立式铣床XY向进给系统设计（可编辑）

1、立式铣床XY向进给系统设计 立式铣床XY向进给系统设计摘 要 随着现代信息技术的发展,以提高产品加工的生产效率为主的高度自动化和提高产品质量为主的精密化成为现代机械加工技术发展的两个主要方向。人们对数控机床、精密仪器和仪表以及各种精密机械设备提出了越来越高的精度要求,X-Y工作台是这些设备实现高精密加工的重要部件,对于提高产品的加工起着尤为重要的作用。 本论文针对铣床工作台机构及其控制系统进行设计,主要包括伺服电动机的选型,滚珠丝杠的选型、强度校核及生产设计中应注意的问题,连接伺服电机和滚珠丝杠副的联轴器的选型,导轨的设计。根据系统的功能要求,选择数控系统的CPU,同时还需要扩展程序存储器、数

2、据存储器以及步进电机驱动电源的选择。通过对工作台机械传动链的系统设计以期满足机床进给系统的定位精度和静动态性能,从而确保机床的加工精度。关键词:X-Y工作台 ,伺服系统, 滚珠丝杠 ,步进电机For The Design Of Feed System Of XY Vertical Milling MachineABSTRACT With the development of modern information techniques,the high automation with the main purpose of improving the production efficiency

3、of product process and the accuracy with the accuracy with the main aim of improving the quality of product have been becoming the two major directions of the modern technique of mechanical process.People on the CNC machine tools,precision instruments and meters and all kinds of sophisticated machin

4、ery and equipment raised higher and higher precision, X-Y workbench is that important components of these high-precision machining equipment to achieve the core components,for improving the quality of processed products play the particularly important role. The entire mechanical transmission chain f

5、or the system design,servo motor related to the selection,the selection of ball screws,checking strength and production design should pay attention to the problem of connecting the servo motor and the ball screw of the axis.The Telection and Verification,bearing pieces bearing the design,rail and ra

6、ck design.According to the function requirement of system,the selection of the CNC system CPU.It would also need to expand the program memory,data memory and the choice of stepper motor drive power.Through the table mechanical transmission chain system design to meet the machine into the system to t

7、he positioning accuracy and static and dynamic performance,so as to ensure the accuracy of processing machine.KEY WORDS:The X-Y workbench ,Servo system,Ball screw,stepper motor 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 国内外数控系统的发展概况?11.2 数控技术的发展趋势11.3 数控立式铣床X-Y工作台概述11.4 立式铣床XY工作台设计的意义和目的22 工作台设计的总体方案32.1 工作台设计任务32.2

8、 机械传动部件的选择32.3 控制系统的设计33 机械传动部件的计算与选型53.1 确定系统脉冲当量53.2 工作台外形尺寸及重量初步估算53.3 铣削力的计算63.4 直线滚动导轨副的计算与选型63.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型73.6 角接触球轴承的选用、校核93.8 联轴器的选型104 步进电动机的计算与选型124.1步进电机简介及原理124.2 步进电机的计算与选型124.2.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量124.2.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩134.2.3 步进电动机最大静转矩的选定144.2.4 步进电动机的性能校核145 电路设计165.1 电气控制系

9、统设计165.2 主要芯片功能简介165.2.1 单片机8031165.2.2 2764EPROM芯片175.2.3 静态PAM6264芯片185.2.4 8155内部结构185.2.5 地址锁存器74LS373196 接口及辅助电路设计206.1 LED显示器接口电路206.1.1 LED显示器工作原理206.1.2 LED显示器与单片机的接口电路206.2 步进电机接口电路216.3 步进电机驱动电路设计226.4 键盘接口电路227 软件部分设计247.1 模块组成247.2 缓冲区设置247.2.1 KB缓冲区247.2.2 显示缓冲区247.3 中断优先级247.4 各模块说明及流程

10、图257.4.1 主模块257.4.2 X、Y的快速移动子模块257.4.3 暂停子模块257.4.4 报警、急停中断子模块257.4.5 KB、DIS定时扫描子程序257.4.6 实时修改DIS缓冲数据模块257.5 程序清单26致 谢31参 考 文 献321 绪论1.1 国内外数控系统的发展概况? 随着计算机技术的高速发展,传统的制造业开始了根本性变革,各工业发达国家投入巨资,对现代制造技术进行研究开发,提出了全新的制造模式。在现代制造系统中,数控技术是关键技术,它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体,具有高精度、高效率、柔性自动化等特点,对制造业实现柔性自动化、

