電動(dòng)載物臺(tái)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張龍旭，劉豐源，張江濤，李柏炎，馮 琦，張 閆

（哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院，山東威海 264300）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，企業(yè)生產(chǎn)線的智能化需求變得越來越迫切[1]。智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵在于產(chǎn)線的檢測(cè)和糾錯(cuò)功能，這部分目前大部分仍然依靠人工完成，現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備大都是為單獨(dú)檢測(cè)的個(gè)體而設(shè)計(jì)，不容易直接應(yīng)用于生產(chǎn)線的改造升級(jí)。本文將滑臺(tái)與視覺檢測(cè)技術(shù)相配合，完成零件運(yùn)送和位置調(diào)整功能，有利于生產(chǎn)線自動(dòng)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)。專用電動(dòng)滑臺(tái)的發(fā)展，直接影響到相關(guān)制造、檢測(cè)行業(yè)的改變，很多國(guó)家都注重在此領(lǐng)域的研究，隨著“中國(guó)制造2025”的提出，我國(guó)對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展也越來越重視，對(duì)專有電動(dòng)滑臺(tái)的研發(fā)和投入，將直接提高我國(guó)多行業(yè)的發(fā)展。

目前，國(guó)內(nèi)電動(dòng)滑臺(tái)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，但是相關(guān)產(chǎn)品制造成本高，存在價(jià)格等方面的短板，據(jù)調(diào)查，相關(guān)產(chǎn)品售價(jià)均在萬(wàn)元以上，且為配套銷售。此外，存在自動(dòng)化程度不高、結(jié)構(gòu)單一、使用方向窄等問題，只可應(yīng)用于單一方面，性價(jià)比沒有優(yōu)勢(shì)。雖然有相關(guān)人員研究過類似產(chǎn)品[2]，但該類產(chǎn)品往往會(huì)根據(jù)需求的不同相應(yīng)做出不同的調(diào)整，即使有相類似的部分，也需要另行研究，因此，需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套適合具體生產(chǎn)生活要求的產(chǎn)品。本文所設(shè)計(jì)的一款滑臺(tái)用于三維測(cè)量?jī)x，精度較高，具有二自由度，可以根據(jù)實(shí)際需求來進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，以達(dá)到滿意的使用效果。

1 電動(dòng)滑臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

對(duì)滑臺(tái)而言，總體設(shè)計(jì)方案主要是X、Y方向2個(gè)坐標(biāo)的傳動(dòng)，根據(jù)需要，一般采用點(diǎn)控制，為了確保系統(tǒng)的工作效率，工作臺(tái)采用滾珠絲杠螺母對(duì)和滾珠導(dǎo)向裝置，以減少齒側(cè)間隙的影響[3]。該項(xiàng)目使用電驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑臺(tái)的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；瑒?dòng)臺(tái)的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)是通過控制電動(dòng)機(jī)的正向和反向旋轉(zhuǎn)來完成的。例如，各種杠桿、搖桿和其他機(jī)構(gòu)用于完成旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)和其他動(dòng)作。整體三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、上下滑蓋板、滾珠絲杠及絲杠螺母組成。

圖1 電動(dòng)滑臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

1.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)主要由水平（X、Y軸）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。水平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用2個(gè)并聯(lián)的線性驅(qū)動(dòng)單元，減速器由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了確保2個(gè)線性驅(qū)動(dòng)單元的同步，使用軸連接2個(gè)線性驅(qū)動(dòng)單元。

1.3 絲杠螺母

絲杠螺母機(jī)構(gòu)也稱為絲杠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其主要用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)或?qū)⒕€性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

螺母分為滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)?；瑒?dòng)螺釘具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和自鎖功能，但是其抗摩擦扭矩大且傳動(dòng)效率低。滾珠絲杠是一種非常有效的傳動(dòng)元件，其最大的優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻扭矩小，傳動(dòng)效率高，可達(dá)90%以上，具有精度高、可逆性強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。

1.4 加強(qiáng)臺(tái)面

平滑平臺(tái)和加強(qiáng)平臺(tái)通過多個(gè)螺釘緊密連接，可以近似地彼此之間沒有相對(duì)滑動(dòng)，并且可以在彎曲和變形時(shí)整體上近似。加固工作臺(tái)的材料不同于水平滑動(dòng)工作臺(tái)的材料。中性軸不超過組合截面的質(zhì)心。根據(jù)兩者的彈性模量之差，確定中性軸的位置，然后計(jì)算該截面相對(duì)于中性軸的慣性矩和抗彎強(qiáng)度。圖2所示為抗彎模量計(jì)算坐標(biāo)系，顯示了其橫截面結(jié)構(gòu)，其中h1為增強(qiáng)工作臺(tái)面的厚度，h2為肋的高度。

圖2 抗彎模量計(jì)算坐標(biāo)系

由截面的慣性矩公式推出截面抗彎模量表達(dá)式，計(jì)算h1與h2不同取值時(shí)截面對(duì)中性軸的抗彎模量，以確定滑臺(tái)表面的抗彎強(qiáng)度與剛度。

重力物體振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，與加強(qiáng)臺(tái)面鏈接。在振動(dòng)試驗(yàn)過程中，重力物體在各自質(zhì)心處受慣性力作用，在臺(tái)面產(chǎn)生彎矩[5]，生成如圖3所示的撓度求解簡(jiǎn)化模型，其中，M1為重物在慣性力作用下對(duì)臺(tái)面產(chǎn)生的彎矩，M2為振動(dòng)在慣性力作用下對(duì)臺(tái)面產(chǎn)生的彎矩。

