長度自動測量裝置驅(qū)動控制系統(tǒng)設計

課程設計說明書題目長度自動測量裝置驅(qū)動控制系統(tǒng)設計目錄一、任務書…………………1二、概述……………………2三、總體方案的確定………2四、詳細設計部分…………51、機械部分設計………………52、硬件控制電路的設計………53、軟件設計部分………………9五、設計總結(jié)………………11參考文獻……………………11附錄…………12《長度自動測量裝置驅(qū)動控制系統(tǒng)設計》設計說明書一、概述科學技術(shù)的長足發(fā)展離不開制造業(yè)，且其在發(fā)展過程中占著舉足輕重的作用，甚至其已成為衡量一國家綜合國力的象征。有如此重要的作用，各國政府當然努力致力于制造業(yè)的發(fā)展。其中機床是制造業(yè)的關(guān)鍵。在自動化控制技術(shù)迅速發(fā)展的今天，數(shù)控機床更是得到了廣泛的應用。數(shù)控機床是由數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控裝置組成的，而數(shù)控裝置的設計顯得尤為重要。長度自動測量裝置是CNC機床系統(tǒng)的配套設備。當機床完成零件加工后，由機械手將零件送到零件尺寸測量裝置上進行內(nèi)尺寸和外尺寸的測量。測量裝置具有獨立工作能力，同時可以加入CNC系統(tǒng)，接受協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制，完成等待、測量、顯示測量結(jié)果等。測量系統(tǒng)組成如圖1所示：控制單元控制單元驅(qū)動電路步進電機測量裝置圖1測量系統(tǒng)組成圖二、總體方案的確定根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，選用絲杠轉(zhuǎn)動螺母作直線運動的傳動形式。通過對滑動絲杠和滾動絲杠的比較，根據(jù)測量裝置的精度要求，選用精密絲杠，直徑12mm，螺距1mm。絲杠支承，采用兩端支承形式。此裝置負荷不大，為了減少絲杠軸頸支承間的摩擦，選用向心球軸承000026。在測量過程中，絲杠需正、反轉(zhuǎn)，為了消除螺紋間隙對測量產(chǎn)生的誤差，必須采用消隙螺母。測量活動刀口固定在螺母上，刀口的移動應保持水平位置，即螺母的移動應平穩(wěn)，不能轉(zhuǎn)動。為了防止螺母在移動時轉(zhuǎn)動，采用了兩個滾動軸承000025支撐，在導軌面上滾動，支架螺母固定在一起的防轉(zhuǎn)機構(gòu)。心軸可調(diào)整軸承與導軌面的距離，使其能防止螺母轉(zhuǎn)動而又能使軸承與導軌面之間的摩擦最小。在測量過程中，當零件與測量刀口相接觸而被刀口夾緊后，絲杠應停止轉(zhuǎn)動，所以電機與絲杠之間應采用摩擦離合器。摩擦離合器的從動圓錐盤，在壓縮彈簧作用下壓緊摩擦離合器的主動圓錐盤，摩擦力矩使絲杠和電機一起轉(zhuǎn)動。當測量刀口夾緊零件后，摩擦離合器的摩擦面產(chǎn)生滑動，絲杠停止。當絲杠螺距為1mm，測量精度為0.02mm時，光碼盤應大于50脈沖/圈。光碼盤裝在絲杠上，隨絲杠一起轉(zhuǎn)動。絲杠停止后，控制系統(tǒng)使電機停轉(zhuǎn)。由以上幾點可以確定出零件尺寸測量裝置的結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2所示：圖2 零件尺寸測量裝置結(jié)構(gòu)圖在設計中需要用電機驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，就必須有驅(qū)動電源對電機驅(qū)動。驅(qū)動電源包括脈沖發(fā)生器，環(huán)行分配器，功率放大電路，光電隔離電路等組成。本設計中采用CPU產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)功率放大和光電隔離電路之后，輸出給電機，控制電機的運行速度和電機的正反轉(zhuǎn)，從而把步進電機的旋轉(zhuǎn)運動通過絲杠變?yōu)榭ǔ叩闹本€運動，帶動卡尺的快速移動和卡緊與松開被測量的零件?？