机电一体化课程设计说明书508.pdf

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1、 1 机电一体化系统综合课程设计 课题名称：数控工作台设计说明书 学 院：机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 设计成员：指导老师：季国顺 金成柱 聂欣 日 期：2013 年 1 月 7 日 设计组号：7 课题号：14 2 目 录 1、总体方案设计3 1.1 设计任务4 1.2 总体方案确定4 2、机械系统设计5 2.1 工作台外形尺寸及重量估算6 2.2 导轨参数确定7 2.3 滚珠丝杆的设计计算8 2.4 步进电机的选型与计算 10 2.5 机械系统结构设计12 3、控制系统硬件设计 13 3.1 控制系统硬件组成13 3.2 控制系统硬件选型15 3.3 控制系统硬件接口电路设计

2、17 3.4 驱动系统设计18 4、控制系统软件设计19 4.1 控制系统软件总体方案设计21 4.2 主流程设计22 4.3 中断服务流程设计23 4.4 软件调试25 5、总结26 参考文献27 3 1、总体方案设计 1.1 设计任务 题目：两坐标X-Y 数控工作台设计 任务：设计两轴联动的数控X-Y 运动平台，完成机械系统设计、控制系统设计与相应软件编程，根据试验条件进行调试，完成整个开发系统；每组一题，分别由3 4 位同学合作完成。其主要技术指标如下：1）工作台型号为HXY-4030；2）行程要求X=400mm，Y=300mm；3）工作台面尺寸为C B H 240mm 254mm 15

3、mm；4）底座外形尺寸为C1 B1 H1 650mm 550mm 184mm；5）工作台最大长度L=778mm；6）工作台负载重量N=500N；7）工作台最快移动速度vxmax=vymax=1m/min 8）X,Y 方向的重复定位精度为0.02mm；9）X,Y 方向的定位精度为0.04mm；10）工作台切削负载小、运动灵敏度高、低速无爬行；11）定位精度高；12）结构轻便，建议机座和滑台采用铝合金；13）标准组件，独立产品；14）可直接应用于小型钻、铣床。1.2 总体方案确定 1.2.1 方案确定思想 该工作台设计主要分为机械系统部件和控制系统部件，其中机械系统部件主要包括导轨副、丝杠螺母副、

4、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包括CPU 控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。因 X 向和Y 向机械结构基本相同，故只绘制X 向机械系统部分的结构简图，4 如下：考虑在满足设计要求的前提下，应尽可能采用简洁轻便的结构设计和廉价实用的可选材料，符合绿色环保的现代机械设计理念，由此来确定最终方案。1.2.2 方案对比分析与确定（1）方案对比 1）方案一 动力源：采用标准工业电源；执行元件：选用混合式步进电机，其特点为输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高；导向支承部件：选用直线滚动导轨副，其特点

5、是摩擦因数小，不易爬行，便于安装和预紧，结构紧凑；传动部件：选用滚珠丝杠副，其特点是传动效率高，运动平稳，使用寿命长，运用广泛；减速装置：不使用减速箱，在满足脉冲当量的需求时，可以有效简化系统结构，缩小机械尺寸，节约生产成本；检测装置：增量式旋转编码器；系统微控制器：选用MCS-51 系列的8 位单片机AT89C52；2）方案二 动力源：采用标准工业电源；执行元件：选用永磁式步进电机，其特点为不需要太大电流，绕组断电时具有自锁能力，优点是动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动机不易发热，但制造成本高，步距角较大，配套的驱动电源要具有细分功能；导向支承部件：选用滚柱交叉导轨副，其特点是具有较高

6、的承载能力和较高的刚性，可以获得较高灵敏度和高性能的平面直线运动，导向性好，自动定心，滚动摩擦阻力低；传动部件：选用滚珠丝杠副；减速装置：选用无间隙齿轮传动减速箱；检测装置：增量式旋转编码器；系统微控制器：选用可编程程序控制器（PLC）；3）方案三 动力源：采用标准工业电源；执行元件：选用反应式步进电动机，其特点为步矩角可达1 15，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低；导向支承部件：选用静压导轨副，其特点是需要将一定压力的油或气体介质 5 通入导轨的运动件和导向支撑部件之间，使运动件浮在压力油或气体薄膜上，摩擦阻力很小；传动部件：选用滑动丝杠副，其特点是结构简单，

