課程設計--x-y數控工作臺設計

1、<p><b>　　機電一體化</b></p><p><b>　　《綜合課程設計》</b></p><p>　　設計題目： X-Y數控工作臺設計 </p><p>　　學 院： 機電與汽車工程學院 </p><p>　　專業(yè)班級： 機械電子工程2班 &

2、lt;/p><p>　　學 號： </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　完成時間： 2011年1月7日 </p><p>

3、;<b>　　目 錄</b></p><p>　　一、課程設計的目的3</p><p>　　二、課程設計的內容3</p><p>　　（一）總體方案的確定3</p><p>　　1.系統(tǒng)運動方式與伺服系統(tǒng)3</p><p><b>　　2.計算機系統(tǒng)4</b>&

4、lt;/p><p>　　3.X-Y工作臺的傳動方式4</p><p>　?。ǘC械部分設計5</p><p>　　1.確定系統(tǒng)脈沖當量5</p><p>　　2.工作臺外形尺寸及重量初步估算5</p><p>　　3.滾動導軌副的計算、選擇6</p><p>　　4.滾珠絲杠計算、選擇

5、7</p><p>　　5.齒輪計算、設計11</p><p>　　6.步進電機慣性負載的計算12</p><p>　　7.步進電機的計算選擇13</p><p>　?。ㄈ┛刂葡到y(tǒng)硬件電路設計14</p><p>　?。ㄋ模┛刂葡到y(tǒng)軟件設計24</p><p><b>　　

6、三、總結32</b></p><p><b>　　四、參考文獻33</b></p><p><b>　　課程設計的目的</b></p><p>　　《綜合課程設計》是培養(yǎng)學生設計能力的重要實踐性教學環(huán)節(jié)之一，是綜合運用所學過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行的基本設計訓練。其目的是：</p>

7、;<p>　　1. 能夠正確運用《機電系統(tǒng)設計》課程的基本理論和相關知識，掌握機電一體化系統(tǒng)（產品）的功能構成、特點和設計思想、設計方法，了解設計方案的擬定、比較、分析和計算，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，使學生具有機電一體化系統(tǒng)設計的初步能力；</p><p>　　2. 通過機械部分設計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結構設計方法和步驟；</p><

8、;p>　　3. 通過測試及控制系統(tǒng)方案設計，掌握機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；</p><p>　　4. 通過課程設計提高學生應用手冊、標準及編寫技術說明書的能力，促進學生在科學態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質的提高。</p><p><b>　　二、課程設計的內容</b></p><p>　?。ㄒ唬┛?/p>

9、體方案的確定</p><p>　　已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊；X方向的有效行程是，最大進給速度；Y方向的有效行程是，最大進給速度；承受工作載荷。</p><p>　　系統(tǒng)運動方式與伺服系統(tǒng)</p><p>　　采用連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到運動精度要求不高，為簡化結構，降低成本，宜采用步進電機開環(huán)伺服系

10、統(tǒng)驅動。</p><p><b>　　2．計算機系統(tǒng)</b></p><p>　　采用MCS-51系列中的8031單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實現。顯示器采用數碼管顯示加工數據和工作

11、狀態(tài)等信息。</p><p>　　3．X-Y工作臺的傳動方式</p><p>　　為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結構的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結構。</p><p>　　由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導軌副，從而減小工作臺的摩擦系數，提高運動平穩(wěn)性。</p><p>　

12、　考慮電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，以及考慮步進電機負載匹配，采用齒輪減速傳動。</p><p><b>　　系統(tǒng)總體框圖：</b></p><p><b>　?。ǘC械部分設計</b></p><p>　　機械部分設計內容包括：確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣性的計算，選擇步進電機，傳動及導向元件

13、的設計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。</p><p>　　1．確定系統(tǒng)脈沖當量</p><p>　　脈沖當量δp是一個進給指令時工作臺的位移量，應小于等于工作臺的位置精度，一般為0.01~0.005mm。</p><p>　　2．工作臺外形尺寸及重量初步估算</p><p>　　根據給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算X向和Y向工作臺承

