X-Y工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)【X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)】,X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì),X-Y工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)【X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)】,工作臺(tái),機(jī)電,電機(jī),系統(tǒng),設(shè)計(jì),數(shù)控 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) 機(jī)制1204班 學(xué)生：敖奕男 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： X-Y工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容： 本設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)小型立式銑床的X方向和Y方向的運(yùn)動(dòng)，滿足X、Y方向插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的要求。主要技術(shù)數(shù)據(jù)為：立銑刀最大直徑d=10mm；立銑刀齒數(shù)Z=3；最大銑削寬度ae=10mm；最大背吃刀量ap=5mm；加工材料為碳鋼或有色金屬；X、Y方向的脈沖當(dāng)量δx=δy=0.001mm/脈沖；X、Y方向的定位精度均為±0.015mm；加工范圍180mm×300mm；工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度6000mm/min；工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度800mm/min。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)題部分： （1）小型立式銑床X-Y的工作臺(tái)功能和控制要求分析。 （2）切削功率和切削力的分析與計(jì)算。 （3）系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，滾珠絲杠選型，支撐導(dǎo)軌選型。 （4）定位精度驗(yàn)算，選擇伺服電機(jī)的型號(hào)；進(jìn)行電機(jī)與負(fù)載的慣量匹配計(jì)算。 （5）控制系統(tǒng)選型；提出保證運(yùn)動(dòng)精度的措施。 起止時(shí)間：2016.2.29~2016.6.17 指導(dǎo)教師： 王志成 簽字 2015年12月4日 本科畢業(yè)論文 題 目： X-Y工作臺(tái) 院 系： 機(jī)械系 專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 論文提交日期： 論文答辯日期： 摘 要 當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。新一代的CNC系統(tǒng)這類(lèi)典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。立式銑床與臥式銑床相比較，主要區(qū)別是主軸垂直布置，除了主軸布置不同以外，工作臺(tái)可以上下升降， 立式銑床用的銑刀相對(duì)靈活一些，適用范圍較廣?？墒褂昧姷?、機(jī)夾刀盤(pán)、鉆頭等。機(jī)床設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)原理，操作方便;操作面板均使用形象化符號(hào)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單直觀?！? 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。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。 關(guān)鍵詞：X—Y工作臺(tái)，伺服電機(jī)，機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 Abstract The rapid development of electronic technology in today's world, a microprocessor, microcomputer technology in various fields has been widely used in various fields for the development of technology has played a great role in promoting. A new generation of CNC systems such typical mechatronics products are moving towards a high-performance, intelligent, systematic and lightweight, miniaturization direction. Vertical milling and horizontal milling machine compared to the major difference is that the vertical spindle arrangement, except for the different arrangement of the spindle, the table can be up and down, vertical milling cutter with relatively flexible, wider scope. You can use mills, floating cutter, drill and so on. Ergonomic machine design, easy to operate; use the operator panel Symbols design, simple and intuitive. ???Technology and modernization of the equipment industry determines the level and degree of modernization of the entire national economy, numerical control technology and equipment is the development of new high-tech industry and cutting-edge technology and industry enabling the most basic equipment, is nowadays advanced manufacturing technology and equipment core technology. CNC technology is a mechanical movement with digital information and work process control technology, CNC numerical control equipment is new technology, mechatronics technology represents for traditional manufacturing industries and emerging manufacturing Penetration of its technology coverage many areas. X-Y table drive way to guarantee a certain transmission accuracy and stability and a compact structure, the use of the ball screw nut transmission pair. To improve the transmission stiffness and eliminate the gap, there is the use of pre-load structure. Due to the weight of the moving parts of the table and the work load is not big, so the selection of linear guides, thereby reducing the coefficient of friction of the table to improve the movement smooth. Keywords: X-Y table, servo motors, machine tool design systems. 