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東華理工大學長江學院
畢 業(yè) 設 計
題 目：基于單片機控制的X-Y工作臺機電系統(tǒng)設計
英文題目：Based on single chip microcomputer control of the X-Y workbench mechanical and electrical system design
學生姓名： 歐陽昌馳
學 號： 08315114
專 業(yè)： 機械電子工程
系 別： 機電工程系
指導教師： 萬智輝 職稱 講師
二零一二年六月
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 摘要
摘 要
本設計主要是基于數控銑床工作原理，根據設計任務給定的工作尺寸設計一臺比較簡單的X-Y數控銑床工作臺。
首先，確定總體設計方案：其中主要對導軌副、絲杠螺母副、減速裝置的選用及控制系統(tǒng)的設計進行初步分析，再繪制總體方案圖。
其次，進行機械傳動部件的計算與選擇：主要進行導軌上移動部件的重量估算，銑削力的計算，直線滾動導軌副的計算與選型，滾珠絲杠螺母副的計算與選型，步進電機減速箱的選用，步進電動機的計算與選型。本部分作為此設計重點，進行了大量的分析、計算及驗算，最后得到滿足任務規(guī)定尺寸的工作要求。
接著，對X-Y工作臺的控制系統(tǒng)進行選擇。本設計主要選用8051單片機進行控制,并進行了簡單的匯編編程。
最后，控制系統(tǒng)的設計。此處主要通過進給傳動系統(tǒng)來對硬件電路進行設計,并繪制控制系統(tǒng)原理框圖；然后分析選用了步進電動機的驅動電源。
關鍵詞：數控銑床； 控制系統(tǒng)； 總體設計
4
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 Abstract
Abstract
This design is based on the CNC milling machine works, according to the design task given the size of the work to design a relatively simple economic XY CNC milling machine table.
First, determine the overall design: including a preliminary analysis of the Guide way,screwnut, deceleration device selection and control system design, and then draw ageneral scheme in Figure.
Secondly, the calculation and selection of mechanical drive components: the weight of moving parts in the rail estimates, the calculation of the milling force, linear rolling the Guide way the calculation and selection of, the calculation and selection of the ball screwnut, step into the motor to the gearbox selection, calculation and selection of the stepper motor. This section as the design focus a great deal of analysis, calculation and checking , and finally get to meet the mandate of the size of the job requirements.
Then, the control system of the XY table to choose. The design of the main selection of the 8051 microcontroller to control, and simple assembly programming.
Finally, the control system design. Here mainly through into the transmission system to the hardware circuit design, and draw the control system block diagram; then analyzed and chosen stepper motor drive power.
Key words：CNC milling machine； control system； overall design
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 目錄