14、載重量WX和WY。</p><p>　　取X向導軌支撐鋼球的中心距為700mm,Y向導軌支撐鋼球的中心距為650mm,設計工作臺簡圖如下:</p><p><b>　　工作臺簡圖</b></p><p>　　X向拖板(上拖板)尺寸為:</p><p>　　長*寬*高=750*700*50</p><p

15、>　　X向拖板重量：重量=體積*材料比重，估算為：</p><p><b>　　= </b></p><p>　　Y向拖板(下拖板)尺寸為:</p><p>　　長*寬*高=750*650*50</p><p>　　Y向拖板重量：重量=體積*材料比重，估算為：</p><p><b&g

16、t;　　=</b></p><p>　　上導軌(含電機)重量為：</p><p>　　夾具及工件重量:約155N</p><p>　　X-Y工作臺運動部分總重量為:</p><p>　　3. 滾動導軌副的計算、選擇</p><p>　　根據給定的工作載荷和估算的和計算導軌的靜安全系數fSL=C0/P，式中：

17、C0為導軌的基本靜額定載荷，KN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據計算結果查有關資料初選導軌：</p><p>　　因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取</p><p>　　根據計算額定靜載荷初選導軌:</p><p>　　選擇HJG-D系列滾動直線導軌,其型號為:HJG-D25</p&g

18、t;<p><b>　　基本參數如下:</b></p><p><b>　　導軌的額定動載荷N</b></p><p>　　依據使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導軌的工作壽命Ln：</p><p><b>　　額定行程長度壽命:</b></p>

19、<p>　　導軌的額定工作時間壽命: </p><p>　　導軌的工作壽命足夠.</p><p>　　4．滾珠絲杠計算、選擇</p><p>　　初選絲杠材質：CrWMn鋼，HRC58~60，導程：</p><p><b>　?。?）強度計算</b></p><p><b>

20、;　　絲杠軸向力：</b></p><p>　　其中K=1.15，滾動導軌摩擦系數f=0.003~0.005，在運動平臺工作分別承受X，Y向力時：，，可取，計算。取，則：</p><p>　　壽命值：，其中絲杠轉速，</p><p>　　最大動載荷：，式中為載荷系數，中等沖擊時為1.2~1.5; 為硬度系數，HRC大于58時為1.0。</p>

21、<p><b>　　查表得，，則：</b></p><p>　　根據使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，并根據最大動載荷的數值可選擇滾珠絲杠的型號為：CM系列滾珠絲杠副，其型號為CM2506-5（滾珠外循環(huán)，插管埋入式反向器，單螺母）。其基本參數如下：</p><p>　　其額定動載荷19740N>足夠用，滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式，預緊方式為雙

22、螺母螺紋預緊式。</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的幾何參數計算如下（表 2）：</p><p><b>　?。?）傳動效率計算</b></p><p>　　絲杠螺母副的傳動效率為：，其中，為摩擦角；為螺旋絲杠升角。</p><p><b>　?。?）穩(wěn)定性驗算</b></p>&l

23、t;p>　　絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。</p><p><b>　?。?）剛度驗算</b></p><p>　　滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為：，由于Y向受牽引力大，故用Y向參數計算：</p><p>　　由此可以看出絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差為</p><p>

24、　　E級精度絲杠允許的螺距誤差。</p><p><b>　　5．齒輪計算、設計</b></p><p>　　因步進電機的步距角，滾珠絲杠螺距，要實現脈沖當量，在傳動系統(tǒng)中應加一對減速齒輪傳動。</p><p>　　齒輪傳動比，初步選定步進電機步距角。 </p><p>　　取小齒輪齒數為，則大齒輪齒數為&

