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，1999

[2]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，1993

[4]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，1990

[5]周开勤主编.机械零件手册.北京：高等教育出版社，1999

[6]冯辛安主编.机械制造装备设计.北京：机械工业出版社，1999

[7]吴振彪.机电综合设计指导.北京：机械工业出版社，1997

[8]李洪.机械加工工艺手册.北京：北京出版社，1990

4．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

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 (4)

2.1 课程设计题目 (4)

2.2 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 (6)

4.1 确定系统脉冲当量 (6)

4.2 工作台外形尺寸及重量初步估算 (6)

4.3 滚动导轨副的计算、选择 (7)

4.4 滚珠丝杠计算、选择 (8)

4.5 齿轮计算、设计 (10)

4.6 步进电机惯性负载的计算 (11)

4.7 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 (13)

5.1 CPU板 (13)

5.2 驱动系统 (14)

5.3 电磁铁驱动电路 (16)

5.4 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

当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，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科技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。

1

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

2

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。

3.4X—Y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

3

4

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δp 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，画出工作台简图，估算X 向和Y 向工作台承载重量W X 和W Y 。

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

:

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:

x W = 3242041050107.810671.58N --?????= b. Y 向拖板(下拖板)尺寸为: 42040050??

重量Y W =3242040050107.810655.2N --?????=

工作台简图

5

c. 上导轨(含电机)重量为

23(900480828003550)7.81010487.97N --??+??????=

夹具及工件重量:约155N

X-Y 工作台运动部分总重量为:

487.97655.2671.581552000W N =+++≈

4.3 滚动导轨副的计算、选择

根据给定的工作载荷F z 和估算的W x 和W y 计算导轨的静安全系数f SL =C 0/P ，式中：C 0为导轨的基本静额定载荷，kN ；工作载荷P=0.5(F z +W)； f SL =1.0~3.0(一般运行状况)，3.0~5.0（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 4.0sL f =

,,,0.5()

O SL X Y

X Y Z X Y C f P P F W ==+

x Z X Y Z Y OX SL X OY SL Y P =0.5(F +W )=0.5(2000+671.58)=1335.79N P =0.5(F +W )=0.5(2000+655.2)=1327.6N C =f P =41335.79=5343.16N C =f P =41327.6=5310.4N

??

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:

导轨的额定动载荷17500a C =N

依据使用速度v （m/min ）和初选导轨的基本动额定载荷a C (kN)验算导轨的工作寿命L n ：

额定行程长度寿命:

6

(

)H T C a W f f f C S f F

T K =

20004500M

F M F ===

1,2,0.81,1,50

o

T W C H R

d f f f f K =====

=

33

110.81175002500

(

)50()142409.58H T C a W f f f C S f F

T K km ??===导轨的额定工作时间寿命:

3102S o T H l n T ?=

3

3102142409.58104944771500020.6460

S o T H l n

T h T h ??=

==>=???

导轨的工作寿命足够.

4.4 滚珠丝杠计算、选择

初选丝杠材质：CrWMn 钢，HRC58~60，导程：l 0=5mm （1） 强度计算

丝杠轴向力：)(,,max y x z y x W F f KF F ++=(N)

其中：K =1.15，滚动导轨摩擦系数f =0.003~0005；在车床车削外圆时：F x =(0.1~0.6)F z ，F y =(0.15~0.7)F z ，可取F x =0.5F z ，F y =0.6F z 计算。 取f=0.004,400Z F =则:

max max X F 0.50.5200010000.60.6200012001.1510000.004(2000671.58)1045.6861.1512000.004(2000655.2)1252.621Z Y Z X Y F N

F F N

F N F N

==?===?==?++==?++=

寿命值：6

1060nT

L =，其中丝杠转速0m ax l v n =(r/min)

max 06

150002000

400/min 5

6040015000

36010

T h

v n r l L ====??=

= 最大动载荷：F f f L Q W H 3=

式中：f W 为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；f H 为硬度系数，HRC ≥58时为1.0。

7

查表得中等冲击时

1.2,1W H f f ==则:

33

360 1.211045.6867079.58360 1.211252.62110686.54X Y Q N

Q N

=???==???=

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:

其额定动载荷为14205N> y Q 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0d ―― 20mm 螺距t ―― ５mm

接触角β ―― 045

钢球直径b d ――

3.175mm 螺纹滚道法向半径R

0.52b R d = 1.651mm 偏心距e (2)sin b e R d β=-÷

0.04489mm

螺纹升角γ

t

arctg

d γπ= 0'433

8

（2） 传动效率计算

丝杠螺母副的传动效率为：)

(?γγ

η+=

tg tg

式中：φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。

0'

0''

433()

(43310)

0.96g g g g t t t t γγ?η++=

=

=

（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：ES

Fl l 0

1±=?(cm) Y 向所受牵引力大,故用Y 向参数计算

60622

22

1.6512

61251.820.5

120.610 2.14

1252.6210.520.610(/)3.14(

) 2.146.1210Y F N l cm

E N CM S R CM

L CM -???===?=∏==?=±=?

