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單片機(jī)
單片機(jī)即單片微型計(jì)算機(jī)，是把中央處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、輸入輸出接口都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。與應(yīng)用在個(gè)人電腦中的通用型微處理器相比，它更強(qiáng)調(diào)自供應(yīng)（不用外接硬件）和節(jié)約成本。它的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表內(nèi)部，但存儲(chǔ)量小，輸入輸出接口簡(jiǎn)單，功能較低。由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機(jī)的定義已不能滿足，所以在很多應(yīng)用場(chǎng)合被稱為范圍更廣的微控制器，但是目前在中國(guó)大陸仍多沿用“單片機(jī)”的稱呼。
絕大多數(shù)現(xiàn)在的單片機(jī)都是基于馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的，這種結(jié)構(gòu)清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個(gè)基本部分：一個(gè)中央處理器核心，程序存儲(chǔ)器（只讀存儲(chǔ)器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器），一個(gè)或者更多的定時(shí)/計(jì)時(shí)器，還有用來(lái)與外圍設(shè)備以及擴(kuò)展資源進(jìn)行通信的輸入/輸出端口——所有這些都被集成在單個(gè)集成電路芯片上。說單片機(jī)與通用型中央處理單元芯片不同是因?yàn)榍罢咭话愫苋菀着浜献钚⌒偷耐獠恐С中酒瞥晒ぷ饔?jì)算機(jī)。這樣就可以很容易的把單片機(jī)系統(tǒng)植入裝置內(nèi)部來(lái)控制裝置了。近年來(lái)為了在指令和數(shù)據(jù)上使用不同的字寬，并提高處理器流水線速度，哈佛結(jié)構(gòu)在微控制器和DSP也逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的微處理器是不允許這么做的。它要完成單片機(jī)的工作，就必須連接一些其他芯片。比如說，因?yàn)槠蠜]有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，就必須要添加一些RAM的存儲(chǔ)芯片，雖然所添加存儲(chǔ)器的容量很靈活，但是至少還是要添加，另外還需要添加很多連線來(lái)傳遞芯片之間的數(shù)據(jù)。 比如，一個(gè)典型的微控制器只需要一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和很少的RAM和ROM(或者EPROM, E2PROM)就可以在軟件和晶振下工作了。同時(shí)，微控制器具有豐富的輸入輸出設(shè)備，像是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)，定時(shí)器，串口或者其他串行通訊接口(比如I2C，串行外圍接口(SPI),控制器局域網(wǎng))。通常，這些繼承在內(nèi)部的設(shè)備可以通過特殊的指令來(lái)操作。
一些現(xiàn)代的微控制器支持一些內(nèi)建的高級(jí)編程語(yǔ)言，比如BASIC語(yǔ)言。
早期的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)。基于這一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大的提高。隨著INTEL i960系列特別是后來(lái)的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機(jī)主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型
號(hào)出廠價(jià)格跌落至1美元，最高端的型號(hào)也只有10美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。
單片機(jī)比專用處理器最適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過PC機(jī)和其他計(jì)算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。
單片機(jī)學(xué)習(xí)應(yīng)中的五大重要部分：
一、總線：我們知道，一個(gè)電路總是由元器件通過電線連接而成的，在模擬電路中，連線并不成為一個(gè)問題，因?yàn)楦髌骷g一般是串行關(guān)系，各器件之間的連線并不很多，但計(jì)算機(jī)電路卻不一樣，它是以微處理器為核心，各器件都要與微處理器相連，各器件之間的工作必須相互協(xié)調(diào)，所以就需要的連線就很多了，如果仍如同模擬電路一樣，在各微處理器和各器件間單獨(dú)連線，則線的數(shù)量將多得驚人，所以在微處理機(jī)中引入了總線的概念，各個(gè)器件共同享用連線，所有器件的8根數(shù)據(jù)線全部接到8根公用的線上，即相當(dāng)于各個(gè)器件并聯(lián)起來(lái)，但僅這樣還不行，如果有兩個(gè)器件同時(shí)送出數(shù)據(jù)，一個(gè)為0，一個(gè)為1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？這種情況是不允許的，所以要通過控制線進(jìn)行控制，使器件分時(shí)工作，任何時(shí)候只能有一個(gè)器件發(fā)送數(shù)據(jù)（可以有多個(gè)器件同時(shí)接收）。器件的數(shù)據(jù)線也就被稱為數(shù)據(jù)總線，器件所有的控制線被稱為控制總線。在單片機(jī)內(nèi)部或者外部存儲(chǔ)器及其它器件中有存儲(chǔ)單元，這些存儲(chǔ)單元要被分配地址，才能使用，分配地址當(dāng)然也是以電信號(hào)的形式給出的，由于存儲(chǔ)單元比較多，所以，用于地址分配的線也較多，這些線被稱為地址總線。
二、數(shù)據(jù)、地址、指令：之所以將這三者放在一起，是因?yàn)檫@三者的本質(zhì)都是一樣的——數(shù)字，或者說都是一串‘0’和‘1’組成的序列。換言之，地址、指令也都是數(shù)據(jù)。指令：由單片機(jī)芯片的設(shè)計(jì)者規(guī)定的一種數(shù)字，它與我們常用的指令助記符有著嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，不可以由單片機(jī)的開發(fā)者更改。地址：是尋找單片機(jī)內(nèi)部、外部的存儲(chǔ)單元、輸入輸出口的依據(jù)，內(nèi)部單元的地址值已由芯片設(shè)計(jì)者規(guī)定好，不可更改，外部的單元可以由單片機(jī)開發(fā)者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的（詳見程序的執(zhí)行過程）。數(shù)據(jù)：這是由微處理機(jī)處理的對(duì)象，在各種不同的應(yīng)用電路中各不相同，一般而言，被處理的數(shù)據(jù)可能有這么
幾種情況：
1、地址（如MOV DPTR，#1000H），即地址1000H送入DPTR。
2、方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），3即是控制字。
3、常數(shù)（如MOV TH0，#10H）10H即定時(shí)常數(shù)。
