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1、 機電一體化課程設計 立式數(shù)控銑床X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 姓名： 車煥生 學號： 1000107229 班級： 10 機電<2>班 學院：中國計量學院 機電工程 學院 指導老師：張遠輝、徐立軍 目 錄 前言 1 一 、設計任務 2 1.1 課程設計時間 2 1.2 課程設計題目 2 1.3 課程設計任務 2 1.4 課程設計內(nèi)容 2 1.5 課程設計要求 2 二 、總體方案的確定 3 2.1 機械傳動部件的選擇 3 2.2 控制系統(tǒng)的設計 4 三 、機械傳動部件的計算與選型

2、 4 3.1 導軌上移動部件的重量估計 4 3.2 銑削力的計算 5 3.3 導軌副計算和選型 6 3.4 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 7 3.5 步進電機減速箱的選用 9 3.6 步進電機的計算與選型 9 3.7 編碼器（反饋電路）選型 13 四 、工作臺機械裝配圖的繪制 14 4.1 可參考課本圖6-23 XY數(shù)控工作臺裝配圖 14 五 、工作臺控制系統(tǒng)的設計 14 5.1 電源電路 14 5.2 存儲器擴展電路 15 5.3 鍵盤電路 17 5.4 顯示電路 18 5.5 傳感器電路 19 六 、步進電機驅(qū)動電路設計 20 6.1 驅(qū)動電路 20 6.

3、2 光電隔離 20 七 、程序設計 21 7.1 功能 21 7.2 框圖 22 7.3 代碼 23 八 、總結(jié) 24 參考文獻 24 答辯記錄 25 前 言 X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數(shù)控車床的縱-橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。因此，選擇X-Y數(shù)控工作臺作為機電綜合課程設計的內(nèi)容，對于機電一體化專業(yè)的教學具有普遍意義。 模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作平臺、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構(gòu)成。其外觀形式如圖1所示。其中，伺服電動機作為執(zhí)行元件

4、用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均已標準化，由專門廠家生產(chǎn)，設計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標準的工業(yè)控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統(tǒng)。 圖1 一、設計任務 1.1 課程設計時間 2013-2014學年，第1學期，第12周-13周，共2周 1.2 課程設計題目 立式數(shù)控銑床X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 1.3 課程設計任務 設計供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，設計參數(shù)： 1）

5、立銑刀最大直徑d=15mm； 2）立銑刀齒數(shù)Z=3； 3）最大銑削寬度ae=15mm； 4）最大背吃刀量ap=8mm； 5）加工材料為碳素鋼； 6）X、Y方向的脈沖當量δx=δy=0.005mm/脈沖； 7）X、Y方向的定位精度為0.01mm; 8）工作臺面尺寸為258mm258mm，加工范圍為278mm278mm； 9）工作臺空載最快移動速度vxmax=vymax=3000mm/min； 10）工作臺進給最快移動速度vxmaxf=vymaxf=400 mm/min。 1.4 課程設計內(nèi)容 1）結(jié)合設計任務的要求擬定總體機械和電氣控制設計方案； 2）根據(jù)擬定的機械設計方

6、案進行數(shù)控工作臺的機械結(jié)構(gòu)設計計算和元件的選用； 3）根據(jù)擬定的電氣設計方案進行數(shù)控系統(tǒng)控制電路的框圖設計及驅(qū)動控制電路的計算和元件選用； 4）軟件的流程圖設計； 5）部分軟件程序進行編寫； 6）進行機械結(jié)構(gòu)和電氣圖的繪制； 7）編寫設計報告。 1.5 課程設計要求 1）方案擬定正確； 2）設計計算根據(jù)來源可靠，計算數(shù)據(jù)準確無誤； 3）元氣件選用正確規(guī)范符合標準； 4）X-Y數(shù)控工作臺機械結(jié)構(gòu)裝配圖（A1圖一張，只要求剖視一個坐標），控制系統(tǒng)電氣原理圖（A1圖一張），圖紙要求符合標準，圖面布局合理、整潔、質(zhì)量高； 5）課程設計說明書應闡述整個設計內(nèi)容：總體方案確定、系統(tǒng)框

