XY運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)控專業(yè)方向綜合課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 “X-Y運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 2013年 12 月27日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書茲發(fā)給 班學(xué)生 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書，內(nèi)容如下：1 設(shè)計(jì)題目： X-Y運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 應(yīng)完成的項(xiàng)目：（1）原始資料：該X-Y工作臺(tái)圖樣，小批量生產(chǎn)； （2）熟悉X-Y工作臺(tái)圖樣，繪制裝配圖一張； （3）編寫控制系統(tǒng)程序； （4）撰寫說(shuō)明書。 3 參考資料以及說(shuō)明：1李洪主編.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，19992鄭堤主編.數(shù)控機(jī)床與編程.北京：機(jī)械

2、工業(yè)出版社，3機(jī)械加工技術(shù)手冊(cè)編寫組.機(jī)械加工技術(shù)手冊(cè).北京：北京出版社，19934何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)【M】北京：北京航空航天大學(xué)出版社，19905周開(kāi)勤主編.機(jī)械零件手冊(cè).北京：高等教育出版社，19996馮辛安主編.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19997吳振彪.機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19978李洪.機(jī)械加工工藝手冊(cè).北京：北京出版社，19904 本設(shè)計(jì)任務(wù)書于2013年 12月 16日發(fā)出，應(yīng)于2013年12月 27日前完成，然后進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師 簽發(fā) 2013 年12 月 16 日課程設(shè)計(jì)評(píng)語(yǔ)：課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績(jī)：指導(dǎo)教師簽字：年 月 目 錄摘要第一章

3、 緒論3 1.1 引言3 1.2 課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求3第二章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容42.1 課程設(shè)計(jì)題目42.2 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容4第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定5 3.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式確定5 3.2 伺服系統(tǒng)選擇5 3.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選擇5 3.4 X-Y工作臺(tái)傳送方式5 第四章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)64.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量64.2 工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算64.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇74.4 滾珠絲杠計(jì)算、選擇84.5 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)104.6 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算114.7 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇11第五章 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)135.1 CPU板135.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)145.3 電磁

4、鐵驅(qū)動(dòng)電路165.4 電源設(shè)計(jì)16第六章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)17 6.1 總體方案17 6.2 主流程圖17 6.3 X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序圖18 6.4 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)20第七章 設(shè)計(jì)總結(jié)22參考文獻(xiàn)23專心-專注-專業(yè)摘 要當(dāng)今世界技術(shù)迅速，微處理器、微型機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC

5、系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。關(guān)鍵字：機(jī)電一體化的基礎(chǔ) 基本組成要素 特點(diǎn) 發(fā)展趨勢(shì)第一章 緒論1.1引言在我國(guó)對(duì)外開(kāi)放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國(guó)制造業(yè)信息化水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表

6、的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ,如加工過(guò)程的自適應(yīng)控制 ,工藝參數(shù)自動(dòng)生成;為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求 ,也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。 1.2課程設(shè)計(jì)的目的和意義課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)

7、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(guò)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：1. 能夠正確運(yùn)用機(jī)電一體化系統(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(wèn)題和解決問(wèn)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；2. 通過(guò)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；3. 通過(guò)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；4. 通過(guò)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(shuō)

8、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。第二章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)題目：?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)。已知條件：定位精度：±0.01mm，負(fù)載G=150N，加工范圍500mm*50mm,最快移動(dòng)速度1m/min第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 a.數(shù)控裝置總體方案的確定 (1).數(shù)控裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的確定； (2).方案的分析，比較，論證。 b.機(jī)械部分的設(shè)計(jì)(1).確定脈沖當(dāng)量；(2).機(jī)械部件的總體尺寸及重量的初步估算；(3).傳動(dòng)元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)，計(jì)算和選用；(4).確定伺服電機(jī)；(5).繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖；(6).系統(tǒng)等效慣量計(jì)算；

9、(7).系統(tǒng)精度分析。c.數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1).微機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)；(2).I/O接口電路及伺服控制電路的設(shè)計(jì)和選用；(3).系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)第四章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：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。3.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。3.2 伺服系統(tǒng)的選擇開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī).開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由于沒(méi)有檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)

10、構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。.考慮到運(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)。3.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇采用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(guò)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)和工作狀態(tài)等信息。3.4 XY工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(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

11、載荷的結(jié)構(gòu)。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。 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)。系統(tǒng)總體框圖如下:圖3-1 系統(tǒng)總體框圖第五章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)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)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。4.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量p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，由于定位精度為±0.01mm因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。4.2 工作臺(tái)外形尺寸及