目 錄
緒 論 1
1. 設計任務 3
1.1 畢業(yè)設計題目 3
2.整體方案的確定 4
2.1 系統(tǒng)總體框圖 4
2.2 系統(tǒng)運動方式和伺服系統(tǒng) 4
2.3 機械部件的計算及選擇 4
2.4 計算機控制系統(tǒng)的選擇 4
3. 機械設計部分 5
3.1 工作臺重量初步估算 5
3.2 銑削力的計算 5
3.3 直線滾動導軌副的計算和選擇 6
3.4滾珠絲桿螺母副的計算和選擇 7
3.4.1 最大工作載荷Fmax 7
3.4.2 最大動載荷FQ 7
3.4.3 滾珠絲桿副的型號選擇及傳動效率 8
3.4.4 滾珠絲桿的剛度驗算 8
3.5步進電動機的計算及型號選擇 9
3.5.1 步進電動機的特點 9
3.5.2 步進電動機減速箱的選擇 9
3.5.4 步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Tep1 10
3.5.5步進電動機的選擇 12
3.5.6 步進電動機的性能校核 12
3.5.7電動機特性分析及細分驅動控制 13
3.5.8步進電機驅動電源選用 14
4. 控制系統(tǒng)的硬件選擇 15
4.1數控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成 15
4.2主控制器CPU的選擇 16
4.3 存儲器擴展電路設計 17
4.3.1 程序存儲器的擴展 17
4.3.2 數據存儲器的擴展 17
4.3.3 I/O擴展電路設計 17
5. 數控系統(tǒng)電路設計 18
6. 系統(tǒng)控制軟件的設計 19
6.1系統(tǒng)控制功能分析 19
6.2系統(tǒng)管理程序控制 19
6.3自動加工程序設計 20
6.4步進電機子程序控制設計 21
6.5內存地址分配 24
結 論 25
致 謝 26
參考文獻 27
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 緒論
緒 論
1. 國內外現狀
數控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征,而且隨著數控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大,它對國計民生的一些重要行業(yè)IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面:
(1)高速、高精加工技術及裝備的新趨勢
效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率,提高產品的質量和檔次 ,縮短生產周期和提高市場競爭能力。從 EMO2001 展會情況來看,高速加工中心進給速度可達 80m/min ,甚至更高,空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠,包括我國的上海通用汽車公司,已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。在加工精度方面,近 10 年來,普通級數控機床的加工精度已由10提高到5,精密級加工中心則從3～5,提高到1～1.5并且超精密加工精度已開始進入納米級0.1。為了實現高速、高精加工,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展 ,應用領域進一步擴大。
(2) 智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
21世紀的數控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),智能化的內容包括在數控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質量方面的智能化,如加工過程的自適應控制,工藝參數自動生成;為提高驅動性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數控系統(tǒng)開放化已經成為數控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數控系統(tǒng)就是數控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上,面向機床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁結構對象 數控功能 ,形成系列化,并可方便地將用戶的特殊應用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統(tǒng),形成具有鮮明個性的名牌產品。目前開放數控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數控系統(tǒng)功能庫以及數控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。網絡化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求,也是實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元 ,反映了數控機床加工向網絡化方向發(fā)展的趨勢。
