機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)報(bào)告說明書

1、-. z.機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)課題名稱：數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說明書學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化設(shè)計(jì)成員：指導(dǎo)教師：季國(guó)順 金成柱 聶欣日 期： 2013年1月7日設(shè)計(jì)組號(hào)： 7 課題號(hào)： 14 目錄1、總體方案設(shè)計(jì)31.1 設(shè)計(jì)任務(wù)41.2 總體方案確定4 2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)52.1 工作臺(tái)外形尺寸及重量估算6 2.2 導(dǎo)軌參數(shù)確定7 2.3 滾珠絲桿的設(shè)計(jì)計(jì)算8 2.4 步進(jìn)電機(jī)的選型與計(jì)算102.5 機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)12 3、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)133.1 控制系統(tǒng)硬件組成133.2 控制系統(tǒng)硬件選型153.3 控制系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計(jì)173.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)184、控

2、制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)194.1 控制系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計(jì)214.2 主流程設(shè)計(jì)224.3 中斷效勞流程設(shè)計(jì)234.4 軟件調(diào)試255、總結(jié)26參考文獻(xiàn)271、總體方案設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)題目：兩坐標(biāo)*-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)兩軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控*-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，完成機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與相應(yīng)軟件編程，根據(jù)試驗(yàn)條件進(jìn)展調(diào)試，完成整個(gè)開發(fā)系統(tǒng)；每組一題，分別由34位同學(xué)合作完成。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作臺(tái)型號(hào)為H*Y-4030；行程要求*=400mm，Y=300mm；工作臺(tái)面尺寸為CBH240mm254mm15mm；底座外形尺寸為C1B1H1650mm550mm184mm；工作臺(tái)最大長(zhǎng)度L=778mm

3、；工作臺(tái)負(fù)載重量N=500N；工作臺(tái)最快移動(dòng)速度v*ma*=vyma*=1m/min*,Y方向的重復(fù)定位精度為0.02mm；*,Y方向的定位精度為0.04mm；工作臺(tái)切削負(fù)載小、運(yùn)動(dòng)靈敏度高、低速無爬行；定位精度高；構(gòu)造輕便，建議機(jī)座和滑臺(tái)采用鋁合金；標(biāo)準(zhǔn)組件，獨(dú)立產(chǎn)品；可直接應(yīng)用于小型鉆、銑床。1.2 總體方案確定1.2.1 方案確定思想該工作臺(tái)設(shè)計(jì)主要分為機(jī)械系統(tǒng)部件和控制系統(tǒng)部件，其中機(jī)械系統(tǒng)部件主要包括導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)和檢測(cè)裝置等，控制系統(tǒng)部件則包括CPU控制電路、電源設(shè)計(jì)電路、輸入信號(hào)電路、輸出信號(hào)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路等。因*向和Y向機(jī)械構(gòu)造根本一樣，故

4、只繪制*向機(jī)械系統(tǒng)局部的構(gòu)造簡(jiǎn)圖，如下：考慮在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)盡可能采用簡(jiǎn)潔輕便的構(gòu)造設(shè)計(jì)和廉價(jià)實(shí)用的可選材料，符合綠色環(huán)保的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理念，由此來確定最終方案。1.2.2 方案比照分析與確定1方案比照方案一動(dòng)力源：采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電源；執(zhí)行元件：選用混合式步進(jìn)電機(jī)，其特點(diǎn)為輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、步距角小、驅(qū)動(dòng)電源電流小、功耗低，但構(gòu)造稍復(fù)雜，本錢相對(duì)較高；導(dǎo)向支承部件：選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，其特點(diǎn)是摩擦因數(shù)小，不易爬行，便于安裝和預(yù)緊，構(gòu)造緊湊；傳動(dòng)部件：選用滾珠絲杠副，其特點(diǎn)是傳動(dòng)效率高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)用廣泛；減速裝置：不使用減速箱，在滿足脈沖當(dāng)量的需求時(shí)，可以有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)