4、實(shí)際輸出值（如P1口接彩燈，要燈全亮，則執(zhí)行指令：MOV P1，#0FFH，要燈全暗，則執(zhí)行指令：MOV P1，#00H）這里0FFH和00H都是實(shí)際輸出值。又如用于LED的字形碼，也是實(shí)際輸出的值。
理解了地址、指令的本質(zhì)，就不難理解程序運(yùn)行過程中為什么會(huì)跑飛，會(huì)把數(shù)據(jù)當(dāng)成指令來(lái)執(zhí)行了。
三、P0口、P2口和P3的第二功能用法：初學(xué)時(shí)往往對(duì)P0口、P2口和P3口的第二功能用法迷惑不解，認(rèn)為第二功能和原功能之間要有一個(gè)切換的過程，或者說要有一條指令，事實(shí)上，各端口的第二功能完全是自動(dòng)的，不需要用指令來(lái)轉(zhuǎn)換。如P3.6、P3.7分別是WR、RD信號(hào)，當(dāng)微片理機(jī)外接RAM或有外部I/O口時(shí)，它們被用作第二功能，不能作為通用I/O口使用，只要一微處理機(jī)一執(zhí)行到MOVX指令，就會(huì)有相應(yīng)的信號(hào)從P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令說明。事實(shí)上‘不能作為通用I/O口使用’也并不是‘不能’而是（使用者）‘不會(huì)’將其作為通用I/O口使用。你完全可以在指令中按排一條SETB P3.7的指令，并且當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行到這條指令時(shí)，也會(huì)使P3.7變?yōu)楦唠娖?，但使用者不?huì)這么去做，因?yàn)檫@通常這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。
四、程序的執(zhí)行過程： 單片機(jī)在通電復(fù)位后8051內(nèi)的程序計(jì)數(shù)器（PC）中的值為‘0000’，所以程序總是從‘0000’單元開始執(zhí)行，也就是說：在系統(tǒng)的ROM中一定要存在‘0000’這個(gè)單元，并且在‘0000’單元中存放的一定是一條指令。
五、堆棧：堆棧是一個(gè)區(qū)域，是用來(lái)存放數(shù)據(jù)的，這個(gè)區(qū)域本身沒有任何特殊之處，就是內(nèi)部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用數(shù)據(jù)的方式，即所謂的‘先進(jìn)后出，后進(jìn)先出’，并且堆棧有特殊的數(shù)據(jù)傳輸指令，即‘PUSH’和‘POP’，有一個(gè)特殊的專為其服務(wù)的單元，即堆棧指針SP，每當(dāng)執(zhí)一次PUSH指令時(shí)，SP就（在原值的基礎(chǔ)上）自動(dòng)加1，每當(dāng)執(zhí)行一次POP指令，SP就（在原值的基礎(chǔ)上）自動(dòng)減1。由于SP中的值可以用指令加以改變，所以只要在程序開始階段更改了SP的值，就可以把堆棧設(shè)置在規(guī)定的內(nèi)存單元中，如在程序開始時(shí)，用一條MOV SP，#5FH指令，就時(shí)把堆棧設(shè)置在從內(nèi)存單元60H開始的單元中。一般程序的開頭總有這么一條設(shè)置堆棧指針的指令，因?yàn)殚_機(jī)時(shí)，SP的初始值為07H，這樣就使堆棧從08H單元開始往后，而08H到1FH這個(gè)區(qū)域正是8031的第二、三、四工作寄存器區(qū)，經(jīng)常要被使用，這會(huì)造成數(shù)據(jù)的混亂。不同作者編寫程序時(shí)，初始化堆棧指令也不完全相同，這是作者的習(xí)慣問題。當(dāng)設(shè)置好堆
棧區(qū)后，并不意味著該區(qū)域成為一種專用內(nèi)存，它還是可以象普通內(nèi)存區(qū)域一樣使用，只是一般情況下編程者不會(huì)把它當(dāng)成普通內(nèi)存用。
東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
題 目：基于單片機(jī)控制的X-Y工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
英文題目：Based on single chip microcomputer control of the X-Y workbench mechanical and electrical system design
學(xué)生姓名： 歐陽(yáng)昌馳
學(xué) 號(hào)： 08315114
專 業(yè)： 機(jī)械電子工程
系 別： 機(jī)電工程系
指導(dǎo)教師： 萬(wàn)智輝 職稱 講師
二零一二年六月
東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘要
摘 要
本設(shè)計(jì)主要是基于數(shù)控銑床工作原理，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)給定的工作尺寸設(shè)計(jì)一臺(tái)比較簡(jiǎn)單的X-Y數(shù)控銑床工作臺(tái)。
首先，確定總體設(shè)計(jì)方案：其中主要對(duì)導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置的選用及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行初步分析，再繪制總體方案圖。
其次，進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選擇：主要進(jìn)行導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算，銑削力的計(jì)算，直線滾動(dòng)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，步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型。本部分作為此設(shè)計(jì)重點(diǎn)，進(jìn)行了大量的分析、計(jì)算及驗(yàn)算，最后得到滿足任務(wù)規(guī)定尺寸的工作要求。
接著，對(duì)X-Y工作臺(tái)的控制系統(tǒng)進(jìn)行選擇。本設(shè)計(jì)主要選用8051單片機(jī)進(jìn)行控制,并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的匯編編程。
最后，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此處主要通過進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì),并繪制控制系統(tǒng)原理框圖；然后分析選用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。
關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床； 控制系統(tǒng)； 總體設(shè)計(jì)
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東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) Abstract
Abstract
This design is based on the CNC milling machine works, according to the design task given the size of the work to design a relatively simple economic XY CNC milling machine table.
