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名:吴祥龙学号:20070206专业班级：仪器学院光信息071班指导老师：陶晓杰张腾达二OO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，定位精度小于等于土0.01mm。设计参数如卞：工作台尺寸C XB XH= 1 OOnimX 1 OOirunX 20imn；承受载荷：Pz = 8Kg, Px =2Kg, Py = 15Kg；最人移动长度L= 300mm；工作台最人快移速度为25m/min。并且丝杠 与电机之间的连接部分采用齿轮传动。12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 9MCS-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II、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. K工作台外形尺寸及重量估算工作台尺寸：长X 宽X 高100X100X20重量：按重量=体积X材料比重估算100 X 100 x20 X 7.8 x IO-2 a 16N2. 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) 、导轨长度工作台人小为100X 100mm,同时设计要求最人移动距离为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屋G = 16NR=8xlO = 8ON因此珞ax = 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=(!xxKe：滚珠时e=3： K:滚珠时K=50Km； F为计算载荷，取96N.同时查阅手册，得到站=1.0, fT = 0.81,心=1.5。因此：l=丄xi %竺竺)3 % 50 = 49346617Km ；已经充分满足要求1.596(4) 、直线滚动轴承的选型由于本系统负载相对较小，查表后得岀LM10UU0P型直线滚动轴承的额定动载荷为3了ON, 人于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UU0P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，受力人的滚动体变 形人，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a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) 、最人工作载荷賂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：Fra = KF1 + 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 = 0.00250.005o对于计算，我们去较大值，因此f取0.005。则 Fra = K + f，(+I + G)=1.1 X 20 +0.005 X (80+ 150 + 16)a 24N(2) 、最大动负载Q的计算Q= NfwfHFra查表得系数fg = 1.5,站=1；查表，额定寿命t 一般取15000h,初选丝杠螺距R = 4mm (1 也为丝杠基本导程Lo)得丝杠转速1000也1000 X 2.5=625(r/mm)所以工作寿命L =豐=60X625；丄5000 = 562.5106 106最人动载荷=V5625 X 1.5 x 1 x 24N=8.25 x 1.5 x 1 x 24a 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公称直径叫10螺距t4接触角P45钢球直径42螺纹滚道螺纹滚道法面半径RR=0.52da =1.04偏心距ee =（R-dq/2）sin0 = O.O3螺纹升角7t/= arctg= 7.26螺杆螺杆外径dd =（0.2 0.25）4 =9.5螺杆内径4d = do+2e 2R=7.98螺杆接触直径dz = d- 4 cosp = 8.59螺母螺母螺纹外径DD = dg-2e + 2R= 12.02螺母内径(外循环)耳=珀+（0.2 0.255）4 =10.5见表2-lo(4) 、传动效率计算tan ytan339tan(y + (p)tan(33 9 + 010)式中：(p摩擦角，取滚动摩擦系数f= 0.003,(p= 010：7一一丝杠螺纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的总误差为A = ppr/EF式中：P工作负载P=24N：E弹性模数，对钢而言，E = 20.6x 106(N/cm2)；R滚珠丝杠的螺距R = 4mm：F 滚珠丝杠的截面积 F= nR2 = 3.14(1.679/2)2 = 2.213an2； 计算得 = 0.211 X 10 一 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A =竺竺=0528(um/m)查表知E级精度的丝杠允许误差15/zm,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=i,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i = - :- = 13608p而Lq = 4mm,根据系统精度要求，8p取0.01mm/脉冲，因此 =0.9/脉冲。取系统脉冲当量= O.Oliiin/ step ,初选步进电机步距角Q =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T(pi = PS式中：(p 一一电机转角：S 一一移动部件的相应位移；“ 一一机械传动效率。若取0二代，贝lJS = 8p,且P= + u(G + ),所以T = 368p + u(G + $)/(2兀6) (N - an)式中：匕一一移动部件负载(N)： G一移动部件重量(N)： Pz一一与重量方向一致的作 用在移动部件上的负载力(N)； “ 一一导轨摩擦系数：Q一步进电机步距角(rad)； T- 一电机轴负载力矩(N-an)o本设计中，取“ = 0.03 (淬火钢滚珠导轨的摩擦系数)，77=0-96, P$为丝杠牵引力，=Fra =24No 所以(24 + 0.03 x 96) x 罂T = -_- = 0.03(N cm)0.9 x 0.956若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩F TT =Q 0.3 0.5取安全系数为0.3,则 Tq = = O.l(N-an)对于工作方式二相八拍的二相混合式步进电机理映=為=0.14(Ncm)(3) 、步进电机的最高工作频率1000Vniax 1000 x 2.5爲x =半竺=4167 Hz吨60 8p60 x 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 步进电机参数型号主要技术数据外形尺寸（nun）重量（N）步距角N-m孵 (step/s )相电感 (mH)电流A外 径长度轴径90BYG250C0. 9 /I. 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111 = 1111111,齿轮有关尺寸见表2-3。