機(jī)電一體化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）數(shù)控XY工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)

1、摘摘 要要 當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣 泛應(yīng)用，對各領(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)、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(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 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)鍵字關(guān)鍵字：數(shù)控技術(shù) 機(jī)電一體化的基礎(chǔ) 基本組成要素 特點(diǎn) 發(fā)展趨勢 abstract now t

2、he world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. a perfect integration of machinery system, should contain the following several b

3、ase elements: basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. the integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control tech

4、nology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. new generations cnc system this kind of model integration of machinery product toward the hi

5、gh performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops. key words: numerical control integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development. 目目 錄錄 摘 要 .i abstract.ii 第 1 章 前言.1 第 2

6、章 總體方案設(shè)計(jì).4 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù).4 2.2 總體方案確定.4 第 3 章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).6 3.1 工作臺(tái)外形尺寸及重量估算.6 3.2 滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定.6 3.3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算.7 3.4 步進(jìn)電機(jī)的選用.9 3.5 確定齒輪傳動(dòng)比.10 3.6 確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸.11 3.7 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算.11 第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).13 4.1 cpu 板.13 4.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).15 4.3 傳感器和人機(jī)界面.17 第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).19 5.1 總體方案.19 5.2 主流程圖.19 5.3 int0 中斷服務(wù)流程圖.20 5.4 int1 中斷

7、服務(wù)流程圖.21 致 謝.26 參考文獻(xiàn).27 第第 1 章章 前言前言 當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn) 狀。 在我國對外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我 國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性 ,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)字信息對機(jī)械運(yùn)動(dòng) 和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代

8、表的新技術(shù)對傳統(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。 （一）數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢。 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 ,使制造業(yè)成為工業(yè) 化的象征 ,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 ,他對國計(jì)民生的一 些重要行業(yè) it、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世 界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面: (1)高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率 ,提 高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。從 emo2001

9、展會(huì)情 況來看 ,高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m/ min ,甚至更高 ,空運(yùn)行速度可達(dá) 100m/ min 左右。目前世界上許多汽車廠 ,包括我國的上海通用汽車公司 ,已經(jīng) 采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。在加工精度方面 ,近 10 年來 ,普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10m 提高到 5m ,精密級(jí)加工中心則 從 35m ,提 高到 11.5m 并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí) 0.1m 。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工 ,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī) 得到了快速的發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 (2)5 軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)動(dòng)對三維曲面零件的

10、加工 ,可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削 , 不僅光潔度高 ,而且效率也大幅度提高。但過去因 5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié) 構(gòu)復(fù)雜等原因 ,其價(jià)格要比 3 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍 ,加之編程技術(shù)難度較 大 ,制約了 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn) ,使得實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動(dòng) 加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化 ,其制造難度和成本大幅度降低 ,數(shù)控系統(tǒng)的價(jià) 格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床 含 5 面加工機(jī)床 的發(fā)展。 (3)智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 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

11、:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ,如加工過程的自適 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)控系 統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開 發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上 ,面向機(jī)床廠家和最終用戶 ,通過改變、增加或剪裁 結(jié)構(gòu)對象 數(shù)控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技訣竅集成 到控制系統(tǒng)中 ,快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng) ,形成具有鮮明 個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn) 行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能

12、庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。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。 （二）對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì) 我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個(gè)階段： 第一階段從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。在此階段 ,由于國外的技 術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的制 ,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的 “六五” 、 “七五

13、”期間以及“八五”的前期 ,即引進(jìn)技術(shù) ,消化吸收 ,初步建立 起國產(chǎn)化體系階段。在此階段 ,由于改革開放和國家的重視 ,以及研究開發(fā)環(huán)境 和國際環(huán)境的改善 ,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得 了長足的進(jìn)步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實(shí)施產(chǎn) 業(yè)化的研究 ,進(jìn)入市場競爭階段?？v觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程 ,特別 是經(jīng)過 4 個(gè) 5 年計(jì)劃的攻關(guān) ,總體來看取得的成績還是不小。 （三）對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 (1)戰(zhàn)略考慮 我國是制造大國 ,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移 ,所 以 ,我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度

