雙坐標工作臺設(shè)計說明書

..機電專業(yè)課程設(shè)計Ⅲ雙坐標數(shù)控工作臺設(shè)計目錄設(shè)計目的----------------------------------------------------------------設(shè)計任務(wù)----------------------------------------------------------------設(shè)計內(nèi)容和步驟-------------------------------------------------------〔一總體方案設(shè)計----------------------------------------------①導(dǎo)軌副的選用

②絲杠螺母的選用

③減速裝置的選用

④伺服電機的選用

⑤檢測裝置的選用

〔二機械傳動部件的計算和選型-----------------------①導(dǎo)軌上移動部件的重量估算

②銑削力的計算

③直線滾動導(dǎo)軌副的計算和選型

④滾珠絲杠副螺母副的計算和選型

⑤步進電動機減速箱的計算

⑥步進電機的計算與選型

⑦編碼器的選擇〔三工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計------------------------------〔四步進電機驅(qū)動電源的選用---------------------------四、設(shè)計總結(jié)-----------------------------------------------------------五、參考文獻-------------------------------------------------------一、設(shè)計目的雙坐標數(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)控鉆床的的雙坐標工作臺,激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。因此,雙坐標數(shù)控工作臺作為機電綜合課程設(shè)計的內(nèi)容,對于機電一體化專業(yè)的教學(xué)具有普遍建議,通過這次課設(shè),使我們?nèi)嫦到y(tǒng)的了解了數(shù)控機床的基本內(nèi)容和基本知識,初步掌握設(shè)計方法,并學(xué)會應(yīng)用手冊標準等技術(shù)資料,同時培養(yǎng)我們的創(chuàng)新意識、工程意識和動手能力。設(shè)計任務(wù)題目：雙坐標數(shù)控工作臺設(shè)計

要求：設(shè)計一臺雙坐標數(shù)控工作臺并開發(fā)其控制、驅(qū)動系統(tǒng),主要參數(shù)：

1兩坐標分辨率脈沖當量δ=0.001mm/step；2最大軸向載荷Fxmax=800N,Fymax=750N：

3工作臺進給最快移動速度Vxmax=Vymax=1m/min：

4采用滾珠絲杠、滾動導(dǎo)軌必要時增加減速機。

具體任務(wù)：

1確定總體方案,繪制系統(tǒng)組成框圖；

2進行必要的匹配計算,選擇適當?shù)脑骷?/p>

3機械部分裝配圖；

4控制電路設(shè)計,繪制電器原理圖1張；5編寫設(shè)計說明書。設(shè)計內(nèi)容和步驟

〔一總體方案設(shè)計

1、機械傳動部件選擇

①導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計的雙坐標工作臺是用來配套立式數(shù)控銑床的,需要承受的載荷不大,但脈沖當量小,所以定位精度高,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絲杠螺母副的選用電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動,要滿足0.001mm的脈沖當量,滑動絲杠副無能為力,只有選用滾珠絲杠副才能達到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運動平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可以消除反向間隙。③減速裝置的選用選擇了步進電機和滾珠絲杠副以后,為了圓整脈沖當量,放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩,降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量,可能需要減速裝置,且應(yīng)該有消間隙機構(gòu)。為此,試采用無間隙齒輪傳動減速箱。

④電動機的選用任務(wù)書規(guī)的脈沖當量達到0.001mm,工作臺最大移動速度也只有1m/min。因此,本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電機,如交流伺服電動機或直流伺服電動機等,可以選用性能好一些的步進電動機,如混合式步進電動機,以降低成本,提高性價比。⑤檢測裝置的選用選用步進電動機后,可選開環(huán)控制,也可以選用閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的要求對于步進電機來說還是有些偏高的,為了確保電動機再運轉(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,擬在電動機的尾部旋轉(zhuǎn)軸上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器,用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)式編碼器應(yīng)與步進電機的步距角相匹配。

