小型數(shù)控鉆床旋轉(zhuǎn)平移工作臺控制系統(tǒng)設計

小型數(shù)控鉆床旋轉(zhuǎn)平移工作臺控制系統(tǒng)設計期鬲理工學吃

畢業(yè)設計（論文）何強題目：小型數(shù)控鉆床旋轉(zhuǎn)平移工作臺操縱系統(tǒng)設計何強別：2020屆院別：機械工程學院專業(yè)：機械電子工程指導教師：余曉峰職稱：副教授完成時刻：2020/4/25摘要在機械加工行業(yè)中，旋轉(zhuǎn)平移鉆床工作臺使用量專門大，為了提高加工效率，保證加工精度，必須對鉆床工作臺進行數(shù)控化改進。本文對傳統(tǒng)鉆床工作臺存在的不能專門好的在圓周方向上鉆孔問題，設計了一款立式鉆床旋轉(zhuǎn)工作臺。本文確定數(shù)控鉆床工作臺整體結構設計方案，對機械部分對圓周方向上旋轉(zhuǎn)，X、y方向上平移做了重點設計。對操縱系統(tǒng)部分，本文闡述了用單片機操縱交流伺服電機以實現(xiàn)鉆床工作臺旋轉(zhuǎn)、平移過程。闡述了整個系統(tǒng)的操縱原理。本課題所設計的工作臺，其加工過程是將所需加工孔的數(shù)據(jù)通過輸入設備輸入到操縱系統(tǒng)，然后系統(tǒng)依照工件上所需加工孔的坐標，是工作臺運動到孔的位置，實現(xiàn)對工件的全自動鉆孔，同時系統(tǒng)在加工過程中實時顯示加工數(shù)據(jù)。關鍵詞：傳動系統(tǒng)；操縱系統(tǒng)；步進電動機AbstractInthemechanicalprocessingindustries,rotarydrillingmachineworkingtableusedinlargequantities,inordertoimprovetheprocessingefficiency,ensuringtheprocessingprecision,totableofthedrillingmachineNCimprovement.Basedontraditionaldrillingmachineworkingtableproblem,designaverticaldrillingmachinerotarytable.Basedonthedomesticandintermationalcurrentsituationanddevelopmenttrendundertookananakysis,indeterminingtheoverallscheme,elaboratedwithSCMcontrolACservomotortoachievedrillingmachineworktablerotation,translationprocess.ThefirstrunningprocessoftheCNCdrillingdesignedbythesubject,istoinputtheprocessingdataabouttheholeintothecontrolsystembytheenteringequipment,thenfindthelocationoflocationoftheholebymovingthetableaccordingtocoordinateofthehole,andtheproceddingdataofthesystemdisplayedinreal-time.Keywords:drivesystem；controlsystem；steppingmotor目錄TOC\o"1-5"\h\z1緒論 5現(xiàn)狀 5進展前景 5\o"CurrentDocument"2.1工作原理及總體框圖 6\o"CurrentDocument"2.2流程圖 6\o"CurrentDocument"3旋轉(zhuǎn)工作臺傳動系統(tǒng)設計 8\o"CurrentDocument"3.1旋轉(zhuǎn)部分設計 83.1.1工作臺箱體設計 83.1.2傳動比及參數(shù)確定 93.1.3步進電機的選擇 10軸的設計 123.1.5軸承的選擇 143.1.6聯(lián)軸器的選擇 14\o"CurrentDocument"工作臺X-Y機械部分設計 153.2.1確定工作臺的尺寸極其重量 153.2.2滾珠絲杠參數(shù)運算與選型 163.2.3滾動導程參數(shù)運算與選型 173.2.4步進電機參數(shù)運算與選型 18支撐座參數(shù)設計 19聯(lián)軸器的選擇 20工作臺操縱系統(tǒng)設計 21\o"CurrentDocument"4.1操縱系統(tǒng)元器件的選擇 214.1.1單片機的選擇 214.1.2最小系統(tǒng)設計 214.1.31/0接口芯片選擇 224.1.4譯碼器的選擇 234.1.5地址分配 24\o"CurrentDocument"4.2操縱系統(tǒng)電路的設計 25\o"CurrentDocument"4.2.1主控電路設計 25\o"CurrentDocument"I/O接口電路設計 25\o"CurrentDocument"4.3輔助電力路的設計 26\o"CurrentDocument"4.3.1鍵盤顯示接口電路 26\o"CurrentDocument"4.3.2步進電機操縱電路 27\o"CurrentDocument"4.3.3脈沖分配 28\o"CurrentDocument"4.3.4驅(qū)動電路 29\o"CurrentDocument"4.3.5光隔離電路 29\o"CurrentDocument"4.3.6功率放大器和時鐘電路 30\o"CurrentDocument"4.3.7復位電路 30\o"CurrentDocument"4.3.8越界報警電路 31\o"CurrentDocument"4.3.9掉電愛護電路 32致謝 33參考文獻 347附錄 36緒論現(xiàn)狀中國分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)領域的進展存在專門多問題，如在產(chǎn)業(yè)結構規(guī)劃布局上不合理，勞動力密集型產(chǎn)品在生產(chǎn)上占據(jù)了要緊部分；技術類密集型產(chǎn)品在生產(chǎn)上只占據(jù)了專門少的一部分，同時與西方發(fā)達工業(yè)國家相比有專門大的差距；生產(chǎn)要素至關重要的阻礙正在逐步削弱。從中國數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)進展報告能夠大致了解世界數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)的進展歷程，該報告有力的說明了中國的數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)進展現(xiàn)狀也指出了和西方發(fā)達工業(yè)國家在此方面的差距，同時提出了“新型數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)”概念，這是之前沒有顯現(xiàn)過得，此份研究報告從“以人為本”、環(huán)境友好、科技創(chuàng)新和面向以后四個方面闡述了“新型數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)”內(nèi)涵，對中國的行政和四大都市圈的數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺產(chǎn)業(yè)進展進行了全賣弄的研究。進展前景近幾十年以來，各個跨國公司推動的產(chǎn)品全球化進展使得國際分工和國際貿(mào)易格局發(fā)生額改變，加工貿(mào)易成為全球化產(chǎn)業(yè)進展的要求。有跨國公司推動的加工貿(mào)易的全球化進展，因此能夠為進展中國家快速進入全球高新技術產(chǎn)業(yè)鏈條提供條件，從而可能讓進展中國家實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級上提供便利途徑。其中分度旋轉(zhuǎn)工作臺的運用得到了廣泛推廣，各種新型工作臺不斷被引進，同時我國也自主研制和開發(fā)了一批使用、高效行得分度宣戰(zhàn)工作臺、本次設計的意義是設計出一套結構簡單、有用性強、精度系數(shù)比較高的自動分度旋轉(zhuǎn)工作臺，并能滿足生產(chǎn)加工的需求。分度旋轉(zhuǎn)工作臺作為數(shù)控機床中的幾個專門大的部分，研究其設計、制造過程是專門有實際要的工程應用價值。數(shù)控工作臺的應用專門多，而數(shù)控工作臺像自動分度旋轉(zhuǎn)工作臺的研究必定有著事實上際的意義。

