機(jī)械工程及自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)控制的數(shù)控xy工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體部分

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)控制的數(shù)控X-Y工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)學(xué) 院： 機(jī)械與車輛工程學(xué)院專 業(yè)： 姓 名： 指導(dǎo)老師： 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué) 號(hào)： 職 稱： 教授中國珠海二一O年五月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠信承諾書本人承諾呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于單片機(jī)控制的數(shù)控X-Y工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立開展研究取得的成果，文中引用他人的觀點(diǎn)和材料，均在文后按順序列出其參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)（論文）使用的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。本人簽名： 日期： 年 月 日基于單片機(jī)控制的數(shù)控X-Y工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)控制的數(shù)控X-Y工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)，首先根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)部件

2、進(jìn)行計(jì)算與選型，其次是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算選型；由于系統(tǒng)采用的是半閉環(huán)控制，因此機(jī)械系統(tǒng)裝配有增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。在系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)上，CPU采用的是AT89C52單片機(jī)，通過設(shè)有輸出穩(wěn)定直流電的驅(qū)動(dòng)電源、光電隔離電路、開光量輸入電路等，大大提高了微機(jī)的抗干擾能力，防止微機(jī)受干擾而誤動(dòng)。在外圍電路的設(shè)計(jì)上，使用了可編程控制器8255A、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003、三態(tài)緩沖器74LS240/74LS244、鎖存器74LS373、8位8段共陰極數(shù)碼管等芯片，在外圍電路芯片的選擇上以盡量節(jié)省I/O口、性價(jià)比較高、技術(shù)成熟以及市場(chǎng)上通用芯片為基準(zhǔn)，故控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能更優(yōu)越。系統(tǒng)的人機(jī)接口設(shè)計(jì)了

3、一個(gè)四行四列的矩陣式鍵盤作為指令的輸入，和一個(gè)8位8段共陰數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示電路；程序在Keil軟件進(jìn)行編譯和調(diào)試，并在Proteus環(huán)境中實(shí)現(xiàn)程序及電路的仿真。關(guān)鍵字：步進(jìn)電機(jī) X-Y工作臺(tái) 單片機(jī) 微控制器Design of X-Y NC Worktable Based on Microcontroller Overall DesignABSTRACTThe NC XY table system design is based on the microcomputer, first, calculation and chooses the transmission parts accordi

4、ng to the design task, second, the calculation of step motor selection; because the system uses a semi-closed loop control, the mechanical system is equipped with incremental rotary encoder.In the control circuit design, used an AT89C52 microcontroller for CPU, with stable DC output by the driving p

5、ower, optical isolation circuit and Switch output circuit and so on. Raise the level of protect their own computer interference. To prevent interference to computer malfunction.In the design of the external circuit, use a programmable controller 8255A, ULN2003 stepper motor driver IC, tri-State buff

6、er 74LS240/74LS244, flip-latch 74LS373, 8-bit Common cathode LED digital tube and some other chips, the choices of the external circuit chip basis on try to save on I/O port, high costly with price lower, mature technology and Universal chip market,so control system circuit is Simple, and Superior p

7、erformance. Man-machine interface of the system use a 4*4 Matrix keyboard for command input, and a 8-bit common cathode LED digital tube; program compiler and debug in Keil, and use Proteus environment to achieve in the process and circuit simulation.Key words: Step-motor X-Y table Chip-Single Micro

8、computer Microcontroller目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc263285422 摘 要 PAGEREF _Toc263285422 h I HYPERLINK l _Toc263285423 ABSTRACT PAGEREF _Toc263285423 h II HYPERLINK l _Toc263285424 1 前言 PAGEREF _Toc263285424 h 1 HYPERLINK l _Toc263285425 1.1 課題設(shè)計(jì)研究背景和意義 PAGEREF _Toc263285425 h 1 HYPERLINK l _