11、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前,数控技术正在发生根本性变革,由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上,数控系统实现了超薄型、超小型化;在智能化基础上,综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术,数控系统实现了高速、高精、高效控制,加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数,实现了在线诊断和智能化故障处理。?1.2 数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,他对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前

12、世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要研究热点有以下几个方面: (a)高速、高精加工技术及装备的新趋势 (b)多轴联动加工和复合加工机床快速发展 (c)智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势1.3 数控立式铣床X-Y工作台概述 X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件,如数控车床的纵?横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。 模块化的X-Y数控工作台,通常由导轨座、移动滑块、工作台、滚珠丝杠螺母副,以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图1-1。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠,滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平

13、台在导轨上运动,完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化,由专门厂家生产,设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要,可以选取用标准的工作控制计算机,也可以设计专用的微机控制系统。图1-1 X-Y数控工作台外形1.4 立式铣床XY工作台设计的意义和目的 工作台是机床上必不可少的部件,因此工作台的设计具有重要意义,工作台的自动化能大大减轻劳动强度,提高劳动生产效率。XY数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单,实现方便而且能保证一定的精度。降低成本,是微机控制技术的最简单的应用,它充分的利用了微机的软硬件功能以实现对机床的控制,使机床的加

14、工范围扩大,精度和可靠性进一步提高。随着经济的发展,机械行业的许多普通机床和闲置设备,经过数控改造以后,不但可以提高加工精度和劳动生产率,而且能有效的适应多种品种,小批量的市场经济的需要,使之更有效的发挥经济效益和社会效益。 X-Y工作台设计的目的: (a)使工作台实现数控控制:让数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工;提升机床的加工精度、柔性、生产率和操控,实现计算机控制,排除人为误差,使零件的加工一致性好,质量稳定可靠;提升机床自动化程度,降低操作人员劳动强度。 (b)能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论的有关知识,学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行

15、必要的计算;通过对设备改造机械部分设计,掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法;通过设备的数控系统硬件和软件设计,掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法;通过毕业设计,初步树立正确的设计思想,培养自己分析问题和解决问题的能力;提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。2 工作台设计的总体方案 立式铣床XY工作台设计,采用单片机、开环数控系统控制、步进电机驱动。机械主体部分主要有滚珠丝杠、导轨、联轴器、工作台面。2.1 工作台设计任务 主要技术指标: (a)采用开环数控系统。 (b)控制方式:采用单片机、开环数控系统控制、步进电机驱动。 (c)控制精度:X向:0.0

16、1mm/脉冲; Y向:0.01mm/脉冲。 (d)快移速度:2米/分 ,行程:400mm。 (e)制定改进设计的总体方案。 (f)绘制立式铣床外观图、XY向总装图、部件及零件图、电气驱动原理图以及电气控制原理图 。 (g)完成系统程序一个功能模块(键盘与显示、插补等)的程序设计(程序框图和程序清单)2.2 机械传动部件的选择(1)导轨副的选用 要设计的XY工作台需要承受的载荷不大,但脉冲当量小、定位精度高,因此,决定选用直线滚动导轨副,它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。(2)丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动,要满足0.0

17、05mm的脉冲当量和0.01mm的定位精度,滑动丝杠副无能为力,只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高,预紧后可消除反向间隙。(3)联轴器的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后,为了圆整脉冲当量,放大电动机的输出转矩,降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量,可能需要用来联接不同机构中的两根轴(主动轴和从动轴)使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中,有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。2.3 控制系统的设计设计的XY工作台准备用在数控铣床上,其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能,所以

18、控制系统应该设计成连续控制型。(b)根据技术指标中最高控制速度,以及数控系统的经济性要求,选用MCS-51系列控制系统的CPU,应该能够满足任务书给定的相关指标。 (c)要设计一台完整的控制系统,在选择CPU之后,还需要扩展程序存储器、数据存储器、I/O接口电路等。 (d)选择合适的驱动电源,与步进电动机配套使用。如图2-1步进电机控制XY轴系统总体框图。 图2-1 步进电机控制XY轴系统总体框图3 机械传动部件的计算与选型机械部分设计内容包括:确定系统脉冲当量,运动部件惯性的计算,选择步进电机,传动及导向元件的设计、计算与选择,绘制机械部分装配图等。3.1 确定系统脉冲当量 脉冲当量是一个进

