XY工作臺(tái)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

目錄第一章前言第二章課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求第一節(jié)課程設(shè)計(jì)的目的、意義第二節(jié)課程設(shè)計(jì)的要求第三章課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容第一節(jié)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容第二節(jié)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容第四章數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定第五章機(jī)械部分設(shè)計(jì)第一節(jié)確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量第二節(jié)工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算第三節(jié)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇第四節(jié)滾珠絲杠計(jì)算、選擇第五節(jié)齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)第六節(jié)步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算第七節(jié)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇第六章機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)第一節(jié)設(shè)計(jì)內(nèi)容第二節(jié)設(shè)計(jì)步驟第三節(jié)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)第七章系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)第八章結(jié)束語與致謝第九章參考文獻(xiàn)第二章課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求第一節(jié)課程設(shè)計(jì)的目的，意義《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運(yùn)用所學(xué)過的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。其目的是：1?能夠正確運(yùn)用《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程的基本理論和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)的功能構(gòu)成、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法，了解設(shè)計(jì)方案的擬定、比較、分析和計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能力；通過機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟；3?通過測(cè)試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；4?通過課程設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及編寫技術(shù)說明書的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提咼。第二節(jié)課程設(shè)計(jì)的要求：課程設(shè)計(jì)應(yīng)在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立完成，嚴(yán)格地要求自己，不允許相互抄襲；認(rèn)真閱讀《課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，明確題目及具體要求；認(rèn)真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)；大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計(jì)方案；機(jī)械部分和驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)思路清晰，計(jì)算結(jié)果正確，選型合理；6?微機(jī)控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確；7.手工或電腦繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖一張(A1)，控制系統(tǒng)電氣原理一張(A1)，圖紙符合國家標(biāo)準(zhǔn)，布圖合理，內(nèi)容完整表達(dá)清晰；&課程設(shè)計(jì)說明書一份(不少于8000字)，包括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)等。設(shè)計(jì)說明書應(yīng)敘述清楚、表達(dá)正確、內(nèi)容完整、技術(shù)術(shù)語符合標(biāo)準(zhǔn).第三章課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容第一節(jié)課程設(shè)計(jì)題目：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用XY工作臺(tái)。已知條件：定位精度：±0.01mm,滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命：T=15000h,二：中等沖擊工作臺(tái)的有效行程為L(zhǎng)x=400mmLY=400mm快速進(jìn)給速度…=2000^/77/min十〃卄卄m和工作載荷FZ=2000N第二節(jié)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容數(shù)控裝置總體方案的確定.數(shù)控裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的確定；.方案的分析，比較，論證。機(jī)械部分的設(shè)計(jì).確定脈沖當(dāng)量；.機(jī)械部件的總體尺寸及重量的初步估算；.傳動(dòng)元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)，計(jì)算和選用；.確定伺服電機(jī)；.繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖；.系統(tǒng)等效慣量計(jì)算；.系統(tǒng)精度分析。數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1).微機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)；.1/0接口電路及伺服控制電路的設(shè)計(jì)和選用；.系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)編寫課程設(shè)計(jì)說明書.說明書是課程設(shè)計(jì)的總結(jié)性技術(shù)文件，應(yīng)敘述整個(gè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，包括總體方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析，機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算，電氣部分的設(shè)計(jì)說明，選用元器件參數(shù)的說明，軟件設(shè)計(jì)及其說明；.說明書不少于84字，盡量用計(jì)算機(jī)完成。圖紙(1).機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖，A0圖紙1張。要求視圖基本完整，符合標(biāo)準(zhǔn)。其中至少要有一個(gè)坐標(biāo)軸的完整剖視圖；第四章數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。