光机电系统综合课程设计_一维数控工作台设计说明书.docx

光机电系统综合课程设计一位数控工作台设计说明书姓 名： 吴祥龙学 号： 专业班级： 仪器学院光信息07-1班指导老师： 陶晓杰 张腾达 二一年十一月 一、总体方案设计1.1 设计任务设计一个一维数控工作台，定位精度小于等于±0.01mm。设计参数如下：工作台尺寸C×B×H100mm×100mm×20mm；承受载荷：Pz = 8Kg，Px = 2Kg，Py = 15Kg；最大移动长度L = 300mm；工作台最大快移速度为2.5m/min。并且丝杠与电机之间的连接部分采用齿轮传动。1.2 总体方案确定（1）机械设计通过给定的参数，计算确定系统脉冲当量，计算运动部件惯性，确定伺服电机，滚动丝杠螺母计算和选型，齿轮的计算与选型，在此基础上，绘制机械系统装配图。（2）电学设计本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由MCU部分、存储器扩展部分、键盘与LED显示部分、I/O接口、光电耦合电路控制、步进电机、测速部分。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。（3）光学设计系统的测速部分是由光学设计部分完成，光学设计部分要求利用光栅设计一个光电传感器，利用此传感器可以测量步进电机转动的角度、线度等信息，为数控系统的闭环或半闭环控制提供参数。主要设计参数是：步进电机每转动一步（一个步距角）至少输出5个脉冲当量。 图1-1 系统总体框图二、机械系统设计2.1、工作台外形尺寸及重量估算工作台尺寸：长宽高 100×100×20重量：按重量=体积×材料比重估算100×100×20×7.8×10-216N2.2、滚动导轨的参数确定（1）、导轨型式：这里选择闭式滚珠导轨，闭式滚珠导轨承载能力较小，但方向精度高，摩擦力小，耐磨性较好，对温度变化不敏感，符合本设计要求。（2）、导轨长度工作台大小为100×100mm2，同时设计要求最大移动距离为300mm，工作时的余量留20mm，因此初选导轨长度为420mm，选择导轨的型号：GTA16 （3）、滚动副的选择 滚动副承受的负载为工作台重量以及工作台负载重量 G=16N Pz=8×10=80N因此Pmax=16+80=96N查表，初选KL型导轨副JSA-LG25，额定动载荷17.7KN；额定寿命计算得：L=(fH×fT×fCfW×CF)×K：滚珠时=3；K:滚珠时K=50Km；F为计算载荷，取96N.同时查阅手册，得到fH=1.0，fT=0.81，fW=1.5。因此：L=(1.0×0.81×11.5×17.7×10396)3×50=Km ；已经充分满足要求（4）、直线滚动轴承的选型由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。（5）、滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。 2.3、滚珠丝杠的设计计算（1）、最大工作载荷Fm的计算滚珠丝杠的工作载荷Fm是指滚珠丝杠副在2驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。对于矩形滚动导轨：Fm=KFl+f'Fv+Fc+G其中K和f'分别为考虑到颠覆例句影响的实验系数和导轨的摩擦系数，对于矩形导轨，K=1.1，f'=0.00250.005。对于计算，我们去较大值，因此f'取0.005。则Fm=KPx+f'Pz+Py+G =1.1×20+0.005×（80+150+16） 24N（2）、最大动负载Q的计算Q=3LffHFm查表得系数f=1.5，fH=1；查表，额定寿命t一般取15000h，初选丝杠螺距Pr=4mm(Pr也为丝杠基本导程Lo)得丝杠转速n=1000VmaxPr=1000×2.54=625rmm所以工作寿命L=60nt106=60×625×=562.5 最大动载荷Qmax=3562.5×1.5×1×24N =8.25×1.5×1×24 369N（3）、滚珠丝杠螺母副几何参数计算表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数名 称符 号计算公式和结果螺纹滚道公称直径10螺距接触角钢球直径螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杆螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）见表2-1。(4)、传动效率计算=tantan+=tan3°39'tan3°39'+0°10'=0.965式中：摩擦角,取滚动摩擦系数f=0.003，=0°10'；丝杠螺纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的总误差为=±pPrEF式中：P工作负载P=24N； E弹性模数，对钢而言，E=20.6×106Ncm2； Pr滚珠丝杠的螺距Pr=4mm； F滚珠丝杠的截面积 F=R2=3.141.67922=2.213cm2；计算得=±0.211×10-6cm丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。