考慮到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兩個坐標的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、電動機,以及檢測裝置擬采用相同型號和規(guī)格?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計①設(shè)計的X-Y工作臺準備用在數(shù)控銑床上,其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能,所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。

②對于步進電動機的半閉環(huán)控制,選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52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。

③要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng),在選擇CPU之后,還需要擴展程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、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)動電源,與步進電動機配套使用。〔二機械傳動部件的計算和選型

1、導(dǎo)軌上移動部件的重量估算

工作臺外形尺寸：300×300×50材料：鑄鐵

重量按照下導(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G=1000N。2、銑削力的計算

設(shè)零件的加工方式為立式銑削,采用硬質(zhì)合金立銑刀,工件材料為碳鋼,則由表1-1查得立銑是得銑削力計算公式為：表1-1硬質(zhì)合金銑刀銑削力的計算公式〔單位N[3]16銑刀類型工件材料銑削力公式面銑刀碳鋼灰鑄鐵可鍛鑄鐵圓柱銑刀碳鋼灰鑄鐵三面刃銑刀碳鋼兩面刃銑刀立銑刀其中：為背吃刀量mm；ae為側(cè)吃刀量mm；為每齒進給量mm/Z；進給速度mm/min；Z銑刀齒數(shù)；d銑刀直徑mm；n銑刀轉(zhuǎn)速r/min〔1-1

采用立銑刀進行銑削時,各銑削力之間的比值可由表1-2查得,考慮到逆銑的情況,可估算三個方向的銑削力分別為：,,立銑時,則工作臺受到水平方向的銑削力分別為和。則縱向銑削力,徑向銑削力,故≈max[],則工作臺受到垂直方向的銑削力。表1-2各銑削力之間比值銑削條件比值對稱銑削不對稱銑削逆銑順銑端銑削ae=<0.4~0.8>d/mm=<0.1~0.2>/<mm.z-1>0.3～0.40.6～0.90.15～0.30.85～0.950.45～0.700.9～1.00.50～0.550.50～0.550.5～0.55圓柱銑削ae=0.05d/mm=<0.1~0.2>/<mm.z-1>1.0～1.20.8～0.90.2～0.30.75～0.80.35～0.40.325～0.43、直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型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。X-Y工作臺采用水平布置,利用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況,即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔,則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：〔1-2其中,移動部件重量G=1000N,外加載荷F=FZ=1140N,代入式1-2得最大工作載荷。則由表1-3.根據(jù)初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為ZL系列的JSA-LG20型,其額定動載荷Ca=11.5kN,額定靜載荷C0a=14.5kN。②工作臺面尺寸為300×300,加工范圍為800×400,考慮工作行程應(yīng)留有一定余量,查表1-4,按標準系列,選取導(dǎo)軌長度為1240mm.1-4JSA型導(dǎo)軌長度系列導(dǎo)軌型號導(dǎo)軌長度系

JSA-LG15280340400460520580640700760820940JSA-LG20340400520580640760820940100011201240JSA-LG2546064080010001240136014801600184019603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065

750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000③距離額定壽命L的計算上述選取的ZL系列JSA-LG45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1-3~表1-9,分別取硬度系數(shù)fH=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,代入式1-3,得距離壽命：表1-5硬度系數(shù)滾道硬度〔HRC505558~640.530.81.0表1-6溫度系數(shù)工作溫度/℃<100100~150150~200200~2501.000.900.730.60表1-7接觸系數(shù)每根導(dǎo)軌上滑塊數(shù)123451.000.810.720.660.61表1-8精度系數(shù)精度等級23451.

