X502型立式铣床数控改装

X502型立式铣床数控改装 目录 铣床数控改装任务????????????????????????2 前言??????????????????????????????????????5 第一章数控改造总体方案的设计??????????????6 第二章机床进给伺服系统机械部分(纵向)的设计算??????????????????????????????????????10 第一节 工作载荷分析及计算????????????????????????10 第二节 滚珠丝杠螺母副的选型和校核????????????????12 第三节 脉冲当量和传动比的确定????????????????????23 第三章 微机控制部分的设计????????????????39 第一节 微机控制系统概述??????????????????????????39 第二节 系统介绍??????????????????????????????????40 第三节 步进电机驱动控制电路??????????????????????48 第四节 其他辅助电路的设计?????????????????????????60 第四章 微机控制系统软件设计??????????????63 设计小结?????????????????????????????????66 1 X502型立式铣床数控改装任务书 一、已知条件 1、机床型号:x502型立式升降台铣床 2、主要参数 1)工作台面积(长×宽)750×225(mm×mm) 2)工作台及夹具总重量:G=800N 其中:横、纵向丝杆负载分别为总重量的1/2 3)工作台最大行程 纵向: 500mm 横向: 190mm 4)主轴中心(端面)至台面距离:80×300mm 5)进给量: 纵向: 20,540mm/min 横向: 14,380mm/min )快速进给速度: 6 纵向: 2400mm/min 横向: 1600mm/min 7)立铣头最大回转角:45度 8)导轨类型:综合性导轨 9)主轴转速级数:8级 10)主轴转速公比:1:41 11)主轴转速:n=47.5，67，95，132，190，265，375，530r/min 12)主轴电机功率:N=2.2KW 13)主轴传动功率:N=1.45KW 14)主轴孔径:24mm 15)铣刀最大直径:32mm 3、工件材料 1)碳钢，合金钢 2)铸铁 4刀具材料 1)硬质合金 2 2)高速钢 二、设计内容 将一台x502型立式升降台铣床改装成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控铣床。该铣床用于加工中型或小型零件的平面或成型面，也可加工具有一定斜度的平面。改装的目的一方面要提高加工的精度，另一方面利用数控方法加工任意圆弧面或凸轮的曲面。 三、设计要求 1、改装后纵向横向进给精度可达:10μm 2、改装后增加原铣床的功能 3、改装要方便，原铣床的改动应尽可能少，如果数控部分发生故障时仍能手工半自动操作，如果不需数控时，能很快改回原状。 4、控制部分要求运行可靠，维修方便。 5、控制部分须防尘及抗干扰。 6、改造成本低。 四、改装后应具有基本功能及技术指标 1、工艺范围:保持原有的铣床的工艺范围外，增加任意圆弧面或凸轮曲面的数控加工。 2、控制轴数:二坐标(纵向X、横向Y)。 3、同时控制纵、横向进给运动进行圆弧面或凸轮曲面的加工。 4、脉冲当量:0.01mm/step 5、重复定位精度:0.01mm 6、定位精度:0.01mm 7、加工精度:2级 五、设计工作量 1、一张纵向(或横向)工作台的结构改装图(A1) 2、一张数控系统硬件原理图(A1) 3、一份设计说明书 包括以下主要内容: (1)前言(数控改装的意义、用途及目的等); (2)设计的主要思路:系统方案的确定、系统控制方案设计、系统设计框图等; (3)机械部分改装设计计算: 3 1)滚珠丝杠螺母副的确定; 2)传动齿轮的传动比和齿数的确定; 3)步进电机的选型; (4)控制系统硬件电路设计计算和参数选择; 5)步进电机接口及驱动电路设计; ( (6)总结及结束语 六、参考书目 1、数字控制机床 廖效果、朱启逑主编，华中理工大学出版社 2、金属切削机床设计 戴曙主编，机械工业出版社 3、机床设计参考图册(车床部分) 上海纺织工学院机械制造专业教研室(学院资料室) 4、或【机床设计图册，华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学主编，上海科学技术出版社】(学院资料室) 5、机电一体化机械系统设计 赵松年 张奇鹏主编 机械工业出版社，1999年6月 6、机电一体化系统设计 张建民 等编著 高等教育出版社 200年8月 7、机电一体化技术手册(上、)机电一体化技术手册编委会编 机械工业出版社 8、单片机原理及其接口技术 胡汉才编著 清华大学出版社 9、MCS-51系列单片机系统及其应用 蔡美琴等 高等教育出版社 10、有关的机床数控改装的期刊资料 4 前 言 一、机床数控化改造的意义 一般说来，数控机床比传统机床有以下突出的优越性。 1. 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2. 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机 ,7倍。 床提高3 3. 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要工人“修配”。 4. 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5. 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 6. 降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反 应等等。 二、机床改造的优缺点 减少投资额、交货期短，同购置新机床相比，改造费用低。同购置新机床相比，一般可以节省60,,80,的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。 机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。 用户熟悉了解设备、便于操作维修，购买新设备时，不了解新设备是否能满足其工艺要求。有的新设备由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，新设备不仅不能创造新财富，反而消耗财富。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力;另外，由于多年使用， 操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 可以采用最新的控制技术。 5 可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。 第一章 数控改造总体方案的设计 一、系统总体改造方案的确定 目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种:一种是以微机为中心设计控制部件;另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要新设计控制系统，比较复杂;后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制，如下图所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。 开环控制系统框图 1、功能与技术参数分析 设计的最初环节必须理解和分析设计任务所提出的主要功能和技术指标。比如，普通铣床的数控改造要求利用数控系统代替人工或机械凸轮、靠模来控制铣床的运动，提高铣床的加工精度和自动化水平，满足多品种小批量零件 6 加工的功能要求。改装的目的一方面要提高加工的精度，另一方面利用数控方法加工任意圆弧面或凸轮的曲面。设计任务提出了纵向走刀，横向走刀的定位精度、走刀速度、主轴变速等诸多技术参数。保持原有的铣床的工艺范围外，增加任意圆弧面或凸轮曲面的数控加工。同时控制纵、横向进给运动进行圆弧面或凸轮曲面的加工。并且，要求能够进行人机对话，编程及操作方便，诊断功能和纠错功能强，具有显示和通信功能，缩短非生产准备时间，提高生产率。 2、传动机构的选择 针对设计任务的主要功能和技术指标要求提出一些原理性的构思。因为所要改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过程中不需要调整，并且加工过程中有轻微冲击运转。根据上述实际条件，并考虑到经济成本问题，可以初步选用“外循环插管埋入式法兰直筒组合双螺母垫片预紧(CMD)”这种结构类型的滚珠丝杠螺母副。它具有结构简单，工艺性优良，承载能力较高;刚度高，预紧可靠，不易松弛等优点。之所以使用齿轮传动是因为齿轮传动有以下特点:1.能保持瞬时传动比恒定，平稳性高，传递运动准确可靠;2.传递的功率和速度范围较大;3.结构紧凑、工作可靠，可实现较大传动比;4、传动效率高，使用寿命长;5、通过使用齿轮减速传动的作用可以使得对电动机的要求没有那么高。 3、拟订总体方案 通过对传动方式的选择之后，我们还要对运动、布局、结构、控制以及软件等方面作出总体方案设计。方案可以同时作几个，经过技术和经济评价后，选择其中一种较合理的作为最优方案加以采用。比如，普通铣床的数控化改造方案应该在满足改造设计任务的前提下，尽可能对普通铣床作较少改动，这样可以降低改造成本。 二、机械传动系统的改造方案的确定 在熟悉原机床的操作过程及传动系统后，根据设计要求确定系统的机械传动系统改造方案。包括电机型号的选择，减速比的确定，齿数模数及齿数的确定，原有丝杠及导轨是否重新更换，改换成滚珠丝杠螺母副时丝杠螺母副的型号及安装形式如何确定，导轨的设计方法等。 X502型铣床的外形及传动系统如图7-16所示。工件装在机床的工作台上，铣刀装在转动的刀杆上，铣刀和工件相互间的位置可用纵向、横向和升降进给机构进行调整。 根据实际要求可对机械部分进行如下的改动:保留机床的原有主轴旋转部 7 分;保留原机床纵向进给的机动部分，将离合器脱开，去掉手轮43，将手轮轴通过一对齿轮与步进电机相连，用步进电机控制系统控制纵向工作台的移动;工作台横向运动改为通过一对齿轮与步进电机相连的数控系统控制，工作台升降移动仍用手动。为了保证精度要求，横向及纵向工作台的丝杠为滚珠丝杠副传动。 三、微机控制系统方案的确定 1.微型控制系统的设计内容包括:1)控制系统硬件电路设计计算和参数选择;2)步进电机接口及驱动电路设计。 2、微机控制系统的总体组成 数控部分采用AT89S51-24PU单片机为核心的控制系统.目前，数控机床中应用最多的是AT89S51-24PU单片机，他价格低，功能强，使用灵活等特点。 