xy工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章前言</b></p><p>　　第二章課程設(shè)計的目的、意義及要求</p><p>　　第一節(jié)課程設(shè)計的目的、意義</p><p>　　第二節(jié)課程設(shè)計的要求</p><p>　　第三章課程設(shè)計的內(nèi)容

2、</p><p>　　第一節(jié)課程設(shè)計的內(nèi)容</p><p>　　第二節(jié)課程設(shè)計的內(nèi)容</p><p>　　第四章數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定</p><p><b>　　第五章機械部分設(shè)計</b></p><p>　　第一節(jié)確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量</p><p>　　第二節(jié)工作臺外形尺

3、寸及重量初步估算</p><p>　　第三節(jié)滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇</p><p>　　第四節(jié)滾珠絲杠計算、選擇</p><p>　　第五節(jié)齒輪計算、設(shè)計</p><p>　　第六節(jié)步進(jìn)電機慣性負(fù)載的計算</p><p>　　第七節(jié)步進(jìn)電機的計算選擇</p><p>　　第六章機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電

4、路設(shè)計</p><p><b>　　第一節(jié)設(shè)計內(nèi)容</b></p><p><b>　　第二節(jié)設(shè)計步驟</b></p><p>　　第三節(jié)機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計</p><p>　　第七章系統(tǒng)控制軟件設(shè)計</p><p><b>　　第八章結(jié)束語與致謝</b

5、></p><p><b>　　第九章參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　第二章課程設(shè)計的目的、意義及要求</p><p>　　第一節(jié)課程設(shè)計的目的,意義</p><p>　　《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力的重要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運用所學(xué)過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進(jìn)行的基本設(shè)

6、計訓(xùn)練。其目的是：</p><p>　　1.能夠正確運用《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程的基本理論和相關(guān)知識，掌握機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點和設(shè)計思想、設(shè)計方法，了解設(shè)計方案的擬定、比較、分析和計算，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的初步能力； 2.通過機械部分設(shè)計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和步驟；</p><p&

7、gt;　　3.通過測試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計，掌握機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；</p><p>　　4.通過課程設(shè)計提高學(xué)生應(yīng)用手冊、標(biāo)準(zhǔn)及編寫技術(shù)說明書的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。</p><p>　　第二節(jié)課程設(shè)計的要求：</p><p>　　1. 課程設(shè)計應(yīng)在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨立完成，嚴(yán)格地

8、要求自己，不允許相互抄襲；</p><p>　　2. 認(rèn)真閱讀《課程設(shè)計指導(dǎo)書》，明確題目及具體要求；</p><p>　　3. 認(rèn)真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)資料、手冊、標(biāo)準(zhǔn)；</p><p>　　4. 大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計方案；</p><p>　　5. 機械部分和驅(qū)動部分設(shè)計思路清晰，計算結(jié)果正確，選型合理；</p&

9、gt;<p>　　6. 微機控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確；</p><p>　　7. 手工或電腦繪制機械系統(tǒng)裝配圖一張（A1），控制系統(tǒng)電氣原理一張（A1），圖紙符合國家標(biāo)準(zhǔn)，布圖合理，內(nèi)容完整表達(dá)清晰；</p><p>　　8. 課程設(shè)計說明書一份（不少于8000 字），包括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機械系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)設(shè)計，參考文獻(xiàn)等。設(shè)計說明

10、書應(yīng)敘述清楚、表達(dá)正確、內(nèi)容完整、技術(shù)術(shù)語符合標(biāo)準(zhǔn).</p><p>　　第三章課程設(shè)計的內(nèi)容</p><p>　　第一節(jié)課程設(shè)計題目：單片機控制步進(jìn)電機驅(qū)動的多用XY 工作臺。</p><p>　　已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊工作臺的有效行程為Lx=400mm LY = 400 mm 快速進(jìn)給速

11、度 和工作載荷FZ = 2000N</p><p>　　第二節(jié)課程設(shè)計的內(nèi)容</p><p>　　1.數(shù)控裝置總體方案的確定</p><p>　　(1).數(shù)控裝置設(shè)計參數(shù)的確定；</p><p>　　(2).方案的分析，比較，論證。</p><p><b>　　2.機械部分的設(shè)計</b></