1.00.90.9表1-9載荷系數(shù)工況無外部沖擊或震動的低速場合,速度小于15m/min無明顯沖擊或振動的中速場合,速度為15～60m/min有外部沖擊或振動的高速場合,速度大于60m/minfW1~1.51.5~22~3.5〔1-3常見球?qū)к壍木嚯x期望壽命為50km,滾子導(dǎo)軌為100km,由上式可知所選導(dǎo)軌的距離壽命遠遠大于期望值50km,故距離額定壽命滿足設(shè)計要求。滾珠絲杠螺母副的計算與選型①最大工作載荷Fm的計算在立銑時,工作臺受到進給方向的載荷〔與絲杠軸線平行Fx=800N,受到橫向的載荷〔與絲杠軸線垂直Fy=750N,受到垂直方向的載荷〔與工作臺面垂直Fz=1140N。表2-1最大工作載荷Fm實驗計算公式及參考系數(shù)導(dǎo)軌類型實驗公式Kμ矩形導(dǎo)軌1.10.15燕尾導(dǎo)軌1.40.2三角形或綜合導(dǎo)軌1.150.15~0.

8注：表中摩擦因數(shù)μ均為滑動導(dǎo)軌。對于貼塑導(dǎo)軌μ=0.03～0.05,滾動導(dǎo)軌μ=0.003～0.005。表中,為進給方向載荷,Fy為橫向載荷,為垂直載荷,單位均為N；G為移動部件總重力,單位為N；K為顛覆力矩影響系數(shù)；μ為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。已知移動部件總重量G=1000N,按矩形導(dǎo)軌進行計算,查表2-1,取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1,滾動導(dǎo)軌上的摩擦因素μ=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：②最大動載荷FQ的計算工作臺在承受最大銑削力時,最快進給速度V=1000mm/min,初選絲杠導(dǎo)程,則絲杠轉(zhuǎn)速,取滾珠絲杠的使用壽命為T=15000h,則絲杠壽命系數(shù)：〔查表2-2,取載荷系數(shù),滾道硬度為60HRC時,取硬度系數(shù)=1.0,代入式1-4,求得最大動載荷：表2-2滾珠絲杠載荷系數(shù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)載荷系數(shù)平穩(wěn)或輕度沖擊1.0～1.2中等沖擊1.2～1.5較大沖擊或振動1.5～2.5——硬度系數(shù)〔≥58HRC時,取1.0；等于55HRC時,取1.11；等于52.5HRC時,取1.35；等于50HRC時,取1.56；等于45HRC時,取2.40：<1-4>③初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程,選G系列2005-3型滾珠絲杠副,其公稱直徑為20mm,導(dǎo)程為5mm,循環(huán)列數(shù)為3圈×1列,精度等級取5級,額定動載荷為9309N,大于,滿足要求。④傳動效率η的計算將公稱直徑d0=20mm,導(dǎo)程Ph=5mm,代入,得絲杠螺旋升角。將摩擦角,代入,得傳動效率,效率要求大于90%,該絲杠副合格。⑤剛度的驗算X-Y工作臺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推力角接觸球軸承,面對面組配,左、右支承的中心距離約為a=1100mm；鋼的彈性模量E=2.1×105MPa；查附件3,得滾珠直徑=3.175mm,絲杠底徑d2=16.2mm,絲杠截面積。絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1在總變形量中的比重較大,可按下式計算：<1-5>式中：Fm——絲杠的最大工作載荷,單位為Na——絲杠兩端支承間的距離,單位為mmE——絲杠材料的彈性模量,鋼的E=2.1×105MPaS——絲杠按底徑d2確定的截面積,單位為mm2M——轉(zhuǎn)矩,單位為N·mmI——絲杠按底徑d2確定的截面積慣性矩〔,單位為由于轉(zhuǎn)矩M一般較小,谷第2項在計算時可忽略不計,則得：〔1-6滾珠與螺紋滾道間的接粗變形量：無預(yù)緊：<1-7>有預(yù)緊時：〔1-8式中：——滾珠直徑,mm——滾珠總數(shù)量,Z∑=Z×圈數(shù)×列數(shù)Z——單圈滾珠數(shù),〔外循環(huán),〔內(nèi)循環(huán)——預(yù)緊力,單位N因為選擇為內(nèi)循環(huán),故故：〔1-9絲杠預(yù)緊時,取軸向預(yù)緊力,因為絲杠加有預(yù)緊力,且為軸向載荷的1/3,所以實際變形量可減小一半,取=0.0017mm。將以上算出的代入,求得絲杠總變形量。本設(shè)計中,絲杠的有效行程為1000mm,由查表得,5級精度滾珠絲杠有效行程在800~1000有效行程的允差為40,可見絲杠的剛度足夠。⑥壓桿穩(wěn)定性校核滾珠絲杠是屬于受軸向力的細長桿,如果軸向負載過大,則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應(yīng)滿足：式中——臨界載荷,單位N——絲杠支承系數(shù),如表所示K——壓桿穩(wěn)定安全系數(shù),一般取2.5～4,垂直安裝時取小值A(chǔ)——滾珠絲杠兩端支承間的距離,單位為mm。表2-3絲杠支承系數(shù)方式雙推-自由雙推-簡支雙推-雙推單推-單推0.25241查表2-11,取fk=1；由絲杠底徑d2=16.2mm,求得截面慣性矩：壓桿穩(wěn)定系數(shù)K取3〔絲杠臥式水平安裝；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值1100mm。則得臨界載荷：>896N,故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述,初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。5、步進電動機的減速箱的選用為了滿足脈沖當量的設(shè)計要求,增大步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩,同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機軸上盡可能小,決定在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速,步進電動機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)計成雙片結(jié)構(gòu),采用彈簧錯齒法消除側(cè)隙。已知工作臺的脈沖當量=0.001mm/step,滾珠絲杠的導(dǎo)程=5mm,初選步進電動機的步距角α=0.15°,算得減速比：按圖,選一級齒輪傳動本設(shè)計選用F-3型齒輪減速箱,大小齒輪模數(shù)均為1mm,齒數(shù)比為75:36,材料為45鋼,齒表面淬硬后達55HRC。減速箱中心距為a=[<75+36>/2]=55.5mm,小齒輪厚度為20mm,雙片大齒輪厚度均為10mm。步進電動機的計算和選型