First, determine the overall design: including a preliminary analysis of the Guide way,screwnut, deceleration device selection and control system design, and then draw ageneral scheme in Figure.
Secondly, the calculation and selection of mechanical drive components: the weight of moving parts in the rail estimates, the calculation of the milling force, linear rolling the Guide way the calculation and selection of, the calculation and selection of the ball screwnut, step into the motor to the gearbox selection, calculation and selection of the stepper motor. This section as the design focus a great deal of analysis, calculation and checking , and finally get to meet the mandate of the size of the job requirements.
Then, the control system of the XY table to choose. The design of the main selection of the 8051 microcontroller to control, and simple assembly programming.
Finally, the control system design. Here mainly through into the transmission system to the hardware circuit design, and draw the control system block diagram; then analyzed and chosen stepper motor drive power.
Key words：CNC milling machine； control system； overall design
東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 目錄
目 錄
緒 論 1
1. 設(shè)計(jì)任務(wù) 3
1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 3
2.整體方案的確定 4
2.1 系統(tǒng)總體框圖 4
2.2 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式和伺服系統(tǒng) 4
2.3 機(jī)械部件的計(jì)算及選擇 4
2.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇 4
3. 機(jī)械設(shè)計(jì)部分 5
3.1 工作臺(tái)重量初步估算 5
3.2 銑削力的計(jì)算 5
3.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算和選擇 6
3.4滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選擇 7
3.4.1 最大工作載荷Fmax 7
3.4.2 最大動(dòng)載荷FQ 7
3.4.3 滾珠絲桿副的型號(hào)選擇及傳動(dòng)效率 8
3.4.4 滾珠絲桿的剛度驗(yàn)算 8
3.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算及型號(hào)選擇 9
3.5.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 9
3.5.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選擇 9
3.5.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tep1 10
3.5.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 12
3.5.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 12
3.5.7電動(dòng)機(jī)特性分析及細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制 13
3.5.8步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源選用 14
4. 控制系統(tǒng)的硬件選擇 15
4.1數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成 15
4.2主控制器CPU的選擇 16
4.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 17
4.3.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 17
4.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 17
4.3.3 I/O擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 17
5. 數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 18
6. 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 19
6.1系統(tǒng)控制功能分析 19
6.2系統(tǒng)管理程序控制 19
6.3自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì) 20
6.4步進(jìn)電機(jī)子程序控制設(shè)計(jì) 21
6.5內(nèi)存地址分配 24
結(jié) 論 25
致 謝 26
參考文獻(xiàn) 27
東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 緒論
緒 論
1. 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)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,它對(duì)國(guó)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(lái)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(shì)來(lái)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(shì)
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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。從 EMO2001 展會(huì)情況來(lái)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(guó)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(lái),普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10提高到5,精密級(jí)加工中心則從3～5,提高到1～1.5并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)0.1。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) 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(shì)
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: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(lái)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(duì)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)功能庫(kù)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(guó)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(duì)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(shì)。
2. 選題的意義
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的滲透，促進(jìn)了工程領(lǐng)域的技術(shù)改革。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展并被機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用從而形成了機(jī)電一體化，使得機(jī)械工業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)管理體系發(fā)生了巨大的變化，也使得工業(yè)生產(chǎn)從“機(jī)械電氣化”邁進(jìn)了“機(jī)電一體化”的發(fā)展階段。
