機電一體化課程設計--數控分度轉臺的設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要……………………………………………………………………….</p><p>　　任務與分析……………………………………………………………....1</p><p>　　總體方案的設計…………………………………………………………2</p><p>　　3.1

2、總體方案的設計……………………………………………………….3</p><p>　　3.2機械部分的設計………………………………………………………</p><p>　　3.2.1蝸桿蝸輪的配合……………………………………………………</p><p>　　3.2.2角接觸球軸承的選擇………………………………………………</p><p>　　3.2

3、.3步進電機的選擇……………………………………………………</p><p>　　3.3控制面板的布局及按鈕的功能設計…………………………………..</p><p>　　3.4控制系統(tǒng)的設計………………………………………………………..</p><p>　　4. 結論…………………………………………………………………………</p><p>　

4、　5. 參考文獻……………………………………………………………………..</p><p><b>　　1.摘要</b></p><p>　　隨著數控技術的普及，現在越來越多的設備都離不開這項技術了。本課程設計說明書圍繞數控技術展開了一系列的討論和說明。首先，為滿足課程設計的要求，控制系統(tǒng)采用的是MCS-51單片機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的性能較好，價格也還算公道，比較適合完

5、成此課程設計（即數控分度轉臺的設計）的相關任務。但由于MCS-51單片機的驅動能力有限，不能直接帶動工作臺旋轉，所以還必須外接一個驅動器，所以驅動電路的設計在此說明書中占有比較大的比例，根據設計任務的要求，可采用開環(huán)控制的步進電機驅動電路。當然整個系統(tǒng)離不開機械部分的支持，所以機械部分的設計也尤為重要，此說明書主要針對步進電機、軸承的選擇，以及蝸桿蝸輪的配合等做了相應的闡述。</p><p>　　關鍵詞：數控技術

6、 MCS-51單片機 驅動電路 蝸桿蝸輪</p><p><b>　　2.任務與分析</b></p><p>　　為進一步鞏固與機電一體化相關的知識，特撰寫了這本關于利用MCS-51單片機控制的數控分度轉臺的設計說明書。該設計以數控技術為核心展開了一系列的討論，主要包括機械部分的設計和控制系統(tǒng)的設計兩大部分，此課程設計以“簡約而不簡單”的總原則，設計出了一套性價

7、比高、勞動強度弱、操作簡單及可靠性好的數控分度轉臺，該數控分度轉臺所能達到的功能主要包括以下幾點：1.回轉角度為0~360°、正反旋轉；2.最大回轉半徑為100mm；3.所能承受的最大重量為20Kg；4.分度精度為2mrad。它所應用的領域比較廣泛，主要用于精密的機械加工設備、各類醫(yī)療設備、各類軍事設備等。需要說明的是，該說明書上的許多東西都是理論上的，還缺乏足夠的實際應用，該設備目前還未投產。</p><

8、p><b>　　3．總體方案的設計</b></p><p>　　3.1數控分度轉臺總體設計</p><p>　　數控分度轉臺根據其特點，大致包括以下主要部件：</p><p>　　完成最終功能的機械執(zhí)行部件（即產品的機械裝置）；</p><p>　　操作者操縱產品的工作以及了解產品的工作狀態(tài)的操作面板；</p

9、><p>　　處理操作指令的控制系統(tǒng)；</p><p>　　對控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號進行發(fā)大以及驅動相應設備的驅動電路。</p><p><b>　　如圖（一） </b></p><p><b>　　步進電機接線</b></p><p>　　3.2 機械部分的設計</p&g

10、t;<p>　　機械部分的總體設計如下圖：</p><p>　　3.2.1 步進電機的選擇</p><p>　　首先必須要明白步進電機的工作原理，它將是電脈沖信號變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，所以步進電機常用于開環(huán)系統(tǒng)的控制，這一點剛好能滿足課程設計中開環(huán)控制的要求。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一

11、個脈沖信號，電機則相應轉過一個角度（這個角度叫做步矩角，是步進電機中一個很重要的參數）。由于這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累計誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變得非常很方便，其次，還要知道雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規(guī)下使用，因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。</p><p>　　要正

12、確地選擇步進電機，還必須清楚它的特性，主要有以下幾點：1. 步進電機必須加驅動才可以運轉，驅動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機靜止，如果加入適當的脈沖信號，就會以一定的角度轉動。轉動的速度和脈沖的頻率成正比；2. 步進電機電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特點；3.改變脈沖的順序，可以方便地對步進電機進行調整。</p><p>　　要根據轉矩和步矩角選擇合適的步進電機，綜上所述，可選擇型號為DM39系列