25、lt;/p><p>　　由于傳遞的扭矩較小，取模數為：，則</p><p><b>　　分度圓直徑：，</b></p><p><b>　　齒頂圓直徑：</b></p><p><b>　　齒根圓直徑：</b></p><p><b>　　齒寬：

26、 取</b></p><p><b>　　中心距：</b></p><p><b>　　分度圓壓力角：</b></p><p>　　雙片齒輪錯齒消間隙結構圖如下：</p><p>　　1、2—薄齒輪, 3—彈簧, 4、8—凸耳, 5—調節(jié)螺釘, 6、7—螺母</p><

27、;p>　　圖 3 雙片齒輪錯齒消隙結構圖</p><p>　　6．步進電機慣性負載的計算</p><p>　　根據等效轉動慣量的計算公式</p><p>　　折算到步進電機軸上的等效負載轉動慣量為：</p><p>　　式中：為折算到電機軸上的慣性負載；為步進電機的轉動慣量；為齒輪1的轉動慣量；為齒輪2的轉動慣量；為滾珠絲杠的轉動慣

28、量；為移動部件的質量。</p><p>　　對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算：</p><p>　　式中D為圓柱零件的直徑，L為圓柱零件的長度，所以有：</p><p>　　步進電機軸的轉動慣量很小，可以忽略，所以有：</p><p>　　7. 步進電機的計算選擇</p><p>　?。?）步進電機啟動轉矩的計算

29、</p><p>　　設步進電機的等效負載力矩為T，負載力為P，根據能量守恒定理，電機所做的功與負載所做的功有如下關系：</p><p>　　式中為電機轉角，為移動部件的相應位移，為機械傳動的效率。若取，則，且，所以：</p><p>　　式中：為移動部件負載，為移動部件質量（N），為重力方向一致的作用在移動部件上的負載力（N），為導軌系數，為步進電機的步距角（ra

30、d），T為電機軸的負載力矩（）。</p><p>　　取（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數），，?？紤]到重力影響，Y向負載較大，因此取，所以有：</p><p>　　考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉矩：</p><p>　　取系數為0.4，則：</p><p>　　對于工作方式為三相六拍的步進電機：</p><p>　

31、?。?）步進電機的最大工作頻率</p><p>　　為了使步進電機空載啟動不產生失步，要求空載啟動頻率大于最大運行頻率，同時步進電機的最大靜轉矩要足夠大。查表選擇兩個90BF002型三相反應式步進電機。電機的有關參數如下（表 3）：</p><p>　?。ㄈ┛刂葡到y(tǒng)硬件電路設計</p><p><b>　?。?）設計內容</b></p&

32、gt;<p>　　1．按照總統(tǒng)方案以及機械結構的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖；</p><p>　　2．選擇計算機或中央處理單元的類型；</p><p>　　3．根據控制系統(tǒng)的具體要求設計存儲器擴展電路；</p><p>　　4．根據控制對象以及系統(tǒng)工作要求設計擴展I/O接口電路，檢測電路，轉換電路以及驅動電路等；<

33、/p><p>　　5．選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數和型號；</p><p>　　6．繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標明各器件的型號，管腳號及參數；</p><p>　　7．說明書中對電氣原理圖以及各有關電路進行詳細的原理說明和方案論證。</p><p><b>　?。?）設計步驟</b></p>

34、<p>　　確定硬件電路的總體方案：</p><p>　　數控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：</p><p>　　1．主控制器。即中央處理單元 CPU；</p><p>　　2．總線。包括數據總線，地址總線，控制總線；</p><p>　　3． 存儲器。包括只讀可可編程序存儲器和隨機讀寫數據存儲器；</p><

35、;p>　　4．接口。即I／O輸入輸出接口。</p><p>　　主控制器CPU的選擇：</p><p>　　MCS-5 1系列單片機是集中CPU，I/O端口及部分RAM等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構成個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬制資料豐富。本次設計選用8051芯片作為主控芯片。</p><p&g

