1、精選優質文檔-傾情為你奉上數控專業方向綜合課程設計說明書 “X-Y運動工作臺控制系統設計”課程設計 學 院 機械工程學院 專 業 機械工程及自動化 班 級 學生姓名 指導老師 2013年 12 月27日課 程 設 計 任 務 書茲發給 班學生 課程設計任務書，內容如下：1 設計題目： X-Y運動工作臺控制系統設計 2 應完成的項目：（1）原始資料：該X-Y工作臺圖樣，小批量生產； （2）熟悉X-Y工作臺圖樣，繪制裝配圖一張； （3）編寫控制系統程序； （4）撰寫說明書。 3 參考資料以及說明：1李洪主編.實用機床設計手冊.沈陽：遼寧科學技術出版社，19992鄭堤主編.數控機床與編程.北京：機械

2、工業出版社，3機械加工技術手冊編寫組.機械加工技術手冊.北京：北京出版社，19934何立民.單片機應用系統設計【M】北京：北京航空航天大學出版社，19905周開勤主編.機械零件手冊.北京：高等教育出版社，19996馮辛安主編.機械制造裝備設計.北京：機械工業出版社，19997吳振彪.機電綜合設計指導.北京：機械工業出版社，19978李洪.機械加工工藝手冊.北京：北京出版社，19904 本設計任務書于2013年 12月 16日發出，應于2013年12月 27日前完成，然后進行答辯。指導教師 簽發 2013 年12 月 16 日課程設計評語：課程設計總評成績：指導教師簽字：年 月 目 錄摘要第一章

3、 緒論3 1.1 引言3 1.2 課程設計的目的、意義及要求3第二章 課程設計的內容42.1 課程設計題目42.2 課程設計的內容4第三章 數控系統總體方案的確定5 3.1 系統運動方式確定5 3.2 伺服系統選擇5 3.2 計算機系統選擇5 3.4 X-Y工作臺傳送方式5 第四章 機械部分設計64.1 確定系統脈沖當量64.2 工作臺外形尺寸及重量初步估算64.3 滾動導軌副的計算、選擇74.4 滾珠絲杠計算、選擇84.5 齒輪計算、設計104.6 步進電機慣性負載的計算114.7 步進電機的計算選擇11第五章 機床數控系統硬件電路設計135.1 CPU板135.2 驅動系統145.3 電磁

4、鐵驅動電路165.4 電源設計16第六章 系統控制軟件設計17 6.1 總體方案17 6.2 主流程圖17 6.3 X軸電機點動正轉程序圖18 6.4 步進電機控制程序設計20第七章 設計總結22參考文獻23專心-專注-專業摘 要當今世界技術迅速，微處理器、微型機在各技術領域得到了廣泛，對各領域技術的發展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執行機構、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術領域綜合交叉的技術密集型系統工程。新一代的CNC

5、系統這類典型機電一體化產品正朝著高性能、智能化、系統化以及輕量、微型化方向發展。關鍵字：機電一體化的基礎 基本組成要素 特點 發展趨勢第一章 緒論1.1引言在我國對外開放進一步深化的新環境下 ,發展我國數控技術及裝備、提高我國制造業信息化水平和國際競爭能力的重要性 ,并從戰略和策略兩個層面提出了發展我國數控技術及裝備的幾點看法。裝備工業的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度 ,數控技術及裝備是發展新興高新技術產業和尖端工業的使能技術和最基本的裝備 ,又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術 ,而數控裝備是以數控技術為代表

6、的新技術對傳統制造產業和新興制造業的滲透形成的機電一體化產品 ,其技術范圍覆蓋很多領域。 21世紀的數控裝備將是具有一定智能化的系統 ,智能化的內容包括在數控系統中的各個方面:為追求加工效率和加工質量方面的智能化 ,如加工過程的自適應控制 ,工藝參數自動生成;為提高驅動性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統、制造企業對信息集成的需求 ,也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業、全球制造的基礎單元 ,反映了數控機床加工向網絡化方向發展的趨勢。 1.2課程設計的目的和意義課程設計是培養學生設計