19、给指令时工作台的位移量,应小于等于工作台的位置精度,由于定位精度为0.01mm,因此选择脉冲当量为0.005mm。3.2 工作台外形尺寸及重量初步估算 根据给定的有效行程,估算X向和Y向工作台承载重量Wx和Wy。取X向导轨支撑钢球的中心距为400mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm。图3-1 X-Y工作台简图。图3-1 X-Y工作台简图 X向拖板(上拖板)尺寸:长宽高 42040050 重量:按重量体积材料,比重估算为: Wx4204005010-37.810-2655.2N Y向拖板(下拖板)尺寸:长宽高 42040050 Wy4204005010-37.810-2655.2N 上导轨

20、(含电机)重量为: (9004808+28003550)7.8487.97N 夹具及工件重量约155N X-Y工作台运动部分的总重量为: W487.97+655.2+655.2+1552000N3.3 铣削力的计算 根据任务书,假设切向铣削力Fz2000N,采用立铣刀进行圆柱铣削时,各铣削力之间的比值可由表查得,考虑逆铣时的情况,可估算三个方向的铣削力分别为:FfFc2000N,Fe0.375Fc750N,Ffn0.25Fc500N。现考虑立铣,则工作台受到垂直方向的铣削力FvFe750N,受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向(丝杠轴线方向),则纵

21、向铣削力FxFy2000N,径向铣削力为FyFfn500N。3.4 直线滚动导轨副的计算与选型(1)滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y工作台为水平布置,采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况,即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担,则单滑块所受的最大垂直方向载荷为:FW/4+F (3-1) 其中,移动部件重量W=2000N,外加载荷FFv750N,代入式得最大工作载荷:F(500+750)N1.25kN 查表根据工作载荷F1.25kN,初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型,其额定动载荷Ca7.94k

22、N,额定静载荷Coa9.5kN。其结构形式如图3-1直线滚动导轨副。 图3-1 直线滚动导轨副其主要参数如表3-1所示。表3-1 JSA-LG15型直线滚动导轨副参数额定载荷静态力矩/N*m滑座重量Kg导轨重量Kg/m导轨长度L/mm动载荷CaKN静载荷CoaKNMAMBMC7.949.55555880.603.10640滑座个数M单行程长度S(m)每分钟往返次数n474 任务书规定工作台的有效行程为Lx400mm,Ly400mm,选择工作台面尺寸280280mm,考虑工作行程应留有一定余量,查表按标准系列,选取导轨的长度为640mm。(2)距离额定寿命L的计算 上述所取的KL系列JSA-LG

23、15系列导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过C,每根导轨上配有两只滑块,精度为4级,工作速度较低,载荷不大。分别取硬度系数fH1.0,温度系数fT1.00,接触系数fC0.81,精度系数fR0.9,载荷系数fW1.5,代入式,得距离寿命: L?fHfTfCfR?/fW?Ca/F?350 ?1.01.00.810.9?/1.5?7.94/F1.25?3501471Km (3-2)工作寿命的计算:LhL103/2ns601471106/247604.38105h (3-3) 故导轨工作寿命足够。3.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型(1)最大工作载荷Fm的计算 如前所述,在立铣时,工作台受到进

24、给方向的载荷(与丝杠轴线平行)Fx2000N,受到横向载荷(与丝杠轴线垂直)Fy500N,受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)Fy750N。 已知移动部件总重量W2000N,按矩形导轨进行计算,取颠覆力矩影响系数K1.1,滚动导轨上的摩擦系数u0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷:FmKFx+u?Fv+Fy+W?1.12000+0.005+?750+750+2000?N2216.25N (3-4)(2)最大动工作载荷FQ的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v2000mm/min,初选丝杠导程Ph6mm,则此时丝杠转速nv/Ph2000/6333r/min。 取滚珠丝杠的使用寿命

25、T15000h,代入Lo60nT/106,得丝杠寿命系数Lo300(单位为:106r)。 查表,取载荷系数fw1.2,滚道硬度为60HRC时,取硬度系数fH1.0,代入式,求得最大动载荷: (3-5)(3)初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程,选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3206-4型滚珠丝杠副,为内循环固定反向器单螺母式,其公称直径do32mm,导程Ph6mm,循环滚珠为4圈1系列,精度等级取5级,额定动载荷Ca18292N,大于FQ,满足要求。(4)传动效率的计算 将公称直径d32mm,导程Ph6mm。代入得: 得丝杠螺旋升角。将摩擦角10,代入,得传动效率95