7、圖分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機械傳動和驅(qū)動電路的設計計算以及機械和電氣的其它部分。說明書要突出重點和特色，圖文并茂、文字通暢、計算正確、字跡清晰、內(nèi)容完整。說明書字數(shù)不少于 6000字。 二、總體方案的確定 2.1機械傳動部件的選擇 2.1.1導軌副的選用 要設計數(shù)控銑床工作臺是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床的，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預緊方便等優(yōu)點。 2.1.2絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足0.005mm脈沖當量和0.01

8、的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到。滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。 2.1.3減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構(gòu)。為此，本次采用無間隙齒輪傳動減速箱。 2.1.4伺服電動機的選用 任務書初選的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有3000mm/min。因此，本設計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好

9、一點的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。 2.1.5檢測裝置的選用 選用步進電機作為伺服電機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉(zhuǎn)過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)式編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應與步進電機的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。 2.2控制系統(tǒng)的設計

10、 2.2.1坐標系 設計的X-Y工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應該具有但坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型。 2.2.2 CPU 對于步進電動機的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務書給定的相關(guān)指標。 2.2.3完整控制系統(tǒng) 要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等。 2.2.4電源、電機驅(qū)動電路 選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。 三、機械傳動部件的計算與選型

11、3.1導軌上移動部件的重量估算 根據(jù)給定的有效行程,估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。 X向拖板(上拖板)尺寸為: 長*寬*高=580*260*40 重量:按重量=體積*材料比重估算為: = N=470N Y向拖板(下拖板)尺寸為: 長*寬*高= 重量=N=470N 上導軌(含電機)估算重量為：240N 夾具及工件重量:150N X-Y工作臺運動部分總重量為: 470N+470N+240N+150N=1330N 按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠

12、副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為1330N。 3.2銑削力的計算 設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。由表3-7查得立銑時的銑削力計算公式為： Fc=118ae0.85fz0.75d-0.73ap1.0n0.13Z 今選擇銑刀直徑d=15mm ，齒數(shù)Z=3，最大切削寬度=15mm ，最大背吃刀量=8mm ，每齒進給量fz=0.1mm ，銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min 。代入得 Fc=118150.850.10.7515-0.7381.03000.133≈1463N 采用立銑刀進行圓柱洗削時，各銑削力之間的比值可由表3-5查得， =

13、(1.0~1.2) 取1.1 /=(0.2~0.3) 取0.25 /=（0.35~0.4） 取0.38 考慮逆銑時的情況，因為逆銑的情況的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險的工況。結(jié)合圖3-4a，可估算三個方向的銑削力分別為： （與絲杠軸線平行） （與工作臺面垂直） （與絲杠軸線垂直） 考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。 = =1609N F

14、y ==366N 3.3導軌副的計算與選型 3.3.1工作載荷的計算 工作載荷是影響導軌副壽命的重要因素。本設計工作臺為水平布置，多采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動部件重量G=1330N，外加載荷外加載荷，代入上式得最大工作載荷。 查表3-41，根據(jù)工作載荷Fmax=0.888KN，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG20型，其額定動載荷Ca=11.5KN，額定靜載荷C0a=14.5KN。 任務書

15、規(guī)定工作臺面尺寸為258mm258mm，加工范圍為278mm278mm，考慮工作行程應留有一定余量，查表3-35，按標準系列，選取導軌的長度為580mm。 3.3.2距離額定壽命L的計算 上述選取的KL系列JSA-LG20型導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100℃，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3-36~表3-40，分別取硬度系數(shù)fH=1.0、溫度系數(shù)fT=1.00、接觸系數(shù)fC=0.81、精度系數(shù)fR=0.9、載荷系數(shù)fW=1.5，代入式(3-33)，得距離壽命： L= 350≈6649km 遠大于期望值50km，故距離額

16、定壽命滿足要求. 3.4滾珠絲杠螺母副的計算與選型 3.4.1最大工作載荷Fm的計算 如前頁所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1609N，受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=366N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=556N。 已知移動部件總重量G=1330N，按滾動導軌計算，查表3-29，取顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數(shù)u=0.0025—0.005,現(xiàn)取u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm=KFx+μ（Fz+Fy+G）=[1.11609+0.005（556+366+1330）] ≈1781N 3.4.2最大動