圖3 撓度求解簡(jiǎn)化模型

水平滑臺(tái)受到的總彎矩：

式中：m1、m2、L1、L2分別為上下板質(zhì)量及水平長(zhǎng)度；a1、a2分別為上下板橫截面積。

其撓度變形為：

式中：M為水平滑臺(tái)受到的總彎矩；E為彈性模量；I為慣性矩；l為力學(xué)模型簡(jiǎn)支梁的總長(zhǎng)度；b為電動(dòng)滑臺(tái)下端面外緣半徑。

2 電動(dòng)滑臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)組成

該控制系統(tǒng)主要由STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路模塊、按鍵電路模塊、數(shù)字管顯示電路模塊和步進(jìn)電機(jī)組成?？紤]到驅(qū)動(dòng)器芯片替代了ULN2003A芯片，ULN2003A芯片是一種高壓、大電流驅(qū)動(dòng)器芯片，內(nèi)部裝有7個(gè)硅PNP達(dá)林頓管。

STC89C51單片機(jī)向ULN2003A輸出脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)芯片放大脈沖信號(hào)的電壓和電流，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電機(jī)通過不同的脈沖信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2.2 控制系統(tǒng)總流程

工作時(shí)，系統(tǒng)初始化后判斷是否進(jìn)行中斷，當(dāng)執(zhí)行中斷后，檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)傳輸或按鍵動(dòng)作發(fā)生；當(dāng)檢測(cè)到輸入時(shí)，系統(tǒng)接收識(shí)別相關(guān)指令，判斷是否按下方向鍵或數(shù)字鍵，并執(zhí)行相關(guān)子命令?？刂葡到y(tǒng)總流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)總流程

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本滑臺(tái)采用L297型號(hào)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由于L297的輸出電壓與輸入電壓相比有一些損耗，當(dāng)輸入為5 V時(shí)，輸出約為4.10 V，無(wú)法達(dá)到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓。因此，L297和ULN2003A（驅(qū)動(dòng)）的組合可用于形成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

由于四相八拍步進(jìn)電機(jī)的脈沖序列是A－AB－B－BC－C－CD－D－DA，因 此L297也 可 以 提 供A－AC－C－BC－B－的脈沖信號(hào)BD－DA，只需要稍微調(diào)整一下接線，即可使連接到步進(jìn)電機(jī)的連接器上的脈沖信號(hào)滿足28BYJ－48電機(jī)的脈沖序列。

將微控制器的P3.0端口與L297的CLOCK連接，為L(zhǎng)297提供時(shí)鐘信號(hào)。P3.1端口與L297的方向控制端口相連，控制步進(jìn)電機(jī)的正向和反向。P3.2端口與L297的RST連接，控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止。將L297的啟用端子（ENABLE），電源端子（VCC）和半步/全步模式選擇端子（CW/CCW）連接到高電平。斬波功能控制端子（CTL）和GND連接到低電平，以確保芯片輸出四相八拍脈沖。A、B、C、D的4個(gè)輸出端子分別連接到ULN2003A的輸入端口1～4。ULN2003A的1～4個(gè)輸出端口根據(jù)28BYJ－48電動(dòng)機(jī)的脈沖序列分別連接到XH－5A連接器。在濾波方面，1個(gè)0.1μF的電容器連接到每個(gè)集成芯片的VCC和GND端子，以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性[6]。具體驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.4 復(fù)位程序

常見的硬件復(fù)位方式有2種[7]，上電復(fù)位和手動(dòng)按鈕復(fù)位。相較另外一種復(fù)位方式，通過按鍵對(duì)單片機(jī)的復(fù)位進(jìn)行控制是相對(duì)穩(wěn)定的，因此采用手動(dòng)按鈕復(fù)位的方式。

系統(tǒng)檢測(cè)是否有復(fù)位命令，如果沒有按鍵動(dòng)作發(fā)生，繼續(xù)掃描按鍵輸出端，直到檢測(cè)到按鍵動(dòng)作發(fā)生。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到按鍵動(dòng)作發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)首先檢測(cè)減速傳感器是否有信號(hào)；如果沒有，則向加速按鍵方向運(yùn)行檢測(cè)判斷，并最終執(zhí)行相關(guān)子程序；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到正反轉(zhuǎn)按下的信號(hào)后，取反正反轉(zhuǎn)標(biāo)志，并判斷反轉(zhuǎn)標(biāo)志是否為0。如果是正轉(zhuǎn)則取正轉(zhuǎn)碼執(zhí)行子程序，調(diào)節(jié)電機(jī)速度，反轉(zhuǎn)過程與正轉(zhuǎn)過程相同[8]。復(fù)位程序流程如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)復(fù)位程序總流程

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)一款高精度電動(dòng)滑臺(tái)，具有X、Y兩個(gè)自由度，主要設(shè)計(jì)部分為機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)。其中結(jié)構(gòu)由滑臺(tái)底板、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)使用STC89C51單片機(jī)模擬控制電路程序，通過串口及無(wú)線通信模塊，完成對(duì)單片機(jī)控制信號(hào)的輸入；通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，控制該步進(jìn)電機(jī)組的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，完成滑臺(tái)的位置移動(dòng)，但由于自由度低且結(jié)構(gòu)尺寸的特殊性，會(huì)造成應(yīng)性下降。