、确定齿轮传动比

因步进电机步距角b1.5，滚珠丝杠螺距 t4mm，要实现脉冲当量

p0.01mm/step，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比

Z1Z2ip360bt0.013601.540.6

选 Z117 ，Z228 。

2.6、确定齿轮模数及有关尺寸

因传递的扭距较小，取模数m1mm，齿轮有关尺寸见表3-3。

2.7、步进电机惯性负载的计算

表2-3 齿轮尺寸

Z 17 28 dmZmm dad2mmm dfd21.25mmm b36mmm ad1d2217 19 14.5 5 17.5 28 30 25.5 5 mm 根据等效转动惯量的计算公式，得 2pZJ0J11J2J3MZ2b180 2Jd式中： Jd ——折算到电机轴上的惯性负载（kgcm2）； J0——步进电机转轴的转动惯量（kgcm2）；J1——齿轮 的转动惯量（kgcm2）；J2——齿轮 的转动惯量（kgcm2）；

J3——滚珠丝杠的转动惯量（kgcm）；M——移动部件质量（kg）。

2对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算

J0.78103DLkgcm42

式中：D——圆柱零件直径（cm）；L——零件长度（cm）。 所以

J10.781031.70.53.2610443kgcm

2J20.7810J30.781032.80.523.910153.910433kgcm

223kgcm

电机轴转动惯量很小，可以忽略，则 Jd3.2610317282223.93.9103

0.00152250.410kgm

3.141.5180因为

14JdJM0.41.2740.3191，所以惯性匹配比较符合要求。

三、控制系统硬件设计

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。

3.1 CPU板 3.1.1 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-51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C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。

在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。

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，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。

因此硬件CPU选用ATS51，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。

ATS51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。

3.1.2 CPU接口设计

CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：

（电磁铁） （行程开关） 传感器 前向通道 ATS51 （步进电机） 后向通道 传动驱动 （键盘、LED） 人机界面

图3-1 CPU外部接口示意图

ATS51要完成的任务：

（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。 （2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。

（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。

由于ATS51只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155，所以ATS51的I/O口线分配如下：

（1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向步进电机的A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。

（2）P1.6口输出控制电磁铁的吸合。

（3）P3.2和P3.3两个中断源中INT0优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断；INT1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。

（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。

（5）P2.7和P2.6决定8155的PA、PB、PC口的地址。

X步进电机 Y步进电机 电磁铁 驱动1 驱动2 驱动3 外部中断1 P1.0-P1.2 P0.0-P0.7 P1.3-P1.5 P1.6 P3.2 P3.3 P2.7 AD0~AD7 PA口 CE PB 口 键盘 外部中断2 P2.6 IO/M PC口 ATS51 8155

图3-2 ATS51控制系统图

PB口接LED反映当前运行的8个状态：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行。

PA口低四位反映触发中断1的4个行程开关的状态。

PC口低6位反映了触发中断2的手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行、复位（RST）、圆弧插补6个开关的状态。

3.2 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、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。

3.2.1 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3-4 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路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，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3-5 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）

3.2.2 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。

3.2.3 电源设计

图3-6 电磁铁驱动电路

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。

图3-7 电源转换电路图

电路中在转换芯片的前后有两个电容，前面电容起防止自激作用，后面电容起滤波作用。此外，

在具体应用的过程中，LM7805必须加上散热片。

3.3 传感器和人机界面

由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。因此，必须在X、Y轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个：（1）防止工作台超过最大行程，使电机损坏（2）可以用与定位。所以这4个行程开关就充当了传感器。

人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简洁明了。此系统有9个LED，LED1灯亮表示X轴负方向禁止通行，LED2灯亮表示X轴正方向禁止通行，LED3灯亮表示Y轴负方向禁止通行，LED4灯亮表示Y轴正方向禁止通行，LED5灯亮表示手动使工作台向X轴负方向通行，LED6灯亮表示手动使工作台向X轴正方向通行，LED7灯亮表示手动使工作台向Y轴负方向通行，LED8灯亮表示手动使工作台向Y轴正方向通行，LED9亮表示系统通电运行。

界面上的7个按扭意义为：按扭1是通断电开关，按扭2是向X轴负方向运行的点动开关，按扭3是向X轴正方向运行的点动开关，按扭4是向Y轴负方向运行的点动开关，按扭5是向Y轴正方向运行的点动开关，按扭6是复位开关，按扭7是执行绘制圆弧开关。

