機電一體化課程設(shè)計機設(shè)(共23頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機電一體化課程設(shè)計課程設(shè)計說明書題 目 數(shù)控兩軸旋轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計工作 機械工程 學院 機械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè) 0804班 41號學生姓名 曾斌斌 . 指導教師 黃中華 劉玉松 .完成日期 2012年12月29日 .湖南工程學院機械工程系湖南工程學院課程設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目：數(shù)控兩軸旋轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計工作姓名曾斌斌系別機械專業(yè)機械設(shè)計制造及自動化班級JS0804學號41指導老師黃中華 劉玉松 教研室主任陳小異一、基本任務(wù)及要求1設(shè)計任務(wù)1) 課題內(nèi)容簡介或設(shè)計要求：完成如圖所示兩軸步進電機驅(qū)動運動工作臺及控制系統(tǒng)的設(shè)計；要求工作臺旋轉(zhuǎn)輸出精度2mrad，工作臺重20Kg,

2、 具備鎖住功能，步進電轉(zhuǎn)速300rpm，有手動控制旋轉(zhuǎn)角度功能和角度顯示功能；2) 包括步進電機及驅(qū)動器的選擇、減速器的設(shè)計、單片機控制、輸入電路、控制電路、等主要組成部分。3) 設(shè)計內(nèi)容包括：總體設(shè)計，機械系統(tǒng)的設(shè)計與計算，計算機控制系統(tǒng)設(shè)計，編寫設(shè)計計算說明書；2要求1) 機械部分的設(shè)計：零件圖，裝配圖；2）計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計：控制系統(tǒng)接口圖。二、進度安排及完成時間1設(shè)計時間 二周（從2011年11月 14日至2011年11月 25 日）2進度安排 第1周 第2周 整理設(shè)計資料；按格式撰寫設(shè)計說明書；上交設(shè)計作業(yè)；并參加答辯。目錄摘要. . . . . . .11. 任務(wù)與分析. . .

3、 .22. 總體方案的設(shè)計. . .3 2.1總體方案的設(shè)計. .3 2.2機械部分的設(shè)計. 4 2.2.3步進電機的選擇. .5 2.3控制面板的布局及按鈕的功能設(shè)計.6 2.4控制系統(tǒng)的設(shè)計.73. 程序編寫. . .13 3.1流程圖. 13 3.2鍵盤子程序13 結(jié)論. . . . . . . .20 參考文獻. . . 21 摘要隨著數(shù)控技術(shù)的普及，現(xiàn)在越來越多的設(shè)備都離不開這項技術(shù)了。本課程設(shè)計說明書圍繞數(shù)控技術(shù)展開了一系列的討論和說明。首先，為滿足課程設(shè)計的要求，控制系統(tǒng)采用的是MCS-51單片機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的性能較好，價格也還算公道，比較適合完成此課程設(shè)計（即數(shù)控旋轉(zhuǎn)臺的設(shè)

4、計）的相關(guān)任務(wù)。但由于MCS-51單片機的驅(qū)動能力有限，不能直接帶動工作臺旋轉(zhuǎn)，所以還必須外接一個驅(qū)動器，所以驅(qū)動電路的設(shè)計在此說明書中占有比較大的比例，根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，可采用開環(huán)控制的步進電機驅(qū)動電路。當然整個系統(tǒng)離不開機械部分的支持，所以機械部分的設(shè)計也尤為重要，此說明書主要針對步進電機、軸承的選擇，以及蝸桿蝸輪的配合等做了相應(yīng)的闡述。關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù) MCS-51單片機 驅(qū)動電路1.任務(wù)與要求1設(shè)計任務(wù)1) 課題內(nèi)容簡介或設(shè)計要求：完成如圖所示兩軸步進電機驅(qū)動運動工作臺及控制系統(tǒng)的設(shè)計；要求工作臺旋轉(zhuǎn)輸出精度2mrad，工作臺重20Kg, 具備鎖住功能，步進電轉(zhuǎn)速300rpm，有手動

