X-Y数控工作台机电系统设计资料

1、河北工程大学课程设计说明书摘要X-Y数控工作台机电系统设计X-Y数控工作台机电系统设计本次使用一个半闭环控制系统，其结构简单实现方便而且能够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 利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制；使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高.X-Y数控工作台机电系统设计是选用 ATME公司的AT89系列单 片机AT89S51作为控制系统的CPU及2764,6264存储器及8155芯片等硬件组成，在 控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能.其基本思想是：通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工，每进行一段加工都要产生一定的

2、脉冲以驱动电机正反转，同时通过8155将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应 的走刀，电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件 中断控制系统结构及子程序结构简单， 条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构 采用模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多处理方向发展。X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。步进电机是一个 将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场，旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割 磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应

3、的转动，通过输入 脉冲的数量、通电顺序以及输入脉冲的频率来使电动机获得不同的转数、方向以及快慢以实现所需的运动。本次的X-Y数控工作台机电系统设计是步进电机、微型计算机、插补原理、汇编 语言以及CAM综合应用。 具体步骤大概分为以下几部分：一、总体方案的确定； 二、机械部分的设计；三、硬件部分的设计；四、软件部分的设计。本次毕业设计的 研究方案主要从已有资料与所学知识入手， 以当今机械领域对x-y数控工作台的各种 高技术指标需求为出发点，结合前人做出的相关文献来完成本次的毕业设计。作为一个刚刚毕业的大学生，我在此次的毕业设计过程中会遇到种种难题，这需要用心去翻 阅相关资料，虚心向老师询问，在老

4、师的指导下完成该毕业设计。关键词：X-Y数控工作台，机电系统，微型计算机，AT89S51单片机I河北工程大学课程设计说明书目录目 录摘要 IAbstract II1绪论 11.1两坐标数控系统课题研究意义 11.2两坐标系数控工作台课题研究主要内容 11.2.1 两坐标系系统的组成 12任务描述及总体方案的确定22.1设计任务 22.2 总体方案的确定 22.2.1 机械传动部件的选择 22.2.2 控制系统的设计 33机械系统设计 43.1导轨上移动部件的重量估算 43.2 铳削力的计算 43.3直线导轨副的计算与选型 43.3.1滑块承受工作载荷 Fmax的计算及导轨型号的选取 43.3.

5、2 距离额定寿命 L的计算 53.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型53.4.1最大工作载荷Fm的计算53.4.2 最大动载荷 Fq的计算 53.4.3 初选型号 53.4.4 传动效率 n的计算 63.4.5 刚度验算 63.4.6 压杆稳定性校核 63.5 步进电动机减速箱的选用 63.6步进电动机的计算与选型 73.6.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 73.6.2最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2 83.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 83.6.4 步进电动机的性能校核 93.7增量式旋转编码器的选用 104控制系统硬件设计 114.1 CPU 板 114.

6、1.1 CPU 的选择 114.1.2 CPU 接口设计 114.2驱动系统 134.2.1 步进电机驱动电路和工作原理 134.2.2 电磁铁驱动电路 144.2.3 电源转换 154.2.4 中断处理器的选择 154.3 传感器和人机界面 164.4本章小节 175控制系统软件设计 185.1总体方案 185.2主流程图 185.3 INTO 中断服务流程图 205.4 INT1 中断服务流程图 215.5复位程序流程图 235.6 X轴电机点动正转程序流程图 245.7绘制图弧程序流程图 255.8 步进电机步进一步程序流程图 285.9 X向步进电机运行指定距离的半闭环程序流程图和程序

7、 29结论 31参考文献 32致谢 33河北工程大学课程设计说明书第1章绪论第1章绪论1.1两坐标数控系统课题研究意义X-Y数控工作台作为许多机床上的一个重要组成部分，它与机床的发展有着同样 重要的意义。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。随着X-Y数控工作台的多样化，灵活化，自动化，相比于传统机床 的X-Y工作台，它能加工出更加复杂的零件，满足更高的精度要求。对它的研究能增 强我们对机床的更进一步认识，以便运用所学知识去设计出功能更加强大的数控工作 台，为先进机床的设计