①計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm,總長l=1240mm,導(dǎo)程Ph=5mm,材料密度ρ=7.85×10-3kg/,移動部件總重力G=1000N,小齒輪寬度b1=20mm,直徑d1=36mm,大齒輪寬度b2=20mm,直徑d2=75mm,傳動比i=25/12。滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：拖板這算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量：初選電動機型號為90BYGH3501,為三相混合式步進電機,由XX華興電機制造,查的該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量=4。則加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：〔2-1

②計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩分快速空載啟動和承受最大工作負載兩種情況進行計算:快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩：〔2-1式中：——快速空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩——移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩T0——滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩由式2-1可知,包括三部分：一部分是快速空載啟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杠于預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲桿副傳動效率很高,因為相對于和很小,所以可以忽略不計?？紤]傳動鏈的總效率η,計算快速空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：〔2-2式中：——步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量,kg.m2ε——電動機轉(zhuǎn)軸的角加速度,rad/s2——電動機轉(zhuǎn)速,r/minta——電動機加速所用時間,s,一般在0.3～1s之間選取。<這里取0.4s>η——齒輪組總效率,取η=0.7其中：〔2-3式中——空載最快移動速度,任務(wù)書指定為1000mm/min;α——步進電機步距角,預(yù)選電動機為°δ——脈沖當量,任務(wù)書指定為0.001mm/step將以上各值代入式2-3中,算得=416r/min設(shè)步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間=0.4s,傳動鏈總效率η=0.7。則由式2-2求得：移動部件運動時,折算到電動機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：〔2-4式中F摩——導(dǎo)軌的摩擦力,NPh——滾珠絲杠導(dǎo)程,mη——齒輪總效率,取η=0.9i——總的傳動比,i=nm/ns,其中nm為電動機轉(zhuǎn)速,ns為絲杠的轉(zhuǎn)速。μ——導(dǎo)軌摩擦因數(shù)〔滑動導(dǎo)軌取0.15~0.18,滾動導(dǎo)軌取0.003～0.005；這里取0.005Fz——垂直方向的工作載荷,空載時Fz=0。則由式〔2-4,得：最后由式〔2-1,求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩：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<2-1>可知,包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作載荷轉(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杠預(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：〔2-5其中,折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作載荷轉(zhuǎn)矩由式〔2-6計算,在本設(shè)計中在對滾珠絲杠進行計算的時候,已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷=800N,則有：〔2-6再由式〔2-7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：〔2-7最后由式〔2-5,求得最大工作載荷狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為：經(jīng)過上述計算后,得到加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩為：③步進電機最大靜轉(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)Teq選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時,需要考慮安全系數(shù)。這里取安全系數(shù)K=4,則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：〔2-8上述初選的步進電機型號為90BYGH3501,對應(yīng)的該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩,可見滿足式〔2-8的要求。④步進電機性能校核最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定的是工作臺最快進給速度為1000mm/min,脈沖當量δ=0.001mm/step,則電動機對應(yīng)的運行頻率為：從90BYGH3501電動機的運行矩頻特性曲線可以看出,在此頻率下,電動機的輸出轉(zhuǎn)矩,遠遠大于最大工作載荷轉(zhuǎn)矩,滿足要求。最快空載移動時電動機運行頻率校核任務(wù)書給定的是工作臺最快進給速度為1000mm/min,脈沖當量δ=0.001mm/step,則電動機對應(yīng)的運行頻率為：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。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,由電動機說明書可知,90BYGH3501電動機的空載運行頻率可達30000Hz,可見沒有超出上限。