5、構(gòu)造，縮小機(jī)械尺寸，節(jié)約生產(chǎn)本錢；檢測(cè)裝置：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器；系統(tǒng)微控制器：選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89C52；方案二動(dòng)力源：采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電源；執(zhí)行元件：選用永磁式步進(jìn)電機(jī)，其特點(diǎn)為不需要太大電流，繞組斷電時(shí)具有自鎖能力，優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動(dòng)電流小、電動(dòng)機(jī)不易發(fā)熱，但制造本錢高，步距角較大，配套的驅(qū)動(dòng)電源要具有細(xì)分功能；導(dǎo)向支承部件：選用滾柱穿插導(dǎo)軌副，其特點(diǎn)是具有較高的承載能力和較高的剛性，可以獲得較高靈敏度和高性能的平面直線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向性好，自動(dòng)定心，滾動(dòng)摩擦阻力低；傳動(dòng)部件：選用滾珠絲杠副；減速裝置：選用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱；檢測(cè)裝置：增量式旋轉(zhuǎn)編碼器；系統(tǒng)微控制

6、器：選用可編程程序控制器PLC；方案三動(dòng)力源：采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電源；執(zhí)行元件：選用反響式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其特點(diǎn)為步矩角可達(dá)115，甚至更小，精度容易保證，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，但功耗較大，效率較低；導(dǎo)向支承部件：選用靜壓導(dǎo)軌副，其特點(diǎn)是需要將一定壓力的油或氣體介質(zhì)通入導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)件和導(dǎo)向支撐部件之間，使運(yùn)動(dòng)件浮在壓力油或氣體薄膜上，摩擦阻力很小；傳動(dòng)部件：選用滑動(dòng)絲杠副，其特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，容易制造，減速傳動(dòng)比大，摩擦力大，具有自鎖性，但低速或微調(diào)時(shí)可能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；減速裝置：選用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱；系統(tǒng)微控制器：選用AVR系列的Atmega16；2選擇分析比照以上三個(gè)方案，其主要區(qū)別在于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、導(dǎo)軌

7、副、絲杠螺母副、系統(tǒng)微控制器的選擇和是否有必要使用減速箱。綜合考慮設(shè)計(jì)任務(wù)和方案確定思想，因系統(tǒng)定位精度和最快移動(dòng)速度相對(duì)并不是很高，應(yīng)選用性能較好而性價(jià)比擬高的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)足夠；為了防止爬行現(xiàn)象，同時(shí)節(jié)約生產(chǎn)本錢，且因該設(shè)計(jì)載荷較低，應(yīng)選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副；滑動(dòng)絲杠副在低速或微調(diào)時(shí)可能產(chǎn)生爬行顯現(xiàn)，且為了能夠滿足0.02mm的重復(fù)定位精度和0.04mm的定位精度，應(yīng)選用滾珠絲杠副；控制系統(tǒng)選用AT89C52單片機(jī)，足以滿足設(shè)計(jì)要求且較為廉價(jià)；由于本設(shè)計(jì)中要求系統(tǒng)構(gòu)造緊湊，且依靠步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副已經(jīng)可以到達(dá)所需的脈沖當(dāng)量，因此可以不使用減速箱。綜上所述，本設(shè)計(jì)選用方案一作為合理的總

8、體方案。1.2.3 總體方案系統(tǒng)組成1機(jī)械系統(tǒng)組成1導(dǎo)軌副的選用該設(shè)計(jì)課題中所要求的*-Y工作臺(tái)要求可直接應(yīng)用于小型鉆、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、構(gòu)造緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。絲杠螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足0.02mm的重復(fù)定位精度和0.04mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能到達(dá)。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)緊后可消除反向間隙。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