5、控制旋轉(zhuǎn)角度功能和角度顯示功能；2) 包括步進電機及驅(qū)動器的選擇、減速器的設(shè)計、單片機輸入電路、控制電路、等主要組成部分。3) 設(shè)計內(nèi)容包括：總體設(shè)計，機械系統(tǒng)的設(shè)計與計算，計算機控制系統(tǒng)設(shè)計，編寫設(shè)計計算說明書；2要求1) 機械部分的設(shè)計：零件圖，裝配圖；2）計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計：控制系統(tǒng)接口圖。2總體方案的設(shè)計2.1數(shù)控旋轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計數(shù)控旋轉(zhuǎn)臺根據(jù)其特點，大致包括以下主要部件：1. 完成最終功能的機械執(zhí)行部件（即產(chǎn)品的機械裝置）；2. 操作者操縱產(chǎn)品的工作以及了解產(chǎn)品的工作狀態(tài)的操作面板；3. 處理操作指令的控制系統(tǒng)；4. 對控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號進行發(fā)大以及驅(qū)動相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動電路。1 轉(zhuǎn)

6、角軸驅(qū)動電機 2 連接盤3 聯(lián)軸器 4右轉(zhuǎn)位半軸5 轉(zhuǎn)角軸支架6 傳動軸 7 夾盤8 轉(zhuǎn)角主軸 9 左轉(zhuǎn)位半軸 10 轉(zhuǎn)位蝸輪軸支架11 轉(zhuǎn)位蝸輪 12 轉(zhuǎn)位蝸桿 13 工作臺殼體14 轉(zhuǎn)角軸蝸桿 15 轉(zhuǎn)角軸蝸輪 16 齒輪 17齒輪 18 定位鍵 19 連接盤 20 轉(zhuǎn)位軸驅(qū)動電機 2 1 底座圖1 兩軸數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)2.2步進電機的選擇表2-2 電機參數(shù)相數(shù) 三相 步距角 1.2步距角精度 5（整步，空載，無累積誤差） 電阻精度 10 電感精度 20 溫升 80C Max（額定電流） 環(huán)境溫度 -20C50C絕緣電阻 100M Min，500VDC介電強度 500VAC，1分鐘 徑

7、向間隙 0.06Max（450g負載） 軸向間隙 0.08Max（450g負載） 徑向最大負載 220N（距法蘭面20mm） 軸向最大負載 60N電氣規(guī)格（Electrical Specification）型號 Model額定電壓 Rated Voltage（V） 電流/相 （峰值） Current /Phase（A） 保持轉(zhuǎn)矩 Holding Torque（Nm） 轉(zhuǎn)動慣量 Rotor Inertia（gcm2） 軸徑 Shaft DiameterD（mm） 鍵 Key（mm） 重量 Weight（Kg） 機身長度 Shaft Length（mm） 適配驅(qū)動器 DM397H3251.752.

8、01320124202.069DMDT68DM397L405.82.01320124202.069DMDT68DM3910H3252.04.02400124203.097DMDT68DM3910L405.84.02400124203.097DMDT68DM3913H3252.256.03800144204.0125DMDT68DM3913L405.86.03480144204.0125DMDT68首先必須要明白步進電機的工作原理，它將是電脈沖信號變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，所以步進電機常用于開環(huán)系統(tǒng)的控制，這一點剛好能滿足課程設(shè)計中開環(huán)控制的要求。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置

9、只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則相應(yīng)轉(zhuǎn)過一個角度（這個角度叫做步矩角，是步進電機中一個很重要的參數(shù)）。由于這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累計誤差等特點，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變得非常很方便，其次，還要知道雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規(guī)下使用，因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。要正確地選擇步進電機，還必須清楚它的特性，主要有以下幾點：1. 步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜

10、止，如果加入適當?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比；2. 步進電機電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特點；3.改變脈沖的順序，可以方便地對步進電機進行調(diào)整。要根據(jù)轉(zhuǎn)矩和步矩角選擇合適的步進電機，表3-2所述，可選擇型號為DM39系列的步進電機，步矩角為1.2度，保持轉(zhuǎn)矩為7.6N.m。 步進最高轉(zhuǎn)速為900轉(zhuǎn)/分鐘。2.3控制系統(tǒng)的設(shè)計2.3.1 操作控制面板的功能設(shè)計及按鈕的布局設(shè)計布局如圖二，包括LCD顯示器（用于顯示五位分度角度）、數(shù)字鍵09（用于輸入分度角度）、Left和Right鍵（用于左右移動光標）、Up和Down鍵（用于增加或減少每一位的數(shù)值）、回零按鈕

11、（用于分度轉(zhuǎn)臺的機械回零）、顯示器開關(guān)按鈕、報警指示燈、串口RS232指示燈以及Enter鍵（完成輸入分度角度之后，按下此鍵分度轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度）。LCD顯示器1234567890數(shù)字鍵區(qū)LeftUpDownRight顯示器開關(guān)按鈕回零按鈕ALARMRS232Enter圖2操作控制面板布局設(shè)計2.3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計首先要明確控制系統(tǒng)的基本硬件包括：CPU、存儲器（程序存儲器ROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM）、I/O接口電路等。由于單片機具有以下的特點：1.優(yōu)異的性價比；2.集成度高、體積小、可靠性高。單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連續(xù)，大大提高了計算機的

12、可靠性與抗干擾能力，另外，其體積小，對于強磁環(huán)境，易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作；3.控制功能強。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中有豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O的邏輯操作以及位處理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機；4.低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；5.單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。由于單片機具有以上的特點，微處理可選擇MCS-51的單片機。MCS-51的單片機共有四個8位的并行I/O口，分別記作P0、P1、P2、P3,也就是說一共有32個接口，由于課程設(shè)計所完成的功能比較簡單，32個接口足夠用了，不需要再進行擴

13、展I/O的設(shè)計，但要知道這四個8位的并行I/O口都有相同的特殊功能寄存器，并且具有字節(jié)尋址和位尋址的功能，每個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器，其中P0口的驅(qū)動能力最強，可驅(qū)動八個LSTTL負載，其他口只能驅(qū)動四個，另外P3口具有第二功能（包括RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD）。MCS-51的單片機與控制面板的鏈接設(shè)計如圖3：MCS-51P2.6P2.7P1.0P1.5277INT0INT1RXDTXDRESETP0.6P0.7P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0UCCLCD顯示器RES232UCCUCC18按鍵顯示器開關(guān)按鈕Enter按鈕U

14、CC數(shù)字9數(shù)字0“右”“左”“下”“上”RES232指示燈ALARM指示燈UCC回零鍵圖3MCS-51的單片機與控制面板的鏈接設(shè)計2.3.3 驅(qū)動電路的設(shè)計在步進電機已選擇好的情況下，再來對驅(qū)動電路進行設(shè)計，因為步進電機對驅(qū)動電路有如下的要求：1.驅(qū)動電路的通電數(shù)、通電方式、驅(qū)動電壓、驅(qū)動電流都必須能滿足步進電機的要求；2.驅(qū)動電路的設(shè)計要滿足步進電機起動頻率和連續(xù)運行的要求；3.能最大限度抑制步進電機的振蕩；4.工作可靠，抗干擾能力強，能承受一定的過載；5.成本低，效率高，安裝和維護方便。另外，還必須知道步進電機驅(qū)動電路的基本組成部分，主要包括：脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖功率放大器三個部分

