X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計

1、X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計河北工程大學(xué)課程設(shè)計說明書 摘要摘 要 X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計本次使用一個半閉環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單.實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度.降低成本,是微機控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用.它充分的利用了危機的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制;使機床的加工范圍擴大,精度和可靠性進一步得到提高.X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是選用ATMEL公司的AT89系列單片機AT89S51作為控制系統(tǒng)的CPU,及2764,6264存儲器及8155芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定的程序以實現(xiàn)一定的加工功能.其基本思想是:通過圓弧或者直線插補程序以實現(xiàn)對零件進行幾何加工,每進行一段加工都

2、要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn),同時通過8155將相應(yīng)的加工進刀信息送至刀架庫中以實現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機和刀具的相對運動所以實現(xiàn)了刀具對工件的加工。該控制系統(tǒng)采用軟件中斷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子程序結(jié)構(gòu)簡單，條件明確在經(jīng)濟型數(shù)控中應(yīng)用較多。中斷結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計因為這種結(jié)構(gòu)便于修改和擴充，編制較為方便，便于向多處理方向發(fā)展。X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計采用步進電機作為驅(qū)動裝置。步進電機是一個將脈沖信號轉(zhuǎn)移成角位移的機電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場對放入其中的通電導(dǎo)體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時具有力的作用，從實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)

3、的轉(zhuǎn)動，通過輸入脈沖的數(shù)量、通電順序以及輸入脈沖的頻率來使電動機獲得不同的轉(zhuǎn)數(shù)、方向以及快慢以實現(xiàn)所需的運動。本次的X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是步進電機、微型計算機、插補原理、匯編語言以及CAD的綜合應(yīng)用。 具體步驟大概分為以下幾部分：一、總體方案的確定；二、機械部分的設(shè)計；三、硬件部分的設(shè)計；四、軟件部分的設(shè)計。本次畢業(yè)設(shè)計的研究方案主要從已有資料與所學(xué)知識入手，以當(dāng)今機械領(lǐng)域?qū)-y數(shù)控工作臺的各種高技術(shù)指標(biāo)需求為出發(fā)點，結(jié)合前人做出的相關(guān)文獻來完成本次的畢業(yè)設(shè)計。作為一個剛剛畢業(yè)的大學(xué)生，我在此次的畢業(yè)設(shè)計過程中會遇到種種難題，這需要用心去翻閱相關(guān)資料，虛心向老師詢問，在老師的指導(dǎo)下完

4、成該畢業(yè)設(shè)計。 關(guān)鍵詞：X-Y數(shù)控工作臺，機電系統(tǒng)，微型計算機，AT89S51單片機河北工程大學(xué)課程設(shè)計說明書 目錄 目錄摘 要IAbstract II1 緒論1 1.1 兩坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)課題研究意義1 1.2 兩坐標(biāo)系數(shù)控工作臺課題研究主要內(nèi)容 1 1.2.1 兩坐標(biāo)系系統(tǒng)的組成 12 任務(wù)描述及總體方案的確定2 2.1 設(shè)計任務(wù) 2 2.2 總體方案的確定22.2.1 機械傳動部件的選擇2 2.2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計33 機械系統(tǒng)設(shè)計4 3.1導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 4 3.2 銑削力的計算4 3.3 直線導(dǎo)軌副的計算與選型 4 3.3.1 滑塊承受工作載荷Fmax的計算及導(dǎo)軌型號的選取

5、4 3.3.2 距離額定壽命L的計算 5 3.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型5 3.4.1 最大工作載荷Fm的計算5 3.4.2 最大動載荷FQ的計算 5 3.4.3 初選型號5 3.4.4 傳動效率的計算6 3.4.5 剛度驗算6 3.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核6 3.5 步進電動機減速箱的選用 6 3.6 步進電動機的計算與選型 7 3.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq7 3.6.2 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩Teq28 3.6.3 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定8 3.6.4 步進電動機的性能校核 9 3.7 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用104 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計11