7、容易制造，减速传动比大，摩擦力大，具有自锁性，但低速或微调时可能出现爬行现象；减速装置：选用无间隙齿轮传动减速箱；系统微控制器：选用AVR 系列的Atmega16；（2）选择分析 对比以上三个方案，其主要区别在于步进电动机、导轨副、丝杠螺母副、系统微控制器的选择和是否有必要使用减速箱。综合考虑设计任务和方案确定思想，因系统定位精度和最快移动速度相对并不是很高，故选用性能较好而性价比较高的混合式步进电动机已经足够；为了避免爬行现象，同时节约生产成本，且因该设计载荷较低，故选用直线滚动导轨副；滑动丝杠副在低速或微调时可能产生爬行显现，且为了能够满足0.02mm 的重复定位精度和0.04mm 的定位

8、精度，故选用滚珠丝杠副；控制系统选用AT89C52 单片机，足以满足设计要求且较为廉价；由于本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此可以不使用减速箱。综上所述，本设计选用方案一作为合理的总体方案。1.2.3 总体方案系统组成（1）机械系统组成 1）导轨副的选用 该设计课题中所要求的X-Y 工作台要求可直接应用于小型钻、铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。2）丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足

9、0.02mm 的重复定位精度和0.04mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。3）减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。但本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此不使用减速箱。6 4）伺服电动机的选用 任务书规定的X,Y 方向重复定位精度为0.02mm，由此可以取脉冲当量为0.01mm，则其定位精度未达到微米级，

10、最快移动速度也只要求为1000mm/min。因此，不必采用高档次的伺服电动机，只需要选用性能较好的步进电动机即可，故在本设计中选用混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。5）检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、Y 两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y 两个坐标

11、的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。（2）控制系统组成 1）设计的X-Y 工作台要求可直接应用于小型钻、铣床，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51 系列的8 位单片机AT89C52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。3）鉴于此系统只考虑步进电机的控制，CPU 的自身资源已经足够，不需要外部引入其它接口扩展电路。考虑控制电路与输出信号电平不一致以及减少干扰等因素，在输入和输出信号之间加入光电耦合器组成信号输入输出电路。4）选

12、择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。（3）系统总体框图 根据已确定的总体方案绘制系统总体框图如下：7 2、机械系统设计 2.1 工作台外形尺寸及重量估算 按照下导轨之上移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为1200N。2.2 导轨参数确定（1）滑块承受工作载荷maxF的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂向载荷为：max4GFF=1

13、200N/4+500N=800N （2-1）其中移动部件重量G 1200N，最大外加载荷z=F F=500N，故得到单滑块所受的最大垂向载荷maxF=800N=0.8kN。查机电一体化系统设计课程设计指导书（下略）表3-41，根据工作载荷maxF=0.7kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JSA-LG15 型，其额定动载荷aC=7.94 kN，额定静载荷0aC=9.5kN。任务书规定工作台面尺寸C B 240mm 254mm，行程要求X=400mm，Y=300mm。查表3-35，考虑滑块在工作台底部的安装位置，在保证工作行程应留 8 有一定余量的前提下，按标准系列选取导轨的长度为640

14、mm。（2）距离额定寿命L 的计算 上述选取的KL 系列JSA-LG15 型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4 级，工作速度较低，载荷不大。查表3-36表3-40，分别取硬度系数Hf=1.0，温度系数Tf=1.00，接触系数Cf=0.81，精度系数Rf=0.9，载荷系数wf=1.5，代入得距离寿命：3HTCRaWC50f f f fCLfP5611km（2-2）远大于常见球导轨的距离期望寿命50km，故初选型号满足设计要求。2.3 滚珠丝杆的设计计算（1）最大工作载荷mF的计算 根据任务书要求不考虑工作台受到的铣削力，即xy=FF=0，受到垂直

15、载荷zF=500N。已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷 mxzyFKFFFG（）=1.1 0+0.005(500+1200)N=8.5N（2-3）（2）最大动载荷QF的计算 根据任务要求，工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=1000mm/min，初选丝杠导程hP=4mm，则此时丝杠转速h/nv P=250 r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000 h，代入60=60/10LnT，得丝杠寿命系数0L=225（单位为：106 r）。查表3-30，取载荷系数wf=1