伺服系統(tǒng)的選擇開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī).開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。.考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇采用MCS-51系列中的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)°MCS-51單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價(jià)比高。控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、1/0接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。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)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性?？紤]電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。系統(tǒng)總體框圖如下:

第五章機(jī)械部分設(shè)計(jì)機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。第一節(jié)確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量5p是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，由于定位精度為土0.01mm因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。第二節(jié)工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺(tái)簡(jiǎn)圖，估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?10mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm，設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖如下：工作臺(tái)簡(jiǎn)圖X向拖板（上拖板）尺寸為：長(zhǎng)*寬*高=420*410*50重量:按重量=體積*材料比重估算為：耳=420x410xLO-3x7.8xICT2=671.58^Y向拖板（下拖板）尺寸為：420X400X50重量/?；=420x400x50x10-3x7.8x10-2=655.2^上導(dǎo)軌（含電機(jī)）重量為(900x480x8-2x800x35x50)x7.8x1CF2x](Fj二487.97/V夾具及工件重量:約155NX-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為：W=487.97+655.2+671.58+15弄2000N第三節(jié)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=CO/P，式中：CO為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.0~3.0(—般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0(運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng))。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：因系統(tǒng)受中等沖擊，因此取fSL=4.0芒￡?二兀工弓：尸冬廠0機(jī)巧十疋Px=05(F^十叫)=0一3(2000+571一勺Py=0^(Fz+Wv)=0t5(2000-65^.2)=1327,6NCox=忌F^-4x1335.79=5343.16N匚5=$1.瑪=4乂1327,6=5310.斗N根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌：選擇漢機(jī)江機(jī)床廠町G-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，其型號(hào)為:HJG-D25基本參數(shù)如下：額定菽荷N靜態(tài)力矩/N*M滑座1□M導(dǎo)軌快度動(dòng)載荷q靜載荷qL(mm)175002600019S2880矽3.1760滑曄個(gè)數(shù)單備程長(zhǎng)度毎分鐘往復(fù)次數(shù)M440.64導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷Ca=17500N;依據(jù)使用速度v(m/min)和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷Ca(kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：額定行程長(zhǎng)度壽命：＞；=LA=2?^=0.81?^=1s&二詒=50Ts二禺警4)'二50(址嚴(yán)峙翱二142409&伽導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命：

訶142409.58xIO'訶142409.58xIO'1~~2x0.6x4x60-494477^>7'=15000^導(dǎo)軌的工作壽命足夠.第四節(jié)滾珠絲杠計(jì)算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60,導(dǎo)程：l0=5mm（1）強(qiáng)度計(jì)算絲杠軸向力：二:廠其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時(shí)：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz,Fy=0.6Fz計(jì)算。取f=0.004,Fz=400則：Fx0.5x2000-1000/VFy=—0.6x2000-1200.VF*=1.15x1000+0004(2000+671.58)=1045.686VFy=1.15x1200+0,004(2000+6552)=1252.62W壽命值:106其中絲杠壽命值:106其中絲杠轉(zhuǎn)速卑二金(r'iniii)15000^&0x400x150001?=&0x400x150001?=360最人動(dòng)載荷；身式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC258時(shí)為1.0。查表得中等沖擊時(shí)，fW=1.2fH=1則：=^360x12x1x104^.686=7O79.?8LV6^=V360xl.2x1x1252621=10686.54V根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為：CM系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。其基本參數(shù)如下：7of187of18滾珠絲杠副詳細(xì)參數(shù)說明CM系列滾珠絲杠副（滾珠外循環(huán)插管埋入式反向器單螺母）魚杠代號(hào)舍稱直桎基本令程健杠外錘循環(huán)圏數(shù)剛度嶽母安轅尺寸油杯孔doPhd.山n動(dòng)*?cn靜載荷t?;1反DLBD,040]02hMCMJ004-2.520-39.517.302.560171.343937066591]405S5.8W6M6CM2004-520419.517.30597752687969966551140535.8106M6CM2005-2.520519.516.762.574171533137570401145565.8106M6CM2005-520539.516.765]42053824475070621]45565.8106M6CM200(>2.520639.516.572.580071625737870441145565.8106M6CM200(>520619.516.575330073251574070641]45565.8106M.6CM2504-2.525424.522.302.566583682638076391]50655.8106M6CM2504-525424.522.305107853筑5270076561]50的5.8106M6CM2.505-2.525524.521.572.590252079341076401]50635.8106M6CM2505-525524.521.5751465841587773766211505.8106M6其額定動(dòng)載荷為14205N>yQ足夠用?滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式，預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式?滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表務(wù)稱計(jì)外公成結(jié)杲公稱TH令毘_._2Omni螺距f—5mm扌興融旳甘—45°鋼球杜徑必—3.1.75mm螺紋滾道法向T：悴盤2?=0.52^1.651nmi偏心距乍”=(左—S-2)silljff□0448911U11騾級(jí):升和T/￥-“噸4°33r7=%—〔0衛(wèi)-0.2巧吒19.365I1HU螺桿內(nèi)能憶叭=%+2e-2^I6.788mm娠桿摟觸宜徑琳心=&。一吒c=o$尸1?755inm螺博蝶紋夕卜餐:/?/>=譏一2^23.212111111螺母內(nèi)悴（心卜訕環(huán)了q￡\=%+(0.2?O.2?5)^20.7nun