36、t;　　存儲器擴展電路設計：</p><p><b>　　程序存儲器的擴展</b></p><p>　　單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用EPROM芯片。在選擇芯片時要考慮CPU與EPROM時序的匹配。8051所能讀取的時間必須大于EPROM所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度、工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，

37、以減少芯片數量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇2764芯片作為本次設計的程序存儲器擴展用芯片。 </p><p>　　單片機規(guī)定PO口提供8位地址線，同時又作為數據線使用，所以為分時用作低位地址和數據的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提高低8位的地址信息，一般采用74LS373芯片作為地址鎖存器，并由CPU發(fā)出允許鎖存信號ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。由以上分析，電路框圖如下：&

38、lt;/p><p>　　圖5 2764擴展電路</p><p><b>　　數據存儲器的擴展</b></p><p>　　選用的8051單片機內部RAM只有128字節(jié)，遠不能滿足系統(tǒng)的要求，需要擴展片外的數據存儲器。單片機應用系統(tǒng)的數據存儲器擴展電路一般采用6116、6264靜態(tài)RAM存儲器。本次設計選取6264芯片作為數據存儲器擴展用芯片。其

39、擴展電路如下（圖 6）：</p><p>　　圖6 6264數據存儲芯片擴展電路</p><p><b>　　譯碼電路</b></p><p>　　在單片機應用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機相連。單片機數據總線分時與各個外圍芯片進行數據傳送。故要進行片選控制。由于外圍芯片與數據存儲器采用統(tǒng)一編址，因此在單片機的硬件設計中，數據存儲

40、器與外圍芯片的地址譯碼較為復雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結構簡單，但它所用片選線都是高電位地址線，它們的權值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之詞的地址不連續(xù)。對于RAM和I／O容量較大的應用系統(tǒng)，當芯片所需的片選信號多于可利用的地址線的時候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內地址，而用譯碼器對高位地址線進行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線

41、用作片選線。</p><p><b>　　存儲器擴展電路設計</b></p><p>　　805l單片機所支持的存儲系統(tǒng)起程序存儲器和數據存儲器為獨立編址。該設計選用程序存儲器2764和數據存儲器6264組成8051單片機的外存儲器擴展電路。</p><p><b>　　I／O擴展電路設計</b></p>&

42、lt;p>　?。ˋ）通用可編程接口芯片8155</p><p>　　8051單片機共有4個8位并行I／O接口，但供用戶使用的只有Pl口及部分P3口線。因此要進行I/O口的擴展。8155與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。8155與8051的連接方式如下圖所示（圖 7）：</p><p>　　圖 7 8155與8051的連接電路</p><p>

43、　　（B）鍵盤、顯示器接口電路設計</p><p>　　鍵盤、顯示器是數控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設備，可以完成數據的輸入和計算機狀態(tài)數據的動態(tài)顯示。通常，數控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用I／O口線組成行、列結構，按鍵設置在行列的交點上。</p><p>　　數控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED和LCD。下圖所示為采用8155接口管理的鍵盤、顯示器電路。己有鍵和6位LED顯示器組成。為了簡化電

44、路，鍵盤的列線及LED顯示器的字位控制共用一個口，即共用8155的A口進行控制，鍵盤的行線由8155的C口承擔。顯示器的字形控制由8155的B口承擔。</p><p>　　鍵盤顯示器接口電路如下所示（圖 8）：</p><p>　　圖 8 鍵盤顯示器電路</p><p>　　步進電機驅動電路設計：</p><p><b>　　脈沖

45、分配器</b></p><p>　　步進電機的控制方式由脈沖分配器實現，其作用是將數控裝置送來的一系列指令脈沖使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設計采用集成脈沖分配器YB013。采用YB013硬件環(huán)行分配器的步進電機接口線路圖如下（圖 9）：</p><p>　　圖 9 YB013環(huán)形脈沖分配器電路</p><p><b>　　光電隔離