14、來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題。首先從社會(huì)安 全看 ,因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) ,制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生 活水平 ,而且還可緩解我國就業(yè)的壓力 ,保障社會(huì)的穩(wěn)定;其次從國防安全看 , 西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì) ,對我國實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。 (2)發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā) ,以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為導(dǎo) 向 ,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo) ,用系統(tǒng)的方法 , 選擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化 發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容

15、,實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強(qiáng)調(diào)市場需求為導(dǎo)向 ,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 ,以整機(jī)如量大面廣的數(shù)控車床、 銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、曲型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動(dòng) 數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、 高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不 會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)值低廉而富有競爭力的產(chǎn)品;當(dāng)然 ,沒 有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。 第第 2 章章 總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控 x-y 工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)。該工作臺(tái)可用于銑床上坐標(biāo)孔的加 工和臘摸、塑料、鋁

16、合金零件的二維曲線加工，重復(fù)定位精度為0.01mm，定位 精度為 0.025mm。 設(shè)計(jì)參數(shù)如下：負(fù)載重量 g=150n；臺(tái)面尺寸 cbh145mm160mm12mm；底座外形尺寸 c1b1h1210mm220mm140mm；最大長度 l=388mm；工作臺(tái)加工范圍 x=55mm，y=50mm；工作臺(tái)最大快移速度為 1m/min。 2.2 總體方案確定總體方案確定 （1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng) 由于工件在移動(dòng)的過程中沒有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。定位方式采用 增量坐標(biāo)控制。考慮到定位精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電 機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) x-y 工作臺(tái)。 （2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

17、本設(shè)計(jì)采用了與 mcs-51 系列兼容的 at89s51 單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特 點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、led、i/o 接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機(jī)、電 磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。led 顯示數(shù)控工作臺(tái)的狀態(tài)。 （3）x-y 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，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母傳動(dòng)副。 為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙 v 形滾珠導(dǎo)軌。采用滾 珠導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提

18、高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小 振動(dòng)。 考慮電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒 輪降速傳動(dòng)。 圖 2-1 系統(tǒng)總體框圖 第第 3 章章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 工作臺(tái)外形尺寸及重量估算工作臺(tái)外形尺寸及重量估算 x 向拖板（上拖板）尺寸： 長 寬 高 14516050 重量：按重量=體積材料比重估算 n 32 145 16050 107.8 1090 y 向拖板（下拖板）尺寸： 145 16050 重量：約 90n。 上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量： 223 (220 140382 1558 )7.8 10101.1 10107 ()n 夾具及工件重量：約 150n 。 x-

19、y 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約 287n。 3.2 滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定 、導(dǎo)軌型式：圓形截面滾珠導(dǎo)軌 、導(dǎo)軌長度 上導(dǎo)軌（x 向） 取動(dòng)導(dǎo)軌長度 100 b l 動(dòng)導(dǎo)軌行程 55l 支承導(dǎo)軌長度 155 b lll 下導(dǎo)軌（y 向） 50l 100 b l 150l 選擇導(dǎo)軌的型號(hào)：gta16 、直線滾動(dòng)軸承的選型 上導(dǎo)軌 240() x gn 下導(dǎo)軌 287() y gn 由于本系統(tǒng)負(fù)載相對較小，查表后得出 lm10uuop 型直線滾動(dòng)軸承的額定動(dòng)載 荷為 370n，大于實(shí)際動(dòng)負(fù)載；但考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素最后選擇 lm16uuop 型直線 滾動(dòng)軸承。并采用雙排兩列 4 個(gè)直線

20、滾動(dòng)軸承來實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)平臺(tái)的支撐。 、滾動(dòng)導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法 當(dāng)工作臺(tái)往復(fù)移動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)壓在兩端滾動(dòng)體上的壓力會(huì)發(fā)生變化，受力大 的滾動(dòng)體變形大，受力小的滾動(dòng)體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力 相等，工作臺(tái)保持水平；當(dāng)導(dǎo)軌移動(dòng)到位置或時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力不相等， 變形不一致，使工作臺(tái)傾斜 角，由此造成誤差。此外，滾動(dòng)體支承工作臺(tái)，若 工作臺(tái)剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會(huì)使工作臺(tái)下凹（有時(shí)還 可能出現(xiàn)波浪形） ，影響導(dǎo)軌的精度。 3.3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削 時(shí)的情況計(jì)算。 、最大動(dòng)負(fù)載 q 的計(jì)算