13、的步進電機，步矩角為1.2度，保持轉矩為7.6N.m。 </p><p>　　步進最高轉速為900轉/分鐘。</p><p>　　3.2.2蝸桿蝸輪的配合</p><p>　　蝸桿蝸輪配合常用來傳遞兩交錯軸之間的運動和動力，它主要有以下的一些特點：1.可以得到很大的傳動比（i可達7~80），比交錯軸斜齒輪機構緊湊；2.兩輪嚙合面為線接觸，其承載能力大大高于交錯軸斜齒

14、輪機構；3.蝸桿傳動相當于螺旋傳動，故傳動平穩(wěn)、噪音很??；4.具有自鎖性。當蝸桿的導程角小于嚙合輪間的當量角時，機構具有自鎖性，可實現反向自鎖，即只能由蝸桿帶動蝸輪，而不能用蝸輪帶動蝸桿，如在重機械中使用的自鎖蝸桿機構，其反向自鎖性可起到安全保護作用；5.傳動效率低，磨損較嚴重；6.蝸桿軸向力較大；7.常用于間歇工作的場合。 蝸桿傳動的這些特點剛好符合本課程設計的相關要求 。另外，還必須清楚蝸桿傳動的基本參數包括模數m，壓力角，蝸桿直徑

15、系數，導程角，蝸桿頭數，蝸輪齒數，齒頂高系數以及頂隙系數。其中，模數和壓力角是指蝸桿軸面的模數和壓力角，即蝸輪端面的模數和壓力角，且均為標準值；蝸桿直徑系數q為蝸桿分度圓直徑與其模數的比值。</p><p>　　蝸桿傳動比i=蝸桿的轉速/蝸輪的轉速，蝸桿的轉速即是步進電機的轉速，蝸輪的轉速即是分度轉臺的轉速。分度轉臺的最高轉速；要求為20轉/分鐘，由于步進電機的最高轉速為900轉/分鐘，由此能計算出蝸桿傳動比為9

16、00/20=45。 </p><p>　　3.2.3 角接觸球軸承的選擇</p><p>　　由于此機構主要承受軸向方向的載荷，以及部分的徑向載荷，在此部分選擇角接觸球軸承是最合適不過的了，因為角接觸球軸承可同時承受徑向載荷和軸向載荷。 要知道接觸角是角接觸球軸承中一個很重要的參數，它直接決定了角接觸球軸承軸向方向的承載能力，接觸角越大，軸向承載能力越大，但精度會略微減小。單列的角接觸球

17、軸承只能承受一個方向的軸向負載，在承受徑向負荷時，將引起附加軸向力，并且只能限制軸或外殼在一個方向的軸向位移，這不是我們想要的，若是成對雙聯(lián)安裝，使一對軸承的外圈相對，即寬端面對寬端面，窄端面對窄端面，這樣既可避免引起附加軸向力，而且可在兩個方向使軸或外殼限制在軸向游隙范圍內。課程設計要求能承載的最大載荷為20Kg，分度精度為2mrad，可選擇接觸角為25度的、7000AC型的角接觸球軸承，最好選擇進口的SKF軸承（因為該軸承相對于其他

18、軸承而言，性能更好），為避免產生附加的軸向力，采用成對雙聯(lián)安裝方式，保持架的材質可選擇性能優(yōu)異，壽命相對較長的合成樹脂。</p><p>　　3.3控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　3.3.1 操作控制面板的功能設計及按鈕的布局設計</p><p>　　布局如圖（三），包括LCD顯示器（用于顯示五位分度角度）、數字鍵0~9（用于輸入分度角度）、Left和Right

19、鍵（用于左右移動光標）、Up和Down鍵（用于增加或減少每一位的數值）、回零按鈕（用于分度轉臺的機械回零）、顯示器開關按鈕、報警指示燈、串口RS232指示燈以及Enter鍵（完成輸入分度角度之后，按下此鍵分度轉臺轉過相應的角度）。</p><p><b>　　串行通訊電路接線圖</b></p><p>　　串行通訊PCB接線圖</p><p>

20、　　3.3.2 控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　首先要明確控制系統(tǒng)的基本硬件包括：CPU、存儲器（程序存儲器ROM和數據存儲器RAM）、I/O接口電路等。由于單片機具有以下的特點：1.優(yōu)異的性價比；2.集成度高、體積小、可靠性高。單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內部采用總線結構，減少了各芯片之間的連續(xù)，大大提高了計算機的可靠性與抗干擾能力，另外，其體積小，對于強磁環(huán)境，易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工

