1、工程技術學院課程設計（論文）x-y數控工作臺機電系統(tǒng)設計xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx摘要當今世界電子技術迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術領域得到了廣泛應用，對各領域技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和機械技術等多學科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程。新一代的cnc系統(tǒng)這類典型機電一體化產品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。關鍵字：機電一體化的基礎控制自

2、動化 系統(tǒng)化1 引言機電一體化是多學科領域綜合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程，它是融合檢測傳感技術，信息處理技術、自動控制技術、伺服驅動技術、精密機械技術、計算機技術和系統(tǒng)總體技術等多種技術于一體的新興綜合性學科。隨著機電一體化技術的產生和發(fā)展，在世界范圍內掀起的機電一體化熱潮，使機電一體化越來越顯示出強大的威力，它使機械產品向著高技術密集機電一體化的方向發(fā)展。 機電一體化課程設計在機電一體化專業(yè)教學中占有重要位置，它關系到學生知識的綜合運用和學生動手能力的培養(yǎng)及機電產品開發(fā)的能力。因此設計內容選擇很重要?；谖⑿陀嬎銠C控制的x-y工作臺是典型的機電一體化系統(tǒng)，以此為設計內容有較強的教學研究意義。培

3、養(yǎng)我們理論聯(lián)系實際，解決生產實際問題能力的重要步驟，它起到了設計的作用。 通過對x-y工作臺的設計總體方案的擬定，進給伺服系統(tǒng)機械部分結構設計.計算控制系統(tǒng)硬件電路的設計以及數控機床加工程序的編制，使我們綜合運用所學的機械.電子和微機的知識,進行一次機電結合的全面訓練。從而培養(yǎng)了我們具有加工編程能力，初步設計計算的能力以及分析和處理生產中所遇到的機電方面技術問題的能力。2本設計是以pc平臺為基礎的數控x-y工作臺實驗系統(tǒng)，它具有直線插補和圓弧插補等數控系統(tǒng)所使用的常用功能，結構簡單，操作方便，控制精度相對較高, 可靠性、穩(wěn)定性和實用性都很好。2 xy工作臺總體方案的設計2.1 總體方案的分析x

4、y精密工作臺的總體方案設計應考慮以下幾點：a工作臺應具有沿縱向和橫向往復運動、暫停等功能，因此數控控制系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。b在保證一定加工性能的前提下，結構應簡單，以求降低成本。因此進給伺服統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。c 8031系列微機處理機的配套并行接口芯片,由于它是可編程的，可以通過軟件來設置芯片的工作方式。d 根據系統(tǒng)的功能要求，微機數控系統(tǒng)中除了cpu外，還應包括擴展程序存儲器擴展數據存儲器、i/o接口電路；包括電隔離電路和步進電機驅動電路。e 縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們各自由各的步進電動機、聯(lián)軸器、絲杠螺母副組成。f 為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小

5、、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應有預緊裝置，以提高傳動剛度和消除間隙。g 為減少導軌的摩擦阻力，選用矩形滾動直線導軌。2.2 總體方案的確定由于設計要求x-y工作臺具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應該選用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。根據機床要求，采用8位機。由于mcs51系列單片機的特點之一是硬件設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊。對于簡單的應用場合，mcs51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片8031外擴一片eprom就能滿足功能的要求，對于復雜的應用場合，可以利用mcs51的擴展功能，構成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。所以應選

6、用8031單片機。為了實現機床所要求的分辨率，采用步進電機經齒輪減速再傳動絲杠。為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負載荷的結構。傳動齒輪也要采用消除齒側間隙的結構。開環(huán)伺服系統(tǒng)結構原理圖：圖1 開環(huán)伺服系統(tǒng)結構原理圖2.3 機械傳動系統(tǒng)簡圖x軸與y軸的傳動系統(tǒng)簡圖都如圖所示圖2 傳動系統(tǒng)簡圖3 系統(tǒng)脈沖當量和給定參數由于x、y兩方向的脈沖當量一樣，所以設計時只計算一個方向。3.1 確定系統(tǒng)脈沖當量脈沖當量p是一個進給指令時工作臺的位移量，應小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度為±0.01mm因此選擇脈沖當