6、 4.1 CPU板 11 4.1.1 CPU的選擇11 4.1.2 CPU接口設(shè)計11 4.2 驅(qū)動系統(tǒng)13 4.2.1 步進電機驅(qū)動電路和工作原理 13 4.2.2 電磁鐵驅(qū)動電路 14 4.2.3 電源轉(zhuǎn)換 15 4.2.4 中斷處理器的選擇15 4.3 傳感器和人機界面 16 4.4 本章小節(jié)175 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計18 5.1 總體方案18 5.2 主流程圖18 5.3 INT0中斷服務(wù)流程圖 20 5.4 INT1中斷服務(wù)流程圖 21 5.5 復(fù)位程序流程圖 23 5.6 X軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖 24 5.7 繪制圖弧程序流程圖25 5.8 步進電機步進一步程序流程圖28 5.9

7、 X向步進電機運行指定距離的半閉環(huán)程序流程圖和程序29結(jié)論 31參考文獻 32致謝 33河北工程大學(xué)課程設(shè)計說明書 第1章 緒論 第1章 緒 論1.1 兩坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)課題研究意義X-Y數(shù)控工作臺作為許多機床上的一個重要組成部分，它與機床的發(fā)展有著同樣重要的意義。X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。隨著X-Y數(shù)控工作臺的多樣化，靈活化，自動化，相比于傳統(tǒng)機床的X-Y工作臺，它能加工出更加復(fù)雜的零件，滿足更高的精度要求。對它的研究能增強我們對機床的更進一步認(rèn)識，以便運用所學(xué)知識去

8、設(shè)計出功能更加強大的數(shù)控工作臺，為先進機床的設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。1.2 兩坐標(biāo)系數(shù)控工作臺課題研究主要內(nèi)容 X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是選用ATMEL公司的AT89系列單片機AT89S51作為控制系統(tǒng)的CPU,及2764,6264存儲器及8155芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定的程序以實現(xiàn)一定的加工功能.其基本思想是:通過圓弧或者直線插補程序以實現(xiàn)對零件進行幾何加工,每進行一段加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn),同時通過8155(1)將相應(yīng)的加工進刀信息送至刀架庫中以實現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機和刀具的相對運動所以實現(xiàn)了刀具對工件的加工。本課題的基本類容有： 一、整體設(shè)計方案的擬定

9、；二、機械部分的設(shè)計；三、控制系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計；四、重要圖紙的繪制。1.2.1 兩坐標(biāo)系系統(tǒng)的組成經(jīng)濟型數(shù)控機床驅(qū)動電機采用步進電機，此次采用半閉環(huán)控制，需要選擇和計算主要機械傳動部件，如滾珠絲杠、螺母副、步進電機、減速箱、半閉環(huán)檢測器等，繪制機床進給傳動機構(gòu)裝配圖，繪制單片機控制系統(tǒng)的硬件線路圖。1河北工程大學(xué)課程設(shè)計說明書 第2章 任務(wù)描述及總體控制方案的確定 第2章 任務(wù)描述及總體方案的確定2.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計一種供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：1、立銑刀最大直徑d=20mm；2、立銑刀齒數(shù)Z=3；3、最大銑削寬度；4、最大背吃刀量；5、加工材料為碳素鋼或有色金屬

10、；6、X、Y方向的脈沖當(dāng)量；7、X、Y方向的定位精度均為；8、工作臺面尺寸為C*B*H=245mm*225mm*39mm； 底座外形尺寸C1*B1*H1=445mm*445mm*295mm; 加工范圍為99mm×99mm；9、工作臺空載最快移動速度；10、工作臺進給最快移動速度;11、負載重量G=295N。2.2 總體方案的確定2.2.1 機械傳動部件的選擇（1）導(dǎo)軌副的選用 導(dǎo)軌是數(shù)控機床的重要部件之一，它在很大程度上決定數(shù)控機床的剛度，精度與精度保持性。目前的數(shù)控機床采用導(dǎo)軌形式的主要有：滑動導(dǎo)軌，滾動導(dǎo)軌，靜壓導(dǎo)軌三類。要設(shè)計的X-Y工作是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床的，需要承受