16、.2，滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数Hf=1.0，代入得最大动载荷：3Q0 WHmFL ff F42.5N （2-4）（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-32，选择CM系列2004-5型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20 mm，导程为4 mm，循环滚珠为2 2.5，精度等级取4 级，额定动载荷为9197 N，大于Q F，满足要求。（4）传动效率 的计算 将公称直径0 d=20mm，导程hP=4mm，代入h0 arctan/()Pd，得丝杠螺旋升角=4 33。将摩擦角=10，代入=tan/tan()，得传动效率=96.4%。（5）刚度的验算

17、 9 1）X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为 a=500mm；钢的弹性模量 E 2.1 105 Mpa；查表3-32，得滚珠直径w D=3.175mm，丝杠底径2 d=16.2mm，丝杠截面积22=/4Sd=206.12mm2。当丝杠的拉伸或压缩变形量1 在总变形量中所占的比重较大时，按21=2mFaMaESIE进行计算，忽略式中第二项，算得丝杠在工作载荷mF作用下产生的拉/压变形量 1/()mF aES=6.5 440/(2.1 105 229.66)mm 7.49 10-5 mm 2）

18、根据公式0(/)wzdD，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为3 1，代入公式：ZZ圈数列数，得滚珠总数量Z=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3YJmFF=2.17 N。则可求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2 6.165 10-5 mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取2=3.08 10-5 mm。3）将1 和2 代入12 总，求得丝杠总变形量 总=10.57 10-5 mm=0.1057 m。查表3-27 可知，4 级精度滚珠丝杠在有效行程在315mm 时，行程偏差为25p/em，可见丝杆刚度足够。（6）压杆稳定性校核 滚珠丝杠属

19、于受轴向力的细长杆，失稳时的临界载荷kF应满足2m2kkfEIFFKa。查表3-31，取支承系数 kf=1；由丝杠底径2 d=16.2mm，求得截面惯性矩42=/6 4Id 3380.88mm4；压杆稳定安全系数 K取 3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离 a取最大值500mm），得临界载荷kF 9343N，远大于工作载荷mF=6.5N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。2.4 步进电机的选型与计算（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eq J 已知滚珠丝杠的公称直径0 d=20mm，总长 l=440mm，导程hP=4mm，材料密度=7.85 10-3

20、kg/cm3；移动部件总重量G=1200N。参照表4-1，算得各个零部件的转动惯量：滚珠丝杠的转动惯量s J=0.543kg cm2，拖板折算到丝杠上的转动惯量w J=0.331kg cm2。因系统脉冲当量为0.01mm/脉冲，系统传动比为1，滚珠丝杠导程为4mm，故初选步进电动机型号为90BYG2502，二相四拍驱动时步距角为0.9，从表4-5 10 查得该型号电动机转子的转动惯量m J=4kg cm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：eqmz1z2ws=+JJJJJJi2（）/=4+（0.331+0.543）/1kg cm2=4.874kg cm2（2）计算加在步进电动机转轴上的等效

21、负载转矩eq T 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩eq1 T包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩amax T；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0 T。因为滚珠丝杠副传动效率很高，0 T相对于amax T和f T很小，可以忽略不计。则有：eq1amaxf TTT （2-5）考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：eqmamaxa21 60J nTt 其中，m n为对应空载最快移动速度的步进电

22、动机最高转速，单位为r/min：maxm 360vn 已知空载最快移动速度max v=1000mm/min，步进电动机步距角=0.9，脉冲当量=0.01mm/脉冲，代入以上各值得m n=250r/min。设步进电动机由静止到加速至m n转速所需时间a t=0.4s，传动链总效率=0.7。则可求得：-4amax24.8741 0250=600.40.7TN m 0.0456N m 移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：zhf()2FGPTi （2-6）其中，已知滚动导轨的摩擦因数=0.005，空载时垂直方向的铣削力zF=0，得：f0.005(08 00)0.004 20.71TN m

23、3.638 10-3N m 故求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：eq1amaxf TTT=0.0492N m 2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩eq2 T也包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动 11 机转轴上的附加摩擦转矩0 T。同样的，0 T相对于t T和f T很小，可以忽略不计。则有：eq2tf TTT，因本设计不考虑工作台受到的铣削力，因此折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T=0。计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到

24、电动机转轴上的摩擦转矩：f0.005(500800)0.004 20.7 1T 5.911 10-3N m 求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为eq2 T=5.91110-3N m。经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：eqeq1eq2max,TTT=0.0492N m（3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据eq T来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：jmaxeq 4TT=0.196

