xy數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目： x-y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系部名稱： 機(jī)械工程系 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)自084班 學(xué)生姓名： 劉東彪 學(xué) 號(hào)： 200880724417 指導(dǎo)教師： 程 敏 教師職稱： 講 師 2012年06月01日摘 要x-y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)用方便而且能夠保證一定的精度。x-y數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車(chē)床的縱-橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的x-y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。因此，選擇x-y數(shù)控工作臺(tái)作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對(duì)機(jī)械專業(yè)的學(xué)生具有普遍意義。 本文結(jié)合普通數(shù)控銑床的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)x-

2、y數(shù)控工作臺(tái)，為銑床的數(shù)控化奠定了基礎(chǔ)。首先，確定了x-y數(shù)控工作臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案，包括機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇和數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇如導(dǎo)軌副選用，絲桿螺母副的選用，減速裝置的選用，伺服電動(dòng)機(jī)的選擇等。其次，對(duì)x-y數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)行機(jī)械部分設(shè)計(jì)，包括直線導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型，滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型等。最后，對(duì)x-y數(shù)控工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到數(shù)控工作臺(tái)的基本要求，因本人水平有限，錯(cuò)誤和不足之處在所難免，敬請(qǐng)老師批評(píng)指正。關(guān)鍵字：x-y數(shù)控工作臺(tái)，機(jī)電系統(tǒng)，滾珠絲杠螺母副，伺服電動(dòng)機(jī)x-y nc worktable mechatronics system desig

3、nabstractcnc x-y table is a mechanical and electrical systems design open-loop control system, its structure is simple. realization of convenience and can guarantee a certain accuracy. xy cnc table is a basic part of many electromechanical integration equipment，such as cnc lathe vertical - horizonta

4、l feed institutions，the x-y table of cnc milling machine and cnc drilling machines， workbench of laser processing equipment， electronic components and surface mount equipment, etc。therefore, select x-y cnc table as the graduation design of content, for mechanical engineering students have universal

5、significance. therefore, select x-y cnc table as the graduation design of content, for mechanical engineering students have universal significance.the basic structure of this article combined with general nc milling machine, an x-y cnc table was designed, laying a foundation for nc milling machine 。

6、firstly, determine the overall design of the xy cnc table，including the choice of mechanical transmission components, and numerical control system design，the choice of mechanical drive components such as rails, vice selection, the selection of the lead screw nut, deceleration device selection servo

7、motor of choice. secondly, xy cnc table for mechanical part design, including the calculation of the linear guide and selection, calculation and selection of the ball screw pair. finally, the design of the x-y cnc table system。through this design, it can able to meet the design requirements, reach b

8、asic requirements for cnc table. due to my limited level, errors and deficiencies are inevitable, please the teacher criticism and correction. keywords：x-y nc worktable electro-mechanical systems ball screw pair servo motor目 錄摘 要i第一章 概述11.1 數(shù)控工作臺(tái)簡(jiǎn)介11.2 設(shè)計(jì)任務(wù)11.3 設(shè)計(jì)思路及意義21.3.1 設(shè)計(jì)思路21.3.2 設(shè)計(jì)意義2第2章 總體方案

9、的確定32.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇32.1.1 導(dǎo)軌副的選用32.1.2 絲杠螺母副的選用42.1.3 減速裝置的選用42.1.4 伺服電動(dòng)機(jī)的選用42.1.5 檢測(cè)裝置的選用42.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4第3章 x-y機(jī)械部分設(shè)計(jì)53.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量53.2 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算63.3 銑削力的計(jì)算63.4 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型73.4.1 滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取73.4.2 距離額定壽命的計(jì)算83.5 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型83.5.1 最大工作載荷fm的計(jì)算83.5.2 最大動(dòng)載荷fq的計(jì)算93.5.3 初選型號(hào)93.5.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算103.5.5

10、 剛度的驗(yàn)算103.5.6 壓桿穩(wěn)定性校核103.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用103.7步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型113.8 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用15第四章 x-y數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)164.1 確定電路的總體方案。164.1.1 主控制器cpu的選擇174.1.2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)174.1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)204.1.4 其它輔助電路設(shè)計(jì)204.2 數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)214.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)224.4 驅(qū)動(dòng)電路流程設(shè)計(jì)234.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用244.6 編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)24結(jié) 論28致 謝29參考文獻(xiàn)30第一章 概述1.1 數(shù)控工作臺(tái)簡(jiǎn)介x-y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)