11、的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。（2）絲杠螺母副的選擇伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，由題目給出的要求，定位精度為±0.01mm，脈沖當(dāng)量要達到0.005mm，滑動絲杠副不能達到此要求，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。2（3）減速裝置的選用在選擇了步進電機和滾珠絲杠副以后，為了簡便起見，還需圓整脈沖當(dāng)量，放大3電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要

12、減速裝置，且應(yīng)有消除間隙機構(gòu)。為此，本次設(shè)計選用無間隙齒輪傳動減速箱。（4）伺服電機的選用步進電動機又稱脈沖電動機或為階躍電動機，目前，隨著電子技術(shù)，控制技術(shù)以及電動機本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)的電機分類的間界面越來越模糊；步進電動機的傳動定義為：根據(jù)輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進一定角度，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定的狀態(tài)而靜止；廣義的定義為，步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的電動機。選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。，任務(wù)書初選的脈沖當(dāng)量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，

13、空載最快移動速度也只有3m/min,故本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。（5）檢測裝置的選用選用步進電機作為伺服電機之后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進電機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉(zhuǎn)過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進電動機的步距角想匹配?？紤]到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計工作量，X、Y兩個坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲桿螺母副、減速裝置、伺服電動機，以及檢測裝置

14、擬采用相同的型號與規(guī)格。2.2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 （1）設(shè)計的X-Y工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控制，兩坐標(biāo)直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計成連續(xù)控制型。（2）對于步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用ATMEL公司的AT89系列單片機AT89S51作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。（3）要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤存儲器、I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。（4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。3河北工程大學(xué)課程設(shè)計說明書 第3章 機械系統(tǒng)設(shè)計 第3章 機械系統(tǒng)設(shè)計3.1

15、導(dǎo)軌上移動部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計重量約為800N。3.2 銑削力的計算銑削的方式有立銑和臥銑，假設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀具，工件的材料為碳鋼。由設(shè)計指導(dǎo)書中的表3-7查得立銑時的銑削力計算公式為： （6-11） 根據(jù)要求選銑刀直徑d=20mm，齒數(shù)Z=3，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削的情況下，取最大銑削寬度=20mm，背吃刀量=10mm，每齒進給量fz=0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min，則由式（6-11）求得最大銑削力：=1893N采用立銑刀

16、進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表3-5查得，結(jié)合圖3-4a，考慮立銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別是：，。圖3-4a為臥式情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別是和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作太的縱向，則縱向銑削力=1609N，徑向銑削力。3.3 直線導(dǎo)軌副的計算與選型3.3.1 滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本次畢業(yè)設(shè)計中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支撐形式?？紤]極限情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受到的最大垂直方向的載荷為： (6-1

17、2)4其中，移動部件重量G=800N，外加載荷，代入式（6-12），最大工作載荷.查表3-41，根據(jù)工作載荷,初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷,額定靜載荷。任務(wù)中規(guī)定工作臺面尺寸為230mm×230mm,加工范圍為250mm×250mm,考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為520mm。3.3.2 距離額定壽命L的計算 根據(jù)上面選取的KL系列JSA-LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3-36到3-40，分別取硬度系數(shù)

18、、精度系數(shù)、載荷系數(shù)為,代入式（3-33），得距離壽命：遠大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求。3.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型3.4.1 最大工作載荷的計算 由前面可知，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲桿軸線平行）,受到橫向載荷（與絲桿軸線垂直），受到垂直方向載荷（與工作臺面垂直）。已知移動部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進行計算，查表設(shè)計手冊表，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)u=0.005。求得滾珠絲桿副的最大工作載荷：3.4.2 最大動載荷的計算根據(jù)給定的任務(wù)要求，工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程=5mm,則

19、此時絲杠轉(zhuǎn)速n=v/=80r/min。取滾珠絲桿的使用壽命T=15000h，代入,得絲桿壽命系數(shù)=72（單位為：）。查機電一體化課程設(shè)計書3-30，取載荷系數(shù)=1.2，滾道硬度為60HRC時，取5硬度系數(shù),代入式（3-23），求得最大動載荷：3.4.3 初選型號由以上計算出的最大動載荷和初選的絲桿導(dǎo)程，查機電一體化課程設(shè)計書3-31，選擇濟寧博特精密絲桿制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲桿副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其工程直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級為5級，額定動載荷為9309N，大于,滿足要求。3.4.4 傳動效率的計算將公稱直徑，導(dǎo)程

