電動載物臺結構及控制系統設計*

張龍旭，劉豐源，張江濤，李柏炎，馮 琦，張 閆

（哈爾濱理工大學榮成學院，山東威海 264300）

0 引言

隨著社會的發展和市場競爭的不斷加劇，企業生產線的智能化需求變得越來越迫切[1]。智能化生產的關鍵在于產線的檢測和糾錯功能，這部分目前大部分仍然依靠人工完成，現有檢測設備大都是為單獨檢測的個體而設計，不容易直接應用于生產線的改造升級。本文將滑臺與視覺檢測技術相配合，完成零件運送和位置調整功能，有利于生產線自動檢測的實現。專用電動滑臺的發展，直接影響到相關制造、檢測行業的改變，很多國家都注重在此領域的研究，隨著“中國制造2025”的提出，我國對該領域的發展也越來越重視，對專有電動滑臺的研發和投入，將直接提高我國多行業的發展。

目前，國內電動滑臺相關領域發展態勢良好，但是相關產品制造成本高，存在價格等方面的短板，據調查，相關產品售價均在萬元以上，且為配套銷售。此外，存在自動化程度不高、結構單一、使用方向窄等問題，只可應用于單一方面，性價比沒有優勢。雖然有相關人員研究過類似產品[2]，但該類產品往往會根據需求的不同相應做出不同的調整，即使有相類似的部分，也需要另行研究，因此，需要在現有基礎上設計一套適合具體生產生活要求的產品。本文所設計的一款滑臺用于三維測量儀，精度較高，具有二自由度，可以根據實際需求來進行相關調整，以達到滿意的使用效果。

1 電動滑臺結構設計

1.1 總體設計

對滑臺而言，總體設計方案主要是X、Y方向2個坐標的傳動，根據需要，一般采用點控制，為了確保系統的工作效率，工作臺采用滾珠絲杠螺母對和滾珠導向裝置，以減少齒側間隙的影響[3]。該項目使用電驅動裝置，該裝置將電動機的旋轉運動轉換為滑臺的線性往復運動?；瑒优_的線性往復運動是通過控制電動機的正向和反向旋轉來完成的。例如，各種杠桿、搖桿和其他機構用于完成旋轉、擺動和其他動作。整體三維結構如圖1所示，主要由機械驅動系統、上下滑蓋板、滾珠絲杠及絲杠螺母組成。

圖1 電動滑臺整體結構

1.2 機械系統設計

機械系統主要由水平（X、Y軸）驅動系統構成。水平驅動系統使用2個并聯的線性驅動單元，減速器由交流伺服電機驅動。為了確保2個線性驅動單元的同步，使用軸連接2個線性驅動單元。

1.3 絲杠螺母

絲杠螺母機構也稱為絲杠驅動機構，其主要用于將旋轉運動轉換成線性運動或將線性運動轉換成旋轉運動。

螺母分為滑動摩擦機構和滾動摩擦機構?；瑒勇葆斁哂泻唵蔚慕Y構和自鎖功能，但是其抗摩擦扭矩大且傳動效率低。滾珠絲杠是一種非常有效的傳動元件，其最大的優點是摩擦阻扭矩小，傳動效率高，可達90%以上，具有精度高、可逆性強的特點[4]。

1.4 加強臺面

平滑平臺和加強平臺通過多個螺釘緊密連接，可以近似地彼此之間沒有相對滑動，并且可以在彎曲和變形時整體上近似。加固工作臺的材料不同于水平滑動工作臺的材料。中性軸不超過組合截面的質心。根據兩者的彈性模量之差，確定中性軸的位置，然后計算該截面相對于中性軸的慣性矩和抗彎強度。圖2所示為抗彎模量計算坐標系，顯示了其橫截面結構，其中h1為增強工作臺面的厚度，h2為肋的高度。

圖2 抗彎模量計算坐標系

由截面的慣性矩公式推出截面抗彎模量表達式，計算h1與h2不同取值時截面對中性軸的抗彎模量，以確定滑臺表面的抗彎強度與剛度。

重力物體振動試驗時，與加強臺面鏈接。在振動試驗過程中，重力物體在各自質心處受慣性力作用，在臺面產生彎矩[5]，生成如圖3所示的撓度求解簡化模型，其中，M1為重物在慣性力作用下對臺面產生的彎矩，M2為振動在慣性力作用下對臺面產生的彎矩。

