康波综合课程设计报告

1、机电一体化系统综合课程设计X-Y数控工作台设计说明书（控制部分）学校名称： 杭州电子科技大学信息工程学院学生姓名： 康波 专 业： 机械设计制造及其自动化指导老师： 金成柱 聂欣 季国顺 二一三年十二月 1目 录1.任务书- 2 -1.1 课程设计的目的- 2 -1.2 课程设计的任务和内容- 2 -1.3 需提交的设计成果- 4 -2. 制定总体设计方案- 6 -2.1 总体方案一- 6 -2.2 总体方案二- 7 -2.3 总体方案三- 8 -3 机械传动部件的计算与选型- 10 -3.1 导轨上移动部件的重量计算- 10 -3.2 直线滚动导轨副的计算与选型- 10 -3.3 滚珠丝杠螺

2、母副的计算与选型- 11 -3.4 步进电动机减速箱的选用- 13 -3.5 步进电动机的计算与选型- 13 -3.6 增量式旋转编码器的选用- 18 -4 工作台机械装配图的绘制- 19 -5 工作台控制系统的设计- 20 -5.1控制系统硬件组成- 20 -5.2微控制器的选用- 20 -5.3驱动器件的选择- 21 -5.4控制系统硬件接口电路设计- 23 -6控制系统软件设计- 25 -6.1 控制系统软件总体方案设计- 25 -6.2 主流程设计- 25 -6.3 中断服务流程设计- 26 -7 总结- 27 -8 附录- 28 -9 参考文献- 28 -1.任务书1.1 课程设计的

3、目的机电系统综合课程设计是培养机械设计制造及其自动化学生的一个重要实践性教学环节，它是学完了机械制图、机械设计、数字电子技术、模拟电子技术、微机原理及应用、自动控制工程基础、机电传动与控制、数控技术、微机控制机械系统设计、可编程序控制器原理以及机床工艺等有关专业课，并经过生产实习取得一定的实际知识后，综合运用所学过的机械、电子和计算机知识而进行的一项机电结合的基本训练，其目的是使学生了解机电一体化系统的构成，掌握机械系统元部件设计和微机控制系统及其接口设计方法，培养以机电结合，能设计简单机电一体化系统的能力。正确运用微机控制机械系统设计等课程的基本理论和有关知识，学会X-Y工作台或设备数控化改

4、造方案拟定、分析、比较以及进行必要的计算。通过对X-Y工作台或设备改造的机械部分设计，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。通过设备的电气部分电路设计，掌握机械设备对数控系统和电气线路的要求，掌握简单数控系统或其他电路设计的基本方法和技能。通过课程设计，提高学生对机械设计、结构设计及电路设计的能力。综合运用机电结合的思考方法，以培养学生对数控设备问题的分析能力和解决问题的能力。掌握编写技术文件等基本技能；进一步培养学生应用各种手册和资料的能力。1.2 课程设计的任务和内容 设计两轴联动的数控X-Y运动平台，完成机械系统设计、控制系统设计与相应软件编程，根据试验条件进行调试

5、，完成整个开发系统。表1 主要技术指标题号型号行程台面尺寸底座外形尺寸10HXY-3025XYCBHC1B1H130025024025415550500184（续表1）最大长度L负载重量NX,Y最大移动速度mmin重复定位精度定位精度6785001±0.020.04设计目的：除了满足上表各项指标之外，另外要求满足：切削负载小、运动灵敏度高、低速无爬行；定位精度高；结构轻便，建议机座和滑台采用铝合金；标准组件，独立产品；可直接应用于钻、铣床。主要工作及设计步骤：（1） 从机电一体化系统功能出发，制定总体方案设计1. 理解设计参数，制定3种总体设计方案；2. 分析与比较3种方案；3. 画

