X-Y工作台伺服控制系统设计

湖南工程学院

课程设计

X-Y工作台伺服控制系统设计

年级: 机械电子0901

学号: 38

姓名: 蒋博

专业: 机械电子

指导老师:谭季秋吴晨曦

二零一二年六月

课程设计任务书

设计题目：X—Y 工作台伺服控制系统设计

姓名蒋博系别机械学院专业机械电子班级 0901 学号 38

指导老师谭季秋、吴晨曦教研室主任陈小异

一、基本任务及要求

1．设计任务

设计一个步进开环伺服系统，其控制对象为机床的X—Y工作台。

设计参数：1）脉冲当量为0.01mm/step；

2)键控命令输入；

3）运动范围：X: 0~100mm Y:0~100mm ；V:0~1m/min ；a:0~0.1m/s2 F=1000N：

4）显示当前运动位置、越界报警、并停止运动。

（1）X—Y工作台机械结构设计（A2图纸）。

（2）步进电机的计算与选择。

（3）驱动电路的设计。

（4）系统控制软件设计。如启停、调速、报警等。

2．要求

（1）设计总体方案，画出系统结构框图；

（2）设计伺服驱动（电路）系统，编写系统控制软件，并进行部分调试；

（3）撰写设计说明书（5～6千字），并附程序清单及其功能注释。

二、进度安排及完成时间

1．设计时间二周（从2012年6月 10日至2012年6月 23 日）

2．进度安排：

第1周布置设计任务；查阅资料；设计机械结构图。

第2周设计硬件电路；编写各功能子程序并调试。整理资料；按格式撰写设计说明

书；上交设计作业（打印稿及电子文档）；并参加答辩。

目录

第1章绪论…………………………………………………………………………………1.

1.1 引言 (1)

1.4 课题研究目的 (1)

1.3 课题展望…………………………………………………………………………..

1.2 研发背景及意义…………………………………………………………………

第2章确定课题设计方案………………………………………………………………….

2.4 X—Y工作台的传动方式……………………………………………………………

2.2伺服系统的选择…………………………………………………………………….

2.3算机系统的选择……………………………………………………………………

2.1系统运动方式的确定………………………………………………………………第3章机械结构设计……………………………………………………………………….

3.1 工作台外形尺寸及重量初步估算…………………………………………………

3.2 滚动导轨副的计算、选择…………………………………………………………

3.3 滚珠丝杠计算、选择………………………………………………………………

3.3.1 传动效率计算……………………………………………………………

3.3.2稳定性验算………………………………………………………………

3.3.3 刚度验算…………………………………………………………………

3.4 齿轮计算、设计……………………………………………………………………

3.5 步进电机惯性负载的计算…………………………………………………………

3.5.1等效转动惯量的计算………………………………………………………

3.6 步进电机的选用……………………………………………………………………

3.6.1步进电机启动力矩的计算…………………………………………………

3.6.2步进电机的最高工作频率…………………………………………………第4章控制硬件系统设计………………………………………………………………….

4.1 plc的选择…………………………………………………………………………

4.1.2 估计需要的plc规模………………………………………………………

4.1.3 输入，输出估算……………………………………………………………

4.1.4 存储容量的估算…………………………………………………………

4.1.５ plc选型的注意事项……………………………………………………

4.2 Plc接口设计及连线图……………………………………………………………

第5章软件系统设计…………………………………………………………………………

5.1系统控制软件方案的确定…………………………………………………………

5.1.1根据本课题的软件控制方面的功能要求…………………………………

5.1.2方案的确定..…………………………………………………………….

5.2元器件选型………………………………………………………………………….

