機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)---單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用xy工作臺(tái)

1、<p><b>　　綜合課程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　說(shuō) 明 書(shū)</b></p><p><b>　　（第8組）</b></p><p>　　課程性質(zhì)：專業(yè)課(必修)</p><p>　　適用專業(yè)：機(jī)械電子工程</p><p&g

2、t;　　所用時(shí)間： 兩 周 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)的題目及要求2</p><p><b>　　（一）題目2</b></p><p><b>　?。ǘ┮螅?</b></p><

3、p>　　二、總體方案的確定2</p><p>　　三、機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算3</p><p>　　1、工作臺(tái)的初步設(shè)計(jì)：3</p><p>　　2、滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定：5</p><p>　　3、滾珠絲桿計(jì)算、選擇。6</p><p>　　4、步進(jìn)電機(jī)的選擇8</p><p>

4、　　5、齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)10</p><p>　　6、步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載計(jì)算10</p><p>　　7、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)裝配圖見(jiàn)附錄。11</p><p>　　8、三維圖紙如下：11</p><p>　　四、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)11</p><p>　　1、確定硬件電路總體方案:11</p>&

5、lt;p>　　2、主控制器CPU的選擇：12</p><p>　　3、I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì):12</p><p>　　4、鍵盤(pán)、顯示接口電路:12</p><p>　　5、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路12</p><p>　　6、其它輔助電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　五、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)16</p&g

6、t;<p>　　1、系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容16</p><p>　　2、程序設(shè)計(jì)技術(shù)17</p><p>　　3、步進(jìn)電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì)17</p><p>　　4、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)19</p><p>　　六、課程設(shè)計(jì)的心得和體會(huì)20</p><p><b>　　七、參考資料21

7、</b></p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)的題目及要求</p><p>　?。ㄒ唬╊}目：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用XY工作臺(tái)。</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，各題目的有效行程、快速進(jìn)給速度和工作載荷見(jiàn)下表：</p><p><b>

8、　?。ǘ┮螅?lt;/b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)應(yīng)在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立完成，嚴(yán)格地要求自己，不允許相互抄襲；</p><p>　　認(rèn)真閱讀《課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》，明確題目及具體要求；</p><p>　　認(rèn)真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)；</p><p>　　大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計(jì)方案；</p

9、><p>　　機(jī)械部分和驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)思路清晰，計(jì)算結(jié)果正確，選型合理；</p><p>　　微機(jī)控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確；</p><p>　　手工或電腦繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖一張（A1），控制系統(tǒng)電氣原理一張（A1），圖紙符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，布圖合理，內(nèi)容完整表達(dá)清晰； </p><p>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份（不少于5000字），包

10、括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)等。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)敘述清楚、表達(dá)正確、內(nèi)容完整、技術(shù)術(shù)語(yǔ)符合標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　該課程設(shè)計(jì)由三人共同完成。其中，完成機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，和完成電氣部分的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　二、總體方案的確定</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定系統(tǒng)的總體機(jī)械和控

11、制系統(tǒng)方案：進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。</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(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。</p><p><b>　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)</b&g

12、t;</p><p>　　采用MCS-51系列中的8051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。控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)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。</p><p>　　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)

13、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>　　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

14、></p><p>　　三、機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算</p><p>　　1、工作臺(tái)的初步設(shè)計(jì)：</p><p>　?。?）確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量</p><p>　　脈沖當(dāng)量是個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度。一般為0.01~0.005mm。</p><p>　?。?）工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算。&l

15、t;/p><p>　　取X向?qū)к壷С袖撉虻闹行木酁?30mm ,Y向?qū)к壷С袖撉虻闹行木酁?80mm，設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)圖。</p><p><b>　　工作臺(tái)簡(jiǎn)圖</b></p><p>　　工作臺(tái)的尺寸： ；</p><p>　　重量：按重量=體積材料比重估算： </p><p><b>　　

16、；</b></p><p>　　X向拖板（上拖板）尺寸：長(zhǎng) 寬高： ；</p><p>　　重量：按重量=體積材料比重估算： </p><p><b>　　；</b></p><p><b>　　Y向拖板尺寸： ；</b></p><p><b>　　

