課程設(shè)計(jì)--x-y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　機(jī)電一體化</b></p><p><b>　　《綜合課程設(shè)計(jì)》</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院： 機(jī)電與汽車工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 機(jī)械電子工程2班 &

2、lt;/p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成時(shí)間： 2011年1月7日 </p><p>

3、;<b>　　目 錄</b></p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)的目的3</p><p>　　二、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容3</p><p>　?。ㄒ唬┛傮w方案的確定3</p><p>　　1.系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)3</p><p><b>　　2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4</b>&

4、lt;/p><p>　　3.X-Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式4</p><p>　?。ǘC(jī)械部分設(shè)計(jì)5</p><p>　　1.確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量5</p><p>　　2.工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算5</p><p>　　3.滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇6</p><p>　　4.滾珠絲杠計(jì)算、選擇

5、7</p><p>　　5.齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)11</p><p>　　6.步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算12</p><p>　　7.步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇13</p><p>　?。ㄈ┛刂葡到y(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　（四）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)24</p><p><b>　　

6、三、總結(jié)32</b></p><p><b>　　四、參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)的目的</b></p><p>　　《綜合課程設(shè)計(jì)》是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運(yùn)用所學(xué)過的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。其目的是：</p>

7、;<p>　　1. 能夠正確運(yùn)用《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程的基本理論和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法，了解設(shè)計(jì)方案的擬定、比較、分析和計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能力；</p><p>　　2. 通過機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟；</p><

8、;p>　　3. 通過測(cè)試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；</p><p>　　4. 通過課程設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及編寫技術(shù)說明書的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。</p><p><b>　　二、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容</b></p><p>　　（一）總

9、體方案的確定</p><p>　　已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊；X方向的有效行程是，最大進(jìn)給速度；Y方向的有效行程是，最大進(jìn)給速度；承受工作載荷。</p><p>　　系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)</p><p>　　采用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系

10、統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。</p><p><b>　　2．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)</b></p><p>　　采用MCS-51系列中的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價(jià)比高?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作

11、狀態(tài)等信息。</p><p>　　3．X-Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式</p><p>　　為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。</p><p>　

12、　考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。</p><p><b>　　系統(tǒng)總體框圖：</b></p><p><b>　?。ǘC(jī)械部分設(shè)計(jì)</b></p><p>　　機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件

13、的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。</p><p>　　1．確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量</p><p>　　脈沖當(dāng)量δp是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，一般為0.01~0.005mm。</p><p>　　2．工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算</p><p>　　根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺(tái)簡(jiǎn)圖，估算X向和Y向工作臺(tái)承

14、載重量WX和WY。</p><p>　　取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?50mm,設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖如下:</p><p><b>　　工作臺(tái)簡(jiǎn)圖</b></p><p>　　X向拖板(上拖板)尺寸為:</p><p>　　長(zhǎng)*寬*高=750*700*50</p><p

15、>　　X向拖板重量：重量=體積*材料比重，估算為：</p><p><b>　　= </b></p><p>　　Y向拖板(下拖板)尺寸為:</p><p>　　長(zhǎng)*寬*高=750*650*50</p><p>　　Y向拖板重量：重量=體積*材料比重，估算為：</p><p><b&g

16、t;　　=</b></p><p>　　上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為：</p><p>　　夾具及工件重量:約155N</p><p>　　X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為:</p><p>　　3. 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇</p><p>　　根據(jù)給定的工作載荷和估算的和計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：

17、C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，KN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：</p><p>　　因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取</p><p>　　根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:</p><p>　　選擇HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)為:HJG-D25</p&g

18、t;<p><b>　　基本參數(shù)如下:</b></p><p><b>　　導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N</b></p><p>　　依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：</p><p><b>　　額定行程長(zhǎng)度壽命:</b></p>