12、p><p>　　(1).確定脈沖當(dāng)量；</p><p>　　(2).機械部件的總體尺寸及重量的初步估算；</p><p>　　(3).傳動元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計，計算和選用；</p><p>　　(4).確定伺服電機；</p><p>　　(5).繪制機械結(jié)構(gòu)裝配圖；</p><p>　　(6).系統(tǒng)

13、等效慣量計算；</p><p>　　(7).系統(tǒng)精度分析。</p><p><b>　　3.數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計</b></p><p>　　(1).微機及擴展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計；</p><p>　　(2).I/O 接口電路及伺服控制電路的設(shè)計和選用；</p><p>　　(3).系統(tǒng)控制

14、軟件的設(shè)計</p><p>　　4.編寫課程設(shè)計說明書</p><p>　　(1).說明書是課程設(shè)計的總結(jié)性技術(shù)文件，應(yīng)敘述整個設(shè)計的內(nèi)容，包括總體方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析，機械傳動設(shè)計計算，電氣部分的設(shè)計說明，選用元器件參數(shù)的說明，軟件設(shè)計及其說明；</p><p>　　(2).說明書不少于84 字，盡量用計算機完成。</p><p>&

15、lt;b>　　5.圖紙</b></p><p>　　(1).機械結(jié)構(gòu)裝配圖，A0 圖紙1 張。要求視圖基本完整，符合標(biāo)準(zhǔn)。其中至少要有一個坐標(biāo)軸的完整剖視圖；</p><p>　　第四章數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構(gòu)及傳動方案的確定，伺服電機類型及調(diào)速方案確定，計算機控制系統(tǒng)

16、的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。</p><p>　　1. 系統(tǒng)運動方式的確定</p><p>　　該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標(biāo)軸的運動有精確的運動關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。</p><p>　　2. 伺服系統(tǒng)的選擇</p><p>　　開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時多采用功率步進(jìn)電機作為伺服電機.開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)

17、的傳動誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應(yīng)用。.考慮到運動精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。</p><p>　　3. 計算機系統(tǒng)的選擇</p><p>　　采用MCS-51 系列中的8031 單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51 單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤

18、及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。</p><p>　　4. X—Y工作臺的傳動方式</p><p>　　為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)

19、軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。考慮電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動。系統(tǒng)總體框圖如下:</p><p><b>　　第五章機械部分設(shè)計</b></p><p>　　機械部分設(shè)計內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運動部件慣性的計算，選擇步進(jìn)電機，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算與選擇，繪制機械部分裝

20、配圖等。</p><p>　　第一節(jié)確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量</p><p>　　脈沖當(dāng)量δp 是一個進(jìn)給指令時工作臺的位移量，應(yīng)小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度為±0.01mm 因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。</p><p>　　第二節(jié)工作臺外形尺寸及重量初步估算</p><p>　　根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算X 向

21、和Y 向工作臺承載重量WX 和WY。取X 向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?10mm,Y 向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,設(shè)計工作臺簡圖如下:</p><p><b>　　工作臺簡圖</b></p><p>　　X 向拖板(上拖板)尺寸為: 長*寬*高=420*410*50</p><p>　　重量:按重量=體積*材料比重估算為:</p&

22、gt;<p>　　Y向拖板(下拖板)尺寸為: 420× 400× 50</p><p>　　上導(dǎo)軌(含電機)重量為</p><p>　　夾具及工件重量:約155N</p><p>　　X-Y 工作臺運動部分總重量為: W = 487.97 + 655.2+ 671.58+ 155≈ 2000N</p><p

23、>　　第三節(jié)滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇</p><p>　　根據(jù)給定的工作載荷Fz 和估算的Wx 和Wy 計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取fSL =4.0</p><p>　　根

24、據(jù)計算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:</p><p>　　選擇漢機江機床廠HJG-D 系列滾動直線導(dǎo)軌,其型號為:HJG-D25</p><p><b>　　基本參數(shù)如下:</b></p><p>　　導(dǎo)軌的額定動載荷C a =17500N;依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷Ca (kN)驗算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：</p>