9、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)。但本設(shè)計(jì)中要求系統(tǒng)構(gòu)造緊湊，且依靠步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副已經(jīng)可以到達(dá)所需的脈沖當(dāng)量，因此不使用減速箱。伺服電動(dòng)機(jī)的選用任務(wù)書規(guī)定的*,Y方向重復(fù)定位精度為0.02mm，由此可以取脈沖當(dāng)量為0.01mm，則其定位精度未到達(dá)微米級(jí)，最快移動(dòng)速度也只要求為1000mm/min。因此，不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，只需要選用性能較好的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)即可，故在本設(shè)計(jì)中選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低本錢，提高性價(jià)比。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，可選開環(huán)控制也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)

10、機(jī)來說還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不受切削負(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*、Y兩個(gè)方向的加工圍一樣，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計(jì)工作量，*、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)裝置擬采用一樣的型號(hào)與規(guī)格。2控制系統(tǒng)組成1設(shè)計(jì)的*-Y工作臺(tái)要求可直接應(yīng)用于小型鉆、銑床，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)的根本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。2對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MCS-5

11、1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)書給定的相關(guān)指標(biāo)。3鑒于此系統(tǒng)只考慮步進(jìn)電機(jī)的控制，CPU的自身資源已經(jīng)足夠，不需要外部引入其它接口擴(kuò)展電路?？紤]控制電路與輸出信號(hào)電平不一致以及減少干擾等因素，在輸入和輸出信號(hào)之間參加光電耦合器組成信號(hào)輸入輸出電路。4選擇適宜的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。3系統(tǒng)總體框圖根據(jù)已確定的總體方案繪制系統(tǒng)總體框圖如下：2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 工作臺(tái)外形尺寸及重量估算按照下導(dǎo)軌之上移動(dòng)部件的重量來進(jìn)展估算。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)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為1200N。2.2 導(dǎo)軌參數(shù)

12、確定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*-Y工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承當(dāng)，則單滑塊所受的最大垂向載荷為：=1200N/4+500N=800N 2-1其中移動(dòng)部件重量1200N，最大外加載荷=500N，故得到單滑塊所受的最大垂向載荷=800N=0.8kN。查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書下略表3-41，根據(jù)工作載荷=0.7kN，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=7.94 kN，額定靜載荷=9.5kN。任務(wù)書規(guī)定工作臺(tái)面尺

13、寸CB240mm254mm，行程要求*=400mm，Y=300mm。查表3-35，考慮滑塊在工作臺(tái)底部的安裝位置，在保證工作行程應(yīng)留有一定余量的前提下，按標(biāo)準(zhǔn)系列選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為640mm。距離額定壽命L的計(jì)算 上述選取的KL系列JSA-LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過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3-36表3-40，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， 代入得距離壽命：5611km2-2遠(yuǎn)大于常見球?qū)к壍木嚯x期望壽命50km，故初選型號(hào)滿足設(shè)計(jì)要求。2.3 滾珠絲桿

14、的設(shè)計(jì)計(jì)算最大工作載荷的計(jì)算根據(jù)任務(wù)書要求不考慮工作臺(tái)受到的銑削力，即=0，受到垂直載荷=500N。移動(dòng)部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)展計(jì)算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，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=1.10+0.005(500+1200)N=8.5N2-3最大動(dòng)載荷的計(jì)算根據(jù)任務(wù)要求，工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度=1000mm/min，初選絲杠導(dǎo)程=4mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速= 250 r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000 h，代入，得絲杠壽命系數(shù)=225單位為：106 r。查表3-30，取載荷系數(shù)=1.2，滾道硬度為6

15、0HRC時(shí)，取硬度系數(shù)=1.0，代入得最大動(dòng)載荷：42.5N 2-4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3-32，選擇CM系列2004-5型滾珠絲杠副，為循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20 mm，導(dǎo)程為4 mm，循環(huán)滾珠為22.5，精度等級(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為9197 N，大于，滿足要求。 4傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑=20mm，導(dǎo)程=4mm，代入，得絲杠螺旋升角=433。將摩擦角=10，代入，得傳動(dòng)效率=96.4%。剛度的驗(yàn)算1*-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=500mm