8、打下坚实的基础。1.2两坐标系数控工作台课题研究主要内容X-Y数控工作台机电系统设计是选用 ATME公司的AT89系列单片机AT89S51作 为控制系统的CPU,及2764,6264存储器及8155芯片等硬件组成，在控制系统的硬件上 编写一定的程序以实现一定的加工功能.其基本思想是：通过圆弧或者直线插补程序以 实现对零件进行几何加工，每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转，同时通过8155(1)将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀，电机和刀 具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。本课题的基本类容有：一、整体设计方案的拟定；二、机械部分的设计；三、控制系统的硬件、软件

9、设计；四、重要图纸 的绘制。1.2.1两坐标系系统的组成经济型数控机床驱动电机采用步进电机，此次采用半闭环控制，需要选择和计算 主要机械传动部件，如滚珠丝杠、螺母副、步进电机、减速箱、半闭环检测器等，绘 制机床进给传动机构装配图，绘制单片机控制系统的硬件线路图。1河北工程大学课程设计说明书第2章任务描述及总体控制方案的确定第2章任务描述及总体方案的确定2.1设计任务设计一种供立式数控铣床使用的 X-Y数控工作台，主要参数如下：1、立铣刀最大直径 d=20mm；2、立铣刀齿数Z=3;3、最大铣削宽度a 20mm ；4、最大背吃刀量ap =10mm ；5、加工材料为碳素钢或有色金属；6、 X、丫方

10、向的脉冲当量一：y = 0005mm/脉冲；7、X、丫方向的定位精度均为0.01mm ；8 工作台面尺寸为 C*B*H=245mm*225mm*39mm ；底座外形尺寸 C1*B1*H1=445mm*445mm*295mm;力卩工范围为99mmx 99mm；9、工作台空载最快移动速度；10、工作台进给最快移动速度Vxmaxf二Vymaxf =1m/min;11、负载重量 G=295N。2.2总体方案的确定2.2.1机械传动部件的选择(1) 导轨副的选用导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度， 精度与 精度保持性。目前的数控机床采用导轨形式的主要有：滑动导轨，滚动导轨，静

11、压导 轨三类。要设计的X-Y工作是用来配套轻型的立式数控铣床的，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) 丝杠螺母副的选择伺服电机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，由题目给出的要求，定位精度为土 0.01mm,脉冲当量要达到0.005mm,滑动丝杠副不能达到此要求，只 有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、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）减速装置的选用在选择了步进电机和滚珠丝杠副以后， 为了简便起见，还需圆整脉冲当量，

12、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， 可能需要减速装 置，且应有消除间隙机构。为此，本次设计选用无间隙齿轮传动减速箱。（4）伺服电机的选用步进电动机又称脉冲电动机或为阶跃电动机，目前，随着电子技术，控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越模糊； 步进电动机的传 动定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度，若不改变励磁状态则保持一定的状态而静止；广义的定义为，步进电动机是一种受电脉冲信号控 制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电 动机。选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，闭环控

13、制和半闭环控制。， 任务书初选的脉冲当量尚未达到 0.001mm,定位精度也未达到微米级，空载最快移 动速度也只有3n/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步 进电机，以降低成本，提高性价比。（5）检测装置的选用选用步进电机作为伺服电机之后， 可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给 的精度对于步进电机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和 电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转 编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机 的步距角想匹配。考虑到X、丫两个方向的加工范围相同，承受的工作