存储芯片的选择依据系统控制程序的大小及CPU的字长，I/0扩展芯片的个数根据整个系统需要的I/0通道的个数来确定。 8 3、软硬件系统的设计 涉及软硬件任务分配的有:控制步进电机的脉冲发生于脉冲分配;数码显示的字符发生;键盘扫描管理。硬件系统 (1)基本组成(最小系统)(2)系统扩展 1)程序存储器扩展2)数据存储器扩展3)输入输出端口扩展 4)综合功能扩展(3)接口技术 1)键盘接口技术2)显示器接口(4)步进电机控制硬件电路。 上述三个任务都可以用专用硬件芯片实现，也可用软件编程实现。用硬件实现，编程比较简单，但同时硬件成本及故障。用软件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软硬件方面的实际经验及能力。 软件系统包括:(1)软件结构与基本组成(2)插补原理及软件程序(3)步进电机控制软件。 计算与说明 主要结 果 9 第二章机床进给伺服系统 机械部分(纵向)的设计计算 第一节 工作载荷分析及计算 根据指导书的分析，对于数控铣床来说，可采取按切削用量计算切削力法和按主电机功率法计算切削力计算切削力法两种。一般来说，对于经济型数控铣床，可采用按主电机功率计算切削力法。 一、铣削抗力分析 通常都假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿的某一点上。设刀齿受到的切削抗力的合力为F，将F沿铣刀轴线、径向和切向进行分解，则分别为轴向铣削力Fx，径向铣削力Fy和切向铣削力Fz。切向铣削力Fz是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电机功率(即铣削功率)最多，因此，切向铣削力Fz可按铣削功Pm(kw)或主电机功率Pe(kw)算出。 对于现有的机床的改装设计，可以从已知机床的电机的功率和主轴上的功率反推出工作台进给时的铣削力。若该机床的主传动和进给传动均用一个电机，进给传动的功率较小，可在主传动功率上乘以一个系数。由机床设计手册查得铣床传动系数k=0.85。 主传动功率N包括切削功率Nc、空载功率Nmo、附加功率Nmc三部分，即:N=Nc + Nmo + Nmc。空载功率Nmo是当机床无切削负载时主传动系统空载所消耗的功率，对于一般轻载高速的中、小型机床，可达总功率的50%，现取Nmo = 0.5N，附加功率Nmc是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率，它直接与载荷大小有关。可以用下式计算，Nmc = (1–η)Nc，所以总功率为: N=Nc + 0.5N + (1–η)Nc (KW) 主要结果 计算与说明 0.5N则:Nc= (KW) 2,η 0.5N 在进给传动中切削功率:Nct = kNc = (KW) k2,η 上式中k----铣床的传动系数，查《机电一体化系统设计课程设 10 计指导书》P17公式3—8。得k=0.85 η为传动效率，可由下式计算 主轴上的传动功率η, 主电机的功率 由题设给定的已知条件可知，主轴上的传动功率N=1.45 KW，主 N电机的功率= 2.2 KW。则 电机 1.45 η==0.6591 2.2 所以: 0.5，1.450.85，Nct = = 0.4596 (KW) 2,0.6591 切削时在主轴上的扭矩为: 0.4596Nct Mn = 955000= 9240.3789(N?cm) 955000，,n47.5 上式中n----主轴的最小转速，由题设条件知n = 47.5 (r/min) 切向切削力 Mn9239.9645Fz= (N) ,,2887.6189 d3.2 上式中d----铣刀的最大直径(cm)，由题设条件知d = 3.2 cm FFF VCL二、计算进给工作台工作载荷、、 切向铣削 力 F=Z 2887.6184 (N) 主要结果 计算与说明 作用在进给工作台上的合力F’与铣刀刀齿受到的铣削抗力的合力 F大小相同，方向相反。合力F’就是设计和校核工作台进给系统时要考 虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力:工作台 F纵向进给方向载荷,工作台横向进给方向载荷Fc和工作台垂直进L F给方向载荷。 V 11 根据《专业课程设计指导书》第三章表3,1“铣削加工主切削力 1、指导FFF与其它切削分力的比值”列表可计算出三组、、 (取范围的LVC书P16 值计算最大值)。 表3— 5 (1)组:端铣—对称铣削 F=0.4 Fz=0.4×=1155.05 (N)) 2887.6184L F=0.95 Fz=0.95×=2473.24(N) 2887.6184C F=0.55 Fz=0.55×=1588.19 (N) 2887.6184 V (2)组:端铣—逆铣 F=0.9Fz=0.9×=2598.86 (N) 2887.6184L F=0.7 Fz=0.7×=2021.33 (N) 2887.6184C F=0.55 Fz=0.55×=1588.19 (N) 2887.6184V (3)组:端铣—顺铣 F=0.3Fz=0.3×=866.29 (N) 2887.6184L F=1.0 Fz=1.0×=2887.62 (N) 2887.6184 C F=0.55 Fz=0.55×=1588.19 (N) 2887.6184V 由于铣床是两轴联动，所以只考虑端铣，无需考虑周铣，则考虑采 用第三组数据。 主要结果 计算与说明 第二节 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 一、滚珠丝杠螺母副结构类型的选择 因为所要改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过 程中不需要调整，并且加工过程中有轻微冲击运转。根据上述实际条件，初选“外 并考虑到经济成本问题，通过查第三章表3,2和表3,3，可以初步选循环插管 12 埋入式法用“外循环插管埋入式法兰直筒组合双螺母垫片预紧(CMD)”这种结构 兰直筒组类型的滚珠丝杠螺母副。它具有结构简单，工艺性优良，承载能力较高;合双螺母刚度高，预紧可靠，不易松弛等优点。它主要适用于重载荷、高刚度、垫片预 紧”这种高速驱动及较精密的定位系统，是目前应用得较广泛的结构。 结构类型二、滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步骤 的滚珠丝 1、计算最大工作载荷 杠螺母副 2、由题设已知条件，铣床导轨的类型为综合导轨。再查指导书 P38表 F3-29得最大工作载荷 m。 ' FFFG,，，Kf ，，mLV 该式中:K = 1.15; 取 f’ = 0.16(f’ =0.15,0.18)(摩擦系数);G为工作台及夹具总重 量的1/2。由题设已知条件可得G = 400 N。 FF将以上数值及先前计算得到的三组、数据代入上式，可得到LV F三组相应的的最大值 m (1)组:Fm=1.15×1155.05+0.16× (1588.19+400)= 1646.42(N) (2):Fm=1.15×2598.86+0.16× (1588.19+400)=3306.7794(N) (3)组:Fm=1.15×866.29+0.16× (1588.19+400)= 1314.34(N) 最大工作 F由以上计算数据可知，第(2)组算得的值较大。故最大工作m载荷 载荷为 Fm =3306.79Fm=3306.7994(N) 94 (N) 主要结果 计算与说明 13 2、计算最大动负载C 最大动载荷C可由下式计算 3CLffF, ———— (1) wHm (1) 式中:各参数见《专业课程设计指导书》 ff----硬度系数，选,1.1(HRC?60) HH ff ----运转系数，选,1.0(有冲击运转) ww L ----寿命，由下式计算 60nT ———— (2) L, 610 (2) 式中:T----使用寿命(h)，对于数控机床T=15000(h) n----丝杠转速(r/min)，可由下式计算 1000Vs ———— (3) n, L0 V(3) 式中:----最大切削力条件下的纵向进给速度 s (m/min)，查指导书为540(mm/min) 可取最高切削进给速度的1/2,1/3，现取1/3，即 1V =×0.54(m/min)=0.18(m/min) s 3 L ----所选用丝杠的基本导程，考虑到传动精度的要求，0 可选基本导程为4、5、6(mm)的丝杠。 基本导程为4 mm时: 60，15000，1000，0.181000V60T60nTS ===40.5 L,661000000，410L010 3 C==12491.62(N) 40.5，1.0，1.1，3306.77941 基本导程为5mm 时: 1000V60T60nTS= L,6610L010 60，15000，1000，0.18==32.4 1000000，5 14 3C==11596.20(N) 32.4，1.0，1.1，3306.77942 基本导程为6mm 时: 1000V60T60nTS= L,6610L010 60，15000，1000，0.18==27 1000000，6 3C==10912.44(N) 27，1.0，1.1，3306.77943 查《机电一体化系统设计》表3-11 (1)当公称直径为d=32mm时 0 当L=4时 Ca=6668NC，所以合格 02 (圈数×列数=1.5×2) 当L=6时 Ca=10689NC，所以合格 02 (圈数×列数=1.5×2) 当L=6时 Ca=16083N>C，所以合格 03 (圈数×列数=2.5×1) 所以 丝杆选择L为5mm或者6mm，d=32mm或者40mm 00通过查《金属切削机床设计简明手册》表4-143可知 当公称直径d=32mm、基本导程为5mm的丝杠，查得它们的承载0 0o',能力Ca为12945N，螺旋升角为(2.85)、，圈数×列数分别为251 :d1.5×2，滚珠直径为3.175mm，----接触角(45)。 ,q 主 要 结 计 算 与 说 明 果 15 公称直径=40mm、基本导程为5mm的丝杠，查得它们的承载能d0 0o',力Ca为21183N，螺旋升角为(2.27)、，圈数×列数分别为1.5216 :d×2，滚珠直径为3.175mm，----接触角()。 45,q 公称直径=40mm、基本导程为6mm的丝杠，查得它们的承载能d0 0o',力Ca为16083N，螺旋升角为(2.73)、，圈数×列数分别为2.5244 :d×1，滚珠直径为3.969mm，----接触角()。 45,q 3、计算传动效率η 传动效率可由下式计算 tg, ,,，，，tg,, ,上式中:----丝杠螺旋升角 ' ----摩擦角。滚珠丝杠副的摩擦角约 100.167,，， d当公称直径=32mm、基本导程为5mm 时: 0 0tg2.85 tg, ,==0.9446>0.9 ,00tg(2.85，0.167)，，，tg,, 满足设计要求。 