17、重量： ；</b></p><p><b>　　上導(dǎo)軌座重量：； </b></p><p>　　夾具及工件重量：約160N</p><p>　　則X—Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量約： 1100N</p><p>　　2、滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定：</p><p>　?。?）導(dǎo)軌型式：雙V型滾珠導(dǎo)

18、軌</p><p>　?。?）導(dǎo)軌長(zhǎng)度: </p><p>　　上導(dǎo)軌（X向） 取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 ; 動(dòng)導(dǎo)軌行程;</p><p>　　支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度; 保持器長(zhǎng)度;</p><p>　　下導(dǎo)軌（Y向） 取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 ; 動(dòng)導(dǎo)軌行程;</p><p>　　支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度; 保持器長(zhǎng)度;</p><

19、;p>　?。?）滾動(dòng)體尺寸與參數(shù)的確定:</p><p>　　滾珠直徑取d=6mm 數(shù)目根據(jù)決定。上導(dǎo)軌 , 所以;</p><p>　　X向動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度; 則,兩滾珠之間的間距。</p><p>　?、谙聦?dǎo)軌 G=740N所以</p><p>　　因?yàn)? 取, 滾珠之間的間距 。</p><p>　　（4）

20、許用負(fù)載驗(yàn)算:</p><p>　　平均每個(gè)滾珠上最大負(fù)載 而</p><p>　　式中為導(dǎo)軌的預(yù)加負(fù)荷，按最大工作負(fù)荷的二分之一計(jì)算 </p><p><b>　　X向?qū)к壸畲筘?fù)荷</b></p><p><b>　　Y向?qū)к壸畲筘?fù)荷</b></p><p>　　許用

21、負(fù)荷 查表得則</p><p><b>　　故導(dǎo)軌可用。</b></p><p>　　3、滾珠絲桿計(jì)算、選擇。</p><p>　　初選絲桿材質(zhì)鋼，HRC 58~60導(dǎo)程</p><p><b>　　強(qiáng)度計(jì)算</b></p><p><b>　　絲桿軸向力：

22、（N）</b></p><p>　　式中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0.005；在車床車削外圓時(shí)：</p><p><b>　??；可取</b></p><p><b>　　，計(jì)算得，</b></p><p>　　壽命值：，絲杠轉(zhuǎn)速：，則</p><

23、p><b>　　最大動(dòng)載荷 </b></p><p>　　X向絲杠牽引力：（N）</p><p>　　Y向絲杠牽引力：（N）</p><p>　　所以最大動(dòng)負(fù)載 Y向（N）</p><p><b>　　X向（N）</b></p><p>　　查表，可取滾珠絲杠公稱

24、直徑，采用外患循環(huán)式的螺母，支承方式為雙推--簡(jiǎn)支式，選用滾珠螺母型的型號(hào)為（兩只），其額定動(dòng)載荷8630，足夠用</p><p>　?。?）滾珠絲杠螺母幾何參數(shù)：</p><p>　　公稱直徑，螺距t=10，接觸角</p><p>　　鋼球直徑， 螺紋升角</p><p>　　螺桿外徑D=29 ， 內(nèi)徑；</p&g

25、t;<p>　　螺母螺紋外徑D=33.21， 內(nèi)徑</p><p>　?。?）傳動(dòng)效率計(jì)算：</p><p>　　絲桿螺母副的傳動(dòng)效率為式中 。如摩擦角：為絲桿螺旋開(kāi)角。</p><p><b>　　（4）穩(wěn)定性驗(yàn)算</b></p><p>　　滾珠絲桿受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化是</p>

26、<p>　　Y向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計(jì)算。</p><p>　　P=263N </p><p><b>　　（材料為鋼）</b></p><p><b>　　所以： </b></p><p>　　絲桿因受扭矩所引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略，所以導(dǎo)程總誤差<

27、/p><p>　　查表知E級(jí)精度的絲桿允許誤差，故剛度足夠。</p><p><b>　　4、步進(jìn)電機(jī)的選擇</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的步距角取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量初步選步進(jìn)電機(jī)步距角。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力距的計(jì)算。</p><p>　　設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為P，根據(jù)能量守恒定理