14、载荷相差不大， 为了减少设计工作量，X、丫两个坐标的导轨副、丝杆螺母副、减速装置、伺服电动 机，以及检测装置拟采用相同的型号与规格。2.2.2控制系统的设计（1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，两 坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。（2）对于步进电动机的开环控制系统，选用ATME公司的AT89系列单片机AT89S51 作为控制系统的CPU能够满足任务书给定的相关指标。（3）要设计一台完整的控制系统，在选择 CPU之后，还要扩展程序存储器、数据 存储器、键盘存储器、I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。（4）选择合适的驱动

15、电源，与步进电动机配套使用。3河北工程大学课程设计说明书第3章机械系统设计第3章机械系统设计3.1导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层 电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。3.2铣削力的计算铣削的方式有立铣和卧铣，假设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣 刀具，工件的材料为碳钢。由设计指导书中的表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：Fc =118a0.85f；.75dq73ap.0 n0.13Z（ 6-11）根据要求选铣刀直径d=20mm,齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削 的情况

16、下，取最大铣削宽度 ae=20mm,背吃刀量ap=10mm，每齿进给量fz=0.1mm, 铣刀转速n=300r/min，贝U由式（6-11）求得最大铣削力：Fc = 1 18* 200'85 * 0.10'75 * 20.73 *1010 * 3000'13 * 3 =1893N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a， 考虑立铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别是：Ff -1.1Fc : 1609N，Fe -0.38Fc : 556N，Ff0.25Fc : 366N。图3-4a为卧式情况，现考虑立铣，则工作 台受到垂直方向的铣削力

17、Fz -Fe -556N，受到水平方向的铣削力分别是Ff和Ffn。今 将水平方向较大的铣削力分配给工作太的纵向，则纵向铣削力Fx=Ff=1609N,径向铣削力 Fy 二 Ffn =366N。3.3直线导轨副的计算与选型3.3.1滑块承受工作载荷Fmax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。本次毕业设计中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。考虑极限情况，即垂直于台面 的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受到的最大垂直方向的载荷为：GFmax = G F（6-12）其中，移动部件重量G=800N，外加载荷F =Fz=556N，代入式（6-12

18、）,最大 工作载荷 Fmax = 756N = 0.756KN .查表3-41，根据工作载荷Fmax =0.756KN ,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Ca =7.94KN ,额定静载荷C°a =9.5KN。任务中规定工作台面尺寸为 230mmX 230mm,加工范围为250mmX 250mm,考虑 工作行程应留有一定余量，查表 3-35，按标准系列，选取导轨的长度为 520mm。 3.3.2距离额定寿命L的计算根据上面选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC工作温度不超 过100oC，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，

19、工作速度较低，载荷不大。查表3-36到3-40，分别取硬度系数匚81、精度系数fR = 0.9、载荷系数为fW =1.5, 代入式（3-33），得距离寿命：L =（ fH fTfc fR 虫）3 x 50 ： 6649 KmfWFmax远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求。3.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.4.1最大工作载荷Fm的计算由前面可知，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杆轴线平行）Fy =1609N，受到横向载荷（与丝杆轴线垂直）Fx =366N，受到垂直方向载荷（与工作台面垂直）Fz =556N。已知移动部件总重量 G=800N，按矩形导轨进行计算，查表设计手册表，

20、取颠覆 力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数u=0.005。求得滚珠丝杆副的最大工作 载荷：Fm 二 kFy u（Fz Fx G）二1.1X1609 0.005X （556 366 800）N ： 1779N3.4.2最大动载荷Fq的计算根据给定的任务要求，工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min初选丝杠导程 ph=5mm则此时丝杠转速n=v/ ph=80r/min。取滚珠丝杆的使用寿命T=15000h，代入Lg =60nT/106,得丝杆寿命系数L°=72 （单位 为：106r ）。查机电一体化课程设计书3-30,取载荷系数fw=1.2，滚道硬度为60H