12、重量初步估算根據(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)承載重量WX和WY。取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?10mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖如下:工作臺(tái)簡(jiǎn)圖a. X向拖板(上拖板)尺寸為: 長(zhǎng)*寬*高=420*410*50重量:按重量=體積*材料比重估算為: = b. Y向拖板(下拖板)尺寸為: 重量=c. 上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為夾具及工件重量:約155NX-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為:4.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz

13、+W)； fSL=1.03.0(一般運(yùn)行狀況)，3.05.0（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：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:選擇漢機(jī)江機(jī)床廠HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)為:HJG-D25基本參數(shù)如下:額定載荷/N靜態(tài)力矩/N*M滑座重量導(dǎo)軌重量導(dǎo)軌長(zhǎng)度動(dòng)載荷靜載荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座個(gè)數(shù)單向行程長(zhǎng)度每分鐘往復(fù)次數(shù)M40.64導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N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：額定行程長(zhǎng)度壽命: 導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命: 導(dǎo)軌的工作壽命足夠.

14、4.4 滾珠絲杠計(jì)算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC5860，導(dǎo)程：l0=5mm（1） 強(qiáng)度計(jì)算絲杠軸向力：(N)其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.0030005；在車床車削外圓時(shí)：Fx=(0.10.6)Fz，F(xiàn)y=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。取f=0.004,則:壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)最大動(dòng)載荷：式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.21.5；fH為硬度系數(shù)，HRC58時(shí)為1.0。查表得中等沖擊時(shí)則: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系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM

15、2005-5。其基本參數(shù)如下:其額定動(dòng)載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式.滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表名稱計(jì)算公式結(jié)果公稱直徑20mm螺距mm接觸角鋼球直徑3.175mm螺紋滾道法向半徑1.651mm偏心距0.04489mm螺紋升角螺桿外徑19.365mm螺桿內(nèi)徑16.788mm螺桿接觸直徑17.755mm螺母螺紋外徑23.212mm螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）20.7mm（2） 傳動(dòng)效率計(jì)算絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：式中：=10，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。（3） 穩(wěn)定性驗(yàn)算絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。（4） 剛度驗(yàn)算滾珠絲

16、杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計(jì)算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E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差 =15m/m。4.5 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)因步進(jìn)電機(jī)步距角滾珠絲杠螺距t=5mm,要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量,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： ，初選步進(jìn)電機(jī)步距角：= 1.5/step。取小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù)因傳遞的扭距較小,取模數(shù)m=1mm則:分度圓直徑: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 齒寬: 取 中心距: 分度圓壓力角: 大小齒輪均采用漸開(kāi)線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪小齒輪采用兩片薄齒輪錯(cuò)齒排列以消除間隙.雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖如下:1、2-薄

17、齒輪, 3彈簧, 4、8凸耳, 5調(diào)節(jié)螺釘, 6、7螺母雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖4.6 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有：（1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為移動(dòng)部件的質(zhì)量。對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長(zhǎng)度。所以有：電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有：4.7 步進(jìn)電機(jī)的選用(）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為，負(fù)載力為，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如

18、下的關(guān)系：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：式中：為移動(dòng)部件負(fù)載（N），G為移動(dòng)部件質(zhì)量（N），為與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)軌摩擦系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。取=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），.8，=279.23?？紤]到重力影響，向電機(jī)負(fù)載較大，因此1200，所以有：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：取系數(shù)為.，則： 對(duì)于工作方式為三相拍的步進(jìn)電機(jī)： (） 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個(gè)90

19、BF001型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下:型號(hào)主要技術(shù)參數(shù)相數(shù)步距角電壓(V)相電流(A)最大靜轉(zhuǎn)矩(n.m)空載啟動(dòng)頻率空載運(yùn)行頻率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Kg.m外直徑長(zhǎng)度軸直徑9014594.51764第五章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(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。5.1 CPU板a. 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)

20、的型號(hào)很多，而目前市場(chǎng)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。從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)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(wú)疑提高了設(shè)計(jì)價(jià)格，而選用硬件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)。b. CP

