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光机电系统综合课程设计


光机电系统综合课程设计

一位数控工作台设计说明书

姓 学

名: 号:

吴祥龙 20070206 仪 器 学 院 光 信 息 07-1 班 陶晓杰 张腾达

专业班级: 指导老师:

二〇一〇年十一月

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×H=100mm×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。
动力源 数码管 软件 电气部分 硬件 AT89C51 ZLG7289 键盘

执行元件

步进电机

驱动电路

齿轮副 传动部件 机械部分 导向支承部件 轴承 光学传感检测部分 滚珠丝杠副 滚动导轨副 一维工作台

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?2 ≈ 16N

2.2、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 = ( H
f ×f T ×f C fW

× F )ε × K

C

ε:滚珠时ε = 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 = (
1.0×0.81×1 1.5

×

17.7×10 3 3 ) 96

× 50 = 49346617Km ;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Ⅰ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Ⅱ或Ⅲ时,两端滚动体受力不相等,变形不一致,使工作台倾斜 α 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 ′ = 0.0025~0.005。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=
3

Lfω fH Fm

查表得系数fω = 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= 所以工作寿命L =
60nt 10 6
3

1000Vmax 1000 × 2.5 = = 625 r mm Pr 4
60×625×15000 10 6

=

= 562.5

最大动载荷Q max = 562.5 × 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 10

公称直径 螺距 接触角 钢球直径

d0

t ?
dq

4

45?
2

螺纹滚道

螺纹滚道法面半径 偏心距 螺纹升角

R

e
?

R ? 0.52dq ? 1.04 e ? ? R ? d q / 2 ? sin ? ? 0.03

? ? arc tg

t ? 7.26? ? d0

螺杆外径 螺杆 螺杆内径 螺杆接触直径 螺母螺纹外径 螺母 螺母内径(外循环) 见表 2-1。 (4)、传动效率计算

d

dl dz
D

d ? d0 ? ? 0.2 ~ 0.25? dq ? 9.5 dl ? d0 ? 2e ? 2R ? 7.98
dz ? d0 ? dq cos ? ? 8.59

D1

D1 ? d0 ? ? 0.2 ~ 0.255? dq ? 10.5

D ? d0 ? 2e ? 2R ? 12.02

η=

tan γ tan 3°39′ = = 0.965 tan γ + φ tan 3°39′ + 0°10′

式中: ? ——摩擦角,取滚动摩擦系数f = 0.003,φ = 0°10′ ;

? ——丝杠螺纹升角。
⑷、刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的总误差Δ为 Δ = ± pP r EF 式中:P— — 工作负载 P = 24N; E— — 弹性模数,对钢而言,E = 20.6 × 106 N cm2 ; Pr — — 滚珠丝杠的螺距Pr = 4mm; F— — 滚珠丝杠的截面积 F = πR2 = 3.14 1.679 2 2 = 2.213cm2 ; 计算得Δ = ±0.211 × 10?6 cm 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Δ =
Δ ×100 Lo

= 0.528 um m

查表知 E 级精度的丝杠允许误差 15? m ,故刚度足够。 ⑸、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θb

i=

θb Lo =1 360δp

而Lo = 4mm,根据系统精度要求,δp 取0.01 mm 脉冲, 因此θb = 0. 9° 脉冲。 取系统脉冲当量 ? p ? 0.01mm / step ,初选步进电机步距角 ?b ? 1.5? 。 (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 Tφη = 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

? ? ?b ,则S = δp ,且P = Ps + μ G + Pz ,所以
2πθb η N ? cm

T = 36δp Ps + μ G + Pz

式中: P ;G——移动部件重量(N) ; Pz ——与重量方向一致的作 S ——移动部件负载(N) 用在移动部件上的负载力(N) ; ? ——导轨摩擦系数; ?b ——步进电机步距角(rad) ;T— —电机轴负载力矩( N ? cm ) 。 本设计中,取 ? ? 0.03 (淬火钢滚珠导轨的摩擦系数) , ? ? 0.96 , P S 为丝杠牵引力, Ps = Fm = 24N。所以 T= 24 + 0.03 × 96 × 0.9? × 0.956 0.01 10 = 0.03 N ? cm