25、8 N m 上述初选的步进电动机型号为90BYG2502，由表4-5 查得该型号电动机的最大静转矩jmax T=6 N m，可满足要求。（4）步进电动机的性能校核 1）最快移动速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快移动速度max v=1000mm/min，脉冲当量=0.01mm/脉冲，则可求出电动机对应的运行频率max f=1000/(60 0.01)Hz 1667Hz。90BYG2502 电动机的运行矩频特性曲线图如下：可见在此频率下，电动机的输出转矩max T 4.5N m，远远大于最大工作负载转矩eq T=0.0492N m，满足要求。2）最快移动时电动机运行频率校核 与最快移动

26、速度max v=1000mm/min 对应的电动机运行频率max f=1667Hz。查表4-5可知90BYG2502 电动机的空载极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。12 3）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量eq J=4.874kg cm2，电动机转子的转动惯量m J=4kgcm2，查表4-5，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率q f=1800Hz.则,可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：Lqeqm 1/ffJJ=1208Hz （2-6）上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须 1208Hz，满足要求。综上所述，本例中工作台的进给传动

27、选用90BYG2502 步进电动机，完全满足设计要求。2.5 机械系统结构设计 以下参照三维造型图和总装配图，来进行机械系统结构设计的说明。本设计考虑设计任务工作台面尺寸要求为C B H 240mm 254mm 15mm，而底座外形尺寸为C1 B1 H1 650mm 550mm 184mm；为不超出底座外形尺寸要求，故选用了标准系列导轨副长度640mm，同时为了保证行程要求X=400mm，Y=300mm，因此不能将导轨滑块装置在工作台两边缘，而是分别向内缩进了24mm。又因为工作台最大长度L=778mm，故总体结构相对而言较为紧凑，依靠步进电动机和滚珠丝杠副的选型来满足脉冲当量的需求，而无需添

28、加齿轮减速箱，且将增量式旋转编码器装置在滚珠丝杠副末端，形成半闭环控制，既使空间结构紧凑有序，又保证了精度需求。考虑到装配需求，故设计了独立的步进电动机与导轨底座的连接座，同时设计了相应的端盖，通过螺钉与轴承端盖连接，步进电机轴在端盖内通过联轴器与滚珠丝杠副连接，并给联轴器预留了足够了装配空间。13 同时在模拟实际使用情况时，在保证行程要求的前提下，工作台不会触碰到连接座，可以安全使用。3、控制系统硬件设计 3.1 控制系统硬件组成 考虑控制系统中需要不同的稳压电平，因此需要引入电源设计电路；CPU 控制电路主要对电机信号进行控制，并接收外部限位开关、暂停和点动输入信号，并根据响应信号对步进电

29、机进行控制；CPU 电路为TTL 电平，与外部信号电平不一致，需要添加光电耦合器，同时减少外部干扰；CPU 输出的电压信号不能直接驱动电机转动，需要经过驱动电路进行电压和电流信号的放大以及对信号脉冲分频处理。3.2 控制系统硬件选型 微控制器的选用：本次设计选用的的是微机控制系统，X-Y 数控工作台要求控制系统计算精度较高、处理速度较快；加之在考虑尽量减少成本、选择程序编制较为简易以及方便扩充I/O 接口的前提下，我们选择了使用AT89C52 作为我们的微处理器，选择此微处理器能够满足任务书给定的相关指标的设计要求。AT89C52 单片机主要性能参数及功能特性 AT89C52 的主要工作特性：

30、8031CPU（8051 的内核）；8KB 的快速擦写Flash 存储器，用于程序存储器，可擦写次数为1000 次；256 字节的RAM，其中高128 字节地址被特殊功能寄存器SFR 占用；32 跟可编程I/O 端口：P0、P1、P2、P3；2 个可编程16 位定时器：P3 口的第二功能；具有6 个中断源、5 个中断矢量、二级优先权的中断系统；14 1 个数据指针DPTR；1 个可编程的全双工串行通信：P3 口的第二功能；具有“空闲”和“掉电”两种低功耗工作方式；可编程的3 级程序锁定位；工作电源的电压为(5 0.2)V；振荡器最高频率为24 MHz；编程频率324 MHz，编程电流1 mA，