5.2.1限位开关选择………………………………………………………………

5.2.2 开关按键的选择…………………………………………………………

5.2.3 PLC型号选择……………………………………………………………

5.3 PLC输入输出分配表………………………………………………………………

5.4元器件清单…………………………………………………………………………

5.5 PLC电气接线图：……………………………………………………………………

5.6系统控制流程图设计………………………………………………………………结论…………………………………………………………………………………………

参考文献………………………………………………………………………………………

第1章绪论

1.1 引言

X-Y工作台伺服系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度，降低成本，是可编程控制器（PLC)技术的最简单的应用，它充分的利用了微机的软件和硬件功能，以实现对机床、立体车库等的控制，使机床的加工范围扩大。精度和可靠性进一步得到提高，X-Y工作台伺服系统设计是利三菱FX2N的PLC及其一系列继电器、接触器等组成，在控制系统的硬件基础上编写一定的程序以实现一定的加工功能。其驱动电机为反应式步进电机。它是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本设计的基本思想是根据工作要求，通过控制输入脉冲的频率和旋向来实现工作台实际移动速度和运动方向与要求相一致从而实现正常工作的目的。

1.2 研发背景及意义

本设计结合机电一体化课程教学环节需要，设计用单片机作为控制系统的X-Y工作台。通过论述X-Y工作台机械结构设计。设计和控制电路接口设计,阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。微型计算机控制机械传动毕业设计是机电一体化专业的学生必须要经历的一个重要的实践环节。通过本环节的锻炼力争能把以前所学的知识融会贯通，从而达到温故而知新的目的，提高解决实际工程课题的能力。根据教学要求，结合自己的资料掌握状况，选择基于PLC控制X-Y工作台机械部分的设计作为课程设计课题。PLC控制X-Y工作台是众多控制机械传动方法的一种，它利用单片机发出指令控制步进电机的转角和转速，进而控制X-Y工作台两方向的移动，实现画线，移动物体等功能。PLC控制X-Y工作台主要由三部分组成：工作台及传动支撑部分，减速装置，控制部分及电机组成。加工工件固定在X-Y工作台上。X、Y两方向的运动各由一台步进电机控制。控制系统每发出一个信号，步进电机就走一步，并通过中间传动机构带动两方向的丝杠旋转，分别使得X、Y工作台进给。

1.3 课题展望

随着现代工业设备的自动化，越来越多的工厂设备采用PLC。因为此自动化程度越来越高。电路控制技术随着科学技术的不断发展，生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发展的。在现代化工业生产中。为了提高劳动生产率，降低成本，减轻工人的劳动负担。要求整个生产工艺全程自动化，这就离不开控制系统。

未来展望，21世纪。PLC会有更大的发展，从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、储存容量更大、智能更强的品种出现：从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况看，可编程控制器和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。

1.4 课题研究目的

1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握X-Y工作台伺服系统的基本及其相关知识，学习总体方案德尔拟定。分析与比较的方法。

2、通过对机械系统的设计，掌握常用电机的工作原理、计算方法与控制驱动方式。3．掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制方式。

4、培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想。

5、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。

第2章确定课题设计方案

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。

2.1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。2.2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。

2.3算机系统的选择

采用三菱FX2N系列PLC。其主要特点是，实时性好.可靠性好，功能强，速度快，性价比高,模块化.安装简单.维修方便。

2.4 X—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2.1 总体构思图

图２.2 系统总体框图

第3章机械结构设计

机械部分设计内容包括：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。

3.1 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WX和WY。

取X向导轨支撑钢球的中心距为110mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为100mm,设计工作台简图如下:

图3.1工作台简图

X向拖板(上拖板)尺寸为:

长*宽*高=120*110*30

重量:按重量=体积*材料比重估算为:

W= 120×110×30×10-3×7.8×10-2=31mm3

x

Y向拖板(下拖板)尺寸为: 120×100×30=36000

W=120×100×30×10-3×7.8×10-2=28mm3

Y

上导轨(含电机)重量为

(250×140×8+2×200×35×30)×7.8×10-2×10-3=55N 夹具及工件重量:约150N

X-Y工作台运动部分总重量为:W=31+28+55+150=264N

3.2 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=1.0~3.0(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 =

