机电一体化课程设计-数控测量机

机电一体化课程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 -数控测量机 北京理工大学自考本科机电一体化 课程设计 题 目 数控测量机 指导老师 专 业 机电一体化 姓 名 学 号 2014年9月23日 - 1 - 设计任务书 2014年[机电一体化工程专业]自学考试本科课程设计任务书 课测4 1. 题目: [数控测量机]设计 2.设计任务: (1) 根据给定条件,确定机械传动系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,确定微机控制系统方案; (2) 进行机械传动机构的设计计算,绘制机械装配图及其部分零件图(1-2个); (3) 进行微机控制系统功能实现技术 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，设计微机扩展和接口电路，绘制控制系统 原理图; (4) 绘制步进电机软件环形分配器程序流框图，并编写其源程序; (5) 撰写设计说明书一份(8000字以上)。 3.给定条件: (1) 行程范围 Z向350mm C向可正反向连续回转 (2) 运动分辨 Z向优于0.01mm C向优于0.1? (3) Z向最大移动速度 2200mm/min C向最大旋转速度 130r/min (4) 被检工件最大尺寸( 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 为钢)φ50mm X350mm (5) 外形尺寸(参考) 700mm X 400mm X320mm (6) 微机部分扩展16k程序存储器容量，16k数据存储器;人机交互部分的数据和程序输入采用4行8列的行列式键盘，状态和信息显示采用8位8段LED数码管;2个行程限位信号(来自Z向直线运动单元)、2个回零开关信号(分别来自Z直线运动单元和C回转单元)及工作方式采用开关量信号输入;电机控制部分包括两个运动单元的控制，电机控制采用软环分和高低压驱动。 4.设计要求: (1)机械结构设计合理,原理正确,制图符合国家标准,图面整洁; (2)微机控制系统功能完备, 包括微机部分，人机交互部分和电机控制部分; (3)设计说明书论述清楚,计算无误,数值单位明确,引用公式及资料有出处。 - 2 - 摘 要 数控测量机在制造行业中的应用相当广泛，它是一种设计开发、检测、统计分析的现代化的智能工具，更是检测产品无与伦比的质量技术保障的有效工具。 数控测量机属于精密仪器，目前市场上流行的是三坐标测量机，它有着广泛的应用场合，汽车工业、半导体工业、塑料工业、机械制造业、航空工业和其他方面。数控测量机以其高精度高柔性以及优异的数字化能力， 成为现代制造业尤其是模具工业设计、开发、加工制造和质量保证的重要手段。测量机在处理不同工作方面的灵活性以及自身的高精度，使其成为一个仲裁者。在为过程控制提供尺寸数据的同时，数控测量机可提供入厂产品检验、机床的校验、客户质量认证、量规检验、加工试验。 关键词:数控测量机，精密，测量 - 1 - 目 录 摘 要 ........................................................................................................................................................ - 1 - 第一章 绪论 ............................................................................................................................................... - 2 - 第二章 机械系统的设计 ............................................................................................................................ - 3 - 2.1 驱动方案 ............................................................................................................................................. - 3 - 2.2 减速器方案 ......................................................................................................................................... - 3 - 2.3 导轨 .................................................................................................................................................... - 4 - 2.4 轴承的选型及其支撑方式 .................................................................................................................. - 5 - 第三章 机械系统设计................................................................................................................................ - 5 - 3.1 旋转运动单元设计 .............................................................................................................................. - 5 - 3.2 旋转—直线运动单元设计 ................................................................................................................ - 10 - 3.3机械部分结构设计............................................................................................................................. - 19 - 第四章 微机数控系统设计 ...................................................................................................................... - 20 - 4.1微机各部分控制电路的原理和特点 .................................................................................................. - 22 - 4.2人机交互部分接口电路 ..................................................................................................................... - 26 - 4.3步进电机接口及驱动电路 ................................................................................................................. - 29 - 总 结 .................................................................................................................................................. - 38 - - 1 - 第一章 绪论 机电一体化课程设计是机电专业的一个重要的实践环节，要求设计者综合所学的知识按任务书设计出所要求的产品，对其中的原理和要求都有比较清晰的认识，包括以下几个方面的: (1) 对以前所学的知识进行巩固，对不清楚模糊的知识进行系统的再学习。 (2) 实践的基础之上，查询相关资料。 数控标测量机是典型的机电一体化设备，它由机械系统和电子系统两大部分组成。机械传动部分负责带动光幕传感器沿Z轴移动，和带着工件C轴转动和定位。电气部分主要由单片机组成的微机控制系统，以协调各个部分的工作，其中包括手动、自动等控制功能等。任务书要求C向转动和Z向移动。 (1) 机械部分的设计 考虑到数控测量机是精密测量机械，机械部件的选择就是围绕选择如何达到要求的精度展开的，导轨选择滚动导轨，电气传动选择步进电机经齿轮减速传到滚珠丝杠的方式来带动工作台运动这一典型传动方式。其中齿轮的消隙采用双齿轮消隙方式，滚珠丝杠的消隙采用双螺母垫片消隙法。 (2)微型计算机控制部分的设计 电子系统(控制系统)一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成，用于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。 微机控制部分是整个系统的核心，这里我们采用8位微机。由于MCS—51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，决定采用MCS—51系列的8031单片机扩展整个系统。电机控制部分包括两个运动单元的控制，电机控制采用软环分和高低压驱动。 (3) 总体方案框图 - 2 - 第二章 机械系统的设计 该数控测量机有一下两个运动单元 (1)旋转运动单元:C向的运动，即由电动机、减速器带动工件做旋转运动。 (2) 直线运动单元:Z向运动，即电动机、减速器、丝杠带动带动测量光幕传感器做直线运动。 每个运动单元都是由电机带动减速器做运动，由此可知机械设计内容总体包括三大结构: (1)工作台滑动结构:工作台板、导轨/滑块、底板 (2 传动结构:电机、减速器(齿轮传动)、丝杠螺母传动 (3)连接和支撑结构:螺纹连接、轴承、轴的支撑 围绕这两个运动对数控测量机进行初步的分析，包括对硬件的选型等，然后进行具体的计算。 2.1 驱动方案 伺服系统可以按照有无反馈分为开环、闭环和半闭环三种类型。 开环伺服系统中没有反馈回路，不需要速度及位置检测装置，指令信号为单方向传送。开环伺服系统在负荷不大时多采用功率步进电机作为伺服电机。开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单、调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。经济型数控机床大多采用开环伺服系统。 闭环、半闭环控制系统都带有位置检测元件和反馈回路，检测反馈元件用于检测实际位移量，并通过反馈回路将实测位移量回馈给数控装置的比较元件，比较元件将实测位移量与指令位移量进行比较后按照差值驱动控制系统执行元件，使其不大于系统的传动误差，因而伺服系统控制精度高。闭环与半闭环的区别在于检测元件的安装位置不同，前者将检测元件直接装在机械运动末端执行件上，检测量是线位移;后者将检测元件装于电机轴或丝杠轴上，检测量是角位移。 驱动方案可以有二种:一是采用交流或直流伺服电机的闭环或半闭环伺服驱动，一般用于精度高、速度快的装置。二是采用步进电机的开环驱动，一般用于精度、速度要求不高、成本较低的装置。测量机由于速度不高，可采用第二方案。 2.2 减速器方案 常见减速机的种类 - 3 - (1)蜗轮减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。 (2)谐波减速机的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。输入转速不能太高。 (3)行星减速机其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。 对比以上各种齿轮的特点及其涡轮杆副的传动特点，本次的数控测量机采用圆柱直齿轮作为减速方案。 2.3 导轨 直线滚动导轨具有摩擦因数小，不易爬行、便于安装和预紧、结构紧凑等优点，广泛应用于精密机床、数控机床和测量仪器等。其缺点是抗震性较差、成本较高。直线滚动导轨副由导轨和滑块两部分组成，一般滑块中装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚到滑块端部时，会经端面挡板和滑块中的返回轨道返回，在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。如下图: - 4 - 滑动导轨，是一种做滑动摩擦的普通导轨。滑动导轨的优点是结构简单，使用维护方便，缺点是未形成完全液体摩擦时低速易爬行，磨损大，寿命短，运动精度不稳定。滑动导轨一般用于普通机床和冶金设备上。如下图: 由于滚动导轨的特点，本次数控测量机采用滚动导轨，同时由于采用减速器，还可以克服其导轨的阻尼系数小，容易产生震荡的特点。 2.4 轴承的选型及其支撑方式 在滚动摩擦下工作的轴承。滚动轴承使用维护方便，工作可靠，起动性能好，在中等速度下承载能力较高。与滑动轴承比较，滚动轴承的径向尺寸较大，减振能力较差，高速时寿命低，声响较大。滚动轴承中的向心轴承(主要承受径向力)通常由内圈、外圈、滚动体和滚动体保持架4部分组成。内圈紧套在轴颈上并与轴一起旋转，外圈装在轴承座孔中。在内圈的外周和外圈的内周上均制有滚道。当内外圈相对转动时，滚动体即在内外圈的滚道上滚动，它们由保持架隔开，避免相互摩擦。推力轴承分紧圈和活圈两部分。紧圈与轴套紧，活圈支承在轴承座上。 本次的设计采用滚动轴承，对于旋转运动单元，只有齿轮减速箱用到滚动轴承，由于没有轴向载荷，因此选用深沟球轴承作为径向支撑，对于旋转到直线运动的单元，其齿轮减速箱和滚珠丝杠都要用滚动轴承，滚珠丝杠由于有轴向载荷，因此要对丝杠的径向和轴向都进行支撑，支撑方式采用两端固定的支撑方式，每一段选择一个深沟球轴承和一个推力轴承组合来支撑。 第三章 机械系统设计 回转体有两个运动单元，直线和直线-旋转运动，每个运动单元的计算单元都不一样。过程如下: 3.1 旋转运动单元设计 旋转运动单元由步进电机、齿轮减速箱和夹具组成，夹具采用三角自定心卡盘，步 - 5 - 骤大致如下: (1)根据给定旋转精度，确定电机步距角; (2)根据旋转精度和步距角，确定减速器的相关参数; (3)计算负载转矩，确定步进电机的型号; 详细计算过程如下; ,b 3.1.1 电机步距角的计算 对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就回转一个固定的角度，叫步距角。电机的总回转角和输入脉冲数成正比，而电机的转速则正比与输入脉冲的频率。步进电机的步距角越小，意味着它能达到的位置精度越高。步距角的大小与通电方式及转子齿 ,b数有关。在步进电机技术数据中，是以分数形式给出两个数，其中分子所示的步距角是表示通电方式是双拍，分母示出的步距角表示通电方式是单拍。任务书要求的精度是0.1度，这里初选步距角0.36?。 3.1.2 计算传动比i ,b,p 旋转精度为0.1度，步距角为0.36度，则旋转传动系统的传动比i ,b0.36 i,,,3.6 ,p0.1 确定总的传动比后，下面求各级齿轮的参数。 