X-Y工作平臺(tái)設(shè)計(jì)報(bào)告

學(xué)號(hào):課程設(shè)計(jì)題目X-Y工作平臺(tái)的設(shè)計(jì)教學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)機(jī)械電子工程班級(jí)姓名指導(dǎo)教師2013年12月5日目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"目錄1\o"CurrentDocument"一總方案的確2\o"CurrentDocument"1.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇2\o"CurrentDocument"1.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2\o"CurrentDocument"二機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型3\o"CurrentDocument"2.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算3\o"CurrentDocument"2.2直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型3\o"CurrentDocument"2.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型4\o"CurrentDocument"2.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用5\o"CurrentDocument"2.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型5\o"CurrentDocument"三控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)9CPU板9CPU的選擇9\o"CurrentDocument"CPU接口設(shè)計(jì)9\o"CurrentDocument"3.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)11\o"CurrentDocument"3.2.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理11\o"CurrentDocument"3.2.2電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路12電源設(shè)計(jì)12\o"CurrentDocument"3.3傳感器和人機(jī)界面13\o"CurrentDocument"四控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)14\o"CurrentDocument"4.1總體方案144.2主流程圖14\o"CurrentDocument"INT0中斷服務(wù)流程圖15INT1中斷服務(wù)流程圖16\o"CurrentDocument"4.4.1復(fù)位程序流程圖17\o"CurrentDocument"4.4.2X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖184.4.3繪制圓弧程序流程圖19\o"CurrentDocument"4.4.4步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖19\o"CurrentDocument"總結(jié)21一總方案的確1.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇（1）導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。（2）絲杠螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和±0.01mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。（3）減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)，所以采用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。（4）伺服電動(dòng)機(jī)的選用任務(wù)書規(guī)定的脈沖量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有1800mm/min。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。（5）檢測裝置的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)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(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不受切削負(fù)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(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。考慮到X、Y兩個(gè)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(jì)工作量，X、Y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)以及檢測裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。1.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的16位單片機(jī)AT89C51作為控制系統(tǒng)的CPU，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。（3）要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤與顯示電路、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(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。二機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型2.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(dǎo)軌之上移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為800N2.銑削力的計(jì)算設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則查表得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為：F=118?o.85f0.75d-0.73fll.On0.13Z（］）今選擇銑刀直徑d=15mm，齒數(shù)Z=3,為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=15mm，銑削深度ap=8mm，每齒進(jìn)給量f=0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min。則由式（1）求得最大銑削力：F=118x150.85x0.10.75x15-0.73x8L0x3000』3x3N-1463Nc采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由查表，并考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：Ff=1.1Fc~1609N，F(xiàn)e=0.38Fc=556N，F(xiàn)fn=0.25Fc~366N，工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力F=Fe=556N，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力Fx=Ff=1609N，徑向銑削力Fy=Ffn=366N。2.2直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型7（1）滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂向載荷為：P=§+Fz（2）其中，移動(dòng)部件重量G=800N，外加載荷F=Fz=2200N，代入（2）式得最大工作載荷PC=2400N=2.4kN。查表，根據(jù)工作載荷PC=2.4kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG35型，其額定動(dòng)載荷C=2.440kN，額定靜載荷aC0a=9.5kN。工作臺(tái)面尺寸為230mmx230mm，加工范圍250mmx250mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為520mm。（2）距離額定壽命的計(jì)算上述選取的KL系列JSA-LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為HRC60，工作溫度不超過100°C，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級(jí)，工作速度較低，載荷不大。查表，分別取硬度系數(shù)八=1.0，溫度系數(shù)fT=1.00，接觸系數(shù)fc=0.81，精度系數(shù)fR=0.9,載荷系數(shù)fw=1.5，得距離壽命:ffffCL=(htcr-—a)3x50牝6649kmfPWcy聶H5.4翊遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求。2.