21、 3 h ql f f p 查表得系數(shù)，壽命值1f1 h f 6 60 10 nt l 查表得使用壽命時(shí)間 t=15000h，初選絲杠螺距 t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速 max 10001000 1 250( /min) 4 v nr t 所以 6 60250 15000 225 10 l x 向絲杠牽引力 1.414 xx pf g 當(dāng) ()f當(dāng) 當(dāng)量摩擦系數(shù) 1.4140.01 2403.39()n y 向絲杠牽引力 1.414 1.4140.01 2874.06() yy pf g n 當(dāng) 所以最大動(dòng)負(fù)荷 x 向 3 225 1 1 3.3920.6() x qn y 向 3 225 1 1

22、4.0624.7() y qn 查表，取滾珠絲杠公稱直徑 ，選用滾珠絲杠螺母副的型號(hào)為 0 10dmm sfk1004，其額定動(dòng)載荷為 390n，足夠用。 、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算，見表 3-1。 表 3-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 名 稱符 號(hào)計(jì)算公式和結(jié)果 公稱直徑 0 d10 螺距t4 接觸角45 鋼球直徑 q d2 螺紋滾道法面半徑r0.521.04 q rd 偏心距e/2 sin0.03 q erd 螺紋滾道 螺紋升角 0 arc7.26 t tg d 螺桿外徑d 0 0.2 0.259.5 q ddd 螺桿內(nèi)徑 l d 0 227.98 l dder螺桿 螺桿接觸直徑 z d

23、0 cos8.59 zq ddd 螺母螺紋外徑d 0 2212.02dder 螺母螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 1 d 10 0.2 0.25510.5 q ddd 、傳動(dòng)效率計(jì)算 7.26 0.973 ()(7.260.2 ) tgtg tgtg 式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。 、剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載 p 引起的導(dǎo)程的變化量 0 l 0 1 pl l ef a y 向所受牽引力大，故應(yīng)用 y 向參數(shù)計(jì)算 24.7()pn 0 0.4()lcm 62 20.6 10 (/)en cm材料為鋼 2 22 0.798 3.140.5 2 frcm 所以 6 1 6 24.70.5 1.2 10 ()

24、20.6 100.5 lcm a 絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略。 2 la 所以導(dǎo)程總誤差 6 0 100100 1.2 103/ 0.4 lm m l a a 查表知 e 級(jí)精度的絲杠允許誤差，故剛度足夠。15 m 、穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。 3.4 步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電機(jī)的選用 、步進(jìn)電機(jī)的步距角b 取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī)步距角。0.01/ p mm step1.5 b 、步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算 設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為 t，負(fù)載力為 p，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的 功與負(fù)載力做功有如下關(guān)系 tps 式中： 電機(jī)轉(zhuǎn)角； 移動(dòng)部件的相

25、應(yīng)位移； 機(jī)械傳動(dòng)效率。s 若取 ，則，且，所以 b p s s ppg 36 () 2 ps b pg tn cm a 式中： 移動(dòng)部件負(fù)載（n） ；g移動(dòng)部件重量（n） ； 與重量方 s p z p 向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（n） ； 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；步進(jìn) b 電機(jī)步距角， （rad） ；t電機(jī)軸負(fù)載力矩（）n cma 本例中，?。ù慊痄摑L珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)） ，為絲杠牽0.030.96 s p 引力，?？紤]到重力影響，y 向電機(jī)負(fù)載較大，因此取24.7 sh ppn ，所以287 y ggn 360.01 24.70.03287 1.33() 21.50.96 tn cm a 若不考