31、编程电压Vpp 为 5 V 或 12 V。P1.0 口的T2 为定时器/计数器，P1.1 口的T2EX 为具有捕捉/重装操作的定时器/计数器。图 4-1 为 AT89C52 单片机原理结构图，从图中可了解到，AT89C52 内部结构可分为：内核CPU 部分、存储器部分、I/O 接口部分和特殊功能部分（如定时器/计数器、外中断控制模块等）。AT89C52单片机的CPU是 8位字长，主要包括运算器和控制器两部分。AT89C52单片机芯片内配置有8KB 的 FLASH 程序存储器和256 字节的数据存储器RAM，设计时可外扩到最大64KB 的程序存储器和64KB 的数据存储器，其存储器结构可分为 4

32、 部分：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。本次设计不作扩展，使用单片机自身提供的8KB FLASH 程序存储器和256 字节数据存储器RAM 能够满足设计要求。AT89C52 单片机内部集成了4 个可编程的并行I/O 接口(P0P3)，每个接口电路都具有锁存器和驱动器，输入接口电路具有三态门控制。P0P3 口同RAM 统一编制，可以当作特殊功能寄存器SFR 来寻址。AT89C52 单片机可以利用其I/O接口直接与外围电路相连，本设计将会使用可编程并行接口芯片8255A 作为CPU的 I/O 口的扩展，P0P3 口在开机或复位时均呈高电平。隔离电源的选择：隔离电源的

33、获得可有几种途径。一种途径是采用不同的电源供电，另一种途径是试用具有直流隔离功能的的DC/DC 变换器。此次设计，我选择采用如图4-6所示的具有无直接关联的二次侧输出电压，然后对其输出V1、V2 分别进行整流、滤波、稳压等处理，即可获得不共地的直流稳压电源。此次设计我选用的是微机控制系统，微机控制系统使用的是直流电源，AT89C52单片机芯片及其扩展芯片需要提供稳定的+5V 直流电源，控制系统由于在开关信号输入电路中应用了TLP521-1光耦合器，因此也要给TLP521-1光耦合器的输入端提供独立的+12V 供电电源；为此我通过参考已有书籍和文献资料选用了两套电源设计方案。我所选择的控制系统的

34、电源均采用的是串联型稳压电源，它使用的是连续线性控制方式，具有稳定度高、可靠性好、成本较低的优点，非常适合应用在像本整 流 变 压 滤 波 稳 压 负 载 交流电 15 控制系统在内的低电压、小电流的场合，主要负责给控制系统的主机电路供电；其电路的主要结构如下图所示。光电耦合隔离电路元件的选择：光电隔离是有光耦合器来完成的。光耦合器是以光为媒介传输信号的器件，其输入端配置发光源，输出端配置受光源，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。本设计将会使用开关量电路，因此设计时选择在电路中接入光耦合器，从而使其输入侧与输出侧的信号得到了电气隔离，互补影响。我们选用的是普通的信号隔离用光耦合器(TLP52

35、1-1)。TLP521-1 光耦合器以发光二极管为输入端，光敏晶体管为输出端，能够隔离频率在100kHz 以下的信号，满足我此次设计的要求。驱动器件的选择：步进电动机的脉冲分配有多种形式，主要分为硬件环分和软件环分。硬件环分通常由专用集成芯片或通过可编程逻辑器件组成，如 CH250 是三相反应式步进电动机环行分配器的专用芯片，L297 和PMM8713 是两相步进电动机的专用芯片等。采用硬件环分时，步进电动机的通电节拍由硬件电路来决定，编程软件时可以不考虑。控制器与硬件环分电路的连接只需两根信号线：一根方向线，一根脉冲线（或者一根正转脉冲线，一根反转脉冲线）。本系统设计选择的是硬件环分，通过A

36、T89C52 单片机编程步进电机配套的驱动器BD28Nb，输入电机转动方向信号和驱动脉冲，通过驱动器内部电路的环分电路输出步进脉冲控制步进电机转动，实现数控工作台的功能要求。BD28Nb 的性能指标如下：电气特性 Ti=25 项 目 指 标 电源电压 AC40V、AC18V 输入 输出电流 2.5A/3A/3.5A/4A 可选 步进脉冲频率 BD28Fb：0 200KHz；BD28Nb：0 10KHz 逻辑信号电流 5 10mA 绝缘电阻 500M 使用环境及参数 冷 却 方 式 自然冷却 使用环境 温 度 10+50 湿 度 40%90%PH 外 形 尺 寸 64x153x117.5mm 重