（2）傳動(dòng)效率計(jì)算絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：'式中：?=10'為摩擦角；Y為絲杠螺旋升角。J(4°33'+J(4°33'+10)=0.96（3）穩(wěn)定性驗(yàn)算絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。（4）剛度驗(yàn)算AZ=+-（cm）滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：Y向所受牽引力大，故用Y向參數(shù)計(jì)算Fy=n52.62\NZT=20.6xl0'(A7n/2)$二□用二3.14呻）'=2340/處土冊(cè)絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差△為小靄譽(yù)6」加0攀乜如敗皿恥冋絲杠允許的螺距誤差[A]=15um/mo第五節(jié)齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)因步進(jìn)電機(jī)步距角‘‘―「滾珠絲杠螺距t=5mm，要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量"山…V'在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)./——.-齒輪傳動(dòng)比：'，初選步進(jìn)電機(jī)步距角：a二1.5/step。3605,360x0.0KfJ=0,48o/1.5x5-亠取小齒輪齒數(shù)Z1=24則大齒輪齒數(shù)2Z=50因傳遞的扭距較小,取模數(shù)m=1mm貝歸分度圓直徑：di=mz1=1X24=24mmd2=mz2=1X50=50mm齒頂圓直徑：

農(nóng)趴=(二]十2)/7/=(24+2)xl=26加胡c7^2=(二2十2)胡=(504-2)x1=52/7//Z/齒根圓直徑：虧=Ci—2.5)梆二(24—2.5)燈二21.5^&吳二(耳一Z5)朋=(50-2.5)xl=47.5mm齒菟：b—(j>^}=1x24=24m77」以4=25^=30中心距：^7=0.5(^+^[)=0.5(24+50)=37^分度圓壓力角:門一大小齒輪均采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪小齒輪采用兩片薄齒輪錯(cuò)齒排列以消除間隙.雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖如下：3737iS1、2“薄齒輪,3—彈覽4、8—凸耳,1調(diào)節(jié)螺饑6、7—?母雙片城輪錯(cuò)齒消僚結(jié)構(gòu)圏第六節(jié)步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有：（1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：〈二人+盯+（玉r〈二人+盯+（玉r（厶+厶）+砍式中：Jq為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；J0為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J1為齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2為齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J3為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;M為移動(dòng)部件的質(zhì)量。對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算:t/-O.78xlO-對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算:t/-O.78xlO-?xZ/xZ式中D為圓柱零件直徑，L為圓柱零件的長(zhǎng)度。所以有：/=0.78X10-3x2.44x2.5=6.47x]2%品J2=O58xlO_ix5.Q4x3,0-146.25xW2X^^Z=0J8xl0-3x2.04>30=37.44幻0巧鯉gh電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有：=6.47x1（r24（―）2（146.254-37.44）x20叫刖一沖0.779^^/——x1.5180第七節(jié)步進(jìn)電機(jī)的選用（1）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(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)載力所做的功有如下的關(guān)系：r（pi]-Ps式中?為電機(jī)轉(zhuǎn)角，s為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移，n為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取?b=0，則s=6p，且?，_A：■l'l;-r：A，1o所以：―36匚[尤+川（&+只）]2◎叭式中：Ps為移動(dòng)部件負(fù)載（N），G為移動(dòng)部件質(zhì)量（N），Pz為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N），卩為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，0b為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。取卩=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），n=0.8,Ps二PH=279.23N。考慮到重力影響，Y向電機(jī)負(fù)載較大，因此G=1200N，所以有：=65,25zzxw36x0,01[1251,81+003x(2(X)0+1800)1=65,25zzxw2x3.14x1.5x0.8考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩:取系數(shù)為0.3,則:對(duì)于工作方式為三相6拍的步進(jìn)電機(jī):了』世￡（2）步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率f1000=1667'[im60巧.60x0.01H-需二了』世￡（2）步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率f1000=1667'[im60巧.60x0.01電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下：型號(hào)相數(shù)電壓m電流股K弊轉(zhuǎn)矩空城運(yùn)\r90BF00140.9803.9220008000■1tilS打1小丿垃毘J(nun)■R轉(zhuǎn)產(chǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣呈Kgin夕卜血餐軸代衽2901439451764第六章數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)第一節(jié)設(shè)計(jì)內(nèi)容1?按照總統(tǒng)方案以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖；?選擇計(jì)算機(jī)或中央處理單元的類型；?