450x450多用數(shù)控XY工作臺(tái)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+說(shuō)明書(shū)】,含CAD圖紙+說(shuō)明書(shū),450,x450多用數(shù)控XY工作臺(tái)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+說(shuō)明書(shū)】,x450,多用,數(shù)控,xy,工作臺(tái),設(shè)計(jì),cad,圖紙,說(shuō)明書(shū),仿單 《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) 設(shè)計(jì)者 ： 專(zhuān)業(yè)： 指導(dǎo)老師： 一、課程設(shè)計(jì)的題目及要求 （一）題目：多用數(shù)控XY工作臺(tái)設(shè)計(jì)。 已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊，各題目的有效行程、快速進(jìn)給速度和工作載荷見(jiàn)下表： 題號(hào) 有效行程(mm) 快速進(jìn)給速度(mm/min) 工作載荷Fz (N) Lx Ly vmax vymax 15 450 450 1500 1500 1200 （二）設(shè)計(jì)要求： 1. 課程設(shè)計(jì)應(yīng)在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立完成，嚴(yán)格地要求自己，不允許相互抄襲； 2. 認(rèn)真閱讀《課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》，明確題目及具體要求； 3. 認(rèn)真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)； 3. 大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計(jì)方案； 4. 機(jī)械部分和驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)思路清晰，計(jì)算結(jié)果正確，選型合理； 5. 微機(jī)控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理； 6. 手工或電腦繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖一張（A1），控制系統(tǒng)電氣原理一張（A1或A2），圖紙符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，布圖合理，內(nèi)容完整表達(dá)清晰； 7. 編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（不少于8000字，電腦打?。瑧?yīng)包括以下內(nèi)容： （1）封面 （2）設(shè)計(jì)題目 （3）目錄 （4）正文（總體方案設(shè)計(jì)，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算，電氣控制方案等） （5）設(shè)計(jì)總結(jié) （6）參考文獻(xiàn) 8．設(shè)計(jì)單獨(dú)完成任務(wù)。 （三）課程設(shè)計(jì)的目的： 《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。其目的是： 1. 能夠正確運(yùn)用《機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程的基本理論和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法，了解設(shè)計(jì)方案的擬定、比較、分析和計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能力； 2. 培養(yǎng)學(xué)生機(jī)電一體化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與分析的能力、機(jī)械電子伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的能力、創(chuàng)造性提出并解決關(guān)鍵問(wèn)題的能力。 3. 通過(guò)機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟； 4. 通過(guò)測(cè)試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，掌握機(jī)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； 5. 通過(guò)課程設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及編寫(xiě)技術(shù)說(shuō)明書(shū)的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專(zhuān)業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。 （四）課程設(shè)計(jì)的任務(wù)： 綜合運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械、電子、控制理論等方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，為將來(lái)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。 二、總體方案的確定 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定系統(tǒng)的總體機(jī)械和控制系統(tǒng)方案：進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類(lèi)型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。 1. 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng) 采用連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。 2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 采用MCS-51系列中的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價(jià)比高。控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。 3. X—Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。 考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。 