XY工作臺設(shè)計說明書

湖州師范學院PAGE27《機電一體化》課程設(shè)計說明書題目:X-Y工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計姓名張永升專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化學號10082304指導教師許宇翔王娟信息與工程學院2013年6月17日前言課程設(shè)計是機床機電一體化系統(tǒng)課程的十分重要實踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計可以初步樹立正確的設(shè)計思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學會運用手冊、標準、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導下，系統(tǒng)地運用課程和選修課程的知識，獨立完成規(guī)定的設(shè)計任務。一種經(jīng)濟型數(shù)控機床的控制系統(tǒng)，包括機床伺服系統(tǒng)和對該伺服系統(tǒng)進行控制的ＰＬＣ；其特征在于，還包括通過通信接口與ＰＬＣ通信的觸摸屏，所述觸摸屏包括：數(shù)據(jù)輸入模塊，用于輸入、修改被控參數(shù)的參數(shù)值和操作指令，讀取觸摸屏的操作界面；數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲輸入、輸出數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理計算模塊，用于對輸入、輸出參數(shù)數(shù)據(jù)進行處理、計算；包括輸入信號的編碼運算；輸出信號的解碼運算；數(shù)據(jù)存儲單元，用于存儲移位單元傳遞來的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)檢測單元，用于實時檢測坐標軸的當前運動狀態(tài)參數(shù)值，包括距離、速度值，以及控制方式參數(shù)值；數(shù)據(jù)比較單元，用于將檢測單元檢測到的坐標軸當前運動狀態(tài)參數(shù)值、控制方式參數(shù)值與觸摸屏存儲模塊的設(shè)定值進行比較；X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計采用步進電機作為驅(qū)動裝置。步進電機是一個將脈沖信號轉(zhuǎn)移成角位移的機電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場；由于步進電機通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目及時間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時間的長短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場對放入其中的通電導體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時具有力的作用，從實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動迫使轉(zhuǎn)子作相應的轉(zhuǎn)動，所以轉(zhuǎn)子才可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動絲杠作相應的運動。本題目是步進電機，微型計算機，插補原理，匯編語言的綜合應用，本題目設(shè)計得到了老師的幫助和支持，最后在此表示感謝。本題目由共分六章，第一章課程設(shè)計的目的、意義及要求；第二章課程設(shè)計的內(nèi)容，第三章課程設(shè)計總體方案的確定；第四章主要涉及了機械系統(tǒng)設(shè)計；第五章主要涉及工作臺機械裝配圖的繪制；第六章主要涉及控制系統(tǒng)軟件設(shè)計；最后是結(jié)束語和參考文獻。因本人水平有限，錯誤和不足之處在所難免，處理問題也有不妥之處，敬請相關(guān)老師批評指正。課程設(shè)計的目的、意義及要求X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱-橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。因此，選擇X-Y數(shù)控工作臺作為機電綜合課程設(shè)計的內(nèi)容，對于機電一體化專業(yè)的教學具有普遍意義。模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作平臺、滾珠絲杠螺母副以及伺服電動機等部件構(gòu)成。其外觀形式如圖1所示。其中，伺服電動機作為執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均已標準化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標準的工業(yè)控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。圖1X-Y數(shù)控工作臺外形《機電一體化》課程設(shè)計是一個重要的時間性教學環(huán)節(jié)，要求學生綜合的運用所學的理論知識，獨立進行的設(shè)計訓練，主要目的與要求：通過設(shè)計，使學生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機床的基本組成及其想怪知識，學習總體的方案擬定、分析與比較的方法。