啟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,則由式〔2-9可以求出步進電機克服慣性負載的啟動頻率：因此由上式可知,要想保證步進電動機啟動時不失步,任何時候的啟動頻率都必須小于580Hz。實際上,在采用軟件升降頻時,啟動頻率選的更低,通常只有100Hz。綜上所述,工作臺選用90BYGH3501電動機完全滿足設(shè)計要求。⑤增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本設(shè)計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制,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)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與電動機的步距角匹配。由步進電動機的步距角,可知電動機旋轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn),需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/α=2400個步進脈沖。考慮到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B相信號,可以送到四倍頻電路進行電子四細分,因此,編碼器的分辨力可選120線,。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)輸出一個脈沖信號。這里我們選用編碼器型號為ZLK-A-120-05VO-10-H：盤狀空心型,孔徑10mm,與電動機尾部出軸相匹配,電源電壓+5V,每轉(zhuǎn)輸出120個A/B脈沖,信號為電壓輸出。工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅(qū)動、傳感器、人機交互界面。硬件系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)注意幾點：電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。①CPU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AT89S51,價格低廉,而性能優(yōu)良,功能強大。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。②CPU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：〔行程開關(guān)〔行程開關(guān)前向通道傳動驅(qū)動〔電磁鐵〔步進電機人機界面人機界面器AT89S51〔鍵盤、LED后向通道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?！?通過程序?qū)崟r控制電機和電磁鐵的運行?！?接受鍵盤中斷指令,并響應(yīng)指令,將當前行程開關(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。由于AT89S51只有P1口和P3口是準雙向口,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。考慮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8155,所以AT89S51的I/O口線分配如下：〔1P1.0-P1.5控制X-Y兩個方向步進電機的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。〔2P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。〔3P3.2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、圓弧插補開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷?！?P0.0-P0.7外部I/O擴展的數(shù)據(jù)讀取?！?P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址。P1.0-P1.2P1.0-P1.2驅(qū)動1X步進電機驅(qū)動2Y步進電機P1.6驅(qū)動3P3.2外部中斷1P3.3外部中斷2AD0~AD7P2.7CEP2.6IO/MPB口PA口PC口AT89S51鍵盤電磁鐵8155PB口接LED反映當前運行的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)。③驅(qū)動系統(tǒng)傳動驅(qū)動部分包括步進電機的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動電動機的驅(qū)動一般步進電動機的各種驅(qū)動線路,都是按照環(huán)形分配器決定的分配方式,控制電動機各相繞組的導(dǎo)通或截止,從而使電動機產(chǎn)生步進旋轉(zhuǎn)的合成磁勢拖動轉(zhuǎn)子步進旋轉(zhuǎn),步距角的大小只有兩種,即整步工作或半步工作,步距角已由電動機結(jié)構(gòu)所確定。而本設(shè)計中所使用的步進電機90BYGH3501步距角為0.6°,而在本設(shè)計中所需要的步距角為0.15°,所以要求步進電機有更小的步距角,更高的分辨率,因此可以在每次輸入脈沖切換時,不是將繞組電流全部通過或切除,而是只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分,則電動機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分,轉(zhuǎn)子的每步運行也只有步距角的一部分。這里,繞組電流不是一個方波,而是階梯波,額定電流是臺階式的投入或切除,電流分成多少個臺階,則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過一個步距角,這種將一個步距角細分成若干步的驅(qū)動方法,成為細分驅(qū)動。用磁勢轉(zhuǎn)換圖來分析細分驅(qū)動器的原理,并以三相反應(yīng)式步進電機為例說明。對應(yīng)于半步的工作狀態(tài),狀態(tài)轉(zhuǎn)換表為A-AB-B-BC-C-CA-···,如果要將每一步細分成四步走完,則可將電動機每項相繞組的電流分四個臺階投入或切除。圖畫出了四細分時各相電流的變化情況,橫坐標上標出的數(shù)字為切換輸入CP脈沖的序號,同時也表示了細分后的狀態(tài)序號。