28、，電機(jī)所做功率與負(fù)載的功有如下關(guān)系 ：</p><p>　　式中：為——電機(jī)轉(zhuǎn)角 S——移動(dòng)部件的相應(yīng)位移 機(jī)械傳動(dòng)效率。</p><p>　　若取 則 且 （N/ m）</p><p>　　式中——移動(dòng)部件負(fù)載（W） G——移動(dòng)部件重量（N）</p><p>　　——與重力方向一致的作用，在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N）<

29、;/p><p>　　——導(dǎo)軌摩擦系數(shù) ——步進(jìn)電機(jī)步距角（rad）</p><p>　　T——電機(jī)軸負(fù)載力矩（）</p><p>　　本題中，?。ù慊痄摑L珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)）</p><p><b>　　。為絲桿牽引力， </b></p><p>　　考慮到動(dòng)影響，Y向電機(jī)負(fù)載較大，因此取<

30、;/p><p><b>　　所以： </b></p><p>　　若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩取安全系數(shù)為 0.3 則；</p><p>　　對(duì)于三相六拍的步進(jìn)電機(jī)有： N*m；</p><p>　　由于資料有限改用步距角為0.9度的四相八拍則</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的最高工

31、作頻率：</p><p>　　查表選用兩個(gè)90BF001型步進(jìn)電機(jī)，其性能參數(shù)如下：</p><p><b>　　5、齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)本部分的第一步所初選的電機(jī)步距角和脈沖當(dāng)量，又已知滾珠絲杠螺距t=6mm，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)比： </p><p>　　若取Z1=

32、24，則Z2=60。模數(shù)m=1mm </p><p><b>　　齒輪尺寸：</b></p><p>　　6、步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載計(jì)算</p><p>　?。?）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算</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><b>　　(kg·c

33、m2)</b></p><p>　　式中：Jw，Jz1，Jz2和Js分別為折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的工作臺(tái)、齒輪1、齒輪2和絲杠的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·cm2。其中：</p><p>　　(N·m2)， (N·m2)</p><p>　　(N·m2)， (N·m2)</p><p>　　

34、式中：d0為絲杠的名義直徑；Ls為絲杠的總長(zhǎng)；ρs，ρz分別為絲杠和齒輪的材料密度，可取為7.85x10-3kg/cm3。</p><p>　?。?）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算</p><p>　　空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩： (N·m)</p><p>　　工作時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：(N·m)</p><p>　　式中：η=0.8，為考慮絲杠預(yù)緊時(shí)

35、的傳動(dòng)效率。</p><p>　?。?）起動(dòng)慣性阻轉(zhuǎn)矩計(jì)算</p><p><b>　　(N·m)</b></p><p>　　式中：電機(jī)轉(zhuǎn)速ωm=2πnm/60，起動(dòng)加速時(shí)間Δt=0.025s。</p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算</p><p><b>

36、;　　(N·m)</b></p><p>　　故有總的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：</p><p><b>　　kg.cm2</b></p><p>　　7、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)裝配圖見(jiàn)附錄。</p><p><b>　　8、三維圖紙如下：</b></p><p>　　四、

37、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　1、確定硬件電路總體方案:</p><p>　　機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來(lái)由以下四部分組成：</p><p>　　主控制器：就是中央處理單元CPU。</p><p>　　總線：包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）、控制總線（CB）。</p><p>　　存儲(chǔ)器：包括只

38、讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。</p><p>　　接口：即I/O輸入/輸出接口電路。</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下：</p><p><b>　　控制系統(tǒng)硬件框圖</b></p><p>　　除此之外，還要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求配備一些外圍設(shè)備和信號(hào)變換電路。其中信號(hào)變換電路是A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)

39、換、光電隔離、功率放大等，是實(shí)現(xiàn)微機(jī)與控制對(duì)象之間的信號(hào)匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路。它們可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求選取。</p><p>　　2、主控制器CPU的選擇：</p><p>　　在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素：</p><p>　　時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)（控制數(shù)據(jù)處理的速度）；</p><p>　　可擴(kuò)展存儲(chǔ)器（ROM/RAM）的容量；

