机电一体化课程设计机设(共23页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上机电一体化课程设计课程设计说明书题 目 数控两轴旋转工作台设计工作 机械工程 学院 机械设计制造及其自动化 专业 0804班 41号学生姓名 曾斌斌 . 指导教师 黄中华 刘玉松 .完成日期 2012年12月29日 .湖南工程学院机械工程系湖南工程学院课程设计任务书设计题目：数控两轴旋转工作台设计工作姓名曾斌斌系别机械专业机械设计制造及自动化班级JS0804学号41指导老师黄中华 刘玉松 教研室主任陈小异一、基本任务及要求1设计任务1) 课题内容简介或设计要求：完成如图所示两轴步进电机驱动运动工作台及控制系统的设计；要求工作台旋转输出精度2mrad，工作台重20Kg,

2、 具备锁住功能，步进电转速300rpm，有手动控制旋转角度功能和角度显示功能；2) 包括步进电机及驱动器的选择、减速器的设计、单片机控制、输入电路、控制电路、等主要组成部分。3) 设计内容包括：总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书；2要求1) 机械部分的设计：零件图，装配图；2）计算机控制系统的设计：控制系统接口图。二、进度安排及完成时间1设计时间 二周（从2011年11月 14日至2011年11月 25 日）2进度安排 第1周 第2周 整理设计资料；按格式撰写设计说明书；上交设计作业；并参加答辩。目录摘要. . . . . . .11. 任务与分析. . .

3、 .22. 总体方案的设计. . .3 2.1总体方案的设计. .3 2.2机械部分的设计. 4 2.2.3步进电机的选择. .5 2.3控制面板的布局及按钮的功能设计.6 2.4控制系统的设计.73. 程序编写. . .13 3.1流程图. 13 3.2键盘子程序13 结论. . . . . . . .20 参考文献. . . 21 摘要随着数控技术的普及，现在越来越多的设备都离不开这项技术了。本课程设计说明书围绕数控技术展开了一系列的讨论和说明。首先，为满足课程设计的要求，控制系统采用的是MCS-51单片机控制系统，该系统的性能较好，价格也还算公道，比较适合完成此课程设计（即数控旋转台的设

4、计）的相关任务。但由于MCS-51单片机的驱动能力有限，不能直接带动工作台旋转，所以还必须外接一个驱动器，所以驱动电路的设计在此说明书中占有比较大的比例，根据设计任务的要求，可采用开环控制的步进电机驱动电路。当然整个系统离不开机械部分的支持，所以机械部分的设计也尤为重要，此说明书主要针对步进电机、轴承的选择，以及蜗杆蜗轮的配合等做了相应的阐述。关键词：数控技术 MCS-51单片机 驱动电路1.任务与要求1设计任务1) 课题内容简介或设计要求：完成如图所示两轴步进电机驱动运动工作台及控制系统的设计；要求工作台旋转输出精度2mrad，工作台重20Kg, 具备锁住功能，步进电转速300rpm，有手动

5、控制旋转角度功能和角度显示功能；2) 包括步进电机及驱动器的选择、减速器的设计、单片机输入电路、控制电路、等主要组成部分。3) 设计内容包括：总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书；2要求1) 机械部分的设计：零件图，装配图；2）计算机控制系统的设计：控制系统接口图。2总体方案的设计2.1数控旋转台总体设计数控旋转台根据其特点，大致包括以下主要部件：1. 完成最终功能的机械执行部件（即产品的机械装置）；2. 操作者操纵产品的工作以及了解产品的工作状态的操作面板；3. 处理操作指令的控制系统；4. 对控制系统发出的控制信号进行发大以及驱动相应设备的驱动电路。1 转

6、角轴驱动电机 2 连接盘3 联轴器 4右转位半轴5 转角轴支架6 传动轴 7 夹盘8 转角主轴 9 左转位半轴 10 转位蜗轮轴支架11 转位蜗轮 12 转位蜗杆 13 工作台壳体14 转角轴蜗杆 15 转角轴蜗轮 16 齿轮 17齿轮 18 定位键 19 连接盘 20 转位轴驱动电机 2 1 底座图1 两轴数控旋转工作台的结构2.2步进电机的选择表2-2 电机参数相数 三相 步距角 1.2步距角精度 5（整步，空载，无累积误差） 电阻精度 10 电感精度 20 温升 80C Max（额定电流） 环境温度 -20C50C绝缘电阻 100M Min，500VDC介电强度 500VAC，1分钟 径

7、向间隙 0.06Max（450g负载） 轴向间隙 0.08Max（450g负载） 径向最大负载 220N（距法兰面20mm） 轴向最大负载 60N电气规格（Electrical Specification）型号 Model额定电压 Rated Voltage（V） 电流/相 （峰值） Current /Phase（A） 保持转矩 Holding Torque（Nm） 转动惯量 Rotor Inertia（gcm2） 轴径 Shaft DiameterD（mm） 键 Key（mm） 重量 Weight（Kg） 机身长度 Shaft Length（mm） 适配驱动器 DM397H3251.752.