目 錄 前言 1 第一章 總體方案設(shè)計(jì) 2 1.1 總體方案確定 4 第二章 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 5 2.2機(jī)電系統(tǒng)總體方案的確定 5 第三章 繪制裝配圖 15 第四章 電氣原理圖設(shè)計(jì) 15 4.1典型數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖 15 4.2單片機(jī)的選擇 15 4.3外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 16 4.4外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 16 4.5 I/O口擴(kuò)展電路 16 4.6 顯示器接口設(shè)計(jì) 17 4.7 鍵盤(pán)接口電路設(shè)計(jì) 17 5.8 步進(jìn)電機(jī)的接口電路設(shè)計(jì) 17 第五章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 5.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 18 5.2 CPU接口設(shè)計(jì) 19 5.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 20 第六章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 22 6.1 總體方案 22 6.2主流程圖 23 6.3 X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖 24 第七章 結(jié)論 27 參考文獻(xiàn) 28 致 謝 29 前言 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械加工技術(shù)發(fā)生了深刻的變化，一方面是向著提高產(chǎn)品加工的生產(chǎn)效率為主的高度自動(dòng)化方向發(fā)展，另一方面則是向著以提高產(chǎn)品質(zhì)量為主的精密化方向發(fā)展?，F(xiàn)代機(jī)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜 ,融機(jī)、 電、 光、 液等技術(shù)于一體功能也越來(lái)越復(fù)雜和完善。在這種情況下如何提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量成為機(jī)械制造行業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題之一。而工作臺(tái)是實(shí)現(xiàn)高精密加工的核心部件，它的傳動(dòng)部件的定位精度直接影響系統(tǒng)的加工精度。如何有效地提高機(jī)床的定位精度是現(xiàn)在當(dāng)前研究的一項(xiàng)重要課題。 X - Y工作臺(tái)是實(shí)現(xiàn)平面X 、Y坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的典型關(guān)鍵部件，能分別沿 X向和Y向移動(dòng)的工作臺(tái)稱(chēng)為X -Y工作臺(tái)。其工作原理是 X、Y向均采用伺服電機(jī)通過(guò)齒輪減速和絲桿傳動(dòng)后，帶動(dòng)工作臺(tái)做X - Y向的運(yùn)動(dòng)。如圖右圖1所示，工作臺(tái)由兩個(gè)互相獨(dú)立的、互為垂直的導(dǎo)向?qū)к?、傳?dòng)系統(tǒng)及工作臺(tái)面等組成。其中 X向工作臺(tái)固定在 Y向工作臺(tái)的工作臺(tái)面上，由 Y向工作臺(tái)帶動(dòng)其作Y向運(yùn)動(dòng)，X向工作臺(tái)通過(guò)定位銷(xiāo)定位于Y向工作臺(tái)上，兩者在水平面上保持正交。工作臺(tái)上，動(dòng)導(dǎo)軌沿著靜導(dǎo)軌做定向直線運(yùn)動(dòng)。為保持高剛度和無(wú)間隙連接，一個(gè)合適的預(yù)載荷被施加在滾珠絲杠和滾珠導(dǎo)軌上。伺服電機(jī)與滾珠絲杠之間采用剛性聯(lián)軸器直接連接。與伺服圖1X - Y工作臺(tái)示意圖電動(dòng)機(jī)直接連接的增量式碼盤(pán)被用于速度的反饋。位置測(cè)量信號(hào)則來(lái)自于安裝在工作臺(tái)上的直線光柵,位置測(cè)量值同時(shí)被計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)采集卡所記錄，用來(lái)分析 X - Y工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度。位置控制是利用 DSP制造的基于 PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。 第一章 總體方案設(shè)計(jì) 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。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 ,他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè) IT、汽車(chē)、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(chē)廠 ,包括我國(guó)的上海通用汽車(chē)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 10μm提高到 5μm ,精密級(jí)加工中心則從 3～5μm ,提 高到 1～1.5μm并且超精密加工精度已開(kāi)始進(jìn)入納米級(jí) 0.1μm 。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) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展采用 5 軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工 ,可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削 ,不僅光潔度高 ,而且效率也大幅度提高。(3) 智能化、開(kāi)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(guò)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。 1.1 總體方案確定 （1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng) 由于工件在移動(dòng)的過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)X-Y工作臺(tái)。 （2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺(tái)的狀態(tài)。 （3）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，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙V形滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)。 考慮電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。 圖1-1 系統(tǒng)總體框圖 第二章 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1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 =10 mm； （2）立銑刀齒數(shù)Z=3； （3）最大銑削寬度ae=10 mm； （4）最大銑削深度ap=5mm； （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δx = δy = 0.001mm/脈沖； （7）X、Y方向的定位精度均為 ± 0.015 mm； （8）工作臺(tái)面尺寸為230 mm×230 mm，加工范圍為180 mm×300 mm； （9）工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度vxmax = vymax = 6000 mm/min； （10）工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度vxmaxf = vymaxf = 800 mm/min。 2.2機(jī)電系統(tǒng)總體方案的確定 2.2.1機(jī)電系統(tǒng) 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 （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）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)緊后可消除反向間隙。 （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。 （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。 （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)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。 考慮到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。 2.2.2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）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。 1、 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 1. 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 由臺(tái)面尺寸為，查課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表3-23，估計(jì)取工作臺(tái)厚度30mm，則重量：按重量=體積×材料比重估算 X向拖板（上拖板）：估計(jì)上絲桿長(zhǎng)度，由，余程查表5-4取20mm，則絲桿長(zhǎng)度約為320。電動(dòng)機(jī)約2kg，托板和導(dǎo)軌合估計(jì)為 工作物重為G 則X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量=(420+G)。 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)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為800N。 2. 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=10mm，齒數(shù)Z=3，為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱(chēng)銑削情況下，取最大銑削寬度ae=10mm，銑削深度ap=5mm，每齒進(jìn)給量mm，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式（1）求得最大銑削力： Fc=118×100.85×0.10.75×10-0.73×51.0×3000.13×3 N≈871 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，并考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：Ff =1.1Fc≈958N，F(xiàn)e =0.38Fc≈331N， Ffn =0.25Fc≈218N，工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力Fz= Fe =331N，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=958N，徑向銑削力Fy =Ffn= 218N。 2.2.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 （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。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)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂向載荷為： （2） 其中，移動(dòng)部件重量G＝800N，外加載荷F= Fz= 331N，代入（2）式得最大工作載荷PC=531N=0.531kN。查表，根據(jù)工作載荷PC=0.531kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為：HJG-DA15C，額定動(dòng)載荷為6.8KN，滿足要求。 任務(wù)書(shū)規(guī)定加工范圍180mm×300mm，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340mm。 （2）距離額定壽命的計(jì)算 上述選取的：HJG-DA15C5型導(dǎo)軌副的滾道硬度為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 2.2.4滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 （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=958N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy = 218N，受到垂向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz= 331N。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=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)μ=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm = KFx + μ（Fz + Fy + G） = [ 1.1×958 + 0.005 × ( 331+ 218 + 800 ) ] N ≈ 1061 N （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=800mm/min，由課本表5-3， 初選絲杠導(dǎo)程=5 mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph = 160r/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=144（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 ≈7746 N （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)的取HJG-S2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱(chēng)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3級(jí)，其額定動(dòng)載荷為9022N,足夠用。