XY平台设计.docx

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XY平台设计

第四章精行程X-Y工作台设计

在工件经过粗进给之后，精行程工作台移动冲头及CCD相机，到达获取的坐标点，完成最后一步定位。

2.1机械传动部件的选择

（1）导轨副的选用要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的机械，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此决定选用直线滚动导轨副。

它具有摩擦系数小，不宜爬行，传动效率高，结构紧凑，安装预紧方便等优点。

（2）丝杆螺母副的选用伺服电机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和0.01mm的定位精度，只有选用滚动丝杆副，它的传动精度高，动态响应快，运转平稳，寿命长，效率高，预紧后可消除反向间隙。

（3）电动机的选用本设计定位精度未达到微米级，脉冲当量也未达到0.001mm，因此，本设计采用性能好一些的步进电机，以降低成本。

（4）减速装置的选用选择了步进电机和滚珠丝杆副之后，为了圆整脉冲当量，放大电机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机主轴上的转动惯量。

本设计采用无间隙齿轮传动减速箱。

（5）检测装置的选用选用步进电机作为伺服电机之后，考虑到精度偏高，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，采用半闭环控制，拟在电动机尾部转轴上安装增量是旋转编码器，用以检测电动机的转角和转速。

2.2导轨上移动部件的重量估算

按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。

包括冲头部件、CCD相机、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为250N。

2.3直线滚动导轨副的计算与选型

（1）滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。

本设计中的X-Y工作台位水平布置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。

考虑最不利的情况，即垂直与台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：

2-1

其中，移动部件重量G=250N，外加载荷F=0N，

代入式2-1，得最大工作载荷Fmax=62.25N。

根据工作载荷Fmax=62.25kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSALG15型，其额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷Coa=9.5kN。

设定工作台行程尺寸为100mm×100mm，考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为340mm。

2.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型

（1）最大工作载荷Fm的计算工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）是滚动导轨导轨上的摩擦力。

已知移动部件总重量G=250N,按矩形导轨进行计算，滚动导轨上的摩擦系数μ=0.005。

求得滚珠丝杠副得最大工作载荷：

Fm=μG=0.005×250=1.25N2-2

（2）最大动载荷FQ的计算设工作台在保证精度时的最快进给速度v=240mm/min，初选丝杠导程Ph=4mm，则此时丝杠转速n=v/ph=60r/min。

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入

L0=60nT/106，

得丝杠寿命系数L0=54（单位为：

106r）。

查表3-30，取载荷系fw=1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，代入下式，求得最大动载荷：

2-3

（3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选择G系列2004-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈x1列，精度等级取5级，额定动载荷为5243N，大于FQ，满足要求。

（4）传动效率的计算将公称直径d0=20mm，导程Ph=4mm，代入下式

2-4

得丝杠螺旋升角为3.64°。

将摩擦角φ=10'，代入

2-5

，得传动效率η=95.6%。

（5）刚度的验算

1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杆副的支承均采用“单推-单推”的方式。

丝杆的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左右支承的中心距离约为320mm，钢的弹性模量E=2.1×105MPa，查表3-31得滚珠直径Dw=2.381mm，丝杆底径d2=17.1mm，丝杆截面积S=πd22/4=229.5mm2。

2-6

其中Fm——丝杆的最大工作载荷，单位N；

a——丝杆的两端支承间距离，单位mm；

E——丝杆材料的弹性模量，单位E=2.1×105MPa；

S——丝杆按底径确定的截面积，单位mm2；

M——转矩，单位N·mm；

I——丝杆按底径确定的截面惯性矩（I=πd24/64），单位mm4；

忽略上式中的第二项，算的丝杆在工作载荷Fm作用下产生的变形量

δ1=Fma/（ES）=1.25×320/（2.1×105×229.5）=8.3×10-6mm，

可忽略不计。

2）根据公式Z=（πd0/Dw）-3，求的单圈滚珠数Z=24；该型号丝杆为单螺母，滚珠圈数×列数为3×1，代入公式

ZΣ=Z×圈数×列数=72

丝杆预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=0.417N，则由式

可忽略不计。

3）将以上两式算出的δ1和δ2代入δ总=δ1+δ2，求得丝杆总的变形

为8.93×10-5mm。

丝杆长度为340mm时，查表3-27得，5级精度允许偏差为25μm，丝杆刚度足够。

2.2步进电机的减速箱的选用

为满足脉冲当量的设计要求，增大步进电机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能小，今在步进电机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。

采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮连接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮链接。

其中大齿轮设计为双片结构，采用图2-1所示的弹簧错齿法消除侧隙。

图2—11、2、6—齿轮3—螺母4、5—螺钉7—拉簧

已知工作台的脉冲当量δ=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph=4mm，初选步进电机的步距角α=0.75°，根据公式算的减速比：

i=（αPh）/（360δ）=（0.75×4）/（360×0.005）=5/32-4

本设计的齿轮减速箱大小齿轮模数均为1mm，齿数比为40：

24，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达55HRC。

减速箱中心距为（40+24）/2=32mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。

2.3步进电机的计算与选型

（1）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量Jeq已知：

滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长l=320mm，导程Ph=4mm，材料密度ρ=7.85×10-3kg/cm3，移动部件的总重力G=250N；小齿轮宽度b1=20mm，直径d1=24mm；大齿轮宽度b2=20mm，直径d2=40mm；传动比i=5/3。