9、Toc263285426 1.2 研究的內(nèi)容 PAGEREF _Toc263285426 h 1 HYPERLINK l _Toc263285427 1.3 研究的技術(shù)路線 PAGEREF _Toc263285427 h 1 HYPERLINK l _Toc263285428 2 總體方案的確定 PAGEREF _Toc263285428 h 2 HYPERLINK l _Toc263285429 2.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 PAGEREF _Toc263285429 h 2 HYPERLINK l _Toc263285430 2.1.1 導(dǎo)軌副的選用 PAGEREF _Toc26328543

10、0 h 2 HYPERLINK l _Toc263285431 2.1.2 絲桿螺母副的選用 PAGEREF _Toc263285431 h 2 HYPERLINK l _Toc263285432 2.1.3 減速裝置的選用 PAGEREF _Toc263285432 h 2 HYPERLINK l _Toc263285433 2.1.4 伺服電動(dòng)機(jī)的選用 PAGEREF _Toc263285433 h 2 HYPERLINK l _Toc263285434 2.1.5 檢測(cè)裝置的選用 PAGEREF _Toc263285434 h 2 HYPERLINK l _Toc263285435 2.

11、2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285435 h 3 HYPERLINK l _Toc263285436 2.3 繪制總體方案圖 PAGEREF _Toc263285436 h 3 HYPERLINK l _Toc263285437 2.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc263285437 h 3 HYPERLINK l _Toc263285438 3 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285438 h 4 HYPERLINK l _Toc263285439 3.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 PAGEREF _Toc263285439 h 4 HYP

12、ERLINK l _Toc263285440 3.2 銑削力的計(jì)算 PAGEREF _Toc263285440 h 4 HYPERLINK l _Toc263285441 3.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 PAGEREF _Toc263285441 h 4 HYPERLINK l _Toc263285442 3.3.1 滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 PAGEREF _Toc263285442 h 4 HYPERLINK l _Toc263285443 3.3.2 距離額定壽命L的計(jì)算 PAGEREF _Toc263285443 h 5 HYPERLINK l _Toc263

13、285444 3.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 PAGEREF _Toc263285444 h 5 HYPERLINK l _Toc263285445 3.4.1 最大工作載荷Fm的計(jì)算 PAGEREF _Toc263285445 h 5 HYPERLINK l _Toc263285446 3.4.2 最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算 PAGEREF _Toc263285446 h 5 HYPERLINK l _Toc263285447 3.4.3 初選型號(hào) PAGEREF _Toc263285447 h 5 HYPERLINK l _Toc263285448 3.4.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算 PAGEREF

14、 _Toc263285448 h 6 HYPERLINK l _Toc263285449 3.4.5 剛度的驗(yàn)算 PAGEREF _Toc263285449 h 6 HYPERLINK l _Toc263285450 3.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 PAGEREF _Toc263285450 h 6 HYPERLINK l _Toc263285451 3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 PAGEREF _Toc263285451 h 6 HYPERLINK l _Toc263285452 3.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型 PAGEREF _Toc263285452 h 7 HYPERLINK l _To

15、c263285453 3.6.1 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq PAGEREF _Toc263285453 h 7 HYPERLINK l _Toc263285454 3.6.2 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq PAGEREF _Toc263285454 h 7 HYPERLINK l _Toc263285455 3.6.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 PAGEREF _Toc263285455 h 9 HYPERLINK l _Toc263285456 3.6.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 PAGEREF _Toc263285456 h 9 HYPERLINK l _

16、Toc263285457 3.7 增量式選轉(zhuǎn)編碼器的選用 PAGEREF _Toc263285457 h 10 HYPERLINK l _Toc263285458 3.8 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 PAGEREF _Toc263285458 h 11 HYPERLINK l _Toc263285459 3.9 本章小結(jié) PAGEREF _Toc263285459 h 11 HYPERLINK l _Toc263285460 4 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285460 h 12 HYPERLINK l _Toc263285461 4.1 控制系統(tǒng)微控制器的選擇與使用 PA