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型（1）最大工作載荷Fm的計(jì)算當(dāng)承受最大銑削力時(shí):工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）尺=1609N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）氣=366N，受到垂向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz=556N。已知移動(dòng)部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)〃=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm=KFx+（Fz+F+G）=[1.1x1609+0.005x（2200+366+800）]N-1787N（2）最大動(dòng)載荷Fq的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=1800mm/min，初選絲杠導(dǎo)程P=5mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=360r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=22000h，代入L0=60nT/106，得絲杠壽命系數(shù)L0=2.64（單位為：106r）。查表，取載荷系數(shù)扁=1.2，滾道硬度為HRC60時(shí)，取硬度系數(shù)fH=1.0，求得最大動(dòng)載荷：Fq=如^/代-8881N（3）初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈x1列，精度等級(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N，大于FQ，滿足要求。（4）傳動(dòng)效率n的計(jì)算將公稱直徑d0=20mm，導(dǎo)程Ph=5mm，代入A=arctan[PJ（兀刁0）]，得絲杠螺旋升角2=433,。將摩擦角（p=10'，代入n=tanA/tan（2+仞，得傳動(dòng)效率n=96.4%。（5）剛度的驗(yàn)算1）X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量=2.1Mpa；查表，得滾珠直徑=3.175mm，絲杠底徑=16.2mm，絲杠截面積/4=206.12mm2。得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量少i=Fma/(ES)=[1779x500/(2.1X206.12)]mm-0.0205mm。根據(jù)公式Z=(兀d0/Dw)-3,求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)x列數(shù)為3x1,代入公：Z,=Zx圈數(shù)x列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z,=60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力Fyj=Fm13=59N,求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量52-0.0026mm。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3,所以實(shí)際變形量可減小一半，取5=0.0013mm。將以上算出的51和52代入5總二%+52，求得絲杠總變形量(對(duì)應(yīng)跨度500mm)5總=0.0218mm=21.8〃m。由表知,5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315?400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25〃m，可見絲桿剛度足夠。壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷孔。查表，取支承系數(shù)匕=1；由絲杠底徑d2=16.2mm，求得截面慣性矩I=兀d4/64-3380.88mm；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3(絲杠臥式水平安裝)；滾動(dòng)螺母全軸向固定處的距離a取最大值500mm，得臨界載荷七-9343N，遠(yuǎn)大于工作載荷FT779N，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。2.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量小=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph=5mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角a=0.75°，算得減速比：i=(aPh)/(360d)=(0.75x5)/(360x0.005)=25:12本設(shè)計(jì)選用大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75:36，材料為45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)HRC55。減速箱中心距為[(75+36)x1/2]mm=55.5mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。2.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型(1)計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jeq已知：滾珠絲杠的公稱直徑d=20mm，總長l=500mm，導(dǎo)程P=5mm,材料密度p=7.85x10-3kg/cm3;移動(dòng)部件總重量G=800N;小齒輪寬度b=20mm，1直徑d=36mm;大齒輪寬度b=20mm，直徑d=75mm；傳動(dòng)比i=25/12。參照表，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下(具體計(jì)算過程從略)：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.617kg-cm2，拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣J=0.517kg-cm2，小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j1=0.259kg-cm2，大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J尸4.877kg-cm2。初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，為兩相混合式，二相四拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為0.75°，則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=J+J+(J+J+J)/i2=30.35kg?cm2eqmz1z2WS計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1)快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1包括三部分：一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Tmax；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，T0相對(duì)于Tf和T很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq1=T+Tf考慮傳動(dòng)鏈的總效率n計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：T=2Jeqnmx—amax60ta^式中nm——對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min；七——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。其中：n=Lax^(5)m360x8式中v空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為3000mm/min；a步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.75；脈沖當(dāng)量，本例$=0.005mm/脈沖。