X-Y數(shù)控工作臺(tái)是很多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，比如數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)。X-Y數(shù)控工作臺(tái)通常是由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、滾珠絲桿螺母副及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。伺服電動(dòng)機(jī)主要是用于驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，滾珠絲桿螺母驅(qū)動(dòng)滑塊和工作臺(tái)在指定的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，從而完成工作臺(tái)在XY兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)。
現(xiàn)在大部分使用的數(shù)控銑床都是集機(jī)械制造、自動(dòng)控制、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。
3. 選題的目的
X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度、降低成本,是單片機(jī)控制技術(shù)的最簡(jiǎn)單的應(yīng)用。它充分的利用了單片機(jī)的軟件硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制，使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大,精度和可靠性進(jìn)一步得到提高。
因此通過此次設(shè)計(jì)，能使我更全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本組成及其相關(guān)知識(shí)，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。同時(shí)通過對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理，設(shè)計(jì)計(jì)算及選用的方式，常用伺服電機(jī)的工作原理、計(jì)算控制方法與控制驅(qū)動(dòng)方式。
不僅能鞏固專業(yè)上的知識(shí)，還能使我的獨(dú)立分析問題和解決問題的能力得到鍛煉，學(xué)習(xí)并樹立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想，提高我對(duì)查閱文獻(xiàn)資料及撰寫科技論文的能力。
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東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù)
1. 設(shè)計(jì)任務(wù)
1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目
設(shè)計(jì)一套供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：加工材料選擇碳素鋼；立銑刀最大的直徑為d=10mm，齒數(shù)為Z=3，最大銑削寬度=10mm，最大的背吃刀量=8mm；X、Y方向的定位精度為±0.01mm；工作臺(tái)面尺寸為200mm×180mm，加工范圍為230mm×210mm；工作臺(tái)空載時(shí)進(jìn)給的最快移動(dòng)速度為，最大負(fù)載時(shí)進(jìn)給的最快移動(dòng)速度，加減速時(shí)間為0.4s。
東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 整體方案的確定
2. 整體方案的確定
數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：系統(tǒng)總體方案框圖、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出系統(tǒng)的總體方案并對(duì)方案進(jìn)行分析、比較、論證。
2.1 系統(tǒng)總體框圖
圖2-1 系統(tǒng)總體框圖
2.2 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式和伺服系統(tǒng)
因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)是裝配到數(shù)控銑床上，它的控制系統(tǒng)應(yīng)該具有的功能有：?jiǎn)巫鴺?biāo)定位、兩坐標(biāo)直線查補(bǔ)和圓弧查補(bǔ)，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該采用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到加工精度的要求不高，故采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.3 機(jī)械部件的計(jì)算及選擇
1.確定脈沖當(dāng)量；導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算；
2.傳動(dòng)零件的計(jì)算和選擇，其中包括導(dǎo)軌副、絲杠螺母副等一些傳動(dòng)零件；
3.伺服電機(jī)的計(jì)算和選擇；
4.減速裝置的計(jì)算和選擇。
2.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇
X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是用8051單片機(jī),及2764、6264存儲(chǔ)器及8155芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定程序就可以實(shí)現(xiàn)一定的加工功能。主要思想是:通過圓弧或者直線插補(bǔ)程序以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行幾何加工,每進(jìn)行一段加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn),同時(shí)通過8155將相應(yīng)的加工進(jìn)刀信息送至刀架庫(kù)中以實(shí)現(xiàn)以之相應(yīng)走刀,電機(jī)和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所以實(shí)現(xiàn)了刀具對(duì)工件的加工。
東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 機(jī)械設(shè)計(jì)部分
3. 機(jī)械設(shè)計(jì)部分
機(jī)械設(shè)計(jì)部分：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量、工作臺(tái)外形尺寸及重量估算、滾動(dòng)導(dǎo)軌副和滾珠絲的計(jì)算及選擇、齒輪計(jì)算和設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)計(jì)算和選擇。
3.1 工作臺(tái)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
設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖如圖3-1所示：
圖3-1 工作臺(tái)簡(jiǎn)圖
工作臺(tái)導(dǎo)軌上面的移動(dòng)部件包括：工件、工作平臺(tái)、夾具、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲桿副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等等一些部件，估算重量約為619.5N。
3.2 銑削力的計(jì)算
因?yàn)榱⑹綌?shù)控銑床的加工方式是立式銑削，采用材料成分為碳鋼的硬質(zhì)合金立銑刀。經(jīng)查表可知計(jì)算銑削力的公式為：
考慮到有不對(duì)稱銑削：
最大銑削寬度=10mm；每齒進(jìn)給量=0.1mm；銑刀直徑=10mm；背吃刀量為8mm；銑刀轉(zhuǎn)速=300r/min；齒數(shù)Z=3；
代入公式可得最大銑削力：
o
=≈1394N
銑削條件
比值
不對(duì)稱銑削
逆銑
順銑
圓柱銑削
1.0-1.20
0.8-0.90
0.2-0.3
0.75-0.80
0.35-0.40
0.35-0.40
表3-1 銑削力的比值
經(jīng)查表3-1可知：在逆銑的情況下，三個(gè)方向的銑削力分別為：
,，
在立銑的情況下，工作臺(tái)在垂直方向受到的銑削力為==530N,在水平方向收到的銑削力有兩個(gè)，分別是和。然后將水平方向那個(gè)大的銑削力分配到工作臺(tái)的絲桿軸線方向，那么可知：
縱向銑削力：
徑向銑削力：
3.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算和選擇
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的使用壽命主要是受工作載荷的影響。本次設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)采用的是雙導(dǎo)軌和四個(gè)滑塊進(jìn)行支撐。這里只需考慮極限情況下，即垂直臺(tái)面的工作載荷全部作用在一個(gè)滑塊上，那么該滑塊所承受的最大垂直方向載荷力為：