6、出选定的总体方案图，并阐述选用该方案的原因。（2） 机械部分的设计1.脉冲当量的决定；2.根据结构参数和运动特性要求，选取合适的步进电机，初步选择电机的类型规格的型号；3.运动部分惯性的计算；4.伺服电机的最后确定。5.机械传动部件的设计、计算与选择；6.导向支承部件的设计、计算与选择；7.正确进行零部件的设计计算，合理选取材料；8.三维造型设计，按国标要求，转化为机械装置装配图与主要零部件图。 （3） 控制硬件系统设计1.确定控制用电机的驱动，制定控制系统框图；2.CPU的选择及其它模块的选择(或可编程逻辑控制器选用)；3.机电一体化系统中的接口电路确定；4.完成控制系统电气原理图的设计。（

7、4） 控制软件系统设计 1. 软件框图统计； 2. I/O接口电路的程序； 3. 编程(生成斜线、曲线、圆弧或图案等，根据生成对象的难易程度打分)；（5） 编写课程设计说明书，要求如下1.说明书是课程设计总结性的技术文件，应叙述整个设计的内容；2.对机械部分和电气部分的设计都要论证设计的合理性，大体方案要有比较，选用的元器件，采用的参数要说明理由，计算部分要附上；3.说明书学术条理清晰、语言简练、文字通顺、字迹端正。1.3 需提交的设计成果1.课程设计说明书一本 (电子文档和打印稿各一份)； 要求：内容完整，图表完备，条理清晰，分析有据，计算精确；2. 三维图张，机械总装配图张至少A，主要零件

8、图不少于张；3. 完整的电路图张(A)，附元器件清单；4.完整的程序流程图及相应的程序代码。1.4 时间安排起止时间：2013年12月23日至2014年 1月10日表2 任务时间进度安排序号时间内容1方案的论证10%2机械部分的设计35%3电气部分的设计25%4编程或调试15%5编写说明书10%6准备答辩5%（续上表2）1.5 参考书目1尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书M.北京:机械工业出版社, 2007.7.2赵松年.机电一体化机械系统设计M.北京: 机械工业出版社, 1997,6.3张建民.机电一体化系统设计M.北京: 北京理工大学出版社,1996,8.4陈强,解云龙.机械系统的微

9、机控制M.北京: 清华大学出版社,1999,8.5周佩玲.微机原理与接口技术(基于16位机) M.北京:电子工业出版社,2004.6吴秀清.微型计算机原理与接口技术M.北京:清华大学出版社,2003.7沈美明.IBM-PC汇编语言程序设计M.北京:清华大学出版社,2002.8张伟.Protel DXP 入门与提高M.北京:人民邮电出版社,2003.2.9钱培怡.电子电路实验与课程设计M.北京:地震出版社, 2002, 6.10各类机电产品设计手册.2. 制定总体设计方案现代科学技术的不断发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透，计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业

10、的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。其工作原理是X、Y向均采用伺服电机，通过齿轮减速和丝杆传动后，带动工作台做X-Y向的运动。如数控机床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控转台的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统和电子元件表面贴装系统等，尽管结构和功能各不相同，但其基本原理相同。因此，选择X-Y数控工作台作为毕业设计选题的主干内容，对于机电一体化设计具有普遍意义。

11、模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副以及伺服电动机等部件组成。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚动丝杆螺母副和伺服电动机等均已标准化，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，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。根据任务书的主要技术指标，结合当前主流的X-Y数控工作台设计趋势，初步拟定如下三种总体方案。2.1 总体方案一2.1.1 机械传动部件的选择1) 导轨副的选用 选用贴塑滑动导轨副。其具有以下特点：摩擦

12、系数低而稳定，比铸铁导轨副低一个数量级；动、静摩擦系数相近，运动平稳性和爬行性较铸铁导轨副好；吸收振动，具有良好的阻尼性，优于接触刚度较低的滚动导轨和易漂浮的静压导轨；耐磨性、抗撕伤能力强、有自润滑作用，无润滑油也可以工作，灰尘、磨粒的嵌入性好；化学稳定性好，耐磨，耐低温，耐强酸、强碱、强氧化剂和各种有机溶剂；维护修理方便，软带耐磨，损坏后更换容易；加工性和化学稳定性好，工艺简单，经济性能好，结构简单，成本低，其成本约为滚动导轨副成本的120。2) 丝杠导轨副的选用 根据任务书的相关数据要求，选用滚珠丝杠螺母副。其具有以下特点：传动效率高，摩擦损失小；能预紧；运行平稳，传动精度高；具有可逆性；