工作臺方案的設計2.1工作原理及總體框圖工作臺工作原理采納單片機操縱步進電機帶動工作臺的旋轉(zhuǎn)和平移，通過鍵盤和顯示屏幕發(fā)送指令給單片機，操縱脈沖分配器向步進電機發(fā)送脈沖，步進電機帶動蝸輪蝸桿傳動，從而實現(xiàn)工作臺的旋轉(zhuǎn)運動。工作臺總體框圖見圖2.1圖2.1工作臺總體框圖1-步進電機2-燕尾導軌槽3-固定端軸承座4-蝸桿5-旋轉(zhuǎn)工作臺6-絲杠流程圖通過鍵盤輸入信息到操縱系統(tǒng)，單片機操縱器向伺服驅(qū)動器發(fā)動器發(fā)出操縱信號通過驅(qū)動器驅(qū)動電機按要求工作以完成動作。圖2.2工作臺流程圖旋轉(zhuǎn)工作臺傳動系統(tǒng)設計3.1旋轉(zhuǎn)部分設計工作臺箱體設計自動分度旋轉(zhuǎn)工作臺箱體起著支撐并包容各種傳動零件，如齒輪、軸、蝸桿、渦輪、軸承等零件，使它們能夠正常運動情形下能夠達到相關的運動精度。箱體還能夠通過潤滑劑來實現(xiàn)各種零件的潤滑、安全愛護和密封作用，既能夠?qū)ｉT好的讓操作員的人一輩子安全得到保證，又能夠使箱體內(nèi)的零件盡可能的少受外界環(huán)境的阻礙，并有一定隔振、隔熱作用。分度旋轉(zhuǎn)工作臺是機械加工中常用的機床附件，因此尺寸不易過大，必須能配合機床的使用。自動分度旋轉(zhuǎn)工作臺尺寸：長*寬*高550*500*160