2. 選題的意義
隨著現代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的滲透，促進了工程領域的技術改革。由于計算機技術和微電子技術的迅速發(fā)展并被機械工業(yè)領域應用從而形成了機電一體化，使得機械工業(yè)的產品結構、技術結構、功能和生產管理體系發(fā)生了巨大的變化，也使得工業(yè)生產從“機械電氣化”邁進了“機電一體化”的發(fā)展階段。
X-Y數控工作臺是很多機電一體化設備的基本部件，比如數控銑床、數控鉆床的X-Y工作臺。X-Y數控工作臺通常是由導軌座、移動滑塊、滾珠絲桿螺母副及伺服電動機等部件構成。伺服電動機主要是用于驅動滾珠絲桿，滾珠絲桿螺母驅動滑塊和工作臺在指定的導軌上運動，從而完成工作臺在XY兩個方向的直線運動。
現在大部分使用的數控銑床都是集機械制造、自動控制、電子技術、傳感技術、計算機技術及網絡通訊技術于一體的典型機電一體化產品。
3. 選題的目的
X-Y數控工作臺機電系統(tǒng)設計是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結構簡單、實現方便而且能夠保證一定的精度、降低成本,是單片機控制技術的最簡單的應用。它充分的利用了單片機的軟件硬件功能以實現對機床的控制，使機床的加工范圍擴大,精度和可靠性進一步得到提高。
因此通過此次設計，能使我更全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數控機床的基本組成及其相關知識，學習總體的方案擬定、分析與比較的方法。同時通過對機械系統(tǒng)的設計，掌握幾種典型傳動元件與導向元件的工作原理，設計計算及選用的方式，常用伺服電機的工作原理、計算控制方法與控制驅動方式。
不僅能鞏固專業(yè)上的知識，還能使我的獨立分析問題和解決問題的能力得到鍛煉，學習并樹立“系統(tǒng)設計”的思想，提高我對查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力。
27
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 設計任務
1. 設計任務
1.1 畢業(yè)設計題目
設計一套供立式數控銑床使用的X-Y數控工作臺，主要參數如下：加工材料選擇碳素鋼；立銑刀最大的直徑為d=10mm，齒數為Z=3，最大銑削寬度=10mm，最大的背吃刀量=8mm；X、Y方向的定位精度為±0.01mm；工作臺面尺寸為200mm×180mm，加工范圍為230mm×210mm；工作臺空載時進給的最快移動速度為，最大負載時進給的最快移動速度，加減速時間為0.4s。
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 整體方案的確定
2. 整體方案的確定
數控系統(tǒng)總體方案設計內容包括：系統(tǒng)總體方案框圖、系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構傳動方式的確定、計算機系統(tǒng)的選擇等內容。應根據設計任務和要求提出系統(tǒng)的總體方案并對方案進行分析、比較、論證。
2.1 系統(tǒng)總體框圖
圖2-1 系統(tǒng)總體框圖
2.2 系統(tǒng)運動方式和伺服系統(tǒng)
因為此次設計的X-Y工作臺是裝配到數控銑床上，它的控制系統(tǒng)應該具有的功能有：單坐標定位、兩坐標直線查補和圓弧查補，所以控制系統(tǒng)應該采用連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到加工精度的要求不高，故采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.3 機械部件的計算及選擇
1.確定脈沖當量；導軌上移動部件的重量估算；
2.傳動零件的計算和選擇，其中包括導軌副、絲杠螺母副等一些傳動零件；
3.伺服電機的計算和選擇；
4.減速裝置的計算和選擇。
2.4 計算機控制系統(tǒng)的選擇
X-Y數控工作臺機電系統(tǒng)設計是用8051單片機,及2764、6264存儲器及8155芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定程序就可以實現一定的加工功能。主要思想是:通過圓弧或者直線插補程序以實現對零件進行幾何加工,每進行一段加工都要產生一定的脈沖以驅動電機正反轉,同時通過8155將相應的加工進刀信息送至刀架庫中以實現以之相應走刀,電機和刀具的相對運動所以實現了刀具對工件的加工。
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 機械設計部分
