1、114、總體方案設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)。該工作臺(tái)可用于銑床上坐標(biāo)孔的加工和臘摸、塑 料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復(fù)定位精度為± 0.01mm ，定位精度為 0.025mm。設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 負(fù)載重量 G=150N ；臺(tái)面尺寸 C ×B × H 145mm × 160mm× 12mm ；底座外 形尺寸 C1 × B1 × H1 210mm × 220mm × 140mm ；最大長(zhǎng)度 L=388mm ；工作臺(tái)加工范圍 X=55mm ， Y=50mm ；工作臺(tái)最大快移速度

2、為 1m/min 。1.2 總體方案確定（1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動(dòng)的過程中沒有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控 制。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) X-Y 工作臺(tái)。（ 2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用了與 MCS-51 系列兼容的 AT89S51 單片機(jī)控制系統(tǒng)。 它的主要特點(diǎn)是集成度高， 可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、 LED 、I/O 接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵功率放大 器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。 LED 顯示數(shù)控工作臺(tái)的狀態(tài)。（ 3）X-Y 工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為

3、保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳 動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙 V 形滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減 少兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)?？紤]電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。圖 1-1 系統(tǒng)總體框圖214、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 、工作臺(tái)外形尺寸及重量估算X 向拖板（上拖板）尺寸：長(zhǎng) 寬 高145×160× 50重量：按重量 = 體積×材料比重估算32145 160 50 10 3 7.8 10

4、2 90 NY 向拖板（下拖板）尺寸： 145 160 50 重量：約 90N。上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量：（220 140 38 2 15582） 7.8 10 2 10 3 1.1 10 107 （N）夾具及工件重量：約 150N 。X-Y 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約 287N 。2.2 、滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定、導(dǎo)軌型式：圓形截面滾珠導(dǎo)軌、導(dǎo)軌長(zhǎng)度上導(dǎo)軌（ X 向）取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度lB100動(dòng)導(dǎo)軌行程l55支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度LlB l155下導(dǎo)軌（ Y 向）l 50lB 100L 150選擇導(dǎo)軌的型號(hào)： GTA16、直線滾動(dòng)軸承的選型上導(dǎo)軌GX 240（N ）下導(dǎo)軌GY 287（N）由于本系統(tǒng)負(fù)載相對(duì)較小

5、，查表后得出LM10UUOP型直線滾動(dòng)軸承的額定動(dòng)載荷為370N，大于實(shí)際動(dòng)負(fù)載；但考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素最后選擇LM16UUOP型直線滾動(dòng)軸承。并采用雙排兩列 4 個(gè)直線滾動(dòng)軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)平臺(tái)的支撐。314、滾動(dòng)導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法當(dāng)工作臺(tái)往復(fù)移動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)壓在兩端滾動(dòng)體上的壓力會(huì)發(fā)生變化，受力大的滾動(dòng)體變 形大，受力小的滾動(dòng)體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力相等，工作臺(tái)保持水平； 當(dāng)導(dǎo)軌移動(dòng)到位置或時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力不相等，變形不一致，使工作臺(tái)傾斜 角，由 此造成誤差。此外，滾動(dòng)體支承工作臺(tái)，若工作臺(tái)剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性 變形，會(huì)使工作臺(tái)下凹（有時(shí)還可能出現(xiàn)波浪形） ，影響

6、導(dǎo)軌的精度。2.3 、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時(shí)的情況計(jì) 算。所以1000Vmax1000 1t60 250 r / min)225X向絲杠牽引力Px 1.414 f當(dāng)Gx當(dāng)量摩擦系數(shù) ）1.414 0.01 2403.39( N )、最大動(dòng)負(fù)載 Q 的計(jì)算Q 3 L f fH P查表得系數(shù) f1，fH1，壽命值L60nT106查表得使用壽命時(shí)間T=15000h，初選絲杠螺距 t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速Y向絲杠牽引力Py 1.414 f當(dāng)Gy287y1.414 0.014.06(N)X向Qx3 225113.3

7、920.6(N)Y向Qy3 225114.0624.7(N)查表，取滾珠絲杠公稱直徑d010mm ，所以最大動(dòng)負(fù)荷選用滾珠絲杠螺母副的型號(hào)為 SFK1004 ，其額定動(dòng)載荷為 390N，足夠用。 、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算414表 2-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名稱符號(hào)計(jì)算公式和結(jié)果螺紋滾道公稱直徑d010螺距t4接觸角45o鋼球直徑dq2螺紋滾道法面半徑RR 0.52dq 1.04偏心距ee R dq /2 sin0.03螺紋升角to arctg 7.26d0螺桿螺桿外徑dd d0 0.2 0.25 dq 9.5螺桿內(nèi)徑dldl d0 2e 2R 7.98螺桿接觸直徑dzdz d0 dq

8、cos8.59螺母螺母螺紋外徑DD d0 2e 2R 12.02螺母內(nèi)徑(外循環(huán))D1D1 d0 0.2 0.255 dq 10.5見表 2-1 。、傳動(dòng)效率計(jì)算tgtg7.26oo o 0.973 tg( ) tg(7.26o 0.2o)式中： 摩擦角； 絲杠螺紋升角。、剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載 P引起的導(dǎo)程 L0 的變化量VL1PL0EFVL2很小，可以忽略。P24.7( N )L0 0.4(cm)E20.6106(N /cm2)材料為鋼FR223.14 0.79820.5 cm2所以24.7 0.56VL161.2 10 (cm)Y向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計(jì)算20.6 10 0.