21、RC寸，取 硬度系数和=1.0,代入式（3-23），求得最大动载荷：Fq -.L；fwfH Fm 8881N3.4.3初选型号由以上计算出的最大动载荷和初选的丝杆导程，查机电一体化课程设计书3-31，选择济宁博特精密丝杆制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杆副，为内循环固定反向器单螺母式，其工程直径为 20mm,导程为5mm,循环滚珠为3圈X 1列， 精度等级为5级，额定动载荷为9309N,大于Fq,满足要求。344传动效率的计算将公称直径d0 =20mm，导程Ph = 5mm，代入二arctanPh/（二d0），得丝杆螺旋 升角几=4°33'。将摩擦角书=10

22、9;，代入“ =tan丸/tan（h+ ），得传动效率耳=96.4%。3.4.5刚度验算1） x-y工作台上下两层滚珠丝杆副的支撑均采用“单推 -单推”式，。丝杆的两 端各采用一对推力角接触球轴承， 面对面组配，左、右支承的中心距约为a = 500mm; 刚的弹性模量 E=2.1 “05MPa查表3-31，得滚珠直径Dw=3.175mm ,丝杆低径 d2 =16.2mm，丝杆截面积 S=n d； /4 = 206.12mm2。f a Ma2忽略式二一空一巴邑中第二项，算得丝杆在工作载荷 Fm作用下产生的拉/压ES 2兀 IEF a变形量二1779 500/（2.1 105 206.12） mm

23、 ： 0.0205mm。ES2）根据公式Z =（二d°/Dw）-3,求得单圈滚珠数Z=20;该型号丝杆为双螺母，滚 珠的圈数 列数为3 1,代入公式：Z Z圈数列数，得滚珠总数量Z 60。 丝杆预紧时，取轴向预紧力Fyj =Fm/3 =593N .则由式（3-27）,求得滚珠与螺纹滚道 间的接触变形量、：2 : 0.0026mm。因为丝杆有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，去、2 二 0.0013mm。3） 将以上算出的、1和学代入、总八1，2，求得丝杆变形量（对应跨度 500mm）'总=0.0218mm = 21.8 m。本例中，丝杆的有效行程为330

24、mm,由表3-27知，5级精度滚珠丝杆有效行程在315 至400mm时，行程偏差允许达到25m，可见丝杆刚度足够。3.4.6压杆稳定性校核根据机电一体化课程设计书公式（3-28）计算失稳时的临界载荷Fk。查表3-34 , 取支承系数fk =1 ;由丝杆底径d2 =16.2mm,求得界面惯性矩I= n d4/64 3380.88mm4;压杆稳定安全系数K取3 （丝杆卧式水平安装）；滚动螺母 至轴向固定处的距离 a取最大值500mm。代入式（3-28）,得临界载荷F 9343n, 远大于工作载荷Fm =1779N ,故丝杆不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杆副满足使用要求3.5步进电动机减速箱的选用

25、为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝 杆和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能的小，今在步进电机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杆的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用装配图中的弹簧错齿法来消除间 隙。已知工作台的脉冲当量：=0.005mm/脉冲，滚珠丝杆的导程p 5mm，初选步进 电机的步距角口 =0.75°。根据机电一体化课程设计书中式（3-12），算得减速比：i 二C ph）/（360、）=（0.75 5） / （360 0.005）=25/12本设计选用常州市新月电机有限公司生产

26、的 JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数 均为1mm，齿轮比为75： 36,材料为45调质钢，齿轮表面淬硬后达到 55HRC。减 速箱中心距为（75 36） 1/ 2mm=55.5mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度为 10mm。3.6步进电动机的计算与选型3.6.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq由选出的丝杆查表可知：滚珠丝杆的公称直径 d0 = 20m m，总长丨=500m m，导 程Ph =5mm，材料密度=7.85 10kg/cm3 ;移动部件总重力G =800N ;小齿轮宽 度d =20mm，直径d1 =36mm ;大齿轮宽度 b2 = 20mm，直径d2 = 75m