3. 機械設計部分
機械設計部分：確定系統(tǒng)脈沖當量、工作臺外形尺寸及重量估算、滾動導軌副和滾珠絲的計算及選擇、齒輪計算和設計、步進電機的相關計算和選擇。
3.1 工作臺重量初步估算
根據給定的有效行程，畫出工作臺簡圖
設計工作臺簡圖如圖3-1所示：
圖3-1 工作臺簡圖
工作臺導軌上面的移動部件包括：工件、工作平臺、夾具、上層電動機、減速箱、滾珠絲桿副、直線滾動導軌副、導軌座等等一些部件，估算重量約為619.5N。
3.2 銑削力的計算
因為立式數控銑床的加工方式是立式銑削，采用材料成分為碳鋼的硬質合金立銑刀。經查表可知計算銑削力的公式為：
考慮到有不對稱銑削：
最大銑削寬度=10mm；每齒進給量=0.1mm；銑刀直徑=10mm；背吃刀量為8mm；銑刀轉速=300r/min；齒數Z=3；
代入公式可得最大銑削力：
o
=≈1394N
銑削條件
比值
不對稱銑削
逆銑
順銑
圓柱銑削
1.0-1.20
0.8-0.90
0.2-0.3
0.75-0.80
0.35-0.40
0.35-0.40
表3-1 銑削力的比值
經查表3-1可知：在逆銑的情況下，三個方向的銑削力分別為：
,，
在立銑的情況下，工作臺在垂直方向受到的銑削力為==530N,在水平方向收到的銑削力有兩個，分別是和。然后將水平方向那個大的銑削力分配到工作臺的絲桿軸線方向，那么可知：
縱向銑削力：
徑向銑削力：
3.3 直線滾動導軌副的計算和選擇
直線滾動導軌副的使用壽命主要是受工作載荷的影響。本次設計的X-Y工作臺采用的是雙導軌和四個滑塊進行支撐。這里只需考慮極限情況下，即垂直臺面的工作載荷全部作用在一個滑塊上，那么該滑塊所承受的最大垂直方向載荷力為：
根據查表后，我選擇KL系列的JSA-LG20型直線滾動導軌副，額定動載荷為，額定靜載荷。
已知工作臺面尺寸為200×180mm,加工范圍為230×210mm，按標準系列選取導軌的長度為580mm，因為這里需要考慮到部件運行的行程要有一定的余量。
通過查表得知KL系列的JSA-LG20型導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度應小于100℃，每根導軌上裝有兩塊滑塊，精度是4級。通過查表我選取硬度系數、溫度系數、接觸系數、精度系數、載荷系數。
通過距離額定壽命計算公式可得出：
遠遠大于期望的距離額定壽命，那么改導軌副的選擇合理。
3.4滾珠絲桿螺母副的計算和選擇
3.4.1 最大工作載荷Fmax
在銑床進行立銑的時候，工作臺所受絲杠軸線方向的載荷，所受縱向的載荷，所受垂直方向的載荷，已算出工件總重量為619.5N。
通過查表可知： 矩形導軌的顛覆力矩影響系數K=1.1；
滾動導軌的滑動摩擦因數=0.005。
因此通過最大工作載荷計算公式可算出：
3.4.2 最大動載荷FQ
當工作臺在承受最大銑削力時的最高移動速度時，選取絲杠的導程，那么可以算出絲杠轉速。
因為一般數控機床的及一般機電設備的使用壽命約為15000h，所以這里我也取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入滾珠絲杠副的壽命計算公式得：
（）；
根據查表以及結合銑床在實際加工時的情況，這里我選取載荷系數，滾道的硬度為60HRC，硬度系數，
代入最大動載荷公式可得：
3.4.3 滾珠絲桿副的型號選擇及傳動效率
根據已初步選取的導程和計算出的最大動載荷，再經過查表之后，我選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產制造的G系列3205—3型滾珠絲杠副，它的公稱直徑為=32mm，導程為=5mm，循環(huán)滾珠為3圈×2列，額定動載荷為10678N，大于計算的最大動載荷，所以該滾珠絲杠副能滿足要求。
再根據該滾珠絲桿副的參數代入傳動效率公式，可以算出：
又因為：摩擦角
所以傳動效率為：
3.4.4 滾珠絲桿的剛度驗算
本次設計的X-Y工作臺的工作方式有兩種，上層為Y向運動，下層為X向運動，都是使用滾珠絲桿副進行支承，絲杠兩端都使用兩個推力角接觸球軸承。左右支承的中心距離約，鋼的彈性模量是E=2.1×MPa。又通過查表可知，G系列3205-3系列的滾珠絲杠副的滾珠直徑為=3.175mm，絲杠底徑為=28.2mm，那么可求得：
（1）絲杠截面積：
（2）絲杠在工作載荷作用下的拉/壓變形量：
（3）單圈滾珠數：
因此可知該絲杠是單螺母的，又查表得知，循環(huán)滾珠是3圈×2列；
（4）代入滾珠總數量公式：=Z×圈數×列數=192
（5）絲杠預緊時的軸向預緊力：
（6）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量：
因為絲杠有預緊力作用，所以實際變形量約為理論數據的一半，所以實際變形量；
（7）580mm跨度的絲杠總變形量：
經查表可知：4級精度滾珠絲杠有效行程在580mm時的行程偏差允許值為15，遠大于所求的絲杠總變形量，滿足使用；
（8）因為X-Y工作臺上下兩層滾珠絲桿副采用的支承都是采用單推-單推的方式，所以查表可知支承系數，代入截面慣性矩公式：