紤]到相匹配的驅(qū)動電路以及微機控制的快速性和可靠性,選用無觸點控制元件的電路。其系統(tǒng)設計原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示顯示器顯示器步進電機功率放大電路絲杠及卡尺環(huán)分電路CPU步進電機功率放大電路絲杠及卡尺環(huán)分電路CPU圖3系統(tǒng)設計原理結(jié)構(gòu)框圖三、詳細設計部分1、機械部分設計1）.滑動絲杠傳動的設計計算：（1）選用絲杠：選取絲杠M12×1，精度為6級，材料淬火鋼，硬度HRC60~62。兩根絲杠的長度分別選用450㎜和350㎜。（2）基本參數(shù)如下所示：螺桿：螺桿外徑ｄ=12㎜螺桿內(nèi)徑ｄ1=8.5㎜螺母：螺母外徑D=15㎜螺母內(nèi)徑D1=11.2㎜螺紋滾道：公稱直徑ｄ0=10㎜螺距ｔ=6㎜螺紋升角：r=10.8°（3）《機電一體化系統(tǒng)設計書》滑動絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率為0.35。（4）剛度驗算絲杠所承受的力主要有兩部分；一是由于卡尺產(chǎn)生的重力，另外一個是測量中卡尺與產(chǎn)生的夾緊力。假設F=0.3×20=6；T=5N/㎝；⊿=3.14×（0.85/2）2=0.567⊿L=0.006㎜變形很小可以忽略不記,所以剛度足夠。2）摩擦離合器的設計摩擦離合器采用單圓錐安全離合器，特點是接和力小，能保證摩擦面完全分離。3）彈簧的設計彈簧受力計算，有些因素不能確定，影響性能的因素也較多，此裝置的彈簧由實驗來決定彈簧的具體尺寸。2、硬件控制電路的設計1）步進電機的選擇根據(jù)測量裝置系統(tǒng)所需要的計算扭矩，選用步進電機的輸出力矩必須大于計算扭矩。由于長度自動測量裝置只需帶動卡尺移動，不需很大的功率和轉(zhuǎn)矩，此裝置選用55BF003電機，其參數(shù)如下表所示：型號主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸（mm）重量（N）步距角（?）最大靜轉(zhuǎn)矩（N·cm）最高空載啟動頻率（step/s）相數(shù)電壓（V）電流（A）外徑長度軸徑55BF0031.5/34918003273556066.52）三相六拍環(huán)形分配器的選擇驅(qū)動器中帶有環(huán)形分配器，這種控制接口很簡單，只用A輸出口的兩位控制一臺電機工作?？梢愿鶕?jù)正、反轉(zhuǎn)通電順序列出狀態(tài)表和真值表，再畫出卡諾圖自行設計環(huán)形分配器；也可直接選用現(xiàn)成的集成分配器。此設計選用YB013環(huán)形分配器。3）光電隔離器電路的設計 在環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路之間采用光電隔離器是為了隔離步進電機大功率、高電平的脈沖信號對微型計算機的干擾，同時還能進行兩者不同電平的轉(zhuǎn)換。光電隔離電路圖如圖5： 圖5光電隔離電路圖環(huán)形分配器送出的脈沖信號經(jīng)過驅(qū)動電路7407驅(qū)動光電隔離器GO101，然后送到功率驅(qū)動電路，參數(shù)計算如下：（1）確定輸入電阻= 式中： I——驅(qū)動電流，選Ｉ=10mA；Ｕcc1——驅(qū)動電路的電源電壓，查表，Ｕcc1=5Ｖ； ＵF——光敏二極管的正向電壓。查表，?。誇=1.2Ｖ； ＵoL——驅(qū)動電路輸出低電平電壓。查表,ＵoL=0.5Ｖ。則 ==（2）定輸出回路電阻和=式中：U=24Ｖ（見110BF003型步進電機的參數(shù)）；U——晶體管T基極到發(fā)射極電壓，U=0.7Ｖ；U=GO101輸出飽和壓降，查表得U=0.4V4）功率放大電路的設計 功放電路的功能是將環(huán)型分配器送來的弱電信號變?yōu)閺婋娦盘?，設計中采用了晶體管單電壓型的驅(qū)動電路。因為它具有控制方便、調(diào)試容易和線路簡單等優(yōu)點。 