d当公称直径=40mm、基本导程为5mm 时: 0 0tg2.27 tg,,==0.9314>0.9 ,00tg(2.27，0.167)，，，tg,, 满足设计要求。 d当公称直径=40mm、基本导程为6mm 时: 0 16 0tg2.73 tg,==0.9423>0.9 ,,00tg(2.73，0.167)，，，tg,, 满足设计要求。 4、刚度验算 (1)丝杠的拉伸或压缩变形量 ,1 当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的1/3时，其实际变 形量为(由指导书P39，公式3—24可知): (拉伸为，，压缩为,) 上式中:E----材料弹性模数，对于钢: 42 E,，20.610N/mm，， L----滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm) ,L= 工作长度+螺纹长度+轴承宽度+端盖宽度700 mm 2mm F----滚珠丝杠的截面积()，可由下列几式计算 2d,1F、 ,dDeR,，,22104 d,,q、 sin,Rd,0.52,,eRq,,2,, :d----滚珠直径(mm)，----接触角(45)， ,q R----滚道法面半径(mm)，e----偏心距(mm)， D----丝杠公称直径(mm) 0 d(1)当公称直径=32mm、基本导程为5mm时: 0 R=0.52×3.175=1.651 (mm) 3.175,,e,1.651,sin45:,0.045 ,,2,, d=35+2×0.045-2×1.651=28.788(mm) 1 主 要 结 计 算 与 说 明 果 17 2228.788dππ，12 ==650.8979(mm) F,44 当公称直 3306.7994，700径,==0.017263(mm) 总20.6，10000，650.8979=40md013、 =×0.017263=0.004316(mm)指导书P41公式,1m、基本4 3-25 导程为 5mm时: (2)当公称直径d=40mm、基本导程为5mm时: =0.0026,01 R=0.52×3.175=1.651 (mm) 9181(mm) 3.175,, e,1.651,sin45:,0.045,, 2,, d=40+2×0.04490-2×1.651=36.7878(mm) 1 当公称直2236.7878dππ，12径==1062.9125(mm) F,44 d=40m03306.7994，700, =(mm) ,0.0026971m、基本4，20.6，10000，1062.9125 导程为d(3)当公称直径=40mm、基本导程为6mm时: 06mm时 R=0.52×3.969=2.06388 (mm) ,=0.0021 3.969,,e,2.06388,sin45:,0.056130 ,,762 2,,(mm) d=40+2×0.056130-2×2.06388=35.984(mm) 1 2235.984dππ，12==1016.971(mm) F,44 3306.7994，700, =(mm) ,0.00276214，20.6，10000，1016.971 ,(2)滚珠与螺纹滚道间的接触变形 2 当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的1/3时，其实际变 18 形量为 Fm=0.0013 ,223dFZ/10y,0 上式中:----最大工作载荷(kgf)，Fm=418.734 (kgf) Fm F----预紧力(kgf)，F==139.579 (kgf) F13ymy ----滚珠直径(mm)， d0 ----滚珠数量，,Z×圈数×列数 ZZ,, ,D0 Z ----一圈的滚珠数， (外循环) ,Z d0(1)当公称直径d=32mm、基本导程为5mm时 0 π，32 Z,,31.663.175 Z,31.66×1.5×2=94.99 , 330.67994=0.0013×=0.002930(mm) ,2323.175，110.227，94.99 当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，,的2 值可减少一半。即: ,0.002930,2,== = 0.001465(mm) mm222 d(2)当公称直径=40mm、基本导程为5mm时 0 π，40 Z,,39.57913.175 Z ,31.66×1.5×2=118.7373 , 330.67994,=0.0013×=0.00255955(mm) 2323.175，110.2167，118.7373 19 4、 当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，,2 的值可减少一半。指导书P42 即: ,0.002559554,2== = 0.00129777(mm) ,mm222 (3)当公称直径d=40mm、基本导程为6mm时 0 π，40 Z,,39.57913.175 ,31.66×2.5×1=79.15 Z, 330.67994=0.0013×=0.003072(mm) ,2323.175，110.227，79.15 当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，的,2值可减少一半。即: ,0.03072,2== = 0.001536(mm) ,mm222 (3)滚珠丝杠轴承的轴向接触变形, 3 d(1)当公称直径=32mm、基本导程为5mm时 0 选用型号为51206的轴承，其参数如下: 额定动载型 号 内径d (mm) 外径D (mm) 厚度T (mm) 荷(kN) Ca 51206 30 52 16 28.0 ,可由下式计算: 3 2Fm上式中: ,,0.0024332dZQ 20 ----最大工作载荷(kgf)，Fm=418.734 (kgf) Fm当公称直 径T----轴承滚动体直径(mm)，(mm) d,,10dQQ2=32md0Z----两边轴承总的滚动体数目由公式 π(d，D)m、基本Z= 导程为T π(30，52)5mm时 Z=?16 当公称直16 所以，可估算两边总得滚动体的数目为32。 径 将以上数据代入可得: ,=0.001,22330.679943465 =0.0024× =0.005693 (mm) ,328，32 基本导程为5mm时: 当公称直 径 =0.004316+0.001465+0.005693 ,，,，,123 d=40m0=0.01147(mm) >0.01(mm) m、基本d可见，当公称直径=32mm、基本导程为5mm时不符合要求; 0导程为 5mm时 d(2)当公称直径=40mm、基本导程为5mm时 0,,=0.0012选用型号为51207的轴承，其参数如下: 2525 额定动载型 号 内径d (mm) 外径D (mm) 厚度T (mm) 荷(kN) C a 51207 35 62 18 39.2 当公称直由 径 π(d，D) Z= Td=40m0π(35，62)Z=?17 m、基本18 导程为 所以，可估算两边总得滚动体的数目为34。 6mm时 将以上数据代入可得: ,2,=0.001330.6799423,=0.0024× =0.005257 (mm) 329，34536 基本导程为5mm时: 当公称直,，,，,=0.001279+0.002259+0.005257 123径 21 =32md0=0.009095(mm) <0.01(mm) m、基本可见，当公称直径=40mm、基本导程为5mm时符合要求; d0导程为 5mm时 (3)当公称直径=40mm、基本导程为6mm时 d0选用型号 选用型号为51207的轴承，其参数如下: 为51206 额定动载的轴承 型 号 内径d (mm) 外径D (mm) 厚度T (mm) 荷(kN) Ca=0.005,351207 35 62 18 39.2 693 (mm) 由 π(d，D) Z= 当公称直T 径π(40，68)Z=?18 19d=40m0 所以，可估算两边总得滚动体的数目为36。 m、基本将以上数据代入可得: 导程为2330.6799435mm时 ,=0.0024× =0.005072 (mm) 329.5，36选用型号 为51207基本导程为6mm时: 的轴承 =0.009438(mm) <0.01(mm) ,，,，,123 ,=0.0053 d可见，当公称直径=40mm、基本导程为6mm时符合要求; 0257 (mm) 当公称直可见，公称直径为40，基本导程为5mm或为6mm时，稳定性均 径L符合要求。以基本导程最大的滚珠丝杠作为最终选择，即以=6mm的o d=40m0作为计算依据。经查表，选用型号为CMD4006—2的滚珠丝杠副。其 m、基本参数如下: 导程为公称直径 导程 钢球直径 额定动载荷 滚珠的循环 6mm时 型 号 d(mm) dLC (mm) (mm) (N) 圈数×列数 q00a选用型号 为51207CMD4006-2 40 6 3.969 2.5×1 16083 的轴承 ,=0.0053 072 (mm) 22 主 要 结 计 算 与 说 明 果 第三节 脉冲当量和传动比的确定 经校验， 公称直径方案一: 40mm基一、确定系统脉冲当量 本导程为 ,,0.01mmstep由题设条件知脉冲当量 5mm或p 为6mm二、传动比的选定 时，稳定iZZ,设传动副的传动比为i，若为一对齿轮减速传动，则，Z211性均符合为主动齿轮的齿数，Z为从动齿轮的齿数。 2要求。 5、对于步进电机，当脉冲当量确定和初选定步进电机的步距角后，可 根据下式计算出该伺服传动系统总的传动比:公式可查《机电一体 化系统设计指导书》P19 公式3-12 经过前面 多方面的 验算和比0,0.75，6Lbo i===1.25 较，最终0360,360，0.01p确定选用 型号为 上式中:L----滚珠丝杠的基本导程6(mm) 0CMD400:6、 ----步进电机的步距角，今初选步《机电一体,,,0.75bb6—2的滚 珠丝杠副 化系统设计指导书》P59 三、齿轮传动的确定 对于数控机车的齿轮传动，应采用设计、结构和工艺均较简单，而 传动比且易获得高精度的平行轴渐开线圆柱齿轮传动。 i=1.25 通常，齿轮传动链的传动级数少一些比较好，因为可以减少零部件 的数目，简化传动链的结构，并且可以提高传动精度，减少空程误差， 有利于提高传动效率。同时i=1.67较小，故在此选用圆柱直齿轮单级传 动。 7、 一般模数取m=1~2，数控铣削取m=2。 齿轮宽b=(3~6)m，为了z=39 1 消除齿侧隙，宽度可加大到(6~10)m。齿顶/根圆半径公式，《机 d1=78mm 械原理》P130，表4-3。 ,z17，取z=39，m=2，则 11 23 ，d= m z=239=78(mm) 11 *d= d+2 hm=78+2，1，2=82(mm) aa11 **d= d-2h= d-2( h+c)m f1a1f1 ，，，d=d-2( 1+0.25)m=78-21.252=73(mm) f11 计 算 与 说 明 主 要 结 果 b=(6~10) m，取b=9m=9×2=18(mm) 11 ，,z= zi=391.25=48.7549 =49 z221 ，d=mz=249=98(mm) 22 d=98(2*，，d= d+2 hm=98+212=102(mm) a22amm) ，，， d= d-1.25m2=98-1.2522=93(mm) f22 ， b=(6~10) m，取b=6m=62=12(mm) 22 d，d78，9812中心距a=88(mm) ,,22中心距 88(mm) 选小齿轮齿数z=39，小齿轮的齿宽度b=18mm，大齿轮齿数11 z=49，大齿轮的齿宽度b=12mm。 22 主 要 结 计 算 与 说 明 果 进给伺服系统传动计算 一、转动惯量的计算 1、齿轮、丝杠等圆柱体惯量的计算。 可由下式计算: 24 2MD,342 JDL,,，,0.7810kgcm，，8 式中:M----圆柱体质量(kg) D----圆柱体直径(cm) L----圆柱体长度或圆度(cm) 对主动齿轮: ,342 J,0.78，10(0.2，39)，1.8,5.19691(kg.cm)1 对从动齿轮: ,342 J,0.78，10(0.2，49)，1.2,8.63336(kg.cm) 2 对滚珠丝杠: ,342，，， J=0.78103.8383970=11.85192 (kg.cm) 3 2、工作台折算到丝杆的转动惯量 22 LvGG,,,,20 J(kg.cm),,,,,,G ,,2ng2g,,,, v-----工作台移动速度(cm/min) n-----丝杆转速(r/min) G-----工作台的重量(N) 2g-----重力加速度(9.8m/s) J = G L-----丝杆导程(cm) 0.37220(k02g.cm) 0.640022 J 0.37220(kg.cm) ,()，,G2，π9.8 3、传动系统折算到电机轴上的转动惯量 22mn,,LnG1,,2i0,, ,，，JJ，，kg.cm,,,,Li2,,,2gni,,j,i,11k,, 25 1Z21J =0.3722×+J1+(J2+J3)() L21.25Z2 J = L392 =0.237+5.19891+(8.6336+11.95193)() 18.41223 49 22 =18.4123(kg.cm) (kg.cm) 式中:i-----系统总的减速比(i>1) 2J-----各转动体的转动惯量(kg.cm) i n-----各转动体的转速(r/min) i n-----电机的转速(r/min) K 2J-----电机的转动惯量(kg.cm) m 4、电机的转动惯量的确定 查表3.8《机电一体化系统设计》，因为选用电机工作方式的是三相 0六拍，步距角为,=0.75，故符合的是:110BF003和110BF004。电机b 的转动惯量分别为: ,522110BF003: Jkgmkgcm,，,46.110.4.61(.)m1 ,522110BF004: Jkgmkgcm,，,34.310.3.43(.)m2 5、系统总的转动惯量 2J= J=- J +J=18.4123+4.61=23.022(kg.cm) Lm111,, 223.022 J=- J +J=18.4123+3.43=21.8423(kg.cm) Lm222,(kg.cm) 二、步进电机的计算和选用 J= 2, 1、电机力矩的计算 21.8423 2 快速空载起动时所需力矩: (kg.cm) MMMM,，，,Ncm，， afmax0起 最大切削负载时所需力矩: MMMM,，，,Ncm，， tf0切 电机的力矩主要是用来产生加速度，而负载力矩往往小于加速力矩， 主 要 结 故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。 26 果 (1)空载起动时折算到电机轴上的加速力矩Mamax 2πn2，3.1416，500,2,2maxM,J，10,23.022，，101amax,6060，0.03ta =401.809(N.cm) 2πn2，3.1416，500,2,2maxM,J，10,21.8432，，101amax,6060，0.03ta =381.220(N.cm) 27 F 上式中:----滚珠丝杠预加负载(N)，一般取最大工作载荷的1/3，p0 F,1102.2664(N) p0 L ----滚珠丝杠基本导程0.8(cm) 0 ,,0.9,---- 滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般取，00 今取0.95 。 M(4)折算到电机轴上的切削负载力t M2598.86，0.6t= ,,248.1728(N.cm) 2，3.1416，0.8，1.25248.1728(N.cm) F 上式中:----进给方向最大切削力(N)，即前面计算进给工作台t FFF工作载荷、、时所得到第(4)组数据的VCL F， L FF所以,,2598.86(N) tL 综合以上，可得 M=401.809+6.11115+11.7964=419.7169 (N.cm)起1= M起1 M=381.22+6.11115+11.7964=399.1279 (N.cm)起2 419.7169 M=6.1115+11.7964+248.1728=266.0807 (N.cm)切1 (N.cm) M=6.1115+11.7964+248.1728=266.0807 (N.cm)切2M= 起22、步进电机的选择与校核 399.1279M(1)根据最大静态转矩初选电机型号 jmax (N.cm) 步进电机的起动: M,max(M，M),M,419.7169 (N.cm)q切起起1M= 切1 266.0807,max(M，M),M,399.1279M (N.cm)q切起起2 (N.cm)M419.7196q,,,0.5354 对于三相六拍步进电机，>0.5 1M784jmaxM= 切2 M399.1279q<0.866 ,,,0.81451266.0807M490jmax (N.cm) J前面计算时已初选型号为110BF003h和110BF004的步进电, 机，其相关参数为: 28 转子转 相 步距 最大静 空载起 空载运 分配 动惯量 型 号 角 转矩 动频率 行频率 2kgcm,) (步/s) (步/s) 方式 数 () (Ncm, 3相 110BF003 3 0.75 784 1500 7000 4.61 6拍 3相 110BF004 3 0.75 490 1500 - 3.43 6拍 JMLL40.5, 及 , MJmaxjm 2J上式中:----步进电机转子的转动惯量() kgcm,m 2J----传动系统折算到电机转子的等效转动惯量() kgcm,L M----步进电机的最大静态转矩() Ncm,jmax M ----传动系统折算到电机轴上的负载转矩() Ncm,L 2，，500,,2 =18.4123× ，1060，0.03 计 算 与 说 (2)计算电机工作频率 1)最大空载起动频率: 1000，2.4, =4000.00(step/s) 60，0.01 f < f =7000(step/s) ，满足要求。 maxk 2)切削时最大工作频率 1000，0.54, =900.00(step/s) 60，0.01 f < f =1500(step/s) ，满足要求。maxe 主 要 结 计 算 与 说 明 果 29 110BF00 3 v上式中:----运动部件最大快速进给速度2.4(m/min) max转矩和惯v----最大切削进给速度0.54(m/min) s量的匹配 , ----脉冲当量0.01(mm/step) 条件校p 由上述计算可知:系统要求的空载起动转矩频率要大于电机的空核，合格 载起动频率1500Hz,且空载起动频率满足要求的电机型号较少，可以采110BF00用调压起动等方式起动电机使电机的空载起动频率满足要求;而电机运4 行频率7000Hz可以满足系统要求。 主 要 结 果 (3)校核步进电机 转矩和惯1)根据步进电机转矩和惯量的匹配条件校核 量的匹配 为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速度，通常推荐: 条件校=321.355() Ncm,核，不合则:对于电机110BF003 格 321.355 =0.40989<0.5 110BF007843 J18.4123L最大空载 <4.满足要求。 ,,3.994J4.61 m 而对于110BF004的步进电机 321.355 =0.6558>0.5 490 J18.4123L>4 ,,5.368J3.43m 不满足要求。最终选110BF003的步进电机。 主 要 结 果 计 算 与 说 明 方案二: 一、确定系统脉冲当量 ,,0.01mmstep由题设条件知脉冲当量 p 二、传动比的选定 设传动副的传动比为i，若为一对齿轮减速传动，则 30 iZZ,，为主动齿轮的齿数，为从动齿轮的齿数。 ZZ2112 对于步进电机，当脉冲当量确定和初选定步进电机的步 距角后，可根据下式计算出该伺服传动系统总的传动比: 0传动比i=1.04 ,0.75，5Lbo i===1.25 0360,360，0.01p 上式中:----滚珠丝杠的基本导程6(mm) L0 : ----步进电机的步距角，今初选步,,,0.75bb 三、齿轮传动的确定 对于数控机车的齿轮传动，应采用设计、结构和工艺均 较简单，而且易获得高精度的平行轴渐开线圆柱齿轮传动。 通常，齿轮传动链的传动级数少一些比较好，因为可以 减少零部件的数目，简化传动链的结构，并且可以提高传动 精度，减少空程误差，有利于提高传动效率。同时i=1.25 较小，故在此选用圆柱直齿轮单级传动。 一般模数取m=1~2，数控铣削取m=2。 齿轮宽 b=(3~6)m，为了消除齿侧隙，宽度可加大到(6~10)m。 ,z17，取z=45，m=2，则 11z=45 1 d1=90mm ，d= m z=245=90(mm) 11 * ，，d= d+2 hm=90+212=94(mm) a1a1 **d= d-2h= d-2( h+c)m f1a1f1 ，，，d=d-2( 1+0.25)m=90-21.252=85(mm) f11 计 算 与 说 明 主 要 结 果 31 b=(6~10) m，取b=9m=9×2=18(mm) 11 ，,z= zi=391.25=48.7549 =47 z221 ，d=mz=249=98(mm) 22 d=94(mm) 2*，，d= d+2 hm=98+212=102(mm) a22a ，，，d= d-1.25m2=98-1.2522=93(mm) f22 ，b=(6~10) m，取b=6m=62=12(mm) 22 d，d90，9412中心距a=94(mm) ,,中心距2292(mm) 选小齿轮齿数z=45，小齿轮的齿宽度b=18mm，11 大齿轮齿数z=49，大齿轮的齿宽度b=12mm。 