27、m ;传动比i =25/12。如表4-1表示，算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杆的转动惯量 JS =0.617kg.cm2;拖板折算到丝杆上的转动惯量 Jw = 0.517kg.cm2 ;小齿轮的转动惯 量 Jz1 =o.259kg.cm2 ;大齿轮的转动惯量 Jz2 = 4.877kg.cm2。初选步进电动机型号为90BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产， 两相八拍驱动时步距角为0.750，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量Jm = 4kg .cm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：Jeq = Jm + Jz1 +（Jz2 +Jw +Js）/i2 =30.35

28、kg.cm2（1）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq1（2）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Tem由式（4-8）可知，Teq1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Tamax ； 部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf ;还有一部分是滚珠丝杆预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 To。因为滚珠丝杆副的传动效率很高， 根据式（4-12）可知，To相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：Te厂Tf(6-13)13根据式（4-9），考虑传动链的总效率n，计算快速空载起动时折算

29、到电动机转轴上的最大加速转矩:Tamax2：'J eqnm6°tan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转速所需时间，单位为S。其中：nm 二曲（6-15）3605式中 vmax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。 将以上各值代入式（6-15），算得nm=1250r/min。设步进电动机由静止加速至nm转速所需时间ta =0.4s，传动链总效率=0.7。则由式(6-14)求得：Tamax

30、_42 二 30.35 10125060沃0.4:<0.7N.m : 1.42N .m由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为:Tf(Fz G)R2 二 i(6-16)式中 J导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005；Fz垂直方向的铣削力，空载时取0；传动链总效率，取0.7则由式（6-16），得:Tf0.005 (0 800) 0.0052 二 0.7 25/12N.m ： 0.002N .m最后由式（6-13），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：Teq1 = Tamax +Tf - 1.422N -m（ 6-17）3.6.2最大工作负载状态下电动机转

31、轴所承受的负载转矩Teq2由式（4-13）可知，Teq2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Tt: 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Tf ；还有一部分是滚珠丝杆预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T。，T。相对于Tt和Tf很小,可以忽略不计。则有：Te厂 Tt+ Tf（6-18）其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 Tt由式（4-14）计算。本次设计中在对滚珠丝杆进行计算时，已知沿着丝杆轴线方向的最大进给载荷Fy "609N，则有:T Ff Ph1 609 0. 005Tt： 0. 8N3m .2二 i 20. 7 25 / 1 2再由

32、式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载（Fz -556N ）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩:Tf叫 Fz G)R2二 i0.005 (556 800) 0.0052兀汉0.7疋25/12N.m ： 0.004N.m最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：Teq2+Tf =0.884N.m（ 6-19）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：Teq = maxTem ,Teq2 =1.422N .m3.6.3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，

33、可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数 K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：Tjma£4Teq = 4 ". 42N2 m.=5. 6J8r8.（6-20）上述初选的步进电动机型号为 90BYG2602，由表4-5查得该型号电动机最大静转 矩Tjmax =6N.m。可见，满足式（6-20）要求。3.6.4步进电动机的性能校核1）最快工作速度时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快工作速度=400mm/ min，脉冲当量：=0.005mm / 脉冲，由式（4-16）求出电动机运行频率 fmaxf =400/（60 0.00

34、5）Hz ： 1333Hz。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图 6-24可以看出，在此频率下，电动机的 输出转矩Tmaxf : 5.6N.m，远远大于最大工作负载转矩Teq2 0.884N.m，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max = 3000mm/min，仿照式（4-16）求出 电动机对应的运行频率 fmax二3000 / （60 0.005）Hz : 10000Hz。从图6-24查得，在此 频率下，电动机的输出转矩Tmax =1.8N.m，大于快速空载起动时的负载转矩 Teq =1.422N.m，满足要求。3）最快空载移动时电动机运

35、行频率校核与最快空载移动速度max = 3000mm/min对应的电动机运行频率为 fmax F0000HZ。查表4-5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Jeq =30.35kg.cm2，电动机转子的转动惯量Jm =4kg.cm2，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq = 1800Hz （查表4-5）则由式（4-17）可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率:614Hz1 J eq / Jm上述说明，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614Hz。实际上，在采用软件升降频