19、<p>　　導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命: </p><p>　　導(dǎo)軌的工作壽命足夠.</p><p>　　4．滾珠絲杠計(jì)算、選擇</p><p>　　初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：</p><p><b>　　（1）強(qiáng)度計(jì)算</b></p><p><b>

20、;　　絲杠軸向力：</b></p><p>　　其中K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0.005，在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)工作分別承受X，Y向力時(shí)：，，可取，計(jì)算。取，則：</p><p>　　壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速，</p><p>　　最大動(dòng)載荷：，式中為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5; 為硬度系數(shù)，HRC大于58時(shí)為1.0。</p>

21、<p><b>　　查表得，，則：</b></p><p>　　根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為：CM系列滾珠絲杠副，其型號(hào)為CM2506-5（滾珠外循環(huán)，插管埋入式反向器，單螺母）。其基本參數(shù)如下：</p><p>　　其額定動(dòng)載荷19740N>足夠用，滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式，預(yù)緊方式為雙

22、螺母螺紋預(yù)緊式。</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)計(jì)算如下（表 2）：</p><p><b>　?。?）傳動(dòng)效率計(jì)算</b></p><p>　　絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：，其中，為摩擦角；為螺旋絲杠升角。</p><p><b>　　（3）穩(wěn)定性驗(yàn)算</b></p>&l

23、t;p>　　絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。</p><p><b>　?。?）剛度驗(yàn)算</b></p><p>　　滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：，由于Y向受牽引力大，故用Y向參數(shù)計(jì)算：</p><p>　　由此可以看出絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差為</p><p>

24、　　E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差。</p><p><b>　　5．齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)</b></p><p>　　因步進(jìn)電機(jī)的步距角，滾珠絲杠螺距，要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)減速齒輪傳動(dòng)。</p><p>　　齒輪傳動(dòng)比，初步選定步進(jìn)電機(jī)步距角。 </p><p>　　取小齒輪齒數(shù)為，則大齒輪齒數(shù)為&

25、lt;/p><p>　　由于傳遞的扭矩較小，取模數(shù)為：，則</p><p><b>　　分度圓直徑：，</b></p><p><b>　　齒頂圓直徑：</b></p><p><b>　　齒根圓直徑：</b></p><p><b>　　齒寬：

26、 取</b></p><p><b>　　中心距：</b></p><p><b>　　分度圓壓力角：</b></p><p>　　雙片齒輪錯(cuò)齒消間隙結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　1、2—薄齒輪, 3—彈簧, 4、8—凸耳, 5—調(diào)節(jié)螺釘, 6、7—螺母</p><

27、;p>　　圖 3 雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　6．步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算</p><p>　　根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式</p><p>　　折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：</p><p>　　式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣

28、量；為移動(dòng)部件的質(zhì)量。</p><p>　　對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：</p><p>　　式中D為圓柱零件的直徑，L為圓柱零件的長(zhǎng)度，所以有：</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有：</p><p>　　7. 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇</p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

29、</p><p>　　設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為T，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒定理，電機(jī)所做的功與負(fù)載所做的功有如下關(guān)系：</p><p>　　式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取，則，且，所以：</p><p>　　式中：為移動(dòng)部件負(fù)載，為移動(dòng)部件質(zhì)量（N），為重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角（ra

30、d），T為電機(jī)軸的負(fù)載力矩（）。</p><p>　　?。ù慊痄摑L珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），，?？紤]到重力影響，Y向負(fù)載較大，因此取，所以有：</p><p>　　考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：</p><p>　　取系數(shù)為0.4，則：</p><p>　　對(duì)于工作方式為三相六拍的步進(jìn)電機(jī)：</p><p>　

31、?。?）步進(jìn)電機(jī)的最大工作頻率</p><p>　　為了使步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)不產(chǎn)生失步，要求空載啟動(dòng)頻率大于最大運(yùn)行頻率，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大。查表選擇兩個(gè)90BF002型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)如下（表 3）：</p><p>　?。ㄈ┛刂葡到y(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　（1）設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p&