由PIO經(jīng)分配器送出來的脈沖序列，經(jīng)光電隔離電路送到驅(qū)動電路。脈沖高電平時，T、T開關(guān)導通，電機繞組供電；低電平時，T、T開關(guān)截止。2CP23為續(xù)流二極管，通過二極管電機繞組產(chǎn)生反電勢將維持電流繼續(xù)沿原方向流動。另外通過二極管還能釋放磁場能，以免高的反電勢擊穿T、T，參數(shù)計算如下： 圖6功率放大電路圖（1）確定電流I、I、I、I、I、I、I步進電機每一相繞組電流I=3A，I與I的關(guān)系I=式中：——放大系數(shù)。查得3DD15在綠點時為80~120，取=100。則I=（mA）流入3DK4的電流I與I、I的關(guān)系I=]查表得3DK4綠點時=50~110，取=80I=U/1（K）=0.7/1=0.7 (mA)則I=(30+0.7)/80=0.384 (mA)I=I+I=30+0.7=30.7(mA)I＝I+I式中：I——光敏三極管的輸出電流，I＝Ｉ表示在環(huán)境溫度20C時的電流傳輸比。查表得，GO101型的為20%。查得在20C時的電流傳輸比的相對值。因此＝20%。則I＝1020%=2 (mA)I=0.384+2=2.384 (mA)（2）確定電阻Ｒ、Ｒ、ＲＲ＝＝＝ ()Ｒ＝＝＝ ()Ｒ＝＝＝ ()根據(jù)以上電路可畫出整個驅(qū)動器的驅(qū)動電路：圖7驅(qū)動電路圖3、軟件設計部分本設計采用8031作為主控制器（CPU），產(chǎn)生控制電機的輸出脈沖，通過軟件實現(xiàn)步進電機的速度調(diào)節(jié)和正反轉(zhuǎn)控制，還要顯示出測量零件的長度值。所用芯片8032 1片 ；CPU8279 1片 ；鍵盤／顯示74LS373 2片 ；8D鎖存器74LS138 1片 ；“3—8”譯碼器7407 14片 ；6同相緩沖器/驅(qū)動器顯示接口電路利用8279擴展顯示器，在這里采用外部譯碼的方式，因此要選用譯碼器，采用74LS138（“3－8”譯碼器）。為了讓數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定、可靠，必須增加數(shù)據(jù)線和掃描線的驅(qū)動能力，這里選用7407（6同相緩沖器/驅(qū)動器）。顯示數(shù)據(jù)線連接在本系統(tǒng)中，LED顯示器（共陰極）動態(tài)顯示。顯示器的位選碼是8279的掃描線經(jīng)74LS138譯碼和7407驅(qū)動后分別與各LED的共陰極端相連，段選碼是8279的顯示數(shù)據(jù)端（OUTA0~OUT3,OUTB0~OUTB3）經(jīng)過7407驅(qū)動后與各顯示器端的數(shù)據(jù)相連接。該芯片的數(shù)據(jù)口地址為0FF80H、狀態(tài)口地址為0FF82H，其硬件接線圖8所示：圖8顯示接口電路圖主程序流程圖四、設計總結(jié)在一周的長度自動測量裝置驅(qū)動控制系統(tǒng)設計中，我們對機床的長度測量裝置有了系統(tǒng)性的了解。在整個設計中，大家進行團體協(xié)作細致的分工。進行資料收集整理，并在計算論證中學會提出問題并解決問題。這樣科學的分工促成我們很好的完成本次設計。并為以后我們在次專業(yè)領域的發(fā)展奠定了堅實的基礎。并且養(yǎng)成嚴謹?shù)膶W習工作作風，培養(yǎng)了自己的團體協(xié)作能力。在設計過程中我們掌握了一些簡單的設計步驟和設計思路，同時也使自己獲得了實際操作的經(jīng)驗，使我們能在實踐教學環(huán)境中，累積設計經(jīng)驗，開拓思維空間，全面提高個人的綜合能力。在本次設計中我們得以兩位有專業(yè)經(jīng)驗的老師傳授經(jīng)驗，指點我們怎樣進行設計，我們甚為感激。參考文獻1侯力黃成祥等.機電一體化系統(tǒng)設計.北京：高等教育出版社，20032張建民.機電一體化系統(tǒng)設計.北京：高等教育出版社，20013鄧星鐘.機電傳動控制.武漢：華中科技大學出版社，20004劉國榮.