工作臺右端蓋部分尺寸：長*寬*高240*50*160蝸桿箱體及鉆臺如下圖所示：步進電機工作臺渦輪蝸桿圖2.2蝸桿箱體及鉆臺如下圖所示：步進電機工作臺渦輪蝸桿圖2.2旋轉(zhuǎn)工作臺箱體圖圖2.2旋轉(zhuǎn)工作臺傳動比及參數(shù)確定（1）傳動比設定系統(tǒng)要實現(xiàn)的參數(shù)：工作臺旋轉(zhuǎn)速度最大為20度/秒，工作臺分度精度0.25.總傳動比i為各級傳動比i,i乘積，即12i=i*i （3.1）12在設計中分配總傳動比是重要問題，傳動比若分配得不合理，將不能有效的實現(xiàn)降低成本和結構緊湊的目的；也不能使傳動零件獲得較低的圓周速度從而阻礙到動載荷或?qū)鲃泳鹊燃壴斐勺璧K；然而假如要達到所有要求相對比較困難，因此應按設計要求考慮傳動比分配方案，以滿足要求。為了保證工作臺分度精度，傳動比需要專門大，同時為了保證結構尺寸，蝸桿傳動比設定在120，齒輪傳動比能夠設定為3，那么傳動系統(tǒng)的總傳動比為120*30=360.（2）最大旋轉(zhuǎn)速度工作臺的最大旋轉(zhuǎn)速度為20度/秒；即3 3 =20rad/s（3.2）渦輪 工作臺n3 。=20/360=l/18r/s渦輪=渦輪/360（3.3）依照系統(tǒng)總傳動比為360，可得n=n*360=(1/18)*360=20r/s（3.4）電機渦輪3)分度精度工作臺的分度精度是通過步進電機的轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)地總傳動比來確定，工作臺分度精度為0.25度，即渦輪最小的轉(zhuǎn)動單位為0.25度，系統(tǒng)的總傳動比為360，即可得步進電機的最小分度精度為90度，即步進電機的每次旋轉(zhuǎn)的度數(shù)為90度的倍數(shù)。步進電機的選擇步進電動機的選擇包括結構、步距角、型號、功率和轉(zhuǎn)速的選取，并要準確的查出所需要的尺寸和型號。步進電動機由步進電動機本體，步進電動機操縱器及0步進電動機驅(qū)動器組成。選擇步進電動機時候，要想讓工作臺所需的脈沖當量得到保證，步進電動機的輸出功率大于負載所需要的功率這一點是前提條件，這一點必須得到保證。要運算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩能夠確保電機的矩頻特性能滿足機械負載并有能夠有余量。在一樣正常工作中，在矩頻特性曲線范疇內(nèi)是各種頻率下的負載必須遵循的，如此就保證步矩角和機械系統(tǒng)匹配。(1)步進電機啟動力矩運算步進電機選用三相步進電動機，初選不進電動機步矩角e =3度。b設步進電機等效負載力矩為T,負載力為P,依照能量守恒原理，電機做的功與負載力做的功關系如下：T①n=PS (3.5)式中①一電機轉(zhuǎn)角；S—轉(zhuǎn)動部件的相應位移；n—機械傳動效率。若?、?e ，則S=5，且P二P+口(G+W),因此bbz25bT=[P+口(G+W)] (3.6)z ebn式中G—轉(zhuǎn)動部件負載，N;W—轉(zhuǎn)動部件重量，N;P—與中立方向一致的作用在轉(zhuǎn)動部件上的負載力，N;Z口一摩擦系數(shù)；

9b一步進電機步矩角，rad;T—電機軸負載力矩，N.cm.取口=0.03,n=0.96,P=500N。ZTOC\o"1-5"\h\zW=nR2X30X10-3X7.8X10-2=325N (3.7)G=nR2X70X10-3X7.8X10-2=1075N (3.8)可求得10.99T=(500+42)X■=4963.81N ~5N.m (3.9)不考慮啟動時運動部件的慣性阻礙,啟動力矩為T=T/(0.3?0.5)=10N.m(取安全系數(shù)0.5) (3.10)m步進電機為三相六拍的電機3.11)Tm3.11)Tmax=0.866(2)步進電機最大轉(zhuǎn)速依照工作臺的最大轉(zhuǎn)速n工作臺咕r/s與系統(tǒng)總傳動比i=360,可得n=20r/s=1200r/min (3.12)電機因此,不進電機的現(xiàn)在最大轉(zhuǎn)速n三n=1200r/min (3.13)max電機 電機步進電機最大頻率依照不進電機的步矩角9=3°與步進電機最大轉(zhuǎn)速n=20r/s，可得b 電機f=20X120=2400step/s (3.14)電機因此步進電機選擇最高的頻率f 三f=2400step/s (3.15)max電機 電機步進電機型號由于步進電機步矩角9=3°，步進電機最高轉(zhuǎn)速n ±1200r/min，步進電機最高b max電機頻率f ±2400step/s，步進電機最大轉(zhuǎn)矩T=11.6N.m,選擇的步進電機型號參數(shù)如max電機 max下表3-1所示。