32、gt;<p>　　1．按照總統(tǒng)方案以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖；</p><p>　　2．選擇計(jì)算機(jī)或中央處理單元的類型；</p><p>　　3．根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路；</p><p>　　4．根據(jù)控制對(duì)象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計(jì)擴(kuò)展I/O接口電路，檢測(cè)電路，轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動(dòng)電路等；<

33、/p><p>　　5．選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號(hào)；</p><p>　　6．繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標(biāo)明各器件的型號(hào)，管腳號(hào)及參數(shù)；</p><p>　　7．說明書中對(duì)電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行詳細(xì)的原理說明和方案論證。</p><p><b>　?。?）設(shè)計(jì)步驟</b></p>

34、<p>　　確定硬件電路的總體方案：</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：</p><p>　　1．主控制器。即中央處理單元 CPU；</p><p>　　2．總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線；</p><p>　　3． 存儲(chǔ)器。包括只讀可可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；</p><

35、;p>　　4．接口。即I／O輸入輸出接口。</p><p>　　主控制器CPU的選擇：</p><p>　　MCS-5 1系列單片機(jī)是集中CPU，I/O端口及部分RAM等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬制資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用8051芯片作為主控芯片。</p><p&g

36、t;　　存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)：</p><p><b>　　程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展</b></p><p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用EPROM芯片。在選擇芯片時(shí)要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。8051所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM所要求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度、工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，

37、以減少芯片數(shù)量以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇2764芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。 </p><p>　　單片機(jī)規(guī)定PO口提供8位地址線，同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時(shí)用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲(chǔ)器提高低8位的地址信息，一般采用74LS373芯片作為地址鎖存器，并由CPU發(fā)出允許鎖存信號(hào)ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。由以上分析，電路框圖如下：&

38、lt;/p><p>　　圖5 2764擴(kuò)展電路</p><p><b>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展</b></p><p>　　選用的8051單片機(jī)內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116、6264靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)選取6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。其

39、擴(kuò)展電路如下（圖 6）：</p><p>　　圖6 6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片擴(kuò)展電路</p><p><b>　　譯碼電路</b></p><p>　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址，因此在單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

40、器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜。可采用線選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨(dú)的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它所用片選線都是高電位地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之詞的地址不連續(xù)。對(duì)于RAM和I／O容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí)候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對(duì)高位地址線進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線

41、用作片選線。</p><p><b>　　存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　805l單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)起程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。該設(shè)計(jì)選用程序存儲(chǔ)器2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264組成8051單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路。</p><p><b>　　I／O擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)</b></p>&

42、lt;p>　?。ˋ）通用可編程接口芯片8155</p><p>　　8051單片機(jī)共有4個(gè)8位并行I／O接口，但供用戶使用的只有Pl口及部分P3口線。因此要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。8155與微機(jī)接口較簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。8155與8051的連接方式如下圖所示（圖 7）：</p><p>　　圖 7 8155與8051的連接電路</p><p>

43、　　（B）鍵盤、顯示器接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　鍵盤、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用I／O口線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED和LCD。下圖所示為采用8155接口管理的鍵盤、顯示器電路。己有鍵和6位LED顯示器組成。為了簡(jiǎn)化電

44、路，鍵盤的列線及LED顯示器的字位控制共用一個(gè)口，即共用8155的A口進(jìn)行控制，鍵盤的行線由8155的C口承擔(dān)。顯示器的字形控制由8155的B口承擔(dān)。</p><p>　　鍵盤顯示器接口電路如下所示（圖 8）：</p><p>　　圖 8 鍵盤顯示器電路</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)：</p><p><b>　　脈沖

45、分配器</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器YB013。采用YB013硬件環(huán)行分配器的步進(jìn)電機(jī)接口線路圖如下（圖 9）：</p><p>　　圖 9 YB013環(huán)形脈沖分配器電路</p><p><b>　　光電隔離