將以上各值代入式（5）,算得nm=1250r/min。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時(shí)間ta=0.4s，傳動(dòng)鏈總效率n=7。2兀x30.35x10-4x1250則由式（4）求得：T=牝1.42（N-m）amax60x0.4x0.7當(dāng)移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：Tf=蘭邪％（6）則由式（6），得：T=°.005x（°+80°）x°.005.0.002（N-m）f2兀x0.7x25/12最后由式（3），求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Teq1=T+Tf=1.422N（7）2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T之eq2Teq2包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0，T0相對(duì)于Tt和Tf很小，可以忽略不計(jì)。貝U有：Teq2=Tt+Tf（8）1609x0.005本例中在對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷Fx=1609N，則折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1609x0.005牝0.88（N-m）FPT=fh=t2兀頁2兀x0.7x25/12TOC\o"1-5"\h\z再計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（Fz=556N）情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：Z貝F+G）P_0.005x（556+800）x0.0050.004（N-m）2兀x0.7x25/12牝0.88（N-m）0.004（N-m）2兀x0.7x25/12Teq2=Tt+Tf=0.884N-m（9）經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：Teq=max{Teq1，Tq2}=1.422N-m（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)芯=4,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：Tjmax>4x1.422N-m=5.688N-m（10）上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602,查表得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=6N?m?？梢?，滿足（10）式的要求。（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度v=400mm/min，脈沖當(dāng)量＜5=0.005mmZ脈沖，可求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率f廣［400/（60x0.005）］Hz-1333Hz。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖1可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T廣5.6N?m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=0.884N-m，滿足要求。2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度v=3000mm/min，可求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率f=［3000/（60x0.005）］Hz=10000Hz。在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tnax=1.8N-m，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=1.422N?m，滿足要求。3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核最快空載移動(dòng)速度v=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率f=10000Hz。查表知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的極限運(yùn)行頻率為20000Hz，可見沒有超出上限。4）起動(dòng)頻率的計(jì)算已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq=30.35kg?cm2電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、=4kg?cm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高起動(dòng)頻率fq=1800Hz。可求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：f=.fq=614Hz1+勺m上式說明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于614Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。綜上所述，本例中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。三控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)、傳感器、人機(jī)交互界面。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意幾點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價(jià)低、可維護(hù)性、人機(jī)交互界面可操作性比較好。CPU板CPU的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號(hào)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(jī)89C51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)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(jī)，MCS-96系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運(yùn)算和擴(kuò)展能力。但是定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價(jià)比。從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無疑提高了設(shè)計(jì)價(jià)格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費(fèi)。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機(jī)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(jī)內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)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(shí)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(chǔ)器，S表示含有串行下載Flash存儲(chǔ)器。AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲(chǔ)器容量為4KB、16位定時(shí)器2個(gè)、中斷源6個(gè)（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時(shí)器0和定時(shí)器1中斷）、RAM為128B、14位的計(jì)數(shù)器WDT、I/O口共有32個(gè)。CPU接口設(shè)計(jì)CPU接口部分包括傳感器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示:圖3-1CPU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(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。（2）通過程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)和電磁鐵的運(yùn)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。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(jìn)行I/O擴(kuò)展?？紤]到電路的簡便性和可實(shí)現(xiàn)性，實(shí)際中采用內(nèi)部自帶鎖存器的8155，所以AT89S51的I/O口線分配如下：（1）P1.0-P1.5控制X-Y兩個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)的A、B、C線圈通電，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正轉(zhuǎn)模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反轉(zhuǎn)模式。（2）P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。（3）P3.2和P3.3兩個(gè)中斷源中INT0優(yōu)先級(jí)最高，它讀入行程開關(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷;INT1讀入點(diǎn)動(dòng)、復(fù)位、圓弧插補(bǔ)開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。（4）P0.0-P0.7外部I/O擴(kuò)展的數(shù)據(jù)讀取。（5）P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址。圖3-2AT89S51控制系統(tǒng)圖PB口接LED反映當(dāng)前運(yùn)行的8個(gè)狀態(tài)：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y禁止、手動(dòng)X+運(yùn)行、手動(dòng)X-運(yùn)行、手動(dòng)Y+運(yùn)行、手動(dòng)Y-運(yùn)行。PA口低四位反映觸發(fā)中斷1的4個(gè)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(dòng)X+運(yùn)行、手動(dòng)X-運(yùn)行、手動(dòng)Y+運(yùn)行、手動(dòng)Y-運(yùn)行、復(fù)位（RST）、圓弧插補(bǔ)6個(gè)開關(guān)的狀態(tài)。

