1、、總體方案設(shè)計1.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可用于銑床上坐標(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)計參數(shù)如下：負(fù)載重量G=150N；臺面尺寸CXBXH=145mmX160mmX12mm；底座外 形尺寸 C1 X B1 X H1 = 210mm X 220mm X 140mm；最大長度 L=388mm；工作臺加工范圍 X=55mm, Y=50mm；工作臺最大快移速度為1m/min。1.2總體方案確定系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動的過程中沒有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控

2、 制。為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動X-Y工作臺。計算機系統(tǒng)本設(shè)計采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機控制系統(tǒng)。它的主要特點是集成度高， 可靠性好，功能強，速度快，有較高的性價比。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機、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現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺的狀態(tài)。X-Y工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳 動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運動載荷不大，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

3、可減 少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動?？紤]電機步距角和絲桿導(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。二、機械系統(tǒng)設(shè)計2.1、工作臺外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：長 X 寬 x 高145X160X50重量：按重量=體積X材料比重估算145 x 160 x 50 x 10-3 x 7.8 x 10-2 牝 90 NY向拖板（下拖板）尺寸：14 5 1 6x0 5 0重量：約90N。上導(dǎo)軌座（連電機）重量：（220 x 140 x 38 + 2 x 155 x兀 x 82） x 7.8 x 10-2 x 10-3 +1.1 x 10

4、= 107 （N）夾具及工件重量：約150N 。X-Y工作臺運動部分的總重量：約287N。2.2、滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定、導(dǎo)軌型式：圓形截面滾珠導(dǎo)軌、導(dǎo)軌長度上導(dǎo)軌（X向）取動導(dǎo)軌長度IB = 100I動導(dǎo)軌行程l = 55支承導(dǎo)軌長度L =七+1 = 155下導(dǎo)軌（Y向）l = 50 七=100L = 150選擇導(dǎo)軌的型號：GTA16、直線滾動軸承的選型上導(dǎo)軌G = 240（ N）下導(dǎo)軌Gy = 287（ N）由于本系統(tǒng)負(fù)載相對較小，查表后得出LM10UUOP型直線滾動軸承的額定動載荷為370N, 大于實際動負(fù)載；但考慮到經(jīng)濟性等因素最后選擇LM16UUOP型直線滾動軸承。并采用雙排兩 列4個直

5、線滾動軸承來實現(xiàn)滑動平臺的支撐。、滾動導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法當(dāng)工作臺往復(fù)移動時，工作臺壓在兩端滾動體上的壓力會發(fā)生變化，受力大的滾動體變 形大，受力小的滾動體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置I時，兩端滾動體受力相等，工作臺保持水平; 當(dāng)導(dǎo)軌移動到位置II或III時，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜a角，由 此造成誤差。此外，滾動體支承工作臺，若工作臺剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性 變形，會使工作臺下凹(有時還可能出現(xiàn)波浪形)，影響導(dǎo)軌的精度。2.3、滾珠絲杠的設(shè)計計算滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時的情況計、最大動負(fù)載Q的計算Q = 3LffPO H查表

6、得系數(shù)fO =1，fH =1，壽命值,60nTL =106查表得使用壽命時間T=15000h，初選絲杠螺距t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速n = 1000 =冬=250( r/min) t4,60 x 250 x 15000所以L = 225106X向絲杠牽引力當(dāng)量摩擦系數(shù))P = 1.414 f當(dāng)G=1.414 x 0.01 x 240 = 3.39( N)Y向絲杠牽引力P = 1.414 f當(dāng)G =1.414 x 0.01x287 = 4.06( N)所以最大動負(fù)荷X 向Q = 3225 x 1 x 1 x3.39 = 20.6(N)Y 向Q = 3225 x 1x 1x4.06 = 24.7(N)

7、查表，取滾珠絲杠公稱直徑d0 = 10mm，選用滾珠絲杠螺母副的型號為SFK1004，其額定動載荷為390N，足夠用。、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算表2-1滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名 稱符號計算公式和結(jié)果螺紋滾道公稱直徑d10螺距0t4接觸角P45。鋼球直徑d2螺紋滾道法面半徑qRR = 0.52d = 1.04偏心距ee = (R -d/2)sin p = 0.03螺紋升角Yq,t rY = arc tg= 7.26。兀d0螺桿螺桿外徑dd = d -(0.2 0.25)d = 9.5螺桿內(nèi)徑d0qd = d + 2e - 2 R = 7.98螺桿接觸直徑l dl0d = d d cos p =

