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1、XY绘图工作台数控系统设计说明书 Page 24高等教育自学考试机电一体化工程专业（本科段）机电一体化系统设计课程设计课程代码：2247X-Y绘图工作台数控系统设计说明书主考院校： 湖南大学机械运载工程学院设 计 者： *指导老师： * 二一一年十月 十八日一、总体方案的确定1.1 设计任务该课程设计题目为老师指定，设计一个数控X-Y绘图工作台及其控制系统。其工作原理与过程：计算机控制工作台的X、Y向步进电机驱动丝杠螺母副带动绘图工作台实现平面的连续路经的移动；同时由计算机控制电磁铁的通断电实现笔架（Z向）的起落从而绘出图形。这是一个典型的、简单的数控系统。设计指标如下。1）绘图尺寸：1251
2、25mm，2）绘图速度：=1m/min，3）绘图精度：0.15mm，4）控制软件主要设计“手动”控制，工作台能在手动键的命令下沿X、Y轴正反向运动。5）工作台超越边界时能亮灯报警，并停止运动。6）控制部分运行可靠，有一定的抗干扰能力。7）成本低、重量轻。1.2 总体方案确定根据设计任务及指标决定采用步进电机的开环控制。（1）控制系统的考虑控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。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。单片机需要配置按键输入、输出接口等外围设备，使用不太方便，而系统机在这里采用又功能过剩，成本
3、高，所以决定采用单板机。因为配置了单板机，所以脉冲分配采用软件分配，使用非常灵活、简单。脉冲输出与步进电机的驱动电路间采用光电耦合，隔离强电对微处理控制系统的干扰。X、Y的正负方向的手动控制键就用单板机所提供的4个控制键。利用单板机所提供的PIO接口，可输出步进电机的环分脉冲，报警信号和抬压笔信号；输入工作方式选择信号和行程越界信号。（2）机械结构部分方案由于绘图仪所受到的绘图工作阻力很小，相对于工作台导轨间移动的阻力可以忽略不计。工作台的尺寸也小、重量轻、自身惯量小，绘图精度要求也不高，因此可以采用步进电机的开环控制直接驱动丝杠螺母副，丝杠螺母可以采用普通螺旋传动机构、螺母采用开口的方式消除
4、传动间隙从而消除反向误差，导轨采用燕尾槽结构，提供适当的阻尼克服步进电机的振荡和失步。由于工作负载很小，可以由步进电机直接驱动丝杠旋转而不需要中间减速装置。二、XY工作台机械结构设计2.1 确定脉冲当量、丝杠导程 步进电机直接驱动丝杠选择普通螺旋结构，可以根据制造的工艺确定丝杠规格为M162。初选 2.2 确定步进电机步进电机无累积误差，转角误差一般为，绘图精度可以满足要求。重量估算：工作台面：0.6kg，丝杠：0.5kg，X、Y中间导轨托架（铝制）：3kg，X、Y向导轨（铝制）：3kg，其它忽略。顶上一层的负荷较底层小，所以只计算底层。1） 负载惯量 做直线运动物体的惯量 丝杠惯量 负载惯量
5、2） 绘图速度的脉冲速率的换算中速为5002000pps3） 计算启动转矩（启动脉冲速率取500 pps）4） 计算加速转矩（从500 1667pps，设上升时间为0.1s）5） 工作台与导轨间的摩擦力折算到丝杠上的摩擦转矩6） 全负载转矩7） 确定电动机：根据上面计算出的数据和值，如选取2倍的余量，则可得到：启动转矩 全负载转矩 根据资料选择57BYG007步进电机，为四相，步距角为。其参数如下表，符合要求。2.3 传动导向元件的设计计算1）丝杠螺母副传动形式为杠转动，螺母带动负载移动。滑动丝杠满足条件。螺母以螺钉与其需要带动的中间导轨托架、工作台托架固定，加工时将螺母的中心高尺寸加公差控制
6、。丝杠与步进电机直联，采用钻铰内孔，并保证内孔与丝杠的同轴度，这在工艺上很容易保证。因为负载转矩很小，轴向力很小，电机轴承可以承受它；所以 丝杠与步进电机的轴通过紧定螺钉固定并采用铁丝防松，保证其轴向定位，这是可靠的。在导轨副其中的固定件一端加工连接步进电机的安装孔，保证孔的中心高尺寸与螺母的对应。如果有安装误差可以通过在螺母的安装面加薄铜片调整，这种结构安装时稍微麻烦一点，但节省了零件和长宽两向的空间，对减轻重量有利。为设计方便，两个方向采用相同的结构形式。以步进电机的安装固定来做丝杠的固定和支撑，丝杠属于自由支承形式。丝杠的螺纹长度确定，因为丝杠已确定为M162，则按设计经验取螺母有效长度
7、取丝杠直径的2倍，等于32，加两端倒角定为36。工作长度，考虑联结部位以及安装、加工工艺结构，其结构长度约30，所以丝杠总长约200。刚度校核，符合，总长。丝杠可以按照6g精度制造，螺母按7H精度制造。丝杠材料选用40Cr调质处理，其硬度在HB275左右，螺母采用硬铝LY12，其硬度在HB125左右。符合高低配，这样丝杠可以耐用，又有抗弯强度。螺母采用开口拉变形消除间隙。2）滑动导轨副前面提到，采用燕尾槽结构形式，其尺寸结合设计要求，查手册按标准确定。材料均采用硬铝LY12，间隙调整采用一边镶条调整的形式，镶条通过拉、顶螺钉调整固定。这种方式制造复杂一点，但导向性能还是很好的，安装调整方便。3