25、<p><b>　　額定行程長度壽命:</b></p><p>　　導(dǎo)軌的額定工作時間壽命:</p><p>　　導(dǎo)軌的工作壽命足夠.</p><p>　　第四節(jié)滾珠絲杠計算、選擇</p><p>　　初選絲杠材質(zhì)：CrWMn 鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm</p><p>

26、<b>　　（1） 強度計算</b></p><p><b>　　絲杠軸向力：</b></p><p>　　其中：K=1.15，滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時：Fx=(0.1~0.6)Fz， Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz 計算。</p><p>　　取f

27、=0.004, Fz =400 則:</p><p>　　式中：fW 為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；fH 為硬度系數(shù)，HRC≥58 時為1.0。查表得中等沖擊時, f W =1.2 f H = 1則:</p><p>　　根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM 系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。</p>

28、<p><b>　　其基本參數(shù)如下:</b></p><p>　　其額定動載荷為14205N> y Q 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式.滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表</p><p>　?。?） 傳動效率計算</p><p>　　絲杠螺母副的傳動效率為：</p><

29、;p>　　式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。</p><p><b>　?。?） 穩(wěn)定性驗算</b></p><p>　　絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。</p><p><b>　?。?） 剛度驗算</b></p><p>　　滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：<

30、;/p><p>　　Y 向所受牽引力大,故用Y 向參數(shù)計算</p><p>　　絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計。導(dǎo)程變形總誤差Δ為</p><p>　　絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。</p><p>　　第五節(jié)齒輪計算、設(shè)計</p><p>　　因步進(jìn)電機步距角滾珠絲杠螺距t=5mm,要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量

31、 ,在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動.</p><p>　　齒輪傳動比：，初選步進(jìn)電機步距角：α= 1.5?/step。</p><p>　　取小齒輪齒數(shù)Z1 = 24 則大齒輪齒數(shù)2 Z = 50</p><p>　　因傳遞的扭距較小,取模數(shù)m=1mm 則:</p><p>　　分度圓直徑: d1 =mz 1=1×24 = 24m

32、m d 2=mz 2 = 1×50 = 50mm</p><p><b>　　齒頂圓直徑:</b></p><p><b>　　齒根圓直徑:</b></p><p><b>　　分度圓壓力角: </b></p><p>　　大小齒輪均采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪</

33、p><p>　　小齒輪采用兩片薄齒輪錯齒排列以消除間隙.</p><p>　　雙片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)圖如下:</p><p>　　第六節(jié)步進(jìn)電機慣性負(fù)載的計算</p><p>　　根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有：</p><p>　　（1）等效轉(zhuǎn)動慣量的計算</p><p>　　折算到步進(jìn)電機軸上的等

34、效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為：</p><p>　　式中： J q 為折算到電機軸上的慣性負(fù)載； J0 為步進(jìn)電機軸的轉(zhuǎn)動慣量； J 1為齒輪１的轉(zhuǎn)動慣量； J 2為齒輪２的轉(zhuǎn)動慣量； J3 為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；Ｍ為移動部件的質(zhì)量。</p><p>　　對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：</p><p>　　式中D 為圓柱零件直徑， L 為圓柱零件的長度。<

35、/p><p><b>　　所以有：</b></p><p>　　電機軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有：</p><p>　　第七節(jié)步進(jìn)電機的選用</p><p>　　(１）步進(jìn)電機啟動力矩的計算</p><p>　　設(shè)步進(jìn)電機的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負(fù)載力所做

36、的功有如下的關(guān)系：</p><p>　　式中? 為電機轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動部件的相應(yīng)位移，η 為機械傳動的效率。若取? b =θ ，則Ｓ＝δp ，且 。所以：</p><p>　　式中： P s為移動部件負(fù)載（N），G 為移動部件質(zhì)量（N）， P z 為與重力方向一致的作用在移動部件上的負(fù)載力（N）， μ 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，θb 為步進(jìn)電機的步距角（rad）,T 為電機軸負(fù)載力矩（N.cm）。&l

37、t;/p><p>　　取μ=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），η＝０.8， Ps= P H =279.23Ｎ。考慮到重力影響，Ｙ向電機負(fù)載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：</p><p>　　考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩：</p><p>　　取系數(shù)為０.３，則：</p><p>　　對于工作方式為三相６拍的步進(jìn)電機：</