若不考虑启动时运动部件惯性的影响,则启动力矩

Tq ?
取安全系数为 0.3,则

T 0.3 ~ 0.5
Tq = 0.3 = 0.1 N ? cm
T T

q 对于工作方式二相八拍的二相混合式步进电机Tjmax = 0.707 = 0.14 N ? cm

(3) 、步进电机的最高工作频率 fmax = 1000Vmax 1000 × 2.5 = = 4167Hz 60δp 60 × 0.01

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

主要技术数据 型 号 步距角 最大静 转矩 N?m 最高空 载启动 频率 ( step / s ) 90BYG250C 0.9 /1.8 6.3 2500 2 12 4 90 相 数 电感 mH 电流 A 外 径

外形尺寸 ( mm) 长度 轴径

重量

(N )

155

9

4.8

2.5、确定齿轮模数及有关尺寸
因传递的扭距较小,取模数 m ? 1mm ,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 17 17 19 14.5 5 17.5 28 28 30 25.5 5

Z

d ? mZ ? mm? da ? d ? 2m ? mm? d f ? d ? 2 ?1.25m ? mm? b ? ?3 ? 6? m ? mm?
a? d1 ? d 2 ? mm ? 2

根据等效转动惯量的计算公式,得

? ? ?p ? Z1 ? J d ? J 0 ? J1 ? ? ? ? J 2 ? J 3 ? ? M ? ? Z2 ? ? ? ?b ? 180
2

? ? ? ? ?

2

式中: J d ——折算到电机轴上的惯性负载(Kg ? cm2 ) ; ; J 0 ——步进电机转轴的转动惯量(Kg ? cm2 ) ; J1 ——齿轮 的转动惯量(Kg ? cm2 ) ; J 2 ——齿轮 的转动惯量(Kg ? cm2 )

; J3 ——滚珠丝杠的转动惯量(Kg ? cm2 ) 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?3 D4 L Kg ? cm2 式中:D——圆柱零件直径(cm) ;L——零件长度(cm) 。 所以 J1 = 0.5 Kg ? cm2 电机轴转动惯量J0 = 3.6 Kg ? cm2 算得:Jd = 3.6 + 0.5 + 0.0796 = 4.1796 Kg ? cm2 。

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 3.1.1

MCU 板 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:

光电传感器
前向通道

AT89C51

(步进电机) 后向通道

传动驱动

LED

键盘

人机界面
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
开始

上电复位

初始化系统

键盘扫描

N
是否真的按下

Y
判断键值

处理任务

结束

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: Item No.: Input Voltage: LED Type: Beam Angle LED Qty: Wattage LED Spacing: Min. cutting unit Min. cutting length PCB Dimension: IP rating Seal method Installation Package (2) 、准直镜参数

12VDC non-waterproof 3528 Rigid Light Bar(105LEDs/85cm) SST-R-3528-85105-C-12 12VDC 3528 SMD 120° 105LEDs/pc 8.4w 8mm 3LEDs 25mm Aluminum L850xW8mm NA NA fixing clips 1pc/tube,50pcs/box

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θb = 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,2003 [2] 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,2001 [3] 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,2002 [4] 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,2002 [5] 李建勇.机电一体化技术.科学出版社.2004 [6] 王爱玲,白恩远,赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,2001 [7] 徐灏.机械设计手册(3).机械工业出版社,2003 [8] 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,2004 [9] 徐灏等.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2000 [10] 濮良贵 ,记名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2003 [11] 吴振彪.机电综合设计指导[M].湛江:湛江海洋大学,1999 [12].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,2000 [13].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,2000 [14].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,1992 [15].李殿奎.光栅计量技术.北京:中国计量出版社,1987 [16].王庆有.光电传感器应用技术.北京:机械工业出版社,2007 [17].何勇,王生泽.光电传感器及其应用.北京:化学工业出版社,2004 [18].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



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