8、 8.59螺母螺母螺紋外徑zDZ0qD = d - 2e + 2R = 12.02螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）D 1D1 = d0 +(0.2 0.255)d =10.5見表2-1。、傳動效率計算門= 一 =一t 7.26一 = 0.973 tg (Y+p)t (7.26。+ 0.2。)式中：P 摩擦角；Y 絲杠螺紋升角。、剛度驗算滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程匕的變化量七= *Y向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計算P = 24.7（ N）L0 = 0.4（cm）E = 20.6x106（N/cm2）（材料為鋼）F = R 2 = 341 啰卜庭(Cm2)所以 L = 247 x .5=1.2 x 10

9、-6 (cm)120.6 x 106 x 0.5絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量%很小，可以忽略。所以導(dǎo)程總誤差 T L100 = 1.2 x 10-6100 = 3 （r m / m）L00.4查表知E級精度的絲杠允許誤差15rm，故剛度足夠。、穩(wěn)定性驗算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗算。2.4、步進(jìn)電機的選用、步進(jìn)電機的步距角七取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量5 = 0.01mm/step，初選步進(jìn)電機步距角七=1.5。、步進(jìn)電機啟動力矩的計算設(shè)步進(jìn)電機等效負(fù)載力矩為T,負(fù)載力為P,根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負(fù)載力 做功有如下關(guān)系T啊=Ps式中：中 電機轉(zhuǎn)角；s 移動部件的相應(yīng)位移；門 機械

10、傳動效率。若取平=，則s = 5 p，且P = p+R G，所以365 p + rGT = 一p S（N dm）2昶門b式中：P 移動部件負(fù)載（N）； G移動部件重量（N）； P 與重量方向一致的作 Sz用在移動部件上的負(fù)載力（N）； R 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；七一一步進(jìn)電機步距角，（rad）； T電機軸負(fù)載力矩（Ncm ）本例中，取R= 0.03 （淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），n = 0.96，P為絲杠牽引力，SP= = 24.7N?？紤]到重力影響，Y向電機負(fù)載較大,因此取& = G = 287N,所以36 x 0.0124.7 + 0.03 x 287 T = 1.33（N 住m）2兀 x 1.5

11、 x 0.96若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩eTT =q 0.3 0.51.33取安全系數(shù)為0.3，貝0T = 4.42（NQ:m）q 0.3對于工作方式為三相六拍的三相步進(jìn)電機T =- = 5.1jmax 0.866、步進(jìn)電機的最高工作頻率/max1000kmax6051000 x160 x 0.01=1667( Hz)查表選用兩個45BF005-H型步進(jìn)電機。電機的有關(guān)參數(shù)見表2-2。表2-2步進(jìn)電機參數(shù)型號主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸(mm)重量(N)止步距角(。:最大 靜轉(zhuǎn)距(N Q?m)最高空載啟動頻率(step/ s)相數(shù)電壓申)電流(A)外徑長度軸徑45BF005-H1.5

12、19.630003272.545584112.5、確定齒輪傳動比因步進(jìn)電機步距角七=15。，滾珠絲杠螺距t = 4mm，要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量5p = 0.01mm/step，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比.=氣=5“ x360。= 0.01x360 = 06 p ot一 .選 Z = 17 ， Z = 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)電機慣性負(fù)載的計算表2-3 齒輪尺寸1728d = mZ (mm)d = d + 2m (mm)d = d - 2 x 1.25m (mm) fb = (3 - 6)m (mm

13、)a =(mm )2171914.55283025.5517.5根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，得r5p二。v180 b /折算到電機軸上的慣性負(fù)載（知*）J0 步進(jìn)電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（kg0?m2）； % 齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（kggQcm2）； J2齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（kg0?m2）；J3 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量以g02）； M移動部件質(zhì)量（kg）。對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算J = 0.78 x 10-3 D 4 Lm 2）式中：D圓柱零件直徑（cm）； L零件長度（cm）。所以J = 0.78 x 10-3 x 1.74 x 0.5 = 3.26 x 10-3J2 = 0.78 x 10

14、-3 x 2.84 x 0.5 = 23.9 x 10-3J3 = 0.78 x 10-3 x 14 x 5 = 3.9 x 10-3m2）電機軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，則七=3.26 x 10-3 +17f(23.9 + 3.9)x 10-3=0.4 x 10-5V 28 )+250.001丑 x 1.5V 180)因為 1 J = 7 = 0.319 1，所以慣性匹配比較符合要求。4Jm 1.274三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅(qū)動、傳感器、人機交互界面。硬件系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意幾點：電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價低、可維護(hù)性、人機 交互界面可操作性比較