表1步進電機參數(shù)型號要緊技術參數(shù)外形尺寸/mm重量/(KN)步矩角/(°)保持轉(zhuǎn)矩相數(shù)電壓/V電流/A外徑長度軸徑130BC310031232731001682210軸的設計在機械設計中，軸是一種專門重要的機械零件，傳遞運動、扭矩或彎矩要緊依靠于軸和支撐轉(zhuǎn)動零件一起通過回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。軸各段有直徑不同，依據(jù)軸線形狀的不同，軸能夠分為曲軸和直軸兩類。軸的強度和剛度決定其工作能力，在快速運轉(zhuǎn)時取決于其振動穩(wěn)固性。載荷的大小、方向、性質(zhì)及其分布狀態(tài)，軸上零件的數(shù)量及安裝位置、定位方法等差不多上軸結構形狀的阻礙因素蝸桿軸的設計軸的結構設計要確定軸的外形和結構尺寸。設計時要滿足節(jié)約材料、易于定位減少應力集中、和便于加工等條件。本次設計的軸用于傳遞扭矩，通過齒輪副到蝸輪蝸桿，不需要承擔外距，因此用到的為傳動軸。從經(jīng)濟有用方面考慮，碳素鋼使用廣泛，同時對應力集中的敏銳性較小，45碳素鋼是廣泛被應用同時比較經(jīng)濟的類型；故軸設計選用的材料為通過正火處理的45鋼。

圖3.1軸的受力圖2）蝸桿軸的運算蝸桿上的承擔力：軸向力F=F=2T/d=2X5X360X103/420=8572.4N(a1t2223.16)徑向力F二Ftanat二3120.1N (r1t23.17)圓周力F=FtanY=714.3Nt1t2(3.18)大齒輪上軸受力：圓周力F=2T/d=333.3N (t2 2 23.19)徑向力F=Fttanat=121.3Nr22(3.20)依照結構上的考慮及軸上零件的布置給出支撐間跨距l(xiāng)=181mm,蝸桿中央在面至左支承的距離l=110mm,大齒輪中央截面距離右支撐的距離l=90mm,如上圖3.112由圖可知，F(xiàn)產(chǎn)生的力矩為：a1M=Fa.d/2=150017N.mm （3.21）x11依照給定條件作軸在xoy平面的受力圖，分別對支撐點1及2取矩可求得xoy平面的支反力F=[F（l-l-l）+Fl+M]/l=1576.4N （3.22）R1r1= 1 2r22x1F=[Fl+Fl+M]/l=1765.3N （3.23）R2r11r2x1M=F=173404N.mm （3.24）R1R1MM=Fl=158877N.mm （3.25）R2R22M=M-M=23387N.mm （3.26）Xr1X1能夠求得d^26因此蝸桿軸最小直徑d=30mm=d=25mm蝸桿圖如下：1圖3.2蝸桿軸承的選擇依靠要緊元件的滾動接觸支撐轉(zhuǎn)動零件滾動軸承在機械設計中是一種重要的應用部件之一。滾動軸承與滑動軸承相比，滾動軸承摩擦力小，功率消耗少，啟動容易等優(yōu)點。在此選型后要考慮驗算軸承的承載能力以及與軸承的安裝、調(diào)整、潤滑、密封等有關的“軸承裝置設計”問題。（1）軸承的類型本次設計中要采納的是滾動軸承。滾動軸承是標準件，應用廣泛，安裝、修理方便，同時價格相對來說比較廉價。外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架是滾動軸承要緊組成部分，內(nèi)圈分別與軸頸及軸承座孔裝配在一起。本次設計中齒輪傳動采納的是直齒圓柱齒輪傳動，無軸向力存在，因此軸承選用要緊考慮的是蝸桿傳動?？紤]到電動刀架工作時轉(zhuǎn)速專門高，同時是不間斷工作，穩(wěn)固也高。故采納油潤滑，轉(zhuǎn)速越高，應采納粘度越低的潤滑油；載荷越大，應選用粘度越高的。聯(lián)軸器的選擇我們將用來聯(lián)接不同機構中的兩根軸使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件稱之為聯(lián)軸器。在高速重載的動力傳動中要求聯(lián)軸器有緩沖、減震和提高軸系動態(tài)性能的作用。選擇聯(lián)軸器時，應依照工作要求選定合適的類型，依照軸的直徑運算轉(zhuǎn)速和扭矩，再從有關手冊中查出使用的型號，最后對某些關鍵零件做必要的驗算。（1）聯(lián)軸器的類型聯(lián)軸器總類繁多，一樣有固定式聯(lián)軸器和可移式聯(lián)軸器，這是依照在小齒輪所在的軸與練級的聯(lián)接按照被鏈接的兩周的相對位置和位置的變動情形來劃分的，考慮到兩軸能嚴格對中并在工作中不發(fā)生相對位移，聯(lián)軸器可選用剛性聯(lián)軸器中的有凸緣聯(lián)軸器。（2）聯(lián)軸器的尺寸聯(lián)軸器的類型為有對中環(huán)凸緣聯(lián)軸器GYH。依照電機轉(zhuǎn)速n =1200r/min,電機的最電機大轉(zhuǎn)矩T=11.6N.m,而小齒輪所在的軸d=22mm,電機軸徑d=22mm,依照凸緣聯(lián)軸器參max 電機數(shù)表選得對中環(huán)凸緣聯(lián)軸器型號為GYH252X38/22X22。