21、U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：（行程開(kāi)關(guān)）前向通道傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)（電磁鐵）（步進(jìn)電機(jī)）人機(jī)界面?zhèn)鞲衅鰽T89S51（鍵盤、LED）后向通道 圖5-1 CPU外部接口示意圖P1.0-P1.2驅(qū)動(dòng)1X步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)2Y步進(jìn)電機(jī)P1.3-P1.5P1.6驅(qū)動(dòng)3P3.2外部中斷1P3.3外部中斷2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51鍵盤電磁鐵8155 圖5-2 AT89S51控制系統(tǒng)圖5.2 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

22、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。a. 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。圖5-4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖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

23、儲(chǔ)存在繞組中的能量通過(guò)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(guò)繞組的電流不至超過(guò)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A相波形B相波形C相波形圖5-5 三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（正轉(zhuǎn)）5.3 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路 圖3-6 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(jiǎn)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。5.4 電源設(shè)計(jì)兩電機(jī)同時(shí)工作再加上控制

24、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(biāo)準(zhǔn)的27V電源作為基準(zhǔn)，通過(guò)芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V和5V電壓。第六章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1 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(jiǎn)單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil 7.02b。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(yǔ)言編譯。同時(shí)具有完善的調(diào)試功能。上電復(fù)位P1.6=0，吸合電磁鐵，繪筆抬起外部中斷，8155初始化開(kāi)外部中斷，開(kāi)總中斷等待中斷6.2 主流程圖CTL EQU 3FF8HPA EQU 3

25、FF9HPB EQU 3FFAHPC EQU 3FFBHCMD EQU 02HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INT0IS ；外部中斷0入口ORG 000BHAJMP TM0IS ；定時(shí)器0中斷入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中斷1入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定時(shí)器1中斷入口ORG 0100HMAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā) SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX DPTR，CMD；A口輸入，B口輸出，C口輸入 SETB EX0 ；允許外中斷0 SETB E

26、X1 ；允許外中斷1 SETB PX0 SETB PX1 ；設(shè)置優(yōu)先級(jí) SETB EA ；開(kāi)總中斷 LOOP：AJMP LOOP ；等待中斷在等待中斷的過(guò)程中，如果有中斷到來(lái)，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(kāi)關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過(guò)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。6.3 X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA M

27、OV DPTR，A MOVX A，DPTR JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1這是X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)的程序，其他的X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)依次類推。逐點(diǎn)比較法 用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算，每走一步都需要以下四個(gè)步驟： 1判別偏差：Fm0或FMO ，從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算方向進(jìn)給。2偏差計(jì)算：進(jìn)給一步后計(jì)算新的加工偏差。3終點(diǎn)判別：進(jìn)給一步后，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器，若為

28、零，表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)，不為零則返回第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)數(shù)判別可用方向坐標(biāo)值判斷，也可由一個(gè)方向的坐標(biāo)值判斷。當(dāng)XeYE程序設(shè)計(jì)插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0為X向電機(jī)控制。DO運(yùn)行，D0=O停止，D0=1正轉(zhuǎn)。D1=0反轉(zhuǎn)D3D2為Y向電機(jī)控制位。D2=1運(yùn)行，D2=0停止，D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。第一象限制直線插補(bǔ)程序如下：ORG 2000H MAIN： MOV SP ， #60H； LP4 ： MOV 28H， #08CH；XE MOV 29H, #0C8

29、H; YE MOV 2AH, #00H; X MOV 2BH, #00H; Y MOV 2CH, #00H; FM MOV 70H, 0AHLP3: MOV A, 2CH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A;置電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為0B，+X方向進(jìn)給 LCALL MOTR；調(diào)步進(jìn)電機(jī)的控制子程序，+X方向進(jìn)給一步 LCALL DELAY MOV A， 2CH SUBB A， 29H；F-YE INC 2AH; X+1 AJMP LP2LP1 MOV A , 70H SETB ACC.2 置電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為0E，+Y方向

30、進(jìn)給 CLR ACC.0 調(diào)步進(jìn)電機(jī)的控制子程序，+Y方向進(jìn)給一步 LCALL DELAY MOV A， 2CH ADD A， 28H； F+XELP2 MOV 2CH, A MOV A, 28H CJNZ A, 2AH, LP3; XE=X? RET步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)光電耦合器步進(jìn)電機(jī)控制程序的任務(wù)是：判斷旋轉(zhuǎn)方向，依次送出控制字，運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)一定的延時(shí)，判斷是否結(jié)束。驅(qū)動(dòng)電路P1.0P1.1P1.2P1.38031節(jié)拍：正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)通電阻控制字18A0000 000101H27AB0000 001103H36B0000 001002H45BC0000 011006H54C0000 010004H63CD0000 1100