通用二維運動平臺設(shè)計

式中：初選步進電動機型號為90BYG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動時步矩角為a=0.9，查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表4-5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：QUOTE2、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)矩由公式可知,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杠與今后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)公式可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有：=﹢根據(jù)公式，考慮傳動鏈的總效率=0.94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)速所需的時間，單位為s。其中：式中空載最快移動速度，任務(wù)書指定為2000；步進電動機步矩角，預(yù)選電動機為0.9脈沖當量，任務(wù)書指定為（開環(huán)系統(tǒng)）。將以上各值代入式中，得=500in。設(shè)步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間=0.23傳動鏈總效率=0.94由公式×求得≈0.1253m由式=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=式中導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，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0.94則由式=求得≈0.0027最后由式=﹢，求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩：=﹢=0.1282）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：其中，這算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩由式計算。本課題中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負載=300N則有：=0.2033N.M再由式=計算垂直方向承受最大工作負載（）情況下，移動部件運動時這算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：==0.0047N.M最后由，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：=0.2047經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為Teq=0.2047N.M3、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)。本課題中取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：≥4Teq=0.8296N.M上述初選的步進電動機型號為90BYG2602,由《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表4-5查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩=?？梢?，滿足上式要求。4、步進電動機的性能校核1）最快工進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進速度，脈沖當量，由式求出電動機對應(yīng)的運行頻率。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖（下圖所示）可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩≈5.1,遠大于最大工作負載Teq=0.2047N.M，滿足要求2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度，仿照式求出電動機對應(yīng)的運行頻率。從上圖中可以查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Tmas=3.2N.M負載轉(zhuǎn)矩Teq1=0.128N.M3）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《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表4-5可知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000Hz,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Jeq=4.5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《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表4-5）。則由可以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率：=1018HZ此式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率小于940Hz。實際上，在采用軟件升降時，起動頻率選得更低，通常只有100Hz(即100step/s)。綜上所述，本課題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。第三章微機數(shù)控硬件電路設(shè)計根據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。1、數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，機床硬件電路由以下五部分組成：⑴、主控制器，即中央控制單元CPU；⑵、總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；⑶、存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；⑷、接口，即I/O輸入/輸出接口電路；⑸、外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。見圖3—1。步進電機 步進電機圖3—1機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）2、選擇中央處理單元CPU的類型考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場合、控制對象對各種參數(shù)的要求，及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟性的要求。