通過對機械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握幾種典型傳動元件與導向元件的工作原理、設(shè)計計算及選用的方式。通過對機械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握常用伺服電機的工作原理、計算控制方法與控制驅(qū)動方式。培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題的能力，學習并樹立“系統(tǒng)設(shè)計”的思想。鍛煉提高學生應用手冊和標準、查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力。

目錄課程設(shè)計的目的、意義及要求 31、總體方案設(shè)計 51.1設(shè)計任務 51.2總體方案確定 51.2.1方案確定思想 51.2.3總體方案系統(tǒng)組成 52、機械系統(tǒng)設(shè)計 72.1工作臺外形尺寸及重量估算 72.2導軌的設(shè)計計算與選擇 72.2.1對X軸向?qū)к壍挠嬎?72.2.2對X軸導軌的選擇 82.2.3對Y軸導軌的計算 92.2.4對Y軸導軌選擇 92.3滾珠絲桿的設(shè)計計算 102.3.1最大工作載荷的計算 102.3.2滾珠絲杠的選取 112.3.3滾道半徑、偏心距 122.3.4穩(wěn)定性校核 122.3.5剛度的驗算 122.3.6效率驗算 132.4步進電動機的計算、選型與校核 132.4.1確定系統(tǒng)脈沖當量及步距角 132.4.2電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量J總 132.4.3步進電機空載啟動時，電機軸上的加速力矩 132.4.4工作臺移動部件折算到電機軸上的摩擦力矩 142.4.5因絲桿副預緊力引起的電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 142.4.6負載轉(zhuǎn)矩計算 142.4.7步進電機的選擇條件 142.5步進電機的選擇如下 142.5.1初選步進電機選型 142.5.2步進電機參數(shù)驗算 152.6.聯(lián)軸器及絲桿支撐座的選擇 162.6.1聯(lián)軸器的介紹 162.6.2聯(lián)軸器的選擇 162.6.3絲桿支撐座的選擇 172.7機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 183、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 193.1控制系統(tǒng)硬件組成 193.2控制系統(tǒng)硬件選型 193.3控制系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計 223.4驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 244、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 244.1控制系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計 244.2主流程設(shè)計 244.3中斷服務流程設(shè)計 255總結(jié) 25參考文獻 25附錄 26

1、總體方案設(shè)計1.1設(shè)計任務題目：兩坐標X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計任務：設(shè)計兩軸聯(lián)動的數(shù)控X-Y運動平臺，完成機械系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計與相應軟件編程。其主要技術(shù)指標如下：工作臺型號為HXY-2525；行程要求X=60mm，Y=55mm；工作臺面尺寸為C×B×H＝160mm×175mm×12mm；底座外形尺寸為C1×B1×H1＝225mm×235mm×12mm；工作臺負載重量N=150N；工作臺最大移動速度為1m/min；X,Y方向的定位精度為0.02mm；脈沖當量為0.01mm/step；結(jié)構(gòu)輕便，建議機座和滑臺采用鋁合金；標準組件，獨立產(chǎn)品；1.2總體方案確定1.2.1方案確定思想該工作臺設(shè)計主要分為機械系統(tǒng)部件和控制系統(tǒng)部件，其中機械系統(tǒng)部件主要包括導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機和檢測裝置等，控制系統(tǒng)部件則包括CPU控制電路、電源設(shè)計電路、輸入信號電路、輸出信號電路、步進電機驅(qū)動控制電路等。因X向和Y向機械結(jié)構(gòu)基本相同，故只繪制X向機械系統(tǒng)部分的結(jié)構(gòu)簡圖，如下：考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，應盡可能采用簡潔輕便的結(jié)構(gòu)設(shè)計和廉價實用的可選材料，符合綠色環(huán)保的現(xiàn)代機械設(shè)計理念，由此來確定最終方案。1.2.3總體方案系統(tǒng)組成（1）機械系統(tǒng)組成1）導軌副的選用該設(shè)計課題中所要求的X-Y工作臺要求可直接應用于小型鉆、銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導軌副。