絲杠臥式水平安裝的壓桿穩(wěn)定安全系數K=3，同時滾動螺母至軸向固定出的最大距離=580mm，代入滾珠絲杠穩(wěn)定性驗算公式：
遠遠大于最大工作載荷=1695N，所以該絲桿穩(wěn)定，不會出現失穩(wěn)狀況。
因此本設計選用濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的G系列3205-3型滾珠絲桿副可行。
3.5步進電動機的計算及型號選擇
3.5.1 步進電動機的特點
步進電動機也叫脈沖電動機，，它是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元件。步進電動機輸出的角位移與輸入的脈沖個數成正比，在時間上與輸入脈沖同步。所以只要控制輸入脈沖的數量、頻率和電動機繞組的通電順序，就可以得到想要的轉角、轉速和轉動方向。在無脈沖的輸入的情況下，在繞組電流的激勵下，步進電動機可以鎖相。
步進電動機結構簡單、制造容易、價格低廉。它的轉子轉動慣量小、動態(tài)響應塊、起停容易，正反轉和無級變速也容易實現。它的缺點主要有：低頻時有振蕩、速度不夠均勻、在高速時輸出轉矩減小。
3.5.2 步進電動機減速箱的選擇
在步進電動機的輸出軸上裝配一個齒輪減速箱，不僅可以有效的增大步進電動機的輸出轉矩，而且也能讓工作臺和滾珠絲桿的轉動慣量傳遞到電動機軸上盡量的小些。同時考慮到應該有消除間隙機構，所以應該采用無間隙齒輪傳動減速箱。
根據給定的參數可知工作臺的脈沖當量，滾珠絲桿的導程，再經過查表先預選步進電動機的步矩角。
可求得減速比為：
經查表之后我選JBF—3型齒輪減速箱。大小齒輪的模數都是1mm，齒數比是，材料選45調質鋼，齒表面淬硬后能有55HRC。減速箱中心距為[（75+36）1/2]mm=55.5mm,小齒輪厚度為15mm，雙片大齒輪厚度均為15mm。
3.5.3 步進電動機轉軸上的總轉動慣量Jep的計算
加在步進電動機轉軸上的總轉55動慣量是伺服系統(tǒng)的主要參數之一，它對電動機的選擇有重要的意義。的主要參數包括：電動機轉子的轉動慣量、減速裝置和滾珠絲杠以及移動部件等這算到電動機轉軸上的轉動慣性等。
根據前面給定和選取的參數有：滾珠絲桿的總長=580mm，公稱直徑=32mm，導程=5mm，材料密度，移動部件的總重力G=619.5N，小齒輪寬度取15mm，直徑36mm；大齒輪寬度也取15mm，直徑=75mm；傳動比是25/12。根據這些參數可算出：
滾珠絲桿的轉動慣量：
小齒輪的轉動慣量：
大齒輪的轉動慣量：
拖板這算到絲杠上的轉動慣量：
再選擇常州寶馬集團公司生產的型號為110BC380F的步進電動機，該步進電動機三相六拍驅動時步矩角為，電動機的轉子轉動慣量為。
因此可求的步進電動機轉軸上的總轉動慣量是：
3.5.4 步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Tep1
步進電動機轉軸所承受的負載轉矩在不同的工況下是不一樣的。一般情況下只考慮兩種情況：一種是快速空載啟動（負載為0），另一種是承受最大的工作負載。
（1）空載啟動時電動機轉軸承受的負載轉矩=
其中電動機轉軸上的最大加速轉矩：
式中：為傳動鏈的總效率，因為在步進電動機空載啟動時需要考慮的存在，這里取0.7；為對應空載最快移動素的的步進電動機的最高轉速，單位是r/min；為步進電動機從靜止到加速至轉速所需時間，單位是s；為步進電動機的步矩角，數值選取。
移動部件運動時這算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：
式中：為導軌的摩擦因數，其中滾動導軌的摩擦因數為0.005；為垂直方向的銑削力，當工作臺空載運行時為0。
因此步進電動機空載時轉軸所承受負載轉矩為：
（2）步進電動機轉軸在最大工作負載狀態(tài)時承受的負載轉矩
其中：；
；
相對于和來說很小，可以忽略不計。
則：
（3）確定步進電動機的最大等效負載轉矩
結合和可知加在步進電動機轉軸最大的等效負載轉矩應該是：
3.5.5步進電動機的選擇
在選取步進電動機最大靜轉矩的時候，要考慮安全系數K的選擇，這里我選擇K=4，則步進電動機的最大靜轉矩：，而通過查表3-1可知選取的110BC380F型步進電動機的最大靜轉矩為，遠大于計算得出的最大靜轉矩，因此該步進電動機滿足工作要求。
型號
反應式步進電機的技術參數
110BC380F
相數
步距角
電壓
電流
最大靜轉矩
空載起動頻率
空載運行頻率
轉動慣量
3
0.75/ 1.5
80~300V
6A
11.76N.m
1200Hz
12000Hz
9
表3-1 反應式步進電機技術參數表
3.5.6 步進電動機的性能校核
（1)最快工進速度時電動機的輸出轉矩校核：
參數給定工作臺最快工進速度=500mm/min，脈沖當量脈沖，可以得出電動機對應的運行頻率。從110BC380F電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩6.6Nm，遠遠大于最大工作負載轉矩=0.840Nm，滿足要求。
（2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核：