一般的传动比1?i,2，选择一级传动;当2?i,4，选择二级传动，本次传动比为3.6，所以选择二级传动，根据轮系最佳速比近似分配条件 21ii2, 2 计算得到 Z2i1,,1.72 Z1 Z4i,,2.092 Z3 为了便于选择齿轮齿数，将各级传动比稍作修改为 - 6 - Z2i1,,1.8 Z1 Z4i,,2.02 Z3 因为测量机Z向进给运动只是带着传感器运动，负载较轻，系统伺服系统功率不大，因此取模数m=2。选择Z1,20，算出Z2,36，由Z3,20，则Z4,40，由上得知齿轮几何参数如下表: 齿数 Z 20 36 20 40 分度圆 d=mz 40 72 40 80 da,d，2m齿顶圆 44 76 44 84 df,d,2，1.25m齿根圆 35 67 35 75 齿宽 (6,10)m 20 20 20 20 中心距 56 60 A,(d1，d2)/2 3.1.3步进电机型号的选择 (1) 转动惯量的计算 根据被检测工件的最大尺寸为φ50mm X350mm，由此可以自定心卡盘的最大外径为100mm，其厚度大约为40mm，其材质均为钢。 ,34 J,0.78，10，DL 其中 D—圆柱体直径(cm); L—圆柱体长度(cm)。 负载各部分的转动惯量如下: -3422Jcmkgcm工,，，，,()0.78105.035kg.17.0625. -3422 J夹,(0.78，10，10，5)kg.cm,39kg.cm -3422Jcmkgcm1,，，，,()0.781042kg.0.399. -3422 J,(0.78，10，7.2，2)kg.cm,4.192kg.cm2 -3422Jcmkgcm3,，，，,()0.781042kg.0.399. - 7 - -3422 J,(0.78，10，8，2)kg.cm,6.39kg.cm4 2J4其中—齿轮及其轴的转动惯量(); J1 J2 J3kg.cmZ1 Z2 Z3 Z4 2J工 —工件的转动惯量(); kg.cm 2—夹具的转动惯量()。 kg.cmJ夹 2负载折合到电机上总的转动惯量()为 kg.cmJ, 22，，Z1Z3,,,, ,，，，，，，，，，JJ1J2J3J4J工J夹,,,,,,Z2Z4,,,,,,，， 22,,，，2020,,,,,,2,，，，，，0.3994.190.3996.3917.062539.kgcm，，，，,,,,,,,, 3640,,,,,,,,，，,, 2,6.6342.kgcm (2) 估算启动转矩 在数控测量机的旋转运动单元中，负载的加速度转矩占启动转矩的比例较大， 因此根据负载的加速度来估算电动机的启动转矩，然后选择电动机的型号。 taTmax设电动机的启动加速到最大转速的启动时间=0.03s，则最大加速度转矩 (N.cm) πnninimaxmaxmaxii2,,,222,,，,，,，,TJJJJmax1010106060，60ta，，ttaa ππ22 π，，21303.6,2 ,，，6.634210.Ncm ，600.03 ,108.378.Ncm 2kg.cmJ其中，—负载这算到电机轴上的总等效的转动惯量(); 2,rad.s —电机最大角加速度(); r.minnmax —电机最大转速(); r.minnimax —电机最大转速(); i —传动比。 - 8 - Tq 步进电机的启动转矩(N.cm) Tq,kTimax k为安全系数，选择k=1.3,1.5，代入数据得 TkTNcmNcmqi,,，,max1.5108.378.162.567. Tjmax (3) 计算最大静转矩 Tjmax最大静转矩表示步进电机所能承受的最大静态负载转矩与启动转矩有关系，最 大静态转矩与步进电机的通电方式有关，看下表 相数 三相 四相 五相 步进 电机 数拍 3 6 4 8 5 10 ,0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 =Tq/Tjmax 取步进电机的通电方式为三相6拍，则最大静态转矩 Tjmax Tq162.567Tjmax= ,,187.722.Ncm ,0.866 fk(4) 计算最高启动频率 360360130nlmax，=7800Hz fk,, ,60600.1p， r.min其中，—工件最大转速(); nlmax —旋转精度()。 p:/步, (5) 初选步进电机型号 根据计算出的最大转矩，由下表查出选用SM3910/LWA，其额定转矩4N.M远Tjmax 大于2.45N.m。 - 9 - (6)校核转矩 2表中J=2.2kg.cm M 2传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J?(kg.cm)可由下式计算: 2 JJJ,，,，,L2.26.63428.8342kg.cm,M 则步进电机的启动转矩(N.cm) Tq πnninimaxmaxmaxii2,,,222,,，,，,，,,,TJJJJ1010106060，a60t，，aatt ππ22 π，，21303.6,2 ,，，8.834210.Ncm ，600.03 ,144.318.Ncm Tjmax则最大静态转矩 T144.318qTjmax,,,166.649N,cm,0.866 它小于步进电机SM3910/LWA额定转矩4N.M，且有较大的余地，因此选这个是合适 的。 3.2 旋转—直线运动单元设计 3.2.1滚动导轨的确定 (1)滚动导轨形式 工作载荷是影响导轨副使用寿命的重要因素。这里测量机属于小型设备，采用双导 轨、两滑块的支撑形式。 - 10 - (2)导轨长度 根据350mm行程范围及连接台的尺寸，确定: 动导轨长度 lB=65mm 动导轨行程 l=350mm 支承导轨长度 L=lB，l=415mm (3)最大工作载荷的计算 根据采用的光幕传感器LS-7070的外形尺寸，确定承载光幕传感器的连接台的尺寸 (长×宽×高)为300×108×87，材质为钢，计算其重量为 ,3,2,(300，108，87，10，7.8，10)NG1 ,220 光幕传感器LS-7070的重量约为20N，因此移动部件的总重量G=(220+20)N=240N。 滑块承受的负荷就是光幕传感器及其连接台重量为0.24kN，也即是最大做工载 ,,Pc,Pmax，Pz,Pmax，0.05C,0.24，(11.38，0.05)kN,0.809kN荷 Pc其中，—最大工作载荷; Pmax —滑块上的工作载荷; Pz —预压力载荷; C—基本动额定负载。 (4)距离额定寿命的计算 直线滚动导轨副的寿命计算，是以在一定载荷下行走一定距离后，90%的支撑不发 生点蚀为依据。这个载荷称为额定动载荷Ca,该行走距离为距离额定寿命。滚动体为球 ffC时，可按下式进行计算: 1，1，11.38 L，50km，50kmht331，0.809fP,,()()wc ,137200km 式中，L—距离额定寿命，单位为Km; C—基本动额定负载，此处经查表是11.38KN; Pc—滑块上的工作载荷，单位为KN，这里是0.809KN ; fh—硬度系数，查表得1; - 11 - ft—温度系数，查表得为1.0; fw—负载系数，查表为1.0。 代入数据计算得到距离寿命L=137200km (5)产品型号选择 我这里采用采用台湾上银滚动直线导轨的HG系列的四方型上锁式，型号为HG15。 3.2.2 滚珠丝杠的设计计算 (1)计算丝杠轴向力Fm 回转体数控测量装置是点位控制系统，对系统的动态性能要求较高，要求能快速移动，因此作用在滚珠丝杠的轴向的力应该以移动部件的惯性力为主，同时包括移动部件的重量作用在滚动导轨上的摩擦力。设系统要求移动部件能在1s内从正向最大移动速 F惯度加速到反向最大移动速度，其产生的惯性力 22，，2240vvGvGmaxmaxmax,,()26惯FamNN,,,,,179.6aatgtg，19.8 式中，m—移动部件的质量(kg); Vmax—移动部件最大移动速度(m/s); G—移动部件的重量(N); g—重力加速度; ta—加速时间(s)。 