11、裝置。步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)移成角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個(gè)脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；由于步進(jìn)電機(jī)通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目及時(shí)間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)放入其中的通電導(dǎo)體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時(shí)具有力的作用，從實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子才可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲杠作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。 模塊化的x-y數(shù)控工作臺(tái)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其外觀形式如圖1所示。其中，伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)

12、，完成工作臺(tái)在x、y方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均已標(biāo)準(zhǔn)化，由專門(mén)廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)題目：x-y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供立式數(shù)控銑床使用的x-y數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：（1）立銑刀最大直徑d =15 mm；（2）立銑刀齒數(shù)z=3；（3）最大銑削寬度ae=15 mm；（4）最大銑削深度ap=8 mm； （5）加工材料為碳素鋼或有色金屬；（6）x、y方向的脈沖當(dāng)量x =y=0.005mm/脈沖；（7）x、y方向的定位精度均為0.01 mm；（

13、8）工作臺(tái)面尺寸為230 mm230 mm，加工范圍為250 mm250mm；（9）工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度vxmax =vymax =3000 mm/min；（10）工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度vxmaxf =vymaxf =400 mm/min。數(shù)控工作臺(tái)外形如下圖1所示圖1 x-y數(shù)控工作臺(tái)外形1.3 設(shè)計(jì)思路及意義1.3.1 設(shè)計(jì)思路1).根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，確定總體設(shè)計(jì)方案；2).機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型，包括工作平臺(tái)、減速箱、滾珠絲桿副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等。3). 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選型。4）完成上述計(jì)算后，繪制寄給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝備圖。5).工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1.3.2 設(shè)計(jì)意義目前國(guó)內(nèi)

14、中小企業(yè)多采用經(jīng)濟(jì)型x-y數(shù)控沖床系統(tǒng)，其加工速度慢、編程復(fù)雜、人機(jī)界面不友好，因此生產(chǎn)效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此研制和開(kāi)發(fā)一套基于雙單片機(jī)的x-y數(shù)控沖床數(shù)控系統(tǒng)，用于裝配新沖床或?qū)?jīng)濟(jì)型數(shù)控沖床進(jìn)行改造，能夠有效的改善人機(jī)界面、提高加工速度、方便操作人員編寫(xiě)用戶加工程序，對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)效率、改善工人的工作環(huán)境有很大的實(shí)際意義,工作臺(tái)是機(jī)床上必不可少的部件，工作臺(tái)的自動(dòng)化能大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)械行業(yè)的許多普通機(jī)床和閑置設(shè)備，經(jīng)過(guò)數(shù)控改造以后，不但可以提高加工精度和生產(chǎn)率，而且能有效的適應(yīng)多種品種，小批量的市場(chǎng)需求，使之更有效的發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)計(jì)效益。因此，選

15、擇x-y數(shù)控工作臺(tái)作為機(jī)電綜合畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對(duì)于機(jī)械專業(yè)的發(fā)展具有普遍意義。 第2章 總體方案的確定2.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇2.1.1 導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)的x-y工作臺(tái)是用來(lái)配套輕型的立式數(shù)控銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。2.1.2 絲杠螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和 0.01mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高，預(yù)

16、緊后可消除反向間隙。2.1.3 減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)，所以采用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。2.1.4 伺服電動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書(shū)規(guī)定的脈沖量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有3000mm/min。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。2.1.5 檢測(cè)裝置的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制也可選閉環(huán)

17、控制。任務(wù)書(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配?？紤]到x、y兩個(gè)方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計(jì)工作量，x、y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)以及檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)的x-y工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）

18、對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，選用mcs-51系列的8位單片機(jī)at89c52作為控制系統(tǒng)的cpu，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書(shū)給定的相關(guān)指標(biāo)。（3）要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇cpu之后，還需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)與顯示電路、i/o接口電路、d/a轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等。（4）選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。系統(tǒng)總體框圖如下圖2所示圖2 系統(tǒng)總體框圖第3章 x-y機(jī)械部分設(shè)計(jì)3.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量任務(wù)書(shū)中所給定的脈沖當(dāng)量是0.005mm。3.2 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(dǎo)軌之上移動(dòng)部件的重量來(lái)進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)

19、軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為800n。3.3 銑削力的計(jì)算設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則查表得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為： （1）今選擇銑刀直徑d=15mm，齒數(shù)z=3，為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=15mm，銑削深度ap=8mm，每齒進(jìn)給量mm，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式（1）求得最大銑削力： fc=118150.850.10.7515-0.7381.03000.133 n1463 n采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由查表，結(jié)合圖2，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：ff =1.1fc1609n，fe =0.