>INT0/INT1+J—PATC□」圖3-3多中斷源中斷觸發(fā)圖「3.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、定位和退刀時(shí)能快速運(yùn)行、工作時(shí)能帶動(dòng)工作臺(tái)并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運(yùn)行。在定位和退刀時(shí)電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時(shí)能及時(shí)釋放磁力使筆尖壓下。3.2.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線行進(jìn)0.01mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù)CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)將大的電壓加在CPU上使其燒壞。X-PAKQ,-'4Li「I廠90145VCCT■00QTEP-5ZIA'X-PAKQ,-'4Li「I廠90145VCCT■00QTEP-5ZIA'27VCCDK&3該電路中的功放電路是一個(gè)單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǔ)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(hù)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(dòng)機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（三個(gè)線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AC-C-CB-B-BA-A。

步進(jìn)時(shí)鐘jLnLnLnmmL^^nLnL^A相波形_lB相波形—C相波形圖3-5三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（正轉(zhuǎn)）3.2.2電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路該驅(qū)動(dòng)電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對(duì)簡單。其光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電磁鐵的電流比較大。5VCC12VCC3.2.3電源設(shè)計(jì)中用到的電源電壓為27V、12V、5V5VCC12VCC3.2.3電源設(shè)計(jì)中用到的電源電壓為27V、12V、5V，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標(biāo)準(zhǔn)的27V電源電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個(gè)電容，前面電容起防止自激作用，后面電容起濾波作用。此3.3傳感器和人機(jī)界面由于步進(jìn)電機(jī)不需要反饋電路，但是要注意工作臺(tái)不能超過最大行程。因此，必須在乂、Y軸的方向各加上兩個(gè)行程開關(guān)。這里行程開關(guān)作用有兩個(gè)：（1）防止工作臺(tái)超過最大行程，使電機(jī)損壞（2）可以用與定位。所以這4個(gè)行程開關(guān)就充當(dāng)了傳感器。人機(jī)界面設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則就是要有良好的人機(jī)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9個(gè)LED，LED1燈亮表示X軸負(fù)方向禁止通行，LED2燈亮表示X軸正方向禁止通行，LED3燈亮表示Y軸負(fù)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(dòng)使工作臺(tái)向X軸負(fù)方向通行，LED6燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向X軸正方向通行，LED7燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向Y軸負(fù)方向通行，LED8燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向Y軸正方向通行，LED9亮表示系統(tǒng)通電運(yùn)行。界面上的7個(gè)按扭意義為：按扭1是通斷電開關(guān)，按扭2是向X軸負(fù)方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按扭3是向X軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按扭4是向Y軸負(fù)方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按扭5是向Y軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)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)。?LED8?LED5?LED6總開關(guān)2?LED5?LED6總開關(guān)2通行?LED7、：、jLED1X-禁止JLED2如■禁止?LED7、：、jLED1X-禁止JLED2如■禁止?LED3「禁止二JLED4?+禁止67復(fù)位繪制圓弧圖3-8人機(jī)界面圖

四控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)復(fù)位4.1總體方案對(duì)于AT89S51的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)現(xiàn)的功能較簡單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil7.02b。該編譯器是51系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的常用工具，既可用匯編，也支持C語言編譯。同時(shí)具有完善的調(diào)試功能。4.2主流程圖CTLEQU3FF8H上電復(fù)位PAeQU3FF9h-rPBEQU3FFAHPCEQU3FFBHCMDEQU02HP1.6=0，吸合電磁鐵，繪筆抬起ORG0000H1AJMPMAINORG0003H外部中斷，8155初始化AJMPINT0IS；外部中斷0入口ORG000BHVAJMPTM0IS；定時(shí)器0中斷入口開外部中斷，開總中斷ORG0013H了AJMPINT1IS；外部中斷1入口ORG001BHAJMPTM1IS；定時(shí)器1中斷入口等待中斷ORG0100HMAIN：ANLP1，0EFHSETBIT0；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā)圖4-1SETBIT1MOVA，CTLMOVDPTR，AMOVX@DPTR，CMD；A口輸入，B口輸出，C口輸入SETBEX0；允許外中斷0SETBEX1；允許外中斷1SETBPX0SETBPX1；設(shè)置優(yōu)先級(jí)SETBEA；開總中斷LOOP：AJMPLOOP；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(jìn)入中斷0的中斷服務(wù)INT0IS，是中斷1則進(jìn)入中斷1的中斷服務(wù)INT1IS。中斷服務(wù)0是由4個(gè)行程開關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機(jī)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(gè)中斷源，這六個(gè)中斷源分別是手動(dòng)X正方向運(yùn)行，手動(dòng)X負(fù)方向運(yùn)行，手動(dòng)Y正方向運(yùn)行，手動(dòng)Y負(fù)方向運(yùn)行，復(fù)位和繪制圓弧。4.3INT0中斷服務(wù)流程圖圖4-2INT0IS：PUSHACCPUSHDPTLPUSHDPTHPUSHPSWMOVA，PAMOVDPTR，AMOVXA，@DPTR；讀PA口內(nèi)容MOVR2，AMOVA，PBMOVDPTR,AMOV@DPTR,R2MOVA，R2CPLA；A取反ANLA，#03H；屏蔽高6位JZA，TM2CSETBP1.0SETBP1.1SETBP1.2TM2C：MOVA，R2CPLAANLA，#0CHJZA，RETINSETBP1.3SETBP1.4SETBP1.5RETIN：POPPSWPOPDPTHPOPDPTLPOPRETIACC關(guān)外部中斷1保護(hù)現(xiàn)場P1.6=0,讀PC口內(nèi)容PC口低4位內(nèi)容給PB高4位INT1IS：CLREX1MOVA,@DPTRPUSHACCJNBACC.4,RSTPUSHPSWJNBACC.0,X+ENPUSHDPTLJNBACC.1,X-ENPUSHDPTHJNBACC.2,Y+ENCLRP1.6JNBACC.3,Y-ENMOVA,PCJNBACC.5,ARCMOVDPTR,ALOOP1：POPDPTHMOVXA,@DPTR；讀PC口內(nèi)容POPDPTLMOVR1,APOPPSWANLR1,#0FHPOPACCMOVA,PBSETBEX1MOVDPTR,ARETIMOVA,@DPTR；讀PB口內(nèi)容ANLA,#0FHSWAPAORLA,R1MOVR2,AMOVA,PBMOVDPTR,AMOVX@DPTR,日2；數(shù)據(jù)輸入PB口INCDPTL4.4.1復(fù)位程序流程圖DIRXEQU30HDIRYEQU31HRST：RPA：ACC2：CLRP1.6MOVA,PAMOVDPTR,AMOVXA,@DPTRJNBACC.0,ACC2MOVDIRX,#00HAC