20、，代入，得絲桿螺旋升角。將摩擦角，代入），得傳動效率。3.4.5 剛度驗算1）x-y工作臺上下兩層滾珠絲桿副的支撐均采用“單推-單推”式，。絲桿的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為;剛的彈性模量E=2.110MPa；查表3-31，得滾珠直徑，絲桿低徑，絲桿截面積。忽略式中第二項，算得絲桿在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量。2）根據(jù)公式,求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲桿為雙螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式：，得滾珠總數(shù)量。絲桿預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力.則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。 因為絲桿有預(yù)緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可

21、減少一半，去。3） 將以上算出的和代入，求得絲桿變形量（對應(yīng)跨度500mm）。本例中，絲桿的有效行程為330mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲桿有效行程在315至400mm時，行程偏差允許達到，可見絲桿剛度足夠。3.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)機電一體化課程設(shè)計書公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷。查表3-34，取支承系數(shù)；由絲桿底徑，求得界面慣性矩6;壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲桿臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離 a取最大值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷,遠大于工作載荷,故絲桿不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲桿副滿足使用要求。3.5 步進電動機減速箱的選用為了滿足脈沖

22、當(dāng)量的設(shè)計要求，增大步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使?jié)L珠絲桿和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機轉(zhuǎn)軸上盡可能的小，今在步進電機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進電機的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲桿的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計成雙片結(jié)構(gòu)，采用裝配圖中的彈簧錯齒法來消除間隙。 已知工作臺的脈沖當(dāng)量/脈沖，滾珠絲桿的導(dǎo)程，初選步進電機的步距角。根據(jù)機電一體化課程設(shè)計書中式（3-12），算得減速比： 本設(shè)計選用常州市新月電機有限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒輪比為75：36，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒輪表面淬硬后達到55HRC。減速箱中心距為，小齒輪厚度為20mm，

23、雙片大齒輪厚度為10mm。3.6 步進電動機的計算與選型3.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量由選出的絲桿查表可知：滾珠絲桿的公稱直徑，總長，導(dǎo)程，材料密度；移動部件總重力；小齒輪寬度，直徑；大齒輪寬度，直徑；傳動比。如表4-1表示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量；拖板折算到絲桿上的轉(zhuǎn)動慣量；小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量。 初選步進電動機型號為90BYG2602，為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，兩相八拍驅(qū)動時步距角為，從表4-5查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。 則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：7（1） 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 （2）

24、 分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。1） 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式（4-8）可知，包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲桿預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲桿副的傳動效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有： （6-13）根據(jù)式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： 式中 對應(yīng)空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為； 步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間，單位為s。其

25、中： （6-15） 式中 空載最快移動速度，任務(wù)書指定為； 步進電動機步距角，預(yù)選電動機為； 脈沖當(dāng)量，本例脈沖。將以上各值代入式（6-15），算得。設(shè)步進電動機由靜止加速至轉(zhuǎn)速所需時間，傳動鏈總效率。則由式（6-14）求得：由式（4-10）可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： （6-16）式中 導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動導(dǎo)軌取0.005； 垂直方向的銑削力，空載時取0； 傳動鏈總效率，取0.7。則由式（6-16），得：最后由式（6-13），求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩： （6-17）83.6.2 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式（4-13）可知，包

26、括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩：一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲桿預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： （6-18）其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩由式（4-14）計算。本次設(shè)計中在對滾珠絲桿進行計算時，已知沿著絲桿軸線方向的最大進給載荷，則有： 再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載（）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：最后由式（6-18），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為： （6-19）經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負

27、載轉(zhuǎn)矩為： 3.6.3 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （6-20）上述初選的步進電動機型號為90BYG2602，由表4-5查得該型號電動機最大靜轉(zhuǎn)矩。可見，滿足式（6-20）要求。3.6.4 步進電動機的性能校核1） 最快工作速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工作速度，脈沖當(dāng)量脈沖，由式（4-16）求出電動機運行頻率。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖6-24可以看出，在