40、</p><p>　　指令系統(tǒng)功能是否強(qiáng)；</p><p>　　I/O口擴(kuò)展的能力；</p><p>　　開(kāi)發(fā)手段（包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件電路）。</p><p>　　3、I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì):</p><p>　　8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可提供給用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此在大部分應(yīng)用

41、系統(tǒng)中都不可避免的要進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。</p><p>　　其中通用可編程接口芯片8155與微機(jī)的接口較為簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用的接口芯片。</p><p>　　4、鍵盤(pán)、顯示接口電路:</p><p>　　鍵盤(pán)、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)都用行列式鍵盤(pán)，即用I/O口線組成行、列接構(gòu)，按

42、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（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器），為了方便顯示圖形，也有用CRT接口顯示方式的系統(tǒng)。</p><p>　　5、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電動(dòng)機(jī)，在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的角位移僅與控制脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速僅與控制脈沖頻率成正比。在

43、多數(shù)情況下，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)中不需要A/D或D/A轉(zhuǎn)換，可采用較為簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床追主要的一種伺服驅(qū)動(dòng)元件。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由下圖所示。</p><p><b>　?。?）計(jì)算機(jī)接口</b></p><p>　　在數(shù)控系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)接口電路至關(guān)重要，沒(méi)有它將無(wú)法實(shí)現(xiàn)微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。如前所述，89C51系列單片機(jī)含有4個(gè)并

44、行輸入/輸出口。提供32根I/O線，其中P1口可以提供用戶使用，作為步進(jìn)電機(jī)及其他控制對(duì)象的接口。也可以采用8155或者8255等可編程并行輸入，輸出接口芯片設(shè)計(jì)擴(kuò)展接口電路，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)與其它外部設(shè)備。</p><p><b>　?。?）脈沖分配器</b></p><p>　　脈沖分配器又叫環(huán)形分配器，是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)必不可少的環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)的控制方式由環(huán)形分配器實(shí)

45、現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正裝或反轉(zhuǎn)。在數(shù)控系統(tǒng)中通常使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。</p><p>　　A0、A1確定通電方式，即通電方式，即通電相數(shù)和拍數(shù)。A0、A1接地，則工作方式設(shè)定在4相4拍；兩個(gè)輸入控制端E1,E2均直接接地；所需的方向及輸出控制信號(hào)分別由AT89C51的P1.0,P1.1和P1.3,P1.4提供，

46、以控制X,Y向步進(jìn)電機(jī)工作；時(shí)鐘脈沖由8155的定時(shí)器提供；P1.5引腳接清零端，以防亂相。通常，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)需要一個(gè)環(huán)形分配器控制。軟件環(huán)形分配器用軟件編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，在數(shù)控機(jī)床教學(xué)實(shí)驗(yàn)中已詳細(xì)地介紹了軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)方法，不再重述。</p><p><b>　?。?）隔離電路</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

47、步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流也較大，如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾。輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常進(jìn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。光電耦合器由發(fā)光器件和受光器件組成，聯(lián)結(jié)發(fā)光源的引線作為輸入端，聯(lián)接受光器件的引線為輸出端。通常發(fā)光器件是發(fā)光二極管，受光器件是光敏三極管。下圖是型號(hào)TIP521光電

48、耦合器的引腳與接線圖。圖（A）為發(fā)射極輸出型，圖（B）為共集電極輸出型。當(dāng)輸入信號(hào)Vin加到輸入端時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通激發(fā)發(fā)出紅外光，受光三極管受光照射后，由于光敏效應(yīng)光敏三極管導(dǎo)通，電流通過(guò)輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了以光為媒介的電信號(hào)傳輸。輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。</p><p>　　由于光電耦合器非線性失真大，不適合傳輸模擬信號(hào)，一般只用于進(jìn)行開(kāi)關(guān)量的傳輸及電平轉(zhuǎn)換。</p><p>

49、;　　TIP521型光電耦合器引腳與接線圖</p><p><b>　?。?）功率放大器</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，必須將其輸出的信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。功率放大器按其結(jié)構(gòu)不同分為單電源型和雙電源型。前者電路設(shè)計(jì)為單電壓供電，僅在步進(jìn)電機(jī)的繞組回路串聯(lián)一個(gè)小于10的電阻，以增大功率放大器