各个零部件的转动惯量如下：

滚珠丝杠的转动惯量Js=0.098kg/cm3；拖板折算到滚珠丝杠上的转动惯量Jw≈0.012kg/cm3；小齿轮的转动惯量Jz1=0.051kg·cm3；大齿轮的转动惯量Jz2=0.394kg·cm3。

初选步进电机型号为90BYG2602，为两相混合方式，二相八拍驱动时步距角为0.75°，查表得该型号电动机的转子的转动惯量Jm=4kg·cm2。

则加载步进电机转轴上的总转动惯量为：

2-6

（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载起动和承受最大工作载荷两种情况进行计算。

1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1包括三部分：

一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。

因为滚珠丝杠副传动效率很高，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。

则有：

Teq1=Tamax+Tf2-7

考虑传动链的总效率η，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：

2-8

式中nm————对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；

ta————步进电机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。

其中：

2-9

式中

——空载最快移动速度，定位240mm/min

α——步进电机步距角，预选电动机为0.75°

δ——脉冲当量，本设计=0.005mm/脉冲

将以上各式代入2-9，算得nm=100r/min。

设步进电机由静止到加速至nm转速所需的时间ta=0.4s，传动链总效率η=0.7。

则由式2-8求得：

当移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

2-10

式中μ——导轨的摩擦系数，滚动导轨取μ=0.005；

Fz————垂直方向的作用力，空载时取0；

η——传动链总效率，取0.7。

则由式2-10得：

可忽略不计。

最后由式2-7得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

0.158N·m2-11

因为工作台载荷固定，所以Teql即电动机上最大等效负载转矩。

（3）步进电机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。

因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。

本设计中安全系数取K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：

Tjmax≥4Teq=4×0.158=0.632N·m2-18

上述初选的步进电机型号为90BYG2602,由表查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=6N·m，可满足要求。

（4）步进电动机的性能校核

图2-2

2）启动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=4.232kg·cm2，电动机转子的转动惯量JM=4kg·cm2，电动机转子不带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz。

则可求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：

2-19

上式说明，要想保证步进电动机不丢步，任何时候的起动频率都必须小于875Hz。

实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。

综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电机，完全满足设计要求。

2.4增量式旋转编码器的选用

本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量是旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。

图2-3

增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。

由步进电动机的步距角α=0.75°，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/α=480个步进脉冲。

考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。

这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。

本例选择编码器的型号为ZLK-A-120-05VO-10-H:

盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部输出轴相匹配，电源电压+5V，每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。

三、控制系统硬件设计

X-Y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。

3.1.2CPU接口设计

根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：

（1）接收键盘数据，控制LED显示

（2）接受操作面板的开关与按钮信息；

（3）接受限位开关信号；

（4）控制X，Y向步进电动机的驱动器；

（5）控制电磁阀；

（6）与PC机的串行通信。

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：

图3-1CPU外部接口示意图

图3-2AT89S51控制系统图

3.2驱动系统

传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁阀的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和工作时能带动工作台并克服外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

步进电机驱动电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。

图3-4步进电机驱动电路图

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。

3.2.2步进电动机的驱动电源选用

设计中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型,选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为100VAC，相电流为4A，分配方式为二相八拍。

该驱动电源与控制器的接线方式如图所示。

100V交流电源

BD28Nb型驱动电源接线图

四、控制系统软件设计

4.1总体方案

对于AT89S51的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。

编译器采用KeiluVision2。

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。

4.2主流程图

CTLEQU3FF8H

PAEQU3FF9H

PBEQU3FFAH

PCEQU3FFBH

CMDEQU02H

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0003H

AJMPINT0IS；外部中断0入口

ORG000BH

AJMPTM0IS；定时器0中断入口

ORG0013H

AJMPINT1IS；外部中断1入口

ORG001BH

AJMPTM1IS；定时器1中断入口

ORG0100H

MAIN：

ANLP1，0EFH

SETBIT0；外中断负跳沿触发

图4-1SETBIT1

MOVA，CTL

MOVDPTR，A

MOVX@DPTR，CMD

；A口输入，B口输出，C口输入

SETBEX0；允许外中断0

SETBEX1；允许外中断1

SETBPX0

SETBPX1；设置优先级

SETBEA；开总中断

LOOP：

AJMPLOOP；等待中断

在等待中断的过程中，如果有中断到来，先检查中断0的状态，是中断0则进入中断0的中断服务INT0IS，是中断1则进入中断1的中断服务INT1IS。

中断服务0是由4个行程开关触发的，它触发后通过单片机读取PA口内容，然后将结果反馈到PB口的LED上。