26、慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩 0.3 0.5 q t t 取安全系數(shù)為 0.3，則 1.33 4.42 0.3 q tn cma 對于工作方式為三相六拍的三相步進(jìn)電機(jī) max 5.1 0.866 q j t tn cma 、步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 max max 10001000 1 1667() 6060 0.01 p v fhz 查表選用兩個(gè) 45bf005-型步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見表 2-2。 表 3-2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸()mm 型 號(hào)步 距 角 最 大靜 轉(zhuǎn)距 n cma 最高空 載啟動(dòng) 頻率 ( )/step s 相 數(shù) 電壓 ( )v 電流 (

27、)a 外徑長度軸徑 重量 ()n 45bf005- 1 5 19.630003272. 5 4558411 3.5 確定齒輪傳動(dòng)比確定齒輪傳動(dòng)比 因步進(jìn)電機(jī)步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量1.5 b 4tmm ，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)比0.01/ p mm step 1 2 360 0.01 360 0.6 1.54 p b z i zt 選 ， 。 1 17z 2 28z 3.6 確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸 因傳遞的扭距較小，取模數(shù)，齒輪有關(guān)尺寸見表 3-3。1mmm 3.7 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 表 3-3 齒輪尺寸 z1

28、728 17 19 14.5 5 28 30 25.5 5 dmz mm 2 a ddm mm 2 1.25 f ddm mm 36bm mm 12 2 dd amm 17.5 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，得 2 2 1 0123 2 180 p d b z jjjjjm z 式中： 折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（） ； 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸 d j 2 kg cma 0 j 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（） ；齒輪 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（） ；齒輪 的 2 kg cma 1 j 2 kg cma 2 j 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（） ；滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（） ；m移動(dòng)部件質(zhì) 2 kg cma 3 j 2 kg cma 量（） 。kg 對材料為鋼的

29、圓柱零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算 342 0.78 10jd l kg cm a 式中：d圓柱零件直徑（cm） ；l零件長度（cm） 。 所以 3432 1 0.78 101.70.53.26 10jkg cm a 3432 2 0.78 102.80.523.9 10jkg cm a 3432 3 0.78 10153.9 10jkg cm a 電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，則 2 33 17 3.26 1023.93.910 28 d j 2 52 0.001 250.4 10 3.14 1.5 180 kg m a 因?yàn)椋詰T性匹配比較符合要求。 10.4 0.3191 41.274 d

30、m j j 第第 4 章章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件設(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。 4.1 cpu 板板 4.1.1 cpu 的選擇的選擇 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) 的型號(hào)很多，而目前市場上應(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。 在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用 16 位單片機(jī)，mcs-96 系列單

31、片機(jī)廣 泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運(yùn) 算和擴(kuò)展能力。但是定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價(jià)比。 從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來看，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，無疑提高了設(shè)計(jì)價(jià)格，而選用高性能的 16 位 mcs-96 又顯得過于浪費(fèi)。 生產(chǎn)基于 51 為內(nèi)核的單片機(jī)的廠家有 intel、atmel、simens，其中在 cmos 器 件生產(chǎn)領(lǐng)域 atmel 公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。atmel 公司的 at89 系列單片機(jī)內(nèi)含 flash 存儲(chǔ)器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序 修改，同時(shí)掉電也不影響信

32、息的保存；它和 80c51 插座兼容，并且采用靜態(tài)時(shí)鐘 方式可以節(jié)省電能。 因此硬件 cpu 選用 at89s51，at 表示 atmel 公司的產(chǎn)品，9 表示內(nèi)含 flash 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)。 4.1.2 cpu 接口設(shè)計(jì)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

33、三部分。示意圖 如下所示： （行程開關(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 傳感 器 at89s51 （鍵盤、led） 后向通道 圖 4-1 cpu 外部接口示意圖 at89s51 要完成的任務(wù)： （1）將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入 cpu，通過中斷進(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。 （2）通過程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)和電磁鐵的運(yùn)行。 （3）接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反 應(yīng)到 led 上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。 由于 at89s51 只有 p1 口和 p3 口是準(zhǔn)雙向口，但 p3 口主要以第二功能為主， 并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進(jìn)行 i/o 擴(kuò)展。