50、負(fù)載回路的電阻，使步進(jìn)電機(jī)繞組中電流上升的時(shí)間常數(shù)減小，提高上升沿的陡度。</p><p>　　雙電源型采用高電壓供電電路，在功率放大器導(dǎo)通初始時(shí)，加上比額定電壓高幾倍的電源供電，使電動(dòng)機(jī)繞組電流從零很快增大，當(dāng)電流升到接近額定值時(shí)切斷高電壓電源而由額定電壓為繞組提供正常工作電流。單電源功率放大器線路簡(jiǎn)單，但效率不高，只適用小功率的步進(jìn)電機(jī)。目前我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的功率放大器已由生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出系列化產(chǎn)品，所以在設(shè)計(jì)數(shù)控

51、機(jī)床控制電路時(shí)不必考慮其內(nèi)部 電路結(jié)構(gòu)，只需根據(jù)選用的步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。</p><p>　　6、其它輔助電路設(shè)計(jì)</p><p>　?、?051的時(shí)鐘電路</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。</p><p>　　內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件。晶體可在

52、1.2~12MHz之間任選，耦合電容在5~30pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部方式時(shí)，可以把XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。</p><p>　　1.AT89C51的時(shí)鐘電路</p><p><b>　　時(shí)鐘電路</b></p><p><b>　　②復(fù)位電路</b></p><p>

53、;　　單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU就從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。一般數(shù)控系統(tǒng)都采用上電與按鈕復(fù)位組合，如圖7所示。上電瞬間， RESET引腳端出現(xiàn)高電平，只要RESET端保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，單片機(jī)就有效復(fù)位。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中若有些需要復(fù)位的芯片其復(fù)位電平與89C51復(fù)位要求一致，就可直接相連。當(dāng)晶振頻率選用6MHz時(shí)，復(fù)

54、位電路中C取22μF，R取1KΩ，Rk取10kΩ。為了保證復(fù)位可靠，通常采用如圖8所示的實(shí)用復(fù)位電路。</p><p><b>　?、墼浇鐖?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行程開(kāi)關(guān)。如是兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)，則有4個(gè)方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，應(yīng)立即停止工作臺(tái)移動(dòng)，可通過(guò)光電耦合器的輸入隔離

55、電路如圖9所示。行程開(kāi)關(guān)接到光耦發(fā)光二極管側(cè)，光敏三極管的輸出通過(guò)74HC21四通道與門電路接到AT89C51的P0口。當(dāng)任何一個(gè)方向的行程開(kāi)關(guān)被撞擊閉合時(shí)，光耦發(fā)光管側(cè)回路接通，光耦內(nèi)部發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，接入74HC21與門芯片的通路變低電平，則74HC21第6腳輸出低電平，觸發(fā)中斷，單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制指令。同時(shí)當(dāng)有行程開(kāi)關(guān)撞擊閉合時(shí)，四通道或門芯片C4072的1腳則輸出高電平，三極管正向偏置，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。（為

56、了報(bào)警，還可以可以設(shè)置發(fā)光二極管，工作時(shí)不亮，有越界信號(hào)時(shí)，紅燈亮，指示工作臺(tái)越過(guò)極限位置。）</p><p>　　五、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　1、系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來(lái)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部分內(nèi)容。</p><p><b>

57、;　?、佟⑾到y(tǒng)管理程序</b></p><p>　　它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其主要功能是：（1）接收操作者的命令；（2）執(zhí)行命令；（3）從命令處理程序返回到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。</p><p>　?、?、零件加工源程序的輸入處理程序</p><p>　　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

58、><p><b>　　③、插補(bǔ)程序</b></p><p>　　插補(bǔ)程序根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，分配進(jìn)給脈沖。</p><p><b>　?、堋⑺欧刂瞥绦?lt;/b></p><p>　　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)角及方向。</p><p

59、><b>　?、?、診斷程序</b></p><p>　　診斷程序包括移動(dòng)部件移動(dòng)越界處理、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)加工與手動(dòng)控制程序</p><p>　　在調(diào)整機(jī)床時(shí)往往需要機(jī)床的手動(dòng)控制。</p><p>　?、摺㈡I盤(pán)操作和顯示處理程序</p>&