22 主 要 结 果 计 算 与 说 明 进给伺服系统传动计算 一、转动惯量的计算 1、齿轮、丝杠等圆柱体惯量的计算。 可由下式计算: 2MD,342 JDL,,，,0.7810kgcm，，8 式中:M----圆柱体质量(kg) D----圆柱体直径(cm) L----圆柱体长度或圆度(cm) 对主动齿轮: ,342 J,0.78，10(2，4.5)，1.8,9.2116(kg.cm)1 对从动齿轮: 32 ,342 J,0.78，10(2，4.7)，1.2,7.3078(kg.cm)2 对滚珠丝杠: _D，d40，36.7678 ,,,38.3839cmD 22 ,342 ，，， J=0.78103.8383970=11.85192 (kg.cm) 3 2、工作台折算到丝杆的转动惯量 22LvGG,,,,20 J,,(kg.cm),,,,G,,2ng2g,,,, v-----工作台移动速度(cm/min) n-----丝杆转速(r/min) J = GG-----工作台的重量(N) 0.2585(kg.cm2g-----重力加速度(9.8m/s) 2) L-----丝杆导程(cm) 0 0.54002J (kg.cm) ,()，,0,2585G 2，π9.8 3、传动系统折算到电机轴上的转动惯量 22mn,,LnG1,,2i0,, ,，，，，JJkg.cm,,,,Li2,,,2gni,,j,i,11k,, 主 要 结 果 计 算 与 说 明 1Z21J =0.3722×+J1+(J2+J3)() L2Z1.042 J = L452 =0.237+9.2116+(7.3078+11.95192)() 227.01(kg.cm472) =27.01(kg.cm) 式中:i-----系统总的减速比(i>1) 2J-----各转动体的转动惯量(kg.cm) i n-----各转动体的转速(r/min) i 33 n-----电机的转速(r/min) K 2J-----电机的转动惯量(kg.cm) m 4、电机的转动惯量的确定 查表3.8《机电一体化系统设计》，因为选用电机工作方 0式的是五相十拍，步距角为,=0.75，故符合的是:b 150BF002和130BF001。电机的转动惯量分别为: ,522150BF002: J,46.06，10kg.m,4.606kg.cmm1 ,522130BF001: 98，10kg.m,9.8kg.cm 5、系统总的转动惯量 2J= J=- J +J=27.01+4.606=31.616(kg.cm) Lm111,, 223.022 J=- J +J=27.01+9.8=36.81(kg.cm) Lm222,(kg.cm) 二、步进电机的计算和选用 J= 2, 1、电机力矩的计算 21.8423 2 快速空载起动时所需力矩: (kg.cm) MMMM,，，,Ncm，， afmax0起 最大切削负载时所需力矩: MMMM,，，,Ncm，， tf0切 电机的力矩主要是用来产生加速度，而负载力矩往往小 主 要 结 果 计 算 与 说 明 于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机 的依据。 (1)空载起动时折算到电机轴上的加速力矩Mamax 2πn2，3.1416，500,2,2maxM,J，10,31.616，，10 1amax,6060，0.03ta Mamax1= =551.803(N.cm) 551.803 (N.cm) 34 2πn2，3.1416，500,2,2maxM,J，10,36.81，，101amax,M6060，0.03amax2= ta =642.46(N.cm)642.46 (N.cm) 式中:J----传动系统折算到电机轴总的等效转动惯 , 2(选来计算) Jkgcm,，，, 1 t----运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需的时间 a (s)约为30毫秒 n ----电机最大转速(r/min) max θv0.75，2400bmaxn===500.00( r/min) nmax360，0.01360，δ p v----运动部件最大快进速度2400(mm/min) Mmaxf M(2)摩擦力矩f=6.1213(N.cm) ‘GfL400，0.16，0.50 M,,,6.1213(N.cm) f2πηi2π，0.8，1.67 上式中:G----运动部件的总重量(N) M0'= f ----导轨摩擦系数0.16 i ----齿轮总减速比 12.27(N.cm) η----传动链总效率，一般取η,0.7,0.85，在此取0.8 M(3)附加摩擦力矩0 1102.2664，0.52,，(1,0.94) 2，3.1416，0.8，1.04 =12.27(N.cm) 主 要 结 果 计 算 与 说 明 35 F 上式中:----滚珠丝杠预加负载(N)，一般取最大工作p0 F载荷的1/3，,1102.2664(N) p0 L ----滚珠丝杠基本导程0.8(cm) 0 ---- 滚珠丝杠未加预紧时的传动效率，一般,0 ,,0.9取，今取0.94 。 0 M(4)折算到电机轴上的切削负载力t M2598.86，0.5t= ,,248.57(N.cm)2，3.1416，0.8，1.04 248.57(N.cm) F 上式中:----进给方向最大切削力(N)，即前面计算t FFF进给工作台工作载荷、、时VCL F所得到第(4)组数据的， L FF所以,,2598.86(N) tL 综合以上，可得 M= 起1150BF002 570.1943 M=551.803+6.1213+112.27=570.1943 (N.cm)起1 (N.cm) M=248.57+6.1213+12.27=266.8713 (N.cm)切1 M= 起130BF001 2 M=642.46+6.1212+12.27=660.8513 (N.cm)660.8513起2 (N.cm) M=6.1115+11.7964+248.1728=266.0807 (N.cm)切2 2、步进电机的选择与校核 M= 切1M(1)根据最大静态转矩初选电机型号 jmax 266.8713 步进电机的起动: (N.cm) ,max(M，M),M,570.1943M (N.cm)q切起起1 M= 切2,max(M，M),M,660.8513M (N.cm)q切起起2 266.0807 对于五相十拍步进电机: (N.cm)M570.1943q<931 ,,,599.57 1M0.951jmax 符合要求 36 M660.8513q <1372 ,,,694.901M0.951 jmax J前面计算时已初选型号为150BF002和130BF001 , 的步进电机，其相关参数为: 转子转 相 步距 最大静 空载起 空载运 分配 动惯量 型 号 角 转矩 动频率 行频率 2数 () () (步/s) (步/s) 方式 Ncm,kg.m 5相 130BF001 5 0.75 784 3000 16000 4.6.06 10拍 5相 150BF002 5 0.75 490 2800 8000 98 10拍 注:数据来源于《机电一体化系统设计》第三版，张建明等编著， P111表3-11 主 要 结 果 计 算 与 说 明 (2)计算电机工作频率 1)最大空载起动频率: 1000，2.4, =4000.00(step/s) 60，0.01 f < f =7000(step/s) ，满足要求。 maxk 2)切削时最大工作频率 1000，0.54, =900.00(step/s) 60，0.01 f < f =1500(step/s) ，满足要求。 maxe v上式中:----运动部件最大快速进给速度2.4(m/min) max v----最大切削进给速度0.54(m/min) s , ----脉冲当量0.01(mm/step) p 由上述计算可知:系统要求的空载起动转矩频率要大 于电机的空载起动频率1500Hz,且空载起动频率满足要求 的电机型号较少，可以采用调压起动等方式起动电机使电机 的空载起动频率满足要求;而电机运行频率7000Hz可以满 足系统要求。 (3)校核步进电机 1)根据步进电机转矩和惯量的匹配条件校核 37 为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速 JMLL40.5度，通常推荐:, 及 , MJmaxjm 2 J上式中:----步进电机转子的转动惯量() kgcm,m 2J----传动系统折算到电机转子的等效转动惯量() kgcm,L M----步进电机的最大静态转矩() Ncm,jmax M ----传动系统折算到电机轴上的负载转矩() Ncm,L 2，，500,,2 =27.01× ，1060，0.03 计 算 与 说 明 主 要 结 果 =471.4() Ncm, 则:对于电机130BF001 130BF001转 471.41矩和惯量的 =0.506>0.5不满足要求 匹配条件校784 核，不合格 J27.01L .不满足要求。 ,,5.86,4 J4.606m150BF002最 大空载起动而对于150BF002的步进电机 频率校核，合 格 471.41 满足要求 ,0.34,0.5130BF001最1372 大空载起动J27.01L 满足要求 ,,2.76,4频率校核，不J9.8m合格 满足要求。最终选150BF002的步进电机。 经校核，型号 为150BF002 的步进电机 符合要求。 主 要 结 果 计 算 与 说 明 38 第三章 微机控制部分的设计 主要内容: 以MCS-51系列单片机为核心的控制系统。 一、硬件系统 (1)基本组成(最小系统) (2)系统扩展 1)程序存储器扩展 2)数据存储器扩展 3)输入输出端口扩展 4)综合功能扩展 (3)接口技术 1)键盘接口技术 2)显示器接口技术 (4)步进电机控制硬件电路 二、软件系统 (1)软件结构与基本组成 (2)插补原理及软件程序 (3)步进电机控制软件 第一节 微机控制系统概述 一、微机控制系统的设计思路 1.确定系统状态控制方案 1)从系统构成上考虑是否采用开环控制或闭环控制; 2)执行元件采用何种方式; 3)考虑系统是否有特殊控制要求对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统应采取的措施是什么, 4)考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机承担哪些任务，为完成这些任务微机应具备哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。 5)初步估算其成本，通过整体方案考虑，最后画出系统组成的初步框图，附加说明，以此作为设计的基础和依据。 