36、时，起动频率选得更低，通常只有100Hz （即100 脉冲 /s）。综上所述，此次设计中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求3.7增量式旋转编码器的选用本次毕业设计任务书中要求采用半闭环控制，因此，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转轴与转速。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：'=0.75°，可知电动机转动一 转时，需要控制系统发出480个步进脉冲。这里选用480线的编码器，可一对一的检 测到实际输出脉冲，将测量误差减到最小。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角

37、，编码器对应输出一个信号。本例选择编码器的型号为 ZLK-A-480-05V0-10-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480个A/B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。河北工程大学课程设计说明书第4章控制系统硬件设计第4章控制系统硬件设计4.1 CPU 板4.1.1 CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型 号很多，而目前市场上应用 MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最 广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。在一些复杂的系统中就不得不考虑

38、使用 16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应 用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统， 它具有较强的运算和扩展 能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。从要设计的系统来看，选用较老的 8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储 器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于 51为内核的单片机的厂家有In tel、ATMELSime ns,其中在CMO器件生产领域 ATMEL 公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEI公司的AT89系列单片机内含Flash 存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不

39、影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件CPU选用AT89S51 AT表示ATME公司的产品，9表示内含Flash存储 器，S表示含有串行下载Flash存储器。AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB 16位定时器2个、中断源6 个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断 0、外部中断1、定时器0和定时器1中 断）、RAM为128B 14位的计数器 WDT I/O 口共有32个。4.1.2 CPU接口设计CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下 所示：图4.1 CPU外部接口示意图AT89S51要完成的任务

40、：(1) 将行程开关的状态读入 CPU通过中断进行处理，它的优先级别最高。(2) 通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。(3) 接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到 LED上，实现人机交互作用。(4) 切削液泵电机要在工作台运行开始前开启，并能实现主轴的有级变速。由于AT89S51只有P1 口和P3 口是准双向口，但 P3 口主要以第二功能为主，并 且在系统中要用到第二功能的中断口， 因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和 可实现性，实际中采用内部自带锁存器的 8155,所以AT89S51 的 I/O 口线分配如下：(1)P1.0-P1.3控制X-Y两个方向步进电

41、机的 A、B的线圈通电，形成A( +)-A (+)B( -)-B ( -)-B(-)A(-)-A(-)-A(-)B(+)-B(+)-B(+)A(+)-A(+)两相八拍正转模式和 A( + )-A( +)B(+)-B(+)-B(+)A(-)-A(-)-A(-)B(-)-B(-)-B(+)A(-)-A(+)的反转模式。P1.4控制切削液泵电机，P1.5控制多速电机。(3) P1.6 口输出控制电磁铁的吸合。(4) P3.2和P3.3两个中断源中INT0优先级最高，它读入行程开关的状态并触 发中断；INT1读入点动、复位、直线插补与圆弧插补开关的状态而触发中断，切削 液的开关和多速电机的启动不作为中

42、断对象，他们是在工作台运行前进行动作的。(5) P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。(6) P2.7 和 P2.6 决定 8155 的 PA PB PC 口 的地址步进电机“二 1 十一驱动1-J步进电机驱动2切削液泵电机-1驱动3卜多速电机1驱动4V）电磁铁ki驱动541外部中断1键盘外部中断2I-./I 1-mi1_ 口卜口1口LP /T t 状态I - 显示I | 状态图4.2AT89S51控制系统图PB口接LED反映当前运行的8个状态：X-禁止、X+禁止、Y-禁止、Y+禁止、手动 X-运行、手动X+运行、手动Y-运行、手动丫+运行。PA口低四位反映触发中断1的4个行程开关的状态