所以导程总误差=×100Lo=0.528umm查表知E级精度的丝杠允许误差，故刚度足够。、稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，所以非常稳定，故不需要稳定性验算。2.4、步进电机的选用进电丝杠与电机之间采用齿轮连接驱动，在本设计中取传动比i=1，这样可等效认为步进电直接与丝杠连接，有利于简化结构，提高系统精度。（1）、步进电机的步距角bi=bLo360p=1而Lo=4mm，根据系统精度要求，p取0.01mm脉冲，因此b=0.9°脉冲。取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。（2）、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系T=PS式中： 电机转角；S 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取 ，则S=p，且P=Ps+G+Pz，所以T=36pPs+G+Pz2b Ncm式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； 导轨摩擦系数；步进电机步距角（rad）；T电机轴负载力矩（Ncm）。本设计中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），为丝杠牵引力，Ps=Fm=24N。所以T= 24+0.03×96×0.01100.9×0.956=0.03Ncm若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3，则 Tq=T0.3=0.1Ncm对于工作方式二相八拍的二相混合式步进电机Tjmax=Tq0.707=0.14Ncm（3）、步进电机的最高工作频率fmax=1000Vmax60p=1000×2.560×0.01=4167Hz查表选用两个90BYG250C型步进电机。电机的有关参数见表2-2。表2-2 步进电机参数型 号主要技术数据外形尺寸重量步距角最大静转矩Nm最高空载启动频率()相数电感mH电流A外径长度轴径90BYG250C0.9/1.86.3250021249015594.82.5、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数，齿轮有关尺寸见表2-3。2.6、步进电机惯性负载的计算表2-3 齿轮尺寸 1728171914.55 283025.5517.5根据等效转动惯量的计算公式，得式中： 折算到电机轴上的惯性负载（Kgcm2）； 步进电机转轴的转动惯量（Kgcm2）； 齿轮 的转动惯量（Kgcm2）； 齿轮 的转动惯量（Kgcm2）； 滚珠丝杠的转动惯量（Kgcm2）；M 移动部件质量（Kg）。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算J=0.78×10-3D4LKgcm2式中：D圆柱零件直径（cm）；L零件长度（cm）。所以J1=0.5Kgcm2电机轴转动惯量J0=3.6Kgcm2算得：Jd=3.6+0.5+0.0796=4.1796Kgcm2。三、控制系统硬件设计一维数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、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。控制系统的设计只考虑本板的需求，对于电机等电压要求高，耗电量较大的设备，电源不由控制板提供，否则干扰较大，在长时间使用后可能会破坏程序的运行，以致程序跑飞等现象的出现，应避免。3.1 MCU板3.1.1 MCU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展，8051内核的架构发展到如今已经超过30年，但是8051单片机在以一些场合的使用仍然受欢迎。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。同时本土单片机厂商STC在8位单片机市场也开始崭露头角，STC单片机以其低廉的价格，增强型的功能，方便的ISP下载方式，对于研发的资料支持等优势赢得大量市场，无论是教学领域抑或是商业领域都得到了广泛应用。本设计要求采用较老的8051单片机，需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格。实际上采用STC单片机，其内部有丰富的存储的资源，包括更多的flash和更多的RAM 资源，而且从设计的角度来看，简化了电路，系统的可靠性也大大提升了。因此本设计MCU选用，AT表示ATMEL公司的产品，89表示ATMEL公司8位单片机的89系列。3.1.2 MCU接口设计CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：前向通道传动驱动（步进电机）人机界面光电传感器AT89C51LED 键盘后向通道 图3-1 CPU外部接口示意图AT89C51要完成的任务：（1）获取光电传感器反馈，提供闭环控制或者半闭环控制。