它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預緊方便等優(yōu)點。絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，要滿足±0.02mm的重復定位精度和0.04mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。減速裝置的選用選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構(gòu)。但本設(shè)計中要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，且依靠步進電動機和滾珠絲杠副已經(jīng)可以達到所需的脈沖當量，因此不使用減速箱。伺服電動機的選用任務書規(guī)定的X,Y方向重復定位精度為±0.02mm，由此可以取脈沖當量為0.01mm，則其定位精度未達到微米級，最快移動速度也只要求為1000mm/min。因此，不必采用高檔次的伺服電動機，只需要選用性能較好的步進電動機即可，故在本設(shè)計中選用混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。檢測裝置的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉(zhuǎn)過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應與步進電動機的步距角相匹配?？紤]到X、Y兩個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)計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。（2）控制系統(tǒng)組成1）設(shè)計的X-Y工作臺要求可直接應用于小型鉆、銑床，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應該設(shè)計成連續(xù)控制型。2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU，應該能夠滿足任務書給定的相關(guān)指標。3）鑒于此系統(tǒng)只考慮步進電機的控制，CPU的自身資源已經(jīng)足夠，不需要外部引入其它接口擴展電路?？紤]控制電路與輸出信號電平不一致以及減少干擾等因素，在輸入和輸出信號之間加入光電耦合器組成信號輸入輸出電路。4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。（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、機械系統(tǒng)設(shè)計2.1工作臺外形尺寸及重量估算工作臺（X向托板）取Y向托板=X向托板上導軌座重量根據(jù)題目底座外形尺寸為225×235×12因此：所以根據(jù)上面所求，得XY工作臺運動部分的總重量為：設(shè)其最大加工工件為8kg，另外，還有絲杠、電機、聯(lián)軸器等，大約3kg，因此：2.2導軌的設(shè)計計算與選擇2.2.1對X軸向?qū)к壍挠嬎憬o定的恒定負載為150N，X向托板重26.4N，X軸向行程為60mm，假設(shè)導軌壽命是10年，一年工作300天，一天16小時，啟動率為0.8，則：距離壽命式中為Ls為行程長度，n為每分鐘往返次數(shù)，且，V為工作臺快速進給速度。由已知條件知V=1m/min，則由此得設(shè)滑座數(shù)m=4，所以每根導軌上使用2個滑座，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為3級，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)=1，載荷系數(shù)=1.5，代入得距離壽命：其中K=50則得其中2.2.2對X軸導軌的選擇根據(jù)所計算的Ca值，選擇中國南京工藝裝備制造有限公司()的GGB16AA四方向等載荷型滾動直線導軌副，導軌的具體資料結(jié)構(gòu)參數(shù)如下2.2.3對Y軸導軌的計算其負載為，工作行程為55mm，假設(shè)導軌壽命是10年，一年工作300天，一天16小時，啟動率為0.8，則：距離壽命式中為Ls為行程長度，n為每分鐘往返次數(shù)，且，V為工作臺快速進給速度。由已知條件知V=1m/min，則由此得設(shè)滑座數(shù)m=4，所以每根導軌上使用2個滑座，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為3級，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)=1，載荷系數(shù)=1.5，代入得距離壽命：其中K=50則得其中2.2.4對Y軸導軌選擇根據(jù)所計算的Ca值，選擇中國南京工藝裝備制造有限公司()的GGB16AA四方向等載荷型滾動直線導軌副，導軌的具體資料結(jié)構(gòu)參數(shù)如下2.3滾珠絲桿的設(shè)計計算2.3.1最大工作載荷的計算根據(jù)任務書要求不考慮工作臺受到的銑削力，即，受到垂直負載為。已知移動部件總重量，按矩形導軌進行計算，查表取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦因數(shù)。