機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)--數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要……………………………………………………………………….</p><p>　　任務(wù)與分析……………………………………………………………....1</p><p>　　總體方案的設(shè)計(jì)…………………………………………………………2</p><p>　　3.1

2、總體方案的設(shè)計(jì)……………………………………………………….3</p><p>　　3.2機(jī)械部分的設(shè)計(jì)………………………………………………………</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(jìn)電機(jī)的選擇……………………………………………………</p><p>　　3.3控制面板的布局及按鈕的功能設(shè)計(jì)…………………………………..</p><p>　　3.4控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)………………………………………………………..</p><p>　　4. 結(jié)論…………………………………………………………………………</p><p>　

4、　5. 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………..</p><p><b>　　1.摘要</b></p><p>　　隨著數(shù)控技術(shù)的普及，現(xiàn)在越來越多的設(shè)備都離不開這項(xiàng)技術(shù)了。本課程設(shè)計(jì)說明書圍繞數(shù)控技術(shù)展開了一系列的討論和說明。首先，為滿足課程設(shè)計(jì)的要求，控制系統(tǒng)采用的是MCS-51單片機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的性能較好，價(jià)格也還算公道，比較適合完

5、成此課程設(shè)計(jì)（即數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)）的相關(guān)任務(wù)。但由于MCS-51單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力有限，不能直接帶動(dòng)工作臺旋轉(zhuǎn)，所以還必須外接一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，所以驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)在此說明書中占有比較大的比例，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，可采用開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)然整個(gè)系統(tǒng)離不開機(jī)械部分的支持，所以機(jī)械部分的設(shè)計(jì)也尤為重要，此說明書主要針對步進(jìn)電機(jī)、軸承的選擇，以及蝸桿蝸輪的配合等做了相應(yīng)的闡述。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù)

6、 MCS-51單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 蝸桿蝸輪</p><p><b>　　2.任務(wù)與分析</b></p><p>　　為進(jìn)一步鞏固與機(jī)電一體化相關(guān)的知識，特撰寫了這本關(guān)于利用MCS-51單片機(jī)控制的數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)說明書。該設(shè)計(jì)以數(shù)控技術(shù)為核心展開了一系列的討論，主要包括機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兩大部分，此課程設(shè)計(jì)以“簡約而不簡單”的總原則，設(shè)計(jì)出了一套性價(jià)

7、比高、勞動(dòng)強(qiáng)度弱、操作簡單及可靠性好的數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺，該數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺所能達(dá)到的功能主要包括以下幾點(diǎn)：1.回轉(zhuǎn)角度為0~360°、正反旋轉(zhuǎn)；2.最大回轉(zhuǎn)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(yīng)用的領(lǐng)域比較廣泛，主要用于精密的機(jī)械加工設(shè)備、各類醫(yī)療設(shè)備、各類軍事設(shè)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(shí)際應(yīng)用，該設(shè)備目前還未投產(chǎn)。</p><

8、p><b>　　3．總體方案的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺根據(jù)其特點(diǎn)，大致包括以下主要部件：</p><p>　　完成最終功能的機(jī)械執(zhí)行部件（即產(chǎn)品的機(jī)械裝置）；</p><p>　　操作者操縱產(chǎn)品的工作以及了解產(chǎn)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(jìn)行發(fā)大以及驅(qū)動(dòng)相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電路。</p><p><b>　　如圖（一） </b></p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)接線</b></p><p>　　3.2 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)</p&g

10、t;<p>　　機(jī)械部分的總體設(shè)計(jì)如下圖：</p><p>　　3.2.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇</p><p>　　首先必須要明白步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)常用于開環(huán)系統(tǒng)的控制，這一點(diǎn)剛好能滿足課程設(shè)計(jì)中開環(huán)控制的要求。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一

11、個(gè)脈沖信號，電機(jī)則相應(yīng)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度（這個(gè)角度叫做步矩角，是步進(jìn)電機(jī)中一個(gè)很重要的參數(shù)）。由于這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累計(jì)誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變得非常很方便，其次，還要知道雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)、交流電機(jī)在常規(guī)下使用，因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識。</p><p>　　要正