（2）通过程序实时控制电机运行。（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将系统运行状态反应到LED上，实现人机交互作用。由于AT89C51硬件资源有限，因此采用ZLG7289管理芯片接口键盘和数码管的管理，该芯片采用四线SPI接口，简化了电路，节省了I/O资源：（1）使用P0和P1口扩展了32KB的RAM和32KB的ROM。（2）P1.0-P1.3口作为与ZLG7289管理芯片的接口，采用模拟SPI与ZLG7289通讯。（3）P1.4和P1.5口作为步进电机的控制口，采用光耦电路防止干扰；两个口产生脉冲信号以驱动步进电机的转动。（4）P1.6-P1.7以及P3.0-P3.1口作为四路开关量输出口，同样采用光耦电路防干扰。（5）P3.5口作为光电传感器的信号输入口，以采集丝杠转动的角度信息。 3.2 驱动系统传动驱动主要是步进电机的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。3.2.1 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。步进电机驱动电路中采用了光电耦合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护MCU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在MCU上使其烧坏。图3-3 步进电机驱动电路图3.2.2 电源设计电源的设计只涉及控制部分的，步进电机与开关量的电源不由控制板提供。本设计的电源采用9V-DC输入，用LM7805芯片稳压输出5V电压，提供给单片机使用，并且有LED灯作为电源的指示。图3-4 电源转换电路图电路中在转换芯片的前后有两个电容，前面电容起防止自激作用，后面电容起滤波作用。此外，在具体应用的过程中，LM7805必须加上散热片。3.3 人机界面 一般的人机交互界面的都采用键盘和数码管，键盘用于输入指令参数等信息，数码管可以反映系统运行过程中的各个参数状态等信号。目前流行的人机界面一般采用液晶显示器和键盘组合，液晶较数码管能够输出更多的信息，因此是人们对于系统状态信息的了解更深刻，在测量控制过程，更多的信息意味着更高的测量控制精度和频率。3.4 本章小节本章着重介绍了数控工作台控制系统的硬件设计。MCU板介绍了MCU的选择及其外围的接口设计和控制流程；驱动系统介绍了步进电机和电磁铁的驱动电路设计；此外还叙述了人机界面的意义。四、控制系统软件设计4.1 总体方案对于AT89C51的程序设计，由于设计要求中未提出具体需要实现的功能，是想让设计者自主设计，发散思维。本设计采用KEIL编译器，该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持C语言编译。同时具有完善的调试功能。下面我们采用流程图的形式描述程序实现的基本功能和思路。4.2 主流程图 4.3 ZLG7289底层代码 对于键盘和数码管，本设计采用ZLG7289键盘显示管理芯片，而该款管理芯片采用SPI接口进行通讯。下面附上SPI接口底层读写代码：（1） 向SPI总线写一个字节的数据：void ZLG7289_SPI_Write(char dat) /dat为要写的数据 unsigned char t = 8; /一个字节8个bit do ZLG7289_pinDIO = (bit)(dat & 0x80); /取dat的最高位dat <<= 1;/dat左移一位ZLG7289_pinCLK = 1;/时钟引脚电平拉高ZLG7289_ShortDelay();/短延时ZLG7289_pinCLK = 0;/恢复时钟引脚电平ZLG7289_ShortDelay();/短延时 while ( -t != 0 );/循环8次（2） 从SPI总线读取一个字节的数据：unsigned char ZLG7289_SPI_Read(void) char dat; unsigned char t = 8; ZLG7289_pinDIO = 1; /读取数据之前DIO 引脚要置1 以切换到输入状态 do ZLG7289_pinCLK = 1; ZLG7289_ShortDelay(); dat <<= 1; if ( ZLG7289_pinDIO ) dat+; ZLG7289_pinCLK = 0; ZLG7289_ShortDelay(); while ( -t != 0 ); return dat;五、光学系统设计5.1 总体方案光学系统设计的目的是采用光栅副测量丝杠转角，该部分设计涉及到光源设计、准直镜设计、光栅副设计、光电探测器设计。光源设计包括一般选取点光源，需要去定光源类型、型号，准直镜的作用就是叫光源的光变成平行光。光栅副设计包括主光栅的栅距、缝长、缝宽设计，指示光栅结构、参数确定，零位光栅的选取，光栅间距的确定。光电探测器类型，一般就采用光电三极管加比较电路处理，输出为矩形脉冲型号，可以很好的与数字电路驳接。