37、 量 约 Kg 电流选择（对BD28Nb/Fb 均有效）通过面板上的设定开关第1，2 位选择电流。位 16 电流 1 2 2.5A 0 0 3A 1 0 3.5A 0 1 4A 1 1 方向控制：（1）通过面板上的设定开关第3 位可设定电机运转方向。（2）外部输入信号Cw 电平变化亦可改变电机运转方向。注：电机的初始运行方向与电机的接线有关，互换任意两相可以改变初始运行的方向。步进脉冲输入信号Cp:最大通过频率为200KHz（BD28Fb）或10KHz（BD28Nb）。脉冲的低电平时间应大于500nS。使能信号En：（1）En 端外加低电平时，电机响应Cp 端输入脉冲运行，Cp 端没有信号时，

38、电机处于半流锁定状态；（2）En 端悬空时，驱动器切断电机各相的电流使电机轴处于自由状态，此时步进脉冲Cp 将不被响应。输出信号A1、A2，B1、B2:接二相混合式步进电动机的出线。刀具的动作只有落刀和提刀两个，可以通过电磁继电器来控制。AT89C51 单片机对电磁继电器的控制可以通过ULN2003A 来驱动 3.3 控制系统硬件接口电路设计 CPU 控制电路：17 P0 口输出步进电机和刀具的驱动信号，控制步进电机转动以及刀具的动作；P1 口作为控制面板的输入信号接收端，检测电动信号输入以及演示输入；P2 口是限位信号输入接收端；限位以及暂停信号通过TTL 门电路输出暂停中断接入INT0 中

39、断输入口。18 电源设计电路 外部进过变压后的交流电源通过整流、滤波、稳压后输出所需的直流电压。整流：使用桥式整流器KBPC108 搭建的桥式整流电路，从其命名中我们就能知道其正向电流为1A，耐压值（最高方向电压）800V，通过桥式整流，将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电。滤波：由于整流过后输出的直流电压脉动较大，而我所设计的微机控制系统需要稳定的直流电源；因此在整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的，此次设计采用的是电容滤波电路，既在整流电路的输出端并联一只大容量的电容。稳压：电压的稳定在此采

40、用了MC7805 三端固定电压稳压器，而为了能获得+5V 的稳定电压需要扩展输出电流，因此电源电路设计选择了并联两片MC7805三端固定电压稳压器。输入信号接口电路：外部信号通过光电耦合器将信号输入控制电路内部，限位开关信号和暂停按钮信号通过TTL 门电路输出暂停信号到CPU 控制电路，同时限位开关信号将各自信号输入CPU 的 P2 口用于CPU 对暂停信号检测。3.4 驱动系统设计 19 因为我们选用的是90BYG2502 步进电机，故选用配套的BD28Nb 驱动电源来驱动步进电机转动，采用硬件环分法进行驱动。驱动电源的接线参考相关技术资料。4、控制系统软件设计 4.1 控制系统软件总体方案

41、设计 程序启动后循环检测输入信号，允许点动输入，当演示按钮按下后不允许直接点动输入，要点动输入必须先按暂停按钮。限位信号和暂停按钮要立即响应，因此将这些信号归一后引入外部中断0，外部中断0 的服务程序中要对中断触发信号进行检测，如果是暂停信号，接下来要检测是不是会有点动输入，没有输入则程序原地循环，如果有点动信号则对信号检测，调用电机驱动程序作出相对应的响应。暂停信号的原地循环允许被演示信号打断跳出。当按下演示按钮后，程序将画出圆心在原点，半径为r 的圆。20 4.2 主流程设计 INT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL PUSH DPTH PUSH PSW MOV A，PA MOV

42、 DPTR，A MOVX A，DPTR ；读PA 口内容 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR,A MOV DPTR,R2 MOV A，R2 CPL A ；A 取反 ANL A，#03H ；屏蔽高6 位 JZ A，TM2C SETB P1.0 SETB P1.1 SETB P1.2 TM2C：MOV A，R2 CPL A ANL A，#0CH JZ A，RETIN SETB P1.3 图 6-2 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI 21 4.INT1 中断服务流程图 图 6-3 INT

43、1IS：CLR EX1 MOV A，DPTR PUSH ACC JNB ACC.4，RST PUSH PSW JNB ACC.0，X+EN PUSH DPTL JNB ACC.1，X-EN PUSH DPTH JNB ACC.2，Y+EN CLR P1.6 JNB ACC.3，Y-EN MOV A，PC JNB ACC.5，ARC MOV DPTR，A LOOP1：POP DPTH MOVX A，DPTR；读PC 口内容 POP DPTL MOV R1，A POP PSW ANL R1，#0FH POP ACC MOV A，PB SETB EX1 MOV DPTR，A RETI MOV A，D