图3-8 人机界面图

3.4 本章小节

本章着重介绍了数控工作台控制系统的硬件设计。CPU板介绍了CPU的选择及其外围的接口设计和控制流程；驱动系统介绍了步进电机和电磁铁的驱动电路设计；此外还叙述了人机界面各个按扭和LED的意义。

四、控制系统软件设计

4.1 总体方案

对于ATS51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。

4.2 主流程图

CTL EQU 3FF8H

上电复位 PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAH PC EQU 3FFBH CMD EQU 02H

P1.6=0，吸合电磁铁，绘笔抬起 外部中断，8155初始化 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H

AJMP INT0IS ；外部中断0入口 ORG 000BH

AJMP TM0IS ；定时器0中断入口

开外部中断，开总中断 ORG 0013H

AJMP INT1IS ；外部中断1入口 ORG 001BH

AJMP TM1IS ；定时器1中断入口

ORG 0100H

MAIN：ANL P1，0EFH

SETB IT0 ；外中断负跳沿触发

图4-1 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

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。

等待中断 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。

4.3 INT0中断服务流程图

图4-2 INT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL PUSH DPTH PUSH PSW MOV A，PA MOV DPTR，A

MOVX A，@DPTR ；读PA口内容 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR,A MOV @DPTR,R2 MOV A，R2

CPL A ；A取反

ANL 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 RETI

4.4 INT1中断服务流程图

INT1IS：CLR EX1 MOV A，@DPTR

PUSH ACC JNB ACC.4，RST PUSH PSW JNB ACC.0，X+EN

PUSH DPTL JNB ACC.1，X-EN

PUSH DPTH JNB ACC.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；读PC口内容 POP DPTL MOV R1，A POP PSW ANL R1，#0FH POP ACC MOV A，PB SETB EX1 MOV DPTR，A RETI MOV A，@DPTR；读PB口内容 ANL A，#0FH SWAP A

ORL A，R1 MOV R2，A MOV A，PB

MOV DPTR，A

MOVX @DPTR，R2；数据输入PB口 INC DPTL

4.4.1 复位程序流程图

DIRX EQU 30H

DIRY EQU 31H RST： CLR P1.6 RPA： MOV A，PA

MOV DPTR，A

MOVX A，@DPTR ；读PA口内容 JNB ACC.0，ACC2

MOV DIRX，#00H ；表X电机反转 ACALL XMOTOR0 ；X电机反转一步 ACC2： JNB ACC.2，LOOP0

MOV DIRY，#00H ；表Y电机反转 ACALL YMOTOR0 ；Y电机反转一步 AJMP RPA LOOP0：AJMP LOOP1

4.4.2 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，@DPTR JNB ACC.0，LOOP2 MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，@DPTR JNB ACC.0，MOTOR0 LOOP2： 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。

4.4.3 绘制圆弧程序流程图

图4-6 逐点比较法画圆弧

逐点比较法原理：假设所画圆弧在第一象限，圆心坐标为（0，0），圆弧上点的坐标为（X，Y），圆弧半径为R，每一点的坐标偏差为F=X*X+Y*Y-R*R，若F＞0，应沿X轴负方向走一步，此时FX=（X-1）*（X-1）+Y*Y-R*R=F-2X+1，X=X-1；若F＜0，应沿Y轴正方向走一步，此时FY=X*X+（Y-1）*（Y-1）-R*R=F+2Y+1，Y=Y+1。插补程序见附录。

4.4.4 步进电机步进一步程序流程图

图4-7 步进电机步进一步程序流程图

DEF EQU 12H SJMP LP3 MOV DEF，#00H TAB： DB FEH

XMOTOR1：JNE DIRX，#01H，XMOTOR0 DB FCH JNE DEF，#05H，LP2 DB FDH CLR DEF DB F9H LP2： MOV A，DEF DB FBH INC DEF DB FAH LP3： MOV DPTR，#TAB MOVC A，@A+DPTR ANL P1，A

ACALL DELAY RET

XMOTOR0：JNE DEF，#00H，LP4 MOV A，#05H MOV DEF，A LP4： MOV A，DEF DEC DEF

五、附录

参 考 文 献

[1] 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.清华大学出版社,2003

[2] 李广弟,朱月秀，王秀山.单片机基础.北京航空航天大学出版社,2001 [3] 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,2002 [4] 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,2002 [5] 李建勇.机电一体化技术.科学出版社.2004

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