20、38fc556n，ffn =0.25fc366n， 工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力fz= fe =556n，受到水平方向的銑削力分別為ff和ffn。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力fx= ff=1609n，徑向銑削力fy =ffn= 366n。 圖3 銑削力的分析 a）圓柱形銑刀銑削力 b）面銑刀銑削力3.4 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型3.4.1 滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的x-y工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單

21、滑塊所受的最大垂向載荷為： （2）其中，移動(dòng)部件重量g800n，外加載荷f= fz= 556n，代入（2）式得最大工作載荷pc=756n=0.756kn。查表，根據(jù)工作載荷pc=0.756kn，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為kl系列的jsa-lg15型，其額定動(dòng)載荷ca=7.94 kn，額定靜載荷c0a=9.5 kn。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的外形如下圖4所示圖4 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的外形任務(wù)書(shū)規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為230mm230mm，加工范圍250mm250mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為520mm。3.4.2 距離額定壽命的計(jì)算 上述選取的kl系列jsa-lg15型導(dǎo)軌副的滾道硬

22、度為hrc60，工作溫度不超過(guò)100，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級(jí)，工作速度較低，載荷不大。查表，分別取硬度系數(shù)=1.0，溫度系數(shù)=1.00，接觸系數(shù)=0.81，精度系數(shù)=0.9， 載荷系數(shù)=1.5，得距離壽命： 遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。3.5 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型3.5.1 最大工作載荷fm的計(jì)算 當(dāng)承受最大銑削力時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）fx=1609n，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）fy = 366n，受到垂向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）fz= 556n。已知移動(dòng)部件總重量g=800n，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表，取顛覆力矩影響系數(shù)k=1

23、.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：fm = kfx + （fz + fy + g）= 1.11609 + 0.005 ( 556 + 366 + 800 ) n 1779 n3.5.2 最大動(dòng)載荷fq的計(jì)算 設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程=5 mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/ph = 80 r/min。取滾珠絲杠的使用壽命t=15000 h，代入l0=60nt/106，得絲杠壽命系數(shù)l0=72（單位為：106 r）。查表，取載荷系數(shù)fw =1.2，滾道硬度為hrc60時(shí)，取硬度系數(shù)fh=1.0，求得最大動(dòng)載荷：fq

24、8881 n3.5.3 初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的g系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20 mm，導(dǎo)程為5 mm，循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309 n，大于fq，滿足要求，其參數(shù)如下表1表1滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)名稱計(jì)算公式結(jié)果公稱直徑20mm螺距5mm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

25、.7mm3.5.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑d0=20mm，導(dǎo)程ph=5mm，代入= arctanph/(d0)，得絲杠螺旋升角=4 33。將摩擦角=10，代入=tan / tan(+)，得傳動(dòng)效率 =96.4%。3.5.5 剛度的驗(yàn)算1）x-y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量2.1 mpa；查表，得滾珠直徑=3.175mm，絲杠底徑=16.2 mm，絲杠截面積 /4=206.12mm2。得絲杠在工作載荷fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量1=fma/（es）=1779500

26、/（2.1 206.12） mm 0.0205 mm。2）根據(jù)公式 z( )-3,求得單圈滾珠數(shù)z=20；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公：z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力 = /3=593 n，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 0.0026 mm。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減小一半，取=0.0013mm。3）將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）0.0218 mm=21.8m。絲桿的有效行程為330mm，由表知,5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25m，可見(jiàn)絲桿剛度足夠。3

27、.5.6 壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷fk。查表，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑=16.2 mm，求得截面慣性矩 3380.88 mm；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)k取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm，得臨界載荷 9343n，遠(yuǎn)大于工作載荷=1779n，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。3.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲杠的

28、軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖3彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。圖5 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整機(jī)構(gòu)1、2、6齒輪 3螺母 4、5螺釘 7拉簧已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量=0.005 mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程ph=5 mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.75，算得減速比： i=(ph)/(360) =(0.755)/(3600.005)=25:12本設(shè)計(jì)選用大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75:36，材料為45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)hrc55。減速箱中心距為(75+36)1/2 mm55.5 mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。3.7步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型1）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸

29、上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20 mm，總長(zhǎng)l =500mm，導(dǎo)程5mm，材料密度 ；移動(dòng)部件總重量g=800n;小齒輪寬度20mm，直徑=36 mm;大齒輪寬度20mm，直徑=75 mm；傳動(dòng)比i =25/12。參照表，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下（具體計(jì)算過(guò)程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.617，拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣=0.517，小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.259，大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=4.877 。初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90byg2602，為兩相混合式，二相四拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為0.75，則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 = +(+)/=30.352)計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效

30、負(fù)載轉(zhuǎn)矩分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算?？焖倏蛰d起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括三部分：一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： =+ （3）考慮傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： （4） 式中 對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。 其中： （5）式中空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書(shū)指

31、定為3000mm/min； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為； 脈沖當(dāng)量，本例=0.005mm/脈沖。將以上各值代入式（5），算得nm=1250r/min。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時(shí)間=0.4s，傳動(dòng)鏈總效率=0.7。則由式（4）求得：1.42（nm）當(dāng)移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： （6）則由式（6），得：0.002（nm）最后由式（3），求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：= + = 1.422 n （7）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩tt ；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸

32、上的摩擦轉(zhuǎn)矩tf ；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩t0，t0相對(duì)于tt和tf很小，可以忽略不計(jì)。則有： = tt + tf （8）本例中在對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷fx=1609n ，則折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩tt有： 0.88（nm）再計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（fz=556n）情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： = 0.004（nm）最后由式（8），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： = tt + tf = 0.884 nm （9） 經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大

33、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： = max， = 1.422 nm3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)k=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： tjmax 41.422 nm =5.688 nm (10) 上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90byg2602，查表得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩tjmax = 6 nm ?？梢?jiàn)，滿足（10）式的要求。4) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度=400mm/m

34、in，脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖，可求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 =400/(600.005)hz 1333hz。從90byg2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖5可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩5.6nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.884nm，滿足要求。最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度=3000mm/min，可求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率=3000/（600.005）hz =10000hz。在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=1.8 nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩= 1.422nm，滿足要求。圖6 90byg2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線最快空載移動(dòng)

35、時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核最快空載移動(dòng)速度=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率=10000hz。查表知90byg2602電動(dòng)機(jī)的極限運(yùn)行頻率為20000hz，可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。起動(dòng)頻率的計(jì)算已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jeq=30.35電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高起動(dòng)頻率=1800hz。可求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：=614hz上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于614hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有100hz（即100脈沖/s）。綜上所述，本例中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用90byg2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完

36、全滿足設(shè)計(jì)要求。電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下表2表2 90byg2602步進(jìn)電機(jī)參數(shù)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90byg26022/40.75/1.5100461800200004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90159144.540003.8 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn) 時(shí)，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/

37、=480個(gè)步進(jìn)脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的a、b相信號(hào)，可以送到四倍頻電路進(jìn)行電子四細(xì)分，因此，編碼器的分辨率可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。選擇編碼器型號(hào)為：zlk-a-120-05vo-10-h：盤(pán)狀空心型，孔徑 10mm，與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5v，每轉(zhuǎn)輸出120個(gè)a/b脈沖，信號(hào)為電壓輸出。第四章 x-y數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 確定電路的總體方案。數(shù)控系統(tǒng)的電路由以下幾部分組成：1)主控制器。即中央處理單元cpu2)總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。3)存儲(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

38、4)接口。即i/o輸入輸出接口。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下圖7所示：中央處理單元cpu存儲(chǔ)器ramrom輸入/輸出i/o接口外設(shè)：鍵盤(pán)，顯示器，打印機(jī)，磁盤(pán)機(jī)，通訊接口等信號(hào)變換控制對(duì)象圖7 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖4.1.1 主控制器cpu的選擇msc51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)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開(kāi)發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用8031芯片作為主控芯片。4.1.2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)1)程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展單片機(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。其型號(hào)有：2

39、716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為2k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時(shí)要考慮cpu與eprom時(shí)序的匹配。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，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。單片機(jī)規(guī)定p0口提供8為位地址線，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(lái)保存，以便為外接存儲(chǔ)器提高低位的地址信息，一般采用74ls373芯片作為地址鎖存器，并由cpu發(fā)出允

40、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，采用276eprom芯片的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路框圖8如下所示： a12 a8 2764a7a0 d7 d0 p1.7 p1.0 p2.4 p2.0 ale p0.7 p0.0 譯碼電路g74ls372圖8 擴(kuò)展2764電路框圖2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于8031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)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116,6262靜態(tài)ram數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)選用6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。其擴(kuò)展電路如圖9下所示：圖9 擴(kuò)展6264電路框圖3）譯碼電路在單片機(jī)應(yīng)