7、量為0.01mm。3.2 工作臺外形尺寸及重量初步估算根據給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算x向和y向工作臺承載重量wx和wy。取x向導軌支撐鋼球的中心距為410mm,y向導軌支撐鋼球的中心距為400mm,設計工作臺簡圖如下:圖3 數控工作臺簡圖x向拖板(上拖板)尺寸為: 重量:按重量=體積*材料比重估算為: = y向拖板(下拖板)尺寸為: 重量=上導軌(含電機)重量為夾具及工件重量:約155nx-y工作臺運動部分總重量為:4 滾動導軌副的計算、選擇根據給定的工作載荷fz和估算的wx和wy計算導軌的靜安全系數fsl=c0/p，式中：c0為導軌的基本靜額定載荷；工作載荷p=0.5(fz+w)；

8、 fsl=1.03.0(一般運行狀況)，3.05.0（運動時受沖擊、振動）。根據計算結果查有關資料初選導軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 根據計算額定靜載荷初選導軌:選擇漢機江機床廠hjg-d系列滾動直線導軌,其型號為:hjg-d25基本參數如表1所示:表1 滾動直線導軌基本參數額定載荷/n靜態(tài)力矩/n*m滑座重量導軌重量導軌長度動載荷靜載荷l/(mm)17500260001981982880.603.1760滑座個數單向行程長度每分鐘往復次數m40.64導軌的額定動載荷依據使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷(kn)驗算導軌的工作壽命ln：額定行程長度壽命: 導軌的額定工作時間壽命

9、: 導軌的工作壽命足夠.5 滾珠絲杠螺母副的設計、計算、和選型珠絲杠滾副的預緊方法有：雙螺母墊片式預緊，雙螺母螺紋式預緊，雙螺母齒差式預緊，單螺母變導程預緊以及過盈滾珠預緊等幾種。5.1 計算進給牽引力作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切屑時的走刀抗力以及移動件的重量和切屑分力作用在導軌上的摩擦力。因而其數值大小和導軌的形式有關。縱向進給為三角形導軌 （5-1）式中:k考慮顛覆力矩影響的實驗系數.三角形導軌取  f貼塑導軌摩擦系數:  g溜板及刀架重力,取5.2 計算最大動載荷選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉100萬（106）轉后，在它的滾

10、道上不產生點蝕現象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載 c，計算如下： （5-2） （5-3） （5-4）lo為滾珠絲杠導程,選絲杠名義直徑為40mm,查滾珠絲杠轉動慣量表,初選出lo=6mmvs最大切削力下的進給速度,可取最高進給速度的1/21/3,此處為0.15m/min;t使用壽命,按15000h;fw運轉系數,如下表所示，按一般運轉取1.21.5;表2 電機運轉狀態(tài)與運轉系數運轉狀態(tài)運轉系數無沖擊運轉1.01.2一般運轉1.21.5有沖擊運轉1.52.5l壽命以轉106為1單位. 根據（5-2）（5-3）（5-4）公式可知： 5.3 滾珠絲杠螺母副的選型查表，可采用

11、w1l4006外循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈,其額定動負載為16400n,精度等級按滾珠絲杠行程公差表，選為3級5.4 傳動效率計算        （5-5）式中：螺旋升角   摩擦角取10，滾動摩擦系數0.0030.004 根據（5-5）公式可知：5.5 穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端采用推力球軸承,不會產生失穩(wěn)現象,不需作穩(wěn)定性校核.6 進給伺服系統(tǒng)傳動計算6.1 齒輪傳動比計算(縱向進給齒輪箱傳動比計算)縱向進給脈沖當量,滾珠絲杠導程,初選步進電機步距角0.75°,可計算出傳動比i &#

12、160;   （6-1）6.2 齒輪齒數及技術參數計算出傳動比i后,降速級數決定采用一對齒輪降速,因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大,一般取=12,數控車床,銑床取=2。為了消除齒輪側隙，采用雙片齒輪。7 步進電機的計算和選用7.1 初選步進電機 7.1.1 計算步進電機負載轉矩     （7-1）   式中: 脈沖當量 (mm/step);  進給牽引力 (n);  步距角,初選雙拍制為0.72°   電機-絲杠的傳動效率為齒輪,軸承,絲杠

13、效率之積，分別為0.98,0.99,0.99;7.1.2 估算步進電機起動轉矩 （7-2）   7.1.3 計算最大靜轉矩考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，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 來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。本例中取安全系數k=1.5，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： (7-3) 7.1.4 初選步進電機型號根據估算出的最大靜轉矩tjmax在國產bf反應式步進電機技術數據表中查出130bf001最大靜轉矩為，可以滿足要求.考慮到此經濟型數控車床有可能使用較大的切削用量,應該選稍大轉矩的步進電機