移动部件的重量作用在滚动导轨上的摩擦力F摩 F摩=fG=0.005×240N=1.2N f为滚动导轨的摩擦系数，f=0.0025,0.005，此处取0.005。 丝杠轴向力Fm Fm=F惯+F摩=179.6+1.2=180.8N (2)计算最大动负载C 最大动负载是选用滚珠丝杠的重要依据，在选用滚珠丝杠副的直径d0 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转(10ˆ6转)后，在它的的滚道上不产生点蚀现象。所谓点蚀是指在接触变应力的反复作用下，在节线附近的滚道面上会产生若干小裂纹，封闭在裂纹中的润滑油在压力的作用下，产生楔挤作用，使裂纹不断扩展， - 12 - 最后导致表层金属微粒脱落，而形成点蚀。这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动载荷C，查综合作得计算公式: 3C,LfwFm 1000v60nTs,nL,6L100 610式中，L—寿命以为单位; n—丝杠转速 (r/min); Vs—为工作台的最大进给速度 (m/min),，任务书上要求的Z向最大移动速度为2200?/min; L0— 丝杠导程 (mm),我们初选导程为4mm; 导程L0应根据机床的脉冲指令要求和负载情况来选择。当名义直径D0确定后，L0值大，可使螺纹的升角β变大，效率低，相应的转速会降低。 T— 为使用寿命(h),对于数控机床取15000 h; Fw—运转系数，其中在无冲击运转的状态下fw 取1.0,1.2 ，我们取1.2; 因此带入数据依次求得转速: 22001000vs ==550r/min ,n L40 60nT6055015000，，寿命:L== ,495661010 33最大动载荷 C=fF= L4951.2180.81716.25171.625，，,,Nkgfwm 我们初步选择台湾上银滚珠丝杠系列精密滚珠丝杠副，这种系列的产品精度等级高，主要用于受力不大，作定位用的场合。我们选择FSW系列的16-4B1这种型号的滚珠丝杠，其参数如下表: - 13 - 动负荷439kgf远远大于171.625kgf，综合考虑合适。 (3)刚度验算和稳定性核算 由于杠轴向力Fm小，且丝杆的长度较短，因此只要对丝杠螺母及支承丝杠的轴承 进行预紧，刚度和稳定性是满足系统要求的。 3.2.3 传动比计算 已确定脉冲当量δp=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程L0=4mm，初选步进电动机步距角 为0.75?，计算传动比i ,0.75，45L0bi ==, 360,360，0.016p 5Z2可以确定齿轮齿数为:i == Z=30，Z=25或者Z=42，Z=35 2121Z61 齿轮的模数取m=2。由于只有一级齿轮，因此选用调整中心距的方法来消除齿轮间隙。 齿轮有关参数参照 Z 25 30 35 42 齿 数 dmz,50 60 70 84 分度圆 ddm,，254 64 74 88 齿顶圆 a ddm,,，21.25f45 55 65 79 齿根圆 (3~5)m 10 10 10 10 齿 宽 Add,，()/255 77 中心距 12 3.2.4步进电动机的计算和选型 步进电动机驱动惯性体时的运动方程为: d,TTTJJT,，,，，()aLMLLtd 2式中，J—步进电动机转子惯量(kg?cm); M 2 J—负载折算到电机轴上的总等效转动惯量(kg?cm); L ω—步进电动机角速度(rad/s); T—等效负载转矩(N?cm); L T—加速转矩(N?cm); a T——步进电机所需转矩(N?cm)。 加速转矩T在变速区内进行驱动时根据加减速而定。如图4-3所示。 a - 14 - -3 直线加速、减速图形 图4 直线加速时加速转矩T a 2,,ff,b21TJJ,，()aML360t1 式中， f—自启动区的脉冲速度(pps); 1 f—变速区的脉冲速度(pps); 2 t—加速时间(s); 1 ,—步距角(?/步)。 b 根据步进电动机驱动惯性体时的运动方程来计算所需转矩时，需要知道等效负载转 矩T、加速转矩T、等效转动惯量J、电动机转子转动惯量J及加速时间t。由于尚LaLM1 未选取具体型号的步进电动机，转动惯量J是未知的，因此计算时加速转矩时，转动M 惯量J不加进去，算出来后的再乘以一个1.3的安全系数就是所需的加速转矩。下面M 进行具体的计算。 (1)等效负载惯量JL 2负载折算到电机轴上的总等效转动惯量J(kg?cm) L 22,,,,LZG,,01JJJJ,，，，,,,,Ls12,,,,2,Zg,,,,2,, 2式中，J—齿轮Z其轴的转动惯量(kg?cm); 11 2 J—齿轮Z的转动惯量(kg?cm); 22 2 J—丝杠转动惯量(kg?cm); s L—丝杠导程(cm); 0 G—移动部件重量(N)。 对于钢质圆柱体，其转动惯量 - 15 - ,34JDL,，，0.7810 其中，D—圆柱体直径(cm); L—圆柱体长度(cm)。 齿轮的直径级宽度前面已经算出，丝杠的长度根据行程范围及移动部件的尺寸确定 为450mm，齿轮与丝杠的转动惯量如下: -3422J,(0.78，10，5，2)kg.cm,0.975kg.cm 1 -3422J,(0.78，10，6，2)kg.cm,2.022kg.cm2 -3422 Jscmkgcm,，，，,()0.78101.445kg.0.135. G=240N 代入公式得 22，，,,LZG,,01L，，JJJJ,，，，s,,,,,,122,Zg,,,,,,2，， 2252400.4，，，，,,,,20.9752.0220.135.kgcm,，，，,,,,,,69.82,,,,,,,，， 22.542.kgcm, (2)估算步进电动机起动转矩T(N?cm) q 步进电动机起动转矩T(N?cm) q TTT,，qaLmax 式中，T—等效负载转矩(N?cm); L T—最大加速转矩(N?cm)。 amax 最大加速转矩可以根据负载的最大加速转矩乘以一定的安全系数来估算步进电动 机的起动转矩，然后初步选定步进电动机型号。 设电机起动加速到最大转速的起动加速时间t=0.03s，则最大负载加速度转矩TaLamax (N?cm) 22000.75，vmax,b nmax,,,458.33360p,3600.01， - 16 - ,2nn210,，,2maxmaxlaLLLmaxTJJJ,,，,，,10 6060，ta，ta 2, ,22458.3310，，,,，,2.54240.669.Ncm 600.03， 2式中，J—负载折算到电机轴上的总等效转动惯量(kg?cm); L 2 ε—电机最大角加速度(rad/s); n—电机最大转速(r/min); max v—最大移动速度转速(mm/min)，2200mm/min; max t—加速时间(s)，0.03s; a ,—步距角(?/步)，0.75?/步; b δ—脉冲当量(mm/步)，0.01mm/步。 p 起动加速转矩T(N?cm)等于负载加速转矩T(N?cm)乘以一个1.3的amaxLamax安全系数估算得到 TTNcmNcmaLamaxmax,,，,1.31.340.669.52.87. 等效负载转矩T(N?cm)可以由下式计算: L TTT,，Lfo FLfGLfGLZo0001,,,TfZ22,,,,iZ222,,Z1 FLpo02,,(1),Too2i,, 式中，T—等效摩擦转矩(N?cm); f T—附加摩擦转矩(N?cm); o F—导轨的摩擦力(N); o G横向移动部件的重量，单位为N; — f—导轨的摩擦系数; L—滚珠丝杠导程(cm); o i—齿轮传动比; F—滚珠丝杠预加负荷(N)，一般轴向力的1/3; po - 17 - η—滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取?0.9 o η—传动链总效率，一般可取0.7~0.85。 