9、5絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量所以導(dǎo)程總誤差514V VL100L01.210 61000.4m/m查表知 E 級(jí)精度的絲杠允許誤差 15 m ，故剛度足夠。、穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。2.4 、步進(jìn)電機(jī)的選用、步進(jìn)電機(jī)的步距角 b取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 p 0.01mm/ step ，初選步進(jìn)電機(jī)步距角 b 1.5o。、步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為 T，負(fù)載力為 P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力 做功有如下關(guān)系T Ps式中：電機(jī)轉(zhuǎn)角；s 移動(dòng)部件的相應(yīng)位移；機(jī)械傳動(dòng)效率。若取b，則sp ，且 P PSG ，所以T 36 p PSGT 2

10、b(Ngcm)式中： PS 移動(dòng)部件負(fù)載（ N）； G移動(dòng)部件重量（N）； Pz 與重量方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（ N）；導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；步進(jìn)電機(jī)步距角， （rad ）；T電機(jī)軸負(fù)載力矩（ Ngcm）本例中，取0.03 （淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)）0.96 ， PS為絲杠牽引力，G Gy 287N ，所以Ps PH 24.7N ?？紤]到重力影響， Y 向電機(jī)負(fù)載較大，因此取1.33( N gcm)36 0.01 24.7 0.03 287 2 1.5 0.96若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩TqTq 0.3 0.51.33 取安全系數(shù)為 0.3 ，則Tq4.42 Ngcm0

11、.3對(duì)于工作方式為三相六拍的三相步進(jìn)電機(jī)614Tjmax0.8665.1Ngcm、步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率max1000Vmax60 p1000 160 0.011667( Hz )查表選用兩個(gè) 45BF005-型步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見表2-2 。表 2-2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)型號(hào)主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸 (mm)重量(N)步距角o最大 靜轉(zhuǎn)距 Ngcm最高空載 啟動(dòng)頻率 ( step/ s)相 數(shù)電壓(V)電流(A)外徑長(zhǎng)度軸徑45BF005-1519.630003272.545584112.5 、確定齒輪傳動(dòng)比因步進(jìn) 電機(jī) 步距 角 b 1.5o ，滾珠 絲杠螺 距 t 4mm， 要實(shí) 現(xiàn)脈 沖當(dāng)

12、 量p 0.01mm / step ，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)比Z1 iZ2p 360o 0.01 360p 0.6bt1.5 4選 Z117 ， Z2 28 。2.6 、確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸因傳遞的扭距較小，取模數(shù) m 1mm，齒輪有關(guān)尺寸見表 3-3 。2.7 、步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算表 2-3 齒輪尺寸Z1728714dmZ mm1728dad2m mm1930dfd2 1.25m mm14.525.5b36 m mm55ad12d2mm17.5根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，得22Z1Jd J0 J11J2 J3 M180 bZ2式中： Jd 折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（

13、kggcm2 ）； J0 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kggcm2 ）； J1 齒輪 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kggcm 2 ）； J 2 齒輪 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kggcm2 ）；2J3 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kggcm2 ）； M移動(dòng)部件質(zhì)量（ kg ）。對(duì)材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算3 4 2J 0.78 10 3 D4L kggcm2Jd3.26 10 317 22823.9 3.9 10 3250.0013.141.51800.410 5 kggm2因?yàn)?Jd0.44 JM 1.2740.319 1 ，所以慣性匹配比較符合要求。D圓柱零件直徑（cm）；L零件長(zhǎng)度（ cm）。J10.78 10

14、31.740.53.26 10 3 kggcm2J20.78 10 32.840.523.9 10 3 kggcm2J30.78 10 314 53.910 3 kggcm2電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，則式中：所以814三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)X-Y 數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)硬件主要包括 CPU 、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)、傳感器、人機(jī)交互界面。 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意幾點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價(jià)低、可維護(hù)性、人機(jī) 交互界面可操作性比較好。3.1 CPU 板3.1.1 CPU 的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號(hào)很多， 而目前市場(chǎng)上應(yīng)用 MCS-51 芯片及其派生的兼

15、容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的 8 位單片機(jī) 89C51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用 16 位單片機(jī)， MCS-96 系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺 服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運(yùn)算和擴(kuò)展能力。但是定 位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價(jià)比。從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)看，選用較老的 8051 單片機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無(wú)疑 提高了設(shè)計(jì)價(jià)格，而選用高性能的 16 位 MCS-96 又顯得過于浪費(fèi)。生產(chǎn)基于 51 為內(nèi)核的單 片機(jī)的廠家有 Intel 、ATMEL 、Simens，其中在 CMOS 器件生產(chǎn)領(lǐng)域 ATMEL 公司