60、lt;p>　　鍵盤(pán)操作和顯示處理程序的功能包括監(jiān)視鍵盤(pán)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>　　2、程序設(shè)計(jì)技術(shù)</b></p><p>　　系統(tǒng)控制軟件根據(jù)系統(tǒng)功能的要求而設(shè)計(jì)，應(yīng)可靠的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí)必須詳盡而細(xì)致地分析系統(tǒng)控制對(duì)象的特點(diǎn)及對(duì)控制功能的要求。在確定好控制方式、計(jì)算方法和控制順序后，將其

61、處理順序用框圖描述出。系統(tǒng)控制軟件通常用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。</p><p>　　程序設(shè)計(jì)的方法通常有：模塊化程序設(shè)計(jì)和自頂向下程序設(shè)計(jì)。</p><p>　　3、步進(jìn)電機(jī)控制子程序的設(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，所以步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)有一個(gè)加、減速過(guò)程。</p>

62、<p>　　通過(guò)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><p>　　經(jīng)過(guò)計(jì)算知加、減速脈沖個(gè)數(shù)都為27個(gè)。</p><p><b>　　因?yàn)?，所?lt;/b></p><p>　　計(jì)算時(shí)要根據(jù)脈沖時(shí)刻tn查時(shí)間常數(shù)表，得脈沖時(shí)間間隔T，</p><p>　　再由Te=T×

63、10-3/（te×10-6）求出時(shí)間常數(shù)Te，</p><p>　　式中：T——脈沖時(shí)間間隔（ms）；te——單片機(jī)機(jī)器周期（μs），在時(shí)鐘為6MHz時(shí)，te≈2μs。</p><p>　　在EPROM存儲(chǔ)器中，時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中，每個(gè)時(shí)間常數(shù)占兩個(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><p>

64、;　　在程序中，設(shè)置加速、恒速、減速脈沖數(shù)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(guò)程（加速、恒速或減速）是否結(jié)束的標(biāo)志。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖見(jiàn)圖10。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)控制子程序（后臺(tái)程序）流程圖</p><p>　　（b）步進(jìn)電機(jī)控制中斷服務(wù)程序流程圖</p><p>　　4、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)

65、</p><p><b>　?。?）內(nèi)存地址分配</b></p><p>　　加速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0地址設(shè)為20H。</p><p>　　恒速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N1低8位字節(jié)NIL地址21H，高8位字節(jié)地址22H。</p><p>　　減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N2地址23H。</p><p>　　加速、恒速、減速

66、脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)NL地址為24H，高位字節(jié)NH地址為25H。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址為0E80H。每調(diào)用一次該程序，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>　　N

67、IL EQU 21H ；恒速</p><p>　　NIH EQU 22H ；恒速</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>　　DS EQU 26H

68、 ；地址指針偏移量</p><p>　　FEED EQU 0E80H</p><p><b>　　ORG 0E00H</b></p><p>　　0E00 758160 START：MOV SP，#60H ；程序開(kāi)始</p><p>　　0E03 758901 MOV TMOD，#01H ；設(shè)

69、計(jì)數(shù)器是工作方式1，16位定時(shí)器</p><p>　　0E06 75201B MOV N0，#1BH ；設(shè)N0初值為27</p><p>　　0E09 75231B MOV N2，#1BH ；設(shè)N2初值為27</p><p>　　0E0C E520 MOV A，N0 ；計(jì)算2×N0<

70、;/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><p>　　0E11 E524 MOV A，NL </p><

71、p>　　0E13 98 SUBB A，R0</p><p>　　0E14 F521 MOV NIL，A ；恒速計(jì)數(shù)器賦值（低位）</p><p>　　0E16 E525 MOV A，NH</p><p>　　0E18 9400 SUBB A，#00H</p><p>　

72、　0E1A F522 MOV NIH，A ；恒速計(jì)數(shù)器賦值（高位）</p><p>　　0E1C 901000 MOV DPTR，#1000H ；設(shè)時(shí)間常數(shù)地址指針初值1000H</p><p>　　0E1F 752600 MOV DS，#00H ；設(shè)地址偏移量初值為00H</p><p>　　0E22 9