由于轴向力和摩擦力都比较小，因此在估计起动转矩时，等效负载转矩可以忽略， 起动转矩近似等于最大加速转矩，即 TTNcmqa,,max52.87. (3)计算最大静转矩T jmax 最大静转矩T表示步进电动机所能承受的最大静态负载转矩，与起动转矩的关系jmax 见下表。最大静转矩与步进电动机的通电方式有关，可根据它在步进电动机技术手册中 初选步进电动机。 步进电机启动转矩与最大静转矩的关系 相数 三相 四相 五相 六项 3 6 4 8 5 10 6 12 拍数 ,,TT/0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 qjmax 若取三相6拍，则 TTNcmjqmax,,,/52.87/0.86661.05., (4)最高起动频率f(Hz) k v2200max k,,,3667fHz,p，60600.01 式中， v—最大移动速度(m/min)，为2200mm/min; max δ—脉冲当量(mm/步)，为0.01mm/步。 p (5) 初选步进电动机型号 - 18 - 根据估算出的最大静转矩Tjmax步进电动机技术手册中查出SM368/LHA的最大静转矩为150N?cm大于三相6拍时的最大静转矩 Tjmax=66.86N?cm，而且有较大的余量，因此决定选用SM368/LHA步进电动机。 (6) 校核转矩 SM368/LHA的转子转动惯量JM=0.38kg?cm，因此传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J (kg?cm2)为 2JJJ,，,，,L0.382.5422.922kg.cm,M 步进电动机起动转矩T(N?cm) q ,2nn210,，,2maxmaxq,,,TJJJ,,，,，,106060，ta，ta 2, ,22458.3310，，,,，,2.92246.75.Ncm 600.03， 最大静转矩T(N?cm) jmax TTNcmjqmax,,,/46.75/0.86653.98., SM368/LHA的最大静转矩为150N?cm大于三相6拍时的最大静转矩 T=53.98N?cm，jmax而且有较大的余量，因此SM368/LHA满足转矩要求。 3.3机械部分结构设计 为回转体数控测量装置装配图，设计时可以考虑以下问题: (1) 滚珠丝杠两端通过轴承和轴承座进行支承，为保证滚珠丝杠与滚动导轨在垂直面的平行度，需要利用轴承座螺钉过孔来调整。调整方法是，先调松轴承座紧固螺钉，然后左右微微移动两个轴承座，指导丝杠转动灵活后，调紧紧固螺钉，并打入圆锥销定位。滚珠丝杠与滚动导轨在水平面的平行度靠刮研轴承座底面，或通过在轴承座和底座之间加装垫片，靠修磨垫片的厚度来保证水平方向的平行度。 (2) 滚珠丝杠左右各采用一个深沟球轴承和推力球轴承，以支承丝杠和进行轴向固定。当丝杠受到向左的轴向力时，通过丝杠右端的圆螺母传给推力球轴承动圈、钢球，经不动圈传给轴承座端盖再传到底座。当丝杠受到向右的轴向力时，通过丝杠左端的圆螺母传给推力球轴承动圈、钢球，经不动圈传给轴承座端盖再传到底座。回转单元的主轴采用两个深沟球轴承和一个推力球轴承来进行支承和轴向固定。由于主轴只有在一个方向有轴向力的作用，因此只采用了一个推力球轴承，其轴向固定的过程是这样的，当 - 19 - 主轴受到顶尖通过工件作用的向左的轴向力时，主轴的轴颈就作用推力球轴承的动圈，经过钢球传到不动圈、挡圈、深沟球轴承外圈、轴承端盖，最后到主轴箱。向右的轴向力非常小，深沟球也具有承受一定的轴向载荷的能力，因此不再采用推力球轴承。必须注意丝杠所受的轴向力必须传到底座上，另外要注意推力球轴承不动圈和轴颈之间必须画出空隙。 (3)本设计中回转单元齿轮的消除间隙采用了两个薄片齿轮，中间开有三个月牙形的槽放入压簧，并用三个内六角圆柱头螺钉固定。这种消隙齿轮的装配顺序是:首先将双片齿轮相对转动一个齿距，使双片齿轮的齿对齐，弹簧受压，上紧螺钉，装入箱体后，将螺钉松开，弹簧将双片齿轮沿周向错开，以消除齿轮间隙，然后将螺钉上紧。因而在设计时，要留有可伸入六角扳手的孔。弹簧两端用削编的销子压住。直线单元齿轮的间隙采用调整中心距法来消除。当然，也可以在齿轮箱和底座之间加垫片，用修磨垫片的厚度来改变两齿轮的中心距，从而消除齿轮间隙。 (4)本设计的丝杠采用的是单螺帽的丝杠，有两种预紧方式，其一为“过大钢珠预紧方式”，此种方式的比珠槽空间大使钢珠产生4点接触。另一种称为“导程偏移预紧 ,方式”，在螺帽节距上有值的偏移，这种方式来取代双螺帽预紧方式，并在较短螺帽长度及其小预压力拥有较高刚性，然而此方式不适用太高预紧力。最好将预紧力控制在5%负荷以下。 第四章 微机数控系统设计 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控 - 20 - 制的结构框图。 数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。 车床硬件电路由以下五部分组成。 (1)主控制器，即中央处理单元CPU (2)总线，包括数据总线，地址总线和控制总线。 (3)存储器，包括程序存储器和数据存储器。 (4)接口，即I/O输入/输出接口电路。 (5)外围设备，如键盘，显示器及光电输入机等。 任务书要求微机部分扩展16K程序存储器，这里我们选2片2764程序存储器，用于数控软件程序，其中包括系统总控程序、初始化、故障处理显示程序、z轴和c轴的运动伺服控制、系统自检、不同工作方式运动规律控制等子程序，用这些的目的是为了完善和发挥计算机的硬件功能，从而使该系统能完成各种运动规律的控制过程，以配合测量机检测处理数据部分的需要。 任务书还要求16K数据存储器，我们选2片6264数据存储器，用于数据的暂存、缓冲以及运算结果的存放，也可用于设定标志位。 外围设备中的输入接口行列式键盘和显示电路合在了一起，以节省IO口线。LED显示器采用共阴极显示器，其中在进行键盘巡回扫描时，必须先关显示，有关键盘和显示器的工作必须经过软件的协调处理后才能达到预期的效果。 2个行程限位信号(来自Z向直线运动单元)、2个回零开关信号(分别来自Z向直 - 21 - 线运动单元和C回转单元)及工作方式报警指示等开关量信号输入分别分配到片机和IO扩展芯片8155和8255的IO口。 电机控制部分Z向采用三相的步进电机，C向同样采用三相的步进电机，功率放大电路部分采用高低压驱动电路，采用软环分把驱动步进电机的脉冲按所需的顺序供给电机各相，优点控制灵活方便，缺点是所需要的IO接口接线数多。 在步进电机驱动电路中，利用软环分程序单片机输出的信号经过放大后，控制步进电机的励磁绕组，由于步进电机所需要的驱动电压较高(几十伏)，电流也较大(几安到几十安)，如果将IO口输出信号直接于功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，当输入信号加到输入端时，发光二极管导通发出红外光，光敏晶体管受光照射后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。 4.1微机各部分控制电路的原理和特点 4.1.1 MCS-51系列单片机简介 MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品:8031、8051和8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8751具有片内EPROM,但价格是8051的10,15倍，所以适合于开发样机，小批量生产和需要在现场进一步完善的场合。8051的EPROM程序是Intel公司制作芯片时为用户置备的，因此在国内很难采用8051型芯片。而8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。因此选用8031芯片。 8031单片机具有以下特点: (1)具有功能很强的8位中央处理单元(CPU) (2)片内有时钟发生器(6或12MHz)、每执行一 ,s条指令时间为2或1。 (3)片内具有128字节RAM。 (4)具有21个特殊寄存器。 (5)可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字 节的外部程序存储器。 (6)具有4个I/O口，32根I/O线。 - 22 - (7)具有2个16位定时器/计数器。 (8)具有5个中断源，配备2个中断优先级。 (9)具有一个全双工串行接口。 (10)具有位寻址能力，适用逻辑运算。 4.1.2 8031与存储器扩展电路的连接 MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结 构紧凑。对于简单的应用场合，MCS-51系列的最小系统用一 片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂 的应 用场合，可利用MCS-51的扩展功能，构成功能强、规模较大 的系统。 8031单片机共有P0、P1、P2、P3四个8位口，32根I/O 口线，其中P0.0,P0.7(AD0,AD7)是I\O端口0的引脚， 端口0是一个8位漏极开路的双向I\O端口，在存取外部存储 器时，该端口分时地用低8位地址线和8位双向的数据端口(在 此时内部上拉电阻有效)。P2.0,P2.7是端口2的引脚，端口 2是一个带内部上拉电阻的8位双向I\O口，在访问外部存储 器时，它输出高8位地址A8,A15。因此，8031的程序存储器 162的寻址空间为64K()字节，8031片内不带ROM，用作程序 存储器的器件是扩展的EPROM，ROM空间是单片机用于存放代 码和表格数据。 (1)地址线的连接 EPROM低8位地址线A0,A7经地址锁存器与8031P0口相连。由于;EPROM高8位地址线A8,A15直接与8031的P2口相连。由于8031的P0口是分时输出低8位地址和数据，故要外接地址锁存器，并由CPU发出的地址允许锁存信号ALE的下降沿将地址信息锁存入地址锁存器中。如外接存储器芯片片内有地址锁存器，则单片机CPU的P0口可与存储器低8位地址线直连，但仍要将CPU的ALE信号与存储芯片ALE相连。单片机的P2口用作高位地址线及片选地址线，由于P2口输出具有锁存的功能，故不必外加地址锁存器。 (2)数据线的连接 存储器的8位数据线D0,D7与8031芯片的P0.0,P0.7直连，单片机规定指令码 - 23 - 和数据都由P0口读入，数位对应相连即可。 (3)控制线的相连 OEPSEN8031芯片的(外部程序存储器读选通信号)与EPROM芯片的端相连; EA8031芯片接地，CPU执行外部程序存储器的指令; 8031芯片ALE(地址锁存允许信号)接主地锁存器74LS373的G引脚。 4.1.3 数据存储器的扩展 于8031芯片内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的需要，需要扩展片外数据存储器RAM。 (,)常用的数据存储器及引脚 ，常用的静态RAM芯片是6264(8K8)、62128、62256等，6264采用CMOS工艺，由单5V供电，典型存取时间为150,200ns。 (,)8031与外部数据存储器芯片的连接 单片机CPU与R数据存储器的连接方法和存储器连接方法大致相同。唯有控制线的连接 P3.7OEWERD不同:RAM读输入信号与8031芯片的()引脚相连;RAM的写输入信号与 P3.6WR8031芯()相连。其连接示意图见图 - 24 - 4.1.4译码电路原理 8031单片机允许扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器(包括I\O芯片)，这样就需要扩展多个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且程序存储器个芯片之间、数据存储器各芯片之间(包括I\O芯片)地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器是，避免发生冲突。当8031数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选(指选中某一个芯片)，而当片内有多字节单元时，还要进行片内地址的选择。 MCS-51单片机应用系统中的地址译码规则 (1)程序存储器与数据存储器独立编址 程序存储器地址和数据存储器地址可以重叠使用，都是从0000H,FFFFH。这是因 。这样编址方法也给编程为8031地址总线宽度为16位，可直接寻址的范围只有64KB PSEN、RD和WD带来方便，不必考虑地址重复，靠片选信号和控制信号:区分访问的对象。 (2)外围I\O芯片与扩展数据存储器统一编址 外围I\O芯片不仅占用数据存储器地址单元，而且使用随机存储器的读\写控制信号与读写指令。 (3)CPU访问外部存储器时地址编码 CPU P2口提供高八位地址，P0口经外部地址锁存器后提供低8位地址。 - 25 - 地址译码的方法有线选法和全地址译码两种方法。 (1)线选法 利用单片机地址总线高位中的一根线(一般是P2口中的某根线)作为选择某一片存储器(或I\O口)芯片的片选信号。只要该地址线位低电平，就选中该片。这种方法常用于规模较小的系统，即扩展的芯片不是太多的情况。这种方法的优点是不需要地址译码器，可节省硬件，减少成本。缺点是可寻址的芯片数目受到很大的限制，而且地址空间 也是不连续的，地址空间没有充分利用。 (2)全地址译码 对于容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用这种全地址译码的方法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。因为这种地址编码的方法，除了片内地址线以外，剩余的高位地址线全部参加译码，故称为全地址译码。 由于单片机8031芯片的P0口是分时传送低8位地址 线和数据线，故8031扩展系统中一定要用到锁存器。常用 的地址锁存器新片74LS373。74LS373好似带三态缓冲输出 的8D触发器，其引脚如图: 4.2人机交互部分接口电路 8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可共用户使 用的只有P1口和部分P3口，因此。在大部分系统中都需 要扩展I/O口芯片。 根据任务书要求，人机交互部分的输入接口采用4行8列的行列式键盘，输出接口采用8位8段LED数码管。8031单片机共有四个8位并行I\O口，但可供给用户使用的只有P1口和部分P3口，因此在大部分的应用系统中都需要扩展I\O口芯片。这里我 们采用常用的外围接口芯片8155来控制键盘和显示接口。8155是可编程的RAM/IO扩展接口电路，有256个RAM单元、2个8位口、一个6位口、一个14位的定时/计数器。 MM其中IO/是8155内部RAM和I/O口的选择线，IO/,0，低电平时选择片内RAM， M,,,,,,7上的地址信息为8155中的RAM单元地址，当，,,,,，高电平时,,,,,,7上的地址信息位IO口地址，它利用,,,的下降沿将此信息 锁存到片内锁存器中。 - 26 - 4.2.1 8155通用可编程接口芯片 8155具有40条引脚的双列直插式芯片，其各脚的功能如下表 引脚 含义 引脚 含义 AD~AD地址、数据线 ALE 地址锁存 07 PA~PAA口 RD 读 07 PB~PBB口 WR 写 07 PC~PCC口 CE 片选 07 TIMERIN 定时输入 RESE 复位 VTIMEROUT 定时输出 地 SS VIO/M IO/RAM口选择 电源 CC 4.2.2 8155与键盘和数码管的连接 这样安排的:8155芯片PA0,PA7作为显示器段选信号输出，即字型数据控制端， MPB0,PB7是显示器的位显信号输出，PC0,PC3是键盘扫描输入。8155芯片的IO/引 Y0脚接8031芯片的P2.0，因为使用8155的I/O口故为高电平。8155的地址分配是这 CEY4样的，片选信号接译码器输出端，对应的输入端A、B、C位100，还用到P2.0用于选择RAM单元地址和IO口地址，片内256个单元用做低8位地址线，未用到地址线设为1状态，因此8155片内RAM的地址为10011110××××××××，即9E00H,9EFFH。