46、電路</b></p><p>　　在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組，如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下（圖 10）：</p><p>　　圖 10 光電耦合電路</p><p><b>　　功

47、率放大器</b></p><p>　　脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，必須將其輸出信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。本設(shè)計(jì)選用功率放大器。</p><p><b>　　其它輔助電路設(shè)計(jì)：</b></p><p><b>　　8

48、051的時(shí)鐘電路</b></p><p>　　單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1，XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如下圖11所示。晶振頻率存1.2-12MHz之間任意選擇，耦合電容存5-30pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。時(shí)鐘電路如下（圖 11）：</p><

49、p>　　圖 11 時(shí)鐘產(chǎn)生電路</p><p><b>　　復(fù)位電路</b></p><p>　　單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)1 0 ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU便從0000H單兒開始執(zhí)行程序。在實(shí)際運(yùn)用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與8051復(fù)位要求一致時(shí)，可以直接相連。當(dāng)晶振頻率選用6M

50、Hz時(shí)，復(fù)位電路中C取22uF，R取200Ω，，復(fù)位電路如下（圖 12）：</p><p>　　圖 12 復(fù)位電路</p><p><b>　　越界報(bào)警電路</b></p><p>　　為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接到8051的I／O口Pl.0。當(dāng)任何一個(gè)

51、行程開關(guān)被壓下的時(shí)候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變成高電平。8051可以利用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢查有無越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至8051的外部中斷引腳（INTO或INT1），采用中斷方式檢查越界信號(hào)。越界報(bào)警電路如下圖所示（圖13）：</p><p>　　圖 13 越界報(bào)警電路</p><p>　?。?）控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p>

52、<p>　　該系統(tǒng)選用MCS-51系列的8051作為主控制器。擴(kuò)展存儲(chǔ)器電路為一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為4K，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為8K。2732的片選控制端CE直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位以后，CPU從OOOOH開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端CE由譯碼器(74LS138)的Y2輸出提供。所以6264的空間地址為4000-5FFFH。</p><p>　

53、　系統(tǒng)的擴(kuò)展I/O接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155。8155的片選端CE接至譯碼器(74LS138)的Y4的輸出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址號(hào)分別為8000H及8OO1H，8002H，8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H~8OFFH。8155的A口為控制工作臺(tái)X，Y向電機(jī)的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)接口與功率放大器之

54、間采用光電隔離。</p><p>　　鍵盤與顯示器設(shè)計(jì)在起，8155的PC口擔(dān)任，鍵盤的列線及顯示器的掃描控制PB口的PBO~PB3為鍵盤的行線。8051的Pl口接顯示器。該系統(tǒng)采用4×6共24個(gè)行列式鍵盤和6位8段共陰極LED顯示器。為了增加數(shù)碼顯示亮度，分別在字形口和字位口加74LS07進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　PB口剩余的I／O線PB4-PB7分別作為l作臺(tái)+X，+Y

55、，-X，-Y四個(gè)方向的行程限位控制信號(hào)。在軟件設(shè)計(jì)上8155的PA口，PC口設(shè)置為輸出，PB口設(shè)置為輸入。計(jì)算機(jī)隨時(shí)巡回檢測(cè)PB4~PB7的電平，當(dāng)某I/O線為0時(shí)，應(yīng)立即停止X，Y向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。</p><p>　　另外，光電隔離器的輸出端必須采用隔離電源。隔離電源選用7805三端集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)。數(shù)控系統(tǒng)總的電氣原理以及圖中各元件的參數(shù)和型號(hào)見附一，附三。</p><p>

56、;　　（四）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　?。?）控制系統(tǒng)軟件的主要內(nèi)容</p><p>　　控制系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個(gè)部分：</p><p>　　1．系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使