工作臺X-Y機械部分設計機械部分設計內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當量，選擇步進電機，運動部件慣性的運算傳動及導向元件的設計、運算與選擇等。依照設計要求初選旋轉(zhuǎn)工作臺尺寸為550X500X160,。考慮到加工時工作臺受到?jīng)_擊和振動，因此選工作臺材料是密度為7.2X103kg/m3的灰鑄鐵HT150，(取g=10N/kg)。旋轉(zhuǎn)工作臺的質(zhì)量：m=0.55X0.5X0.16X7.2X103=316kg (3.27)1X向拖板與Y向拖板所謂材料為HT150,尺寸為：長X寬X高=500mmX500mmX80mm, (3.28)

上、下拖板總質(zhì)量為：m=2X0.5X0.5X0.08X7.2X103=288kg (3.29)2初步取導軌座尺寸為：長X寬X高=800mmX500mmX120mm (3.30)則其質(zhì)量為：m=0.8X0.5X0.12X7.2X103=345kg (3.31)3旋轉(zhuǎn)工作臺右端蓋質(zhì)量：m=0.24X0.05X0.16X7.2X103=13.8kg (3.32)4工作臺總質(zhì)量為：m=m+m+m+m=963kg (3.33)1234考慮到夾具、電動機等其他因素，取m=1000kg。附圖如下:總初選絲杠材質(zhì)：CrMnTi鋼，HRC56?62，導程：p=5mm(1)求出螺旋傳動的運算載荷FcF=FKKFCEHLm其中，K—為載荷系數(shù)，取1.5；EK—為硬度系數(shù)，取1.0；HK—為精度系數(shù)，取1.0；LF—為絲杠工作時的軸向壓力，F(xiàn)二口mg=40N。m m總3.34)F=1.5—1.0X1.0X40=60N；3.34)C(2)確定動載荷及壽命運算初步確定滾珠絲杠的規(guī)格型號，選擇的滾珠絲杠桿副的額定動載荷C必須大于其運a算值：C>CZ=36QnmLhFc (3.35)aa1.67x10其中：C—額定動載荷(N)；n—螺桿的平均轉(zhuǎn)速，取100r/minamL—運轉(zhuǎn)壽命(h);F—螺旋傳動的運算載荷(N)。h假設滾動絲杠能工作6年，每年365天，每天工作8小時，則L=6X365X8=17520h (3.36)h代入數(shù)據(jù)得：C'=1123Na查滾珠絲杠型號表可知：選SFU2005-4，其公稱直徑為25mm，導程為5mm，動載荷分別問1130N和2380N。滾動導程參數(shù)運算與選型運算導軌的工作壽命T,要求壽命不低于5年；h設一天工作8小時，一年365天，工作6年，則T=6X365X8=17520h (3.37)h運算導軌行程長度壽命T=2TLn/1000shs其中，L二單程行程(取0.5m),n為每分鐘往復次數(shù)(取6次/分鐘)sT=2X17520X0.5X6X60/1000=6307km (3.38)s運算導軌的額定動載荷C(N)n因鉆床的切削力F大致是工作臺重的1-1.2倍，因此鉆F=1.2mg=1.2X316X10=3792N (3.39)鉆1設每根導軌上游2塊滑塊，每個滑座承擔的工作載荷為F,則F="總&+尸鉆=3356N (3.40)4可由此求得：[Ca>T=6.25(F丿nCa=33560N~33.6KN (3.41)S依照額定動載荷C確定滾動導軌的型號及結構尺寸a