8、01320124202.069DMDT68DM397L405.82.01320124202.069DMDT68DM3910H3252.04.02400124203.097DMDT68DM3910L405.84.02400124203.097DMDT68DM3913H3252.256.03800144204.0125DMDT68DM3913L405.86.03480144204.0125DMDT68首先必须要明白步进电机的工作原理，它将是电脉冲信号变为角位移或线位移的开环控制元件，所以步进电机常用于开环系统的控制，这一点刚好能满足课程设计中开环控制的要求。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置

9、只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则相应转过一个角度（这个角度叫做步矩角，是步进电机中一个很重要的参数）。由于这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常很方便，其次，还要知道虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用，因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。要正确地选择步进电机，还必须清楚它的特性，主要有以下几点：1. 步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静

10、止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度转动。转动的速度和脉冲的频率成正比；2. 步进电机电机具有瞬间启动和急速停止的优越特点；3.改变脉冲的顺序，可以方便地对步进电机进行调整。要根据转矩和步矩角选择合适的步进电机，表3-2所述，可选择型号为DM39系列的步进电机，步矩角为1.2度，保持转矩为7.6N.m。 步进最高转速为900转/分钟。2.3控制系统的设计2.3.1 操作控制面板的功能设计及按钮的布局设计布局如图二，包括LCD显示器（用于显示五位分度角度）、数字键09（用于输入分度角度）、Left和Right键（用于左右移动光标）、Up和Down键（用于增加或减少每一位的数值）、回零按钮

11、（用于分度转台的机械回零）、显示器开关按钮、报警指示灯、串口RS232指示灯以及Enter键（完成输入分度角度之后，按下此键分度转台转过相应的角度）。LCD显示器1234567890数字键区LeftUpDownRight显示器开关按钮回零按钮ALARMRS232Enter图2操作控制面板布局设计2.3.2 控制系统的设计首先要明确控制系统的基本硬件包括：CPU、存储器（程序存储器ROM和数据存储器RAM）、I/O接口电路等。由于单片机具有以下的特点：1.优异的性价比；2.集成度高、体积小、可靠性高。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连续，大大提高了计算机的

12、可靠性与抗干扰能力，另外，其体积小，对于强磁环境，易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作；3.控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中有丰富的转移指令、I/O的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机；4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品；5.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。由于单片机具有以上的特点，微处理可选择MCS-51的单片机。MCS-51的单片机共有四个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3,也就是说一共有32个接口，由于课程设计所完成的功能比较简单，32个接口足够用了，不需要再进行扩

13、展I/O的设计，但要知道这四个8位的并行I/O口都有相同的特殊功能寄存器，并且具有字节寻址和位寻址的功能，每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器，其中P0口的驱动能力最强，可驱动八个LSTTL负载，其他口只能驱动四个，另外P3口具有第二功能（包括RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD）。MCS-51的单片机与控制面板的链接设计如图3：MCS-51P2.6P2.7P1.0P1.5277INT0INT1RXDTXDRESETP0.6P0.7P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0UCCLCD显示器RES232UCCUCC18按键显示器开关按钮Enter按钮U

14、CC数字9数字0“右”“左”“下”“上”RES232指示灯ALARM指示灯UCC回零键图3MCS-51的单片机与控制面板的链接设计2.3.3 驱动电路的设计在步进电机已选择好的情况下，再来对驱动电路进行设计，因为步进电机对驱动电路有如下的要求：1.驱动电路的通电数、通电方式、驱动电压、驱动电流都必须能满足步进电机的要求；2.驱动电路的设计要满足步进电机起动频率和连续运行的要求；3.能最大限度抑制步进电机的振荡；4.工作可靠，抗干扰能力强，能承受一定的过载；5.成本低，效率高，安装和维护方便。另外，还必须知道步进电机驱动电路的基本组成部分，主要包括：脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲功率放大器三个部分