15、，具體執(zhí)行情況如下：指令脈沖發(fā)生器脈沖分配器脈沖功率放大器步進電機。在不同的機電應(yīng)用系統(tǒng)中，步進電機各部分有所不同。根據(jù)課程設(shè)計任務(wù)的要求，選擇脈沖的產(chǎn)生和分配均由MCS-51單片機來完成的方式，輸出脈沖信號經(jīng)功率放大器放大再進入步進電機。經(jīng)過多方綜合的考慮，選擇繼電器驅(qū)動方式（因為繼電器方式的開關(guān)量輸出是最常見的輸出方式，通過弱電控制外界的交流或直流的高電壓、大電流設(shè)備，繼電器驅(qū)動電路的設(shè)計要根據(jù)所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，控制電流一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作），具體的接口電路如圖（3）繼電器的動作由單片機的P0.0端控制，P0.0端輸出低電平時，繼電器J吸合；P

16、0.0端輸出高電平時，繼電器J釋放，采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸合。二極管VD的作用是保護三極管V。原理如下：當P0.0端輸出低電平時，V導通，繼電器吸合；當P0.0端輸出高電平時，V截止，繼電器斷開。在繼電器吸合到斷開的瞬間，由于線圈中的電流不能突變，將在線圈產(chǎn)生較高的下正上負的感應(yīng)電壓，使晶體管集電極承受較高電壓，有可能燒壞驅(qū)動三級管V。為此在繼電器J線圈兩端并接一個續(xù)流二極管VD，使線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流有二極管VD流回。正常工作時，線圈上的電壓上正下負，二極管VD截止，對電路沒有影響。機械繼電器可在繼電器節(jié)點兩端并接火花抑制電路，減少電火花影響，如圖（4）中

17、的0.0uF的電容。4N25使兩部分的電流信號獨立。UCC是單片機系統(tǒng)電源，UDD是供繼電器的電源。輸出部分的地線接機殼或接大地，而單片機系統(tǒng)的電源地線數(shù)字地（浮空的）不與交流電源的地線相接。這樣可避免輸出部分電源變化對單片機電源的影響，減少系統(tǒng)所受的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。89C51P0.07407UCCUDDJ步進電機VB90134N25150VD1K1K0.01uF圖4驅(qū)動電路3 程序編寫3.1流程圖記錄輸入的數(shù)據(jù)計算程序，算出步進電機的步數(shù)循環(huán)產(chǎn)生脈沖中斷時間到響應(yīng)中斷，停止脈沖輸出3.2鍵盤子程序：鍵盤掃描計算程序，算出步進電機的步數(shù)循環(huán)產(chǎn)生脈沖中斷時間到響應(yīng)中斷，停止脈沖輸出等待鍵

18、盤輸入鍵盤子程序：KEY： LCALL KS2 檢查有閉合鍵否？JNZ MK1 A非0，有鍵閉合則轉(zhuǎn)LJMP MK7 無鍵閉合轉(zhuǎn)返回MK1： LCALL DIR 有鍵閉合，則延時12msLCALL DIR 消抖LCALL KS2 再次檢查有鍵閉合 JNZ MK2 若無鍵閉合則轉(zhuǎn)LJMP MK7 若無鍵閉合則轉(zhuǎn)返回MK2： MOV P1，#F0H 發(fā)行線全掃描信號，列線全1MOV A，P1 讀入列狀態(tài)ANL A，#F0H 保留高4位CJNE A，#FOH ，MK3 有鍵按下則轉(zhuǎn)LJMP MK7 無閉合鍵轉(zhuǎn)返回MK3： MOV R2，A 保存列值ORL A，#0FH 列線信號保留，行線全1MOV

19、P1，A 從列先輸出MOV A，P1 讀入P1口狀態(tài)ANL A，#0FH 保留行線值A(chǔ)DD A，R2 將行線值和列線值合并MOV R2，A 暫存與R2中MOV R3，#00H R3存簡直MOV DPTR，#TRBE 指向鍵值表首地址MOV R4，#10H 查找次數(shù)送R4MK4：CLR AMOVC A，A+DPTR 表中值送入AMOV 70H,A 暫存與70H單元中MOV A,R2 鍵特征值送入ACJNE A,70H,MK6 未查到則轉(zhuǎn)MK5: LCALL DIR 掃描1遍顯示器LCALL KS2 還有鍵閉合否？JNZ MK5 若鍵未釋放，則等待LCALL DIR 若鍵已釋放，則延時12msLC