26、.5%。(5)刚度的验算 X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用-对角接触球轴承,面对面组配,左、右支承的中心距约为a600mm;钢的弹性模量E2.1105Mpa;查表得滚珠直径Dw3.969mm,丝杠底径d227.2mm,丝杠截面积Sd22/4580.7mm2。丝杠的拉伸或压缩变形量在总变形量中占的比重较大,按忽略式中的第二项,算得丝杠在工作载荷作用下产生的拉/压变形量: (3-6) 根据公式,求得单圈滚珠数Z23;该型号丝杠为单螺母,滚珠的圈数列数为41,代入公式Z圈数列数,得滚珠总数量92。丝杠预紧时,取轴向预紧力FYJFm/3739N。则由式,

27、求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量mm。 因为丝杠有预紧力,且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可以减少一半,取0.001mm。将以上算出的和代入,求得丝杠总变形量(对应跨度600mm)0.011+0.0010.012mm12。 本例中,丝杠的有效行程为400mm,由表知,5级精度滚珠丝杠有效行程在315-400mm时,行程偏差允许达到25,可见丝杠刚度足够。(6)压杆稳定性校核根据公式计算失稳时临界载荷FK。取支承系数fk1;由丝杠底径d227.2mm求得截面惯性矩26855;压杆稳定安全系数K取3(丝杠卧式水平安装);滚动螺母至轴向固定处距离a取最大值600mm。代入式,得临界载荷Fk514

28、85N,远大于工作载荷Fm2216.25,故丝杠不会失稳。如图3-2 G系列滚珠丝杠螺母副。 图3-2 G系列滚珠丝螺母副 其主要参数如表3-2所示。表3-2 G系列滚珠丝杠螺母副尺寸参数规格代号公称直径导程滚珠直径丝杠底径丝杠外径循环列数额定载荷/NdoPhDwd2d1GCaCoa3206-43263.96927.231.241829247148螺母安装尺寸油杯D1DD4LBh12M50826760137712M6 综上所述,初选的滚珠丝杠副满足使用要求。3.6 角接触球轴承的选用、校核 初选角接触球轴承7205CJ,其相关参数如下: 内径d25mm,外径D52mm,轴承宽度B15mm,a1

29、2.7mm,额定动载荷Cr16.5,额定静载荷Cor10.5。轴承校核,受力如3-3图所示。图3-3 轴承部件受载示意图 径向外载荷Fr750N,轴向外载荷Fa500N,Ft2000N。 , 轴向派生力S1S20.68R726.24N, A1Fa+S2500+726.241226.24N,A2S2726.24N e0.68, , 查得,X10.41,Y10.78 X21 ,Y20 查得,fp1.2-1.8,取fp1.4 P1fp?X1R1+Y1A1?2106N,P2fp?X2R2+Y2A2?1495.2N (3-7) 因为P1?P2,所以只验算轴承1,又轴承样本可知:7205CJ轴承的额定动载

30、荷Ca13100N。 (3-8) 选用7205CJ轴承合适。3.8 联轴器的选型 联轴器是用来联接不同机构中的两根轴(主动轴和从动轴)使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中,有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成,分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。根据工作台设计要求,对其选型如图3-4中所示,相应各参数值如表3-3中所示。图3-4 联轴器结构示意图 其主要参数如下:表3-3 联轴器尺寸参数DD1D2H d1d2d36456241864016 4 步进电动机的计算与选型4.1步进电机简介及原理 步进电机是开环伺服

31、系统的驱动元件,其控制系统的结构简单、控制容易、维修方便,控制为全数字化。步进电机用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的机械角位移。每给步进电机输入一个电脉冲信号,其转子轴就转过一个角度,称为步距角,转子轴的角位移量与电脉冲数成正比,其转速与电脉冲信号输入的频率成正比,通过改变频率就可以调节电机的转速。如图4-1步进电机。图4-1 步进电机步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器。4.2 步进电机的计算与选型4.2.1 计算加在步进电动机