57、系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。</p><p>　　2．零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I／O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。</p><p>　　3．插補(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。</p><p>　　4．伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。</p><p>　　5．

58、診斷程序。包括移動(dòng)超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯(cuò)等功能。</p><p>　　6．機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工控制程序。</p><p>　　7．鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。</p><p><b>　?。?）軟件的設(shè)計(jì)</b></p><p><b

59、>　　系統(tǒng)控制功能分析：</b></p><p>　　數(shù)控X-Y工作臺(tái)的控制功能包括：</p><p>　　1．系統(tǒng)初始化如對(duì)I/O接口8155，8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字；</p><p>　　2．工作臺(tái)復(fù)位開機(jī)后，工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位；</p><p>　　3．輸入和顯示加工程序；

60、</p><p>　　4．監(jiān)視按鍵、鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能；</p><p>　　5．工作臺(tái)超程顯示和處理，工作臺(tái)位移超過規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示符；</p><p>　　6．工作臺(tái)的自動(dòng)、手動(dòng)、聯(lián)動(dòng)控制。</p><p><b>　　系統(tǒng)管理程序控制：</b>&

61、lt;/p><p>　　管理程序是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計(jì)管理程序時(shí)，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的基本操作功能有輸入加工程序、自動(dòng)加工、刀位控制、工作臺(tái)位置控制、手動(dòng)操作、緊急停機(jī)等。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)管理程序流程圖如下所示（圖 14）：</p><p>　　圖 14 管理程序流程圖</p>

62、<p><b>　　自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)：</b></p><p>　　1．機(jī)床在自動(dòng)加工的動(dòng)作順序，工作臺(tái)移動(dòng)到位—>刀具快速進(jìn)給—>加工—>退刀—>工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下—>位置；</p><p>　　2．計(jì)算機(jī)在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工；</p><p>　　3．由以上分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)加

63、工程序框圖如下所示（圖 15）：</p><p>　　圖 15 自動(dòng)加工程序框圖</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì)：</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度、轉(zhuǎn)角及方向的控制，步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí)，由于負(fù)載和慣性,會(huì)使電機(jī)失步，所以電機(jī)運(yùn)行時(shí)有一個(gè)加、減速過程。通過確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。</p&

64、gt;<p><b>　　時(shí)間常數(shù)的確定</b></p><p>　　在步進(jìn)電機(jī)控制程序中，利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷，延時(shí)產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時(shí)間間隔，此間隔由輸入定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)決定。</p><p>　　時(shí)間常數(shù)由下式計(jì)算：</p><p>　　式中：T為時(shí)間間隔（ms），為單片機(jī)的機(jī)器周期（），在時(shí)鐘為6MHz時(shí)，</p>

65、;<p>　　步進(jìn)電機(jī)的加、減速進(jìn)給脈沖及脈沖時(shí)間間隔的確定</p><p>　　設(shè)步進(jìn)電機(jī)的加、減速方式為直線加、減速。</p><p>　　要是步進(jìn)電機(jī)不失步，應(yīng)滿足：</p><p>　　式中：為步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)力矩，為負(fù)載力矩，為慣性力矩</p><p>　　由于步進(jìn)電機(jī)，取步進(jìn)電機(jī)的加速力矩：</p>&l

66、t;p>　　使步進(jìn)電機(jī)不失步的慣性力矩：</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的角加速度：</p><p><b>　　又</b></p><p>　　式中：為上升到步進(jìn)電機(jī)最高頻率所需的時(shí)間，所以有：</p><p><b>　　加速脈沖個(gè)數(shù)：</b></p><p>　　取

67、加速脈沖個(gè)數(shù)為54個(gè)。</p><p><b>　　又因?yàn)?lt;/b></p><p>　　所以脈沖時(shí)刻，結(jié)合可以算出對(duì)應(yīng)各脈沖時(shí)刻的計(jì)數(shù)器時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　EPROM存儲(chǔ)器中，時(shí)間常數(shù)依次安排在首地為10OOH的存儲(chǔ)單元中，每個(gè)時(shí)間常數(shù)占據(jù)兩個(gè)字節(jié)，低位地址存放時(shí)間常數(shù)低8位，高位地址存放時(shí)間常數(shù)高8位。</p>&l