單片微型計算機技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，1996附錄：主程序 Z8279 EQU 0FF82H D8279 EQU 0FF80H LEDMOD EQU 00H LEDCLS EQU 0C1H LEDRWR0 EQU 80H ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT0 ORG 000BH ORG ST0DS ORG 0030HMAIN： MOV SP，#60H LCALL INT8279 ；調(diào)用8279初始化程序 MOV IE，#83H；允許INT0，T/C0中斷 MOV TMOD，#01H；設置T/C0減1中斷 SETB IT0 SETB PX0 CLR PT1 MOV TH0，#0FFH MOV TL0，#56H ；高T/C0計時時間為1MS MOV R7，#10H MOV R0，#20H LOOP0： MOV @R0，#0H INC R0 DJNZ R7，LOOP0 SETB P3.3 JNB P3.3，$；啟動開關(guān)START0： MOV R7，#06H；置輸出脈沖循環(huán)次數(shù) MOV A，#0HSTART1：MOV DPTR，#TAB MOVX A，@DPTR+A MOV P1,A；輸出脈沖 MOV R6,#1H；設定等待時間 SETB TR0 LCALL DISPLAY；調(diào)用測量計算程序 CJNE R6,#0,$；延時1MS CLRTR0 INC A INC 28H CJNE 28H,#0H,LP0 INC 29HLP0: DJNZ R7 START1 LJMP START0LOOP1:INC 20H CJNE 20H MOV 20H,#0AH,NEXT； MOV 20H,#00H INC 21H CJNE 21H,#21H,#0AH,NEXT MOV 21H,#00H； INC 22H CJNE 22H.0,NEXT MOV 22H0 INC 23H CJNE 23H.0,NEXT MOV 23H,0 CJNE 24H.0,NEXT MOV 24H,0 INC 25H CJNE 25H.0,NEXT MOV 25H,0 INC 26H MOV 27H,#0AHNEXT: RETDISPLAY: MOV R5,20H；顯示測量數(shù)據(jù) MOV R4,#00H LCALL DISPLED ；顯示測量數(shù)據(jù)最低位 MOV R5,21H R4, #01H LCALL DISLED；顯示數(shù)據(jù)倒數(shù)第二位 MOV R5,27H MOV R4,#02H LCALL DISLED；顯示小數(shù)點 MOV R5,22H MOV R4,#03H LCALL DISLED；顯示數(shù)據(jù)個位 MOV R5,23H MOV R4,#04H LCALL DISLED ；顯示數(shù)據(jù)十位 MOV R5,24H MOV R4,#05H LCALL DISLED；顯示數(shù)據(jù)百位 MOV R5,25H MOV R4,#06H LCALL DISLED；顯示數(shù)據(jù)千位 MOV R5,26H MOV R4,07H LCALL DISLED；顯示數(shù)據(jù)萬位 RETDISLED: PUSH DPH PUSH DPL PUSH ACC；數(shù)據(jù)入棧 MOV A,#LEDWR0 ADD A,R4 MOV DPTR,#Z8279 MOVX @DPTR,A；顯示數(shù)據(jù)在顯示屏上的位置 MOV DPTR,#TAB MOV A,R5 MOVC @A+DPTR MOV DPTR,#D8279 MOVX @DPTR,A；顯示數(shù)據(jù) POP ACC POP DDL POP DPH RETINT8279:MOV DPTR,#Z8279 MOV A,#LEDMOD MOVX @DPTR,A MOV A,#LEDFEQ MOVX @DPTR,A MOV A,#LEDCLS MOVX @DPTR,A；8279初始化 LCALL DELAY；調(diào)用延時子