15、，具体执行情况如下：指令脉冲发生器脉冲分配器脉冲功率放大器步进电机。在不同的机电应用系统中，步进电机各部分有所不同。根据课程设计任务的要求，选择脉冲的产生和分配均由MCS-51单片机来完成的方式，输出脉冲信号经功率放大器放大再进入步进电机。经过多方综合的考虑，选择继电器驱动方式（因为继电器方式的开关量输出是最常见的输出方式，通过弱电控制外界的交流或直流的高电压、大电流设备，继电器驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，控制电流一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作），具体的接口电路如图（3）继电器的动作由单片机的P0.0端控制，P0.0端输出低电平时，继电器J吸合；P

16、0.0端输出高电平时，继电器J释放，采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。二极管VD的作用是保护三极管V。原理如下：当P0.0端输出低电平时，V导通，继电器吸合；当P0.0端输出高电平时，V截止，继电器断开。在继电器吸合到断开的瞬间，由于线圈中的电流不能突变，将在线圈产生较高的下正上负的感应电压，使晶体管集电极承受较高电压，有可能烧坏驱动三级管V。为此在继电器J线圈两端并接一个续流二极管VD，使线圈产生的感应电流有二极管VD流回。正常工作时，线圈上的电压上正下负，二极管VD截止，对电路没有影响。机械继电器可在继电器节点两端并接火花抑制电路，减少电火花影响，如图（4）中

17、的0.0uF的电容。4N25使两部分的电流信号独立。UCC是单片机系统电源，UDD是供继电器的电源。输出部分的地线接机壳或接大地，而单片机系统的电源地线数字地（浮空的）不与交流电源的地线相接。这样可避免输出部分电源变化对单片机电源的影响，减少系统所受的干扰，提高系统的可靠性。89C51P0.07407UCCUDDJ步进电机VB90134N25150VD1K1K0.01uF图4驱动电路3 程序编写3.1流程图记录输入的数据计算程序，算出步进电机的步数循环产生脉冲中断时间到响应中断，停止脉冲输出3.2键盘子程序：键盘扫描计算程序，算出步进电机的步数循环产生脉冲中断时间到响应中断，停止脉冲输出等待键

18、盘输入键盘子程序：KEY： LCALL KS2 检查有闭合键否？JNZ MK1 A非0，有键闭合则转LJMP MK7 无键闭合转返回MK1： LCALL DIR 有键闭合，则延时12msLCALL DIR 消抖LCALL KS2 再次检查有键闭合 JNZ MK2 若无键闭合则转LJMP MK7 若无键闭合则转返回MK2： MOV P1，#F0H 发行线全扫描信号，列线全1MOV A，P1 读入列状态ANL A，#F0H 保留高4位CJNE A，#FOH ，MK3 有键按下则转LJMP MK7 无闭合键转返回MK3： MOV R2，A 保存列值ORL A，#0FH 列线信号保留，行线全1MOV

19、P1，A 从列先输出MOV A，P1 读入P1口状态ANL A，#0FH 保留行线值ADD A，R2 将行线值和列线值合并MOV R2，A 暂存与R2中MOV R3，#00H R3存简直MOV DPTR，#TRBE 指向键值表首地址MOV R4，#10H 查找次数送R4MK4：CLR AMOVC A，A+DPTR 表中值送入AMOV 70H,A 暂存与70H单元中MOV A,R2 键特征值送入ACJNE A,70H,MK6 未查到则转MK5: LCALL DIR 扫描1遍显示器LCALL KS2 还有键闭合否？JNZ MK5 若键未释放，则等待LCALL DIR 若键已释放，则延时12msLC

20、ALL DIR 消抖MOV A,R3 将键值存入A中RET 返主MK6: INC R3 键值加一INC DPTR 表地址加1DJNE R4,MK4 未查到，反复查找MK7: MOV A,#FFH 无闭合键标志存入A中RET 返主KS2: MOV P1,#FOH 闭合键判断子程序MOV A,P1 发全扫描信号，读入列线值ANL A,#FOH 保留列线值CPL A 取反，无键按下全0RET 返主TRBE: DB 01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,08HDB 09H,00H,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH把输入的数字转换成字节数：MOV A,30HMOV B,#