根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路；?根據(jù)控制對(duì)象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計(jì)擴(kuò)展I/O接口電路，檢測(cè)電路，轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動(dòng)電路等；?選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號(hào)；6?繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標(biāo)明各器件的型號(hào)，管腳號(hào)及參數(shù)；7?說明書中對(duì)電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行詳細(xì)的原理說明和方案論證。第二節(jié)設(shè)計(jì)步驟1?確定硬件電路的總體方案。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：主控制器。即中央處理單元CPU總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。存儲(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。接口。即I/O輸入輸出接口。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：2.主控制器CPU的選擇MCS-51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。3?存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)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：2716,2732，2764，27128,27258,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。8031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保存，以便為外接存儲(chǔ)器提高低8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2764EPROM芯片的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路框圖如下所示：擴(kuò)展2764電路框圖數(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)展電路如下所示：擴(kuò)展6264電路框圖譯碼電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機(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，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。本設(shè)計(jì)采用全地址譯碼法的電路分別如下圖所示：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，單片機(jī)外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路如下：I/O擴(kuò)展電路設(shè)計(jì).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.鍵盤，顯示器接口電路鍵盤，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)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，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LED和LCD。下圖所示為采用8155接口管理的鍵盤，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，鍵盤的列線及LED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。鍵盤顯示器接口電路如下所示：

4?步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)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：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：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。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1.2?12之間任意選擇，耦合電容在5?30pF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。8031~rXTAL1~r時(shí)鐘電路XTAL2時(shí)鐘電路復(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)10ms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0000H單元開始執(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6MHz時(shí)，復(fù)位電路中C取22UF，R取200Q，RK取1000Q。實(shí)用復(fù)位電路圖如下所示：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關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開關(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P1.0o當(dāng)任何一個(gè)行程開關(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（INTO或INTI）,采用中斷方式檢查越界信號(hào)。越界報(bào)警電路如下圖所示第三節(jié)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)選用MCS-51系列的8031作為主控制器。擴(kuò)展存儲(chǔ)電路為一片2732EPR0M和一片6264RAM。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為4K,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為8K。2732的片選控制端CE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開始執(zhí)行監(jiān)控程序o6264的片選端CE由譯碼器（74LS138）的Y2輸出提供。所以6264的空間地址為4000?5FFFH。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CE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8000H—80FFH。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電隔離。鍵盤與顯示器設(shè)計(jì)在一起,8155的PC口擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制；PB口的PB0—PB3為鍵盤的行線。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PB4—PB7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)PB4—PB7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)。另外，光電隔離器的輸出端必須采用隔離電源。隔離電源選用7805三端集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)。數(shù)控系統(tǒng)總的電氣原理圖以及圖中各元件的參數(shù)和型號(hào)見附（二），附（三）。第七章系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)（一）.