34、考慮到電路的簡 便性和可實(shí)現(xiàn)性，實(shí)際中采用內(nèi)部自帶鎖存器的 8155，所以 at89s51 的 i/o 口 線分配如下： （1）p1.0-p1.5 控制 x-y 兩個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)的 a、b、c 線圈通電，形成 a- ab-b-bc-c-ca-a 三相六拍正轉(zhuǎn)模式和 a-ac-c-cb-b-ba-a 的反轉(zhuǎn)模式。 （2）p1.6 口輸出控制電磁鐵的吸合。 （3）p3.2 和 p3.3 兩個(gè)中斷源中 int0 優(yōu)先級(jí)最高，它讀入行程開關(guān)的狀態(tài)并 觸發(fā)中斷；int1 讀入點(diǎn)動(dòng)、復(fù)位、圓弧插補(bǔ)開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。 （4）p0.0-p0.7 外部 i/o 擴(kuò)展的數(shù)據(jù)讀取。 （5）p2.7 和 p2.6

35、 決定 8155 的 pa、pb、pc 口的地址。 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-p1.5 p1.6驅(qū)動(dòng) 3 p3.2外部中斷 1 p3.3外部中斷 2 p0.0-p0.7ad0ad7 p2.7ce p2.6io/m pb 口 pa 口 pc 口 at89s51 鍵盤 電磁鐵 8155 圖 4-2 at89s51 控制系統(tǒng)圖 pb 口接 led 反映當(dāng)前運(yùn)行的 8 個(gè)狀態(tài)：x+禁止、x-禁止、y+禁止、y-禁止、 手動(dòng) x+運(yùn)行、手動(dòng) x-運(yùn)行、手動(dòng) y+運(yùn)行、手動(dòng) y-運(yùn)行。 pa 口低四位反映觸發(fā)中斷 1 的 4 個(gè)行程開關(guān)的狀態(tài)。 pc 口低 6

36、位反映了觸發(fā)中斷 2 的手動(dòng) x+運(yùn)行、手動(dòng) x-運(yùn)行、手動(dòng) y+運(yùn)行、 手動(dòng) y-運(yùn)行、復(fù)位（rst） 、圓弧插補(bǔ) 6 個(gè)開關(guān)的狀態(tài)。 4.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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。 4.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理步進(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) 0.01m

37、m。 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 4-3 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，使儲(chǔ) 存在繞組中的能量通過二極管形成續(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，限制通過繞組的電流不至超過額定值，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)椋篴-ab-b-

38、bc-c-ca-a，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篴-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 4-4 三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（正轉(zhuǎn)） 4.2.2 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路 該驅(qū)動(dòng)電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對簡單。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。 圖 4-5 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路 4.2.3 電源設(shè)計(jì)電源設(shè)計(jì) 兩電機(jī)同時(shí)工作再加上控制系統(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)，通過芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)

39、換得到所需的 12v 和 5v 電壓。 圖 4-6 電源轉(zhuǎn)換電路圖 電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個(gè)電容，前面電容起防止自激作用，后面電容起濾波 作用。此外，在具體應(yīng)用的過程中，lm7805 必須加上散熱片。 4.3 傳感器和人機(jī)界面?zhèn)鞲衅骱腿藱C(jī)界面 由于步進(jìn)電機(jī)不需要反饋電路，但是要注意工作臺(tái)不能超過最大行程。因此， 必須在 x、y 軸的方向各加上兩個(gè)行程開關(guān)。這里行程開關(guān)作用有兩個(gè)：（1）防 止工作臺(tái)超過最大行程，使電機(jī)損壞（2）可以用與定位。所以這 4 個(gè)行程開關(guān)就 充當(dāng)了傳感器。 人機(jī)界面設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則就是要有良好的人機(jī)交互能力，一般要求操作簡便，界面 簡潔明了。此系統(tǒng)中共有 9 個(gè) led，