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Δ为

064

10010010.5

6.121012.241012.24[]l L um --?=?=?=?=

级精度丝杠允许的螺距误差[ Δ]=15μm/m 。

4.5 齿轮计算、设计

因步进电机步距角 1.5o b θ=滚珠丝杠螺距t=5mm,要实现脉冲当量

0.01/p mm step δ=,在传动系统中应加一对齿轮降速传动. 齿轮传动比： 0

360l i p αδ=，初选步进电机步距角：α= 1.5?/step 。

9

12

3603600.01

0.48

1.55p o

Z Z i l i δ?==

??=

取小齿轮齿数 124Z = 则大齿轮齿数250Z = 因传递的扭距较小,取模数m=1mm 则:

分度圆直径:1112424d mz mm ==?= 2215050d mz mm ==?= 齿顶圆直径: 11(2)(242)126a d z m mm =+=+?=

22(2)(502)152a d z m mm =+=+?= 齿根圆直径: 11( 2.5)(24 2.5)121.5f d z m mm =-=-?=

21( 2.5)(50 2.5)147.5f d z m mm =-=-?= 齿宽: 112424d b d mm φ==?= 取125b =230b = 中心距: 120.5()0.5(2450)37a d d mm =+=+= 分度圆压力角: 020α=

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：

10

2

2101232

()()()

180

p q b z J J J J J M z δπθ=++++ 式中：q J 为折算到电机轴上的惯性负载；0J 为步进电机轴的转动惯量；1J 为齿轮１的转动惯量；

2J 为齿轮２的转动惯量；3J 为滚珠丝杠的转动惯量；Ｍ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：

340.7810J D L -=???

式中D 为圆柱零件直径，L 为圆柱零件的长度。 所以有：

34221342223422

30.7810 2.4 2.5 6.4710.0.7810 5.0 3.0146.2510.0.7810 2.03037.4410.J kg cm J kg cm J kg cm ------=???=?=???=?=???=?

电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：

2

22

22

240.016.4710()(146.2537.44)10200()0.7793.3.1450 1.5180

d J kg cm --=?++?+=?4.7 步进电机的选用

(１）步进电机启动力矩的计算

设步进电机的等效负载力矩为Ｔ，负载力为Ｐ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：

T Ps ?η=

式中?为电机转角，Ｓ为移动部件的相应位移，

η为机械传动的效率。若取

b ?θ=，则Ｓ＝p δ，且()s z P P G P μ=++。所以：

11

36[()]

2p s z b

P G P T δμπηθ++=

式中：s P 为移动部件负载（N ），G 为移动部件质量（N ），z P 为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N ），μ为导轨摩擦系数，b θ为步进电机的步距角（rad ）,T 为电机轴负载力矩（N.cm ）。

取μ=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），

η＝０.8，s P =H P =279.23Ｎ。

考虑到重力影响，Ｙ向电机负载较大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：

360.01[1251.820.03(20001800)]2 3.141.50.8

65.25.T n cm

?+?+???=

=

考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：

0.3~0.5Q T

T =

取系数为０.３，则： 65.25

163.12.0.4

q T n cm =

= 对于工作方式为三相６拍的步进电机：

max 163.120.8660.866188.36.q

T j T n cm ===

(２） 步进电机的最高工作频率

max max

1000

166760600.01

p v f δ===? 为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率max f ,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. 电机有关参数如下:

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-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、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：

12

13

图5-1 CPU 外部接口示意图

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、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。

（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

P1.0-P1.2

驱动1 X 步进电机 驱动2 Y 步进电机

P1.3-P1.5 P1.6 驱动3 P3.2 外部中断1

P3.3

外部中断2

P0.0-P0.7

AD0~AD7

P2.7

CE P2.6

IO/M

PB 口

PA 口

PC 口

AT89S51

键盘

电磁铁

8155

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

14

15

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。

6.2 主流程图

CTL EQU 3FF8H PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAH PC EQU 3FFBH

图3-6 电磁铁驱动电路

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