系統(tǒng)總體框圖 三、機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算 1、工作臺(tái)的初步設(shè)計(jì)： （1）確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度。一般為0.01~0.005mm。 （2）工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算。 工作臺(tái)簡(jiǎn)圖 載物臺(tái)的尺寸：長(zhǎng) 寬 高 X向拖板（上拖板）尺寸：長(zhǎng) 寬高= ； 重量：按重量=體積材料比重估算： Y向拖板（下拖板）尺寸：長(zhǎng) 寬高=，重量為495N， X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的總重量W=495N+495N=990N； (3) 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 工作載荷P=0.5(Fz+W)= 又因?yàn)殪o安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。此題中有沖擊所以取fSL=4; 則 根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌： 選取導(dǎo)軌的型號(hào)為：JSA-LG15，其額定靜載荷中，，符合設(shè)計(jì)要求。 因?yàn)橛行谐?，，且X方向載物臺(tái)的寬度為130mm,Y方向載物臺(tái)的長(zhǎng)度為200mm.考慮到留有一定的余量。經(jīng)綜合考慮，取上拖板導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為850mm,下載物臺(tái)導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為850mm. 依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷C(kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln： (hour)= （4）滾珠絲杠計(jì)算、選擇 初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=6mm。 （1） 強(qiáng)度計(jì)算 絲杠軸向力：(N) 式中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車(chē)床車(chē)削外圓時(shí)：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。 所以： 壽命值： 其中絲杠轉(zhuǎn)速=（r/min) 最大動(dòng)載荷： 式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時(shí)為1.0。在這里取， 所以最大動(dòng)載荷： 根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表3-31選擇GD系列2006-3型滾珠絲杠副，公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為6mm，循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級(jí)取五級(jí)，額定動(dòng)載荷為9366N，滿足要求。 傳動(dòng)副的傳動(dòng)效率：，其中是公稱直徑，帶入的= ，其中：φ=10’，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。 （4）穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。此題即采用止推軸承，否則，按教材32頁(yè)式（2.2）驗(yàn)算。 式中：Fk為絲杠實(shí)際承受載荷的能力；fk為壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)；E=2.1x1011Pa為鋼的彈性模量；為絲杠小徑d1的截面慣性矩；ls為絲杠長(zhǎng)度；K=2.5~4為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)。 （5）剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)，其中（材料為鋼），，Y向受力最大，所以取F=834.8N。 ，絲杠因受扭矩所引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略，所以導(dǎo)程誤差， E級(jí)精度的絲杠允許誤差為。剛度足夠。 （5）齒輪設(shè)計(jì)，計(jì)算。 齒輪傳動(dòng)比：，其中步距角α=1.5?/step。 根據(jù)計(jì)算的傳動(dòng)比，由整體結(jié)構(gòu)要求初定大小齒輪齒數(shù)及模數(shù)m，從結(jié)構(gòu)上采取措施消除傳動(dòng)間隙以提高傳動(dòng)精度（如下圖所示）。齒輪1、2的分度圓直徑分別為：d1=mz1，d2=mz2；齒寬b=20mm，分度圓壓力角α=20?；齒頂圓直徑為：da1=(z1+2)m，da2=(z2+2)m；中心距a=0.5(d1+ d2)。 1、2--薄齒輪, 3—彈簧, 4、8—凸耳, 5—調(diào)節(jié)螺釘, 6、7—螺母 雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖 若取Z1=24，則Z2=50。因傳遞的扭矩較小，取模數(shù)m=1mm 齒輪尺寸： Z 24 50 24 50 26 52 21.5 49.5 37 （6）步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載計(jì)算 （1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (kg·cm2) 式中：Jw，Jz1，Jz2和Js分別為折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的工作臺(tái)、齒輪1、齒輪2和絲杠的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·cm2。其中： ， 所以： (N·m2) 式中：d0為絲杠的名義直徑；Ls為絲杠的總長(zhǎng)；ρs，ρz分別為絲杠和齒輪的材料密度，可取為7.85x10-3kg/cm3。 （2）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩： (N·m) 工作時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： (N·m) (N·m) 式中：η=0.8，為考慮絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率。 （3）起動(dòng)慣性阻轉(zhuǎn)矩計(jì)算 (N·m) 式中：電機(jī)轉(zhuǎn)速ωm=2πpnm/60，起動(dòng)加速時(shí)間Δt=0.025s。 （4）步進(jìn)電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 =+0.0030.29+0.347 =0.64(N·m) （7）步進(jìn)電機(jī)的選擇 為使步進(jìn)電機(jī)正常起動(dòng)（不失步），其起動(dòng)力矩應(yīng)滿足：，取如選用三相六拍工作方式，，則 步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率為： 綜合考慮，確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為75BC380A。 說(shuō)明：為便于設(shè)計(jì)和采購(gòu)，X、Y軸的電機(jī)可選擇一樣。 （8）機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)裝配圖見(jiàn)附錄。 四、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 1、確定硬件電路總體方案: 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來(lái)由以下四部分組成： ① 主控制器：就是中央處理單元CPU。 ② 總線：包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）、控制總線（CB）。 ③ 存儲(chǔ)器：包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 ④ 接口：即I/O輸入/輸出接口電路。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下： 控制系統(tǒng)硬件框圖 除此之外，還要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求配備一些外圍設(shè)備和信號(hào)變換電路。其中信號(hào)變換電路是A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大等，是實(shí)現(xiàn)微機(jī)與控制對(duì)象之間的信號(hào)匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路。它們可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求選取。 2、主控制器CPU的選擇： 在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素： （1） 時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)（控制數(shù)據(jù)處理的速度）； （2） 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器（ROM/RAM）的容量； （3） 指令系統(tǒng)功能是否強(qiáng)； （4） I/O口擴(kuò)展的能力； （5） 開(kāi)發(fā)手段（包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件電路）。 3、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì): ①程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用EPROM。其型號(hào)分別是2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分別是2k、4k、8k、16k、32k。要注意8031所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM所要求的讀取時(shí)間。 ②地址鎖存器74LS373 單片機(jī)規(guī)定P0口提供低8位地址線，同時(shí)又要作數(shù)據(jù)線，所以是分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來(lái)保存，以便為外接存儲(chǔ)器提供低8位地址信息，一般采用74LS373作為地址鎖存器，并由CPU發(fā)出地址允許鎖存信號(hào)ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。 ③有關(guān)程序存儲(chǔ)器和地址鎖存器的接線圖參見(jiàn)控制部分的電氣原理圖。 ④數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 因?yàn)?031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，需擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116和6264靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其選用的規(guī)則與EPROM程序存儲(chǔ)器的要求相同。有關(guān)它的接線圖也參見(jiàn)控制部分的電氣原理圖。 ⑤譯碼電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過(guò)總線與單片機(jī)連接。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故要進(jìn)行片選控制。片內(nèi)有多個(gè)字節(jié)單元時(shí)，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選則。 由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，因此，單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼方法。 4、I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì): 8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可提供給用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免的要進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。 其中通用可編程接口芯片8155與微機(jī)的接口較為簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用的接口芯片。 5、鍵盤(pán)、顯示接口電路: 鍵盤(pán)、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都用行列式鍵盤(pán)，即用I/O口線組成行、列接構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。 數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器），為了方便顯示圖形，也有用CRT接口顯示方式的系統(tǒng)。 6、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路: 步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電動(dòng)機(jī)，在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的角位移僅與控制脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速僅與控制脈沖頻率成正比。