參數給定工作臺最快空載移動速度=2500mm/min，求出其對應運行頻率。在此頻率下，電動機的輸出轉矩=2.4Nm，大于快速空載起動時的負載轉矩=0.440Nm，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=2500mm/min對應的電動機運行頻率為。查表知110BC380F電動機的空載運行頻率可達10000，可見沒有超出上限。
（4）起動頻率的計算：
已知電動機轉軸上的總轉動慣量，電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率。步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：
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。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100。
綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用110BC380F步進電動機，完全滿足設計要求。
3.5.7電動機特性分析及細分驅動控制
步進電機的控制方式是通過脈沖分配器來實現，其主要作用是將數控裝置傳送的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序傳輸給步進電機的各相繞組，實現電機正反轉。數控系統(tǒng)中通常都使用軟件脈沖分配器和集成脈沖分配器。結合本設計的實際情況決定采用集成脈沖分配器YB013。
因為步進電機采用的工作方式是三相六拍（三個線圈A、B、C），其正轉的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。
步進電動機驅動系統(tǒng)主要是由步進電動機驅動器和步進電動機構成。步進電動機驅動系統(tǒng)的性能，不但要取決于步進電動機啟動器的好壞，也取決于步進電動機的自身性能。步進電動機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行元件。當步進電動機驅動器接收到一個來自控制器的脈沖信號時，它就驅動步進電動機按照設定的方向轉動一個固定的步矩角，它的旋轉是通過固定的步矩角一步一步轉動來運行的。
步進電動機不能直接接通直流或交流電源工作，必須使用步進電動機驅動器。脈沖信號發(fā)生器可以通過控制脈沖的個數來控制角位移量，這樣可以進行準確定位；同時步進電動機的速度和加速度可以通過控制脈沖頻率來控制可，從而達到調速的目的。
3.5.8步進電機驅動電源選用
本設計中X、Y向步進電動機均為110BC380F型，工作方式為三相六拍，與其相匹配的驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓為220VAC，相電流為6A。
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 控制系統(tǒng)的硬件選擇
4. 控制系統(tǒng)的硬件選擇
4.1數控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成
1、主控制器：即中央處理單元CPU。
2、總線：包括數據總線，地址總線，控制總線。
3、存儲器：包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數據存儲器。
4、I/O輸入輸出接口。
數控系統(tǒng)的硬件框圖如圖4-1所示：
存儲器RAM
ROM
中央處理單元CPU
外設：
鍵盤，顯示器，打印機，磁盤機，通訊接口等
輸入/輸出
I/O接口
信號變換
控制對象
圖4-1 數控系統(tǒng)的硬件框圖
4.2主控制器CPU的選擇
MCS-51系列單片機是集中CPU，它有如下特點：
1.可靠性高
因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，故抗干擾的能力優(yōu)于PC機。系統(tǒng)軟件(如：程序指令，常數，表格)固化在ROM中，不易受病毒破壞。許多信號的通道均在一個芯片內，故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
2.控制功能強
具有豐富的控制指令，如：條件分支轉移指令，I/O口的邏輯操作指令，位處理指令。
3.便于擴展
片內具有計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴展用的(總線，并行和串行的輸入/輸出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機應用系統(tǒng)。
4.實用性好
體積小，功耗低，價格便宜，易于產品化。
綜合考慮之后，我選用8051芯片作為主控芯片。
4.3 存儲器擴展電路設計
4.3.1 程序存儲器的擴展