IO口地址需要分配6个，它们分别是A、B、C三个IO口，命令状态寄存器、定时器低8位、定时器高8位，其中8155IO口工作方式选择通过对8155内部命令寄存器(命令口)设定命令控制字实现，这是它的作用。8155的定时功能是芯片内有一个 - 27 - 14位减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数，外部有两个定时器引脚TIMERIN和,，,,,,,,，TIMERIN为定时器时钟输入，由外部输入时钟脉冲，,，,,,,,,为定时输出，输出各种信号脉冲波形。对定时器编程时，首先将计数常数级定时器方式送入定时器口(定时器低,位及高6位，定时器方式M)04H，05H。计数常数 在002,3FFFH之间。计数器的启动和停止有命令寄存器的最高两位TM2和TM1决定。 4.2.3键盘显示接口电路工作原理 (1)显示器工作原理 数控系统中使用的显示器主要有LED显示器和LCD。对于LED显示器，通常它是由八个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个比画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。有两种类型，共阴极和共阳极，我们这里采用共阴极的。如果加到各段阳极上的代码不同，则显示器就会显示不同的字符和数字，这个代码称为段码，选择字型称为段选。 通常显示器采用动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次，显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比列关系有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。这就是显示器的扫描过程。计算机以人眼不能分辨的速度轮流对各字位线输出低电平，即可在各位上显示出不同的字符和数字，从而实现扫描显示，这就称作位选。它的优点是占得IO口少。另一种是静态显示，就是同时把要显示的显示出来，他占得IO多，但亮度大。 (2)键盘接口原理 键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备。其工作原理是:制信号=“0”则开放，可对键识别:当键松开，测试信号=“1”;当键闭合，测试信 - 28 - 号=“0”。控制信号=“1”，禁止，不能对键进行识别。 在实际使用时，常常把键盘和显示电路做在一起，以节省IO线。在进行键盘 巡回扫描时，必须先关显示，有关键盘和显示器的工作必须经过软件的协调处理后才能达到预期的效果。在我们的电路中，8155的PC0,PC3作为输入口来接受测试信号，PB0,PB7作为输出口来扫描8位列线，显示器的段选(字型数据控制)由8155的PA口担任，是输出口。可以采用中断的方式来对键盘进行扫描，PB口开始前全部置0，处于待扫描状态，当有任意的一个键按下时，PC口检测到变化，便开始逐行逐列的检测，检查到那个就有相应的动作，如果需要显示，则进入显示子程序进行，键盘和显示独立工作，在程序的协调下互不干涉。 4.3步进电机接口及驱动电路 在此经济型数控机床中，采用步进电机开环控制。步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转变成相应的角位移的电动机。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成反比，通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速。 驱动步进电机的脉冲需要按所要求的顺序提供给电机各项。脉冲分配器就是实现步进电机各项脉冲通电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有足够功率提供给电动机，因此需要有功率放大环节。脉冲分配器及前面的的微机接口芯片，工作电平一般为5V，而作为电动机电源的需符合步进电机要求的额定值。为避免强电对弱电的干扰，在她它们之间应采用隔离电路。其控制电路框图如下图所示: - 29 - 4.3.1脉冲分配器 又叫环形分配器，有硬件环形分配器和软件环形分配器两种。硬件环形分配器需要的 I/O接口接线数少，且执行速度较快，但需要专用的芯片。软件环形分配器是用程序实现的， 下面是软环分原理及源程序。 任务书的要求用软环分，加上前面的选型，三相六拍软件环形分配器在电路上不需要环形分配专用芯片，采用查表法进行脉冲分配，也就是在微处理器中专门安排一个输出指针寄存器作为步进电机的控制寄存器，初始化是使指针指向分配表的表首。步进电机的每一相绕组都与这个寄存器中某一指定位相相对应。寄存器中这一位为“0",对应着相应绕组的通电状态;这一位为"1",对应着相应绕组的断电状态。步进电机需要正向运行一步时，指针下移一行，同时输出该行的状态，当指针超出分配表表尾时自动回到表首;步进电机反向运行时，指针上移一行，并输出该行的脉冲值，当指针超出表首时又自动回到表尾。脉冲分配子程序框图如下。这种情况下，在电路上步进电机的每一绕组需和一个IO接口相连(经光隔离电路)，故占用的IO接口数量较多。 由于我们这里是采用三相六拍的控制方式，相对比较简单。 (1)逻辑框图 - 30 - 电动机脉冲分配器程序 YN正向运转, 指针加1指针减1 指针大于表尾 地址, Y 指针修改到表首N 指针小于表首 地址 Y N指针修改到表尾 从寄存器取数 输出信号值8255A 的PA口 结束 - 31 - (2)通电顺序表及程序软件 步进电动机绕组通电顺序表 电动机绕组通电顺序 地址 指针 代码 A B C MOTB+1 1 03H 0 1 1 MOTB+2 2 01H 0 0 1 MOTB+3 3 05H 1 0 1 MOTB+4 4 04H 1 0 0 MOTB+5 5 06H 1 1 0 MOTB+6 6 02H 0 1 0 正反转时的绕组通电顺序(三相六拍) A AB B BC C CA CA C BC B AB A 设R6为Z向电动机的指针寄存器，正常情况下R6的取值应在0~5之间。则Z向电动机脉冲分配的具体程序如下: ZHENG: INC R6; Z向电机正走一步(若DEC R6，则反转一步) OTZ: CJNE R6 ,#07H , AA0 MOV R6,#01H; 指针超出分配表的表尾(R6=#06H)时，自动回到表首 (R6=#01H) JMP AA1 AA0: CJNE R6,#00H,AA1 MOV R6,#06H; 指针超出分配表的表首(R6=#00H)时，自动回到表尾 (R6=#05H) AA1: MOV DPTR,#MOTB; 十六位数据指针指向脉冲分配表的首地址 MOV A,R6; Z向指针送给A MOVC A,@A+DPTR;查表取出Z向电动机绕组通电状态，存于A - 32 - MOV DPTR,#5FFDH; 8255A的PA口地址 MOVX DPTR,A; 输出电动机绕组通电状态至8255A的PA口 RET ;循环执行 MOTB: DB FFH ;不用 DB 03H ;A相通电 DB 01H ;AB相通电 DB 05H ;B相通电 DB 04H ;BC相通电 DB 06H ;C相通电 DB 02H ;CA相通电 (3)电机驱动电路的设计 为使步进电动机正常运行并输出一定功率，需要有足够功率提供给电动机，因此需要功率放大环节，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，使电流前后沿更抖些，避免在高频时，导致步进电机各相绕组电流几乎同时存在，使步进带负载能力下降，严重时会出现失步。电机常采用电阻法、双电源法，而任务书上要求的高低压驱动，就是双电源法中实用电路，也是为改善电流波形。 4.3.2步进电机控制电路的接线 (1)地址的分配 任务书上要求，电机控制部分采用软环分和高低压驱 动电路，我们这里用8255接口芯片来达到此目的。