因此，在經(jīng)濟數(shù)控銑床中，推薦使用MCS—51系列單片機作主控制器。3、存儲器擴展電路設(shè)計存儲器擴展電路設(shè)計應(yīng)該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。在選擇程序存儲器芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。在存儲器擴展電路的設(shè)計中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計。4、I/O口即輸入/輸出接口電路設(shè)計包括接口芯片的選用，步進電機控制電路，鍵盤顯示電路及其他輔助電路的設(shè)計。3.1MCS—51系列單片機簡介3.1.1MCS—51系列指令系統(tǒng)簡介MCS—51系列指令系統(tǒng)共有111條基本指令，其中單字節(jié)指令有49條，雙字節(jié)指令有45條，單字節(jié)指令有17條。1、MCS—51系列指令系統(tǒng)的七種尋址方式簡介：（1）、立即尋址跟在操作碼后的一個字節(jié)就是實際操作數(shù)。（2）、直接尋址指令中直接給出參加運算或傳送的數(shù)的地址?？梢栽L問三種地址：特殊功能寄存器SFR、內(nèi)部RAM128字節(jié)個單元、221個地址空間。（3）、寄存器尋址指定某一可尋址的寄存器的內(nèi)容為操作數(shù)。尋址空間是R0～R7、A、B、DPTR。（4）、寄存器間接尋址由指令指定某一寄存器的內(nèi)容作為操作數(shù)地址，選定R0、R1、SP、DPTR（16位）來存放地址，使用時前加@。（5）、變址尋址由爭論指定的偏移量寄存器或稱變址寄存器和基址寄存器DPTR或PC相加所得結(jié)果作為操作數(shù)地址。（6）、相對尋址在指令中給定的地址偏移量與本指令所在單元地址（即PC內(nèi)容）相加，即得到真正有效的單元地址。（7）、位尋址對內(nèi)部RAM的128位和SFR塊內(nèi)的93位進行位操作。2、MCS—51系列指令系統(tǒng)主要指令簡介：MCS—51系列指令系統(tǒng)111條指令可分為五類：（1）、數(shù)據(jù)傳送類29條（2）、算術(shù)操作類24條（3）、邏輯操作類24條（4）、控制程序轉(zhuǎn)移類17條（5）、布爾變量操作類17條3.1.2定時器/計數(shù)器MCS—51系列單片機提供兩個十六位可編程的定時器/計數(shù)器，即T0和T1。他們具有兩種工作方式和四種模式。其工作原理如圖3.2所示。定時器/計數(shù)器的核心是加一計數(shù)器，加一計數(shù)器脈沖有兩個來源，一個是外部脈沖源，另一個是系統(tǒng)的時鐘振蕩器。有兩個模擬開關(guān)，前一個開關(guān)就是特殊寄存器TMOD的相應(yīng)位，后一個模擬開關(guān)就是特殊寄存器TCON的相應(yīng)位。TMOD和TCON是專門用于定時器/計數(shù)器的控制寄存器。用戶可以用圖3—2定時器/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)框圖指令對其各位進行寫入或更改操作，從而選擇不同的工作狀態(tài)或啟動時間，并可設(shè)置相應(yīng)的控制條件。這兩個控制寄存器各位的功能：1、TMOD控制寄存器GATE——門控位或叫選通位。

C/T——計數(shù)器方式或定時器方式的選擇位。M1和M0——工作模式控制位。00模式0：TLX中的低5位和THX的高8位構(gòu)成13位計數(shù)器。01模式1：TLX與THX構(gòu)成16位計數(shù)器。10模式2：可自動再裝入的8位計數(shù)器。11模式3：把定時器0分成兩個8位計數(shù)器，關(guān)閉定時器1。2、TCON控制寄存器TF0、TF1——定時器T0、T1溢出標志位，為1時申請中斷。TR0、TR1——定時器T0、T1運行控制位，有軟件設(shè)定，來控制定時器/計數(shù)器開啟或關(guān)閉。IE0、IE1——外部中斷源的標志，為1時表示外部中斷源向CPU申請中斷。IT0、IT1——外部中斷源觸發(fā)控制位。3.1.3中斷系統(tǒng)MCS—51系列單片機提供五個中斷源，配備兩個中斷優(yōu)先級，INT0、INT1輸入外部中斷請求，兩個片內(nèi)定時器/計數(shù)器T0和T1溢出中斷請求TF0和TF1，一個片內(nèi)串行口中斷請求TI和RI。各中斷源所對應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址和優(yōu)先級如下：中斷源人口地址優(yōu)先級INT00003H0T0000BH1INT10013H2T1001BH3串行口中斷0023H43.2存儲器擴展電路設(shè)計3.2.1程序存儲器的擴展1、常用的ROM芯片及引腳：（1）擴展ROM：2864A是8K×8位電擦除可編程只讀存儲器，最大工作電流160mA，維持電流為60mA，讀出時間最大為250ns，片內(nèi)有“頁緩沖器”，允許快速寫入,內(nèi)部提供全部定時，給出查詢標志。 圖3—3是2864A引腳圖排列擴展地址鎖存器：在基本擴展電路中，都用到了地址鎖存器。這是因為P0口是數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線分時復(fù)用口，P0口輸出的低8位地址必須用地址鎖存器進行鎖存。常用地址鎖存器有74LS373、8282和74LS273等，其引腳圖如圖3—3所示。2）地址鎖存器常用的地址鎖存器芯片是74LS373。74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。其真值表表3.1真值表74LS373EGDQLHHHLHLLLLXQ03.2.2數(shù)據(jù)存儲器的擴展常用數(shù)據(jù)存儲器及引腳常用的靜態(tài)ROM芯片有6116（2K*8）、6264（8K*8）、62256（32K*8）等，6264、62256均采用CMOS工藝、28腳雙列直插式平封裝。6264引腳及邏輯符號見圖3.4。圖3—46264引腳圖8031﹑8051和8751片內(nèi)有128字節(jié)的RAM存儲器，在實際應(yīng)用中僅靠這128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器是遠遠不夠的。這種情況下可利用89C51單片機所具有的擴展功能，擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。89C51系列單片機最大可擴展64K字節(jié)。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器RAM和動態(tài)數(shù)據(jù)存儲器，由于在實際應(yīng)用中，需要擴展的容量不大，所以一般采用靜態(tài)RAM，如SRAM6116﹑6264等。