40、led1 燈亮表示 x 軸負(fù)方向禁止通行，led2 燈亮表示 x 軸正方向禁止通行，led3 燈亮表示 y 軸負(fù)方向禁止通行，led4 燈亮 表示 y 軸正方向禁止通行，led5 燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向 x 軸負(fù)方向通行， led6 燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向 x 軸正方向通行，led7 燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向 y 軸負(fù)方向通行，led8 燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向 y 軸正方向通行，led9 亮表示 系統(tǒng)通電運(yùn)行。 界面上的 7 個(gè)按扭意義為：按扭 1 是通斷電開關(guān)，按扭 2 是向 x 軸負(fù)方向運(yùn) 行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按扭 3 是向 x 軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按扭 4 是向 y 軸負(fù)方向 運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)

41、，按扭 5 是向 y 軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按扭 6 是復(fù)位開關(guān)， 按扭 7 是執(zhí)行繪制圓弧開關(guān)。 圖 4-7 人機(jī)界面圖 第第 5 章章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5.1 總體方案總體方案 對于 at89s51 的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)現(xiàn)的功能較簡單，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 語言編譯。同時(shí)具有完善的調(diào)試功能。 5.2 主流程圖主流程圖 ctl equ 3ff8h pa equ 3ff9h pb equ 3ffah pc equ 3ffbh cmd equ 02h org 0000h

42、ajmp main org 0003h ajmp int0is ；外部中斷 0 入口 org 000bh ajmp tm0is ；定時(shí)器 0 中斷入口 org 0013h ajmp int1is ；外部中斷 1 入口 org 001bh ajmp tm1is ；定時(shí)器 1 中斷入口 org 0100h main：anl p1，0efh setb it0 ；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā) 圖 5-1 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 ex1 ；允許外中斷 1 setb px

43、0 setb px1 ；設(shè)置優(yōu)先級(jí) setb ea ；開總中斷 loop：ajmp loop ；等待中斷 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 開外部中斷，開總中斷 等待中斷 在等待中斷的過程中，如果有中斷到來，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)行程開關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機(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)

44、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。 5.3 int0 中斷服務(wù)流程圖中斷服務(wù)流程圖 int0is：push acc push dptl push dpth push psw mov a，pa mov dptr，a movx a，dptr ；讀 pa 口內(nèi)容 mov r2，a mov a，pb mov dptr,a mov dptr,r2 mov a，r2 cpl a ；a 取反 anl a，#03h ；屏蔽高 6 位 jz a，tm2c setb p1.0 setb p1.1 setb p1.2 tm2c： mov a，r2 cpl a anl a，#0ch jz

45、 a，retin setb p1.3 圖 5-2 setb p1.4 setb p1.5 retin：pop psw pop dpth pop dptl pop acc reti 5.4 int1 中斷服務(wù)流程圖中斷服務(wù)流程圖 圖 5-3 int1is：clr ex1 jnb acc.1，x-en push acc jnb acc.2，y+en push psw jnb acc.3，y-en push dptl jnb acc.5，arc push dpth loop1：pop dpth clr p1.6 pop dptl mov a，pc pop psw mov dptr，a pop acc

46、 movx a，dptr；讀 pc 口內(nèi)容 setb ex1 mov r1，a reti anl r1，#0fh mov a，pb mov dptr，a mov a，dptr；讀 pb 口內(nèi)容 anl a，#0fh swap a orl a，r1 mov r2，a mov a，pb mov dptr，a movx dptr，r2；數(shù)據(jù)輸入 pb 口 inc dptl mov a，dptr jnb acc.4，rst jnb acc.0，x+en dirx equ 30h diry equ 31h 5.4.1 復(fù)位程序流程圖復(fù)位程序流程圖 圖 5-4 rst： clr p1.6 rpa： mov a，pa mov dptr，a movx a，dptr ；讀 pa 口內(nèi)容 jnb acc.0，acc2 mov dirx，#00h ；表 x 電機(jī)反轉(zhuǎn) acall xmotor0 ；x 電機(jī)反轉(zhuǎn)一步 acc2： jnb acc.2，loop0 mov diry，#00h ；表 y 電機(jī)反轉(zhuǎn) acall ymotor0 ；y 電機(jī)反轉(zhuǎn)一步 ajmp rpa loop0：ajmp loop1 5.4.2 x 軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖軸電機(jī)