46、電路</b></p><p>　　在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后控制步進電機的勵磁繞組，如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加隔離電路實現電氣隔離，通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下（圖 10）：</p><p>　　圖 10 光電耦合電路</p><p><b>　　功

47、率放大器</b></p><p>　　脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，必須將其輸出信號放大產生足夠大的功率，才能驅動步進電機正常常運轉。因此必須選用功率放大器，需根據步進電機容量選擇功率放大器。本設計選用功率放大器。</p><p><b>　　其它輔助電路設計：</b></p><p><b>　　8

48、051的時鐘電路</b></p><p>　　單片機的時鐘可以由兩種方式產生：內部方式和外部方式。內部方式利用芯片的內部振蕩電路，在XTAL1，XTAL2引腳上外接定時元件，如下圖11所示。晶振頻率存1.2-12MHz之間任意選擇，耦合電容存5-30pF之間，對時鐘有微調作用。采用外部時鐘方式時，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時鐘源。時鐘電路如下（圖 11）：</p><

49、p>　　圖 11 時鐘產生電路</p><p><b>　　復位電路</b></p><p>　　單片機的復位都是靠外部電路實現。在時鐘工作后，只要在RESET引腳上出現1 0 ms以上的高電平，單片機就實現狀態(tài)復位，之后CPU便從0000H單兒開始執(zhí)行程序。在實際運用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復位電平與8051復位要求一致時，可以直接相連。當晶振頻率選用6M

50、Hz時，復位電路中C取22uF，R取200Ω，，復位電路如下（圖 12）：</p><p>　　圖 12 復位電路</p><p><b>　　越界報警電路</b></p><p>　　為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。利用光電耦合電路，將行程開關接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接到8051的I／O口Pl.0。當任何一個

51、行程開關被壓下的時候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導通，由低電平變成高電平。8051可以利用軟件設計成查詢的方法隨時檢查有無越界信號。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至8051的外部中斷引腳（INTO或INT1），采用中斷方式檢查越界信號。越界報警電路如下圖所示（圖13）：</p><p>　　圖 13 越界報警電路</p><p>　　（3）控制系統(tǒng)硬件電路設計</p>

52、<p>　　該系統(tǒng)選用MCS-51系列的8051作為主控制器。擴展存儲器電路為一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲器擴展為4K，數據存儲器擴展為8K。2732的片選控制端CE直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復位以后，CPU從OOOOH開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端CE由譯碼器(74LS138)的Y2輸出提供。所以6264的空間地址為4000-5FFFH。</p><p>　

53、　系統(tǒng)的擴展I/O接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155。8155的片選端CE接至譯碼器(74LS138)的Y4的輸出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址號分別為8000H及8OO1H，8002H，8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H~8OFFH。8155的A口為控制工作臺X，Y向電機的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不</p><p>　　步進電機接口與功率放大器之

54、間采用光電隔離。</p><p>　　鍵盤與顯示器設計在起，8155的PC口擔任，鍵盤的列線及顯示器的掃描控制PB口的PBO~PB3為鍵盤的行線。8051的Pl口接顯示器。該系統(tǒng)采用4×6共24個行列式鍵盤和6位8段共陰極LED顯示器。為了增加數碼顯示亮度，分別在字形口和字位口加74LS07進行驅動。</p><p>　　PB口剩余的I／O線PB4-PB7分別作為l作臺+X，+Y

55、，-X，-Y四個方向的行程限位控制信號。在軟件設計上8155的PA口，PC口設置為輸出，PB口設置為輸入。計算機隨時巡回檢測PB4~PB7的電平，當某I/O線為0時，應立即停止X，Y向電機的驅動，并發(fā)出報警信號。</p><p>　　另外，光電隔離器的輸出端必須采用隔離電源。隔離電源選用7805三端集成穩(wěn)壓器設計。數控系統(tǒng)總的電氣原理以及圖中各元件的參數和型號見附一，附三。</p><p>