16、；鋼的彈性模量2.1105 Mpa；查表3-32，得滾珠直徑=3.175mm，絲杠底徑=16.2mm，絲杠截面積=206.12mm2。當(dāng)絲杠的拉伸或壓縮變形量在總變形量中所占的比重較大時(shí)，按進(jìn)展計(jì)算，忽略式中第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量=6.5440/(2.1105 229.66)mm7.4910-5 mm根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)=20；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式：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=2.17 N。則可求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量6.16510-5 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

17、量可減小一半，取=3.0810-5 mm。將和代入，求得絲杠總變形量=10.5710-5 mm=0.1057m。查表3-27可知，4級(jí)精度滾珠絲杠在有效行程在315mm時(shí)，行程偏差為25，可見絲桿剛度足夠。壓桿穩(wěn)定性校核滾珠絲杠屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷應(yīng)滿足。查表3-31，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑=16.2mm，求得截面慣性矩3380.88mm4；壓桿穩(wěn)定平安系數(shù)取3絲杠臥式水平安裝；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離取最大值500mm，得臨界載荷 9343N，遠(yuǎn)大于工作載荷=6.5N，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。2.4 步進(jìn)電機(jī)的選型與計(jì)算計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)

18、機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量滾珠絲杠的公稱直徑=20mm，總長(zhǎng)=440mm，導(dǎo)程=4mm，材料密度=7.8510-3 kg/cm3；移動(dòng)部件總重量G=1200N。參照表4-1，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.543kgcm2，拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.331kgcm2。因系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，系統(tǒng)傳動(dòng)比為1，滾珠絲杠導(dǎo)程為4mm，故初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2502，二相四拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為0.9，從表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=4kgcm2。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=4+0.331+0.543/1kgcm2=4.874kgcm2計(jì)算加在步

19、進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(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)展計(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)矩包括三局部：一局部是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一局部是移動(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；還有一局部是滾珠絲杠預(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：2-5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：其中，為對(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：空載最快移動(dòng)速度=1000mm/min，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角=0.9，脈沖當(dāng)量=0.01mm/脈沖

20、，代入以上各值得=250r/min。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間=0.4s，傳動(dòng)鏈總效率=0.7。則可求得：Nm0.0456Nm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：2-6其中，滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)=0.005，空載時(shí)垂直方向的銑削力=0，得：Nm3.63810-3Nm故求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：=0.0492Nm2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)矩也包括三局部：一局部是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一局部是移動(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；還有一局部是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。同樣的，相對(duì)于和很小，可以忽

21、略不計(jì)。則有：，因本設(shè)計(jì)不考慮工作臺(tái)受到的銑削力，因此折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0。 計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載情況下，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：5.91110-3Nm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=5.91110-3Nm。經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：=0.0492Nm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，根據(jù)來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮平安系數(shù)。取平安系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：

22、=0.1968 Nm上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2502，由表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩 = 6 Nm ，可滿足要求。4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 1最快移動(dòng)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快移動(dòng)速度=1000mm/min，脈沖當(dāng)量=0.01mm/脈沖，則可求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率=1000/(600.01)Hz 1667Hz。90BYG2502電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖如下：可見在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩4.5Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.0492Nm，滿足要求。2最快移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與最快移動(dòng)速度=1000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率=1667Hz。

23、查表4-5可知90BYG2502電動(dòng)機(jī)的空載極限運(yùn)行頻率為20000Hz，可見沒有超出上限。3起動(dòng)頻率的計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=4.874kgcm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=4kgcm2，查表4-5，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.則,可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克制慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：=1208Hz 2-6上式說明，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1208Hz，滿足要求。綜上所述，本例中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用90BYG2502步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。2.5 機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)以下參照三維造型圖和總裝配圖，來進(jìn)展機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)的說明。本設(shè)計(jì)考慮設(shè)計(jì)任