38、p><p>　　(２） 步進(jìn)電機的最高工作頻率</p><p>　　為使電機不產(chǎn)生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率f max,同時電機最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001 型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機.</p><p><b>　　電機有關(guān)參數(shù)如下:</b></p><p>　　第六章數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計</p&g

39、t;<p><b>　　第一節(jié)設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　?。?按照總統(tǒng)方案以及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖；</p><p>　?。?選擇計算機或中央處理單元的類型；</p><p>　?。?根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設(shè)計存儲器擴展電路；</p><p>　?。?/p>

40、.根據(jù)控制對象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計擴展Ｉ/Ｏ接口電路，檢測電路，轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動電路等；</p><p>　?。?選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號；</p><p>　?。?繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標(biāo)明各器件的型號，管腳號及參數(shù)；</p><p>　　７.說明書中對電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行詳細(xì)的原理說明和方案論證。</p>

41、<p><b>　　第二節(jié)設(shè)計步驟</b></p><p>　?。?確定硬件電路的總體方案。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：</p><p>　　1．主控制器。即中央處理單元CPU</p><p>　　2．總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。</p><p>　　3．存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機

42、讀寫數(shù)據(jù)存儲器。</p><p>　　4．接口。即I/O 輸入輸出接口。</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：</p><p>　?。?主控制器ＣＰＵ的選擇</p><p>　?。停茫樱担毕盗袉纹瑱C是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段

43、齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計選用８０３１芯片作為主控芯片。</p><p>　?。?存儲器擴展電路設(shè)計</p><p>　　(１）程序存儲器的擴展</p><p>　　單片機應(yīng)用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型號有： 2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為２k,4k,8k,16k32k。

44、在選擇芯片時要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時序的匹配。８０３１所能讀取的時間必須大于ＥＰＲＯＭ所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４芯片作為本次設(shè)計的程序存儲器擴展用芯片。單片機規(guī)定Ｐ0 口提供８為位地址線，同時又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提高

45、低８位的地址信息，一般采用７４ＬＳ３７３芯片作為地址鎖存器，并由ＣＰＵ發(fā)出允許鎖存信號ALE 的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。由以上分析，采用２７６４EPROM 芯片的程序存儲器擴展電路框圖如下所示：</p><p>　　擴展2764電路框圖</p><p>　　(２）數(shù)據(jù)存儲器的擴展</p><p>　　由于８０３１內(nèi)部ＲＡＭ只有１２８字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)

46、的要求。需要擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器。單片機應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴展電路一般采用6116,6262 靜態(tài)RAM 數(shù)據(jù)存儲器。本次設(shè)計選用６２６４芯片作為數(shù)據(jù)存儲器擴展用芯片。其擴展電路如下所示：</p><p>　　擴展6264電路框圖</p><p><b>　　(３）譯碼電路</b></p><p>　　在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線

47、與單片機相連。單片機數(shù)據(jù)總線分時的與各個外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲器采用統(tǒng)一編址，因此單片機的硬件設(shè)計中，數(shù)據(jù)存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)

48、，當(dāng)芯片所需的片選信號多于可利用的地址線的時候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對高位地址線進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。本設(shè)計采用全地址譯碼法的電路分別如下圖所示：</p><p>　?。?）存儲器擴展電路設(shè)計</p><p>　　8031 單片機所支持的存儲系統(tǒng)起程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為獨立編址。該設(shè)計選用程序存儲器2764 和數(shù)據(jù)存儲器6264

49、組成8031 單片機的外存儲器擴展電路，單片機外存儲器擴展電路如下：</p><p>　?。?）Ｉ／Ｏ擴展電路設(shè)計</p><p>　　(a).通用可編程接口芯片８１５５</p><p>　　８０３１單片機共有４個８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用戶使用的只有Ｐ1 口及部分Ｐ3口線。因此要進(jìn)行Ｉ／Ｏ口的擴展。８１５５與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。8155Y

50、 與8031 的連接方式如下圖所示</p><p>　　(b).鍵盤，顯示器接口電路</p><p>　　鍵盤，顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計算機狀態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用Ｉ／Ｏ口線組成行，列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有ＬＥＤ和ＬＣＤ。下圖所示為采用８１５５接口管理的鍵盤，顯示器電路。它有４Ｘ８鍵