14、以留有一定的余量.另一方面,與國內同類型機床進行類比,決定采用150bf002步進電機.7.2 根據草圖校核步進電機轉矩前面所述初選步進電機的轉矩計算,均為估算;初選之后應該進行校核計算.7.2.1 等效轉動慣量計算運動件的轉動慣量j可由下式計算:    （7-4）式中：j1,j2齒輪z1,z2的轉動慣量   js滾珠絲杠轉動慣量        齒輪慣量計算對于剛材:j=0.78d4l×10-3 剛材的密度為式中： d圓柱體直徑(cm)；  l圓

15、柱體長度 (cm)；  剛材的密度為代入（7-4）式:          n取2電機慣量:  總慣量:    7.2.2 電機轉矩計算機床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計算:1) 快速空載起動慣性矩  （7-5）  （7-6）將前面數據代入（7-6）式,起動加速時間ta=200ms 快速空載起動            （7-7）折算到電機軸上

16、的摩擦轉矩tf （7-8）  附加摩擦轉矩to 傳動鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8；o滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,一般取0.9；傳動比；fpo滾珠絲杠預加負荷,一般取1/3fm,fm為進給牽引力(n)；fy垂直方向的切削力(n)；  2) 快速移動時所需轉矩   3) 最大(直線,勻速)切削負載時所需轉矩      加速切削 從上面計算可以看出t負1 ,t負2,t負3和t負4四種工況下,以加速切削所需轉矩最大,即以此項作為校核步進電機轉矩的依據. 取2倍  則: 從國產bf反應式步

17、進電機技術數據表中查出150bf002型步進電機最大轉矩為13.72nm,大于所需最大靜轉矩,以滿足此項要求.當快速運動和切削進給時,按150bf002型步進電機運行矩頻特性圖，完全可以滿足要求,所以初步選擇150bf002型步進電機。8 數控系統(tǒng)硬件電路設計8.1 確定硬件電路的總體方案。數控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：1 主控制器。即中央處理單元cpu2 總線。包括數據總線，地址總線，控制總線。3 存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數據存儲器。4 接口。即i/o輸入輸出接口。數控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：圖4 數控系統(tǒng)的硬件框圖8.2 主控制器cpu的選擇mcs-51系列單片機是集

18、中cpu，i/o端口及部分ram等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設計選用8031芯片作為主控芯片。8.3 步進電機驅動電路設計(1）脈沖分配器步進電機的控制方式由脈沖分配器實現，其作用是將數控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各相繞組，實現電機正反轉。數控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設計采用集成脈沖分配器yb013。采用yb013硬件環(huán)行分配器的步進電機接口線路圖如下：（2）光電隔離電路在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放

19、大后控制步進電機的勵磁繞組。如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實現電氣隔離，通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下：（3）功率放大器脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，必須將其輸出信號放大產生足夠大的功率，才能驅動步進電機正常運轉。因此必須選用功率放大器，需根據步進電機容量選擇功率放大器。本設計選用功率放大器。這里采用的功率放大電路如下圖所示：圖5 功率放大電路8.4 其它輔助電路設計（1）8031的時鐘電路單片機的時鐘可以由兩種方式產生：內部方式和外部方式。內部方式利用芯片的內部振蕩電路，在xtal1,xtal2引

20、腳上外接定時元件，如下圖所示。晶體可以在1.212之間任意選擇，耦合電容在530pf之間，對時鐘有微調作用。采用外部時鐘方式時，可將xtal1直接接地，xtal2接外部時鐘源。圖6 8031的時鐘電路（2）復位電路單片機的復位都是靠外部電路實現。在時鐘工作后，只要在reset引腳上出現10ms以上的高電平，單片機就實現狀態(tài)復位，之后cpu便從0000h單元開始執(zhí)行程序。在實際運用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復位電平與8031復位要求一致時，可以直接相連。當晶振頻率選用6mhz時，復位電路中c取22f，r取200，取1000。實用復位電路圖如下所示：圖7 8031復位電路（3）越界報警電路為了防止工