13、磨损小，使用寿命长；制造成本较高；不能自锁；定位精度和重复定位精度高；同步性好；可靠性高。3) 减速装置的选用 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个，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，采用无间隙齿轮传动减速箱。齿轮传动的回差可通过如下几种方式进行控制：偏心套（轴）调整法；轴向垫片调整法；双片薄齿轮错齿消除法；斜齿轮垫片消除法；斜齿轮轴向压簧调整法；锥齿轮传动轴向压簧调整法。本方案中选用锥齿轮传动轴向压簧调整法控制回差。4) 伺服电动机的选用 选用有刷直流伺服电机。其优点是电机成本低、结构简单、启动转矩大、调速范围宽、控制容易，缺点是需要维护、会产

14、生电磁干扰、对环境有要求。5) 检测装置的选用 为确保电动机在运转过程中不受负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟采用光栅式位移传感器。光栅式位移传感器是一种用于高精度直线位移和角位移测量的数字检测系统，其测量精度可以达到±1um。光栅式位移传感器由主光栅（标尺光栅或光栅尺）和副光栅（指示光栅）组成，缺点是价格昂贵，难以在一般机械中普及。2.1.2 控制系统的设计1) 要设计的X-Y工作台准备用于数控铣床上，其控制系统应具有单坐标定位、两坐标直线插补和圆弧插补的基本功能，所以控制系统应设计成连续控制型。2) 选用可编程控制器（PLC）作为控制系统，PLC发展至今，除逻辑控制功

15、能外，另具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能，在机电一体化产品中应用广泛。3) PLC与继电器控制和计算机控制相比具有如下一些特点：可靠性高、抗干扰能力强；控制灵活；安装、调试、维修方便。2.2 总体方案二2.2.1 机械传动部件的选择1) 导轨副的选用 选用直线滚动导轨副，其具有以下特点：摩擦系数低；动、静摩擦系数相近，随动性极好；驱动功率大大下降；适用于高速直线运动，运动速度比滑动导轨提高约10倍；可以实现较高的定位精度和重复定位精度；可以实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度；具有“误差均化效应”；简化了机械结构的设计和制造。2) 丝杠导轨副的选用 根据任务书的相关数据要求，选用滚珠

16、丝杠螺母副。选型理由同方案一。3) 减速装置的选用 采用无间隙齿轮传动减速箱，选用双片薄齿轮错齿消除法控制回差。4) 伺服电动机的选用 选用混合式步进电机。其优点是输出转矩大、动态特性好、步距角小、驱动电流小、功耗低，缺点是制造工艺复杂、成本高。5) 检测装置的选用 为确保电动机在运转过程中不受负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟采用增量式旋转编码器用于测量电机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电机的步距角匹配。2.2.2 控制系统的设计1) 要设计的X-Y工作台准备用于数控铣床上，其控制系统应具有单坐标定位、两坐标直线插补和圆弧插补的基本功能，所以控制系统应设计成连续控

17、制型。2) 选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU，其特点是体积小、重量轻、价格便宜。另外需要选定扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I O接口电路、D A转换电路、串行接口电路等。2.3 总体方案三2.3.1 机械传动部件的选择1) 导轨副的选用 选用矩形直线滑动导轨副。其具有以下特点：易加工制造，刚度和承载能力大，安装调试方便。矩形导轨中M面起支承兼导向作用，起主要导向作用的N面磨损后不能自动补偿间隙，需要有间隙调整装置，适用于载荷大且导向精度要求不高的机床。2) 丝杠导轨副的选用 根据任务书的相关数据要求，选用滚珠丝杠螺母副。选型理由见方案一。3) 减