12、確地選擇步進(jìn)電機(jī)，還必須清楚它的特性，主要有以下幾點(diǎn)：1. 步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號，就會(huì)以一定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比；2. 步進(jìn)電機(jī)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特點(diǎn)；3.改變脈沖的順序，可以方便地對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　要根據(jù)轉(zhuǎn)矩和步矩角選擇合適的步進(jìn)電機(jī)，綜上所述，可選擇型號為DM39系列

13、的步進(jìn)電機(jī)，步矩角為1.2度，保持轉(zhuǎn)矩為7.6N.m。 </p><p>　　步進(jìn)最高轉(zhuǎn)速為900轉(zhuǎn)/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(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，它主要有以下的一些特點(diǎn)：1.可以得到很大的傳動(dòng)比（i可達(dá)7~80），比交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)緊湊；2.兩輪嚙合面為線接觸，其承載能力大大高于交錯(cuò)軸斜齒

14、輪機(jī)構(gòu)；3.蝸桿傳動(dòng)相當(dāng)于螺旋傳動(dòng)，故傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音很??；4.具有自鎖性。當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪間的當(dāng)量角時(shí)，機(jī)構(gòu)具有自鎖性，可實(shí)現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動(dòng)蝸輪，而不能用蝸輪帶動(dòng)蝸桿，如在重機(jī)械中使用的自鎖蝸桿機(jī)構(gòu)，其反向自鎖性可起到安全保護(hù)作用；5.傳動(dòng)效率低，磨損較嚴(yán)重；6.蝸桿軸向力較大；7.常用于間歇工作的場合。 蝸桿傳動(dòng)的這些特點(diǎn)剛好符合本課程設(shè)計(jì)的相關(guān)要求 。另外，還必須清楚蝸桿傳動(dòng)的基本參數(shù)包括模數(shù)m，壓力角，蝸桿直徑

15、系數(shù)，導(dǎo)程角，蝸桿頭數(shù)，蝸輪齒數(shù)，齒頂高系數(shù)以及頂隙系數(shù)。其中，模數(shù)和壓力角是指蝸桿軸面的模數(shù)和壓力角，即蝸輪端面的模數(shù)和壓力角，且均為標(biāo)準(zhǔn)值；蝸桿直徑系數(shù)q為蝸桿分度圓直徑與其模數(shù)的比值。</p><p>　　蝸桿傳動(dòng)比i=蝸桿的轉(zhuǎn)速/蝸輪的轉(zhuǎn)速，蝸桿的轉(zhuǎn)速即是步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，蝸輪的轉(zhuǎn)速即是分度轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速。分度轉(zhuǎn)臺的最高轉(zhuǎn)速；要求為20轉(zhuǎn)/分鐘，由于步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為900轉(zhuǎn)/分鐘，由此能計(jì)算出蝸桿傳動(dòng)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(jī)構(gòu)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?yàn)榻墙佑|球軸承可同時(shí)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(gè)很重要的參數(shù)，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(huì)略微減小。單列的角接觸球

17、軸承只能承受一個(gè)方向的軸向負(fù)載，在承受徑向負(fù)荷時(shí)，將引起附加軸向力，并且只能限制軸或外殼在一個(gè)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(gè)方向使軸或外殼限制在軸向游隙范圍內(nèi)。課程設(shè)計(jì)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(jìn)口的SKF軸承（因?yàn)樵撦S承相對于其他

18、軸承而言，性能更好），為避免產(chǎn)生附加的軸向力，采用成對雙聯(lián)安裝方式，保持架的材質(zhì)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(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 操作控制面板的功能設(shè)計(jì)及按鈕的布局設(shè)計(jì)</p><p>　　布局如圖（三），包括LCD顯示器（用于顯示五位分度角度）、數(shù)字鍵0~9（用于輸入分度角度）、Left和Right