56、;　　（四）控制系統(tǒng)軟件設計</p><p>　?。?）控制系統(tǒng)軟件的主要內容</p><p>　　控制系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現各種控制功能。按照功能可將數控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個部分：</p><p>　　1．系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實現系統(tǒng)協(xié)調工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使

57、系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。</p><p>　　2．零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I／O設備輸入零件加工源程序的任務。</p><p>　　3．插補程序。根據零件加工源程序進行插補，分配進給脈沖。</p><p>　　4．伺服控制程序。根據插補運算的結果或操作者的命令控制伺服電機的速度，轉角以及方向。</p><p>　　5．

58、診斷程序。包括移動超界處理，緊急停機處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯等功能。</p><p>　　6．機床的自動加工及手動加工控制程序。</p><p>　　7．鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機床工作狀態(tài)、操作命令等信息。</p><p><b>　?。?）軟件的設計</b></p><p><b

59、>　　系統(tǒng)控制功能分析：</b></p><p>　　數控X-Y工作臺的控制功能包括：</p><p>　　1．系統(tǒng)初始化如對I/O接口8155，8255A進行必要的初始化工作，預置接口工作方式控制字；</p><p>　　2．工作臺復位開機后，工作臺應該自動復位，亦可手動復位；</p><p>　　3．輸入和顯示加工程序；

60、</p><p>　　4．監(jiān)視按鍵、鍵盤及開關。如監(jiān)視緊急停機鍵及行程開關，鍵盤掃描等功能；</p><p>　　5．工作臺超程顯示和處理，工作臺位移超過規(guī)定值時應該立即停止工作臺的運動，并顯示相應的指示符；</p><p>　　6．工作臺的自動、手動、聯動控制。</p><p><b>　　系統(tǒng)管理程序控制：</b>&

61、lt;/p><p>　　管理程序是系統(tǒng)的主程序，開機后即進入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設計管理程序時，應確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數控X-Y工作臺的基本操作功能有輸入加工程序、自動加工、刀位控制、工作臺位置控制、手動操作、緊急停機等。根據以上分析，設計管理程序流程圖如下所示（圖 14）：</p><p>　　圖 14 管理程序流程圖</p>

62、<p><b>　　自動加工程序設計：</b></p><p>　　1．機床在自動加工的動作順序，工作臺移動到位—>刀具快速進給—>加工—>退刀—>工作臺運動到下—>位置；</p><p>　　2．計算機在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機床完成加工；</p><p>　　3．由以上分析，設計自動加

63、工程序框圖如下所示（圖 15）：</p><p>　　圖 15 自動加工程序框圖</p><p>　　步進電機控制子程序設計：</p><p>　　步進電機的控制包括速度、轉角及方向的控制，步進電機在突然啟動或停止時，由于負載和慣性,會使電機失步，所以電機運行時有一個加、減速過程。通過確定進給脈沖數和脈沖時間間隔，即可實現步進電機轉角與速度的控制。</p&

64、gt;<p><b>　　時間常數的確定</b></p><p>　　在步進電機控制程序中，利用單片機的定時器中斷，延時產生進給脈沖的時間間隔，此間隔由輸入定時器的時間常數決定。</p><p>　　時間常數由下式計算：</p><p>　　式中：T為時間間隔（ms），為單片機的機器周期（），在時鐘為6MHz時，</p>

65、;<p>　　步進電機的加、減速進給脈沖及脈沖時間間隔的確定</p><p>　　設步進電機的加、減速方式為直線加、減速。</p><p>　　要是步進電機不失步，應滿足：</p><p>　　式中：為步進電機的啟動力矩，為負載力矩，為慣性力矩</p><p>　　由于步進電機，取步進電機的加速力矩：</p>&l

66、t;p>　　使步進電機不失步的慣性力矩：</p><p>　　步進電機的角加速度：</p><p><b>　　又</b></p><p>　　式中：為上升到步進電機最高頻率所需的時間，所以有：</p><p><b>　　加速脈沖個數：</b></p><p>　　取