21、64HMUL ABMOV R6,AMOV R7,AMOV A,#31HMOV B,#OAHMUL ABADD A,R6MOV A,#32HMOV R6,A 这样高位在R7中，低位在R6中计算程序：MOV R5,#00HMOV R4,#4BHDIV MOV A,R5 除数高8位送AJNZ BEGIN 除数非零则转BEGINMOV A,R4 除数底8位送AJZ OVER 除数为零置益出标志BEGIN: MOV A,R7 被除数高8位送AJNZ BEGIN1 被除数非零则转BEGIN1MOV A,R6 被除数低8位送AJNZ BEGIN1 被除数非零则转BEGIN1RET 被除数为零则返回BEGIN

22、1: CLR A 清余数单元MOV R2,AMOV R3,AMOV R1,#10H 双字节除法计数器置16DIV1: CLR C 开始R3R2R7R6左移MOV A,R6 被除数低8位送ARLC A R6循环左移一位MOV R6,A 左移结果送回MOV A,R7 被除数高8位送ARLC A R7循环左移一位MOV R7,A 左移结果回送MOV A,R2 余数左移一位RLC A MOV R2,AMOV A,R3RLC AMOV R3,ADIV2: MOV A,R2 开始部分余数减除数SUBB A,R3 低8位先减MOV R0,A 暂存差值MOV A,R3 MOV A,R5 高8位相减 JC NE

23、XT 若部分余数除数则转NEXTINC R6 若部分余数=除数则商为1MOV R3,A 新余数存R3 R2MOV A,R0MOR R2,ANEXT: DJNZ R1,DIV1 16位除完则返回MOV A,R3 开始四舍5入处理JB A.7,ADD1 若余数最高位为1则进1CLR C 开始余数乘2处理MOV A,R2RLC A 余数低8位乘2MOV R2,AMOV A,R3RLC A 余数8位乘2SUBB A,R5 余数*2-除数JC NOOVER 若余数*小除数则转JNZ ADD1 若够减则转进1MOV A,R2 高8位相等时比较底8位SUBB A,R4JC NOOVER 余数*2除数则转AD

24、D1: MOV A,R6 开始商进1处理ADD A,#01HMOV R6,AMOV A,R7ADDC A,#00HMOV R7,ANOOVER:MOV OVER,#00H 清益出标志RETOVER: MOV OVER,#00H 置益出标志RET中断、循环产生脉冲：ORG OO1BH T1中断入口LJMP HERE 转到HERE处ORG 2000H 主程序MOV TMOD,#10H T1工作于方式1MOV A,R3 设置计数初值 MOV TH1,AMOV A,R2MOV TL1,ASETB EA CPU开中断SETB ET1 允许T1中断SETB TR1 启动T1定时INT:INC R0 正转加

25、1CJNE R0,#0AH,ZZ 如果计数器等于10修正MOV R0,#00HZZ: MOV A,R0 计数器值送AMOV DPTR,#ABC 指向数据存放首地址MOVC A,A+DPTR 取控制字MOV P1,A 送控制字到P1口RETABC:DB OFCH,OF8H,OF9H,OF1H,0F3HABC:DB OE3H,0E7H,0E6H,0EEH,0ECH等待键盘再次输入：中断就跳到在这里HERE CJNE A,#FFH KE结束语为期两个星期的课程设计转瞬即逝，通过紧张的计算和设计，我圆满的完成了此次机电一体化系统设计的课程设计。随着机械技术、微电子技术的飞速发展，机械技术与微电子技术的

26、相互渗透越来越快。本次设计的数控旋转工作台就是机电有机结合的产品。在设计过程阶段，遇到了许多困难。在老师和同学的帮助下，最终把问题一一解决了。在做控制系统设计时遇到了较大的难题。由于以前对微机计算机控制部分知识没有掌握扎实，所以在控制程序设计也比较困难。通过本次课程设计之后也使自己更深一步的了解程序编写。通过本次课程设计之后，使自己对课本上的东西有更加深刻的的认识。由于自己的能力有限，设计中难免也存在不少细节上的错误，希望老师指出改正，并感谢老师您对我们的教导！ 参考文献1任玉田，机床计算机数控技术，北京理工大学出版社，19992 张柱银，数控原理与数控机床，化学工业出版社，20033 林 宋，现代数控机床，化学工业出版社，20024 张毅刚，MCS-51单片机应用设计，哈尔滨工业大学出版社，20015 黄惟公，邓中成，王燕，单片机原理与应用技术，西安电子科技大学出版社，2007专心-专注-专业