在多數(shù)情況下，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)中不需要A/D或D/A轉(zhuǎn)換，可采用較為簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床最主要的一種的伺服驅(qū)動(dòng)單元。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由圖5所示四部分組成。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 ①計(jì)算機(jī)接口 在數(shù)控系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)接口電路至關(guān)重要。沒(méi)有它將無(wú)法實(shí)現(xiàn)微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。如前所述，8031系列單片機(jī)含有4個(gè)并行輸入/輸出口，提供32根I/O線。其中P1口可供用戶使用，作為步進(jìn)電機(jī)及其他控制對(duì)象的接口。也可以采用8155或8255（8255功能與8155相似，可參看有關(guān)資料）等可編程并行輸入、輸出接口芯片設(shè)計(jì)擴(kuò)展接口電路，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)與其它外部設(shè)備。 ②脈沖分配器 脈沖分配器又叫環(huán)形分配器，是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)比不可少的環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)的控制方式由環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。在數(shù)控系統(tǒng)中通常使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。 集成脈沖分配器，按其電路結(jié)構(gòu)不同分為T(mén)TL集成電路和CMOS集成電路。目前市場(chǎng)上提供的TTL產(chǎn)品有YB013、YB014、YB015及YB016，分別為三相、四相、五相和六相。它們都是18個(gè)管角的直插式封裝。 軟件環(huán)形分配器用軟件編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，在數(shù)控機(jī)床教學(xué)實(shí)驗(yàn)中已詳細(xì)地介紹了軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)方法，不在贅述。 ③隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高（幾十伏），電流也較大（幾安到幾十安），如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電氣干擾。輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常進(jìn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和接口電路的破壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。 光電耦合器由發(fā)光器件和受光器件組成，聯(lián)結(jié)發(fā)光源的引線作為輸入端，聯(lián)接受光器件的引線為輸出端。通常發(fā)光器件是發(fā)光二極管，受光器件是光敏三極管。圖6是型號(hào)4N25光電耦合器的引腳與接線圖。圖（a）為共集電極輸出型，圖（b）為共發(fā)射極輸出型。當(dāng)輸入信號(hào)Vt加到輸入端時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通激發(fā)發(fā)出紅外光，受光三極管受光照射后，由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流，通過(guò)輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了以光為媒介的電信號(hào)傳輸。輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。 由于光電耦合器非線性失真大，不適合傳輸模擬信號(hào)，一般只用于進(jìn)行開(kāi)關(guān)量的傳輸及電平轉(zhuǎn)換。 4N25型光電耦合器引腳與接線圖 ④功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，必須將其輸出的信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 功率放大器按其結(jié)構(gòu)不同分為單電源型和雙電源型。前者電路設(shè)計(jì)為單電壓供電，僅在步進(jìn)電機(jī)的繞組回路串聯(lián)一個(gè)小于10歐的電阻，以增大功率放大器負(fù)載回路的電阻，使步進(jìn)電機(jī)繞組中電流上升的時(shí)間常數(shù)減小，提高上升沿的陡度。（τ=L/R） 雙電源型采用高低壓供電電路，在功率放大器導(dǎo)通初始時(shí)，加上比額定電壓高幾倍的電源供電，使電動(dòng)機(jī)繞組電流從零很快增大，當(dāng)電流升到接近額定值時(shí)切斷高電壓電源而由額定電壓為繞組提供正常工作電流。 單電源功率放大器線路簡(jiǎn)單，但效率不高，只適用小功率的步進(jìn)電機(jī)。目前我國(guó)步進(jìn)電機(jī)的功率放大器以由生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出系列化產(chǎn)品，所以在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床控制電路時(shí)不必考慮其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，只需要根據(jù)選用的步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。 7、其它輔助電路設(shè)計(jì) ①8031的時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。 內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件。晶體可在1.2~12MHz之間任選，耦合電容在5~30pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部方式時(shí)，可以把XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。 ②復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU就從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。