2.确定控制算法 1)建立系统的数学模型，确定其控制算法，按照规定的控制算法进行控制。 主 要 结 计 算 与 说 明 39 果 2)控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个 系统的成败。 3)在选择控制算法时，应考虑所选的算法是否能满足控制速度、 控制精度和系统稳定性的要求。 3.选择微型计算机 对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制角度出发， 微机应能满足具有较完善的中断系统、足够的存储容量、完善的输入/ 输出通道和实时时钟等要求。 1)较完善的中断系统 2)足够的存储容量 3)完备的输入/输出通道和实时时钟。 二、微机控制系统基本硬件组成 任何一个微机控制系统都由硬件和软件两部分组成，硬件是软件的 基础，而配置了软件的硬件才有控制功能，数控系统通过与硬件软件的 密切配合实现各种功能。 控制系统硬件基本组成框图 第二节 系统介绍 该微机控制系统由单片机、存储器、键盘和显示器等接口电路、步 进电机驱动电路、AT标准下载接口电路、急停和限位报警等辅助控制 选电路组成。其电路原理图如下图1所示。 AT89S51 一、单片机的选择 -24PU单 片机 由于本设计只是对传统机床的改造，各方面的要求不是很高，所以本设 计采用以AT89S51-24PU单片机为核心的控制系统.目前，数控机床中应 用最多的是AT89S51-24PU单片机，他价格低，功能强，使用灵活等特 点。由于AT89S51-24PU内部没有程序存储器，必须扩展程序存储器， 40 用以存放控制程序。由于单片机内部存储器容量较小，不能满足实际需要，所以还需要扩展数据存储器。这种扩展就是配置外部存储器(包括程序存储器COM和数据存储器RAM)。另外，虽然AT89S51-24PU本身有4个I/O接口电路，但尚不能满足改造的需要，因此，还需要扩展输入输出接口芯片，以满足使用要求。 图4-1 系统电路原理图 图4-2 存储器扩展电路 主 要 结 计 算 与 说 明 果 41 二、存储器的扩展 如图2所示，为图2 存储器扩展电路，由锁存器、译码器、静态存储器和 E2PROM等芯片连接而成。 1、地址锁存 由于MCS-51系列单片机的P0口试分时复用的地址/数据总线，因此，在进 行程序存储器扩展时，必须用地址锁存器锁住低8位的地址信号。 锁存器 选 采用的地址锁存器为74HC573。 74HC573 D0到D7为数据输入，Q0到Q7为输出，11管脚为锁存使能，1 管脚为输出使能。10管脚GND接地，20管脚接高电平。 OE 选 AT28C256 -15PI 图4-3 锁存器74HC573芯片连接电路 2.程序存储器的扩展 MCS-51系列单片机的程序存储器空间和数据存储器空间的相互独 立的。AT89S51-24PU芯片片内ROM不够用时，需扩展外部程序存储器。 用作程序存储器的器件有EPROM和E2PROM，在本设计中程序存储器选 用一片E2PROM,其型号为AT28C256-15PI。 选 AT28C256-15PI主要参数:32K×8位，为双列直插式28脚封装。IDT7164S采用单一正5V电源，可以与MCS-51系列单片机直接接口。ROM的地址35P 范围为0000H—7FFFH。 A0—A14为地址线，为芯片使能，输出使能，写入使能，I/O0CEOEWE —I/O7为数据输入/输出，NC、DC为预留端口，不用连接。GND接地，Vcc接高电平。 42 图4-4 程序存储器AT89S51-24PU芯片连接电路 3.数据存储器的扩展 AT89S51-24PU单片机内部有256字节的RAM存储器。CPU提供对内部的RAM具有丰富的操作指令。单在用于实时数据采集和处理时，仅靠片内提供的256字节的数据存储器是远远不够的，在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存储器。外部数据存储器选用一片静态RAM，其型号为IDT7164S35P 。 数据存储器IDT7164S35P参数:容量为选用8K×8位，选用一片SRAM6，单一电源供电，双列直插式28管角封装，可以与MCS-51系列单片机直接接口。其地址范围 0000H—1FFFH。 A0—A12为地址线，输出使能，写入使能，I/O0—I/O7为数据输入OEWE CS/输出，、CS为片选端口，GND接地，Vcc接高电平。 12 43 图4-5 数据存储器IDT7164S35P芯片连接电路 4、74HC138译码器接口电路 查《机电一体化系统设计》可知下表: 表4-6 74HC138功能表 C B A Y，Y，，，，，，Y YYYYY760543210 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 在74HC138中引脚C、B、A分别接地、P1.4和P2.7， YY确定~中的选择。从原理图可知: 07 PPY1、 当BA为00时，即=0，=0时，选择脚输出0，此时1.42.70 选通芯片IDT7164S35P，该芯片有13条地址线，基本地址范围0000H, 1FFFH。 Y1Y1PP2、当BA为01时，即=0，=1时，脚为0，而脚接芯片1.42.7 44 AT28C256-15PI，.此时选通该芯片，其有15条地址线，基本地址范围0000H,7FFFH。 3. 当BA为10，即=1，=0时，Y2脚为0，而Y2脚接8155PP1.42.7 的片选脚，此时选中8155芯片。 4、当BA为11，即=1，=1时，脚为0，而脚接8255PPY3Y32.72.6 的片选脚，因此此时选中8255芯片。 图4-6 译码器74HC138芯片连接电路 三、I/O口的扩展 在MCS-51应用系统中，单片机本身提供给用户使用的输出口线并不多，只有P1口和部分P3口线。应此，在大部分单片机应用系统设计中都不可避免的要在单片机外部扩展I/O端口。单片机可以像访问外部RAM存储器一样访问外部接口芯片，对其进行读/写操作。 由于接口较多，需采用一个8155芯片和一个8255芯片，才可以满足要求。 复合接口扩展芯片8155共有三个端口PA、PB、PC，即PA0—PA7、PB0—PB7、 RDPC0—PC4共为21位输入输出。AD0 -AD7为数据总线，读入接口，写WR M入接口，RESET为复位接口，Vss接地，Vcc接高电平，ALE芯片使能、IO/、TMRIN、TMROUT、片选CE。 45 图4-7 8155芯片连接电路 专用接口扩展芯片8255有三个端口PA、PB、PC，均为8位，即PA0—PA7、PB0—PB7、PC0—PC7共24位输入输出口。A0-A1为地址线接口，D0-D7为数据线接口，RD读入接口，写入接口，RESET为复位接口，为片选端口，CSWR GND接地，Vcc接高电平。 图4-7 8255A芯片连接电路 通过8155复合接口芯片实现对键盘和数码管显示接口的扩展，通过8255专用接口芯片实现对手动操作等按键功能和步进电机的控制脉冲输出接口的扩展。 1、数码显示管位数确定 如下图4-8所示所设计数码显示电路原理图，根据设计任务书要求及数据计算，数控机床的脉冲当量，需要两位数码管,,0.01mm/step 46 显示小数部分(右边两个)，铣床行程小于1000mm，需要三位数码管显示整数部分(右起3~5个)，需要一位显示x、y的方向(左起第3个)，一位显示行程的正负(左起第2个)。还有一位(左起第1个)根据具体情况由用户设定(比如状态信息)。 图4-8 数码管显示电路 2、键盘电路设计及键数确定 如下图9所示，为所设计矩阵键盘电路原理图。根据数控铣床加工特点及各方面性能要求，拟定如下按键: 图4-9 键盘电路设计 返回键、垂直菜单键、回车/输入键、上档键、光标向上键、光标向下键、光标向左键、光标向右键、删除键、10个数字键、17字母键等共36个按键，其连接电路如图所示。 3、8255芯片接口扩展电路设计 如图10所示，为8255芯片接口扩展电路原理图，Manual Operation (手动操作)的各个功能信号由8255芯片的PC端口引脚输入，包括X轴点动、Y轴点动、快进、自动、单段、手动、单步、暂停。 47 图4-10 8255芯片接口扩展电路原理图 Status Setting(状态设置)由8255芯片的PB端口及PA端口PA4~PA7引脚输入，包括增量选择、主轴正转、主轴反转、主轴停、超程解除、手动换刀、循环、机床锁住、Z轴锁住，剩余三个接口预留给用户进行其它功能的定义。 8255芯片的PA0~PA3引脚用于输出步进电机对X、Y向运动的控制脉冲。 主 要 结 计 算 与 说 明 果 第三节步进电机驱动控制电路 方案一: 根据已知条件和上述计算结果，步进电机型号为45BF005-II，其 参数如下表所示。齿轮1的齿数Z1=39，齿轮2的齿数Z2=49，模数m=2， 选 丝杠基本导程L0=6mm。工作台的最大切削速度为0.54m/min。 8155和保持 运行空载起步距角 电压 电流 电感 内阻 相频率 动频率型号 转矩 8255 0数 (C) (V) (A) (mH) (R) (Hz) (Hz) N.cm 48 110BF003 3 0.75 80 6 7.84 1500 7000 35.5 0.37 一、确定步进电机运行频率 1、确定步进电机最大转速 v540 丝杆的转速为:n===90(r/min) L60 步进电机的最大转速为: Z492n90,，,， n=113.07(r/min) maxZ39 1 n= fmaxy2、确定其运行频率 步进电机采用三相六拍方式的控制脉冲。 113.07(r/ 6n113.07maxmin) 6,,， f =904.56(Hz) y0.75θb 二、驱动回路的时间常数 f=904.5y 每相工作三拍改变依次通电状态，但为了每一拍都能正常工作，每 26(Hz) 拍脉冲宽度的时间电流上升至额定电流的60%，即3 ，，， I,0.6I,0.6，6,3.6An 则负载回路的时间常数为: 主 要 结 计 算 与 说 明 果 ,,,,LRms/0.0355/0.3795.9，，im ,,因此,τ1/f =1.106ms yi 式中:L-----步进电机一相绕组的平均电感量 R -----通电回路的电阻 m RL和见《机电一体化系统设计》(表3-11反应式步进电机技术性m 能数据)。 49 三、选用线路简单的串联电阻法 若选用线路简单的串联电阻法改善静电流上升沿，其时间常数为: ' 则:R=(L-τ’R)/τ’， ,,，LRR/，，0imiim0 其中:τ’=1.106ms所以， i ,3,3，，，R=(0.0355-1.106 100.37)/ 1.106 10=31.73(Ω) 0 串联电阻需要串联如此大的电阻，在该电阻上损失的功率为: 22法不符合I R=6×31.73= 1142.17w 0 要求。 显然很不合理，所以采用双电源法。 