68、t;p>　　在程序中，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計(jì)數(shù)器N0，N1，N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程是否結(jié)束的標(biāo)志。步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖如下所示（圖 16）：</p><p>　　圖 16 步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)中斷服務(wù)程序框圖（圖 17）：</p><p><b>　　中斷服務(wù)程序入口</b></

69、p><p>　　圖 17 步進(jìn)電機(jī)中斷服務(wù)程序框圖</p><p><b>　　編語言程序設(shè)計(jì)：</b></p><p><b>　　內(nèi)存地址分配</b></p><p>　　加速脈沖計(jì)數(shù)器N0地址設(shè)為20H；恒速脈沖計(jì)數(shù)器N1低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址位22H,減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N2地址

70、位23H。</p><p>　　加速、減速、恒速脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址位25H；步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址位OE8OH。每調(diào)用一次程序，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給一步。</p><p><b>　　程序清單</b></p><p>　　N0 EQU 20H ;加速</p><p

71、>　　N1L EQU 21H ;恒速</p><p>　　N1H EQU 22H </p><p>　　N2 EQU 23H ;減速</p><p>　　NL EQU 24H ;脈沖總數(shù)寄存器</p><p>　　NH EQU 25H</p><p>　　D

72、S EQU 26H ；地址指針偏移量</p><p>　　FEED EQU 0E80H</p><p>　　ORG 0E00H</p><p>　　0E00 758160 START： MOV P，#60H</p><p>　　0E03 758901 MOV TMOD，#0

73、1H ；設(shè)計(jì)數(shù)器工作方式為1，16位定時(shí)器</p><p>　　0E06 75201B MOV N0，#01A4H ；設(shè)N0為320</p><p>　　0E09 75231B MOV N2， #1A4H</p><p>　　0E0C E520 MOV A ，

74、N0 ；計(jì)算2XN0</p><p>　　0E0E 23 RL A</p><p>　　0E0F F8 MOV R0， A</p><p>　　0E10 C3 CLR C ；計(jì)算N1=N-2N0</p>

75、;<p>　　0E11 E524 MOV A， NL</p><p>　　0E13 98 SUBB A， R0</p><p>　　0E14 F521 MOV N1L， A</p><p>　　0E16 E525

76、 MOV A， NH</p><p>　　0E18 9400 SUBB A，#00H</p><p>　　0E1A F522 MOV N1H，A</p><p>　　0E1C 901000 MOV DPTR， #1000H ；設(shè)時(shí)間常數(shù)指針初值為1000

77、H</p><p>　　0E1F 752600 MOV DS， #00H ；設(shè)地址偏移量初值為00H</p><p>　　0E22 93 MOVC A, @A+DPTR ；從EPROM中讀時(shí)間常數(shù)</p><p>　　0E23 F58A M

78、OV TL0， A ；送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器0中</p><p>　　0E25 0526 INC DS</p><p>　　0E27 E526 MOV A，DS</p><p>　　0E2 93 MOVC A，@A+DPTR </p

79、><p>　　0E2A F58C MOV TH0，A</p><p>　　0E2C 0526 INC DS</p><p>　　0E2E D2AF SETB EA ；開中斷允許</p><p>　　0E30

80、D2A9 SETB ET0 ；允許定時(shí)器0中斷</p><p>　　0E32 D28C SETB TR0 ；啟動(dòng)定時(shí)器0開始計(jì)算</p><p>　　0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回</p>

81、<p>　　0E37 22 RET</p><p>　　中斷服務(wù)程序： ORG 000BH</p><p>　　000B 02F00 LJMP 0F00H</p><p>　　0F00 93 MOVC A，@A+DPT