18、速装置的选用 采用无间隙齿轮传动减速箱，选用偏心套（轴）调整法控制回差。4) 伺服电动机的选用 选用无刷直流伺服电机。其优点是体积小、重量轻、出力大、响应快、速度高、惯量小、电机免维护、效率高、运行温度低、电磁辐射小、长寿命、可用于各种环境，缺点是控制复杂。5) 检测装置的选用 为确保电动机在运转过程中不受负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟采用绝对式旋转编码器用于测量电机的转角与转速。绝对式旋转编码器的分辨力应与步进电机的步距角匹配。2.3.2 控制系统的设计1) 要设计的X-Y工作台准备用于数控铣床上，其控制系统应具有单坐标定位、两坐标直线插补和圆弧插补的基本功能，所以控制系统应

19、设计成连续控制型。2) 选用可编程控制器（PLC）作为控制系统，PLC发展至今，除逻辑控制功能外，另具有算术运算、模拟量处理和通信联网等功能，在机电一体化产品中应用广泛。3) PLC与继电器控制和计算机控制相比具有如下一些特点：可靠性高、抗干扰能力强；控制灵活；安装、调试、维修方便。综合上述各方案优缺点及相关组件的成本，选用方案二作为本综合课程设计设计方案。3 机械传动部件的计算与选型3.1 导轨上移动部件的重量计算工作台重量按照工作台尺寸×材料系数=工作台重量计算，则为上轨部件重量计算 夹具重量估算初定为200N，则总重量为2112N。3.2 直线滚动导轨副的计算与选型1) 滑块承

20、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。本设计中的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： (3.2.1) 其中，移动部件重量G=2112N，外加载荷F=500N，代入计算得=1028N=1.028N。查表3-41，根据工作载荷=1028N=1.028N，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，额定静载荷。任务书规定工作台面尺寸为240×254mm，加工范围为300×250mm，考虑工作行程应留有一

21、定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。2) 距离额定寿命L的计算上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过，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。查表3-36-表3-40，分别取硬度系数，温度系数，接触系数，精度系数，载荷系数，代入得距离寿命： (3.2.2)远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。3.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型1) 最大工作载荷的计算工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直），受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）。已知移动部件总重量G=2112N，按

22、矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： (3.3.1)2) 最大动载荷的计算设工作台的最快进给速度，初选丝杠导程,则此时丝杠转速。取滚珠丝杠的使用寿命,代入,得丝杠寿命系数（单位为：）。查表3-30，取载荷系数,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数,代入求得最大动载荷： (3.3.2)3) 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列1604-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为16mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈1系列，精度

23、等级取5级，额定动载荷为4612N，大于，满足要求。4) 传动效率的计算将公称直径d0=16mm,导程Ph=4mm,代入 (3.3.3)得丝杠螺旋升角。将摩擦角，代入 (3.3.4) 得传动效率。5) 刚度的验算1 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，丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=450mm；钢的弹性模量；查表得滚珠直径，丝杠底径,丝杠截面积。忽略公式中的第二项，算得丝杠在工作载荷作用下产生的拉/压变形量。2 根据公式，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式圈数列数，得滚珠总数量=6

24、0。丝杠预紧时，取轴向预紧力。则由以下公式 (3.3.5)求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量为。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取2=0.00005mm。将以上算出的1和2代入总=1+2，求得丝杠总变形量（对应跨度450mm）总=0.00025mm=0.25m。丝杠的有效行程为300mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在小于等于315mm时，行程偏差允许达到23m，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的临界载荷。查表3-341，取支承系数；由丝杠底径，求得截面惯性矩；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

25、的距离a取最大值450mm。代入得临界载荷，远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。3.4 步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片机构，采用弹簧错齿法消除侧隙。已知工作台的脉冲当量，滚珠丝杠的导程，初选步进电动机的步距角。根据下面公式算出减速比。 (3.4.1)本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。

26、大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75:36，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达55HRC。减速箱中心距为，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。3.5 步进电动机的计算与选型1) 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径，总长，导程，材料密度；移动部件总重力G=2112N；小齿轮宽度，直径；大齿轮宽度，直径；传动比。算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量 (3.5.1)拖板折算到丝杠上的转动惯量 (3.5.2)小齿轮的转动惯量 (3.5.3)大齿轮的转动惯量 (3.5.4)初选步进电动机的型号为90BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，