32、转轴上的总转动惯量 已知:滚珠丝杠的公称直径do32mm,总长L600mm,导程Ph6mm,材料密度;移动部件总重力W2000N。 初选步进电动机的型号为55BF009,为两相混合式,二相八拍驱动时的步距角为0.75,从表查得该型号的电动机转子的转动惯量4 kg?cm2。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为:(4-1)4.2.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 (a)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分:一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩;一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩;还有一部

33、分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高,根据式可知,相对于和很小,可以忽略不计。 则有:+(4-2) 根据式 (4-3) 考虑传动链的总效率,计算快速空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩: (4-4) 式中:nm?对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速,单位为r/min;ta?步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间,单位为S。 其中:1250r/min(4-5) 式中:?空载最快移动速度,任务书指定为3000mm/min; ?步进电动机步距角,预选电动机为0.75; ?脉冲当量,本例0.005mm/脉冲。 将以上各值代人式,算得nm1250r/

34、min 设步进电机由静止加速至nm所需时间,传动链总效率。则由式求得:(4-6) 移动部件运动时,折算到电动机转轴上的摩擦转矩为: (4-7) 式中:?导轨的摩擦因素,滚动导轨取0.005; ?垂直方向的铣削力,空载时取0; ?传动链效率,取0.7。 则由式求得: 最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩: +0.298Nm (4-8)(b)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 包括三部分:一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩;一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩;还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩,相对于和很小,可以忽略不计。则有

35、: +(4-9) 其中,折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由式计算。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候,已知沿着丝杠的轴线方向的最大进给载荷,则有: (4-10) 再由式计算垂直方向承受最大工作负载情况下,移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩: (4-11) 最后由式,求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩: +1.0975 (4-12) 经过上述计算后,得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为: (4-13)4.2.3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大,当输入电压降低时,其输出转矩会下降,可能造成丢步,甚至堵转。因此,根据来选择步进

36、电动机的最大静转矩时,需要考虑安全系数。取K4,则步进电动机的最大静转矩应满足: (4-14)初选步进电动机的型号为55BF009,查得该型号电动机的最大静转可见,满足要求。4.2.4 步进电动机的性能校核(1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度:2000mm/min,脉冲当量/脉冲 电动机对应的运行频率:。电动机的输出转矩4Nm,远远大于最大工作负载转矩1.0975Nm,满足要求。(2)最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度4000mm/min,求出其对应运行频率。从图查得,在此频率下,电动机的输出转矩,大于快速空载起动时的负载转矩,

37、满足要求。(3)最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度:4000mm/min 对应的电动机运行频率为。查表知55BF009电动机的空载运行频率可达20000,可见没有超出上限。(4)起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量,电动机转子的转动惯量,电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。由式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为: (4-15)表4-1 55BF009步进电动机参数型号主要技术参数相数步距角/()电压/V电流/A最大静转矩/(N.m)空载起动频率/Hz空载运行频率/Hz转动惯量55BF00920.75100461800200004主要安装尺寸DbD1h1h2dE

38、L键D2d19092703814251344161076.6 上式说明:要想保证步进电动机起动时不失步,任何时候的起动频率都必须小于。主要参数如表4-1所示。实际上,在采用软件升降频时,起动频率选得更低,通常只有100(即100脉冲/s) 综上所述,本次设计中工作台的进给传动系统选用55BF009步进电动机,完全满足设计要求。5 电路设计5.1 电气控制系统设计图5-1控制系统总体框图 (a)主控器:单片机 (b)存储器:EPROM、RAM (c)键盘、显示器及步进电机接口 控制步进电机用的脉冲发生器用硬件实现,键盘扫描由软件实现。系统采用主控芯片为8031。外接随机存储器用6264RAM芯片

39、来扩展8031的RAM存储器,片可檫除只读存储器EPROM2764来扩展ROM存储器,I/O接口主要靠可编程芯片8155来完成8031接口的扩展,驱动接口由8031的P10-P14通过分配器来实现,键盘和显示器也用8155来实现。如图5-1控制系统总体框图。5.2 主要芯片功能简介5.2.1 单片机8031 如图5-2所示8031引脚,8031的结构及各管脚的功能: 引脚功能可分为三类: I/O口线:PO、P1、P2、P3共4个8位I/O口。 控制线:(片外取指令控制),ALE(地址锁存控制)(片外存储器选择),REST(复位控制);电源及时钟。 I/O口功能简介:PO是真正的三态双向口,既可