82、R</p><p>　　0F03 F58A MOV TL0， A</p><p>　　0F05 0526 INC DS</p><p>　　0F07 E526 MOV A，DS</p><p>　　0F09 93

83、 MOVC A，@A+DPTR</p><p>　　0F0A F58C MOV TH0， A</p><p>　　0F0C 0526 INC DS ；修改地址偏移量指針</p><p>　　0F0E D180 ACALL FE

84、ED ；調(diào)FEED子程序</p><p>　　0F10 E520 MOV A， N0 ；判斷N0是否為0</p><p>　　0F12 B400 CJNE A， #00H， LOOP1</p><p>　　0F15 E52 MOV A， N1H

85、 ；判斷N1是否為0 </p><p>　　0F17 B40010 CJNE A，#00H， LOOP2</p><p>　　0F1A E522 MOV A，N1H</p><p>　　0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP2</p><

86、p>　　0F1F E523 MOV A，N2 判斷N2是否為0 </p><p>　　0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP3</p><p>　　0F24 C2AF CLR EA ；N2為0 ，減速結(jié)束，關(guān)中斷</p><

87、p>　　0F26 32 RETI</p><p>　　0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0不為0，則N0←N0-1</p><p>　　0F29 32 RETI</p><p>　　0F2A E521 LOOP2：MOV

88、 A，N1L ；N1不為0，則N1←N1-1</p><p>　　0F2C C3 CLR C</p><p>　　0F2D 9401 SUBB A， #01H</p><p>　　0F2F F521 MOV N1L， A</p><p

89、>　　0F31 E522 MOV A， N1H</p><p>　　0F33 9400 SUBB A，#00H</p><p>　　0F35 F522 MOV N1H，A</p><p>　　0F37 32 RET

90、I</p><p>　　0F38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不為0，則N2←N2-1</p><p>　　0F3A 32 RETI</p><p><b>　　三、總結(jié)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)目的是鞏固所學(xué)機(jī)電一體化

91、系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)，熟悉典型數(shù)控型執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。重心是傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，傳動(dòng)系統(tǒng)上網(wǎng)設(shè)計(jì)思路很簡(jiǎn)單，主要是選擇絲杠副和直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌以及其工作強(qiáng)度的校核，設(shè)計(jì)的每個(gè)零件尺寸一定要很精確，位置也要看精確，否則在裝配的過程中出現(xiàn)很多問題。我在設(shè)計(jì)初期碰到的問題及解決方案主要有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　1．絲杠螺母副和直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚，解決方案是設(shè)計(jì)外觀。</p><p>　　2．設(shè)計(jì)

92、時(shí)還應(yīng)該考慮到加工工藝。</p><p>　　3．控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接參考市場(chǎng)上的控制模塊。</p><p>　　雖然設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了很多困難，可是在老師的指導(dǎo)下，最后成功地完成了制定的設(shè)計(jì)任務(wù)?？傊谶@次課程設(shè)計(jì)中學(xué)到了很多東西，發(fā)現(xiàn)了自己在之前學(xué)習(xí)中的不足之處。</p><p><b>　　四、參考文獻(xiàn)</b></p><p

93、>　　[1] 宋寶玉，王連明主編，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，第3版。</p><p>　　哈爾濱：哈濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008年1月。</p><p>　　[2] 濮良貴，紀(jì)明剛主編，機(jī)械設(shè)計(jì)，第8版。</p><p>　　北京：高等教育出版社，2006年5月。</p><p>　　[3] 蔡春源主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)·齒輪傳動(dòng)，第

94、4版。</p><p>　　北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007年3月。</p><p>　　[4] 吳宗澤主編，機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)，第10版。</p><p>　　北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003年11月。</p><p>　　[5] 張建民, 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì), 高等教育出版社, 2001。</p><p>　　[6]