7、能力的重要實踐性教學環節之一，是綜合運用所學過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行的基本設計訓練。其目的是：1. 能夠正確運用機電一體化系統設計課程的基本理論和相關知識，掌握機電一體化系統（產品）的功能構成、特點和設計思想、設計方法，了解設計方案的擬定、比較、分析和計算，培養學生分析問題和解決問題的能力，使學生具有機電一體化系統設計的初步能力；2. 通過機械部分設計，掌握機電一體化系統典型機械零部件和執行元件的計算、選型和結構設計方法和步驟；3. 通過測試及控制系統方案設計，掌握機電一體化系統控制系統的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；4. 通過課程設計提高學生應用手冊、標準及編寫技術說

8、明書的能力，促進學生在科學態度、創新精神、專業技能等方面綜合素質的提高。第二章 課程設計的內容第一節 課程設計題目：單片機控制步進電機驅動的多用XY工作臺。已知條件：定位精度：±0.01mm，負載G=150N，加工范圍500mm*50mm,最快移動速度1m/min第二節 課程設計的內容 a.數控裝置總體方案的確定 (1).數控裝置設計參數的確定； (2).方案的分析，比較，論證。 b.機械部分的設計(1).確定脈沖當量；(2).機械部件的總體尺寸及重量的初步估算；(3).傳動元件及導向元件的設計，計算和選用；(4).確定伺服電機；(5).繪制機械結構裝配圖；(6).系統等效慣量計算；

9、(7).系統精度分析。c.數控系統的設計(1).微機及擴展芯片的選用及控制系統框圖的設計；(2).I/O接口電路及伺服控制電路的設計和選用；(3).系統控制軟件的設計第四章 數控系統總體方案的確定數控系統總體方案設計的內容包括：系統運動方式的確定，執行機構及傳動方案的確定，伺服電機類型及調速方案確定，計算機控制系統的選擇。進行方案的分析、比較和論證。3.1 系統運動方式的確定該系統要求工作臺沿各坐標軸的運動有精確的運動關系因此采用連續控制方式。3.2 伺服系統的選擇開環伺服系統在負載不大時多采用功率步進電機作為伺服電機.開環控制系統由于沒有檢測反饋部件，因而不能糾正系統的傳動誤差。但開環系統結

10、構簡單，調整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應用。.考慮到運動精度要求不高，為簡化結構，降低成本，宜采用步進電機開環伺服系統驅動。3.3 計算機系統的選擇采用MCS-51系列中的8031單片機擴展控制系統。MCS-51單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高。控制系統由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等組成。系統的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實現。顯示器采用數碼管顯示加工數據和工作狀態等信息。3.4 XY工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩性以及結構的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加

11、載荷的結構。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導軌副，從而減小工作臺的摩擦系數，提高運動平穩性。 考慮電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，以及考慮步進電機負載匹配，采用齒輪減速傳動。系統總體框圖如下:圖3-1 系統總體框圖第五章 機械部分設計機械部分設計內容包括：確定系統脈沖當量，運動部件慣性的計算，選擇步進電機，傳動及導向元件的設計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。4.1 確定系統脈沖當量脈沖當量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因此選擇脈沖當量為0.01mm。4.2 工作臺外形尺寸及

12、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:工作臺簡圖a. X向拖板(上拖板)尺寸為: 長*寬*高=420*410*50重量:按重量=體積*材料比重估算為: = b. Y向拖板(下拖板)尺寸為: 重量=c. 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:4.3 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，kN；工作載荷P=0.5(Fz

13、+W)； 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基本參數如下:額定載荷/N靜態力矩/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N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: 導軌的工作壽命足夠.

14、4.4 滾珠絲杠計算、選擇初選絲杠材質：CrWMn鋼，HRC5860，導程：l0=5mm（1） 強度計算絲杠軸向力：(N)其中：K=1.15，滾動導軌摩擦系數f=0.0030005；在車床車削外圓時：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz計算。取f=0.004,則:壽命值：，其中絲杠轉速(r/min)最大動載荷：式中：fW為載荷系數，中等沖擊時為1.21.5；fH為硬度系數，HRC58時為1.0。查表得中等沖擊時則:根據使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，并根據最大動載荷的數值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM

15、2005-5。其基本參數如下:其額定動載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環方式為外循環螺旋槽式,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式.滾珠絲杠螺母副的幾何參數的計算如下表名稱計算公式結果公稱直徑20mm螺距mm接觸角鋼球直徑3.175mm螺紋滾道法向半徑1.651mm偏心距0.04489mm螺紋升角螺桿外徑19.365mm螺桿內徑16.788mm螺桿接觸直徑17.755mm螺母螺紋外徑23.212mm螺母內徑（外循環）20.7mm（2） 傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為：式中：=10，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。（3） 穩定性驗算絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩定性驗算。（4） 剛度驗算滾珠絲

16、杠受工作負載引起的導程變化量為：(cm)Y向所受牽引力大,故用Y向參數計算絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差為E級精度絲杠允許的螺距誤差 =15m/m。4.5 齒輪計算、設計因步進電機步距角滾珠絲杠螺距t=5mm,要實現脈沖當量,在傳動系統中應加一對齒輪降速傳動.齒輪傳動比： ，初選步進電機步距角：= 1.5/step。取小齒輪齒數 則大齒輪齒數因傳遞的扭距較小,取模數m=1mm則:分度圓直徑: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 齒寬: 取 中心距: 分度圓壓力角: 大小齒輪均采用漸開線標準圓柱齒輪小齒輪采用兩片薄齒輪錯齒排列以消除間隙.雙片齒輪錯齒消隙結構圖如下:1、2-薄

17、齒輪, 3彈簧, 4、8凸耳, 5調節螺釘, 6、7螺母雙片齒輪錯齒消隙結構圖4.6 步進電機慣性負載的計算根據等效轉動慣量的計算公式，有：（1）等效轉動慣量的計算折算到步進電機軸上的等效負載轉動慣量為：式中：為折算到電機軸上的慣性負載；為步進電機軸的轉動慣量；為齒輪的轉動慣量；為齒輪的轉動慣量；為滾珠絲杠的轉動慣量；為移動部件的質量。對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算：式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。所以有：電機軸的轉動慣量很小，可以忽略，所以有：4.7 步進電機的選用(）步進電機啟動力矩的計算設步進電機的等效負載力矩為，負載力為，根據能量守恒原理，電機所做的功與負載力所做的功有如

18、下的關系：式中為電機轉角，為移動部件的相應位移，為機械傳動的效率。若取，則，且。所以：式中：為移動部件負載（N），G為移動部件質量（N），為與重力方向一致的作用在移動部件上的負載力（N），為導軌摩擦系數，為步進電機的步距角（rad）,T為電機軸負載力矩（N.cm）。取=0.3（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數），.8，=279.23。考慮到重力影響，向電機負載較大，因此1200，所以有：考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉矩：取系數為.，則： 對于工作方式為三相拍的步進電機： (） 步進電機的最高工作頻率為使電機不產生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率,同時電機最大靜轉矩要足夠大,查表選擇兩個90

19、BF001型三相反應式步進電機.電機有關參數如下:型號主要技術參數相數步距角電壓(V)相電流(A)最大靜轉矩(n.m)空載啟動頻率空載運行頻率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg轉子轉動慣量Kg.m外直徑長度軸直徑9014594.51764第五章 數控系統硬件電路設計X-Y數控工作臺控制系統硬件主要包括CPU、傳動驅動、傳感器、人機交互界面。硬件系統設計時，應注意幾點：電機運轉平穩、響應性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。5.1 CPU板a. CPU的選擇隨著微電子技術水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發展。單片機

20、的型號很多，而目前市場上應用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應用最廣的8位單片機89C51，價格低廉，而性能優良，功能強大。從要設計的系統來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數據存儲器，無疑提高了設計價格，而選用硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產品，9表示內含Flash存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。AT89S51的性能參數為：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、接收發送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷）、RAM為128B、14位的計數器WDT、I/O口共有32個。b. CP

21、U接口設計CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示：（行程開關）前向通道傳動驅動（電磁鐵）（步進電機）人機界面傳感器AT89S51（鍵盤、LED）后向通道 圖5-1 CPU外部接口示意圖P1.0-P1.2驅動1X步進電機驅動2Y步進電機P1.3-P1.5P1.6驅動3P3.2外部中斷1P3.3外部中斷2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51鍵盤電磁鐵8155 圖5-2 AT89S51控制系統圖5.2 驅動系統傳動驅動部分包括步進電機的驅動和電磁鐵的驅動，步進電機須滿足快速急停、定位和退刀時能快速運行、工