73、3 MOVC A，＠A+DPTR ；從EPROM中讀取時(shí)間常數(shù)</p><p>　　0E23 F58A MOV 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&

74、gt;　　0E29 93 MOVC A，＠A+DPTR</p><p>　　0E2A F58C MOV TH0，A</p><p>　　0E2C 0526 INC DS</p><p>　　0E2E D2AF SETB EA ；置中斷使能控制器IE的EA位（即開(kāi)中斷允許）</p>

75、<p>　　0E30 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(kāi)始計(jì)數(shù)</p><p>　　0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回</p><p>　　0E37 22

76、 RET</p><p>　　中斷服務(wù)程序： RG 000BH ；定時(shí)器0中斷入口地址</p><p>　　000B 020F00 LJMP 0F0CH</p><p><b>　　ORG 0F00H</b></p><p>　　0F00 E526 INT：MOV A，DS

77、 ；送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器0中</p><p>　　0F02 93 MOVC A，＠A+DPTR </p><p>　　0F03 F58A MOV TL0，A</p><p>　　0F05 0526 INC DS</p><p>　　0F07 E526 MOV A，D

78、S</p><p>　　0F09 93 MOVC A，＠A+DPTR</p><p>　　0F0A F58C MOV TH0，A</p><p>　　0F0C 0526 INC DS ；修改地址便移量指針</p><p>　　0F0E D180 ACALL FE

79、ED ；調(diào)FEED子程序，使電機(jī)進(jìn)給一步</p><p>　　0F10 E520 MOV A，N0 ；判斷N0是否為0，為0則轉(zhuǎn)入恒速</p><p>　　0F12 B40012 CJNE A，#00H，LOOP1</p><p>　　0F15 E522 MOV A，NIL

80、 ；判斷N1是否為0，為0則轉(zhuǎn)入減速</p><p>　　0F17 B40010 CJNE A，#00H，LOOP2</p><p>　　0F1A E522 MOV A，NIH</p><p>　　0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP2</p><p>　　0F1F E523 MOV

81、 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><p>　　0F26 32 RETI ；中斷返

82、回</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 A，NIL ；N1不為0，則N1=N1-1</p><p>　　0F2C C

83、3 CLR C</p><p>　　0F2D 9401 SUBB A，#01H</p><p>　　0F2F F521 MOV NIL，A</p><p>　　0F31 E522 MOV A，NIH</p><p>　　0F33 9400 SUBB A，#00H</p>

84、;<p>　　0F35 F522 MOV NIH，A</p><p>　　0F37 32 RETI</p><p>　　0F38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不為0，則N2=N2-1</p><p>　　0F3A 32 RETI</p><p>

85、　　六、課程設(shè)計(jì)的心得和體會(huì)</p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，其一使我對(duì)本課程和本專業(yè)有了更深刻的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，自學(xué)了catia和protel軟件，并能運(yùn)用它們來(lái)完成三維圖、平面圖、電路圖的繪制。對(duì)單片機(jī)有了更深入的認(rèn)識(shí)。由于它涉及的知識(shí)面非常廣，把我們大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，有很多標(biāo)準(zhǔn)需要我們耐心再設(shè)計(jì)手冊(cè)上查找，要反復(fù)計(jì)算，并驗(yàn)算、修正計(jì)算結(jié)果，直至達(dá)到國(guó)家的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求；其二更

86、進(jìn)一步增強(qiáng)了我們嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、不怕困難的學(xué)習(xí)態(tài)度。</p><p>　　在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，培養(yǎng)了我綜合應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)課程及其他課程的理論知識(shí)和應(yīng)用生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，在這些過(guò)程中我們深刻地認(rèn)識(shí)到了自己在知識(shí)的理解和接受應(yīng)用方面的不足，在今后的學(xué)習(xí)過(guò)程中我們會(huì)更加努力和團(tuán)結(jié)。</p><p><b>　　七、參考資料</b></p><p&g

87、t;　　傅曉林，機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)，重慶交通大學(xué)，2005 </p><p>　　尹志強(qiáng)，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)，機(jī)械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　成大先, 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè), 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.</p><p>　　機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)編委會(huì), 機(jī)電一體化手冊(cè), 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.</p><p&g