21、作；3.控制功能強。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中有豐富的轉移指令、I/O的邏輯操作以及位處理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機；4.低功耗、低電壓，便于生產便攜式產品；5.單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。由于單片機具有以上的特點，微處理可選擇MCS-51的單片機。</p><p>　　MCS-51的單片機共有四個8位的并行I/O口，分別記

22、作P0、P1、P2、P3,也就是說一共有32個接口，由于課程設計所完成的功能比較簡單，32個接口足夠用了，不需要再進行擴展I/O的設計，但要知道這四個8位的并行I/O口都有相同的特殊功能寄存器，并且具有字節(jié)尋址和位尋址的功能，每個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅動器和輸入緩沖器，其中P0口的驅動能力最強，可驅動八個LSTTL負載，其他口只能驅動四個，另外P3口具有第二功能（包括RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD）。

23、</p><p>　　MCS-51的單片機與控制面板的鏈接設計如圖（四）：</p><p>　　3.3.3 驅動電路的設計</p><p>　　在步進電機已選擇好的情況下，再來對驅動電路進行設計，因為步進電機對驅動電路有如下的要求：1.驅動電路的通電數、通電方式、驅動電壓、驅動電流都必須能滿足步進電機的要求；2.驅動電路的設計要滿足步進電機起動頻率和連續(xù)運行的要求；

24、3.能最大限度抑制步進電機的振蕩；4.工作可靠，抗干擾能力強，能承受一定的過載；5.成本低，效率高，安裝和維護方便。</p><p>　　另外，還必須知道步進電機驅動電路的基本組成部分，主要包括：脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖功率放大器三個部分，具體執(zhí)行情況如下：指令——脈沖發(fā)生器——脈沖分配器——脈沖功率放大器——步進電機。在不同的機電應用系統(tǒng)中，步進電機各部分有所不同。根據課程設計任務的要求，選擇脈沖的產生和分

25、配均由MCS-51單片機來完成的方式，輸出脈沖信號經功率放大器放大再進入步進電機。</p><p>　　經過多方綜合的考慮，選擇繼電器驅動方式（因為繼電器方式的開關量輸出是最常見的輸出方式，通過弱電控制外界的交流或直流的高電壓、大電流設備，繼電器驅動電路的設計要根據所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，控制電流一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作），具體的接口電路如圖（五）</p><

26、;p>　　繼電器的動作由單片機的P0.0端控制，P0.0端輸出低電平時，繼電器J吸合；P0.0端輸出高電平時，繼電器J釋放，采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸合。</p><p>　　二極管VD的作用是保護三極管V。原理如下：當P0.0端輸出低電平時，V導通，繼電器吸合；當P0.0端輸出高電平時，V截止，繼電器斷開。在繼電器吸合到斷開的瞬間，由于線圈中的電流不能突變，將在線圈產生較

27、高的下正上負的感應電壓，使晶體管集電極承受較高電壓，有可能燒壞驅動三級管V。為此在繼電器J線圈兩端并接一個續(xù)流二極管VD，使線圈產生的感應電流有二極管VD流回。正常工作時，線圈上的電壓上正下負，二極管VD截止，對電路沒有影響。機械繼電器可在繼電器節(jié)點兩端并接火花抑制電路，減少電火花影響，如圖（五）中的0.0uF的電容。</p><p>　　4N25使兩部分的電流信號獨立。UCC是單片機系統(tǒng)電源，UDD是供繼電器的

28、電源。輸出部分的地線接機殼或接大地，而單片機系統(tǒng)的電源地線——數字地（浮空的）不與交流電源的地線相接。這樣可避免輸出部分電源變化對單片機電源的影響，減少系統(tǒng)所受的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。</p><p><b>　　5．結論</b></p><p>　　通過任務與分析，總體方案的設計，機械部分的設計和控制系統(tǒng)的設計，以及相關元件的正確選擇和參數的正確計算，此課程設計—

29、—即數控分度轉臺，理論上能夠達到課程設計所要求的相關功能，在硬件和軟件都良好和正常的情況下，此數控分度轉臺能較好地完成相應的操作。當然，此課程設計還有許多需要完善的地方，比如可否選擇性能更為良好的其他的單片機而不用MCS-51單片機。我們都知道，每一套設備都經過不斷地改進和完善，它的性能變得越來越好的，所以不是簡簡單單的一份課程設計說明書就完了，需要做的事情還有很多。</p><p><b>　　參考文

30、獻：</b></p><p>　　[1]任玉田，機床計算機數控技術，北京理工大學出版社，1999</p><p>　　[2] 張柱銀，數控原理與數控機床，化學工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[3] 林 宋，現代數控機床，化學工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[4] 張毅剛，MCS-51單片機應用設計，哈爾濱工