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷最大動載荷的計算根據(jù)任務要求，工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度=1m/min，初選絲杠導程=4mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入得絲杠壽命系數(shù)（單位為：106r）查表取載荷系數(shù)=1.2，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)=1.0，代入得最大動載荷：2.3.2滾珠絲杠的選取根據(jù)動載荷和公稱導程值的核對，以及考慮設(shè)計尺寸，最后選取南京工藝裝備制造有限公司規(guī)格為FF1204-3型內(nèi)循環(huán)浮動式變位導程預緊滾珠絲杠，其公稱直徑為，公稱導程為4mm，動靜載荷分別為4KN和6.7KN。滾珠直徑,剛度為，外徑大徑=11.3mm,絲杠底徑=9.5mm,循環(huán)圈數(shù)3。滾珠絲杠副的螺紋長度La=++2其中有效行程=70mm；螺母長度=35mm；余程=25mm所以滾珠絲杠副的螺紋長度La=155mm絲杠全長總合考慮各項幾何尺寸要求，取L為230mm2.3.3滾道半徑、偏心距查上圖得，滾道半徑偏心距絲杠內(nèi)徑2.3.4穩(wěn)定性校核因螺桿較長，所以穩(wěn)定性驗算應以下式求臨界載荷：式中：E：螺桿材料的彈性模量，查《材料力學》表2-2，取E=206GPaIa：螺桿危險截面的軸慣性矩vμ：長度系數(shù)，查《機電一體化設(shè)計手冊》得μ=1絲杠的長度是=230mm所以是安全的2.3.5剛度的驗算按最不利的情況考慮，螺紋螺距因愛軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向是一致的，所以式中，S=P=4mm,,.按最不利的情況，即取臨界載荷F=Fm=1.8N所以：絲杠在工作長度上的彈性所引起的導程誤差為：Δ==0.23×通常要求絲杠的導程誤差應小于其定位精度的一半，Δ=，顯然滿足剛度要求。2.3.6效率驗算要求大于90%，所以該絲桿滿足要求。經(jīng)上述計算驗證，F(xiàn)F1204-3型內(nèi)循環(huán)浮動式變位導程預緊滾珠絲杠各項性能均符合設(shè)計要求，故可選它。2.4步進電動機的計算、選型與校核2.4.1確定系統(tǒng)脈沖當量及步距角脈沖當量δ是一個進給指令時工作臺的位移量，應小于等于工作臺的位置精度，由于題目要求的定位精度為0.02mm，脈沖當量為0.01mm，因此選擇脈沖當量為0.01mm。由于是聯(lián)軸器傳動，因此它的傳動比為i=1，由絲桿的選型可知絲桿的導程為P=4mm。步距角每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)2.4.2電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量J總計算公式：J1為滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量，對于圓柱體圍繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)時，其慣量可由下述公式計算：計算公式：對于鋼材有：式中：J--慣量，kg.M2M--單位體積質(zhì)量，kgD--圓柱體直徑，mmL--圓柱體長度，mm所以：J2為工作臺、工件等移動部件折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可由下述公式計算：計算公式：式中：M--工作臺（包括工件）的質(zhì)量，kgP--絲桿導程，mmV--工作臺移動速度，mm/minn--絲杠轉(zhuǎn)速，r/min所以：所以：2.4.3步進電機空載啟動時，電機軸上的加速力矩計算公式：其中：J—為電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，等于J總n—電動機轉(zhuǎn)速，T—加減速時間，為0.1s所以：2.4.4工作臺移動部件折算到電機軸上的摩擦力矩計算公式：式中：μ—摩擦系數(shù)，為0.005S—為螺距，4mmη—為總傳動效率，取0.9i—為傳動比，為1所以：2.4.5因絲桿副預緊力引起的電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩計算公式：式中：Fmax—最大預緊力，設(shè)預緊力為最大軸向載荷的1/3，即Fmax=1.8/3=0.6Nη—總傳動效率，取0.9η0--滾球未加預緊力時的效率，取0.93所以：綜上：空載啟動時電機軸上的最大靜轉(zhuǎn)矩2.4.6負載轉(zhuǎn)矩計算式中Mt—負載折算至電機力矩（N.m）；Pt—負載（N）所以：2.4.7步進電機的選擇條件已知Mt=0.11N.m，所選取的步進電機需滿足：式中Mmax—步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩（N·m）Jm—步進電機轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)動慣量（Kg·m2）2.5步進電機的選擇如下2.5.1初選步進電機選型根據(jù)上述計算分析，最后選定杭州日升電氣設(shè)備有限公司生產(chǎn)的步距角為0.9o的型號為86BYG250C的二相混合式步進電機。