40、输入又可输出,每个接口有一个锁存器(专用寄存器PO-P1)、一个输出驱动器和一个输入缓冲器组成,这些接口都是双功能的。 在单片机不需要扩展时,P0口可当作一般的I/O口使用,在单片机需要扩展时,P0口担任地址/数据复用的总线口,即它的8根线既是8根数据线,又是8根地址线(低8位)。在这种情况下,扩展部分所需的高位地址由P2口提供。P3口既可作为一般I/O口使用,必要时,它还可用作串行通信的接口、定时器的外部计数器输入端、外部中端请求输入端和外部数据存储器的读写选通信号输入端,所以它的引脚具有双重功能: P3.0 RXD(串行口输入端) P3.1 TXD(串行口输出端) P3.2(外部中断0请求

41、输入端) P3.3(外部中断1请求输入端) P3.4T0 (定时器0外部输入端) P3.5T1 (定时器1外部输入端) P3.6(外部RAM写选通) P3.7(外部RAM读选通)图5-2 8031引脚5.2.2 2764EPROM芯片 2764是双列直插补28角芯片,具有13根地址线A0?A12,8根数据线D0?D7,其余为控制线,定义分别为:为片选信号端,为输出允许端,写允许控制端, Vcc为编程电压端(21V或12.5V), Vss为地电平,NC为空脚,不用。如图5-3所示。图5-3 2764引脚图5.2.3 静态PAM6264芯片 6264是8K8位的静态数据存储芯片,采用CMOS工艺制

42、造,位28脚双列直插式封装,其引脚图如5-4所示:需要说明的是,6264有两个片选信号和CE2,只有当0,CE21时,芯片才被选中。在实际应用中,往往只用其中一个,而将另一个接成常有效;也可以将系统中的片选信号以及取反后的信号分别接至和CE2端。图5-4 6264引脚5.2.4 8155内部结构8155内部结构: (a)256字节的静态随机存储器,最快存取时间400NS (b)有三个通用的输入/输出口,其中A口和B口是8位口,C口是6位口,C口可作状态口,使A口和B口能工作在答应式输入/输出方式下。 (c)有一个14位的可编程几计数器,可输出方波或技术次数满的脉冲。 (d)内部有地址锁存器,多

43、路转换的地址和数据总线。 (e)单一+5V电源、40条引脚。 如图5-5所示8155引脚图。 图5-5 8155引脚图5.2.5 地址锁存器74LS373 单片机规定P0提供低8为地址线,所以分时输出低8位地址信息,一般采用74LS373作为地址锁存器,并由CPU发出低地址允许锁存信号,在时序图ALE的额下降沿,将地址信号锁存入地址锁存器中,74LS373是带三态缓冲输出的8D出发器,用作地址锁存器时, 为位低电平,输入端G与8031的地址锁存信号ALE连接,当J1时,74LS373的输出端1Q-8Q与输入的1D-8D相同,当从高电平返回到低电平是其将输入的数据存入1Q-8Q中。6 接口及辅助

44、电路设计 主要设计电路有LED显示器电路、步进电机接口电路、键盘接口电路设计。6.1 LED显示器接口电路6.1.1 LED显示器工作原理 LED显示器由八段字形排列的发光二极管组合而成,对于共阴极显示器,其公共端应接低电平(接地),a?dp端只要接高电平,其相应线段就发亮。一般情况下,a?dp端接在数据锁存器的输出线上,这个端口称为字形口或段控口;而几个LED显示器的公共端并列在一起,称为字位口或位控口, 它决定该LED显示器是否能发光。对于共阳极显示器,不同之处是各线段发光的电平要求正好全部相反,如图6-1所示。图6-1 八段LED显示器6.1.2 LED显示器与单片机的接口电路 如图6-

45、2为用8155A口和B口作为六位共阴极LED显示器接口电路。图6-2 8155与六位LED显示器连接电路 PA口送出的段控码同时送给六位LED显示器,但只有其位控端(GND端)为低电平的LED显示器才能点亮。反相驱动器用于增加段控口和位控口的电流驱动能力。6.2 步进电机接口电路 步进电动机具有快速起停,精度高和能够直接接收数字信号等特点,目前步进电动机已广泛应用在数控机床、轧钢机、军事工业、钟表工业以及自动记录仪表等领域。它是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构,当步进电动机接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电动机转动一个步距角,通过控制脉冲的个数来控制步进电动机的角位移量,通过控制脉冲的频率来