CXY=Fslpxy Pxy=0.5×(FZ+WXY) Px=0.5×(1000+31)=515.5N PY=0.5×(1000+28)=514N Cox=Fslpx=4×515.5=2062N CoY=FslpY=4×514=2056N

根据计算额定静载荷初选导轨:

选择GGA 系列滚动直线导轨,其型号为: GGA16AA2P2×480×E ×J 基本参数如下:

表3.1 滚动导轨参数图

导轨的额定动载荷Ca=3800N

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Ln ：

额定行程长度寿命:

T S =K (

W C T H f f f f F

C a )3

F=

M F M =4264=66N f T =1,f W =1.5,f C =0.81,F H =1, K==

a

D R

=22 T S =K (

W C T H f f f f F

C a )3

=22(281.011??×663800)3=80193384018km

导轨的额定工作时间寿命:

T H =(n

l T o S 2103

?)

T H =(n

l T o S 2103?)=6046.021088019338401

3????=278449250062.5h

3.3 滚珠丝杠计算、选择

初选丝杠材质：CrWMn 钢，HRC58~60，导程：l0=5mm 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：Fx=(0.1~0.6)Fz ，Fy=(0.15~0.7)Fz ，可取Fx=0.5Fz ，Fy=0.6Fz 计算。

取f=0.004,400Z F =则:

FX=0.5FZ=0.5×1000=500N FY=0.6FZ=0.6×1000=600N

FXmax=1.15×500+0.004(1000+31)=579.124N FYmax=1.15×600+0.004(1000+281)=694.112N

寿命值：6

1060nT

L =，其中丝杠转速0

max l v n =(r/min) T=15000h n=0max l V =2005

1013

=?min r

L=6

101500020060??=180h

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。 查表得中等冲击时 1.2,1W H f f ==则:

QX=3

180×1.2×1×579.124=3923.83N QY=3

180×1.2×1×694.112=4702.93N

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：CM2005-2.5。 其基本参数如下:

表3.2 滚珠丝杠参数说明

其额定动载荷为23500N> 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= 4o 33’

图3.2 滚珠丝杠

表3.3 滚珠丝杠螺母副的几何参数

3.3.1 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。

η=)(?γ+tg tgy =)

'10'334(33'tg4o

+o

tg =0.96 3.3.2稳定性验算

丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。

3.3.3 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

F Y =694.112N l 0=0.5cm E=20.6 (N/cm 2)

S=ПR 2=3.14×（

2

651.1）2

=2.14cm 2 △L 1=±14

.2106.20112.6946??=7.87×10-6

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

Δ=△L 10100

l =7.87×10-6×5.0100=14.72×10-4μm

E 级精度丝杠允许的螺距误差[ Δ]=15μm/m 。

3.4 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 。

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

:

图3.4 双片齿轮错齿消隙结构

1、2--薄齿轮, 3—弹簧, 4、8—凸耳, 5—调节螺钉, 6、7—螺母

3.5 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：

3.5.1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：

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： J=0.78×10-3×D 4×L

式中D 为圆柱零件直径，L 为圆柱零件的长度。 所以有：

J 1=0.78×10-3×2.44×2.5=6.47×10-2kg.cm 2 J 2=0.78×10-3×5.04×3.0=146.25×10-2kg.cm 2 J 1=0.78×10-3×2.54×10=30.47×10-2kg.cm 2

电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：

J=6.47×10-2+(50

24)2(146.25×10-2+26.4(5.1180

14.301

.0?)2=0.51 kg.cm 2

3.6 步进电机的选用

3.6.1 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：

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＝０.96，s P =H P =694.112Ｎ。考

虑到重力影响，Ｙ向电机负载较大，因此Ｇ＝31+55=86Ｎ，所以有：

T =

][8

.05.15.114.32)100086(03.0112.69401.036????+?+?=23.14N.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：Tq=