51、和６位ＬＥＤ顯示器組成。為了簡化秒電路，鍵盤的列線及ＬＥＤ顯示器的字位控制共用一個口，即共用８１５５的PＡ口進(jìn)行控制，鍵盤的行線由８１５５Ｃ口擔(dān)任，顯示器的字形控制由8155 的PB 口擔(dān)任。鍵盤顯示器接口電路如下所示：</p><p>　　4．步進(jìn)電機驅(qū)動電路設(shè)計</p><p><b>　　(1）脈沖分配器</b></p><p>　　步進(jìn)

52、電機的控制方式由脈沖分配器實現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機的各相繞組，實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計采用集成脈沖分配器YB013。采用YB013硬件環(huán)行分配器的步進(jìn)電機接口線路圖如下：</p><p><b>　?。?）光電隔離電路</b></p><p>　　在步進(jìn)電機驅(qū)動電路

53、中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機的勵磁繞組。如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下：</p><p><b>　?。?）功率放大器</b></p><p>　　脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機的需要，，必須將其輸出信號放大產(chǎn)生足夠大的功

54、率，才能驅(qū)動步進(jìn)電機正常運轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進(jìn)電機容量選擇功率放大器。本設(shè)計選用功率放大器。</p><p>　　5．其它輔助電路設(shè)計</p><p>　　（１）８０３１的時鐘電路</p><p>　　單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1,XTAL2 引腳上外接定時元件，如下圖所示。晶體可

55、以在１.２～１２之間任意選擇，耦合電容在５～３０pF 之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式時，可將XTAL1 直接接地，XTAL2 接外部時鐘源。</p><p><b>　　時鐘電路</b></p><p><b>　　（２）復(fù)位電路</b></p><p>　　單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)。在時鐘工作后，只要在Ｒ

56、ＥＳＥＴ引腳上出現(xiàn)１０ms 以上的高電平，單片機就實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后ＣＰＵ便從００００Ｈ單元開始執(zhí)行程序。在實際運用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與８０３１復(fù)位要求一致時，可以直接相連。當(dāng)晶振頻率選用６ＭＨz 時，復(fù)位電路中Ｃ?。玻?μ Ｆ，Ｒ取２００ Ω ， R K ?。保埃埃?Ω 。實用復(fù)位電路圖如下所示：</p><p><b>　?。ǎ常┰浇鐖缶娐?lt;/b></p>

57、<p>　　為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。利用光電耦合電路，將行</p><p>　　程開關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至８０３１的Ｉ／Ｏ口Ｐ1.0。當(dāng)任何</p><p>　　一個行程開關(guān)被壓下的時候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變成高電</p><p>　　平。８０３１可利用軟件設(shè)計成查詢的方法隨時檢查有

58、無越界信號。也可接成從光敏三極</p><p>　　管的集電極輸出接至８０３１的外部中斷引腳（ＩＮＴ０或ＩＮＴ１），采用中斷方式檢</p><p>　　查越界信號。越界報警電路如下圖所示</p><p>　　第三節(jié)機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計</p><p>　　該系統(tǒng)選用ＭＣＳ－５１系列的８０３１作為主控制器。擴展存儲電路為一片2732EPRO

59、M 和一片6264RAM。程序存儲器擴展為４Ｋ，數(shù)據(jù)存儲器擴展為８Ｋ。２７３２的片選控制端CE 直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位以后，CPU從0000H 開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264 的片選端CE 由譯碼器（74LS138）的Y2 輸出提供。所以6264 的空間地址為4000 ～５ＦＦＦＨ。系統(tǒng)的擴展I/O 接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155。8155 的片選端CE 接至譯碼器（74LS138）的Y4 的輸出端

60、，故8155 控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址號分別為8000H 及8001H，8002H，8003H。8155RAM 區(qū)的地址為8000H—80FFH。8155 的A 口為控制工作抬X，Y 向電機的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不步進(jìn)電機接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤與顯示器設(shè)計在一起，8155 的PC 口擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制；PB 口的PB0—PB3 為鍵盤的行線。8031 的P1 口為顯示器的字形

61、輸出口。該系統(tǒng)采用4X6 共24個行</p><p>　　第七章系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計</p><p>　　(一).系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容</p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個部分：</p><p>　　1、系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其