46、控制步进电动机的速度,控制换相顺序来控制步进电动机方向,而步进电动机脉冲分配的控制可以通过数字逻辑电路、PLC和单片机等多种控制方法实现。以下就分析8031单片机脉冲驱动步进电动机的换相顺序、正反转和调速等的软硬件实现。 步进电动机的通电换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。如三相步进电动机的单三拍工作方式,各相通电的顺序为A-B-C,四相步进电动机工作在单四拍方式,通电换相正A-B-C-D,反序A-D-C-B,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序控制各相的通电和断电。 本设计采用五相十拍方式控制步进电机,利用8031系列单片机的P1.3-P1.7这5条

47、I/O线,向五相步进电动机传送控制信号。接线图见电气原理图:6.3 步进电机驱动电路设计 从计算机输出口或从环形分配器输出的脉冲信号,电流只有几个毫安,不能直接驱动步进电动机。因此,需要一个功率放大器将脉冲电流进行放大,这个功率放大器就叫步进电动机的驱动电源。步进电动机的运行性能与步进电动机和驱动电源两者密切相关,设计或选择性能良好的驱动电源,对于充分发挥步进电动机的性能是十分重要的,设计中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型。如图6-3所示。 图6-3 步进电机驱动电路6.4 键盘接口电路 键盘是单片机系统实现人机对话的常用输入设备。操作员通过键盘,向计算机系统输入各种数据和命令,亦可

48、通过使用键盘,让单片机系统处于预定的功能状态。键盘按照其内部不同电路结构,可分为编码键盘和非编码键盘二种。编码键盘本身除了带有普通按键之外,还包括产生键码的硬件电路。使用时,只要按下编码键盘的某一个键,硬件逻辑会自动提供被按下的键的键码,使用十分方便,但价格较贵。由非编码键盘组成的简单硬件电路,仅提供各个键被按下的信息,其他工作由软件来实现。由于价格便宜,而且使用灵活,因此广泛应用在单片机应用系统中。 由设计任务可知工作台的控制要求:应能够实现X、Y方向上的快速移动,能够随时显示X、Y向工作台的坐标位置,能够随时停止工作台的运动。其键盘电路设计见附图:设立的键盘的键应该具有:0?9的数字键 、

49、快速移动和停止等功能,共需25个键。如图6-4所示。 图6-4 按键面板图7 软件部分设计7.1 模块组成 同一硬件系统,可采用不同的软件结构和编程方法,在此使用模块化设计方法,有如下模块:(a)主模块,用于初始化和监控(b)子程序模块(c)超界报警、急停处理模块(d)实施修改显示缓冲区数据模块(e)键盘、显示、定时扫描管理模块7.2 缓冲区设置7.2.1 KB缓冲区 主要用于存放RB输入的命令,长度的4bit,地址为8031内部RAM区21H-23H,第一字节用于缓冲区空、满等标志。定义为:(20H)00H缓冲区空,(20H)01-03H区内未处理完命令个数。显然当(20H)03H时即为满,

50、其余3字节方具体命令码,为防止误操作,可进一步规定命令码若为00H,为无效命令从本系统实际情况即从软件流程图可以看出,KB缓冲区很少出现2个或2个以上未处理的命令码,一般只要出现一个,马上就会得到处理。7.2.2 显示缓冲区 主要用于存放预显示的数据。每个字节对应一显示位。地址为8031内部RAM25H-29H,分别对应百位、十位、个位(包括小数点)、10-1位、10-3,除上述缓冲区 ,按需要可设立一些标志位。7.3 中断优先级 模块名 级别 超界报警、急停处理 INTO 高 实时修改显示缓冲区数据T0 KB、DIS定时扫描管理 T1 低7.4 各模块说明及流程图7.4.1 主模块 功能为初始化、监控初始化包括8155初始化、缓冲区清零、定时/技术常数的设置、开中断处理等监控主要判断是否有命令键按下,并按命令调用相应子程序模块。7.4.2 X、Y的快速移动子模块 当XY工作台无载荷空间进时,可调用相应的快速移动模块,以提高工作效其流程图见附图如下:其中(2BH)01H,02H,03H,04H分别表示向X正负方向移动