一般數(shù)控系統(tǒng)都采用上電與按鈕復(fù)位組合，如圖7所示。上電瞬間，RC電路允許，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上的高電平，單片機(jī)就有效復(fù)位。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中若有些需要復(fù)位的芯片其復(fù)位電平與8031復(fù)位要求一致，就可直接相連。當(dāng)晶振頻率選用6MHz時(shí)，復(fù)位電路中C取22μF，R取200Ω，Rk取1kΩ。為了保證復(fù)位可靠，通常采用如圖8所示的實(shí)用復(fù)位電路。 復(fù)位電路 ③越界報(bào)警電路 為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。如是兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)，則有4個(gè)方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，應(yīng)立即停止工作臺(tái)移動(dòng)，可通過(guò)光電耦合器的輸入隔離電路如圖9所示。行程開(kāi)關(guān)接到發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接到8031的I/O口P1.0。當(dāng)任何一個(gè)方向的行程開(kāi)關(guān)被壓下，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變?yōu)楦唠娖健?031可用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢測(cè)有無(wú)越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接到8031的外部中斷引腳（INT0或INT1），采用中斷方式檢測(cè)越界信號(hào)。（為了報(bào)警，可以設(shè)置發(fā)光二極管，工作時(shí)不亮，有越界信號(hào)時(shí)，紅燈亮，指示工作臺(tái)越過(guò)極限位置。） 8、電氣原理見(jiàn)附錄 五、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 1、系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾部分內(nèi)容。 ①、系統(tǒng)管理程序 它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其主要功能是：（1）接收操作者的命令；（2）執(zhí)行命令；（3）從命令處理程序返回到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。 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(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。 ③、插補(bǔ)程序 插補(bǔ)程序根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，分配進(jìn)給脈沖。 ④、伺服控制程序 伺服控制程序根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)角及方向。 ⑤、診斷程序 診斷程序包括移動(dòng)部件移動(dòng)越界處理、緊急停機(jī)處理、系統(tǒng)故障診斷、查錯(cuò)等功能。 ⑥、機(jī)床的自動(dòng)加工與手動(dòng)控制程序 在調(diào)整機(jī)床時(shí)往往需要機(jī)床的手動(dòng)控制。 ⑦、鍵盤(pán)操作和顯示處理程序 鍵盤(pán)操作和顯示處理程序的功能包括監(jiān)視鍵盤(pán)操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。 2、程序設(shè)計(jì)技術(shù) 系統(tǒng)控制軟件根據(jù)系統(tǒng)功能的要求而設(shè)計(jì)，應(yīng)可靠的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí)必須詳盡而細(xì)致地分析系統(tǒng)控制對(duì)象的特點(diǎn)及對(duì)控制功能的要求。在確定好控制方式、計(jì)算方法和控制順序后，將其處理順序用框圖描述出。系統(tǒng)控制軟件通常用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。 程序設(shè)計(jì)的方法通常有：模塊化程序設(shè)計(jì)和自頂向下程序設(shè)計(jì)。 3、步進(jìn)電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度、轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí)，由于負(fù)載和慣性，會(huì)使電機(jī)失步，所以步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)有一個(gè)加、減速過(guò)程。 通過(guò)確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。 經(jīng)過(guò)計(jì)算知加、減速脈沖個(gè)數(shù)都為27個(gè)。 因?yàn)?，所? 計(jì)算時(shí)要根據(jù)脈沖時(shí)刻tn查時(shí)間常數(shù)表，得脈沖時(shí)間間隔T， 再由Te=T×10-3/（te×10-6）求出時(shí)間常數(shù)Te， 式中：T——脈沖時(shí)間間隔（ms）；te——單片機(jī)機(jī)器周期（μs），在時(shí)鐘為6MHz時(shí)，te≈2μs。 在EPROM存儲(chǔ)器中，時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中，每個(gè)時(shí)間常數(shù)占兩個(gè)字節(jié)，低位地址存放時(shí)間常數(shù)低8位，高位地址存放時(shí)間常數(shù)高8位。 在程序中，設(shè)置加速、恒速、減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0、N1、N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過(guò)程（加速、恒速或減速）是否結(jié)束的標(biāo)志。 步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖見(jiàn)圖10。 步進(jìn)電機(jī)控制子程序（后臺(tái)程序）流程圖 （b）步進(jìn)電機(jī)控制中斷服務(wù)程序流程圖 4、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) （1）內(nèi)存地址分配 加速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0地址設(shè)為20H。 