67、加速脈沖個數為54個。</p><p><b>　　又因為</b></p><p>　　所以脈沖時刻，結合可以算出對應各脈沖時刻的計數器時間常數。</p><p>　　EPROM存儲器中，時間常數依次安排在首地為10OOH的存儲單元中，每個時間常數占據兩個字節(jié)，低位地址存放時間常數低8位，高位地址存放時間常數高8位。</p>&l

68、t;p>　　在程序中，設置加速，恒速，減速脈沖計數器N0，N1，N2。以計數器的值是否為0作為相應過程是否結束的標志。步進電機控制程序框圖如下所示（圖 16）：</p><p>　　圖 16 步進電機控制程序框圖</p><p>　　步進電機中斷服務程序框圖（圖 17）：</p><p><b>　　中斷服務程序入口</b></

69、p><p>　　圖 17 步進電機中斷服務程序框圖</p><p><b>　　編語言程序設計：</b></p><p><b>　　內存地址分配</b></p><p>　　加速脈沖計數器N0地址設為20H；恒速脈沖計數器N1低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址位22H,減速脈沖數計數器N2地址

70、位23H。</p><p>　　加速、減速、恒速脈沖總數寄存器N低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址位25H；步進電機進給控制子程序FEED首地址位OE8OH。每調用一次程序，步進電機按規(guī)定方向進給一步。</p><p><b>　　程序清單</b></p><p>　　N0 EQU 20H ;加速</p><p

71、>　　N1L EQU 21H ;恒速</p><p>　　N1H EQU 22H </p><p>　　N2 EQU 23H ;減速</p><p>　　NL EQU 24H ;脈沖總數寄存器</p><p>　　NH EQU 25H</p><p>　　D

72、S EQU 26H ；地址指針偏移量</p><p>　　FEED EQU 0E80H</p><p>　　ORG 0E00H</p><p>　　0E00 758160 START： MOV P，#60H</p><p>　　0E03 758901 MOV TMOD，#0

73、1H ；設計數器工作方式為1，16位定時器</p><p>　　0E06 75201B MOV N0，#01A4H ；設N0為320</p><p>　　0E09 75231B MOV N2， #1A4H</p><p>　　0E0C E520 MOV A ，

74、N0 ；計算2XN0</p><p>　　0E0E 23 RL A</p><p>　　0E0F F8 MOV R0， A</p><p>　　0E10 C3 CLR C ；計算N1=N-2N0</p>

75、;<p>　　0E11 E524 MOV A， NL</p><p>　　0E13 98 SUBB A， R0</p><p>　　0E14 F521 MOV N1L， A</p><p>　　0E16 E525

76、 MOV A， NH</p><p>　　0E18 9400 SUBB A，#00H</p><p>　　0E1A F522 MOV N1H，A</p><p>　　0E1C 901000 MOV DPTR， #1000H ；設時間常數指針初值為1000

77、H</p><p>　　0E1F 752600 MOV DS， #00H ；設地址偏移量初值為00H</p><p>　　0E22 93 MOVC A, @A+DPTR ；從EPROM中讀時間常數</p><p>　　0E23 F58A M

78、OV TL0， A ；送時間常數至定時器0中</p><p>　　0E25 0526 INC DS</p><p>　　0E27 E526 MOV A，DS</p><p>　　0E2 93 MOVC A，@A+DPTR </p

79、><p>　　0E2A F58C MOV TH0，A</p><p>　　0E2C 0526 INC DS</p><p>　　0E2E D2AF SETB EA ；開中斷允許</p><p>　　0E30

80、D2A9 SETB ET0 ；允許定時器0中斷</p><p>　　0E32 D28C SETB TR0 ；啟動定時器0開始計算</p><p>　　0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回</p>