16、的工藝和封 裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。 ATMEL 公司的 AT89 系列單片機(jī)內(nèi)含 Flash 存儲(chǔ)器，在程序開發(fā) 過程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改， 同時(shí)掉電也不影響信息的保存； 它和 80C51 插座兼容， 并且采用靜態(tài)時(shí)鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件 CPU 選用 AT89S51 ， AT 表示 ATMEL 公司的產(chǎn)品， 9 表示內(nèi)含 Flash存儲(chǔ)器， S 表示含有串行下載 Flash 存儲(chǔ)器。AT89S51 的性能參數(shù)為： Flash存儲(chǔ)器容量為 4KB 、16 位定時(shí)器 2個(gè)、中斷源 6個(gè)（看門 狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷 0、外部中斷 1、定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1 中斷）、RA

17、M 為 128B、 14 位的計(jì)數(shù)器 WDT 、 I/O 口共有 32 個(gè)。3.1.2 CPU 接口設(shè)計(jì)CPU 接口部分包括傳感器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示：914圖 3-1 CPU 外部接口示意圖圖 3-2 AT89S51 控制系統(tǒng)圖3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、定位和退刀時(shí) 能快速運(yùn)行、工作時(shí)能帶動(dòng)工作臺(tái)并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運(yùn)行。在定位 和退刀時(shí)電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時(shí)能及時(shí)釋放磁力使筆尖壓下。3.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋

18、電路。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線行進(jìn) 0.01mm 。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù) CPU 的作用，當(dāng)功放 電路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)將大的電壓加在 CPU 上使其燒壞。1014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(chǔ)存在繞組中的能量通過 二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)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(dòng)機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（三個(gè)線圈A、B、 C），其正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋?A-AB-B-BC-C-CA-A ，其反轉(zhuǎn)的

19、通電順序?yàn)椋?A-AC-C-CB-B-BA-A 。步進(jìn)時(shí)鐘A 相波形B 相波形C 相波形圖 3-5 三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（正轉(zhuǎn)）3.2.2 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路該驅(qū)動(dòng)電路也采用了光電偶合器， 但其功放電路相對(duì)簡(jiǎn)單。 其 光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管， 因?yàn)轵?qū)動(dòng)電磁鐵的電流比較大。1114圖 3-6 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路3.2.3 電源設(shè)計(jì)兩電機(jī)同時(shí)工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)中用到的電源電壓為 27V 、12V 、5V ，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標(biāo)準(zhǔn)的27V電源作為基準(zhǔn)，通過芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的 12V 和 5V 電壓。四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)

20、計(jì)4.1 總體方案對(duì)于 AT89S51 的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)現(xiàn)的功能較簡(jiǎn)單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil 7.02b 。該編譯器是 51 系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的常用工具，既可用匯編，也支持C語(yǔ)言編譯。同時(shí)具有完善的調(diào)試功能。4.2 主流程圖圖 4-1CTLEQU3FF8HPAEQU3FF9HPBEQU3FFAHPCEQU3FFBHCMDEQU02HORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPINT0IS；外部中斷0 入口ORG000BHAJMPTM0IS；定時(shí)器0 中斷入口ORG0013HAJMPINT1IS；外部中斷1 入口ORG001BHAJMPTM1IS；定時(shí)器 1 中

21、斷入口ORG0100HMAIN ： ANLP1，0EFHSETBIT0；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā)SETBIT1MOVA，CTLMOVDPTR，AMOVXDPTR ， CMD； A 口輸入， B 口輸出，C 口輸入SETBEX0 ；允許外中斷01214SETBEX1；允許外中斷 1SETBPX0SETBPX1；設(shè)置優(yōu)先級(jí)SETBEA；開總中斷LOOP 0 的狀態(tài)，LOOP： AJMP 在等待中斷的過程中，如果有中斷到來(lái)，先檢查中斷 中斷服務(wù) INT0IS ，是中斷 1則進(jìn)入中斷 1的中斷服務(wù) INT1IS 。中斷服務(wù) 0 是由 4 個(gè)行程開關(guān)觸發(fā)的， 它觸發(fā)后通過單片機(jī)讀取 饋到 PB 口的 LED 上

22、。；等待中斷是中斷 0 則進(jìn)入中斷 0 的PA 口內(nèi)容， 然后將結(jié)果反中斷服務(wù) 1 有 6 個(gè)中斷源，這六個(gè)中斷源分別是手動(dòng) X 正方向運(yùn)行，手動(dòng) X 負(fù)方向運(yùn)行， 手動(dòng) Y 正方向運(yùn)行，手動(dòng) Y 負(fù)方向運(yùn)行，復(fù)位和繪制圓弧。4.4.2 X 軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖X+EN ：CLRP1.6MOVA，PAMOVDPTR，AMOVXA ， DPTRJNBACC.0 ，LOOP2MOTOR0 ：MOVDIRX ， #01HACALLXMOTOR0MOVA， PCMOVDPTR ， AMOVA， DPTRJNBACC.0 ，MOTOR0LOOP2 ：AJMPLOOP11314Y 軸電機(jī)這是 X 軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)的程序，其他的 X 軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)、 Y 軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)、 點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)依次類推。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖圖 4-7 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程