2.6、的计算表2-3 齿轮尺寸Z1728d = niZ (nun)1728da = d + 2m(mm)1930df = d-2xl.25m(nnn)14. 525. 5b = (3-6)in(nnn)55a = 4 ；(讪1)175根据等效转动惯量的计算公式，得J厂 + 几+ 扌（Jd + Jj+M匕丿9丿式中：咯一一折算到电机轴上的惯性负载（Kg an?）；Jo 一一步进电机转轴的转动惯量（Kg a/）；Ji 一一齿轮 的转动惯量（Kgan2）；J2 一一齿轮的转动惯量（Kg an2）；J3 一一滚珠丝杠的转动惯量(Kgan2)；M 一一移动部件质量(Kg)。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算J = 0.78x 10-3D4L(Kg cm?)式中：D圆柱零件直径(cm)； L零件长度(cm)。所以Jx = 0.S (Kg-cm2)电机轴转动惯量Jo = 3.6 (Kg cm?)算得：Jd = 3.6 + 0.5 + 0.0796 = 4.1796(Kg - an2)o三、控制系统硬件设计一维数控工作台控制系统硕件主要包扌舌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 现彖的出现，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，功能强人。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贏得人量市场，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，包扌舌更多的flash和更多的 RAM资源，而且从设计的角度来看，简化了电路，系统的可靠性也人大提升了。因此本设计MCU选用，AT表示ATMEL公司的产品，89表示ATN1EL公司8位单片机 的89系列。3.1.2 MCU接口设计CPU接II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:图3-1 CPU外部接I I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I I键盘和数码管的管理，该 芯片采用四线SPI接1,简化了电路，节省了 I/O资源：（1）使用P0和Pl丨I扩展了 32KB的RAM和32KB的ROM。（2）P1.O-P1.3 I I作为与ZLG7289管理芯片的接口,采用模拟SPI与ZLG7289通讯。（3）P1 4和Pl.5 II作为步进电机的控制II,采用光耦电路防止干扰；两个II产生脉冲信 号以驱动步进电机的转动。（4）P1.6-P1.7以及P3.O-P3.1丨I作为四路开关量输出丨I,同样采用光耦电路防干扰。（5）P3.5 I I作为光电传感器的信号输入I】，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.Olninio 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。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。GND INPOWER ICllCIO47UF/16VGNDJNGND9V 5VU17805VinVoutC12r-iGNDVCC+C13RIOIKLED 5V47UF/16V电源部分图34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的选择及其外闱的接 II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。卞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：/dat为要写的数据void ZLG7289 SPI Write(char dat)unsigned char t = 8; do一个字节8个bitZLG7289_pinDIO 二(bit) (dat & 0x80); 取 dat 的最高位dat = 1;ZLG7289_pinCLK 二 1;ZLG7289_ShortDelay();ZLG7289_pinCLK 二 0;ZLG7289_ShortDelay();/dat左移一位时钟引脚电平拉高/短延时恢复时钟引脚电平/短延时循坏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 = &ZLG7289_pinDIO = l,/读取数据之前DIO引脚要置1以切换到输入状态doZLG7289_pinCLK=l;ZLG7289_ShoitDelayO,dat = 11if (ZLG7289inDIO ) dat+,ZLG7289_pinCLK = 0,ZLG7289_ShoitDelayO, 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人，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-12o名称：12V DC Non-wateiproof rigid 3528 LED light bar (105LEDs/85cm)。丑二Riad 3528 LED light barC RoHs卜面为该款电源的参数:Descnption12VDC non-wateiproof 3528 Rigid Light Bar (105LEDs/85cm)Item No.:SST-R-3528-85105-C-12nput Voltage12VDCLED Type:3528 SMDBeam Angle120LED Qty:105LEDs/pcWattage8.4wLED Spacing:8mmMin. cuttnig unit3LEDsMin. cuttnig length25mmPCBAluminumDunension:L850xW8mmIP ratingNASeal metliodNAInstallationfixing clipsPackagelpc/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。采用焦距彳=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 增屋式光栅测量系统的基础上发展起来的一种新型测量系统。增屋式测量方法是采用“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=0.97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町， 一般情况卞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lnun。（4）、光电探测器的选择光电探测器包扌舌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 徐澈.机械设计手册（3）.机械工业出版社,2003 张建民机电一体化系统设计.北京理工出版社,20049 徐澈等.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.现代机械设计一系统与结构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,20071打.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