43、。PC 口低6位反映了触发中断2的手动X-运行、手动X+运行、手动Y-运行、手 动Y+运行、复位（RST）、圆弧插补6个开关的状态。4.2驱动系统传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、 定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并 以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力 使笔尖压下。4.2.1步进电机驱动电路和工作原理步进电机的速度控制是经过输出脉冲和反馈信号相比来实现的。设计时的脉冲当 量为0.005mm脉冲，步进电机每走一步，工作台直线行进 0.005mm步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它

44、具有较强的抗干扰性，而且具有保护 CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU1使其烧坏。该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路， 当A相得电时，电动机转动一 步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组 中的能量通过二极管形成续流回路泄放， 从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限 流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。由于步进电机采用的是二相八拍的工作方式(二个线圈A、B),其正转的通电顺序为：A( +)-A( +)B (-)-B(-) -B(-)A(-)-A(-)-A(-)B(+)-B(+)-B(+)A(+)-

45、A(+) 其 反转的 通电顺 序为：A(+)-A ( +)B(+)-B(+)-B(+)A(-)-A(-)-A(-)B(-)-B(-)-B(+)A(-)-A(+)。下图是以74LS194为核心的逻辑电路，为驱动电路提供所需脉冲和二相八拍的驱 动波形，其中输入端的T/F为电机正反控制端；CLI为HOS 4发出的时钟脉冲。 PHAS端为步进电机绕组电流的正反向控制端。二相八拍的控制逻辑电路如74LS194所示：17河北工程大学课程设计说明书第4章控制系统硬件设计CLKCLR11A BeQ QQL74194QED RJJ I1AIOAPhaseAPhase-BI1BIOB图 4.4 74LS19474

46、LS194逻辑电路输出的二相八拍驱动波形如下图所示:CLKPHASEAPHASED七©1"+C0图4.5波形图4.2.2电磁铁驱动电路该驱动电路也米用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分米 用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。18电確铁O图4.6电磁驱动电路图423 电源转换两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电 源。此系统中用到的电源电压为100VAC 12V、5V、1V,为了便于管理和电源容量需 求，就采用了标准的BD28N型驱动电源，输入电压为100VAC通过芯片进行电压转 换得到所需的12V、5V和1V电压100

47、 VAC12VCCLIS S图4.7电源转换电路图电路中在转换芯片的前后有两个电容，前面电容起防止自激作用，后面电容起滤 波作用。此外，在具体应用的过程中，LM7805必须加上散热片。图中只画出了 12V和 5V的电压转换，1V的电压转换与5V的相同。4.2.4中断处理器的选择中断处理器采用或非门，因为当中断中的任意一个中断源发出信号时，CPU都应根据优先级响应中断。o+5VVDaVDbzlNa3, 9KC2AK9A+w或非门逻労符号图4.8中断系统图4.3传感器和人机界面步进电机设置为半闭环反馈电路，工作台不能超过最大行程。因此，必须在X、Y轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个

48、：（1）防止工作台超过最大行程，使电机损坏（2）可以用与定位。所以这4个行程开关就充当了传感器。人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简 洁明了。此系统中共有11个LED LED1灯亮表示X轴负方向禁止通行，LED2灯亮表示 X轴正方向禁止通行，LED3灯亮表示丫轴负方向禁止通行，LED4灯亮表示丫轴正方向 禁止通行，LED5灯亮表示手动使工作台向X轴负方向通行，LED6灯亮表示手动使工作 台向X轴正方向通行，LED7灯亮表示手动使工作台向丫轴负方向通行，LED8灯亮表示 手动使工作台向丫轴正方向通行，LED9亮表示系统通电运行，LED10亮表示切削液电 机开，L