圖3—5RAM擴展3.2.3譯碼電路設(shè)計1、MCS—51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則（1）程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址。程序存儲器地址和數(shù)據(jù)存儲器地址可以重疊使用。都是從0000H～FFFFH。（2）外圍I/O芯片與擴展數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址外圍I/O芯片占用數(shù)據(jù)存儲器地址單元，且使用數(shù)據(jù)存儲器的讀/寫控制信號與讀/寫指令。（3）CPU在訪問外部存儲器時地址編碼CPU的P2口提供高8位地址，P0口經(jīng)外部地址鎖存器后提供低8位地址。2、地址譯碼方法（1）線選法利用單片機地址總線高位中的一根線作為選擇某一片存儲器芯片的片選信號。此法用于規(guī)模較小的系統(tǒng)。其優(yōu)點是不需要地址譯碼器，可節(jié)省硬件，降低成本。缺點是可尋址的芯片數(shù)目受到很大的限制，且地址空間不連續(xù)，不能充分利用。（2）全地址譯碼法對容量較大的系統(tǒng)，擴展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號多于可利用的地址線時，就需要用這種全地址譯碼法。常采用的譯碼器是74LS138，表3.2是其地址譯碼表。圖3—674LS138引腳圖表3.274LS138邏輯功能表G1G2ACBAY7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0100100100100100100100100其他狀態(tài)000001010011100101110111XXX111111101111110111111011111101111110111111011111101111110111111111111111表3.374LS138地址譯碼表器件地址選擇線片內(nèi)地址單元（字節(jié)）地址編碼2764000XXXXXXXXXXXXX8K0000H~1FFFH6264001XXXXXXXXXXXXX8K2000H~3FFFH8155RAM01011110XXXXXXXX2565E00H~5EFFHI/O0101111111111XXX65FF8H~5FFFH825501111111111111XX46FFCH~6FFFH圖3—7數(shù)控銑床全地址譯碼圖87C87C513.3I/O接口電路及輔助電路設(shè)計常用外圍接口芯片有：8155：可編程的RAM/IO擴展接口電路（256個RAM、兩個8位口、一個6位口、一個14位的定時器/計數(shù)器）8255：可編程的通用并行接口電路（3個8位口）8279：可編程的鍵盤、顯示接口電路3.3.18255通用可編程接口芯片1、8255引腳及其功能8255引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3—8，其引腳功能見表3.4。2、8255工作方式的設(shè)定8255有三種工作方式：方式0、方式1、方式2。方式0——基本的輸入輸出方式方式1——應(yīng)答式輸入輸出方式方式2——應(yīng)答式雙向輸入輸出方式 表3.48255引腳功能圖3—88255引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳含義D0~D7PA0~PA7PB0~PB7PC0~PC7A0、A1RDWRCERESETGNDVCC數(shù)據(jù)線A口B口C口地址線讀寫片選復(fù)位地電源8255IO的工作方式選擇通過對其內(nèi)部命令寄存器設(shè)定方式選擇控制字來實現(xiàn)。其格式及工作方式見圖3—9。C口置/復(fù)位控制字格式如圖3.11所示。3、8255初始化程序格式如下：MOVAL，控制字；定義工作方式OUT控制口地址，ALINAL，初值OUT輸出口地址，ALB組下C口：0—輸出1—輸入B口：0—輸出1—輸入模式選擇：0—模式01—模式1A組上C口：0—輸出1—輸入A口：0—輸出1—輸入模式選擇：00—模式001—模式1X1—模式2控制選擇1=模式選擇圖3—9命令寄存器方式選擇控制字格式及工作方式置位0=復(fù)位1=置位位選擇D3D2D1C口000BIT0000BIT0000BIT0000BIT0000BIT0000BIT0000BIT0000BIT0控制選擇0=位操作圖3—10C口置/復(fù)位控制字格式3.3.2鍵盤顯示接口電路1、顯示器工作原理數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED和LCD接口顯示方式。LED顯示器有8個發(fā)光二極管組成，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，顯示不同字符。七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖3—11。2、鍵盤接口原理鍵盤工作原理如圖3—12所示。3、8255初始化程序格式如下：MOVAL，控制字；定義工作方式OUT控制口地址，ALINAL，初值OUT輸出口地址，ALa)外行b)共陽極c)共陰極圖3—11七段顯示器的結(jié)構(gòu)圖3—12鍵盤工作原理3.3.3電機接口及驅(qū)動電路研控YKB3606MA概述：研控YKB3606MA是等角度恒力矩細分型高性能步進驅(qū)動器，驅(qū)動電壓DC16-60V，采用單電源供電。適配電流在5.8A以下，外徑42-86mm的各種型號的三相混合式步進電機。該驅(qū)動器內(nèi)部采用雙極恒流斬波方式，使電機運行更平穩(wěn)；驅(qū)動電源電壓的增加使得電機的高速性能和驅(qū)動能力大為提高；而步進脈沖停止超過100ms時，線圈電流自動減半，使驅(qū)動器的發(fā)熱可減少50%，也使得電機的發(fā)熱減少。1、設(shè)有16檔等角度恒力矩細分，最高分辨率60000步/轉(zhuǎn)，使運轉(zhuǎn)平滑，分辨率提高2、采用獨特的控制電路，有效的降低了噪音，增加了轉(zhuǎn)動平穩(wěn)性3、最高反應(yīng)頻率可達200Kpps4、步進脈沖停止超過100ms時，線圈電流自動減半，減小了許多場合的電機過熱5、雙極恒流斬波方式，使得相同的電機可以輸出更大的速度和功率6、光電隔離信號輸入/輸出7、驅(qū)動電流從0.2A/相到5.8A/相連續(xù)可調(diào)8、可以驅(qū)動任何5.8A相電流以下三相混合式步進電機9、單電源輸入，電壓范圍：DC16-60V10、出錯保護：a)過熱保護;b)過流、電壓過低保護11、體積為25x136x92mm3,重量為0.3kgs典型應(yīng)用：雕刻機、激光打標機、紡織機械、剝線機、卷繞機、包裝機械、彈簧機、流體控制、數(shù)控機床、波峰焊機器、電子設(shè)備、廣告設(shè)備、激光加工設(shè)備1、脈沖分配器驅(qū)動電路1、脈沖分配器脈沖分配器又叫環(huán)型分配器，有硬件環(huán)型分配器和軟件環(huán)型分配器兩種。2、光電隔離電路為防止強電干擾，在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路。常用的光電偶合器連線如圖3.15。圖3—15光電偶合器連線圖3—16時鐘電路