24、務(wù)工作臺(tái)面尺寸要求為CBH240mm254mm15mm，而底座外形尺寸為C1B1H1650mm550mm184mm；為不超出底座外形尺寸要求，應(yīng)選用了標(biāo)準(zhǔn)系列導(dǎo)軌副長(zhǎng)度640mm，同時(shí)為了保證行程要求*=400mm，Y=300mm，因此不能將導(dǎo)軌滑塊裝置在工作臺(tái)兩邊緣，而是分別向縮進(jìn)了24mm。又因?yàn)楣ぷ髋_(tái)最大長(zhǎng)度L=778mm，故總體構(gòu)造相對(duì)而言較為緊湊，依靠步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副的選型來滿足脈沖當(dāng)量的需求，而無需添加齒輪減速箱，且將增量式旋轉(zhuǎn)編碼器裝置在滾珠絲杠副末端，形成半閉環(huán)控制，既使空間構(gòu)造緊湊有序，又保證了精度需求?？紤]到裝配需求，故設(shè)計(jì)了獨(dú)立的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與導(dǎo)軌底座的連接座，同時(shí)設(shè)

25、計(jì)了相應(yīng)的端蓋，通過螺釘與軸承端蓋連接，步進(jìn)電機(jī)軸在端蓋通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠副連接，并給聯(lián)軸器預(yù)留了足夠了裝配空間。同時(shí)在模擬實(shí)際使用情況時(shí)，在保證行程要求的前提下，工作臺(tái)不會(huì)觸碰到連接座，可以平安使用。3、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 控制系統(tǒng)硬件組成考慮控制系統(tǒng)中需要不同的穩(wěn)壓電平，因此需要引入電源設(shè)計(jì)電路；CPU控制電路主要對(duì)電機(jī)信號(hào)進(jìn)展控制，并接收外部限位開關(guān)、暫停和點(diǎn)動(dòng)輸入信號(hào)，并根據(jù)響應(yīng)信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)展控制；CPU電路為TTL電平，與外部信號(hào)電平不一致，需要添加光電耦合器，同時(shí)減少外部干擾；CPU輸出的電壓信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，需要經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)展電壓和電流信號(hào)的放大以及對(duì)信號(hào)脈沖

26、分頻處理。3.2 控制系統(tǒng)硬件選型微控制器的選用：本次設(shè)計(jì)選用的的是微機(jī)控制系統(tǒng)，*-Y數(shù)控工作臺(tái)要求控制系統(tǒng)計(jì)算精度較高、處理速度較快；加之在考慮盡量減少本錢、選擇程序編制較為簡(jiǎn)易以及方便擴(kuò)大I/O接口的前提下，我們選擇了使用AT89C52作為我們的微處理器，選擇此微處理器能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。AT89C52單片機(jī)主要性能參數(shù)及功能特性AT89C52的主要工作特性： 8031CPU8051的核； 8KB的快速擦寫Flash存儲(chǔ)器，用于程序存儲(chǔ)器，可擦寫次數(shù)為1000次； 256字節(jié)的RAM，其中高128字節(jié)地址被特殊功能存放器SFR占用； 32跟可編程I/O端口：P0、P1

27、、P2、P3； 2個(gè)可編程16位定時(shí)器：P3口的第二功能； 具有6個(gè)中斷源、5個(gè)中斷矢量、二級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)； 1個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR； 1個(gè)可編程的全雙工串行通信：P3口的第二功能； 具有空閑和掉電兩種低功耗工作方式； 可編程的3級(jí)程序鎖定位； 工作電源的電壓為(50.2)V； 振蕩器最高頻率為24 MHz； 編程頻率324 MHz，編程電流1 mA，編程電壓Vpp為5 V或12 V。 P1.0口的T2為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，P1.1口的T2E*為具有捕捉/重裝操作的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。圖4-1為AT89C52單片機(jī)原理構(gòu)造圖，從圖中可了解到，AT89C52部構(gòu)造可分為：核CPU局部、存儲(chǔ)器局部、I/