電機型號說明如下：其外形結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)如下圖所示：2.5.2步進電機參數(shù)驗算（1）由電機定位轉(zhuǎn)矩Mmax=3.6N·mJm=1.9×10-4kg.m2由此可得：（2）由矩頻特性曲線查得，當fmax=7000HZ時，電動機轉(zhuǎn)矩（其中為不帶負載時的轉(zhuǎn)矩）故按此頻率計算最大進給速度V滿足要求。綜上所述，所選用得86BYG250C二相混合式步進電機完全滿足設(shè)計要求。2.6.聯(lián)軸器及絲桿支撐座的選擇2.6.1聯(lián)軸器的介紹聯(lián)軸器屬于機械通用零部件范疇，用來聯(lián)接不同機構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖，減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。2.6.2聯(lián)軸器的選擇因為上述所選的電機的轉(zhuǎn)動軸的直徑為5mm，因此我所選的聯(lián)軸器為：所選型號為MG-a170參數(shù)與外形尺寸如上圖所示。2.6.3絲桿支撐座的選擇選擇絲桿支承座時，考慮支承座孔徑絲桿相配合。由于所選的滾珠絲桿公稱直徑為12mm，因此選擇的軸承座如下所示：其外觀圖為：其參數(shù)為：根據(jù)參數(shù)，選擇的型號為EK-8裝配參數(shù)：2.7機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以下參照三維造型圖和總裝配圖，來進行機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的說明。本設(shè)計考慮設(shè)計任務工作臺面尺寸要求為C×B×H＝160mm×175mm×12mm，而底座外形尺寸為C1×B1×H1＝225mm×235mm×12mm；為不超出底座外形尺寸要求，故選用了標準系列導軌副長度230mm，同時為了保證行程要求X=60mm，Y=55mm，因此不能將導軌滑塊裝置在工作臺兩邊緣。由于設(shè)計尺寸較小，故總體結(jié)構(gòu)較為緊湊，依靠步進電動機和滾珠絲杠副的選型來滿足脈沖當量的需求，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，既使空間結(jié)構(gòu)緊湊有序，又保證了精度需求?？紤]到裝配需求，故設(shè)計了獨立的步進電動機與導軌底座的連接座，同時設(shè)計了相應的端蓋，通過螺釘與軸承端蓋連接，步進電機軸在端蓋內(nèi)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠副連接，并給聯(lián)軸器預留了足夠了裝配空間。同時在模擬實際使用情況時，在保證行程要求的前提下，工作臺不會觸碰到連接座，可以安全使用。3、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計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)計電路；CPU控制電路主要對電機信號進行控制，并接收外部限位開關(guān)、暫停和點動輸入信號，并根據(jù)響應信號對步進電機進行控制；CPU電路為TTL電平，與外部信號電平不一致，需要添加光電耦合器，同時減少外部干擾；CPU輸出的電壓信號不能直接驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，需要經(jīng)過驅(qū)動電路進行電壓和電流信號的放大以及對信號脈沖分頻處理。3.2控制系統(tǒng)硬件選型微控制器的選用：本次設(shè)計選用的的是微機控制系統(tǒng)，X-Y數(shù)控工作臺要求控制系統(tǒng)計算精度較高、處理速度較快；加之在考慮盡量減少成本、選擇程序編制較為簡易以及方便擴充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書給定的相關(guān)指標的設(shè)計要求。AT89C52單片機主要性能參數(shù)及功能特性AT89C52的主要工作特性：·8031CPU（8051的內(nèi)核）；·8KB的快速擦寫Flash存儲器，用于程序存儲器，可擦寫次數(shù)為1000次；·256字節(jié)的RAM，其中高128字節(jié)地址被特殊功能寄存器SFR占用；·32跟可編程I/O端口：P0、P1、P2、P3；·2個可編程16位定時器：P3口的第二功能；·具有6個中斷源、5個中斷矢量、二級優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)；·1個數(shù)據(jù)指針DPTR；·1個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級程序鎖定位；·工作電源的電壓為(5±0.2)V；·振蕩器最高頻率為24MHz；·編程頻率3~24MHz，編程電流1mA，編程電壓Vpp為5V或12V?！1.0口的T2為定時器/計數(shù)器，P1.1口的T2EX為具有捕捉/重裝操作的定時器/計數(shù)器。圖4-1為AT89C52單片機原理結(jié)構(gòu)圖，從圖中可了解到，AT89C52內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：內(nèi)核CPU部分、存儲器部分、I/O接口部分和特殊功能部分（如定時器/計數(shù)器、外中斷控制模塊等）。AT89C52單片機的CPU是8位字長，主要包括運算器和控制器兩部分。