5.2 参数计算设计要求：检测丝杠转角，步进电机走一步，编码器输出不小于5个脉冲信号，确定主要参数。（1）、光源的类型型号确定 光源我们采用LED，LED的特点非常明显：寿命长、光效高、无辐射、低功耗。LED的光谱几乎全部集中在可见光频段。这是采用普通光源不具有的优势。采用普通灯泡光源，为了使后续光电探测器的输出信号足够大，足够分辨，灯泡是需要有一定的功率。然而这样就带来两个问题：一是温升问题，二是灯泡寿命问题。对于高精度测量来说，光栅的温升会引起测量误差；灯泡的寿命太短要经常更换，也太麻烦。采用LED类型光源就可以避免这种问题的出现。 查找资料，选取一款来自深圳的LED光源，型号：SST-R-3528-85105-C-12。名称：12V DC Non-waterproof rigid 3528 LED light bar (105LEDs/85cm)。下面为该款电源的参数：Description:12VDC non-waterproof 3528 Rigid Light Bar（105LEDs/85cm)Item No.:SST-R-3528-85105-C-12Input Voltage:12VDCLED Type:3528 SMDBeam Angle120°LED Qty:105LEDs/pcWattage8.4wLED Spacing: 8mmMin. cutting unit3LEDsMin. cutting length25mmPCBAluminumDimension:L850xW8mmIP ratingNASeal methodNAInstallationfixing clipsPackage1pc/tube，50pcs/box（2）、准直镜参数准直镜的主要作用就是将光源的光束变成平行光，因此准直镜采用一般透镜即可，考虑到安装长度，采用小焦距的透镜比较合适。采用焦距f=10cm，直径为25mm的透镜可以很好的将光源的光线变成平行光。25mm的选择是考虑到丝杠直径为20mm。（3）、光栅副设计 光栅副包括主光栅以及指示光栅，零位光栅在实现原理很复杂：零位光栅测量系统是在增量式光栅测量系统的基础上发展起来的一种新型测量系统。增量式测量方法是采用“置0”来选择工作原点的，它可以依据操作要求选在任一位置。零位光栅与普通光栅不同，它是一线红复杂的栅线序列，是一种非等间隔和非等宽度的明暗相间的光栅。所以设计中就没有设计零位光栅功能。 主光栅安装在齿轮一端，因此选择圆光栅。同时设计要求步进电机每走一步编码器至少输出5个脉冲，步进电机的步距角为b=0.9°脉冲。从工程角度考虑，步进电机走一步，编码器输出6个脉冲。那么主光栅的栅距角为0.15°，光栅直径取20mm，栅距0.026mm，缝长为2mm，缝宽默认为栅距的一半。采用2500线/周的圆形光栅即可。而只是光栅采用直光栅即可，一般情况下指示光栅的参数与主光栅相同，即：栅距0.026mm，缝长为2mm，缝宽为1mm。（4）、光电探测器的选择 光电探测器包括光电传感器和调理电路，光电传感器我们采用光电三极管，后续调理电路采用比较电路即可判别光栅移动以及产生矩形脉冲，脉冲可以直接连接单片机进行计数，从而换算出转动角度。 六、附录参 考 文 献1 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.清华大学出版社,20032 李广弟,朱月秀，王秀山.单片机基础.北京航空航天大学出版社,20013 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,20024 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,20025 李建勇.机电一体化技术.科学出版社.20046 王爱玲，白恩远，赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,20017 徐灏.机械设计手册（3）.机械工业出版社,20038 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,20049 徐灏等.机械设计手册M.北京:机械工业出版社,200010 濮良贵 ,记名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,200311 吴振彪.机电综合设计指导M.湛江:湛江海洋大学,199912.杨入清.现代机械设计系统与结构M.上海:上海科学技术文献出版社,200013.张立勋,孟庆鑫,张今瑜.机电一体化系统设计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,200014.祝绍箕,黄宣劭,曹向群.光栅数字显示技术及其应用.北京:机械工业出版社,199215.李殿奎.光栅计量技术.北京:中国计量出版社,198716.王庆有.光电传感器应用技术.北京:机械工业出版社,200717.何勇,王生泽.光电传感器及其应用.北京:化学工业出版社,200418.何希才.传感器技术及其应用.北京.北京航空航天大学出版社,2000