28、O接口局部和特殊功能局部如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、外中斷控制模塊等。AT89C52單片機(jī)的CPU是8位字長(zhǎng)，主要包括運(yùn)算器和控制器兩局部。AT89C52單片機(jī)芯片配置有8KB的FLASH程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，設(shè)計(jì)時(shí)可外擴(kuò)到最大64KB的程序存儲(chǔ)器和64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)器構(gòu)造可分為4局部：片程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器、片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)不作擴(kuò)展，使用單片機(jī)自身提供的8KB FLASH程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM能夠滿足設(shè)計(jì)要求。AT89C52單片機(jī)部集成了4個(gè)可編程的并行I/O接口(P0P3)，每個(gè)接口電路都具有鎖存器和驅(qū)動(dòng)器，輸入接口電路具有三

29、態(tài)門控制。P0P3口同RAM統(tǒng)一編制，可以當(dāng)作特殊功能存放器SFR來尋址。AT89C52單片機(jī)可以利用其I/O接口直接與外圍電路相連，本設(shè)計(jì)將會(huì)使用可編程并行接口芯片8255A作為CPU的I/O口的擴(kuò)展，P0P3口在開機(jī)或復(fù)位時(shí)均呈高電平。隔離電源的選擇：隔離電源的獲得可有幾種途徑。一種途徑是采用不同的電源供電，另一種途徑是試用具有直流隔離功能的的DC/DC變換器。此次設(shè)計(jì)，我選擇采用如圖4-6所示的具有無直接關(guān)聯(lián)的二次側(cè)輸出電壓，然后對(duì)其輸出V1、V2分別進(jìn)展整流、濾波、穩(wěn)壓等處理，即可獲得不共地的直流穩(wěn)壓電源。此次設(shè)計(jì)我選用的是微機(jī)控制系統(tǒng)，微機(jī)控制系統(tǒng)使用的是直流電源，AT89C52單片

30、機(jī)芯片及其擴(kuò)展芯片需要提供穩(wěn)定的+5V直流電源，控制系統(tǒng)由于在開關(guān)信號(hào)輸入電路中應(yīng)用了TLP521-1光耦合器，因此也要給TLP521-1光耦合器的輸入端提供獨(dú)立的+12V供電電源；為此我通過參考已有書籍和文獻(xiàn)資料選用了兩套電源設(shè)計(jì)方案。整 流變 壓濾 波變 壓穩(wěn) 壓負(fù) 載交流電我所選擇的控制系統(tǒng)的電源均采用的是串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，它使用的是連續(xù)線性控制方式，具有穩(wěn)定度高、可靠性好、本錢較低的優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在像本控制系統(tǒng)在的低電壓、小電流的場(chǎng)合，主要負(fù)責(zé)給控制系統(tǒng)的主機(jī)電路供電；其電路的主要構(gòu)造如下列圖所示。光電耦合隔離電路元件的選擇：光電隔離是有光耦合器來完成的。光耦合器是以光為媒介傳輸信號(hào)

31、的器件，其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光源，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。本設(shè)計(jì)將會(huì)使用開關(guān)量電路，因此設(shè)計(jì)時(shí)選擇在電路中接入光耦合器，從而使其輸入側(cè)與輸出側(cè)的信號(hào)得到了電氣隔離，互補(bǔ)影響。我們選用的是普通的信號(hào)隔離用光耦合器(TLP521-1)。TLP521-1光耦合器以發(fā)光二極管為輸入端，光敏晶體管為輸出端，能夠隔離頻率在100kHz以下的信號(hào)，滿足我此次設(shè)計(jì)的要求。驅(qū)動(dòng)器件的選擇：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配有多種形式，主要分為硬件環(huán)分和軟件環(huán)分。硬件環(huán)分通常由專用集成芯片或通過可編程邏輯器件組成，如CH250是三相反響式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)行分配器的專用芯片，L297和PMM8713是兩相步進(jìn)