28、此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。2） 最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核9任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度，仿照式（4-16）求出電動機對應(yīng)的運行頻率。從圖6-24查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。3） 最快空載移動時電動機運行頻率校核與最快空載移動速度對應(yīng)的電動機運行頻率為。查表4-5可知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達，可見沒有超出上限。4） 起動頻率的計算已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率（查表4-5）。則由式（4-17）可以求出步進電動機克服慣性負載

29、的起動頻率： 上述說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有（即100脈沖/s）。綜上所述，此次設(shè)計中工作臺的進給傳動選用90BYG2602步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。3.7 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書中要求采用半閉環(huán)控制，因此，可在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進電動機的步距角相匹配。由步進電動機的步距角=，可知電動機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出480個步進脈沖。這里選用480線的編碼器，可一對一的檢測到實際輸出脈沖，將測量誤差減

30、到最小。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器對應(yīng)輸出一個信號。 本例選擇編碼器的型號為ZLK-A-480-05VO-10-H：盤狀空心型，孔徑為10mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓為+5V，每轉(zhuǎn)輸出480個A/B脈沖，信號為電壓輸出，生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。10河北工程大學(xué)課程設(shè)計說明書 第4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 第4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1 CPU板4.1.1 CPU的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，而目前市場上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機89C51，價格低

31、廉，而性能優(yōu)良，功能強大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。從要設(shè)計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑提高了設(shè)計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產(chǎn)領(lǐng)域ATMEL公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以

32、十分容易的進行程序修改，同時掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產(chǎn)品，9表示內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲器容量為4KB、16位定時器2個、中斷源6個（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷）、RAM為128B、14位的計數(shù)器WDT、I/O口共有32個。4.1.2 CPU接口設(shè)計 CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅(qū)動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示：11（行程開關(guān)）前向通道傳動驅(qū)

33、動（電磁鐵）（電機）人機界面?zhèn)鞲衅鰽T89S51（鍵盤、LED）后向通道圖4.1 CPU外部接口示意圖AT89S51要完成的任務(wù)：（1）將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入CPU，通過中斷進行處理，它的優(yōu)先級別最高。（2）通過程序?qū)崟r控制電機和電磁鐵的運行。（3）接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應(yīng)到LED上，實現(xiàn)人機交互作用。（4）切削液泵電機要在工作臺運行開始前開啟，并能實現(xiàn)主軸的有級變速。由于AT89S51只有P1口和P3口是準(zhǔn)雙向口，但P3口主要以第二功能為主，并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進行I/O擴展?？紤]到電路的簡便性和可實現(xiàn)性，實際中采用內(nèi)部自帶鎖存器的8

34、155，所以AT89S51的I/O口線分配如下：（1）P1.0-P1.3控制X-Y兩個方向步進電機的A、B的線圈通電，形成A（+）-A（+）B（-）-B（-）-B(-)A(-)-A(-)-A(-)B(+)-B(+)-B(+)A(+)-A(+)兩相八 拍正轉(zhuǎn)模式和A（ +）-A（+）B(+)-B(+)-B(+)A(-)-A(-)-A(-) B(-)-B(-)-B(+)A(-)-A(+)的反轉(zhuǎn)模式。(2)P1.4控制切削液泵電機，P1.5控制多速電機。（3）P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。（4）P3.2和P3.3兩個中斷源中INT0優(yōu)先級最高，它讀入行程開關(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀入點動、復(fù)位

35、、直線插補與圓弧插補開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷，切削液的開關(guān)和多速電機的啟動不作為中斷對象，他們是在工作臺運行前進行動作的。（5）P0.0-P0.7外部I/O擴展的數(shù)據(jù)讀取。（6）P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址12圖4.2 AT89S51控制系統(tǒng)圖PB口接LED反映當(dāng)前運行的8個狀態(tài)：X-禁止、X+禁止、Y-禁止、Y+禁止、手動X-運行、手動X+運行、手動Y-運行、手動Y+運行。PA口低四位反映觸發(fā)中斷1的4個行程開關(guān)的狀態(tài)。PC口低6位反映了觸發(fā)中斷2的手動X-運行、手動X+運行、手動Y-運行、手動Y+運行、復(fù)位（RST）、圓弧插補6個開關(guān)的狀態(tài)。4.2 驅(qū)動系統(tǒng)傳動驅(qū)動