圖3 撓度求解簡化模型

水平滑臺受到的總彎矩：

式中：m1、m2、L1、L2分別為上下板質量及水平長度；a1、a2分別為上下板橫截面積。

其撓度變形為：

式中：M為水平滑臺受到的總彎矩；E為彈性模量；I為慣性矩；l為力學模型簡支梁的總長度；b為電動滑臺下端面外緣半徑。

2 電動滑臺控制系統設計

2.1 控制系統組成

該控制系統主要由STC89C51單片機最小系統、驅動電路模塊、按鍵電路模塊、數字管顯示電路模塊和步進電機組成。考慮到驅動器芯片替代了ULN2003A芯片，ULN2003A芯片是一種高壓、大電流驅動器芯片，內部裝有7個硅PNP達林頓管。

STC89C51單片機向ULN2003A輸出脈沖信號，驅動芯片放大脈沖信號的電壓和電流，驅動步進電機的各相繞組，使步進電機通過不同的脈沖信號執行相應的動作。系統結構如圖4所示。

圖4 控制系統組成結構

2.2 控制系統總流程

工作時，系統初始化后判斷是否進行中斷，當執行中斷后，檢測是否有數據傳輸或按鍵動作發生；當檢測到輸入時，系統接收識別相關指令，判斷是否按下方向鍵或數字鍵，并執行相關子命令。控制系統總流程如圖5所示。

圖5 控制系統總流程

2.3 步進電機驅動電路

本滑臺采用L297型號步進電機進行驅動。由于L297的輸出電壓與輸入電壓相比有一些損耗，當輸入為5 V時，輸出約為4.10 V，無法達到步進電機的驅動電壓。因此，L297和ULN2003A（驅動）的組合可用于形成步進電機驅動電路。

由于四相八拍步進電機的脈沖序列是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BD－DA，只需要稍微調整一下接線，即可使連接到步進電機的連接器上的脈沖信號滿足28BYJ－48電機的脈沖序列。

將微控制器的P3.0端口與L297的CLOCK連接，為L297提供時鐘信號。P3.1端口與L297的方向控制端口相連，控制步進電機的正向和反向。P3.2端口與L297的RST連接，控制步進電機的啟動和停止。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個輸出端子分別連接到ULN2003A的輸入端口1～4。ULN2003A的1～4個輸出端口根據28BYJ－48電動機的脈沖序列分別連接到XH－5A連接器。在濾波方面，1個0.1μF的電容器連接到每個集成芯片的VCC和GND端子，以增強驅動電路的穩定性[6]。具體驅動電路如圖6所示。

圖6 步進電機驅動電路

2.4 復位程序

常見的硬件復位方式有2種[7]，上電復位和手動按鈕復位。相較另外一種復位方式，通過按鍵對單片機的復位進行控制是相對穩定的，因此采用手動按鈕復位的方式。

系統檢測是否有復位命令，如果沒有按鍵動作發生，繼續掃描按鍵輸出端，直到檢測到按鍵動作發生。當系統檢測到按鍵動作發生時，系統首先檢測減速傳感器是否有信號；如果沒有，則向加速按鍵方向運行檢測判斷，并最終執行相關子程序；當系統檢測到正反轉按下的信號后，取反正反轉標志，并判斷反轉標志是否為0。如果是正轉則取正轉碼執行子程序，調節電機速度，反轉過程與正轉過程相同[8]。復位程序流程如圖7所示。

圖7 控制系統復位程序總流程

3 結束語

設計一款高精度電動滑臺，具有X、Y兩個自由度，主要設計部分為機械結構以及控制系統。其中結構由滑臺底板、滾珠絲杠、步進電機等構成?？刂葡到y使用STC89C51單片機模擬控制電路程序，通過串口及無線通信模塊，完成對單片機控制信號的輸入；通過電機驅動電路，控制該步進電機組的協調運動，完成滑臺的位置移動，但由于自由度低且結構尺寸的特殊性，會造成應性下降。