20、ALL DIR 消抖MOV A,R3 將鍵值存入A中RET 返主MK6: INC R3 鍵值加一INC DPTR 表地址加1DJNE R4,MK4 未查到，反復查找MK7: MOV A,#FFH 無閉合鍵標志存入A中RET 返主KS2: MOV P1,#FOH 閉合鍵判斷子程序MOV A,P1 發(fā)全掃描信號，讀入列線值A(chǔ)NL A,#FOH 保留列線值CPL A 取反，無鍵按下全0RET 返主TRBE: DB 01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,08HDB 09H,00H,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH把輸入的數(shù)字轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)：MOV A,30HMOV B,#

21、64HMUL ABMOV R6,AMOV R7,AMOV A,#31HMOV B,#OAHMUL ABADD A,R6MOV A,#32HMOV R6,A 這樣高位在R7中，低位在R6中計算程序：MOV R5,#00HMOV R4,#4BHDIV MOV A,R5 除數(shù)高8位送AJNZ BEGIN 除數(shù)非零則轉(zhuǎn)BEGINMOV A,R4 除數(shù)底8位送AJZ OVER 除數(shù)為零置益出標志BEGIN: MOV A,R7 被除數(shù)高8位送AJNZ BEGIN1 被除數(shù)非零則轉(zhuǎn)BEGIN1MOV A,R6 被除數(shù)低8位送AJNZ BEGIN1 被除數(shù)非零則轉(zhuǎn)BEGIN1RET 被除數(shù)為零則返回BEGIN

22、1: CLR A 清余數(shù)單元MOV R2,AMOV R3,AMOV R1,#10H 雙字節(jié)除法計數(shù)器置16DIV1: CLR C 開始R3R2R7R6左移MOV A,R6 被除數(shù)低8位送ARLC A R6循環(huán)左移一位MOV R6,A 左移結(jié)果送回MOV A,R7 被除數(shù)高8位送ARLC A R7循環(huán)左移一位MOV R7,A 左移結(jié)果回送MOV A,R2 余數(shù)左移一位RLC A MOV R2,AMOV A,R3RLC AMOV R3,ADIV2: MOV A,R2 開始部分余數(shù)減除數(shù)SUBB A,R3 低8位先減MOV R0,A 暫存差值MOV A,R3 MOV A,R5 高8位相減 JC NE

23、XT 若部分余數(shù)除數(shù)則轉(zhuǎn)NEXTINC R6 若部分余數(shù)=除數(shù)則商為1MOV R3,A 新余數(shù)存R3 R2MOV A,R0MOR R2,ANEXT: DJNZ R1,DIV1 16位除完則返回MOV A,R3 開始四舍5入處理JB A.7,ADD1 若余數(shù)最高位為1則進1CLR C 開始余數(shù)乘2處理MOV A,R2RLC A 余數(shù)低8位乘2MOV R2,AMOV A,R3RLC A 余數(shù)8位乘2SUBB A,R5 余數(shù)*2-除數(shù)JC NOOVER 若余數(shù)*小除數(shù)則轉(zhuǎn)JNZ ADD1 若夠減則轉(zhuǎn)進1MOV A,R2 高8位相等時比較底8位SUBB A,R4JC NOOVER 余數(shù)*2除數(shù)則轉(zhuǎn)ADD1: MOV A,R6 開始商進1處理ADD A,#01HMOV R6,AMOV A,R7ADDC A,#00HMOV R7,ANOOVER:MOV OVER,#00H 清益出標志RETOVER: MOV OVER,#00H 置益出標志RET中斷、循環(huán)產(chǎn)生脈沖：ORG OO1BH T1中斷入口LJMP HERE 轉(zhuǎn)到HERE處ORG 2000H 主程序MOV TMOD,#10H T1工作于方式1MOV A,R3 設(shè)置計數(shù)