17、載荷FQ的計算 設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=80r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入=60nT／106，得絲杠壽命系數(shù)=72x106r。 查表3-30，取載荷系數(shù)=1.2，滾道硬度為60HRC時，去硬度系數(shù)=1.0代入式(3-23),求得最大動載荷： FQ=≈8881N 3.4.3初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表3-31，得G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式滾珠絲杠副，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循

18、環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級取5級，螺母安裝尺寸L=46mm，額定動載荷為9309N，大于最大計算動載荷FQ=8882N，滿足要求。 3.4.4傳動效率η的計算 將公稱直徑d0=20mm,導程P=5mm,代入λ=arctan[Ph/(πd0)]，得絲杠螺旋升角λ=433′。將摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動效率η=96.4%。 3.4.5剛度的驗算 1）X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1105MPa；查表3-31，得滾珠直

19、徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm，絲杠截面積S=πd22／4=206.12mm2 忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉／壓變形量δ1=Fm*a／（ES）≈0.0205mm。 2）根據(jù)公式Z=（πdo／Dw）-3，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力FYJ=Fm／3=593N則由式3-27，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2≈0.0026mm。 因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取δ2=0.0013mm。 3）將

20、以上算出的δ1、δ2代入δ總=δ1+δ2，求得絲杠總變形量（對應跨度500mm）δ總=21.8μm。 本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315-400mm時，行程偏差允許達到25μm，可見絲杠剛度足夠。 3.4.6壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk。查表3-34，取支承系數(shù)fK=1；由絲杠底徑d2=16.2mm，求得截面慣性矩I=πd24／64≈3380.88mm4；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值560mm。代入式（3-28）得臨界載荷Fk≈9343N，遠大于工作載荷F

21、m=1779N，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 3.5步進電動機減速箱的選用 為了滿足脈沖當量的色劑要求，增大步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使?jié)L珠絲和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機軸上盡可能小，在步進電機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進電機的輸出軸與小齒輪連接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設計成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖3-8所示的彈簧錯齒法消除側(cè)隙。 已知工作臺的脈沖當量δ=0.005mm，滾珠絲杠的導程Ph=5mm，初選步進電機的步距角α=0.75，根據(jù) i=（αPh）／﹙360δ﹚=（0.75 x 5）/(360 x 0.005)

22、=25／12 本設計選用常州市新月電機有限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75:36，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒面淬硬后達55HRC。減速箱中心距為55.5mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。 3.6步進電動機的計算與選型 3.6.1計算加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長l=560mm，導程Ph=5mm，材料密度p=7.8510-3kg／cm；移動部件總重力G=1330N；小齒輪寬度b1=20mm，直徑d1=36mm；大齒輪寬度b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動比=25／12。 如表

23、4-1所示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下(具體計算過程從略)：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=7.5210kg.㎡；拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Jw=5.210kg.㎡；小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz1=2.5910kgm；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz2=4.877kgm。 由表4-3，初選步進電機型號為110BF003，為三相反應式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，三相六拍驅(qū)動時步距角為0.75，從表4-3查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=5.5kgcm。 則加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為 Jeq=Jm+Jz1+（Jz2+Jw+Js）／i=8.27kgcm 3.6.2計算加在步進電機

24、轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Meq 分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。 1）、快速空載時電動機所需力矩M1。 由式（4-8）可知，Meq1包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Mamax ；一部分是移動部件運動時折算到電機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Mf；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩M0。因為滾珠絲杠傳動效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，M0相對于Mamax和Meq1很小，可以忽略不計。則有： Meq1=Mamax+Mf 加速力矩 式中：T=0.4s； nmax=（vmaxα）／（360δ） 式中： vmax——空

25、載最快移動速度，任務書制定為3000mm/min; α ——步進電動機步距角，預選電動機為0.75； δ ——脈沖當量，本設計中δ=0.005mm/脈沖。 代入以上各值，算得nmax=1250r/min. 其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得： Mamax≈0.387Nm 電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦力矩為： 其中：u為導軌副的摩擦因數(shù)，滾動導軌取u=0.005。其余參數(shù)同上。 代入數(shù)據(jù)得： Mf=0.005x(0+1330)x0.005/(2x3.14x25/12)=0.0036Nm 所以可知快速空載時電機所需力矩： Meq1=Mamax+Mf=0.390Nm 2）最大