27、两相八拍驱动时步距角为0.75°，从表4-5查得该型号的电动机转子的转动惯量。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：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。1 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 由公式可知，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，根据公式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有： (3.5.5)考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴

28、上最大加速转矩： (3.5.6) 式中 -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。 -步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。其中： 式中 空载最快移动速度，任务书指定为1000mm/min； 步进电动机步距角，预选电动机为； 脉冲当量，本设计中。将以上各值代入公式，算得设步进电机由静止加速至转速所需时间，传动链总效率。则求得： (3.5.7)移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： (3.5.8)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；传动链总效率，取0.7；则求得：综上，由求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

29、 2 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 由公式可知，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： 其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由以下公式计算。有：代入各值，计算得再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：最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩： 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：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

30、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，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取, 则步进电动机的最大静转矩应满足：初选步进电动机的型号为90BYG2602，由表查得该型号电动机的最大静转矩。可见，满足要求。4) 步进电动机的性能校核1 最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进移动速度，脉冲当量。求得电动机对应的运行频率如下:从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩求出其对应运行频率。在此频率下，电动机的输出转矩，远远大于最大工作负载转矩，满足要求。2 最快空载移动时电动机输出转

31、矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度，脉冲当量。求出其对应运行频率如下： (3.5.9)从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩求出其对应运行频率。在此频率下，电动机的输出转矩，远远大于最大工作负载转矩，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对应的电动机运行频率为3333Hz。查表可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz，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。由公式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为： 上

32、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1132Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即）。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。3.6 增量式旋转编码器的选用本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用于检测电动机的转角和转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。由步进电动机的步距角，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A,B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器分

33、辨力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。本设计选择编码器的型号为ZLK-A-120-05VO-10-H，盘状空心型，孔径为10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压为+5V，每转输出120个脉冲，信号为电压输出，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。4 工作台机械装配图的绘制X-Y工作台机械装配图及相关非标零件零件图见图纸。5 工作台控制系统的设计5.1控制系统硬件组成考虑控制系统中需要不同的稳压电平，因此需要引入电源设计电路；CPU控制电路主要对电机信号进行控制，并接收外部限位开关、暂停和点动输入信号，并根据响应信号对步进电机进行控制；

34、CPU电路为TTL电平，与外部信号电平不一致，需要添加光电耦合器，同时减少外部干扰；CPU输出的电压信号不能直接驱动电机转动，需要经过驱动电路进行电压和电流信号的放大以及对信号脉冲分频处理。5.2微控制器的选用本次设计选用的的是微机控制系统，X-Y数控工作台要求控制系统计算精度较高、处理速度较快；加之在考虑尽量减少成本、选择程序编制较为简易以及方便扩充I/O接口的前提下，我们选择了使用AT89C51作为我们的微处理器，选择此微处理器能够满足任务书给定的相关指标的设计要求。AT89C51单片机主要性能参数及功能特性AT89C51的主要工作特性：· 8031CPU（8051的内核）；&#

35、183; 8KB的快速擦写Flash存储器，用于程序存储器，可擦写次数为1000次；· 256字节的RAM，其中高128字节地址被特殊功能寄存器SFR占用；· 32跟可编程I/O端口：P0、P1、P2、P3；· 2个可编程16位定时器：P3口的第二功能；· 具有6个中断源、5个中断矢量、二级优先权的中断系统；· 1个数据指针DPTR；· 1个可编程的全双工串行通信：P3口的第二功能；· 具有“空闲”和“掉电”两种低功耗工作方式；· 可编程的3级程序锁定位；· 工作电源的电压为(5±0.2)V；&