44、PTR；读PB 口内容 ANL A，#0FH SWAP A ORL A，R1 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR，A MOVX DPTR，R2；数据输入PB 口 INC DPTL 1）复位程序流程图 22 图 6-4 DIRX EQU 30H DIRY EQU 31H RST：CLR P1.6 RPA：MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；读 PA 口内容 JNB ACC.0，ACC2 MOV DIRX，#00H ；表 X 电机反转 ACALL XMOTOR0 ；X 电机反转一步 ACC2：JNB ACC.2，LOOP0 MOV DIRY，#00H

45、 ；表 Y 电机反转 ACALL YMOTOR0 ；Y 电机反转一步 AJMP RPA LOOP0：AJMP LOOP1 23 2）X 轴电机点动正转程序流程图 图 6-5 X+EN：CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR JNB ACC.0，LOOP2 MOTOR0：MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0 LOOP2：AJMP LOOP1 这是X 轴电机点动正转的程序，其他的X 轴电机点动反转、Y 轴电机点动正转、Y 轴电机点动反转依次类推

46、。24 3）绘制圆弧程序流程图 图 6-6 逐点比较法画圆弧 逐点比较法原理：假设所画圆弧在第一象限，圆心坐标为（0，0），圆弧上点的坐标为（X，Y），圆弧半径为R，每一点的坐标偏差为F=X*X+Y*Y-R*R，若F 0，应沿X 轴负方向走一步，此时FX=（X-1）*（X-1）+Y*Y-R*R=F-2X+1，X=X-1；若F 0，应沿Y 轴正方向走一步，此时FY=X*X+（Y-1）*（Y-1）-R*R=F+2Y+1，Y=Y+1。插补程序见附录。25 4）步进电机步进一步程序流程图 图 6-7 步进电机步进一步程序流程图 DEF EQU 12H SJMP LP3 MOV DEF，#00H TAB

47、：DB FEH XMOTOR1：JNE DIRX，#01H，XMOTOR0 DB FCH JNE DEF，#05H，LP2 DB FDH CLR DEF DB F9H LP2：MOV A，DEF DB FBH INC DEF DB FAH LP3：MOV DPTR，#TAB MOVC A，A+DPTR ANL P1，A ACALL DELAY RET XMOTOR0：JNE DEF，#00H，LP4 MOV A，#05H MOV DEF，A LP4：MOV A，DEF DEC DEF 26 5、总结 在本次的综合课程设计中我主要参与了电路设计和程序设计的工作，原本感觉很复杂的综合课程设计在一步

48、一步的分析解决中变得清晰，电路设计中的一些设计方法值得以后的生活工作中参考使用，光电耦合器的隔离、减少外界干扰以及电平转换作用在电路控制设计中占据了重要作用，通过此次电路分析设计我积攒了不少经验。程序设计过程中我使用的是keil c 语言进行编程，通过这此课程设计，我增加了不少对c 语言在单片机控制中的应用经验，模块化编程的使用让我感觉受益匪浅，最后阶段在程序的调试过程中我又对自己在程序设计中经常犯的错误做了一定的了解，也增加了一些程序调试改错经验。资料的查询和整理应用过程为我以后做毕业设计和以后的工作打下了良好的铺垫。总之，这次课程设计我还是收获了不少东西，队友的协作让我认识到团队力量的强大

49、，以后的工作里我会更加认真地去和队友合作，做的更好。27 参考文献 1尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书M.北京:机械工业出版社,2007.7.2赵松年.机电一体化机械系统设计M.北京:机械工业出版社,1997,6.3张建民.机电一体化系统设计M.北京:北京理工大学出版社,1996,8.4陈强,解云龙.机械系统的微机控制M.北京:清华大学出版社,1999,8.5周佩玲.微机原理与接口技术(基于16 位机)M.北京:电子工业出版社,2004.6吴秀清.微型计算机原理与接口技术M.北京:清华大学出版社,2003.7沈美明.IBM-PC 汇编语言程序设计M.北京:清华大学出版社,2002.8张伟.Protel DXP 入门与提高M.北京:人民邮电出版社,2003.2.9钱培怡.电子电路实验与课程设计M.北京:地震出版社,2002,6.10各类机电产品设计手册.