依照C>C‘原則，查型號表可選導軌型號為LG20KL.aa步進電機參數(shù)運算與選型由機床精度要求確定脈沖當量6及步矩角a：a=3606入/p。脈沖當量6是一個進給指令時工作臺的位移量，應小于等于工作臺的定位精度，由于定位精度為土0.02mm,因此選擇脈沖當量為0.01mm，則步矩角為：a=3606入/p=0.72 (3.42)(1)因此選擇脈沖當量為0.01mm，則步矩角為：a=3606入/p=0.72 (3.42)(1)電機軸上的總當量負載轉(zhuǎn)動慣量的運算J~J+J+J (3.43)總12轉(zhuǎn)①絲杠的轉(zhuǎn)動慣量J=nPd41(kgm2) (3.44)1 32其中，P為絲杠密度取7.8X103m3,，d為絲杠的等效直徑(m)，l為絲杠長度(m)。d=16X103mml=0.6m (3.45)可得：J=nPd41=0.30X10-4(kgm2) (3.46)3.47)工作臺、工件、夾具、支撐坐等折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：PJ=( )2mX10-6=2.22X10-4(kgm?)22n 總其中，m為總質(zhì)量(kg)，p為絲杠導程(mm)總電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小得場合，可忽略不計。3.48)因此，J=J+J=2.52X10-4(kgm2)3.48)總=1 2(2)電機軸轉(zhuǎn)矩的運算空載啟動時，電機軸上的慣性轉(zhuǎn)矩：2n九VmaxT=J■j總PAt其中，At為電機加速時刻(s)p為絲杠導程(m),Vmax為工作臺快進速度(m/s),入為傳動比△t=0.1s，p=0.05m ，Vmax=3.6m/s入=1貝V，TJ2nLVmax=0.19(Nm) (3.50)j=總pAt3.49)電機軸上的當量摩擦轉(zhuǎn)矩(工作臺及工件重量引起)

3.49)3.51)T口二」F3.51)2nn九mn為伺服傳動鏈的總效率，可取0.8，則T口=0.014(Nm) (3.52)因絲杠副預緊力引起的電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩設預緊力為最大軸向載荷的1/3，則T=PFm(1-n2) (3.53)02nn九3 0n為滾珠絲杠螺母副未預緊時的傳動效率(取0.9),則0T=8.82X10-4(Nm) (3.54)0空載啟動時電機軸上的最大靜轉(zhuǎn)矩：T=T+Tu+T=0.19+0.014+8.824X10-4=0.20(Nm)qj0所選取的步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩T需滿足T>0.23 (3.55)ss步進電機選型時，必須同時滿足轉(zhuǎn)動慣量及靜轉(zhuǎn)矩的要求，即應進行慣量匹配驗算1V如<1J為鎖選電機的轉(zhuǎn)動慣量) (3.56)1V2.524 4V1(3.57)(3.58)3.59)(3.60)1V2.524 4V1(3.57)(3.58)3.59)(3.60)最大靜轉(zhuǎn)矩：T=0.23V3.0Nmq步進電機的最大運行頻率f>f'=VmaX60Sf=6000HZ=6KHZV20KHZ因此，所選的型號為90BYG5520的步進電機合適。支撐座參數(shù)設計設計滾珠絲杠的支撐的安裝采納固定-支撐式的一端裝深溝球軸承。依照滾珠絲杠的公稱直徑為16mm,因此我選擇固定端的軸承內(nèi)徑為12mm，支持端的軸承內(nèi)徑為12mm?？紤]到防塵問題，因此選用兩面帶防塵蓋型的軸承。因此,固定端支撐座與軸承裝配的尺寸為32mm，支撐端支撐座與軸承的搭配尺寸為32mm。固定端軸承座外形如下圖4.1：

圖3.6固定端軸承聯(lián)軸器的選擇因為梅花聯(lián)軸器具有高扭轉(zhuǎn)剛性和杰出靈敏度，可吸取偏角、偏心、軸向偏差和振依照步進電機的主軸直徑為14mm,滾珠絲杠前端直徑為10mm,聯(lián)軸器可選的型號為:G6-60T,其外徑為30mm，兩端孔徑分別為14mm,10mm。工作臺操縱系統(tǒng)設計4.1操縱系統(tǒng)元器件的選擇單片機的選擇AT89S52U1二1V1XCN1VLX一怒AT89S52U1二1V1XCN1VLX一怒NILUlcodLLII7V<LULov/nCNov/zo-d寸CTV?寸o-dgowgodcoWJZdCD<二Zd01s二表"dBLW-z-d■wgz-dSL<EdQx§dxtLd-di&Ed匚IWPEdoltl寸"d慘g.EdOOr--in寸CNCOc-cosi(Jj00r-g匸-LC寸r-j弋—■o匸-■30CMgC-JLDCNCMco0COLQCOg070圖4.1 AT89S52單片機本設計選用AT89S51單片機。51單片機的哈弗結構。數(shù)據(jù)儲備器跟程序儲備器分開，大大減少了成本，特有的帶有位處理功能的八位微處理器。內(nèi)部有8KBR0M儲備器，內(nèi)部ROM足夠不用外擴程序儲備器，而且RAM有256B（專門功能寄存器除外）可用不用外擴數(shù)據(jù)儲備器，4組帶所存的端口共32個I/O口，三個定時器中斷，可用于定時顯示刷新等。兩個外部中斷可用于限位開關報警，還有串行口中斷，擁有豐富的指令系統(tǒng)，而且價格廉價，十分經(jīng)濟。4.1.2最小系統(tǒng)設計