四、高压电源电压的确定 2电机每相工作三拍改变一次通电状态，设要求在控制脉冲宽度时间3 内相电流达到额定电流的60%，即I=0.6In=3.6(A)这个时间也就是高EH 压电源工作时间，即单稳翻转时间，其值为: I4R4单稳态管 t=2/(3 f )=2/(3×904.56)=0.737(ms) 7407R2yb IC2光耦 t=0.737I2FJE3303b IB22SC5948(ms) 脉冲I3R3分配信号VCCENE= H I5R5173.99绕组光耦(V) 7407R1IC1 I1 IB1 FJE33032SC5948 I6R6图4-11 高低电压驱动电路 GND 高电压电源电压: ,0.737 95.9e =3.6×0 .37/(1-)=173.99(V) 主 要 结 计 算 与 说 明 50 果 T1、T2选 五、元器件型号的确定 2SC5948 1、确定T1、T2 为了使电路简单、紧凑，功率放大T1和T2选用复合管三极管2SC5948。 (V) (V) (V) (uA ) (V) VVVIUCBOCEOBEOCBOCES 200 200 5 5 5 (A) (W) (V) HIPU(V) UEGCNCNBESBE 1 70 12 200 5 RR562、确定和 从和性能数据知，基极电流为: TT12 ，， I,I/H,6/70,85.71mAB1LFG 式中:H-----电路放大倍数，载电流A I,6FGL 因此，等效输入电阻为: ，，R,U/I,1/85.71,11.67,r1BEB 取晶体管FJE3303的放大倍数为10，于是， III=+I，=10I C16C1B11 IR =U=1(V) 66BE I,I，I,I,R,E,U,79(V)5C1155nBE 选用光电耦合器TLP521-4，选择耦合器输入电流， IC =16 mA (最大的电流为50mA),电流传输比=100%; iTR ，I=IC=16100%=16mA 1iTR 主 要 结 计 算 与 说 明 果 51 =15, R,解上述方程组得:13.48, R66 ,448.86, RR55 查电阻标准值表对理论阻值进行圆整，取 =470R5 =15,，=470, RR65, 3、确定 RR和12 前面已选定耦合器输入电流=16mA，可得到光耦合器输入正向I i ,,压降为1.3V，所以==(51.3)/=231，查电阻标准值表对理RIRi12 ,论阻值进行圆整，取==220 RR12 =R=2R124、确定 R,R34 ,20 (1)若使电流上升沿陡，希望T2工作于饱和状态(实际还没有 达到饱和电流，单稳已翻转成低电平)。首先确定基极电流I。 c2负载的平均阻抗: ,,ZE/I=80/6=13.3 nN (2)T2的饱和电流: ZI=(-2U-U)/ Ecs(2)CESnH ，=(173.99-25-80)/13.3 ,6.32A T2基极电流应为: hI=I/ FgB2cs(2) =6.32/70 =90.3mA I,IC,取C,100%光耦合器输入电流为16mA，所以: 2iTRTR 光耦合器输出电流: IIIIII=16mA，且=+，=10 C23C22B12 52 因此: =-=160-90.3 =69.7mA III3c2B2 (3)求(0点电位) U0 主 要 结 计 算 与 说 明 果 在期间0，是变化的，变化范围近似为—2至—，,t,tUEEEb0nHH 计算时取平均值: =[(—2)+(—)]/2 UEEE0nHH =[(173.99-2)+(173.99-80)]/2 =133V T2的等效输入电阻为: ,, =U/ =5/(90.3)K=55.4 RIBEST2B2 U5BESR,,R、R分别为: =K=71.7 ,33469.7I3 I,I，I,176mA, =74 R4C224 ,3R=200，R=(-U-U)/I=(173.99-5-133)/176 U1034CES04H ,=204.5 , 查电阻标准值表对理论阻值进行圆整，取 ,,RR=74，=200 43选择D1，选择D1，D2选用2CZ13A硅整流二极管。 D2选用7、单稳态多谐振荡器74HC123翻转时间的确定 2CZ13A硅 当单稳74HC123的“清除端”加高电平A端加低电平时，B端正 整流二极跃变可使单稳的Q端从低电平变成高电平，经过一段时间自动翻转成 管。 低电平，恢复到稳定状态，Q端输入一个脉冲，脉冲宽度由外电阻R和T C决定，如图所示，即: X t,RCR=Ln2，取=1K。 bTXT tCR则:=/(Ln2) bXT 53 ,3,3 =0.166/(Ln2 1) ，，，1010 =1KRT = 0.239F , , = CX 0.239 F , 图4-12 单稳态多谐振荡器74HC123芯片连接电路 方案二: 主 要 结 果 计 算 与 说 明 根据已知条件和上述计算结果，步进电机型号为 150BF002，其参数如下表所示。齿轮1的齿数Z1=45，齿轮 2的齿数Z2=47，模数m=2，丝杠基本导程L0=5mm。工作台 的最大切削速度为0.54m/min。 空载保持 运行 步距电电电压 内阻 起动相角 流 感 型号 转矩 频率 频率数 V (R) 0(C) A N.cm (Hz) (Hz) 150BF002 5 0.75 80/12 12 1372 2800 8000 0.121 一、确定步进电机运行频率 1、确定步进电机最大转速 54 v540丝杆的转速为:n===108(r/min) L50 步进电机的最大转速为: Z472,，,，n108 n=112.8(r/min) maxZ451 fy2、确定其运行频率 步进电机采用三相六拍方式的控制脉冲。 6n112.8max f =902.4(Hz) ,,，6yθ0.75b 二、驱动回路的时间常数 每相工作三拍改变依次通电状态，但为了每一拍都能正 2常工作，每拍脉冲宽度的时间电流上升至额定电流的3 60%，即， IIA,,，,0.60.6127.2，，n 则负载回路的时间常数: 主 要 结 果 计 算 与 说 明 ,,,,LRms/0.00955/0.12178.9，，im 因此,τ,,1/f =1.108ms yi 式中:L-----步进电机一相绕组的平均电感量 R -----通电回路的电阻 m RL和见《机电一体化系统设计》(表3-11反应式步m 进电机技术性能数据)。 三、选用线路简单的串联电阻法 若选用线路简单的串联电阻法改善静电流上升沿，其时间常数为: 55 ' 则:R=(L-τ’R)/τ’， ,,，LRR/，，0miiim0 其中:τ’=1.108ms所以， i ,3，，R=(0.00955-1.108 100.121)/ 1.108 0 ,3，10=8.5(Ω) 需要串联如此大的电阻，在该电阻上损失的功率为: 22I R=12×8.5= 1224w 0 显然很不合理，所以采用双电源法。 四、高压电源电压的确定 电机每相工作三拍改变一次通电状态，设要求在控制脉冲23宽度时间内相电流达到额定电流的60%，即I=0.6In=7.2 (A)这个时间也就是高压电源工作时间，即单稳翻转时间，EH 其值为: I4R4单稳态管yb7407R2 t=2/(3 f )=2/(3×902.4)=0.7388(ms) IC2光耦 I2FJE3303 IB22SC5948脉冲I3R3分配信号VCCEN I5R5 绕组光耦7407R1IC1 I1 IB1 FJE33032SC5948 I6R6图4-11 高低电压驱动电路 GND 高电压电源电压: ,0.7388 78.9 =7.2×0 .121/(1-)=93.47(V) e 56 主 要 结 果 计 算 与 说 明 五、元器件型号的确定 1、确定T1、T2 为了使电路简单、紧凑，功率放大T1和T2选用复合管三极 管2SC5948。 U(V) (V) (V) (uVVVICESCBOCEOBEOCBO A ) (V) 200 200 5 5 5 HU(A) (W) IP(V) UEGBESCNCNBE (V) 1 70 12 200 5 RR562、确定和 TT12从和性能数据知，基极电流为: IIHmA,,,/12/70171.4，，BLFG1 HFG式中:-----电路放大倍数，载电流A I,12 L 因此，等效输入电阻为: ,3 RUI,,,,/1/171.4*105.8，， rBEB1 取晶体管FJE3303的放大倍数为15，于是， III IIC16C1B11=+，=15 IR U66BE ==1(V) I,I，I,I,R,E,U,79(V)5C1155nBE 选用光电耦合器TLP521-4，选择耦合器输入电流， ICiTR =16 mA (最大的电流为50mA),电流传输比=100%; IIC1，iTR==16100%=16mA 57 计 算 与 说 明 RR66,,,解上述方程组得:14.5 =15 RRR555,,,308.6 =470 查电阻标准值表对理论阻值进行圆整，取 RR65,,=15，=309 RR和123、确定 Ii 前面已选定耦合器输入电流=16mA，可得到光耦合器RR21,==220 RIRi2,1,输入正向压降为1.3V，所以==(51.3)/=231， RR21,查电阻标准值表对理论阻值进行圆整，取==220 R,R344、确定 (1)若使电流上升沿陡，希望T2工作于饱和状态(实际还没有达到饱和电流，单稳已翻转成低电平)。首先确定基极 Ic2电流。 负载的平均阻抗: ZEInN,,/=80/12=6.67 (2)T2的饱和电流: ZIUUEcs(2)CESnH=(-2-)/ ，=(173.99-25-80)/6.67 ,12.64A T2基极电流应为: hIIFgcs(2)B2=/ =12.64/70 =180.6mA 58 I,IC,取C,100%2iTRTR光耦合器输入电流为16mA，所以: 光耦合器输出电流: IIIIIIC23C22B12=16mA，且=+，=15 III3c2B2因此: =-=240-180.6 =59.4mA U0(3)求(0点电位) 主 要 结 果 计 算 与 说 明 ,t,tUEb0H 在期间0，是变化的，变化范围近似为—2 EEnH至—，计算时取平均值: UEEE0nHH =[(—2)+(—)]/2 =[(93.47-2)+(93.47-80)]/2 =52.47V T2的等效输入电阻为: R4,=74 URIBEST2B2,, =/ =5/(180.6)K=27.7 RU3,BES=200 R,35R、RI343,,分别为: =K=84.2 59.4选择D1，D2选 IIImA,，,256 用2CZ13A硅422C 整流二极管。 UURIU CES044H=(--)/ ,310 ，=(93.47-5-52.4)/176 , =204.9 RT,查电阻标准值表对理论阻值进行圆整，取 =1K RR34,,C=84，=200 X= 0.239 ,选择D1，D2选用2CZ13A硅整流二极管。 F 7、单稳态多谐振荡器74HC123翻转时间的确定 当单稳74HC123的“清除端”加高电平A端加低电平时， 59 B端正跃变可使单稳的Q端从低电平变成高电平，经过一段时间自动翻转成低电平，恢复到稳定状态，Q端输入一个脉 RCTX冲，脉冲宽度由外电阻和决定，如图所示，即: tRCRbTXT,=Ln2，取=1K。 