根據(jù)查表后，我選擇KL系列的JSA-LG20型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，額定動(dòng)載荷為，額定靜載荷。
已知工作臺(tái)面尺寸為200×180mm,加工范圍為230×210mm，按標(biāo)準(zhǔn)系列選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為580mm，因?yàn)檫@里需要考慮到部件運(yùn)行的行程要有一定的余量。
通過查表得知KL系列的JSA-LG20型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度應(yīng)小于100℃，每根導(dǎo)軌上裝有兩塊滑塊，精度是4級(jí)。通過查表我選取硬度系數(shù)、溫度系數(shù)、接觸系數(shù)、精度系數(shù)、載荷系數(shù)。
通過距離額定壽命計(jì)算公式可得出：
遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于期望的距離額定壽命，那么改導(dǎo)軌副的選擇合理。
3.4滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選擇
3.4.1 最大工作載荷Fmax
在銑床進(jìn)行立銑的時(shí)候，工作臺(tái)所受絲杠軸線方向的載荷，所受縱向的載荷，所受垂直方向的載荷，已算出工件總重量為619.5N。
通過查表可知： 矩形導(dǎo)軌的顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1；
滾動(dòng)導(dǎo)軌的滑動(dòng)摩擦因數(shù)=0.005。
因此通過最大工作載荷計(jì)算公式可算出：
3.4.2 最大動(dòng)載荷FQ
當(dāng)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最高移動(dòng)速度時(shí)，選取絲杠的導(dǎo)程，那么可以算出絲杠轉(zhuǎn)速。
因?yàn)橐话銛?shù)控機(jī)床的及一般機(jī)電設(shè)備的使用壽命約為15000h，所以這里我也取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入滾珠絲杠副的壽命計(jì)算公式得：
（）；
根據(jù)查表以及結(jié)合銑床在實(shí)際加工時(shí)的情況，這里我選取載荷系數(shù)，滾道的硬度為60HRC，硬度系數(shù)，
代入最大動(dòng)載荷公式可得：
3.4.3 滾珠絲桿副的型號(hào)選擇及傳動(dòng)效率
根據(jù)已初步選取的導(dǎo)程和計(jì)算出的最大動(dòng)載荷，再經(jīng)過查表之后，我選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)制造的G系列3205—3型滾珠絲杠副，它的公稱直徑為=32mm，導(dǎo)程為=5mm，循環(huán)滾珠為3圈×2列，額定動(dòng)載荷為10678N，大于計(jì)算的最大動(dòng)載荷，所以該滾珠絲杠副能滿足要求。
再根據(jù)該滾珠絲桿副的參數(shù)代入傳動(dòng)效率公式，可以算出：
又因?yàn)椋耗Σ两?
所以傳動(dòng)效率為：
3.4.4 滾珠絲桿的剛度驗(yàn)算
本次設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)的工作方式有兩種，上層為Y向運(yùn)動(dòng)，下層為X向運(yùn)動(dòng)，都是使用滾珠絲桿副進(jìn)行支承，絲杠兩端都使用兩個(gè)推力角接觸球軸承。左右支承的中心距離約，鋼的彈性模量是E=2.1×MPa。又通過查表可知，G系列3205-3系列的滾珠絲杠副的滾珠直徑為=3.175mm，絲杠底徑為=28.2mm，那么可求得：
（1）絲杠截面積：
（2）絲杠在工作載荷作用下的拉/壓變形量：
（3）單圈滾珠數(shù)：
因此可知該絲杠是單螺母的，又查表得知，循環(huán)滾珠是3圈×2列；
（4）代入滾珠總數(shù)量公式：=Z×圈數(shù)×列數(shù)=192
（5）絲杠預(yù)緊時(shí)的軸向預(yù)緊力：
（6）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量：
因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力作用，所以實(shí)際變形量約為理論數(shù)據(jù)的一半，所以實(shí)際變形量；
（7）580mm跨度的絲杠總變形量：
經(jīng)查表可知：4級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在580mm時(shí)的行程偏差允許值為15，遠(yuǎn)大于所求的絲杠總變形量，滿足使用；
（8）因?yàn)閄-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲桿副采用的支承都是采用單推-單推的方式，所以查表可知支承系數(shù)，代入截面慣性矩公式：
絲杠臥式水平安裝的壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K=3，同時(shí)滾動(dòng)螺母至軸向固定出的最大距離=580mm，代入滾珠絲杠穩(wěn)定性驗(yàn)算公式：
遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作載荷=1695N，所以該絲桿穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)狀況。
因此本設(shè)計(jì)選用濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列3205-3型滾珠絲桿副可行。
3.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算及型號(hào)選擇
3.5.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也叫脈沖電動(dòng)機(jī)，，它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出的角位移與輸入的脈沖個(gè)數(shù)成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步。所以只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序，就可以得到想要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在無(wú)脈沖的輸入的情況下，在繞組電流的激勵(lì)下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以鎖相。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低廉。它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)塊、起停容易，正反轉(zhuǎn)和無(wú)級(jí)變速也容易實(shí)現(xiàn)。它的缺點(diǎn)主要有：低頻時(shí)有振蕩、速度不夠均勻、在高速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩減小。
3.5.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選擇
在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上裝配一個(gè)齒輪減速箱，不僅可以有效的增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，而且也能讓工作臺(tái)和滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量傳遞到電動(dòng)機(jī)軸上盡量的小些。同時(shí)考慮到應(yīng)該有消除間隙機(jī)構(gòu)，所以應(yīng)該采用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。
根據(jù)給定的參數(shù)可知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量，滾珠絲桿的導(dǎo)程，再經(jīng)過查表先預(yù)選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角。
可求得減速比為：
經(jīng)查表之后我選JBF—3型齒輪減速箱。大小齒輪的模數(shù)都是1mm，齒數(shù)比是，材料選45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后能有55HRC。減速箱中心距為[（75+36）1/2]mm=55.5mm,小齒輪厚度為15mm，雙片大齒輪厚度均為15mm。
3.5.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jep的計(jì)算
加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)55動(dòng)慣量是伺服系統(tǒng)的主要參數(shù)之一，它對(duì)電動(dòng)機(jī)的選擇有重要的意義。的主要參數(shù)包括：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減速裝置和滾珠絲杠以及移動(dòng)部件等這算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性等。