AT89C52單片機芯片內(nèi)配置有8KB的FLASH程序存儲器和256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器RAM，設(shè)計時可外擴到最大64KB的程序存儲器和64KB的數(shù)據(jù)存儲器，其存儲器結(jié)構(gòu)可分為4部分：片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。本次設(shè)計不作擴展，使用單片機自身提供的8KBFLASH程序存儲器和256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM能夠滿足設(shè)計要求。AT89C52單片機內(nèi)部集成了4個可編程的并行I/O接口(P0~P3)，每個接口電路都具有鎖存器和驅(qū)動器，輸入接口電路具有三態(tài)門控制。P0~P3口同RAM統(tǒng)一編制，可以當作特殊功能寄存器SFR來尋址。AT89C52單片機可以利用其I/O接口直接與外圍電路相連，本設(shè)計將會使用可編程并行接口芯片8255A作為CPU的I/O口的擴展，P0~P3口在開機或復位時均呈高電平。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，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，然后對其輸出V1、V2分別進行整流、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)計我選用的是微機控制系統(tǒng)，微機控制系統(tǒng)使用的是直流電源，AT89C52單片機芯片及其擴展芯片需要提供穩(wěn)定的+5V直流電源，控制系統(tǒng)由于在開關(guān)信號輸入電路中應用了TLP521-1光耦合器，因此也要給TLP521-1光耦合器的輸入端提供獨立的+12V供電電源；為此我通過參考已有書籍和文獻資料選用了兩套電源設(shè)計方案。整流變壓整流變壓濾波變壓穩(wěn)壓負載交流電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)計將會使用開關(guān)量電路，因此設(shè)計時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)的信號得到了電氣隔離，互補影響。我們選用的是普通的信號隔離用光耦合器(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，滿足我此次設(shè)計的要求。驅(qū)動器件的選擇：步進電動機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是三相反應式步進電動機環(huán)行分配器的專用芯片，L297和PMM8713是兩相步進電動機的專用芯片等。采用硬件環(huán)分時，步進電動機的通電節(jié)拍由硬件電路來決定，編程軟件時可以不考慮?？刂破髋c硬件環(huán)分電路的連接只需兩根信號線：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)計選擇的是硬件環(huán)分，通過AT89C52單片機編程步進電機配套的驅(qū)動器BD28Nb，輸入電機轉(zhuǎn)動方向信號和驅(qū)動脈沖，通過驅(qū)動器內(nèi)部電路的環(huán)分電路輸出步進脈沖控制步進電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)數(shù)控工作臺的功能要求。BD28Nb的性能指標如下：電氣特性Ti=25℃項目指標電源電壓AC40V、AC18V輸入輸出電流2.5A/3A/3.5A/4A可選步進脈沖頻率BD28Fb：0～200KHz；BD28Nb：0～10KHz邏輯信號電流5～10mA絕緣電阻500MΩ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64x153x117.5mm重量約Kg電流選擇（對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122.5A003A103.5A014A11方向控制：通過面板上的設(shè)定開關(guān)第3位可設(shè)定電機運轉(zhuǎn)方向。外部輸入信號Cw電平變化亦可改變電機運轉(zhuǎn)方向。注：電機的初始運行方向與電機的接線有關(guān)，互換任意兩相可以改變初始運行的方向。步進脈沖輸入信號Cp:最大通過頻率為200KHz（BD28Fb）或10KHz（BD28Nb）。脈沖的低電平時間應大于500nS。使能信號En：（1）En端外加低電平時，電機響應Cp端輸入脈沖運行，Cp端沒有信號時，電機處于半流鎖定狀態(tài)；（2）En端懸空時，驅(qū)動器切斷電機各相的電流使電機軸處于自由狀態(tài)，此時步進脈沖Cp將不被響應。輸出信號A1、A2，B1、B2:接二相混合式步進電動機的出線。刀具的動作只有落刀和提刀兩個，可以通過電磁繼電器來控制。AT89C51單片機對電磁繼電器的控制可以通過ULN2003A來驅(qū)動3.3控制系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計CPU控制電路：P0口輸出步進電機和刀具的驅(qū)動信號，控制步進電機轉(zhuǎn)動以及刀具的動作；P1口作為控制面板的輸入信號接收端，檢測電動信號輸入以及演示輸入；P2口是限位信號輸入接收端；限位以及暫停信號通過TTL門電路輸出暫停中斷接入INT0中斷輸入口。電源設(shè)計電路外部進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)換成單向脈動性直流電。濾波：由于整流過后輸出的直流電壓脈動較大，而我所設(shè)計的微機