26、工作負載時電動機所需力矩承受的負載轉(zhuǎn)矩M2。 在不同工況下是不同的，考慮最大切削負載時電動機所需力矩 Meq2 =Mf+Mt 其中：為導軌摩擦力 F0=9.43N; S為絲杠螺距S=5mm; i為齒輪降速比25/12; η為傳動鏈總效率，η=0.7—0.8，取0.7; 代入數(shù)據(jù)得： Mf=0.005Nm 其中：進給方向的最大切削力Ft=Fx=1609N 其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得： Mt=0.88Nm 由此都得到等效負載轉(zhuǎn)矩 Meq2=Mf+Mt

27、=0.885Nm 經(jīng)上述計算后。得到加在電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩為： Meq=Meq1Meq2=0.885Nm 3.6.3步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)的影響較大，當輸入電壓降低時，其輸入轉(zhuǎn)矩也會下降，可能會造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此,根據(jù)等效負載Meq來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)k，取k=4則步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩應滿足： Tjmax≧4Meq=40.885=3.54Nm 上述初選的步進電動機型號為110BF003，由表4-3查得該型號電機的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=7.84Nm，滿足上式要求。 3.6.4步進電動

28、機的性能校核 1）最快工進速度時電動機時輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度=400mm/min，脈沖當量δ=0.005/脈 圖2 110BF003型步進電動機的運行矩頻特性曲線 沖，求出電動機對應的運行頻率fmaxf=400/(600.005﹚≈1333Hz。從所選電動機(110BF003)的運行矩頻特性曲線圖（圖2）可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩3.5Nm，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩=0.885Nm，滿足要求。 2）、最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，由式(4-16)求出其對應運行頻fmax=[3000/(

29、600.005)]=10000Hz。由圖6-24查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩=1.0Nm，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩=0.390Nm，滿足要求。 3)最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度=3000mm/min對應的電動機運行頻率為fmax=10000Hz。查表4-3可知110BF003電動機的空載運行頻率可達14000，可見沒有超出上限。 4)起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq=8.27kgcm ，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=5.5kgcm ，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率fq=1400Hz（查表4-3）。由式(4-17)可知步進電動

30、機克服慣性負載的起動頻率為： fL= =885Hz 上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于885Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有（即100脈沖/s）。 綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用110BF003步進電動機，完全滿足設計要求。 3.7增量式旋轉(zhuǎn)編碼器選型 本設計所選步進電機采用半閉環(huán)控制，可在電動機尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應與步進電機的步距角相匹配。由步進電機的步距角α=0.75可知，電動機轉(zhuǎn)動一周時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出480個脈沖。考慮到增量式旋轉(zhuǎn)

31、編碼器輸出的A、B信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分，因此，編碼器的分辨力可選120線，這樣控制系統(tǒng)每發(fā)出一個步進脈沖，電動機轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。 本次選擇編碼器型號為ZLK-A-120-05VO-10-H：盤狀空心型，孔徑10mm，與電動機尾部輸出軸相匹配，電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出，生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。 四、工作臺機械裝配圖的繪制 4.1 XY數(shù)控工作臺裝配圖 4.1.1增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝 本次設計的X-Y數(shù)控工作臺采用兩個步進電動機，需要配套兩個增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，型號為ZLK-A-

32、120-05VO-10-H，編碼器安裝在步進電動機尾部。 4.1.2傳感器的安裝 當被測對象是導電物，或者可以被固定在一塊金屬板上，一般都選用電感式接近開關(guān)。電感式接近開關(guān)響應頻率高、抗干擾性能好、價格也較低。因此，本次設計的X-Y數(shù)控工作臺采用電感式接近開關(guān)作為工作臺的限位開關(guān)，一共四個，安裝在工作臺底座的兩端。 五、工作臺控制系統(tǒng)設計 5.1電源電路 圖5.1所以為本次X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)的電源。220V的交流電經(jīng)過隔離變壓后，輸出三組低壓交流電壓：9V、11V和24V。分別對這三組低壓交流電源采用KBPC108進行橋式整流，電容濾波和穩(wěn)壓管穩(wěn)壓處理（分別采用MC705、