故HJG-S2005-3型滾珠絲杠基本導(dǎo)程為5mm，為絲杠有效行程300，取余程=20mm，則為絲杠螺紋全長(zhǎng)320，公稱(chēng)直徑=20 mm。 表1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 名 稱(chēng) 符 號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果 螺紋滾道 公稱(chēng)直徑 20 螺距 接觸角 鋼球直徑 螺紋滾道法面半徑 偏心距 螺紋升角 螺桿 螺桿外徑 螺桿內(nèi)徑 螺桿接觸直徑 螺母 螺母螺紋外徑 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） （4）傳動(dòng)效率η的計(jì)算 將公稱(chēng)直徑d0=20mm，導(dǎo)程Ph=5mm，代入λ= arctan[Ph/(πd0)]，得絲杠螺旋升角λ=。將摩擦角φ=10′，代入η=tanλ / tan(λ+φ)，得傳動(dòng)效率 η=96.4%。 （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δ1=Fma/（ES）=[1779×500/（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3×1，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=21.8μm。由表知,5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25μm，可見(jiàn)絲桿剛度足夠。 （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=1061N，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。 2.2.5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)，采用彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。 已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量δ=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α=0.75°，算得減速比： i=(αPh)/(360δ) =(0.75×5)/(360×0.005)=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] mm＝55.5 mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。 2.2.6 步進(jìn)電動(dòng)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)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 已知：滾珠絲杠的公稱(chēng)直徑=20 mm，總長(zhǎng)l =320mm，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0.75o，則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 = ++(++)/=30.35 （2）計(jì)算加在步進(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)行計(jì)算。 1）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η，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)指定為6000mm/min； α ——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為； δ ——脈沖當(dāng)量，本例δ=0.005mm/脈沖。 將以上各值代入式（5），算得nm=2500r/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η=0.7。則由式（4）求得：2.8（N·m） 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（N·m） 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： = + ≈ 2.8 N （7）2）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=958N ，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： 0.52（N·m） 再計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（Fz=331N）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（N·m） 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 = 0.524 N·m （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)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： = max{，} = 2.8 N·m （3）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 ≥ 4×2.8 N·m =11.2 N·m (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 = 12N·m ?？梢?jiàn)，滿足（10）式的要求。 （4）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)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=800mm/min，脈沖當(dāng)量δ=0.005mm/脈沖，可求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 =[800/(60×0.005)]Hz ≈2666Hz。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖1可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩≈11N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.524N·m，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 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度=6000mm/min，可求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率=[6000/（60×0.005）]Hz =20000Hz。在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=3.8 N·m，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩= 2.8N·m，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 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。 