根據(jù)前面給定和選取的參數(shù)有：滾珠絲桿的總長(zhǎng)=580mm，公稱直徑=32mm，導(dǎo)程=5mm，材料密度，移動(dòng)部件的總重力G=619.5N，小齒輪寬度取15mm，直徑36mm；大齒輪寬度也取15mm，直徑=75mm；傳動(dòng)比是25/12。根據(jù)這些參數(shù)可算出：
滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
拖板這算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
再選擇常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)的型號(hào)為110BC380F的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相六拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步矩角為，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為。
因此可求的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是：
3.5.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tep1
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在不同的工況下是不一樣的。一般情況下只考慮兩種情況：一種是快速空載啟動(dòng)（負(fù)載為0），另一種是承受最大的工作負(fù)載。
（1）空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=
其中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：
式中：為傳動(dòng)鏈的總效率，因?yàn)樵诓竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)需要考慮的存在，這里取0.7；為對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)素的的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，單位是r/min；為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間，單位是s；為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角，數(shù)值選取。
移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)這算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：
式中：為導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，其中滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)為0.005；為垂直方向的銑削力，當(dāng)工作臺(tái)空載運(yùn)行時(shí)為0。
因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)轉(zhuǎn)軸所承受負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：
（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸在最大工作負(fù)載狀態(tài)時(shí)承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
其中：；
；
相對(duì)于和來(lái)說很小，可以忽略不計(jì)。
則：
（3）確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩
結(jié)合和可知加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸最大的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是：
3.5.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
在選取步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的時(shí)候，要考慮安全系數(shù)K的選擇，這里我選擇K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩：，而通過查表3-1可知選取的110BC380F型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為，遠(yuǎn)大于計(jì)算得出的最大靜轉(zhuǎn)矩，因此該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)滿足工作要求。
型號(hào)
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)
110BC380F
相數(shù)
步距角
電壓
電流
最大靜轉(zhuǎn)矩
空載起動(dòng)頻率
空載運(yùn)行頻率
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
3
0.75/ 1.5
80~300V
6A
11.76N.m
1200Hz
12000Hz
9
表3-1 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表
3.5.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核
（1)最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核：
參數(shù)給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度=500mm/min，脈沖當(dāng)量脈沖，可以得出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從110BC380F電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩6.6Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.840Nm，滿足要求。
（2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核：
參數(shù)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度=2500mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率。在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=2.4Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.440Nm，滿足要求。
（3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核：
與快速空載移動(dòng)速度=2500mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為。查表知110BC380F電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)10000，可見沒有超出上限。
（4）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，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)的空載起動(dòng)頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為：
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)頻率都必須小于。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100。
綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選用110BC380F步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。
3.5.7電動(dòng)機(jī)特性分析及細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制
步進(jìn)電機(jī)的控制方式是通過脈沖分配器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其主要作用是將數(shù)控裝置傳送的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序傳輸給步進(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)中通常都使用軟件脈沖分配器和集成脈沖分配器。結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況決定采用集成脈沖分配器YB013。