17、GEREF _Toc263285461 h 12 HYPERLINK l _Toc263285462 4.1.1 AT89C52單片機(jī)主要性能參數(shù)及功能特性 PAGEREF _Toc263285462 h 12 HYPERLINK l _Toc263285463 4.1.2 AT89C52單片機(jī)的引腳功能 PAGEREF _Toc263285463 h 14 HYPERLINK l _Toc263285464 4.1.3 AT89C52單片機(jī)復(fù)位電路 PAGEREF _Toc263285464 h 16 HYPERLINK l _Toc263285465 4.1.4 AT89C52單片機(jī)振蕩電

18、路 PAGEREF _Toc263285465 h 16 HYPERLINK l _Toc263285466 4.2 控制系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)與選擇 PAGEREF _Toc263285466 h 17 HYPERLINK l _Toc263285467 4.2.1 控制系統(tǒng)的電源硬件原理圖 PAGEREF _Toc263285467 h 17 HYPERLINK l _Toc263285468 4.2.2 隔離電源的選擇 PAGEREF _Toc263285468 h 17 HYPERLINK l _Toc263285469 4.2.3 控制系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)類型選擇 PAGEREF _Toc2632

19、85469 h 18 HYPERLINK l _Toc263285470 4.2.4 AT89C52及其擴(kuò)展芯片電源設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285470 h 18 HYPERLINK l _Toc263285471 4.2.5 TLP521-1光耦合器輸入端電源設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285471 h 20 HYPERLINK l _Toc263285472 4.3 光電隔離電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285472 h 21 HYPERLINK l _Toc263285473 4.3.1 光耦合器的選用 PAGEREF _Toc263285473 h 21

20、HYPERLINK l _Toc263285474 4.3.2 TLP521-1光耦合器的主要參數(shù)及工作參數(shù) PAGEREF _Toc263285474 h 21 HYPERLINK l _Toc263285475 4.4 開關(guān)量輸入通道電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285475 h 22 HYPERLINK l _Toc263285476 4.4.1 開關(guān)量輸入通道總體硬件電路圖 PAGEREF _Toc263285476 h 23 HYPERLINK l _Toc263285477 4.4.2 開關(guān)量輸入通道電路分析 PAGEREF _Toc263285477 h 23 HYPE

21、RLINK l _Toc263285478 4.5 I/O接口芯片的應(yīng)用電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285478 h 23 HYPERLINK l _Toc263285479 4.5.1 74LS373擴(kuò)展8位并行輸出口 PAGEREF _Toc263285479 h 23 HYPERLINK l _Toc263285480 4.5.2 74LS244擴(kuò)展8位并行輸出口 PAGEREF _Toc263285480 h 24 HYPERLINK l _Toc263285481 4.5.3 74LS240擴(kuò)展8位并行輸出口 PAGEREF _Toc263285481 h 24 HYPE

22、RLINK l _Toc263285482 4.5.4 8255A可編程并行輸出 PAGEREF _Toc263285482 h 24 HYPERLINK l _Toc263285483 4.6 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285483 h 28 HYPERLINK l _Toc263285484 4.6.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 PAGEREF _Toc263285484 h 28 HYPERLINK l _Toc263285485 4.6.2 步進(jìn)電機(jī)脈沖分配信號(hào)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285485 h 29 HYPERLINK l _Toc263285

23、486 4.6.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源 PAGEREF _Toc263285486 h 30 HYPERLINK l _Toc263285487 4.6.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)電路圖 PAGEREF _Toc263285487 h 31 HYPERLINK l _Toc263285488 4.7 鍵盤與LED顯示電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285488 h 31 HYPERLINK l _Toc263285489 4.7.1 鍵盤電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285489 h 31 HYPERLINK l _Toc263285490 4.7.2 顯示電路設(shè)計(jì) PAGER