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?？汕蟪霾竭M(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)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。 圖2-1 90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線 2.2.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用 本例中X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為90BYG2602型，查表，選擇與之配套的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb型，輸入電壓100V AC，相電流4A，分配方式為二相八拍。該驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線方式如圖2所示。 圖2-2 BD28Nb驅(qū)動(dòng)電源的接線圖 2.2.8確定聯(lián)軸器的型號(hào) 由于數(shù)控平臺(tái)有沖擊，且電動(dòng)機(jī)工作時(shí)經(jīng)常變速，故選用撓性聯(lián)軸器。查閱參考書(shū)表10-43 選用A23型聯(lián)軸器。 計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩： 由估算功率摩擦力作用很小，可忽略： 小于聯(lián)軸器的允許轉(zhuǎn)矩，且工作速度遠(yuǎn)小于允許最高轉(zhuǎn)速25000.故滿足要求。 2.2.9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α=，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/α=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)。 本例選擇編碼器的型號(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。 第三章 繪制裝配圖 1.標(biāo)注裝配圖尺寸、配合與精度等級(jí)。包括特性尺寸、最大體形尺寸、安裝尺寸和主要零件的配合尺寸。 2.寫(xiě)出工作臺(tái)的技術(shù)特征。 3.編寫(xiě)技術(shù)要求。 4.對(duì)所有零件進(jìn)行編號(hào)。 5.列出零件明細(xì)表及標(biāo)題欄。 6檢查裝配圖。 第四章 電氣原理圖設(shè)計(jì) 4.1典型數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖 單片機(jī)是把微型計(jì)算機(jī)的主要部分都集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī),因而可以把它看成是一個(gè)不帶外部設(shè)備的微型計(jì)算機(jī)。不同系列的單片機(jī)共同的特點(diǎn)是：控制功能強(qiáng)；體積??；功耗低；成本低。 由于上述優(yōu)越性能，單片機(jī)已在工業(yè)、民用、軍用等工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，它在很大程度上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在軟件和擴(kuò)展接口支持下，單片機(jī)可以代替以往由模擬和數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。 如電氣原理圖所示的就是通過(guò)單片機(jī)及其外圍接口實(shí)現(xiàn)的二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)電氣原理圖。它由8031型單片機(jī)、數(shù)據(jù)鎖存器74LS373、存儲(chǔ)器EPROM2764、RAM6264、地址譯碼器74LS138、并行I/O接口8255等集成電路構(gòu)成。下面分別說(shuō)明它們?cè)谡麄€(gè)控制部分中的功能、用法及其選擇原則。 4.2單片機(jī)的選擇 設(shè)隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號(hào)很多，而目前市場(chǎng)上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)89C51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。 在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機(jī)，MCS-96系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類(lèi)要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運(yùn)算和擴(kuò)展能力。但是定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價(jià)比。 計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，首先要設(shè)計(jì)其核心的單片機(jī)系統(tǒng)。從一開(kāi)始就有一個(gè)單片機(jī)芯片選型問(wèn)題。面對(duì)不同字長(zhǎng)，如4位、8位、16位，各具特色的單片機(jī)芯片如何進(jìn)行選擇呢？首先要滿足所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能和性能要求；其次要選擇價(jià)格較低的芯片，不要盲目追求過(guò)多功能和過(guò)高性能；另外要選擇那些在國(guó)內(nèi)有成熟的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和穩(wěn)定的供貨來(lái)源。如采用流行普遍使用的芯片，資料豐富，能有效地縮短開(kāi)發(fā)周期。 本課程設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)型的二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)，其功能比較簡(jiǎn)單，成本低。因而這里選用MCS-51系列的8031單片機(jī)作為CPU，它具有良好的性能價(jià)格比，且易擴(kuò)展。 4.3外部程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 MCS-51的程序存儲(chǔ)器空間為64K字節(jié)。對(duì)于片內(nèi)無(wú)ROM的單片機(jī)（如8031），或當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器容量不夠時(shí)，進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展是必不可缺的。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器。由于EPROM價(jià)格低廉，性能可靠，所以單片機(jī)外部擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器一般為EPROM芯片（紫外線可擦除、電可編程的只讀存儲(chǔ)器），掉電后信息不會(huì)丟失。在選擇外部程序存儲(chǔ)器電路時(shí)，應(yīng)注意電路的讀取時(shí)間能否與MCS-51的PESN信號(hào)匹配。其片選端接地。 由于本設(shè)計(jì)程序容量不大，因而選用2764作為外部程序存儲(chǔ)器。 