—Al1—Al1R*1c1X1U1^^1TII1I19>XTAL11Lf<TEXT>130pFR：2<TEXT>ioX1201wTn12MHz18XTAL2匚1tfTu1U2r1IIrRST—3II1?1SQdF9vTEXTauF圖3.2最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是單片機正常工作的基礎，單片機的最小系統(tǒng)包括晶振電路跟復位電路，晶振電路是整個系統(tǒng)的心臟，晶振產(chǎn)生的時鐘頻率供單片機正常工作，晶振電路外接一個12MHz的晶振，復位電路則是對單片機進行復位，在不改變內(nèi)存值的情形下進行程序指針的復位，復位電路采取兩上電復位跟手動復位。上電復位：當給單片上電時自動復位，完成單片機初始化工作，是單片機正常運行的必備預備工作，手都復位：能夠在任何時候按下對單片機復位，單片機內(nèi)存值可不能改變。4.1.3I/O接口芯片選擇本次設計所需功能考慮，選用是intle8279可編程I/O接口芯片。8279可用作單片機的可編程通用鍵盤和顯示器接口，能夠為64鍵額接觸式按鍵陣列提供掃描接口，也能夠用刀諸如霍爾效應或鐵氧體變形體的傳感器陣列或一個選通的接口鍵盤。鍵的按鍵能夠使而鍵閉鎖也能夠是N鍵巡回，能夠自動取消按鍵抖動，按鍵輸入編碼被選通送入8字符的FIFO先進先出緩沖器中。若送入的字符余外8個，將越限制標志置“1”，按鍵輸入時刻CPU發(fā)出中斷信號。顯示部分能為發(fā)光二極管，白熾燈，七段顯示器，液晶顯示器等提供掃描顯示接口。Intle8279芯片引腳如下圖

RL2RL3CLKRL2RL3CLKIRQRL4RL5RL6RL7RESERDWRDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7Vss—140—239—338——437—536——635—734—833—9827932—1031——1130—1229—1328——1427—1526——1625—1724—1823—1922——2021VccRL1RL0CNTLSHIFSL3SL2SL1SL0OUTB.lOUTB1OUTB2OUTB3OUTA0OUTA1OUTA2OUTA3BDCSAO圖4.3Intel8279芯片引腳4.1.4譯碼器的選擇組合邏輯電路的一個總要的器件譯碼器能夠分為：變量譯碼和顯示譯碼。本次操縱電路用到的譯碼器有兩處，一處為AT89C55單片機與外擴RAM6264之間的譯碼器，還有一處為Intel8279I/0操縱芯片和鍵盤顯示器之間的譯碼器。譯碼器型號先用為74LS138譯碼器。其工作原理如下：當一個選通端（E3）為高電平，另兩個宣統(tǒng)段（E1）和（E2）為低電平常，可將地址端（AO、Al、A2）的二進制碼在一個對應的輸出端以低電平譯出。74LS138譯碼器引腳如下圖

AOAlA2AOAlA2ElE2E3Y7GNDVCCYOY1Y2Y3Y4Y5Y6圖4.474LS138譯碼器引腳4.1.5地址分配圖4.5程序儲備器選擇電路51單片機采納的結構是哈弗結構，數(shù)據(jù)儲備器跟程序儲備器分開，數(shù)據(jù)儲備器是通過指令的區(qū)別來選擇的因此不需要在硬件結構中做任何處理，由于程序儲備器選擇內(nèi)部儲備器，因此EA引腳必須接高電平。4.2操縱系統(tǒng)電路的設計主控電路設計本次主控電路元件有單片機AT89C55,地址鎖存器74LS373,譯碼器74LS373和數(shù)據(jù)儲備器6264組成。單片機主控電路揭發(fā)如下圖，圖4.6單片機主操縱電路圖其中,AT89C55的P0.0-P0.7和74LS373的D0-D7還有6264的Q0-Q7相連,P2.5-P2.7接74LS373的ABC，P1.0-P1.4分別和2個脈沖分配器的EO,WR相連，周期輸出信號ALE與74LS373的GND相連,WR,RD分別和6264的WE,DE相連；74LS373的Q0-Q7與6264的A0-A7相連,Y2與CS16264相連；時鐘電路與AT89C55的XTAL1、XTAL2相連。I/O接口電路設計I/O接口擴展電路由AT89C55單片機，Inrel8579I/0接口芯片，74LS138譯碼器，75451位驅(qū)動，鍵盤和6位8段LED元器件組成。I/O接口擴展電路設計接法如下圖：