4

.014

.23 =57.86N.cm 对于工作方式为三相６拍的步进电机：

Tjmax=866.0Tg

=866

.086.57=66.81N.cm

3.6.2 步进电机的最高工作频率

max max

1000166760600.01

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型反应式步进电机. 电机有关参数如下:

表3.4 电机参数

第4章控制硬件系统设计

控制X-Y工作台X,Y轴的主要包括plc，步进电动机，限位开关，操作面板（按钮及一些控制开关）

硬件系统设计时，应注意几点：电动机运转平稳，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。

4.1 plc的选择

基于本次课程设计的要求我组成员的任务是用plc控制电机进而控制X.Y轴的运动，

随着科技的进步plc也不断完善，plc得以广泛应用离不开下面的有点：

1. 可靠性高，抗干扰性能高，高可靠性是电气控制设备的关键性能。

2 . 配套齐全，功能完善，适应性强plc的发展到今天，已经形成了大，中，小各种模型系列化产品。

3. 易学易用，深受工程技术人员欢迎plc作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业设备。

4 系统的设计，建造工作量小，维护方便，容易改造。

5 体积小，重量轻，能耗低。

从设计的系统来看，我们首相分析我们需要实现怎样的功能，进而确定I/O点数。

4.1.2 估计需要的plc规模

Plc的规模估算：主要取决于设备对输入输出点的需求量和控制过程的难易程序。

4.1.3 输入，输出估算。

在工艺允许的情况下，将模拟量转换为开关量留15%~20%的接点余量，在本课程设计中，我组需要启动，停止，正传，反转，复位以及两个限位开关有输入点7个，根据估算原则，我们应该选择的输入点大概选择9个输入点。输出端子有4个连接驱动器的脉冲信号，电平信号，脱机信号以及一个公共端口，那么估算输出端子应该选择5个左右。

4.1.4 存储容量的估算：

用户程序占用的内存的多少鱼多种因素有关，如输入，输出点的数量和类型，输入，输出量之间关系的复杂程度，需要进行计算的次数，处理量的多少，程序的优劣都与内存有关，所以一般只能根据输入，输出的点数及其类型，控制简繁的程度加以

估算，一般粗略的估计方法是：

（输入点数+输出点数）=指令句数

通常再增加15%~20%，经过估算指令语句数应该在左右

4.1.５ plc选型的注意事项

plc产品种类很多，型号很多，他们的功能，价格，使用条件各不相同所以选择要综合考虑输入接口模块。考虑输入点的参数，主要是他们的工作电压和工作电流输出接口模块。他的电流应大与负载的额定工作电压和电流，对于感性负载，测应注意在断开瞬间，可能产生很高的反向感应电动势。为避免这种感应电动势击穿元器件或干扰plc主机的正常工作，应采取必要的仰止措施。

4.2 Plc接口设计及连线图

Plc接口部分包括限位开关部分，步进驱动器部分以及控制面板三部分。示意图如下：

4.1 系统框图

Plc I/O分配表如下:

步进电机的选型参数从下表中选取的步进电机驱动器为：SJ-2H110MS其参数为：

表4.2 ：SJ-2H110MS其参数

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。

图4.2 步进电机驱动电路

电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起的续流作用，即在功放管载止是，是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。

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。一次，必须

在XY轴方向各加上两个行程开关。这里行程开关的作用有两个：（1）防止工作台超过最大行程，使电机损坏（2）可以与定位。所以这4个行程开关就当了传感器。

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。此系统中共有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灯亮表示通电运行。

界面上的7个按钮意义为：按钮1是断电开关，按钮2是向X轴负方向运行的点动开关，按钮3是向X轴正方向运行的点动开关。按钮4是向Y轴负方向运行的点动开关,按钮5是向Y轴正方向运

行的点动开关。按钮6是复位开关。按钮7是执行绘制圆弧开关

图4.3 人机界面

第5章软件系统设计