19、鍵（用于左右移動(dòng)光標(biāo)）、Up和Down鍵（用于增加或減少每一位的數(shù)值）、回零按鈕（用于分度轉(zhuǎn)臺的機(jī)械回零）、顯示器開關(guān)按鈕、報(bào)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(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過相應(yīng)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(shè)計(jì)</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(shù)據(jù)存儲器RAM）、I/O接口電路等。由于單片機(jī)具有以下的特點(diǎn)：1.優(yōu)異的性價(jià)比；2.集成度高、體積小、可靠性高。單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連續(xù)，大大提高了計(jì)算機(jī)的可靠性與抗干擾能力，另外，其體積小，對于強(qiáng)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(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)；4.低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；5.單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。由于單片機(jī)具有以上的特點(diǎn)，微處理可選擇MCS-51的單片機(jī)。</p><p>　　MCS-51的單片機(jī)共有四個(gè)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(gè)接口，由于課程設(shè)計(jì)所完成的功能比較簡單，32個(gè)接口足夠用了，不需要再進(jìn)行擴(kuò)展I/O的設(shè)計(jì)，但要知道這四個(gè)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(gè)口都包含一個(gè)鎖存器，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器，其中P0口的驅(qū)動(dòng)能力最強(qiáng)，可驅(qū)動(dòng)八個(gè)LSTTL負(fù)載，其他口只能驅(qū)動(dòng)四個(gè)，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(jī)與控制面板的鏈接設(shè)計(jì)如圖（四）：</p><p>　　3.3.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　在步進(jìn)電機(jī)已選擇好的情況下，再來對驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)對驅(qū)動(dòng)電路有如下的要求：1.驅(qū)動(dòng)電路的通電數(shù)、通電方式、驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流都必須能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求；2.驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要滿足步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行的要求；

24、3.能最大限度抑制步進(jìn)電機(jī)的振蕩；4.工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，能承受一定的過載；5.成本低，效率高，安裝和維護(hù)方便。</p><p>　　另外，還必須知道步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jìn)電機(jī)。在不同的機(jī)電應(yīng)用系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)各部分有所不同。根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，選擇脈沖的產(chǎn)生和分

25、配均由MCS-51單片機(jī)來完成的方式，輸出脈沖信號經(jīng)功率放大器放大再進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　經(jīng)過多方綜合的考慮，選擇繼電器驅(qū)動(dòng)方式（因?yàn)槔^電器方式的開關(guān)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(shè)備，繼電器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要根據(jù)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(dòng)作由單片機(jī)的P0.0端控制，P0.0端輸出低電平時(shí)，繼電器J吸合；P0.0端輸出高電平時(shí)，繼電器J釋放，采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復(fù)位或單片機(jī)受控復(fù)位時(shí)不吸合。</p><p>　　二極管VD的作用是保護(hù)三極管V。原理如下：當(dāng)P0.0端輸出低電平時(shí)，V導(dǎo)通，繼電器吸合；當(dāng)P0.0端輸出高電平時(shí)，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(chǎn)生較

27、高的下正上負(fù)的感應(yīng)電壓，使晶體管集電極承受較高電壓，有可能燒壞驅(qū)動(dòng)三級管V。為此在繼電器J線圈兩端并接一個(gè)續(xù)流二極管VD，使線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流有二極管VD流回。正常工作時(shí)，線圈上的電壓上正下負(fù)，二極管VD截止，對電路沒有影響。機(jī)械繼電器可在繼電器節(jié)點(diǎn)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(dú)立。UCC是單片機(jī)系統(tǒng)電源，UDD是供繼電器的

28、電源。輸出部分的地線接機(jī)殼或接大地，而單片機(jī)系統(tǒng)的電源地線——數(shù)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(jī)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(jié)論</b></p><p>　　通過任務(wù)與分析，總體方案的設(shè)計(jì)，機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及相關(guān)元件的正確選擇和參數(shù)的正確計(jì)算，此課程設(shè)計(jì)—

29、—即數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺，理論上能夠達(dá)到課程設(shè)計(jì)所要求的相關(guān)功能，在硬件和軟件都良好和正常的情況下，此數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺能較好地完成相應(yīng)的操作。當(dāng)然，此課程設(shè)計(jì)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(jī)而不用MCS-51單片機(jī)。我們都知道，每一套設(shè)備都經(jīng)過不斷地改進(jìn)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(shè)計(jì)說明書就完了，需要做的事情還有很多。</p><p><b>　　參考文

30、獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]任玉田，機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)，北京理工大學(xué)出版社，1999</p><p>　　[2] 張柱銀，數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床，化學(xué)工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[3] 林 宋，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，化學(xué)工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[4] 張毅剛，MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)，哈爾濱工