32、電動(dòng)機(jī)的專用芯片等。采用硬件環(huán)分時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電節(jié)拍由硬件電路來決定，編程軟件時(shí)可以不考慮。控制器與硬件環(huán)分電路的連接只需兩根信號(hào)線：一根方向線，一根脈沖線或者一根正轉(zhuǎn)脈沖線，一根反轉(zhuǎn)脈沖線。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇的是硬件環(huán)分，通過AT89C52單片機(jī)編程步進(jìn)電機(jī)配套的驅(qū)動(dòng)器BD28Nb，輸入電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向信號(hào)和驅(qū)動(dòng)脈沖，通過驅(qū)動(dòng)器部電路的環(huán)分電路輸出步進(jìn)脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控工作臺(tái)的功能要求。BD28Nb的性能指標(biāo)如下：電氣特性 Ti=25 項(xiàng) 目 指 標(biāo) 電源電壓AC40V、AC18V輸入 輸出電流2.5A/3A/3.5A/4A可選 步進(jìn)脈沖頻率BD28Fb：0200KHz；BD28Nb

33、：010KHz 邏輯信號(hào)電流510mA 絕緣電阻500M 使用環(huán)境及參數(shù) 冷 卻 方 式 自然冷卻 使用環(huán)境 溫 度10+50 濕 度 40%90%PH 外 形 尺 寸 64*153*117.5mm 重 量 約 Kg電流選擇對(duì)BD28Nb/Fb均有效通過面板上的設(shè)定開關(guān)第1，2位選擇電流。 位電流 1 2 2.5A 0 0 3A 1 0 3.5A 0 1 4A 1 1方向控制：通過面板上的設(shè)定開關(guān)第3位可設(shè)定電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。外部輸入信號(hào)Cw電平變化亦可改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。注：電機(jī)的初始運(yùn)行方向與電機(jī)的接線有關(guān)，互換任意兩相可以改變初始運(yùn)行的方向。步進(jìn)脈沖輸入信號(hào)Cp:最大通過頻率為200KHzBD

34、28Fb或10KHzBD28Nb。脈沖的低電平時(shí)間應(yīng)大于500nS。使能信號(hào)En：1 En端外加低電平時(shí)，電機(jī)響應(yīng)Cp端輸入脈沖運(yùn)行，Cp端沒有信號(hào)時(shí)，電機(jī)處于半流鎖定狀態(tài)；2 En端懸空時(shí)，驅(qū)動(dòng)器切斷電機(jī)各相的電流使電機(jī)軸處于自由狀態(tài)，此時(shí)步進(jìn)脈沖Cp將不被響應(yīng)。輸出信號(hào)A1、A2，B1、B2:接二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的出線。刀具的動(dòng)作只有落刀和提刀兩個(gè)，可以通過電磁繼電器來控制。AT89C51單片機(jī)對(duì)電磁繼電器的控制可以通過ULN2003A來驅(qū)動(dòng)3.3 控制系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計(jì)CPU控制電路：P0口輸出步進(jìn)電機(jī)和刀具的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及刀具的動(dòng)作；P1口作為控制面板的輸入信號(hào)接收

35、端，檢測(cè)電動(dòng)信號(hào)輸入以及演示輸入；P2口是限位信號(hào)輸入接收端；限位以及暫停信號(hào)通過TTL門電路輸出暫停中斷接入INT0中斷輸入口。電源設(shè)計(jì)電路外部進(jìn)過變壓后的交流電源通過整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出所需的直流電壓。整流：使用橋式整流器KBPC108搭建的橋式整流電路，從其命名中我們就能知道其正向電流為1A，耐壓值最高方向電壓800V，通過橋式整流，將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電。濾波：由于整流過后輸出的直流電壓脈動(dòng)較大，而我所設(shè)計(jì)的微機(jī)控制系統(tǒng)需要穩(wěn)定的直流電源；因此在整流電路后面還需加濾波電路將交流成分濾除，以得到比擬平滑的輸出電壓。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲(chǔ)功