22、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。a. 步進電機驅動電路和工作原理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。圖5-4 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。電路中與繞組并聯的二極管D起到續流作用，即在功放管截止是，使

23、儲存在繞組中的能量通過二極管形成續流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發熱厲害被燒壞。由于步進電機采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。步進時鐘A相波形B相波形C相波形圖5-5 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉）5.3 電磁鐵驅動電路 圖3-6 電磁鐵驅動電路該驅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林頓管，因為驅動電磁鐵的電流比較大。5.4 電源設計兩電機同時工作再加上控制

24、系統用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統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，就采用了標準的27V電源作為基準，通過芯片進行電壓轉換得到所需的12V和5V電壓。第六章 控制系統軟件設計6.1 總體方案對于AT89S51的程序設計，由于所需實現的功能較簡單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil 7.02b。該編譯器是51系列單片機程序設計的常用工具，既可用匯編，也支持C語言編譯。同時具有完善的調試功能。上電復位P1.6=0，吸合電磁鐵，繪筆抬起外部中斷，8155初始化開外部中斷，開總中斷等待中斷6.2 主流程圖CTL EQU 3FF8HPA EQU 3

25、FF9HPB EQU 3FFAHPC EQU 3FFBHCMD EQU 02HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INT0IS ；外部中斷0入口ORG 000BHAJMP TM0IS ；定時器0中斷入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中斷1入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定時器1中斷入口ORG 0100HMAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中斷負跳沿觸發 SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX DPTR，CMD；A口輸入，B口輸出，C口輸入 SETB EX0 ；允許外中斷0 SETB E

26、X1 ；允許外中斷1 SETB PX0 SETB PX1 ；設置優先級 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，是中斷0則進入中斷0的中斷服務INT0IS，是中斷1則進入中斷1的中斷服務INT1IS。中斷服務0是由4個行程開關觸發的，它觸發后通過單片機讀取PA口內容，然后將結果反饋到PB口的LED上。中斷服務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負方向運行，手動Y正方向運行，手動Y負方向運行，復位和繪制圓弧。6.3 X軸電機點動正轉程序流程圖X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA M

27、OV DPTR，A MOVX A，DPTR JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1這是X軸電機點動正轉的程序，其他的X軸電機點動反轉、Y軸電機點動正轉、Y軸電機點動反轉依次類推。逐點比較法 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： 1判別偏差：Fm0或FMO ，從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算方向進給。2偏差計算：進給一步后計算新的加工偏差。3終點判別：進給一步后，終點計數器，若為

28、零，表示到達終點停止插補，不為零則返回第一步繼續插補。終點計數判別可用方向坐標值判斷，也可由一個方向的坐標值判斷。當XeYE程序設計插補程序所用的內存單元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM電機正反轉控制字電機正反轉控制字為：D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0為X向電機控制。DO運行，D0=O停止，D0=1正轉。D1=0反轉D3D2為Y向電機控制位。D2=1運行，D2=0停止，D3=1正轉，D3=0反轉。第一象限制直線插補程序如下：ORG 2000H MAIN： MOV SP ， #60H； LP4 ： MOV 28H， #08CH；XE MOV 29H, #0C8

29、H; YE MOV 2AH, #00H; X MOV 2BH, #00H; Y MOV 2CH, #00H; FM MOV 70H, 0AHLP3: MOV A, 2CH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A;置電機正反轉控制字為0B，+X方向進給 LCALL MOTR；調步進電機的控制子程序，+X方向進給一步 LCALL DELAY MOV A， 2CH SUBB A， 29H；F-YE INC 2AH; X+1 AJMP LP2LP1 MOV A , 70H SETB ACC.2 置電機正反轉控制字為0E，+Y方向

30、進給 CLR ACC.0 調步進電機的控制子程序，+Y方向進給一步 LCALL DELAY MOV A， 2CH ADD A， 28H； F+XELP2 MOV 2CH, A MOV A, 28H CJNZ A, 2AH, LP3; XE=X? RET步進電機控制程序設計光電耦合器步進電機控制程序的任務是：判斷旋轉方向，依次送出控制字，運行速度實現一定的延時，判斷是否結束。驅動電路P1.0P1.1P1.2P1.38031節拍：正轉反轉通電阻控制字18A0000 000101H27AB0000 001103H36B0000 001002H45BC0000 011006H54C0000 010004H63CD0000 1100