因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)采用的工作方式是三相六拍（三個(gè)線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AC-C-CB-B-BA-A。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，不但要取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器的好壞，也取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的自身性能。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)來(lái)自控制器的脈沖信號(hào)時(shí)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步矩角，它的旋轉(zhuǎn)是通過固定的步矩角一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)運(yùn)行的。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接通直流或交流電源工作，必須使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。脈沖信號(hào)發(fā)生器可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，這樣可以進(jìn)行準(zhǔn)確定位；同時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度和加速度可以通過控制脈沖頻率來(lái)控制可，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
3.5.8步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源選用
本設(shè)計(jì)中X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為110BC380F型，工作方式為三相六拍，與其相匹配的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb型，輸入電壓為220VAC，相電流為6A。
東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的硬件選擇
4. 控制系統(tǒng)的硬件選擇
4.1數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成
1、主控制器：即中央處理單元CPU。
2、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)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
4、I/O輸入輸出接口。
數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如圖4-1所示：
存儲(chǔ)器RAM
ROM
中央處理單元CPU
外設(shè)：
鍵盤，顯示器，打印機(jī)，磁盤機(jī)，通訊接口等
輸入/輸出
I/O接口
信號(hào)變換
控制對(duì)象
圖4-1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖
4.2主控制器CPU的選擇
MCS-51系列單片機(jī)是集中CPU，它有如下特點(diǎn)：
1.可靠性高
因?yàn)樾酒前垂I(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，故抗干擾的能力優(yōu)于PC機(jī)。系統(tǒng)軟件(如：程序指令，常數(shù)，表格)固化在ROM中，不易受病毒破壞。許多信號(hào)的通道均在一個(gè)芯片內(nèi)，故運(yùn)作時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
2.控制功能強(qiáng)
具有豐富的控制指令，如：條件分支轉(zhuǎn)移指令，I/O口的邏輯操作指令，位處理指令。
3.便于擴(kuò)展
片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件，片外有很多供擴(kuò)展用的(總線，并行和串行的輸入/輸出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。
4.實(shí)用性好
體積小，功耗低，價(jià)格便宜，易于產(chǎn)品化。
綜合考慮之后，我選用8051芯片作為主控芯片。
4.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
4.3.1 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：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為2k，4k，8k，16k，32k。在選擇芯片時(shí)要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。8051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。
于8051芯片的P0口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線的，故8051擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是74LS373。
4.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
由于8051芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)供用戶使用，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有6116、6264、62128等，這里選用6264。
4.3.3 I/O擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
8051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為多功能的可編程接口芯片，內(nèi)部包含有256字節(jié)RAM，兩個(gè)可編程8位并行口、一個(gè)6位并行口和一個(gè)14位的計(jì)數(shù)器。8155是8051單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最適用的外圍器件。數(shù)據(jù)存貯器是256x8位靜態(tài)RAM。I/O由三個(gè)通用口組成，其中的6位口可編程為狀態(tài)控制信號(hào)?？删幊痰?4位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器用于給單片機(jī)系統(tǒng)提供方波或計(jì)數(shù)脈沖。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。
東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
5. 數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)使用的控制器是以MCS-51系列8051單片機(jī)為主。擴(kuò)展存儲(chǔ)器電路選1片2732EPROM和1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的片選控制直接接地，在系統(tǒng)復(fù)位后，CPU從0000H開始執(zhí)行監(jiān)控程序，6264的片選端將由74LS138譯碼器的Y2輸出提供，所以6264的空間地址為4000H~ 5FFFH，系統(tǒng)的擴(kuò)展借口I/O電路選用通用的可編程并行輸入/輸出借口芯片8155。8155的片選端接到74LS138譯碼器的Y4輸出端。所以8155控制命令寄存器及PA口、PB口、PC口的地址信號(hào)分別是8000H、8001H、8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H~80FFH。
8155的A口為控制工作臺(tái)X、Y向電機(jī)的接口。本系統(tǒng)X、Y方向的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都用110BC380F型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，軟件環(huán)形分配器控制，高低壓驅(qū)動(dòng)電路。為了防止功率放大器高電壓的干擾，步進(jìn)電機(jī)借口與功率放大器之間采用光電隔離。
鍵盤與顯示控制電路設(shè)計(jì)在一起，8155的PC口（PC0~ 5）擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制（字位線）；PB口的PB0~ PB3為鍵盤的行線；8051的P1口為顯示器的字形輸出口（數(shù)據(jù)緩沖）。本系統(tǒng)采用4×6共24個(gè)行列式鍵盤和六位八段共陰極LED顯示器。為了增加數(shù)碼管顯示亮度，分別在字形口與字位口加74LS07進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
PB口剩余的I/O線PB4~ PB7分別為工作臺(tái)+X、－X、+Y、－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)限時(shí)巡回檢測(cè)PB4~PB7的電平，當(dāng)某I/O口線為“0”電平時(shí)，應(yīng)立即停止X、Y向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
此外，廣電隔離器的輸出端必須采用隔離電源。隔離電源選用的是7805三端集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)。
東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)