24、EF _Toc263285490 h 32 HYPERLINK l _Toc263285491 4.8 本章小結(jié) PAGEREF _Toc263285491 h 34 HYPERLINK l _Toc263285492 5 仿真控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285492 h 35 HYPERLINK l _Toc263285493 5.1 Proteus簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc263285493 h 35 HYPERLINK l _Toc263285494 5.2 Keil簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc263285494 h 35 HYPERLINK l _Toc2

25、63285495 5.3 仿真控制系統(tǒng)硬件原理圖 PAGEREF _Toc263285495 h 35 HYPERLINK l _Toc263285496 5.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc263285496 h 36 HYPERLINK l _Toc263285497 6 控制系統(tǒng)人機(jī)接口軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc263285497 h 37 HYPERLINK l _Toc263285498 6.1 鍵盤與顯示總程序 PAGEREF _Toc263285498 h 37 HYPERLINK l _Toc263285499 6.1.1 鍵盤與顯示總程序流程圖 PAGEREF

26、_Toc263285499 h 37 HYPERLINK l _Toc263285500 6.1.2 鍵盤與顯示總程序原理 PAGEREF _Toc263285500 h 37 HYPERLINK l _Toc263285501 6.2 顯示程序 PAGEREF _Toc263285501 h 37 HYPERLINK l _Toc263285502 6.2.1 顯示程序流程圖 PAGEREF _Toc263285502 h 37 HYPERLINK l _Toc263285503 6.2.2 顯示程序流程圖解釋 PAGEREF _Toc263285503 h 37 HYPERLINK l _

27、Toc263285504 6.2.3 LED顯示原理 PAGEREF _Toc263285504 h 38 HYPERLINK l _Toc263285505 6.3 鍵盤掃描程序 PAGEREF _Toc263285505 h 39 HYPERLINK l _Toc263285506 6.3.1 鍵盤掃描程序流程圖 PAGEREF _Toc263285506 h 39 HYPERLINK l _Toc263285507 6.3.2 鍵盤掃描程序解釋 PAGEREF _Toc263285507 h 39 HYPERLINK l _Toc263285508 6.4 本章小結(jié) PAGEREF _T

28、oc263285508 h 39 HYPERLINK l _Toc263285509 7 結(jié)論與展望 PAGEREF _Toc263285509 h 41 HYPERLINK l _Toc263285510 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc263285510 h 42 HYPERLINK l _Toc263285511 附 錄 PAGEREF _Toc263285511 h 43 HYPERLINK l _Toc263285512 附錄A 人機(jī)界面程序 PAGEREF _Toc263285512 h 43 HYPERLINK l _Toc263285513 附錄B 外文文獻(xiàn)翻譯原文 PAGE

29、REF _Toc263285513 h 47 HYPERLINK l _Toc263285514 附錄C 外文文獻(xiàn)翻譯譯文 PAGEREF _Toc263285514 h 52 HYPERLINK l _Toc263285515 謝 辭 PAGEREF _Toc263285515 h 591 前言 課題設(shè)計(jì)研究背景和意義隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)得到了快速發(fā)展，促使機(jī)械加工技術(shù)發(fā)生深刻的變化，企業(yè)不但追求高效率的生產(chǎn)模式，更追求高標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量要求；因此這使得機(jī)械設(shè)備的功能要求越來越強(qiáng)大，其結(jié)構(gòu)及功能隨之也變得復(fù)雜。所以能夠設(shè)計(jì)出功能全面、效率高、耐壓性強(qiáng)，加工精度高的機(jī)械加工設(shè)備是制造業(yè)中最

30、重要的課題之一，我們此次研究的課題X-Y數(shù)控工作臺(tái)屬于高精密加工的核心部件，它的傳動(dòng)部件的定位精度直接影響系統(tǒng)的加工精度。X-Y數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。數(shù)控工作臺(tái)一般是指由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制工作臺(tái)，但由于步進(jìn)電機(jī)在起動(dòng)及運(yùn)行頻率較高時(shí)易失步，無法達(dá)到較高的精度，因此本設(shè)計(jì)采用半閉環(huán)控制使控制精度大大提高。本設(shè)計(jì)為驗(yàn)證性設(shè)計(jì)，通過對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握一些典型硬件電路的設(shè)計(jì)方法和人機(jī)接口軟件的設(shè)計(jì)思路，通過Proteus軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 研究的內(nèi)容 X-Y數(shù)控工作臺(tái)