49、ED11亮表示主轴多速电机开。界面上的9个按扭意义为：按扭1是通断电开关，按扭2是向X轴负方向运行的 点动开关，按扭3是向X轴正方向运行的点动开关，按扭 4是向丫轴负方向运行的点 动开关，按扭5是向丫轴正方向运行的点动开关，按扭 6是复位开关，按扭7是执行 绘制圆弧开关，按扭8是打开切削液电机，按钮9是打开多速电机。河北工程大学课程设计说明书第 4 章 控制系统硬件设计图 4.8 中断系统图4.3 传感器和人机界面步进电机设置为半闭环反馈电路，工作台不能超过最大行程。因此，必须在X、Y轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个： （ 1）防止工作台超过最大 行程，使电机损坏（ 2）可以

50、用与定位。所以这 4 个行程开关就充当了传感器。人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简洁明了。此系统中共有11个LED LED1灯亮表示X轴负方向禁止通行，LED2灯亮表示 X轴正方向禁止通行，LED3丁亮表示丫轴负方向禁止通行，LED4灯亮表示丫轴正方向 禁止通行，LED5灯亮表示手动使工作台向X轴负方向通行，LED6灯亮表示手动使工作 台向X轴正方向通行，LED7灯亮表示手动使工作台向丫轴负方向通行，LED8灯亮表示 手动使工作台向丫轴正方向通行，LED9亮表示系统通电运行，LED10亮表示切削液电 机开，LED11亮表示主轴多速电机开。界面上的9个按扭意义

51、为：按扭1是通断电开关，按扭2是向X轴负方向运行的 点动开关，按扭3是向X轴正方向运行的点动开关，按扭 4是向丫轴负方向运行的点 动开关，按扭 5是向 丫轴正方向运行的点动开关，按扭 6是复位开关，按扭 7是执行 绘制圆弧开关，按扭 8是打开切削液电机，按钮 9是打开多速电机。16河北工程大学课程设计说明书第4章控制系统硬件设计第5章控制系统软件设计5.1总体方案对于AT89S51的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。编 译器采用Keil 7.02b。该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编, 也支持C语言编译。同时具有完善的调试功能。5.2主流程图图5.1主程序

52、流程图程序如下：CTLEQU3FF8H;控制口地址PAEQU3FF9H；PA 口地址PBEQU3FFAH；PB 口地址PCEQU3FFBH；PC 口地址CMDEQU99H;控制字ORG0000HAJMPMAIN;主程序入口ORG0003HAJMPINT0IS;外部中断0入口ORG 000BHAJMPTM0IS;定时器0中断入口ORG0013HAJMPINT1IS;外部中断1入口ORG001BHAJMPTM1IS;定时器1中断入匚ORG0100HMAIN:ANL P1，00HSETB IT0;外中断低电平触发SETB IT1MOV A，CTLMOV DPTR，AMOVX DPTR, CMD ;将

53、控制字写入控制端，A 口输入，B 口输出，C 口输入MOVDPTR，PAMOVA, 00HMOVXDPTRAMOVDPTR，PBMOVA, 00HMOVXDPTRAMOVDPTR，PCMOVA, 00HMOVXDPTRASETBEX0;允许外中断0SETBEX1;允许外中断1SETBPX0SETBPX1;设置优先级SETBEA;开总中断LOOP：AJMP LOOP;等待中断在等待中断的过程中，如果有中断到来，先检查中断0的状态，是中断0则进入中断0的中断服务INT0IS，是中断1则进入中断1的中断服务INT1IS。中断服务0是由4个行程开关触发的，它触发后通过单片机读取PA口内容，然后将结果反馈到PB口的LED上。中断服务1有6个中断源，这六个中断源分别是手动 X正方向运行，手动X负方向运行，手动丫正方向运行，手动丫负方向运行，复位和绘制圆弧5.3 INTO中断服务流程图图5.2 INTO中断流程图首先保护现场，将PA 口的内容读出到PB 口中以便LED显示。首先看X方向的 PA1和PAO是否有中断请求，若有，表示在 X方向上工作台的行程按钮已被触动，为 保护工作台，则需发出相应的信号给电动机，即将P1.0或P1