8、）压笔机构采用微型电磁铁（12V，0.5A），通过搜索找到较合适的产品如下。由于压笔的工作需要是向下，所以电磁线圈需要竖立安装。可以将它安装笔架悬梁上，头部朝上。通过一个杠杆联结件与笔套相连，电磁线圈得电时电磁吸力通过杠杆提起夹笔套向上动作，夹笔套上有一颗固定笔的螺钉，笔随套一起动作。笔套在笔架头部滑动，在笔套的底端及笔架下平面间有一压簧，可以用来在工作过程中（电磁线圈断电）压下绘图笔。具体参看装配图。三、数控系统硬件设计由于采用TP801单板机，所以硬件电路变得相对简单。主要需要设计的有光电隔离电路以及步进电机的驱动电路，工作方式选择电路，报警电路和压笔电路。3.1 系统框图3.2 光电隔离
9、电路及驱动电路的设计传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，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。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力，弹簧使笔尖压下。TP801的Z80CPU要完成的任务：（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。（2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。TP801自带的PIO的输入输出接口分配。A口分配用于两个步进电机的脉冲输出。57BYG007为
10、四相步进电机，需要占用8个数据输出。B口分配用于工作方式的选择，占3位，行程越界信号占2位（根据TP801PIO接口资源确定），越界报警1位，压笔电磁铁占用1位。X-Y两个方向步进电机的A、B、C、D线圈通电，形成AB-BC- CD-DA-AB四相双四拍正转模式和AB- DA - CD- BC -AB的反转模式。TP801自带LED显示输出，可以反映当前运行的6个状态：X越界禁止、Y越界禁止禁止、手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行。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
11、路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。TLP-521光电耦合器的压降在3V左右，电流20mA，则串接电阻 R2=（5-3）/0.02=100 。3.3 工作方式选择电路设计的工作方式有： 手动、自动、编程。工作方式选择分配T
12、P801自带的PIO输入B接口。接口电路如下。低电平有效，采用单刀三掷开关，开关选择到时则接地为零。因为接口集成电路的不取电流，所以配的电阻值很大，取300k 。3.4 报警电路（发光二极管显示）采用TP801自带的PIO输出B接口。5V电源，电路如下。3.5（抬笔）电磁铁驱动电路采用的电路原理与步进电机类似，从TP801自带PIO的B口输出。设计为光电耦合隔离加放大驱动。电磁线圈的电压为12V，0.5A，。，取，可以满足条件。电路如下。3.6电源设计两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采
13、用了标准的27V电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的12V和5V电压。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。3.7 传感器和人机界面 由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。因此，必须在X、Y轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个：（1）防止工作台超过最大行程，使电机损坏（2）可以用与定位。所以这4个行程开关就充当了传感器。人机界面由TP801决定。TP801自带键盘和显示器。LED1灯亮表示X轴向越界禁止通行，LED2灯亮表示Y轴向越界禁止通行
14、，LED3灯亮表示手动使工作台向X轴负方向通行，LED4灯亮表示手动使工作台向X轴正方向通行，LED5灯亮表示手动使工作台向Y轴负方向通行，LED6灯亮表示手动使工作台向Y轴正方向通行，LED7亮表示系统通电运行。按扭、按键的分配：按扭1是通断电开关，按键2是向X轴负方向运行的点动开关，按键3是向X轴正方向运行的点动开关，按键4是向Y轴负方向运行的点动开关，按键5是向Y轴正方向运行的点动开关，按键6是复位开关，按键7是执行绘制圆弧开关。四、数控系统软件设计4.1 系统管理程序整个系统管理包括：编辑、自动、手动三大模块。系统管理程序主要指复位后的一些初始化工作，及根据工作方式选择开关的状态跳转至各个模块分别处理。系统管理程序框图如下。课程设计任务书未要求编制程序。4.2其它程序流程图程序进入手动分支后并不马上动作，而要检测四个方向控制键是否按下，根据按下的键作相应的方向标志字，并对定时器初始化，开放定时器中断；在定时中断服务程序中根据方向标志字进行环形分配，驱使步进电机进给，每次中断进给一部即返回至背景程序（即手动分支程序）；由背景程序监视键是否松开？工作方式是否改变？行程是否超限？再作不同的处理。程序框图如下。