36、#183; 振荡器最高频率为24 MHz；· 编程频率324 MHz，编程电流1 mA，编程电压Vpp为5 V或12 V。· P1.0口的T2为定时器/计数器，P1.1口的T2EX为具有捕捉/重装操作的定时器/计数器。图4-1为AT89C51单片机原理结构图，从图中可了解到，AT89C51内部结构可分为：内核CPU部分、存储器部分、I/O接口部分和特殊功能部分（如定时器/计数器、外中断控制模块等）。AT89C51单片机的CPU是8位字长，主要包括运算器和控制器两部分。AT89C51单片机芯片内配置有8KB的FLASH程序存储器和256字节的数据存储器RAM，设计时可外扩到最

37、大64KB的程序存储器和64KB的数据存储器，其存储器结构可分为4部分：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。本次设计不作扩展，使用单片机自身提供的8KB FLASH程序存储器和256字节数据存储器RAM能够满足设计要求。AT89C51单片机内部集成了4个可编程的并行I/O接口(P0P3)，每个接口电路都具有锁存器和驱动器，输入接口电路具有三态门控制。P0P3口同RAM统一编制，可以当作特殊功能寄存器SFR来寻址。AT89C51单片机可以利用其I/O接口直接与外围电路相连，本设计将会使用可编程并行接口芯片8255A作为CPU的I/O口的扩展，P0P3口在开机或复位时均

38、呈高电平。5.3驱动器件的选择步进电动机的脉冲分配有多种形式，主要分为硬件环分和软件环分。硬件环分通常由专用集成芯片或通过可编程逻辑器件组成，如CH250是三相反应式步进电动机环行分配器的专用芯片，L297和PMM8713是两相步进电动机的专用芯片等。采用硬件环分时，步进电动机的通电节拍由硬件电路来决定，编程软件时可以不考虑。控制器与硬件环分电路的连接只需两根信号线：一根方向线，一根脉冲线（或者一根正转脉冲线，一根反转脉冲线）。本系统设计选择的是硬件环分，通过AT89C51单片机编程步进电机配套的驱动器BD28Nb，输入电机转动方向信号和驱动脉冲，通过驱动器内部电路的环分电路输出步进脉冲控制步

39、进电机转动，实现数控工作台的功能要求。BD28Nb的性能指标如下：表2 BD28Nb电气特性 （Ti=25） 项 目 指 标 电源电压AC40V、AC18V输入 输出电流2.5A/3A/3.5A/4A可选 步进脉冲频率BD28Fb：0200KHz；BD28Nb：010KHz 逻辑信号电流510mA 绝缘电阻500表3 BD28Nb使用环境及参数 冷 却 方 式 自然冷却 使用环境 温 度 10+50 湿 度 40%90%PH 外 形 尺 寸 64x153x117.5mm 重 量 约 Kg表4 BD28Nb电流选择（对BD28Nb/Fb均有效）通过面板上的设定开关第1，2位选择电流。 位电流 1

40、 2 2.5A 0 0 3A 1 0 3.5A 0 1 4A 1 1方向控制：（1） 通过面板上的设定开关第3位可设定电机运转方向。（2） 外部输入信号Cw电平变化亦可改变电机运转方向。注：电机的初始运行方向与电机的接线有关，互换任意两相可以改变初始运行的方向。步进脉冲输入信号Cp:最大通过频率为200KHz（BD28Fb）或10KHz（BD28Nb）。脉冲的低电平时间应大于500nS。使能信号En：（1） En端外加低电平时，电机响应Cp端输入脉冲运行，Cp端没有信号时，电机处于半流锁定状态；（2） En端悬空时，驱动器切断电机各相的电流使电机轴处于自由状态，此时步进脉冲Cp将不被响应。输出信号A1、A2，B1、B2:接二相混合式步进电动机的出线。5.4控制系统硬件接口电路设计图1 CPU控制P0作为LCD显示控制信号；P1口作为电机脉冲控制输入信号接收端，给步进电机发送脉冲信号；P2口是外部平台运动检测检测信号口；P3口作为矩阵键盘控制口，控制外部信号命令。图2 电机驱动电路通过2个芯片，接受外部电源，转换成步进电机驱动器所需要的电压，然后通过LM78