则: tCRbXT=/(Ln2) ,3,31010，，， =0.166/(Ln2 1) , = 0.239F 图4-12 单稳态多谐振荡器74HC123芯片连接电路 主 要 结 计 算 与 说 明 果 第四节 其他辅助电路的设计 一、急停、超程报警电路 为防止X，Y工作台越出边界，可设置限位开关，分别为+X，-X， 60 +Y和-Y向4个限位开关，一旦越界，立即停止工作台移动。可利用AT89S51-24PU的外部中断引脚INT0，只要有一个开关闭合，即工作台越界，立即停止工作台移动。考虑实际加工的需要，增加急停按钮。将超程限位和急停通过软件设置为最高级别的中断。 当工作台行驶超出行程时，行程开关被触发，由74HC08产生中断信号，并通过INT0申请中断。此时中央处理器通过扫描P3.0、P3.1、P3.3、P3.4引脚的电平查出中断源(+X、-X、+Y、-Y或急停)，进而执行中断服务。同时经P1.1、P1.2、P1.3输出相应电平点亮LED等和蜂鸣器报警，提醒工作人员处理故障。急停和超程保护电路如图4-13所示。 图4-13 急停和超程保护电路原理图 二、ISP在线编程接口 中央处理器AT89S51-24PU外接一块在线编程接口芯片ISP，主要用于在线编程输入。标准SPI接口是以主从方式工作的,这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件,其接口包括以下四种信号:MOSI – 主器件数据输出,从器件数据输入、MISO – 主器件数据输入,从器件数 ss据输出、SCLK – 时钟信号,由主器件产生、 – 从器件使能信号,由主器件控制。ISP在线编程接口的其他引脚有:VCC、GND和RST。如图4-14所示，为 ISP下载接口电路电路原理图。 61 图4-14 AT标准下载接口电路 三、复位电路 如图4-15所示，单片机AT89S51-24PU的复位的复位都是靠外部电路实现。在时钟电路工作后，主要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平时，单片机便实现状态复位。复位后PC值为0000H，程序的入口地址为0000H。单片机通常采用上 电复位和按钮复位两种。 图4-15单片机AT89S51-24PU的复位电路 复位电路中的R、C的参数与CPU所采用的时钟频率有关，要保证RESET引脚上出现10ms以上的高电平，最好由实验调整。 四、时钟电路 单片机虽有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路产生时钟的方法有两种:内部时钟方式和外部时钟方式。一般情况当外接晶体电容C、C值通常选择为30pF左12 62 右;外接陶瓷谐振器时C和C的典型值约为47pF。为了一12 个温度的稳定性，应采用NPO电容。 外部时钟方式:利用外部振荡信号源直接接入XTAL或1XTAL。如信号接XTAL，内部的反相放大器的输入端XTAL221应接地。 图4-16 单片机AT89S51-24PU的时钟电路 第四章、微机控制系统软件设计 一、模块组成 本程序主要由如下模块组成: 主模块，用于系统初始化和监控。 子程序模块。 越界报警、急停处理模块。 实时修改显示缓冲区数据模块。 键盘、显示定时扫描管理模块。 其中除主模块和子程序模块外，其余均为中断执行方式模块。 二、缓冲区设置 应设置两个缓冲区:键盘缓冲区和显示缓冲区。 1、键盘缓冲区 主要用于存放由键盘输入的命令，长度为4字节，地址为AT89S51-24PU 内部RAM区20H~23H，第一字可用于缓冲区空、满等标志，定义如下:(20H) =00H，缓冲区为空，(20H)=01H，缓冲区内未处理完的命令个数，显然(20H) =30H时即为满。其余3个字节内存放具体的命令码。为防止误操作，可以进 63 一步规定:命令码若为00H，为无效命令。从本系统的施加情况及后面的软件框图可以看出，键盘缓冲区很少出现两个或两个以上未处理的命令码，一般情况只要一个命令码，马上会得到处理。 2、显示缓冲区 主要用于存放欲显示的具体数据，每一字节对应一显示位，共5个字节，地址为AT89S51-24PU内部RAM 25H~29H，分别对应百位、十位、个位(包括小数点)、10E-1位和10E-2位。 除以上缓冲区外，根据需要，可以设立一些标志位，视具体情况而定。三、中断优先级 所处理时间为紧急的则其中断级别为最高，根据本题实际情况，中断模块的优先级如下: 模块名 级别 越界报警、急停处理模块 0 高 实时修改显示缓冲区数据模块 1 键盘、显示定时扫描管理模块 2 低 四、各模块说明及

流程

快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计

图 1、主模块 主模块功能为:初始化、监控。其中初始化包括8155初始化、缓冲区清零、定时/计数常数的设置、开中断等处理;监控主要判断是否有命令按下，并根据命令调用相应的子程序模块。主模块流程图如下; 64 开始 ?AT89S51串行口工作方式设定(方式0)?8155 初始化?8255 初始化?键盘、显示缓冲器清零 显示提示符“P” 键盘扫描 N有命令发出否, Y根据各键盘功能、定义转向相应功能块 0功能1功能N功能„„ 根据键盘功能键的设定，相应的子程序模块包括“?”、“?”、“?”、“?”各个命令及“暂停”命令处理模块。这里设定一标志，其作用是反映XY工作台的当前运动方向。标志位为内部RAM区的2BH ，其定义如下: 2BH单元值 当前运动方向 (2B)=01H ? +X (2B)=02H ? -X (2B)=03H ? +Z =04H ? -Z (2B) (2B)=00H 初始时为00H 2、暂停键“STOP”子模块 暂停键功能是暂时使XY工作台停止移动，因此只需停止步进脉冲信号即可。 3、中断模块 (1)报警、急停处理中断模块 本模块的主要功能是当XY工作台移动越出边界时进行应急处理，停止一切正常工作，由复位重新使系统处于正常工作状态。报警用红灯亮指示。 (2)键盘、显示定时扫描管理模块 65 根据键盘的接口电路，可以用编程扫描方式和定时扫描方式。这里选择后一种，用定时中断模块同时完成键盘和显示的扫描。对于键盘扫描，应该解决去抖动问题，一般调用延时10ms左右来实现，而对于显示扫描，为保证多位同时显示而无闪烁，应使扫描频率高于50Hz。设定定时时间为3ms，即哪隔3ms中断 次，修改一次显示位，每位显示的点亮时间是3ms，扫描一遍共需5×3=15ms，扫描频率约64Hz，高于50Hz。 键盘采用每隔3×3=9ms扫描一次，其目的是消除键盘抖动。设置一标志位，其地址为内存RAM30H单元，用于计数中断次数，当其等于3时，正好隔9ms，马上查询键盘。另外还应设一标志位，用以标志连续两次查询到按键值是否一样，其地址为31H，定义如下:(31H)=1，表明上次查询有键按下;(31H)=0，则为无键按下。只要当上次有键按下，且隔9ms后再次查询有同一键按下时，才能确认有键按下，否则均视为误动作，不予理睬。 4、实时修改显示缓冲区数据模块 本模块采用中断方式，其作用是通过对8155定时/计数的输出信号，也即对步进脉冲进行计数，来修改显示缓冲区中工作台当前工作位置。根据步进电机的实际脉冲当量，一个步进脉冲，相当于工作台位移增量为0.01mm，可以设定中断计数常数为10，每中断一次，工作台运动0.1mm，这里用内部RAM单元为中断次数计数器。 设计小结 机电一体化系统设计课程设计是机电一体化系统课程的最后一个教学环节，同时也是一次对学生进行全面的机电一体化设计训练。我们这次课程设计的指导老师是黄江老师和韦进文老师。通过本次课程设计，让我学会了怎样去综合运用机电一体化系统设计和其他有关先修课程的理论及生产实践的知识去分析和解决机电一体化系统设计问题，进一步巩固和深化了所学的知识;同时，通过学习机电一体化系统设计的一般方法，了解和掌握了常用的机电一体化系统中的机械设计及接口电路的设计方法，培养了正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，特别是总体设计和零部件设计的能力; 66 通过计算和绘图，学会了运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料等，培养了机电一体化系统设计的基本技能。 在这一次课程设计中，非常的感谢我们的指导老师黄江老师和韦进文老师。在设计的过程中我们遇到了很多的问题，老师非常细心耐心的给我们进行讲解，给我们指明正确的方向。课设中途我们出了很多的差错也是老师给予我们正确的指导，纠正我们的错误，让我们能够成功的完成了这次课程设计。我们经常找老师解决问题，但老师却一点也不在意，非常感谢老师对我们的包容和无私奉献。 在这次机电一体化课程设计的过程中，我对设计过程不仅有了深刻的理解和认识，而且还有了一定的心得和体会: 1)学会独立思考，勇于继承与创新 任何设计都不可能是独出心裁、凭空想象出来的，不依靠任何资料所能实现的。所以，在设计时，必须要认真阅读参考资料，在一定程度上继承或借鉴前人的设计经验和成果，但不能盲目地全盘抄袭，应根据具体地设计条件和要求，独立思考，进行改进和创新，只有这样，才能做出高质量地设计。 2)设计时要全面考虑系统的强度、刚度、工艺性、经济性和维护等要求 任何产品机构和尺寸的要求，除了考虑它的强度和刚度外，还应综合考虑零件本身及整个部件的工艺性要求、经济性要求、使用要求等才能确定。 3)使用标准和规范 设计时应尽量使用标准和规范，这有利于零件的互换性，同时也可减少设计工作量，节省设计时间，对于国家标准或部门规范，一般都要严格遵守和执行。设计中采用标准或规范的多少，是评价设计质量的一项标准。因此，在课程设计中，有标准或规范的，应尽量采用。 总之，通过这次课程设计，让我进一步巩固和深化了所学的知识，让我学会和掌握了机电一体化课程设计的方法。不仅如此，这次课程设计还让我学到了很多课本上学不到的知识，自己思考问题的方法得到了提高。想问题和吃力问题的方法更加成熟了。感触颇深，收获颇丰～ 参考资料 67 1、机床设计参考图册(车床部分)。上海纺织工业学院机械制造专业教研室。 2、机电一体化系统设计。张建民等编著。高等教育出版社，2001年8月。 3、机电一体化技术手册(上、下册)。机电一体化技术手册编委会编，机械 工业出版社。 4、单片机原理及其接口技术。胡汉才编著，清华大学出版社。 5、机械设计(第七版)。濮良贵、纪名刚主编，高等教育出版社。 6、机械设计课程设计(第二版)。唐增宝等主编，华中科技大学出版社。 7、互换性及测量技术。郑凤琴主编，东南大学出版社。 8、金属切削机床简明手册。范云涨，陈兆年主编，机械工程出版社 9、微型计算机原理及应用。许立梓等编，机械工程出版社 10、MCS-51系列单片机系统及其应用 蔡美琴等 高等教育出版社 68