系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個(gè)部分：1、系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。2、零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。3、插補(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。4、伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。診斷程序。包括移動(dòng)不見移動(dòng)超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯(cuò)等功能。6、機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工控制程序。7、鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。（二）.軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制功能分析數(shù)控X-Y工作臺(tái)的控制功能包括：（1）、系統(tǒng)初始化。如對(duì)I/O接口8155,8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。、工作臺(tái)復(fù)位。開機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。、輸入和顯示加工程序。、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。、工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。、工作臺(tái)的自動(dòng)控制。、工作臺(tái)的手動(dòng)控制。、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。系統(tǒng)管理程序控制管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計(jì)管理程序時(shí)，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的基本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位控制，工作臺(tái)位置控制，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)管理程序流程圖如下所示：卓目詵二沿」盤自干匕自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位一刀具快速進(jìn)給一加工一退刀一工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置；計(jì)算機(jī)在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工；由以上分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)加工程序框圖如下所示：步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí)，由于負(fù)載和慣性，會(huì)使電機(jī)失步，所以電機(jī)運(yùn)行時(shí)有一個(gè)加，減速過程。通過確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。(1)時(shí)間常數(shù)的確定在步進(jìn)電機(jī)控制程序中，利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷，延時(shí)產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時(shí)間間隔。此間隔由送入定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)決定。時(shí)間常數(shù)由下式計(jì)算：丁T'xlO-3八式中：T為脈沖時(shí)間間隔(ms)；te為單片機(jī)機(jī)器周期(卩s)，在時(shí)鐘為6MHz時(shí)，te=2Uso(2)步進(jìn)電機(jī)加，減速進(jìn)給脈沖及脈沖時(shí)間間隔的確定設(shè)步進(jìn)電機(jī)加，減速方式為直線加，減速。要使步進(jìn)電機(jī)不失步，應(yīng)滿足：「a式中：Tm為步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩；Tg為負(fù)載力矩；TI為慣性力矩。由步進(jìn)電機(jī)Tjmax=3.92N.m，取步進(jìn)電機(jī)的加速啟動(dòng)力矩G二x0-3=392x0.866x0.3=101.84則使步進(jìn)電機(jī)不失不的慣性力矩丁HT,廠耳二101.84-96.57=STlN.cm步進(jìn)電機(jī)角加速度占=三生工27"。亠<67625(/^/7)Jd0.7793xW4卄—=c箜二&Z竺X由由?式中：tm為上升到步進(jìn)電機(jī)最高頻率所需時(shí)間，所以有:1.5x1667x——西E=64.5(^zr)676,25%二丄丄江1667"4?1曠=53.76加速脈沖個(gè)數(shù)：2*廠2確定加減脈沖個(gè)數(shù)都為54個(gè)又因?yàn)椋篫xW3/=結(jié)合?可以算出對(duì)應(yīng)各脈沖時(shí)刻的計(jì)數(shù)器時(shí)間常數(shù)。EPROM存儲(chǔ)器中，時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中，每個(gè)時(shí)間常數(shù)占據(jù)兩個(gè)字節(jié)，低位地址存放時(shí)間常數(shù)低8位，高位地址存放時(shí)間常數(shù)高8位。在程序中，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計(jì)數(shù)器NO,N1,N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程是否結(jié)束的標(biāo)志。步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖如下所示：步進(jìn)電機(jī)控制子程序：步進(jìn)電機(jī)控制中斷服務(wù)程序:1nJ1叫州飄ife11nJ1叫州飄ife1njIKJ卿J11L址桁計(jì)加11fei-1|対□亠卜JO-11關(guān)中氣1中斷無冋編語言程序設(shè)計(jì)(1)內(nèi)存地址分配加速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器NO地址設(shè)為20H；恒速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N1低8位字節(jié)地址為21H,高8位字節(jié)地址位22H；減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N2地址位23H。步。加速，減速，恒速脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)地址位24H,高位字節(jié)地址位25H；步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址位0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給-步。(2)程序清單(2)ISTOHQU20H:Jtni迪NILEQUZ1H:忻述K1H￡QU22HN2EQU23-HNLEQU24H沖也驅(qū)將療器KQLJ2SLJDSHQU26HI地城扌幷刊悼』FEEDCRGEQUOHEOMOEOOHOEOij7^8160STARTsMOVP,-f60HDEO575S9O1M□VTMO匸斗±si：nlHi設(shè)計(jì)S&魁「.作右式為0E0675201BMOVrMO-,rrOlA-4H；設(shè)NO為120□EO9*75231BMOVM2?□EOC?E52OMOXrA?NO■:計(jì)TT2DOJOOEOE丄3RTLJL□EOFFSVEOArRO?AQEIQ*C3CLRC■；計(jì)翼r^l=M-2N0□El1MOVA,*匚0E1398SUBBRO□El4F321tZEOVK1匸,A0E15E525MOVArKHDELSSMODSUBBA.*UCHIe1<5d

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