初始狀態(tài)0為A相通額定電流,即當?shù)谝粋€CP脈沖到來是B相也不是馬上通額定電流,而是只通額定電流的四分之一,此時電動機的合成磁勢由A相中與B相中的共同產(chǎn)生由圖<a>可以看出合成磁勢的旋轉(zhuǎn)情況,狀態(tài)2時A相電流未變,而B相電流增加到；狀態(tài)3時；狀態(tài)4時。未加細分時,從A到AB狀態(tài)只需一步,而在細分工作時經(jīng)四步才運行到AB,這四步的步距角為,這四步才走完半步狀態(tài)時一步的步距角,。圖中還表示出從AB-B細分的情況。不細分時完成一個循環(huán)走6步,即,電動機轉(zhuǎn)角為,細分后需24步才走完一個循環(huán),即,,電動機的轉(zhuǎn)角仍未。同理,設(shè)計中所使用的電機,經(jīng)過四細分時,可以達到設(shè)計的要求。細分驅(qū)動需控制相繞組電流的大小。由驅(qū)動線路的原理可以看出,只有兩種驅(qū)動電路可用于細分驅(qū)動,這就是單電壓穿電阻驅(qū)動和斬波恒流驅(qū)動。本設(shè)計采用原廠配套步進電機細分驅(qū)動,型號SMD308細分數(shù)為4,斬波恒流驅(qū)動。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。④電源設(shè)計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,需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)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,就采用了標準的27V電源作為基準,通過芯片進行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V和5V電壓。⑤傳感器和人機界面由于步進電機不需要反饋電路,但是要注意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)就充當了傳感器。人機界面設(shè)計的準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9個LED,LED1燈亮表示X軸負方向禁止通行,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。界面上的7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)。⑥INT0中斷服務(wù)流程圖圖4-2中斷服務(wù)流程圖NT0IS：PUSHACC圖4-2中斷服務(wù)流程圖PUSHDPTLPUSHDPTHPUSHPSWMOVA,PAMOVDPTR,AMOVXA,DPTR；讀PA口內(nèi)容MOVR2,AMOVA,PBMOVDPTR,AMOVDPTR,R2MOVA,R2CPLA；A取反ANLA,#03H；屏蔽高6位JZA,TM2CSETBP1.0SETBP1.1SETBP1.2TM2C：MOVA,R2CPLAANLA,#0CHJZA,RETINSETBP1.3SETBP1.4SETBP1.5RETIN：POPPSWPOPDPTHPOPDPTLPOPACCRETIINT1中斷服務(wù)流程圖INT1IS：CLREX1JNBACC.1,X-ENPUSHACCJNBACC.2,Y+ENPUSHPSWJNBACC.3,Y-ENPUSHDPTLJNBACC.5,ARCPUSHDPTHLOOP1：POPDPTHCLRP1.6POPDPTLMOVA,PCPOPPSWMOVDPTR,APOPACCMOVXA,DPTR；讀PC口內(nèi)容SETBEX1MOVR1,ARETIANLR1,#0FHMOVA,PBMOVDPTR,AMOVA,DPTR；讀PB口內(nèi)容ANLA,#0FHSWAPAORLA,R1MOVR2,AMOVA,PBMOVDPTR,AMOVXDPTR,R2；數(shù)據(jù)輸入PB口INCDPTLMOVA,DPTRJNBACC.4,RSTJNBACC.0,X+ENX軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖正轉(zhuǎn)流程圖X+EN：CLRP1.6MOVA,PAMOVDPTR,AMOVXA,DPTRJNBACC.0,LOOP2MOTOR0：MOVDIRX,#01HACALLXMOTOR0MOVA,PCMOVDPTR,AMOVA,DPTRJNBACC.0,MOTOR0LOOP2：AJMPLOOP1這是X軸電機點動正轉(zhuǎn)的程序,其他的X軸電機點動反轉(zhuǎn)、Y軸電機點動正轉(zhuǎn)、Y軸電機點動反轉(zhuǎn)依次類推。繪制圖弧程序流程圖圖4-6逐點比較法畫圓弧逐點比較法原理：假設(shè)所畫圓弧在第一象限,圓心坐標為〔0,0,圓弧上點的坐標為〔X,Y,圓弧半徑為R,每一點的坐標偏差為F=X*X+Y*Y-R*R,若F＞0,應(yīng)沿X軸負方向走一步,此時FX=〔X-1*〔X-1+Y*Y-R*R=F-2X+1,X=X-1；若F＜0,應(yīng)沿Y軸正方向走一步,此時FY=X*X+〔Y-1*〔Y-1-R*R=F+2Y+1,Y=Y+1。圓弧插補程序XLEQU18HXHEQU19HYLEQU28HYHEQU29HYeLEQU2AHYeHEQU2BHFLEQU2CHFHEQU2DHARC：MOVXL#0E8HMOVXH#03HMOVYL#00HMOVYH#00HMOVYeL#0E8HMOVYeH#03HMOVFL#00HMOVFH#00HLP1：MOVA,FHJNBACC.7,X0；LCALLYMOTOR1；+Y一步MOVR2,YHMOVR3,YLMOVR4,YHMOVR5,YLACALLBADD；算Y+YMOVR2,FHMOVR3,FLMOVR4,R6MOVR5,R7ACALLBADD；算F+2YINCR7MOVFH,R6MOVFL,R7INCYLCMP1：CJNEYH,#03H,LP1CJNEYL,#0E8H,LP1LJMPLOOP1XO：ACALLXMOTOR0；-X一步MOVR2,XHMOVR3,XLMOVR4,XHMOVR5,XLACALLBADD；算X+XMOVR2,FHMOVR3,FLMOVR4,R6MOVR5,R7ACALLBSUB；算F-2XINCR7MOVFH,R6MOVFL,R7DECXLAJMPCMP1；/**帶符號加減法程序**/BSUB：MOVA,R4CPLACC.7MOVR4,ABADD：MOVA,R2MOVC,ACC.7MOVF0,CXRLA,R4MOVC,ACC.7MOVA,R2CLRACC.7MOVR2,AMOVA,R4CLRACC.7MOVR4,AJCJIANJIA：MOVA,R3ADDA,R5MOVR7,AMOVA,R2ADDCA,R4MOVR6,AQWE:MOVC,F0MOVACC.7,CMOVR4,ARETJIAN：MOVA,R3CLRCSUBBA,R5MOVR7,AMOVA,R2SUBBA,R4MOV