36、部分包括步進電機的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動，步進電機須滿足快速急停、定位和退刀時能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。在定位和退刀時電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時能及時釋放磁力使筆尖壓下。4.2.1 步進電機驅(qū)動電路和工作原理步進電機的速度控制是經(jīng)過輸出脈沖和反饋信號相比來實現(xiàn)的。設(shè)計時的脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.005mm。步進電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。13圖4.3 步進電機驅(qū)動電路圖該電路中的功放電路是一

37、個單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時，電動機轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進電機采用的是二相八拍的工作方式（二個線圈A、B），其正轉(zhuǎn)的通電順序為：A（+）-A（+）B（-）-B（-）-B(-)A(-)-A(-)-A(-)B(+)-B(+)-B(+)A(+)-A(+)，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A（ +）-A（+）B(+)-B(+)-B(+)A(-)-A(-)-A(-) B(-)-B(-)-B(+)A(-)-

38、A(+)。14下圖是以74LS194為核心的邏輯電路，為驅(qū)動電路提供所需脈沖和二相八拍的驅(qū)動波形，其中輸入端的TR為電機正反控制端；CLK為HOS4發(fā)出的時鐘脈沖。PHASE端為步進電機繞組電流的正反向控制端。二相八拍的控制邏輯電路如74LS194所示：14 圖4.4 74LS194 74LS194邏輯電路輸出的二相八拍驅(qū)動波形如下圖所示：圖4.5 波形圖4.2.2 電磁鐵驅(qū)動電路該驅(qū)動電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對簡單。其光電偶合部分采用的是達林頓管，因為驅(qū)動電磁鐵的電流比較大。1416圖4.6電磁驅(qū)動電路圖4.2.3 電源轉(zhuǎn)換 兩電機同時工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大

39、，需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)中用到的電源電壓為100VAC、12V、5V、1V，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標(biāo)準(zhǔn)的BD28Nb型驅(qū)動電源，輸入電壓為100VAC，通過芯片進行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V、5V和1V電壓圖4.7 電源轉(zhuǎn)換電路圖15電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個電容，前面電容起防止自激作用，后面電容起濾波作用。此外，在具體應(yīng)用的過程中，LM7805必須加上散熱片。圖中只畫出了12V和5V的電壓轉(zhuǎn)換，1V的電壓轉(zhuǎn)換與5V的相同。4.2.4 中斷處理器的選擇 中斷處理器采用或非門，因為當(dāng)中斷中的任意一個中斷源發(fā)出信號時，CPU都應(yīng)根據(jù)優(yōu)先級響應(yīng)中斷。圖4.8 中斷系統(tǒng)圖4.3 傳感

40、器和人機界面 步進電機設(shè)置為半閉環(huán)反饋電路，工作臺不能超過最大行程。因此，必須在X、Y軸的方向各加上兩個行程開關(guān)。這里行程開關(guān)作用有兩個：（1）防止工作臺超過最大行程，使電機損壞（2）可以用與定位。所以這4個行程開關(guān)就充當(dāng)了傳感器。人機界面設(shè)計的準(zhǔn)則就是要有良好的人機交互能力，一般要求操作簡便，界面簡潔明了。此系統(tǒng)中共有11個LED，LED1燈亮表示X軸負方向禁止通行，LED2燈亮表示16X軸正方向禁止通行，LED3燈亮表示Y軸負方向禁止通行，LED4燈亮表示Y軸正方向禁止通行，LED5燈亮表示手動使工作臺向X軸負方向通行，LED6燈亮表示手動使工作臺向X軸正方向通行，LED7燈亮表示手動使工