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。其型號有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為2k，4k，8k，16k，32k。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，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。
于8051芯片的P0口是分時傳送低8位地址線和數據線的，故8051擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是74LS373。
4.3.2 數據存儲器的擴展
由于8051芯片內部RAM只有128字節(jié)供用戶使用，遠不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴展片外的數據存儲器（RAM）。常用的數據存儲器有6116、6264、62128等，這里選用6264。
4.3.3 I/O擴展電路設計
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P1口及部分P3口線。因此要進行I/O口的擴展。8155為多功能的可編程接口芯片，內部包含有256字節(jié)RAM，兩個可編程8位并行口、一個6位并行口和一個14位的計數器。8155是8051單片機應用系統(tǒng)中最適用的外圍器件。數據存貯器是256x8位靜態(tài)RAM。I/O由三個通用口組成，其中的6位口可編程為狀態(tài)控制信號?？删幊痰?4位計數器/定時器用于給單片機系統(tǒng)提供方波或計數脈沖。8155與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 數控系統(tǒng)電路設計
5. 數控系統(tǒng)電路設計
本系統(tǒng)使用的控制器是以MCS-51系列8051單片機為主。擴展存儲器電路選1片2732EPROM和1片6264RAM。程序存儲器擴展為4K，數據存儲器擴展為8K。
2732的片選控制直接接地，在系統(tǒng)復位后，CPU從0000H開始執(zhí)行監(jiān)控程序，6264的片選端將由74LS138譯碼器的Y2輸出提供，所以6264的空間地址為4000H~ 5FFFH，系統(tǒng)的擴展借口I/O電路選用通用的可編程并行輸入/輸出借口芯片8155。8155的片選端接到74LS138譯碼器的Y4輸出端。所以8155控制命令寄存器及PA口、PB口、PC口的地址信號分別是8000H、8001H、8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H~80FFH。
8155的A口為控制工作臺X、Y向電機的接口。本系統(tǒng)X、Y方向的步進電動機都用110BC380F型步進電動機，軟件環(huán)形分配器控制，高低壓驅動電路。為了防止功率放大器高電壓的干擾，步進電機借口與功率放大器之間采用光電隔離。
鍵盤與顯示控制電路設計在一起，8155的PC口（PC0~ 5）擔任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制（字位線）；PB口的PB0~ PB3為鍵盤的行線；8051的P1口為顯示器的字形輸出口（數據緩沖）。本系統(tǒng)采用4×6共24個行列式鍵盤和六位八段共陰極LED顯示器。為了增加數碼管顯示亮度，分別在字形口與字位口加74LS07進行驅動。
PB口剩余的I/O線PB4~ PB7分別為工作臺+X、－X、+Y、－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。計算機限時巡回檢測PB4~PB7的電平，當某I/O口線為“0”電平時，應立即停止X、Y向步進電機的驅動，并發(fā)出報警信號。
此外，廣電隔離器的輸出端必須采用隔離電源。隔離電源選用的是7805三端集成穩(wěn)壓器設計。
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 系統(tǒng)控制軟件的設計
6. 系統(tǒng)控制軟件的設計
6.1系統(tǒng)控制功能分析
數控X-Y工作臺的控制功能包括：
（1）系統(tǒng)初始化：對I/O接口8155，8255A進行必要的初始化工作，預先設置接口工作方式控制字。
（2）工作臺復位：開機后工作臺應該自動復位，亦可手動復位。
（3）輸入和顯示加工程序。
（4）監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關：例如監(jiān)視緊急停機鍵和行程開關，鍵盤掃描等功能。
（5）工作臺的超程顯示和處理：工作臺位移超過規(guī)定值時應該馬上停止工作臺的運動，并立刻顯示相應的指示字符。
6.2系統(tǒng)管理程序控制
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圖6-1所示：
加工程序輸入鍵按下
機床復位
開始
系統(tǒng)初始化
自動加工鍵按下
手動加工鍵按下
加工數據輸入
自動加工
手動調整
N
N
N
Y
Y
Y
圖6-1 管理程序流程圖