36、能來實(shí)現(xiàn)的，此次設(shè)計(jì)采用的是電容濾波電路，既在整流電路的輸出端并聯(lián)一只大容量的電容。穩(wěn)壓：電壓的穩(wěn)定在此采用了MC7805三端固定電壓穩(wěn)壓器，而為了能獲得+5V的穩(wěn)定電壓需要擴(kuò)展輸出電流，因此電源電路設(shè)計(jì)選擇了并聯(lián)兩片MC7805三端固定電壓穩(wěn)壓器。輸入信號(hào)接口電路：外部信號(hào)通過光電耦合器將信號(hào)輸入控制電路部，限位開關(guān)信號(hào)和暫停按鈕信號(hào)通過TTL門電路輸出暫停信號(hào)到CPU控制電路，同時(shí)限位開關(guān)信號(hào)將各自信號(hào)輸入CPU的P2口用于CPU對(duì)暫停信號(hào)檢測(cè)。3.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)因?yàn)槲覀冞x用的是90BYG2502步進(jìn)電機(jī)，應(yīng)選用配套的BD28Nb驅(qū)動(dòng)電源來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，采用硬件環(huán)分法進(jìn)展驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電

37、源的接線參考相關(guān)技術(shù)資料。4、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 控制系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計(jì)程序啟動(dòng)后循環(huán)檢測(cè)輸入信號(hào)，允許點(diǎn)動(dòng)輸入，當(dāng)演示按鈕按下后不允許直接點(diǎn)動(dòng)輸入，要點(diǎn)動(dòng)輸入必須先按暫停按鈕。限位信號(hào)和暫停按鈕要立即響應(yīng)，因此將這些信號(hào)歸一后引入外部中斷0，外部中斷0的效勞程序中要對(duì)中斷觸發(fā)信號(hào)進(jìn)展檢測(cè)，如果是暫停信號(hào)，接下來要檢測(cè)是不是會(huì)有點(diǎn)動(dòng)輸入，沒有輸入則程序原地循環(huán)，如果有點(diǎn)動(dòng)信號(hào)則對(duì)信號(hào)檢測(cè)，調(diào)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序作出相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。暫停信號(hào)的原地循環(huán)允許被演示信號(hào)打斷跳出。當(dāng)按下演示按鈕后，程序?qū)嫵鰣A心在原點(diǎn)，半徑為r的圓。4.2 主流程設(shè)計(jì)INT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL P

38、USH DPTH PUSH PSW MOV A，PA MOV DPTR，A MOV* A，DPTR ；讀PA口容 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 P1.2TM2C： MOV A，R2 CPL A ANL A，#0CH JZ A，RETIN SETB P1.3圖6-2 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI4. I

39、NT1中斷效勞流程圖圖6-3INT1IS：CLR E*1 MOV A，DPTR PUSH ACC JNB ACC.4，RSTPUSH PSW JNB ACC.0，*+EN PUSH DPTL JNB ACC.1，*-EN PUSH DPTH JNB ACC.2，Y+EN CLR P1.6 JNB ACC.3，Y-EN MOV A，PC JNB ACC.5，ARC MOV DPTR，A LOOP1：POP DPTH MOV* A，DPTR；讀PC口容 POP DPTL MOV R1，A POP PSW ANL R1，#0FH POP ACC MOV A，PB SETB E*1 MOV DPTR，

40、A RETI MOV A，DPTR；讀PB口容 ANL A，#0FH SWAP A ORL A，R1 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR，A MOV* DPTR，R2；數(shù)據(jù)輸入PB口 INC DPTL1 復(fù)位程序流程圖 圖6-4 DIR* EQU 30H DIRY EQU 31HRST： CLR P1.6RPA： MOV A，PA MOV DPTR，A MOV* A，DPTR ；讀PA口容 JNB ACC.0，ACC2 MOV DIR*，#00H ；表*電機(jī)反轉(zhuǎn) ACALL *MOTOR0 ；*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 RPALOOP0：AJMP LOOP12 *軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖 圖6-5*+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOV* A，DPTR JNB ACC.0