31、是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，通常由導(dǎo)軌座、滑動(dòng)模塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副，以及步進(jìn)電機(jī)的部件構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)可選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，也可設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)用AT89C52組成專用單片機(jī)控制系統(tǒng)，從鍵盤輸入G代碼后，能通過直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，完成平面輪廓加工。設(shè)計(jì)要求完成整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和完成整個(gè)控制系統(tǒng)的人機(jī)接口軟件設(shè)計(jì)，通過Keil編譯和調(diào)試程序，并最終在Proteus軟件中仿真。 研究的技術(shù)路線本設(shè)計(jì)研究的技術(shù)路線主要包括：1.機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算；2.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其選擇；3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)；4.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用；5.控制系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)與選擇；6

32、.光電隔離電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用；7.開關(guān)量輸入通道電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用；8.常用存儲(chǔ)器與I/O接口芯片的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)；9.鍵盤與LED顯示電路應(yīng)用設(shè)計(jì)；10.控制系統(tǒng)的人機(jī)接口軟件設(shè)計(jì)；11.在Protel軟件中繪制系統(tǒng)硬件原理圖；Keil軟件中完成程序的編譯和調(diào)試；roteus軟件中進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試與仿真。2 總體方案的確定2.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 絲桿螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足5m

33、m脈沖當(dāng)量和mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求1 尹志強(qiáng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第186頁，滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)，選用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱1。 伺服電動(dòng)機(jī)的選用任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有因此3000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)

34、，因此可以選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1。以降低成本，提高性價(jià)比。 檢測(cè)裝置的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏高，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配1?？紤]到X、Y兩個(gè)方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，本設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)是控制電路的設(shè)計(jì)，為了減少機(jī)械傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)工作量， X、Y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)以及檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)

35、格。2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）本設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，能夠完成平面輪廓的加工，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU1 尹志強(qiáng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第187頁，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。（3）要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。（4）選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。2.3 繪制總體方案圖總體方

36、案圖如圖1-1所示：微控制器(MCU)I/O接口電路放大電路執(zhí)行器件機(jī)械傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)機(jī)械執(zhí)行機(jī) 構(gòu)圖1-1 總體方案圖2.4 本章小結(jié)本章主要是完成了系統(tǒng)總體方案確定的機(jī)械傳動(dòng)部件的選用和控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想的分析，機(jī)械傳動(dòng)部件完成了一些主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的初步選擇，而為后續(xù)的設(shè)計(jì)中，還將會(huì)對(duì)其進(jìn)行分析、計(jì)算和校核的?？紤]到數(shù)控工作臺(tái)對(duì)要求控制系統(tǒng)要有較高的精度和較快的反應(yīng)速度，我選用了AT89C52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。3 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與設(shè)計(jì)3.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、導(dǎo)

37、軌座等,估計(jì)重量約為800N1 尹志強(qiáng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第187，15，45，47頁3.2 銑削力的計(jì)算設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表3-71查得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為： (3-1)今選擇銑刀的直徑為d15mm，齒數(shù)Z3,為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度為ae =15mm，背吃刀量ap8mm ，每齒進(jìn)給量fz，銑刀轉(zhuǎn)速n300r/min。則由式(3-1)求的最大銑削力： (3-2)采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由表3-51查得，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削

38、力分別為：FfFc1609N, FeFc556N，F(xiàn)fnFc336N。圖3-4a1為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力FzFc556N，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力FxFf1609N，徑向銑削力為FyFfn336N。3.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： (3-3)其