恒速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N1低8位字節(jié)NIL地址21H，高8位字節(jié)地址22H。 減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N2地址23H。 加速、恒速、減速脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)NL地址為24H，高位字節(jié)NH地址為25H。 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址為0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給一步。 （2）程序清單 N0 EQU 20H ；加速 NIL EQU 21H ；恒速 NIH EQU 22H ；恒速 N2 EQU 23H ；減速 NL EQU 24H ；脈沖總數(shù)寄存器 NH EQU 25H DS EQU 26H ；地址指針偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H 0E00 758160 START：MOV SP，#60H ；程序開(kāi)始 0E03 758901 MOV TMOD，#01H ；設(shè)計(jì)數(shù)器是工作方式1，16位定時(shí)器 0E06 75201B MOV N0，#1BH ；設(shè)N0初值為27 0E09 75231B MOV N2，#1BH ；設(shè)N2初值為27 0E0C E520 MOV A，N0 ；計(jì)算2×N0 0E0E 23 RL A 0E0F F8 MOV R0，A 0E10 C3 CLR C ；計(jì)算N1=N-2N0 0E11 E524 MOV A，NL 0E13 98 SUBB A，R0 0E14 F521 MOV NIL，A ；恒速計(jì)數(shù)器賦值（低位） 0E16 E525 MOV A，NH 0E18 9400 SUBB A，#00H 0E1A F522 MOV NIH，A ；恒速計(jì)數(shù)器賦值（高位） 0E1C 901000 MOV DPTR，#1000H ；設(shè)時(shí)間常數(shù)地址指針初值1000H 0E1F 752600 MOV DS，#00H ；設(shè)地址偏移量初值為00H 0E22 93 MOVC A，＠A+DPTR ；從EPROM中讀取時(shí)間常數(shù) 0E23 F58A MOV TL0，A ；送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器0中 0E25 0526 INC DS 0E27 E526 MOV A，DS 0E29 93 MOVC A，＠A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A 0E2C 0526 INC DS 0E2E D2AF SETB EA ；置中斷使能控制器IE的EA位（即開(kāi)中斷允許） 0E30 D2A9 SETB ET0 ；允許定時(shí)器0中斷 0E32 D28C SETB TR0 ；啟動(dòng)定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)數(shù) 0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回 0E37 22 RET 中斷服務(wù)程序： ORG 000BH ；定時(shí)器0中斷入口地址 000B 020F00 LJMP 0F0CH ORG 0F00H 0F00 E526 INT：MOV A，DS ；送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器0中 0F02 93 MOVC A，＠A+DPTR 0F03 F58A MOV TL0，A 0F05 0526 INC DS 0F07 E526 MOV A，DS 0F09 93 MOVC A，＠A+DPTR 0F0A F58C MOV TH0，A 0F0C 0526 INC DS ；修改地址便移量指針 0F0E D180 ACALL FEED ；調(diào)FEED子程序，使電機(jī)進(jìn)給一步 0F10 E520 MOV A，N0 ；判斷N0是否為0，為0則轉(zhuǎn)入恒速 0F12 B40012 CJNE A，#00H，LOOP1 0F15 E522 MOV A，NIL ；判斷N1是否為0，為0則轉(zhuǎn)入減速 0F17 B40010 CJNE A，#00H，LOOP2 0F1A E522 MOV A，NIH 0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP2 0F1F E523 MOV A，N2 ；判斷N2是否為0 0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP3 0F24 C2AF CLR EA ；N2為0，減速結(jié)束，關(guān)中斷 0F26 32 RETI ；中斷返回 0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0不為0，則N0=N0-1 0F29 32 RETI 0F2A E521 LOOP2：MOV A，NIL ；N1不為0，則N1=N1-1 0F2C C3 CLR C 0F2D 9401 SUBB A，#01H 0F2F F521 MOV NIL，A 0F31 E522 MOV A，NIH 0F33 9400 SUBB A，#00H 0F35 F522 MOV NIH，A 0F37 32 RETI 0F38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不為0，則N2=N2-1 0F3A 32 RETI 六、課程設(shè)計(jì)的心得和體會(huì) 這次的課程設(shè)計(jì)是跟我們所學(xué)專(zhuān)業(yè)密切相關(guān)的，就是用我們所學(xué)的知識(shí)去設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)電一體化的產(chǎn)品—數(shù)控機(jī)床，從剛開(kāi)始的不知從何入手到慢慢的開(kāi)始找到方法，體會(huì)到了要學(xué)會(huì)查資料文獻(xiàn)來(lái)解決問(wèn)題的方法，在畫(huà)圖過(guò)程中也遇到了諸多的問(wèn)題，整體的布局，局部的表達(dá)，不知道該如何在圖上表達(dá)工件，最后經(jīng)問(wèn)同學(xué)問(wèn)老師，慢慢的解決了，但是我相信這個(gè)圖里還有很多不正確不合理的地方，不過(guò)我想隨著實(shí)踐的增多閱歷的增加，以后的設(shè)計(jì)會(huì)逐漸的更具有實(shí)踐性。對(duì)于圖中的錯(cuò)誤，懇請(qǐng)老師指出，也希望老師多多包涵，我會(huì)盡力去改正！ 七、參考資料 [1] 傅曉林，機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)，重慶交通大學(xué)，2005 [2] 張建民, 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì), 高等教育出版社, 2001. 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