33、MC7812、MC7824三端固定穩(wěn)壓管），最終分別輸出+5V直流電壓供給CPU、光電隔離芯片以及其他芯片使用，輸出+12V直流給計數(shù)器芯片和譯碼器芯片使用，輸出+24V直流電壓用來驅(qū)動LCD顯示器。步進電動機驅(qū)動電源由外部穩(wěn)壓源提供。 圖5.1電源電路 5.2存儲器擴展電路 本次選用的CPU為單片微機AT89S52，其內(nèi)部具有8K可編程的Flash存儲器，容量較小，不能滿足實際需要。因此需要在外部進行擴展，配置外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。還有就是I/O口，在微控制器內(nèi)部設置的用來與外設鏈接的I/O接口不足以鏈接較多的外圍設備，因此也需要進行擴展。其擴展如圖5.2.0所示。

34、 5.2.1程序存儲器 本次選用的CPU是ATMEL公司的AT89S52單片機，該芯片內(nèi)含有8KB的EEPROM，為電擦除型?，F(xiàn)選用Winbond公司生產(chǎn)的W27C512擴展為64KB的EEPROM芯片作為程序存儲器，用來存放控制系統(tǒng)的各種程序。其擴展電路如圖5.2.1所示。 如圖5.2.1程序存儲器擴展電路 5.2.2數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器的擴展與程序存儲器的擴展的原理相同，擴展電路也類似，所以此次省略。 5.2.3通訊接口 通訊接口是實現(xiàn)單片機與PC機通訊的接口電路。本次設計采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232芯片

35、，是專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電。因為PC機串口輸出電壓為12V，因此通過MAX232轉(zhuǎn)換后可以輸出+5V和0V的高低電平，和單片機進行通訊。通訊接口電路如圖5.2.3所示。 圖5.2.3通訊接口電路 5.3 鍵盤電路 本次設計采用行列式鍵盤。芯片采用Intel的8255鍵盤擴展芯片，8255的PB口輸出作為鍵盤的行掃描線，8255的PC口輸入作為鍵盤的列回掃線。其電路如圖5.3所示。 圖5.3鍵盤電路 5.4 顯示電路 本次將步進電機的轉(zhuǎn)速進行檢測并將結(jié)果實時顯示出來。旋轉(zhuǎn)編碼器檢測到的步進電機轉(zhuǎn)速信號經(jīng)Q

36、A740210倍頻器處理后，輸出的脈沖經(jīng)計數(shù)器MC14553計數(shù)以及譯碼器CD4543譯碼后在七段數(shù)碼管顯示出來。其電路如圖5.4所示。 圖5.4顯示電路 5.5 傳感器電路 本次設計工作臺有兩個部位用到傳感器，一個是步進電機的旋轉(zhuǎn)編碼器，另一個是限位開關(guān)的。 5.5.1編碼器電路 本次選用編碼器型號為ZLK-A-120-05VO-10-H，盤狀空心型，孔徑10mm，與電動機尾部輸出軸相匹配，電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出，生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。采用QA740210四倍頻接收旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B兩路信號，經(jīng)QA74090

37、8計數(shù)器處理后傳輸給CPU處理，CPU再控制步進電機以實現(xiàn)控制需要。編碼器電路如圖5.5.1所示。 圖5.5.1編碼器電路 5.5.2限位開關(guān)電路 本次選用的限位開關(guān)采用電感式接近開關(guān)，型號為FA12-4LA，工作電壓為10-30V。接近開關(guān)的輸入信號經(jīng)過光電(芯片TLP521-1)隔離后，送給芯片8255進行處理。限位開關(guān)電路如圖5.5.2所示。 圖5.5.2限位開關(guān)電路 六、步進電機驅(qū)動電路設計 6.1驅(qū)動電路 本次采用的步進電動機型號為110BF003，反應式三相六拍，步距角0.75，工作電壓80V，電流6A。圖6.1.0為本次采用步進電動機正轉(zhuǎn)時的的相電壓

38、波形圖。由于功率較大，因此采用大功率三極管3DD15(NPN型)作為開關(guān)三極管。步進電機的驅(qū)動電路如圖6.1.1所示。步進時鐘 A相波形 B相波形 C相波形 圖6.1.0 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)） 圖6.1.1步進電機驅(qū)動電路 6.2光電隔離 本次設計中，在步進電動機驅(qū)動電路和限位開關(guān)檢測電路中都使用到光電隔離，采用TLP521-1芯片，如圖6.1.1。使用光電隔離的目的在于從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，而不直接發(fā)生電的聯(lián)系。隔離的實質(zhì)是把引進的干擾通道切斷，從而達到隔離現(xiàn)場干擾的目的。光電隔離電路如圖6