39、中，移動(dòng)部件重量G800N，外加載荷FFz556N，代入式(3-3)，得最大工作載荷Fmax686N0.686kN。查表3-411根據(jù)工作載荷Fmax0.756kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG15型，其額定動(dòng)載荷CakN，額定靜載荷CoakN。任務(wù)書規(guī)定加工范圍為230230，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-351選取導(dǎo)軌的長度為520mm。 距離額定壽命L的計(jì)算上述所取的KL系列JSA-LG15系列導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級(jí)，工作速度較低，載荷不大。查表3-361 尹志強(qiáng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M北

40、京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第46，47，38，39頁表3-401，分別取硬度系數(shù)fH、溫度系數(shù)fT =1.00，接觸系數(shù)fc0.81，精度系數(shù)fR0.9，載荷系數(shù)fw，代入式(3-33)1，得距離壽命：L= (3-4)遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。3.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 最大工作載荷Fm的計(jì)算如前所述，在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx1609N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy366N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz556N。已知移動(dòng)部件總重量G800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表3-291，取顛覆力矩影響系數(shù)K =1.1，滾動(dòng)

41、導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： (3-5) 最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Fh5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速nv/Ph80r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T15000h,代入L060nT/106,得絲杠壽命系數(shù)L0=72（單位為：106r）。查表3-301，取載荷系fw1.2，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)fH1.0,代入式(3-23)1，求得最大動(dòng)載荷： (3-6) 初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表3-311，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反

42、向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈1系列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N，大于FQ，滿足要求。 傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑d020mm,導(dǎo)程Ph20mm,代入arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角433。將摩擦角10，代入tan/tan()，得傳動(dòng)效率。 剛度的驗(yàn)算1）X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距約為a500mm；鋼的彈性模量E105MPa;查表得滾珠直徑Dw，絲杠底徑d2，絲杠截面積： (3-7)忽略式(3-25)1 尹志強(qiáng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指

43、導(dǎo)書M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第41，35，42頁中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量： (3-8)2）根據(jù)公式Z(d0/Dw)3，求得單圈滾珠數(shù)Z20；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式ZZ圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力FYJFm/3593N。則由式(3-27)1，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2。因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取2。3）將以上算出的1和2代入總12，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）總m本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表3-27 1知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效

44、行程在315 400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25m，可見絲杠剛度足夠。 壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式(3-28)1計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk。查表3-341取支承系數(shù)Fk1；由絲杠底徑d2，由式(3-9)求得截面慣性矩I4；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入式(3-28)1，得臨界載荷Fk9343N，遠(yuǎn)大于工作載Fm9343N，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 (3-9)3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用為了滿足脈沖當(dāng)量的的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上盡可能的

45、小，今在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪機(jī)減速箱，采用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯(lián)連。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖3-81 尹志強(qiáng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第20，19，56，65，61頁所示的彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量/脈沖，滾珠絲杠的的導(dǎo)程Ph5mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角。根據(jù)式(3-12)1，算得減速比： (3-10)本設(shè)計(jì)選用常州市新月電機(jī)生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75：36，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)到55HRC。減速箱中心距為 75361/2

46、,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。3.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq已知：滾珠絲杠的公稱直徑d020mm，總長l500mm，導(dǎo)程Ph5mm，材料密度10-3kg/cm；移動(dòng)部件總重力G800N；小齒輪齒寬b120mm，直徑d136mm，大小齒輪齒寬b220mm，直徑d175mm；傳動(dòng)比i25/12。 (3-11) (3-12)如表4-11，式(3-11)，式(3-12)所示，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JScm；拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jwcm；小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz1cm；大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz2cm。初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

47、的型號(hào)為90BYG2602,為四相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，四，從表4-51查得該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm4kgcm。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (3-13) 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載和承受最大負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1) 快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1由式(4-8)1可知，Teq1包括三部分；一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Tmax；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式(4-12)1