41、用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過(guò)總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(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，因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜?？刹捎镁€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位地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒(méi)有充分利用，芯片之間的地址不連續(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

42、碼器輸出的地址選擇線用作片選線。4）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)8031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8031單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路，5）i/o擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)(a).通用可編程接口芯片81558031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p1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。8155y與8031的連接方式如下圖所示(b).鍵盤(pán)，顯示器接口電路鍵盤(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

43、系統(tǒng)都采用行列式鍵盤(pán)，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。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有l(wèi)ed和lec。下圖所示為采用8155接口管理的鍵盤(pán)，顯示器電路。它有4x8鍵和6位led顯示器組成。為了簡(jiǎn)化秒電路，鍵盤(pán)的列線及顯示器的字位控制共用一個(gè)口，即共用8155的pa口進(jìn)行控制，鍵盤(pán)的行線由8155c口擔(dān)任，顯示器的字形控制由8155的pb口擔(dān)任。4.1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)1）脈沖分配器步進(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(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)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本

44、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：2）光電隔離電路在步進(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上隔離電路實(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：3）功率放大器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。4.1.4 其它輔助電路設(shè)計(jì)1）8031的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘

45、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，如下圖所示。晶體可以在1.212之間任意選擇，耦合電容在530pf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。如圖10所示圖10 時(shí)鐘電路2）復(fù)位電路單片機(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)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0000單元開(kāi)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8031復(fù)位要求一致時(shí)，可以直接相連。當(dāng)晶振頻率選用z時(shí)，復(fù)位電路中取22f，r取200，

46、rk取1000。3）越界報(bào)警電路為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開(kāi)關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至8031的i/o口p1.0。當(dāng)任何一個(gè)行程開(kāi)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。8031可利用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢查有無(wú)越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至8031的外部中斷引腳（int0或int1），采用中斷方式檢查越界信號(hào)。4.2 數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)選用mcs51系列的8031作為主控制器。擴(kuò)展存儲(chǔ)電路為一片2732eprom和一片6264ram。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為8k

47、。2732的片選控制端直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位以后，cpu從0000h開(kāi)始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端由譯碼器（74ls138）的y2輸出提供。所以6264的空間地址為40005ffh。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8001h，8002h，8003h。8155ram區(qū)的地址為8000h80ffh。8155的a口為控制工作抬x，y向電機(jī)的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不步進(jìn)電機(jī)接口與功率放大器之間采用光

48、電隔離。鍵盤(pán)與顯示器設(shè)計(jì)在一起，8155的pc口擔(dān)任鍵盤(pán)的列線及顯示器的掃描控制；pb口的pb0pb3為鍵盤(pán)的行線。8031的p1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4x6共24個(gè)行列式鍵盤(pán)和6位8段共陰極led顯示器。為了增加數(shù)碼管顯示亮度，分別在字形口和字位口加74ls07進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。pb口剩余的i/o線pb4pb7分別作為工作臺(tái)+x，+y，-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)pb4pb7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)。4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)x-y數(shù)控工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)

49、計(jì)，在硬件電路上需要考慮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（編碼器）反饋信號(hào)的處理，在軟件上要實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)的控制算法。根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)主要考慮以下功能：（1） 接受操作面板的開(kāi)關(guān)與按鈕信息；（2） 接受限位開(kāi)關(guān)信號(hào)；（3） 控制x，y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；（4） 與pc機(jī)的串行通信。cpu選用mcs-51系列的8位單片機(jī)at89s52，采用8279，和w27c512，6264芯片做為i/o和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。w27c512用做程序存儲(chǔ)器，存放監(jiān)控程序；6264用來(lái)擴(kuò)展at89s52的ram存儲(chǔ)器存放調(diào)試和運(yùn)行的加工程序；8279用做鍵盤(pán)和led顯示器借口，鍵盤(pán)主要是輸入工作臺(tái)方向，led顯示器顯示當(dāng)前工

50、作臺(tái)坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報(bào)警功能，并有越位開(kāi)關(guān)和報(bào)警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，越位報(bào)警指示電路。圖11 進(jìn)給控制系統(tǒng)原理框圖4.4 驅(qū)動(dòng)電路流程設(shè)計(jì)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)給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12 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(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。4.