39、.1.1所示。 七、程序設計 7.1功能 本次X-Y數(shù)控工作臺的控制功能包括： 1) 讀取并接收操作面板的開關(guān)、按鈕信息； 2) 讀取并接收限位開關(guān)信號、旋轉(zhuǎn)編碼器反饋信號； 3) 控制X，Y向步進電動機的驅(qū)動器； 4) 輸入顯示和鍵盤掃描； 5) 與PC機的串行通信。 7.2框圖 7.2.1進給控制系統(tǒng)框圖 7.2.2步進電機控制子程序框圖 步進電機的控制包括速度，轉(zhuǎn)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(shù)和脈沖時間間隔，即可實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)角與速度的控制。 開始

40、 中斷初始化 設時間常數(shù)地址指針 首地址指向1000H 加速？減速？恒速？ 脈沖計數(shù)器賦初值 送時間常數(shù)至計數(shù)器中 開中斷 啟動定時器 脈沖信號驅(qū)動步進電機 定時時間

41、 到？ N Y 返回 Y 7.3代碼 I．8255芯片初始化子程序. B255：MOV DPTR , #8FFFH ；指向8255的控制口地址 MOV A , #10001001b ；PA口輸出，ＰＢ口輸出，PC口輸入，均為方式0 MOVX @DPTR , A ；控制字被寫入 MOV DPTR ,#3FFCH ；指向PA

42、口 MOV A , 0FFH ；預置PA口全：“1” MOVX @DPTR , A ； 輸出全“1”到PA口 MOV DPTR , #3FFDH；指向PB口 MOV A , #OFFH ；預置PB口全“1” MOV @DPTR ,A ；輸出全“1”到PB口 RET II．延遲子程序（延時２０毫秒） DELAY: MOV TMOD , #01H MOV TH0 , #0B1H MOV TL0 , #0

43、E0H SETB TRO SETB ETO SETB EA MOV TH0 , #0B1H MOV TL0 , #0E0H RET III.步進電機正轉(zhuǎn)100步子程序 MOV OFH , #100 LOOP: SETB P1.1 SETB P1.0 NOP NOP CLR P1.0 CALL DELAY DJNZ 0FH ,LOOP1

44、 RET 八、總結(jié) 此次課程設計讓我對過去所學專業(yè)知識進行了一個全面的綜合的運用，也是對過去所學的知識的一次檢驗。在設計的過程中遇到了不少問題，這都需要我對過去所學知識進行全面的溫習，通過查缺補漏，以前所學過的知識包括機械、電路、電子技術(shù)、單片機等方面的基礎(chǔ)知識也得到了相應的加強。機電一體化這門課是一門綜合性特別強的科目，經(jīng)過反復的復習和整理所學的專業(yè)知識才使得此次設計得以完成。本次設計使我更加接近生產(chǎn)實際，鍛煉了將理論運用于實際的分析和解決實際問題的能力，鞏固、加深了有關(guān)機械、電子、控制等方面的知識。 通過本次設計，我也學到了一些以前沒

45、學到過的知識，特別是對一些特定芯片的了解，知道其功能使用方法。設計的過程是很累的，也遇到了不少難題，其中我得到了同學和老師的很多幫助，在此，我很感謝本次課程設計的老師及幫助過我的同學。 參考文獻 [1]合肥工業(yè)大學 尹志強.機電一體化系統(tǒng)課程設計. 北京：機械工業(yè)出版社，2007. [2]北京理工大學 張建民. 機電一體化系統(tǒng)設計. 北京：北京理工大學出版社，2012. [3]清華大學 萬福君. MCS-51單片機原理、系統(tǒng)設計與應用.北京：清華大學出版社，2008. 答辯記錄 答辯人： 車煥生 班級： 10機電2 課程設計題目： 立式數(shù)控銑床X-Y數(shù)控工作臺機電設計 答辯情況記錄： 答辯總體結(jié)論： 記 錄 人： 年 月 日 指導教師： 26