48、尹志強(qiáng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第61-62頁可知，T0相對(duì)于Tmax和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有： (3-14)根據(jù)式(4-9)1，考慮傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩： (3-15)式(3-15)中nm對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min；ta步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。其中： (3-16)式(3-16)中Vmax空載最快移動(dòng)速度，設(shè)計(jì)要求指定為3000mm/min；脈沖當(dāng)量，本例/脈沖。將以上各值代入式(3-16)，算得nm1250r/min。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至n

49、m轉(zhuǎn)速所需時(shí)間ta，傳動(dòng)鏈總效率。則由式(3-15)求得： (3-17)由式(4-10)1知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： (3-18)式中；Fz垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0；傳動(dòng)鏈效率，取。則由式(3-18)，得： (3-19)最后由式(3-14)求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： (3-20)2) 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2由式(4-13)1可知，Teq2包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0

50、， T0相對(duì)于Tf和Tt很小，可以忽略不計(jì)。則有： (3-21)其中折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由公式(4-14)1 尹志強(qiáng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第61-62頁計(jì)算。則有： (3-22)再由式(4-10)1計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載 (Fz556N)情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： (3-23)最后由式(3-21)，求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： (3-24)最后求得在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： (3-25) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電

51、壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù)K4, 則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： (3-26)初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90BYG2602，查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax6Nm?？梢姡瑵M足(3-26)的要求。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1)最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核設(shè)計(jì)要求給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度Vmaxf400mm/min，脈沖當(dāng)量/脈沖，由式(4-16)1求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmaxf400/(600.005) 1333Hz。從（圖3-1）90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此

52、頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2m，滿足要求。2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度vmax3000mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率fmax3000/(600.005)Hz10000Hz。從圖3-1查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1m，滿足要求。3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與快速空載移動(dòng)速度vmax3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為fmax10000Hz。查表4-51可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000Hz，可見沒有超出上限。4）起動(dòng)頻率的計(jì)

53、算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeqcm，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm4kgcm，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率fq=1800Hz（查表4-51 尹志強(qiáng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第65，63，192頁）。由式(4-17)1可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為： (3-27)說明：要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于614Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。圖3-1 90BYF2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選用90BYG

54、2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。3.7 增量式選轉(zhuǎn)編碼器的選用本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/480個(gè)步進(jìn)脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B相信號(hào)，可以送到四倍頻電路進(jìn)行電子四細(xì)分，因此，編碼器的分辨力可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。此次設(shè)計(jì)選用的編碼器型號(hào)為ZLK-A-120-05VO-10-H：盤狀空心型，孔徑10mm，與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電

55、壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出120個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出1。3.8 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖圖3-2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖3.9 本章小結(jié)本章所做的工作主要屬于驗(yàn)證性的設(shè)計(jì)，首先我估算出移動(dòng)部件的重量；然后在假設(shè)加工方式、使用的刀具以及工件的材料的條件的，算出在假定狀態(tài)下，系統(tǒng)的銑削力是多少。在有前面兩點(diǎn)基礎(chǔ)作為鋪墊后，我根據(jù)參考已有的對(duì)直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，滾珠絲桿螺母副、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的減速箱、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的計(jì)算、選型和校核方法；將我得到的移動(dòng)部件的重量和系統(tǒng)的銑削力代入到現(xiàn)有公式的計(jì)算當(dāng)中，并通過得出的結(jié)果，查找相應(yīng)部件類型表，選出符合該假設(shè)狀態(tài)下，系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)部件所需要的型號(hào)；最后還來