4.4外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 對(duì)大多數(shù)控制性應(yīng)用場(chǎng)合，MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部RAM已能滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。對(duì)需要較大容量數(shù)據(jù)緩沖器的應(yīng)用系統(tǒng)，就需要在單片機(jī)的外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 在電氣原理圖中根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求選用一片6264作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。圖中其高5位地址線A8～A12由8031的P2.0~P2.4口線提供，低8位地址線A0~A7接地址鎖存器74LS373輸出端。讀、寫(xiě)控制信號(hào)分別接8031的RD、WE。其片選信號(hào)通過(guò)地址譯碼法進(jìn)行選通。 4.5 I/O口擴(kuò)展電路 本課程設(shè)計(jì)因采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。為了降低成本，特采用可編程外圍并行接口芯片8255。使其不僅完成驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功能，同時(shí)完成與鍵盤(pán)/顯示器的接口操作功能。 4.6 顯示器接口設(shè)計(jì) 電氣原理圖中，由10片共陽(yáng)極LED顯示塊拼成10位LED顯示器。為了簡(jiǎn)化硬件電路，采用動(dòng)態(tài)顯示方式。即所有位的段選線相應(yīng)地并聯(lián)在一起，由8031的P1.0~P1.7口來(lái)控制LED顯示器的段碼，而各位的位選線分別由相應(yīng)的I/O口線控制。即PC0~PC7、PB6~PB7共10個(gè)I/O口線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。為了保證各位LED能夠顯示出本位相應(yīng)的顯示字符，而不出現(xiàn)閃爍，導(dǎo)致人眼看不清，必須根據(jù)人眼視覺(jué)暫留現(xiàn)象，選擇一個(gè)合適的掃描頻率。圖中選用74LS07進(jìn)行同相驅(qū)動(dòng)。 4.7 鍵盤(pán)接口電路設(shè)計(jì) 鍵盤(pán)實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合。電氣原理圖中采用矩陣式鍵盤(pán)接口，鍵盤(pán)接口電路通過(guò)8255（U5）的PA0~PA3和PC0~PC7、PB6~PB7構(gòu)成行、列線。按照逐行逐列地檢查鍵盤(pán)狀態(tài)（即掃描）來(lái)確定閉合鍵的位置。 5.8 步進(jìn)電機(jī)的接口電路設(shè)計(jì) 對(duì)于本課程設(shè)計(jì)中選用的步進(jìn)電機(jī)，為五相，無(wú)論它工作在什么方式，都需要五路控制電路，并且每一路對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)的一相。而每一路控制電路的結(jié)構(gòu)是一樣的。 CPU接口部分包括傳感器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示： （行程開(kāi)關(guān)） 前向通道 傳動(dòng)驅(qū)動(dòng) （步進(jìn)電機(jī)） 人機(jī)界面 傳感器 8031 （鍵盤(pán)、LED） 后向通道 圖5-1 CPU外部接口示意圖 8031要完成的任務(wù)： （1）將行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)讀入CPU，通過(guò)中斷進(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。 （2）通過(guò)程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)的運(yùn)行。 （3）接受鍵盤(pán)中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)和鍵盤(pán)狀態(tài)反應(yīng)到LED上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。 由于8031只有P1口和P3口是準(zhǔn)雙向口，但P3口主要以第二功能為主，并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進(jìn)行I/O擴(kuò)展?？紤]到電路的簡(jiǎn)便性和可實(shí)現(xiàn)性，實(shí)際中采用內(nèi)部自帶鎖存器的8155。 電氣原理圖中通過(guò)8255（U5）的PB0~PB4分別控制X方向步進(jìn)電機(jī)的五相。對(duì)于Y軸步進(jìn)電機(jī)通過(guò)8255（U6）的PC0~PC4分別控制Y方向步進(jìn)電機(jī)的五相。 第五章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) X-Y數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)、傳感器、人機(jī)交互界面。 5.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意幾點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價(jià)低、可維護(hù)性、人機(jī)交互界面可操作性比較好。 5.1.1 CPU的選擇 隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號(hào)很多，而目前市場(chǎng)上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)89C51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。 在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機(jī)，MCS-96系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類(lèi)要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運(yùn)算和擴(kuò)展能力。但是定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價(jià)比。 從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)看，選用較老的8051單片機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無(wú)疑提高了設(shè)計(jì)價(jià)格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過(guò)于浪費(fèi)。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機(jī)的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產(chǎn)領(lǐng)域ATMEL公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時(shí)鐘方式可以節(jié)省電能。 因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產(chǎn)品，9表示內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，S表示含有串行下載Flash存儲(chǔ)器。 AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲(chǔ)器容量為4KB、16位定時(shí)器2個(gè)、中斷源6個(gè)（看門(mén)狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時(shí)器0和定時(shí)器1中斷）、RAM為128B、14位的計(jì)數(shù)器WDT、I/O口共有32個(gè)。 5.2 CPU接口設(shè)計(jì) CPU接口部分包括傳感器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示： （行程開(kāi)關(guān)） 前向通道 傳動(dòng)驅(qū)動(dòng) （電磁鐵） （步進(jìn)電機(jī)） 人機(jī)界面 傳感器 AT89S51 （鍵盤(pán)、LED） 后向通道 圖5-1 CPU外部接口示意圖 P1.0-P1.2 驅(qū)動(dòng)1 X步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)2 Y步進(jìn)電機(jī) P1.3-P1.5 P1.6 驅(qū)動(dòng)3 P3.2 外部中斷1 P3.3 外部中斷2 P0.0-P0.7 AD0~AD7 P2.7 CE P2.6 IO/M PB 口 PA口 PC口 AT89S51 鍵盤(pán) 電磁鐵 8155 圖5-2 AT89S51控制系統(tǒng)圖 圖5-3多中斷源中斷觸發(fā)圖 5.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、定位和退刀時(shí)能快速運(yùn)行、工作時(shí)能帶動(dòng)工作臺(tái)并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運(yùn)行。在定位和退刀時(shí)電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時(shí)能及時(shí)釋放磁力使筆尖壓下。 5.3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理 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)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5-4 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。 步進(jìn)時(shí)鐘 A相波形 B相波形 C相波形 圖5-5 三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（正轉(zhuǎn)） 由于步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（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。 5.3.2 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路 該驅(qū)動(dòng)電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對(duì)簡(jiǎn)單。其光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電磁鐵的電流比較大。 圖5-6 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路 5.3.3 電源設(shè)計(jì) 兩電機(jī)同時(shí)工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)中用到的電源電壓為27V、12V、5V，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標(biāo)準(zhǔn)的27V電源作為基準(zhǔn)，通過(guò)芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V和5V電壓。 第六章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 6.1 總體方案 對(duì)于AT89S51的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)現(xiàn)的功能較簡(jiǎn)單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil 7.02b。該編譯器是51系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的常用工具，既可用匯編，也支持C語(yǔ)言編譯。同時(shí)具有完善的調(diào)試功能。 6.2主流程圖 上電復(fù)位 P1.6=0，吸合電磁鐵，繪筆抬起 外部中斷，8155初始化 開(kāi)外部中斷，開(kāi)總中斷 等待中斷 圖6-1 CTL EQU 3FF8H PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAH PC EQU 3FFBH CMD EQU 02H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INT0IS ；外部中斷0入口 ORG 000BH AJMP TM0IS ；定時(shí)器0中斷入口 ORG 0013H AJMP INT1IS ；外部中斷1入口 ORG 001BH AJMP TM1IS ；定時(shí)器1中斷入口 ORG 0100H MAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā) SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX @DPTR，CMD；A口輸入，B口輸出，C口輸入 SETB EX0 ；允許外中斷0 SETB EX1 ；允許外中斷1 SETB PX0 SETB PX1 ；設(shè)置優(yōu)先級(jí) SETB EA ；開(kāi)總中斷 LOOP：AJMP LOOP ；等待中斷 在等待中斷的過(guò)程中，如果有中斷到來(lái)，先檢查中斷0的狀態(tài)，是中斷0則進(jìn)入中斷0的中斷服務(wù)INT0IS，是中斷1則進(jìn)入中斷1的中斷服務(wù)INT1IS。 中斷服務(wù)0是由4個(gè)行程開(kāi)關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過(guò)單片機(jī)讀取PA口內(nèi)容，然后將結(jié)果反饋到PB口的LED上。 中斷服務(wù)1有6個(gè)中斷源，這六個(gè)中斷源分別是手動(dòng)X正方向運(yùn)行，手動(dòng)X負(fù)方向運(yùn)行，手動(dòng)Y正方向運(yùn)行，手動(dòng)Y負(fù)方向運(yùn)行，復(fù)位和繪制圓弧。 6.3 X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖 X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，@DPTR JNB ACC.0，LOOP2 MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，@DPTR JNB ACC.0，MOTOR0 LOOP2： AJMP LOOP1 這是X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)的程序，其他的X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)依次類(lèi)推。 6.3.1步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖 圖6-2 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖 DEF EQU 12H SJMP LP3 MOV DEF，#00H