21、作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。利用光電耦合電路，將行程開關接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至8031的i/o口p1.0。當任何一個行程開關被壓下的時候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導通，由低電平變成高電平。8031可利用軟件設計成查詢的方法隨時檢查有無越界信號。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至8031的外部中斷引腳（int0或int1），采用中斷方式檢查越界信號。9 系統(tǒng)控制軟件設計9.1 控制系統(tǒng)的設計x-y數控工作臺的控制系統(tǒng)設計，可以參考本章第一節(jié)的車床數控系統(tǒng)，但在硬件電路上需要考慮步進電動機（編碼器）反饋信號的處理，在軟件上要實現半閉環(huán)的控制算法。根據任務書的

22、要求，設計控制系統(tǒng)的時主要考慮以下功能：（1） 接受操作面板的開關與按鈕信息；（2） 接受限位開關信號；（3） 控制x，y向步進電動機的驅動器；（4） 與pc機的串行通信。 cpu選用mcs-51系列的8位單片機at89s52，采用8279，和w27c512，6264芯片做為i/o和存儲器擴展芯片。w27c512用做程序存儲器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴展at89s52的ram存儲器存放調試和運行的加工程序；8279用做鍵盤和led顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺方向，led顯示器顯示當前工作臺坐標值；系統(tǒng)具有超程報警功能，并有越位開關和報警燈；其他輔助電路有復位電路，時鐘電路，越位報警指示

23、電路。進給控制系統(tǒng)原理框圖圖8 進給控制系統(tǒng)原理框圖9.2 驅動電路流程設計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，工作臺直線行進給0.01mm。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。程序流程圖（如下圖所示）圖9 程序流程圖以及步進電機驅動電路圖如下圖所示。圖10 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(lián)的二極管d起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中的能

24、量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組w串聯(lián)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(fā)熱厲害被燒壞。9.3直線插補及圓弧插補在機電設備中，執(zhí)行部件如要實現平面斜線和圓弧曲線的路徑運動，必須通過兩個方向運動的合成來完成。在數控機床中，這是由x、y兩個方向運動的工作臺，按照插補控制原理實現的。9.3.1直線插補程序的設計用逐點比較法進行直線插補計算，每走一步，都需要以下四個步驟：偏差判別：判別偏差或，從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算公式。坐標進給：根據直線所在象限及偏差符號，決定沿+x、+y、-x、-y的哪個方向進給。偏差計算：進給一步后，計算新的加工偏差

25、。終點判別：進給一步后，終點計算器減1.若為0，表示到達終點停止插補；不為0，則返回到第一步繼續(xù)插補。終點計算判別可用兩個方向坐標值來判斷，也可由一個方向的坐標值來判斷。當，可用x方向走的總步數作為終點判別的依據，如動點x等于終點則停止。當，則用y方向走的總步數作為終點判別的依據。由此，直線插補程序的算法如圖：圖11 逐點比較法直線插補框圖9.3.2圓弧插補程序的設計逐點比較法的圓弧的插補計算過程和直線插補過程基本相同，也分為偏差判別、坐標進給、偏差計算和終點判別四個步驟。不同點在于：（1）偏差計算公式步進與前一點偏差有關，還與前一點的坐標有關，在計算偏差的同時要進行坐標計算。（2）終點的判別

26、是以一個方向的坐標值與終點坐標值相比較判斷其是否相等為判據。若，則以x是否等于作為終點判據；若，則以y是否等于作為終點判據。逆圓弧插補程序算法如圖：圖12 第一象限逆圓插補程序框圖總結通過此次設計，讓我對于理論知識尤其是專業(yè)知識有了更深的了解和認識，并能將其進行一次比較全面系統(tǒng)的總結和應用；使我學會了如何查閱現有的技術資料、如何舉一反三、如何通過改進并加入自己的想法與觀點，使之成為自己的東西，進一步加強了我綜合分析解決實際問題和獨立思考的能力。在這次設計中，經過查閱資料，從實際應用出發(fā)將設計完成的比較合理且具有實際的意義。并且結合生產知識，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際以及分析和解決工程實際問題的才能，并使大學三年所學的知識得到進一步鞏固、深化和擴展。同時，也發(fā)現了一些問題。比如知識運用的熟練程度不夠，知識面比較狹隘，導致在設計中的一些問題無法及時發(fā)現和解決。在此，我要感謝這三年里給我授課的所有老師。感謝你們傳給我知識。最后還要感謝參考文獻中所列書籍、文章及資料的作者。參考文獻1 尹志強機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書.機械工業(yè)出版社，20162 鄭學堅,周斌微型計算機原