56、對(duì)選出來的機(jī)械部件型號(hào)進(jìn)行校核，判斷其是否滿足設(shè)計(jì)要求。此章節(jié)雖沒有創(chuàng)新點(diǎn)，看上去更像一種驗(yàn)證性的設(shè)計(jì)，然而考慮到前人已對(duì)此章節(jié)的內(nèi)容做出了系統(tǒng)化和模式化的設(shè)計(jì)和分析，目前在此方面的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，我選用這些方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以減少大量的實(shí)踐性的驗(yàn)證。除此之后，機(jī)械傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)依然是此課題設(shè)計(jì)的其中一部分，通過學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)，能夠了解更多機(jī)構(gòu)的機(jī)械原理，也使我對(duì)該課題有了更進(jìn)一步的理解。4 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1 控制系統(tǒng)微控制器的選擇與使用本次設(shè)計(jì)選用的的是微機(jī)控制系統(tǒng)，X-Y數(shù)控工作臺(tái)要求控制系統(tǒng)計(jì)算精度較高、處理速度較快；加之在考慮盡量減少成本、選擇程序編制較為簡(jiǎn)易以及方便擴(kuò)充I

57、/O接口的前提下，我們選擇了使用AT89C52作為我們的微處理器，選擇此微處理器能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。4.1.1 AT89C52單片機(jī)主要性能參數(shù)及功能特性AT89C52的主要工作特性： 8031CPU（8051的內(nèi)核）； 8KB的快速擦寫Flash存儲(chǔ)器，用于程序存儲(chǔ)器，可擦寫次數(shù)為1000次； 256字節(jié)的RAM，其中高128字節(jié)地址被特殊功能寄存器SFR占用； 32跟可編程I/O端口：P0、P1、P2、P3； 2個(gè)可編程16位定時(shí)器：P3口的第二功能； 具有6個(gè)中斷源、5個(gè)中斷矢量、二級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)； 1個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR； 1個(gè)可編程的全雙工串行通信：P3口的第二

58、功能； 具有“空閑”和“掉電”兩種低功耗工作方式； 可編程的3級(jí)程序鎖定位； 工作電源的電壓為(5)V； 振蕩器最高頻率為24 MHz； 編程頻率324 MHz，編程電流1 mA，編程電壓Vpp為5 V或12 V。 2。圖4-12 李泉溪單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例仿真M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009，第8，14，17頁為AT89C52單片機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖，從圖中可了解到，AT89C52內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：內(nèi)核CPU部分、存儲(chǔ)器部分、I/O接口部分和特殊功能部分（如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、外中斷控制模塊等）。AT89C52單片機(jī)的CPU是8位字長，主要包括運(yùn)算器和控制器兩部分。AT89C52單片機(jī)芯片內(nèi)配置有

59、8KB的FLASH程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，設(shè)計(jì)時(shí)可外擴(kuò)到最大64KB的程序存儲(chǔ)器和64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可分為4部分：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2。本次設(shè)計(jì)不作擴(kuò)展，使用單片機(jī)自身提供的8KB FLASH程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM能夠滿足設(shè)計(jì)要求。AT89C52單片機(jī)內(nèi)部集成了4個(gè)可編程的并行I/O接口(P0P3)，每個(gè)接口電路都具有鎖存器和驅(qū)動(dòng)器，輸入接口電路具有三態(tài)門控制3 李全利，遲榮強(qiáng)單片機(jī)原理及接口技術(shù)M北京：高等教育出版社，2004，第30頁。P0P3口同RAM統(tǒng)一編制，可以當(dāng)作特殊功能寄存器SFR來尋址

60、。AT89C52單片機(jī)可以利用其I/O接口直接與外圍電路相連，本設(shè)計(jì)將會(huì)使用可編程并行接口芯片8255A作為CPU的I/O口的擴(kuò)展，P0P3口在開機(jī)或復(fù)位時(shí)均呈高電平。圖4-1 AT89C52單片機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖AT89C52單片機(jī)內(nèi)部集成有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行通信控制器、外部中斷控制器等特殊功能部件，從而使AT89C52單片機(jī)具有定時(shí)/技術(shù)功能、全雙工串行通信功能、實(shí)現(xiàn)對(duì)外部事件實(shí)時(shí)響應(yīng)的中斷處理功能2 李泉溪單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例仿真M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009，第19，4頁。4.1.2 AT89C52單片機(jī)的引腳功能AT89C52單片機(jī)的引腳圖如圖4-22，下面我詳細(xì)介紹AT89C