62、功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。</p><p>　　2、零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O 設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。</p><p>　　3、插補程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補，分配進(jìn)給脈沖。</p><p>　　4、伺服控制程序。根據(jù)插補運算的結(jié)果或操作者的命令控

63、制伺服電機的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。診斷程序。包括移動不見移動超界處理，緊急停機處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯等功能。</p><p>　　6、機床的自動加工及手動加工控制程序。</p><p>　　7、鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機床工作狀態(tài)、操作命令等信息。</p><p><b>　　(二).軟件設(shè)計</b></p

64、><p>　　1.系統(tǒng)控制功能分析</p><p>　　數(shù)控X-Y 工作臺的控制功能包括：</p><p>　　（1）、系統(tǒng)初始化。如對I/O 接口8155，8255A 進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。</p><p>　　（2）、工作臺復(fù)位。開機后工作臺應(yīng)該自動復(fù)位，亦可手動復(fù)位。</p><p>　　（3

65、）、輸入和顯示加工程序。</p><p>　　（4）、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。</p><p>　　（5）、工作臺超程顯示與處理。工作臺位移超過規(guī)定值時應(yīng)該立即停止工作臺的運動，并顯示相應(yīng)的指示字符。</p><p>　　（6）、工作臺的自動控制。</p><p>　?。?）、工作臺的手動控制。<

66、;/p><p>　?。?）、工作臺的聯(lián)動控制。</p><p>　　2.系統(tǒng)管理程序控制</p><p>　　管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計管理程序時，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y 工作臺的基本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，刀位控制，工作臺位置控制，手動操作，緊急停機等。根據(jù)以上分

67、析，設(shè)計</p><p>　　管理程序流程圖如下所示:</p><p>　　3.自動加工程序設(shè)計</p><p>　?。?）機床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位→刀具快速進(jìn)給→加工→退刀→工作臺運動到下一位置；</p><p>　?。?）計算機在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機床完成加工；</p><p>

68、　?。?）由以上分析，設(shè)計自動加工程序框圖如下所示：</p><p>　　4.步進(jìn)電機控制子程序設(shè)計</p><p>　　步進(jìn)電機的控制包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機在突然啟動或停止時，由于負(fù)載和慣性，會使電機失步，所以電機運行時有一個加，減速過程。通過確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時間間隔，即可實現(xiàn)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)角與速度的控制。</p><p>　?。?）時間常數(shù)的確定&

69、lt;/p><p>　　在步進(jìn)電機控制程序中，利用單片機的定時器中斷，延時產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時間間隔。此間隔由送入</p><p>　　定時器的時間常數(shù)決定。時間常數(shù)由下式計算：</p><p>　　式中：T 為脈沖時間間隔（ms）；t e 為單片機機器周期（μ s），在時鐘為6MHz 時，t e =2 μ s。（2）步進(jìn)電機加，減速進(jìn)給脈沖及脈沖時間間隔的確定設(shè)步進(jìn)電機加

70、，減速方式為直線加，減速。要使步進(jìn)電機不失步，應(yīng)滿足：</p><p>　　式中： T m 為步進(jìn)電機啟動力矩； T g 為負(fù)載力矩； T I 為慣性力矩。</p><p>　　由步進(jìn)電機Tj max =3.92N.m，取步進(jìn)電機的加速啟動力矩</p><p>　　則使步進(jìn)電機不失不的慣性力矩</p><p><b>　　步進(jìn)電機角

71、加速度</b></p><p>　　式中： t m 為上升到步進(jìn)電機最高頻率所需時間，所以有：</p><p><b>　　加速脈沖個數(shù)： </b></p><p>　　確定加減脈沖個數(shù)都為54 個</p><p><b>　　又因為：</b></p><p>&

72、lt;b>　　所以脈沖時刻</b></p><p>　　結(jié)合可以算出對應(yīng)各脈沖時刻的計數(shù)器時間常數(shù)。EPROM 存儲器中，時間常數(shù)依次安排在首地址為1000H 的存儲單元中，每個時間常數(shù)占據(jù)兩個字節(jié)，低位地址存放時間常數(shù)低8 位，高位地址存放時間常數(shù)高8 位。在程序中，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計數(shù)器N0，N1，N2。以計數(shù)器的值是否為0 作為相應(yīng)過程是否結(jié)束的標(biāo)志。步進(jìn)電機控制程序框圖如下所示：