6. 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)
6.1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：對(duì)I/O接口8155，8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)先設(shè)置接口工作方式控制字。
（2）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。
（3）輸入和顯示加工程序。
（4）監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)：例如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵和行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。
（5）工作臺(tái)的超程顯示和處理：工作臺(tái)位移超過規(guī)定值時(shí)應(yīng)該馬上停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并立刻顯示相應(yīng)的指示字符。
6.2系統(tǒng)管理程序控制
管理程序是系統(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)管理程序流程圖如圖6-1所示：
加工程序輸入鍵按下
機(jī)床復(fù)位
開始
系統(tǒng)初始化
自動(dòng)加工鍵按下
手動(dòng)加工鍵按下
加工數(shù)據(jù)輸入
自動(dòng)加工
手動(dòng)調(diào)整
N
N
N
Y
Y
Y
圖6-1 管理程序流程圖
6.3自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)
（1）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→刀具快速進(jìn)給→加工→退刀→工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置；
（2）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；
（3）由以上分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)加工程序框圖如圖6-2所示：
入口
零件坐標(biāo)地址指針
讀零件坐標(biāo)
調(diào)步進(jìn)電機(jī)子程序
工作臺(tái)移動(dòng)到位
刀具快進(jìn)
加工
快速退刀
零件坐標(biāo)地址指針加一
零件加工完成
N
Y
返回
圖6-2 自動(dòng)程序加工框圖
6.4步進(jìn)電機(jī)子程序控制設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)控制主要包括速度、轉(zhuǎn)角和方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或者停止的時(shí)候，因?yàn)樨?fù)載及慣性會(huì)使得電機(jī)失步，所以在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候應(yīng)該要有一個(gè)加減速的過程。
在通過確定步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)角的控制。以下是控制系統(tǒng)的時(shí)間常表6-1。
脈沖
時(shí)間間隔/ms
時(shí)間常數(shù)
脈沖
時(shí)間間隔/ms
時(shí)間常數(shù)
6.224
6.244
0C32H
24.184
0.820
019AH
8.832
2.587
050DH
24.977
0.793
018CH
10.816
1.985
03E0H
25.746
0.469
0180H
12.489
1.673
0344H
26.493
0.746
0175H
13.963
1.474
02E1H
27.219
0.726
016AH
15.296
1.333
029AH
27.926
0.707
0161H
16.521
1.226
0264H
28.615
0.690
0158H
17.662
1.414
023AH
29.289
0.673
0150H
17.773
1.071
0217H
29.947
0.658
0149H
19.746
1.013
01FAH
30.591
0.644
0142H
20.710
1.964
01E1H
31.222
0.931
013BH
21.631
0.921
01CCH
31.840
0.618
0135H
22.514
0.883
01B9H
32.447
0.607
012FH
23.364
0.850
01A3H
表6-1 控制系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)表
在EPROM中，時(shí)間常數(shù)依次存儲(chǔ)在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中。每個(gè)時(shí)間常熟占用兩個(gè)字節(jié)，地位存放的時(shí)間常數(shù)的低8位，高位存放的時(shí)間常數(shù)的高8位。
在程序中，設(shè)置加速、恒速和減速脈沖計(jì)數(shù)器。用計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程的結(jié)束標(biāo)志。步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖見圖6-3：
開 始
送時(shí)間常數(shù)
步進(jìn)電機(jī)走一步
時(shí)間常數(shù)地址指針+1
時(shí)間常數(shù)地址指針+1
關(guān)中斷
返回
圖6-3
6.5內(nèi)存地址分配
加速脈沖計(jì)數(shù)器的地址為20H。
恒速脈沖計(jì)數(shù)器低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址為22H
減速脈沖計(jì)數(shù)器地址為23H，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制程序FEED的首地址為0E80H。
東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 結(jié)論
結(jié) 論
X-Y數(shù)控工作臺(tái)的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合了機(jī)械設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)，需要對(duì)大學(xué)里所學(xué)的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行一個(gè)綜合的應(yīng)用。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我又重新鞏固了以前學(xué)習(xí)的知識(shí)，主要包括了機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、數(shù)控技術(shù)及裝備和機(jī)電一體化等課程，同時(shí)也鍛煉了理論在實(shí)際中的運(yùn)用和解決實(shí)際問題的能力。
這次設(shè)計(jì)我的思路大概是這樣的：先確定總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行初步規(guī)劃，其中主要是對(duì)工作臺(tái)需要用的的一些主要零件進(jìn)行選擇和分析，并繪制總體方案圖；然后就是對(duì)機(jī)械傳動(dòng)需要用的零件進(jìn)行初步選型和驗(yàn)算，其中包括導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置等等一些零件，這是這次設(shè)計(jì)最為重要的一步，需要進(jìn)行大量的驗(yàn)算和分析，所以必須非常的嚴(yán)謹(jǐn)；最后是對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)，并繪制電路原理圖。
在這次設(shè)計(jì)的過程中遇到了很多的問題，比如在對(duì)滾珠絲桿螺母副和電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選擇時(shí)，一開始初選的滾珠絲桿螺母副和電動(dòng)機(jī)的型號(hào)往往在驗(yàn)算過程中被檢驗(yàn)出達(dá)不到要求，使得自己不得不一次又一次的重新選擇型號(hào)，又再進(jìn)行驗(yàn)算，總算最后在老師的細(xì)心指導(dǎo)下得到了滿意的結(jié)果。
東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 致謝
致 謝
這次設(shè)計(jì)能夠順利完成首先要感謝萬(wàn)老師的不斷指導(dǎo)，由于自己對(duì)控制系統(tǒng)這方面也不太熟悉，剛開始都不知何處下手，萬(wàn)老師給了我們很多啟發(fā)。在做的過程中又遇到了許多困難，但萬(wàn)老師總是不厭其煩的講給我們聽，給我們一步一步的分析，使我們了解到了一些考慮欠缺的地方，能夠不斷完善。萬(wàn)老師還定期給我們察看，使我們可以順利跨入下個(gè)階段。在這里再次感謝萬(wàn)老師的幫助，正是在萬(wàn)老師的指導(dǎo)和改正，才使我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利的完成。
東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn)
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