8255 是Intel公司生产的可编程输入输出接口芯片，它具有3 个8位的并行I/O口，分别是PA、PB、PC、其中PC口又 分为高4位(PC7,PC4)和低4位(PC3,PC0)，它们都可 以通过软件编程来改变I/O口的工作方式。 8255的片选 CSY2端接译码器的，对应的输入端A、B、C为010，这 个芯片需要分配4个地址，以分别对应A口B口C口和控 - 33 - 制口，8255工作方式的设定是通过向8255控制口写入方式选择控制字实现，方式0基本的输入输出方式、方式1应答式输入输出工作方式、方式2应答式双向输入输出工作方式三种。此外C口还有位操作功能，通过编程对8255送入置位/复位控制字，可对C口各位单独置位/复位，从而可以方便地将端口I/O端线作为选通及控制应答信号使用。在方式1和方式2下，C口各位作为联络和中断请求信号线使用。地址线A0、A1接锁存器373的Q0、Q1 用地址线的最低两位，其他没用到的地址线设为1状态，因此8255对应的地址编码是01011111111111××即从5FFCH,5FFFH。8255的读写管脚WR、RD分别接8031的读写管脚。数据线D0,D7接8031的P1口，以进行数据的接收和发送。 (2)接线配置 Z向步进电机是三相电机，直接利用8255的PA口的3个管脚，接3路光电隔离电路，再到驱动电路，再到步进电机的各相。 C向电机是三相电机，利用8255的PB口的3个管脚，接3路光电隔离电路，驱动电路，再到步进电机的各相。 4.3.3光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高(几十伏)，电流也较大(几安到几十安)，如果将I/O口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机的正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成。 下图为光电隔离输出及输入电路: - 34 - 4.3.4功率放大电路 脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的要求，必须将它放大以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。 从步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性可以看出，随着运行频率的增高，步进电机输出力矩(即带动负载的能力)下降，这一现象产生的原因是:作为功率放大器负载的步进电机是电感负载。当改变通电状态时，通电绕组的电流从零增大，该绕组中产生感应电势使电流指数规律上升，并将电源一部分能量存在(电感)绕组中，电流的时间常数为 ,,L/Rim Lm式中 ——步进电机一项绕组的平均电感量; R——通电回路的电阻，它包括绕组电阻、功率放大器输出级内阻及串联电阻。 而断电绕组电流是下降的，这时存储于绕组中的势能将以电流形式释放出来，使电流指数规律下降，其时间常数为 ,,L/RdmD 式中RD——放电回路电阻，它包括绕组电阻，续流二极管正向电阻等。 这样，就使得绕组中电流缓慢增加和缓慢下降，即电流波形前沿和后沿不陡，如下图a所示，严重时可变成下图b所示波形，致使步进电机各项绕组电流几乎同时存在，所以步进电机负载能力下降，严重时会出现失步。 电流波形 为了提高步进电机动态特性，必须改善电流波形，使电流前、后沿陡些。可采用以下三种方法: (1)电阻法 - 35 - (2)双电源法 (3)高低压供电电路 高低压供电电路 高低压供电电路原理:高低压电源型驱动电路是由高压和低压2种电源互相切换进行驱动的,因此高低压电源型驱动电路又称双电压驱动电路，按切换方式可以分为脉冲变压器式驱动与定时控制驱动。脉冲变压器式驱动电路结构简单,但因为采用脉冲变压器而使制造工艺复杂,成本高且不易模块化。定时控制高低压驱动电路采用单稳态触发器将控制脉冲分离出一个同步的窄脉冲作为高压有效控制信号。这种方式成本低,易模块化,而且实验证明高低压驱动方式能够使电流波形得到很大改善,所以使得电机的矩频特性、启动和运行频率都有很大提高。 4.3.5其它辅助电路 (1)8031的时钟电路 单片机的时钟可以有两种方式产生:内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部 21振荡电路，在XTAL、XTAL引脚上外接定时元件，如下图所示:晶体可在1.2,12MHz之间任选，耦合电容在5,30pF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。 时钟电路 复位电路 (2)复位电路 单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现 - 36 - 10ms以上高电平，单片机便实现从0000H单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按扭复位两种。上图所示为上电与按扭复位组合: 在上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效的复位。 (3)越界报警电路 为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。如果是两坐标联动的数控机床系统，则有4个方向可能越界，即+X、—Y、+Y、—Y。一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动，下图为为报警信号的产生，图b为报警显示。 INT0这里采用中断方式，利用8031的外部中断，只要有任一个行程开关闭合，即 INT0工作台在某一方向越界，均能产生中断信号。为了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿灯亮，当越界报警时红灯亮。两灯均由一个I/O口输出。 越界报警电路 (4)掉电保护电路 半导体存储器RAM最怕掉电，一掉电里面存储的信息就全部丢失。下图为一简单掉电保护电路的工作原理: 掉电保护电路 图中V+为电源电压，VB为备用电源电压，并且V+>VB,VCC为存储器RAM电源端，正常通电时，二极管D1导通，D2截止，RAM的工作电压由V+提供，同时，V+还通过电阻R对电池充电。断电后，D1截止，D2导通，此时RAM的工作电压由电池VB经二极管D2和电阻R供给，VB一般取>3V时，存储器就能可靠地保持信息。 - 37 - 总 结 经过两个多月的工作，课程设计到此已经完成。在此，我衷心感谢我的老师和同学们，没有老师的细心指导和同学的热情帮助，设计是很难顺利完成的。 通过这次课程设计，是的自己全面、深入地了解机电一体化的相关的知识。在此期间我不仅对自己的设计题目有了深入的了解，并在此基础上确定了总体设计方案，而且学会了如何在网上获得自己所需资源。此后便开始了对伺服系统机械部分的计算与设计。此过程也就是综合这机电一体化工程专业所学到的知识，选择合适、安全的机械零件，其中设计计算内容主要包括:确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件图等。最后是对硬件电路的设计，主要包括绘制系统电气控制的结构框图，选择中央处理单元CPU的类型，存储器扩展电路设计和I/O接口电路设计。 通过这次设计，使我对有机电一体化系统设计的初步能力，初步建立了正确的设计思想，学会运用手册、标准、规范等资料，培养了分析问题和解决实际问题的能力熟悉了其设计原理及流程，并对单片机微机构成的控制系统进行了针对性的学习。当然设计中还存在很多不足，有待于改进，我会在以后的实际工作中不断弥补不足、创新进取。 - 38 - 参考文献 [1] 朱龙根. 简明机械零件设计手册 [M].北京:机械工业出版社，1997. 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