81、<p>　　0E37 22 RET</p><p>　　中斷服務程序： ORG 000BH</p><p>　　000B 02F00 LJMP 0F00H</p><p>　　0F00 93 MOVC A，@A+DPT

82、R</p><p>　　0F03 F58A MOV TL0， A</p><p>　　0F05 0526 INC DS</p><p>　　0F07 E526 MOV A，DS</p><p>　　0F09 93

83、 MOVC A，@A+DPTR</p><p>　　0F0A F58C MOV TH0， A</p><p>　　0F0C 0526 INC DS ；修改地址偏移量指針</p><p>　　0F0E D180 ACALL FE

84、ED ；調FEED子程序</p><p>　　0F10 E520 MOV A， N0 ；判斷N0是否為0</p><p>　　0F12 B400 CJNE A， #00H， LOOP1</p><p>　　0F15 E52 MOV A， N1H

85、 ；判斷N1是否為0 </p><p>　　0F17 B40010 CJNE A，#00H， LOOP2</p><p>　　0F1A E522 MOV A，N1H</p><p>　　0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP2</p><

86、p>　　0F1F E523 MOV A，N2 判斷N2是否為0 </p><p>　　0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP3</p><p>　　0F24 C2AF CLR EA ；N2為0 ，減速結束，關中斷</p><

87、p>　　0F26 32 RETI</p><p>　　0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0不為0，則N0←N0-1</p><p>　　0F29 32 RETI</p><p>　　0F2A E521 LOOP2：MOV

88、 A，N1L ；N1不為0，則N1←N1-1</p><p>　　0F2C C3 CLR C</p><p>　　0F2D 9401 SUBB A， #01H</p><p>　　0F2F F521 MOV N1L， A</p><p

89、>　　0F31 E522 MOV A， N1H</p><p>　　0F33 9400 SUBB A，#00H</p><p>　　0F35 F522 MOV N1H，A</p><p>　　0F37 32 RET

90、I</p><p>　　0F38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不為0，則N2←N2-1</p><p>　　0F3A 32 RETI</p><p><b>　　三、總結</b></p><p>　　本次課程設計目的是鞏固所學機電一體化

91、系統(tǒng)設計知識，熟悉典型數控型執(zhí)行機構設計。重心是傳動系統(tǒng)的設計，傳動系統(tǒng)上網設計思路很簡單，主要是選擇絲杠副和直線運動導軌以及其工作強度的校核，設計的每個零件尺寸一定要很精確，位置也要看精確，否則在裝配的過程中出現很多問題。我在設計初期碰到的問題及解決方案主要有以下幾點：</p><p>　　1．絲杠螺母副和直線運動導軌副的內部結構不清楚，解決方案是設計外觀。</p><p>　　2．設計

92、時還應該考慮到加工工藝。</p><p>　　3．控制系統(tǒng)的設計直接參考市場上的控制模塊。</p><p>　　雖然設計中出現了很多困難，可是在老師的指導下，最后成功地完成了制定的設計任務?？傊谶@次課程設計中學到了很多東西，發(fā)現了自己在之前學習中的不足之處。</p><p><b>　　四、參考文獻</b></p><p

93、>　　[1] 宋寶玉，王連明主編，機械設計課程設計，第3版。</p><p>　　哈爾濱：哈濱工業(yè)大學出版社，2008年1月。</p><p>　　[2] 濮良貴，紀明剛主編，機械設計，第8版。</p><p>　　北京：高等教育出版社，2006年5月。</p><p>　　[3] 蔡春源主編，機械設計手冊·齒輪傳動，第

94、4版。</p><p>　　北京：機械工業(yè)出版社，2007年3月。</p><p>　　[4] 吳宗澤主編，機械零件設計手冊，第10版。</p><p>　　北京：機械工業(yè)出版社，2003年11月。</p><p>　　[5] 張建民, 機電一體化系統(tǒng)設計, 高等教育出版社, 2001。</p><p>　　[6]