6.3自動加工程序設計
（1）機床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位→刀具快速進給→加工→退刀→工作臺運動到下一位置；
（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；
（3）由以上分析，設計自動加工程序框圖如圖6-2所示：
入口
零件坐標地址指針
讀零件坐標
調步進電機子程序
工作臺移動到位
刀具快進
加工
快速退刀
零件坐標地址指針加一
零件加工完成
N
Y
返回
圖6-2 自動程序加工框圖
6.4步進電機子程序控制設計
步進電機控制主要包括速度、轉角和方向的控制。步進電機在突然啟動或者停止的時候，因為負載及慣性會使得電機失步，所以在步進電機運動的時候應該要有一個加減速的過程。
在通過確定步進電機進給脈沖數和脈沖時間間隔，就可以實現對步進電機速度和轉角的控制。以下是控制系統(tǒng)的時間常表6-1。
脈沖
時間間隔/ms
時間常數
脈沖
時間間隔/ms
時間常數
6.224
6.244
0C32H
24.184
0.820
019AH
8.832
2.587
050DH
24.977
0.793
018CH
10.816
1.985
03E0H
25.746
0.469
0180H
12.489
1.673
0344H
26.493
0.746
0175H
13.963
1.474
02E1H
27.219
0.726
016AH
15.296
1.333
029AH
27.926
0.707
0161H
16.521
1.226
0264H
28.615
0.690
0158H
17.662
1.414
023AH
29.289
0.673
0150H
17.773
1.071
0217H
29.947
0.658
0149H
19.746
1.013
01FAH
30.591
0.644
0142H
20.710
1.964
01E1H
31.222
0.931
013BH
21.631
0.921
01CCH
31.840
0.618
0135H
22.514
0.883
01B9H
32.447
0.607
012FH
23.364
0.850
01A3H
表6-1 控制系統(tǒng)的時間常數表
在EPROM中，時間常數依次存儲在首地址為1000H的存儲單元中。每個時間常熟占用兩個字節(jié)，地位存放的時間常數的低8位，高位存放的時間常數的高8位。
在程序中，設置加速、恒速和減速脈沖計數器。用計數器的值是否為0作為相應過程的結束標志。步進電機控制程序框圖見圖6-3：
開 始
送時間常數
步進電機走一步
時間常數地址指針+1
時間常數地址指針+1
關中斷
返回
圖6-3
6.5內存地址分配
加速脈沖計數器的地址為20H。
恒速脈沖計數器低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址為22H
減速脈沖計數器地址為23H，步進電機進給控制程序FEED的首地址為0E80H。
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 結論
結 論
X-Y數控工作臺的機電系統(tǒng)設計結合了機械設計和電子設計，需要對大學里所學的專業(yè)知識進行一個綜合的應用。通過這次畢業(yè)設計，讓我又重新鞏固了以前學習的知識，主要包括了機械設計、機械制圖、數控技術及裝備和機電一體化等課程，同時也鍛煉了理論在實際中的運用和解決實際問題的能力。
這次設計我的思路大概是這樣的：先確定總體設計方案，對工作臺的設計進行初步規(guī)劃，其中主要是對工作臺需要用的的一些主要零件進行選擇和分析，并繪制總體方案圖；然后就是對機械傳動需要用的零件進行初步選型和驗算，其中包括導軌副、絲杠螺母副、減速裝置等等一些零件，這是這次設計最為重要的一步，需要進行大量的驗算和分析，所以必須非常的嚴謹；最后是對控制系統(tǒng)的設計，對傳動系統(tǒng)進行硬件和軟件兩個方面的設計，并繪制電路原理圖。
在這次設計的過程中遇到了很多的問題，比如在對滾珠絲桿螺母副和電動機的計算和選擇時，一開始初選的滾珠絲桿螺母副和電動機的型號往往在驗算過程中被檢驗出達不到要求，使得自己不得不一次又一次的重新選擇型號，又再進行驗算，總算最后在老師的細心指導下得到了滿意的結果。
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 致謝
致 謝
這次設計能夠順利完成首先要感謝萬老師的不斷指導，由于自己對控制系統(tǒng)這方面也不太熟悉，剛開始都不知何處下手，萬老師給了我們很多啟發(fā)。在做的過程中又遇到了許多困難，但萬老師總是不厭其煩的講給我們聽，給我們一步一步的分析，使我們了解到了一些考慮欠缺的地方，能夠不斷完善。萬老師還定期給我們察看，使我們可以順利跨入下個階段。在這里再次感謝萬老師的幫助，正是在萬老師的指導和改正，才使我們的畢業(yè)設計能夠順利的完成。
東華理工大學長江學院畢業(yè)設計 參考文獻
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