15、好。CPU 板CPU的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多， 而目前市場上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機 89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應(yīng)用于伺 服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定 位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。從要設(shè)計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑 提高了設(shè)計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。生產(chǎn)基

16、于51為內(nèi)核的單 片機的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產(chǎn)領(lǐng)域ATMEL公司的工藝和封 裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，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F(xiàn)lash存儲器， S表示含有串行下載Flash存儲器。AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲器容量為4KB、16位定時器2個、中斷源6個（看門 狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷

17、1、定時器0和定時器1中斷）、RAM為128B、 14位的計數(shù)器WDT、I/O 口共有32個。CPU接口設(shè)計CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅(qū)動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示:（鍵盤、LED）人機界面圖3-1 CPU外部接口示意圖圖3-2AT89S51控制系統(tǒng)圖中斷源W:非 INTO/TNTl中站源W*門t 圖3-3 多中斷源中斷觸發(fā)圖-3.2驅(qū)動系統(tǒng)傳動驅(qū)動部分包括步進(jìn)電機的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動，步進(jìn)電機須滿足快速急停、定位和退刀時 能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。在定位 和退刀時電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時能及時釋放磁力使筆尖壓下。

18、3.2.1步進(jìn)電機驅(qū)動電路和工作原理步進(jìn)電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計時的脈沖當(dāng)量為0.01mm， 步進(jìn)電機每走一步，工作臺直線行進(jìn)0.01mm。步進(jìn)電機驅(qū)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(hù)CPU的作用，當(dāng)功放 電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖3-4步進(jìn)電機驅(qū)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(dāng)A相得電時，電動機轉(zhuǎn)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

19、值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進(jìn)電機采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序 為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。步進(jìn)時鐘3.2.2電磁鐵驅(qū)動電路A相波形B相波形C相波形圖3-5三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)）該驅(qū)動電路也采用了光電偶 合器，但其功放電路相對簡單。其 光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管， 因為驅(qū)動電磁鐵的電流比較大。3.2.3電源設(shè)計圖3-6電磁鐵驅(qū)動電路兩電機同時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

20、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)計4.1總體方案對于AT89S51的程序設(shè)計，由于所需實現(xiàn)的功能較簡單 Keil 7.02b。該編譯器是51系列單片機程序設(shè)計的常用工具 譯。同時具有完善的調(diào)試功能。采用匯編的形式。編譯器采用 既可用匯編，也支持C語言編4.2主流程圖CTLEQU3FF8HPAEQU3FF9HPBEQU3FFAHPCEQU3FFBHCMDEQU02HORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPINT0IS；外部中斷0入口ORG000BHAJMPTM0IS；定時器0中斷入口ORG0013HA

21、JMPINT1IS；外部中斷1入口ORG001BHAJMPTM1IS；定時器1中斷入口ORG0100HMAIN： ANLP1，0EFHSETBIT0；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā)SETBIT1MOVA，CTLMOVDPTR，AMOVX:DPTR，CMD；A 口輸入，B 口輸出，C 口輸入SETBEX0 ；允許外中斷0SETB EX1 ；允許外中斷1SETB PX0SETB PX1 ；設(shè)置優(yōu)先級SETB EA ；開總中斷LOOP： AJMP LOOP ；等待中斷在等待中斷的過程中，如果有中斷到來，先檢查中斷0的狀態(tài)，是中斷0則進(jìn)入中斷0的 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個行程開關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機讀取PA 口內(nèi)容，然后將結(jié)果反 饋到PB 口的LED上。中斷服務(wù)1有6個中斷源，這六個中斷源分別是手動X正方向運行，手動X負(fù)方向運行， 手動Y正方向運行，手動Y負(fù)方向運行，復(fù)位和繪制圓弧。X軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖P 1.6=0抬起筆尖X電機正轉(zhuǎn)一步跳轉(zhuǎn)LOOP讀PA口內(nèi)容X+EN：CLRP1.6MOVA，PAMOVDPTR，AMOVXA，DPTRJNBACC.0，LOOP2MOTOR0：MOVDIRX，#01HACALLXMOTOR0MOVA，PCMOVDPTR，AMOVA，