41、作臺向Y軸負方向通行，LED8燈亮表示手動使工作臺向Y軸正方向通行，LED9亮表示系統(tǒng)通電運行，LED10亮表示切削液電機開，LED11亮表示主軸多速電機開。界面上的9個按扭意義為：按扭1是通斷電開關(guān)，按扭2是向X軸負方向運行的18點動開關(guān)，按扭3是向X軸正方向運行的點動開關(guān)，按扭4是向Y軸負方向運行的點17動開關(guān)，按扭5是向Y軸正方向運行的點動開關(guān)，按扭6是復(fù)位開關(guān)，按扭7是執(zhí)行繪制圓弧開關(guān)，按扭8是打開切削液電機，按鈕9是打開多速電機。 圖4.9 人機界面圖4.4 本章小節(jié)本章著重介紹了數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。CPU板介紹了CPU的選擇及其外圍的接口設(shè)計和控制流程；驅(qū)動系統(tǒng)介紹了步進

42、電機和電磁鐵的驅(qū)動電路設(shè)計；此外還敘述了人機界面各個按扭和LED的意義。17河北工程大學(xué)課程設(shè)計說明書 第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1 總體方案 對于AT89S51的程序設(shè)計，由于所需實現(xiàn)的功能較簡單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil 7.02b。該編譯器是51系列單片機程序設(shè)計的常用工具，既可用匯編，也支持C語言編譯。同時具有完善的調(diào)試功能。5.2 主流程圖18上電復(fù)位P1.6=0，吸合電磁鐵，繪筆抬起外部中斷，8155初始化開外部中斷，開總中斷等待中斷圖5.1 主程序流程圖程序如下：CTL EQU 3FF8H ；控制口地址PA EQU 3FF9H ；PA口地址P

43、B EQU 3FFAH ；PB口地址PC EQU 3FFBH ；PC口地址CMD EQU 99H ；控制字ORG 0000H AJMP MAIN ；主程序入口ORG 0003HAJMP INT0IS ；外部中斷0入口ORG 000BHAJMP TM0IS ；定時器0中斷入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中斷1入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定時器1中斷入口19ORG 0100H20MAIN：ANL P1，00H SETB IT0 ；外中斷低電平觸發(fā) SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX DPTR，CMD；將控制字寫入控制端，A口輸

44、入，B口輸出，C口輸入MOV DPTR ， PAMOV A, 00HMOVX DPTR ， AMOV DPTR ， PBMOV A, 00HMOVX DPTR ， AMOV DPTR ， PCMOV A, 00HMOVX DPTR ， A SETB EX0 ；允許外中斷0 SETB EX1 ；允許外中斷1 SETB PX0 SETB PX1 ；設(shè)置優(yōu)先級 SETB EA ；開總中斷 LOOP：AJMP LOOP ；等待中斷在等待中斷的過程中，如果有中斷到來，先檢查中斷0的狀態(tài)，是中斷0則進入中斷0的中斷服務(wù)INT0IS，是中斷1則進入中斷1的中斷服務(wù)INT1IS。中斷服務(wù)0是由4個行程開關(guān)觸發(fā)

45、的，它觸發(fā)后通過單片機讀取PA口內(nèi)容，然后將結(jié)果反饋到PB口的LED上。中斷服務(wù)1有6個中斷源，這六個中斷源分別是手動X正方向運行，手動X負方向運行，手動Y正方向運行，手動Y負方向運行，復(fù)位和繪制圓弧。205.3 INT0中斷服務(wù)流程圖圖5.2 INT0中斷流程圖首先保護現(xiàn)場，將PA口的內(nèi)容讀出到PB口中以便LED顯示。首先看X方向的PA1和PA0是否有中斷請求，若有，表示在X方向上工作臺的行程按鈕已被觸動，為保護工作臺，則需發(fā)出相應(yīng)的信號給電動機，即將P1.0或P1.1置為0，電機停止運行。再看Y方向是否有中斷請求，步驟一樣，最后恢復(fù)現(xiàn)場，中斷返回，等待下一次中斷。程序如下：INT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL PUSH DPTH PUSH PSW MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；讀PA口內(nèi)容 MOV R2，A21 MOV A，PB22MOV DPTR,A MOV DPTR,R2 ；LED顯示PA口內(nèi)容 MOV A，R