P0.0-p0.7??D0-D7 、P2.6CSRL0-RL7P2.7A0ALECLKWRWR SL0-SL2RDRDRESETRESETINT1IRQP0.0-p0.7??D0-D7 、P2.6CSRL0-RL7P2.7A0ALECLKWRWR SL0-SL2RDRDRESETRESETINT1IRQOUTA0-OUTA3OUTBO-OUTB38279AT89C55VccLS13875451X4器^5.1Kx216行列式鍵盤位驅(qū)動6位8段LED顯示器Vcc5.1Kx8圖4.7I/O接口擴展電路圖其中，AT89C55的P0.1-P0.7接8279的D0-D7,8279的CS接P2.6，8279的時鐘端CLK連接到周期輸出信號ALE,INTL接8279的中端要求線IRQ,WR,RD分別和8279的WR,RD相連，P2.7與8279的A0相連。8279外接28鍵盤和6位8段LED，8279的回程輸入線接鍵盤列線選用外部譯碼方式,掃描線SL0-SL2為3位計數(shù)器輸出信號，由74LS138譯碼器譯出8位選擇線Y0-Y7,接上4個75451位驅(qū)動，再接上鍵盤的行線，和LED的公共極°0UTB0-0UTB3,0UTA0-0UTA3相當于8段數(shù)據(jù)輸出口。4.3輔助電力路的設計微機數(shù)控系統(tǒng)除了各種要緊功能芯片外，還必須包括一些必要的輔助電路。這輔助電路包括：鍵盤顯示電路，步進電機操縱電路，復位電路，越界報警電路，掉電愛護電路等。下列介紹各輔助電路：4.3.1鍵盤顯示接口電路常用的顯示器有：LED顯示器，LCD顯示器和CRT顯示器三種?？紤]到經(jīng)濟成本此

設計采納LCD1602顯示器，如下圖:圖4.8鍵盤顯示接口電路步進電機操縱電路步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)由脈沖信號源，脈沖分配器，功率放大器和步進電動機組成。其輪廓如下圖:圖5.8步進電機操縱電路總圖脈沖分配將操縱脈沖按規(guī)定通電方式分配到各相是脈沖分配器要緊功能，該分配操縱數(shù)據(jù)表如下圖：表1四相八拍脈沖分配操縱數(shù)據(jù)表節(jié)拍序號Y向電動機X向電動機旋轉(zhuǎn)方向電動機通電相操縱數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)方向P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P0.3P0.2P0.1P0.0DCBADCBADCBA1111011101110AEEH正反向2110011001100ABCCH3110111011101BDDH4100110011001BC99H5101110111011CBBH6001100110010CD33H7001100110010D77H8011001100110DA66H驅(qū)動電路由微機依照操縱要求發(fā)出的脈沖，并依次將脈沖分配給各相繞組，其功率較小，電壓幅度一樣低于5v,電流為mA級，必須通過驅(qū)動器將信號電流放大到若干安培，才能驅(qū)動電機。本設計選用的是高低壓驅(qū)動電路，其電路圖如下：U7■：：：H_2+I2V+1ZV川DDUKII.IEDJNTROLULMZO1.<TS-T：-S/MC--"c-r--$ENB1SENS!VREFCSCENABLERESE驅(qū)動電機。本設計選用的是高低壓驅(qū)動電路，其電路圖如下：U7■：：：H_2+I2V+1ZV川DDUKII.IEDJNTROLULMZO1.<TS-T：-S/MC--"c-r--$ENB1SENS!VREFCSCENABLERESETrt^LFifijLLcuock圖4.8驅(qū)動電路0T?□91256311u1J■EUGIN1 "UCC 詬IN2aunIN3INiOUF2EHAERD□unmENSi%OUT*SEfSS GND11IQ其中，無脈沖時，T1,T2和T3,T4均截止，電機繞組La中無電流通過，電機不轉(zhuǎn)。有脈沖時，T1，T2，T4飽和導通，在T2由截止到飽和期間，其集電極電流急速增加，在變壓器次級感生一個電壓，使T3導通，80V高壓經(jīng)高壓管T3加入La上，使電流速度上升，T2進入穩(wěn)壓狀態(tài)，TP初級電流臨時恒定，次級的感應電壓降到0，T3截止，12V低壓電流經(jīng)D2加到繞組La上，堅持La中的電流為恒定值，輸入脈沖終止后，T1,T2，T3,T4又均截止，儲備在La中的能量通過18Q的電阻和二極管泄放。光隔離電路在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后，操縱