73、步進(jìn)電機控制子程序：</p><p>　　步進(jìn)電機控制中斷服務(wù)程序：</p><p><b>　　5.編語言程序設(shè)計</b></p><p><b>　?。?）內(nèi)存地址分配</b></p><p>　　加速脈沖數(shù)計數(shù)器N0 地址設(shè)為20H；恒速脈沖數(shù)計數(shù)器N1 低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址

74、位22H；減速脈沖數(shù)計數(shù)器N2 地址位23H。</p><p>　　加速，減速，恒速脈沖總數(shù)寄存器N 低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址位25H；步進(jìn)電機進(jìn)給控制子程序FEED 首地址位0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機按規(guī)定方向進(jìn)給一步。</p><p><b>　?。?）程序清單</b></p><p><b>　　第八章結(jié)束

75、語與致謝</b></p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　整個系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)采用了CM 系列滾珠絲桿副，其型號為： CM2005-5。以提高整個系統(tǒng)的精神要求。伺服系統(tǒng)采用了直流伺服電機通過彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動絲杠傳動，而且其實軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動，采用一個深溝來保證其徑向的圓跳動。用

76、PWM 脈寬調(diào)制電路來實現(xiàn)伺服電機電壓的平均值，電路中采用了阻容滯后電路，來防止H 型橋式功率放大器中兩對IGBT 功率管同時導(dǎo)通造成短路現(xiàn)象，能夠有效的控制伺服電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，同時為了保證一定的精度的要求，系統(tǒng)又采用了光電編碼器作為位置檢測器，來檢測伺服電機的位置，通過單片機對光電編碼器反饋信號處理來達(dá)到預(yù)期的精度要求。在設(shè)計中我們兼顧經(jīng)濟性，考慮滿足精度的要求，因此對于設(shè)備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設(shè)計的成本較高。&

77、lt;/p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　《畢業(yè)設(shè)計》是我在大學(xué)里的最后一門課程。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我學(xué)會了如何查閱現(xiàn)有的技術(shù)資料、如何舉一反三、如何通過改進(jìn)并加入自己的想法與觀點，使之成為自己的東西。并且結(jié)合生產(chǎn)知識，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際以及分析和解決工程實際問題的才能，并使大學(xué)三年所學(xué)的知識得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴展。在此，我對我的論文指導(dǎo)老師彭中

78、波老師表示衷心的感謝，感謝他對我的嚴(yán)格要求，感謝他的監(jiān)督和指導(dǎo)。其次我要感謝這三年里給我授課的所有老師。感謝你們傳給我知識。最后還要感謝參考文獻(xiàn)中所列書籍、文章及資料的作者。</p><p><b>　　第九章參考資料</b></p><p>　　1、高鐘毓．機電控制工程．北京：清華大學(xué)出版社，2002．</p><p>　　2、劉助柏．知識創(chuàng)

79、新思維方法論．北京：機械工業(yè)出版社，1999</p><p>　　3、宋云奪. 宋云奪. 光機電一體化產(chǎn)業(yè)的未來[J]. 光機電信息, 2003,(12).</p><p>　　4、丁連紅. 機電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀分析[J]. 中國科技信息, 2007,(12)</p><p>　　5、張鵬萬,孫劍峰,李占平. 機電一體化中的接口技術(shù)[J]礦業(yè)工程, 2005

80、,(06)</p><p>　　6、王寶敏. 談機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]. 大眾科技, 2006,(05)</p><p>　　7、王維剛. 淺談機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]. 黑龍江科技信息, 2007,(02)</p><p>　　8、楊春光. 我國機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 科技促進(jìn)發(fā)展, 2007,(03)</p><

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82、M].北京:人民郵電出版社,2005.</p><p>　　13、MedWin 用戶手冊.http://www.manley.com.cn.萬利電子有限公司.</p><p>　　14、徐正惠，胡海影.單片機原理與應(yīng)用實訓(xùn)教程[M].北京：科學(xué)出版社,2004.</p><p>　　15、汪道輝.單片機系統(tǒng)設(shè)計與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.</

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