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(300X300)方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)
摘 要
當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類(lèi)典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。
關(guān)鍵字：機(jī)電一體化的基礎(chǔ) 基本組成要素 特點(diǎn) 發(fā)展趨勢(shì)
Abstract
Now the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generation's CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops.
key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.
目錄
第一章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求 ……………………………………… 3
第二章 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) ………………………………………… 4
第三章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) …………………………………………… 5
3.1 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 …………………………………… 5
3.2工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算………………………………… 5
3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)矩慣量計(jì)算…………………………………… 6
3.4 工作載荷分析及計(jì)算…………………………………………… 6
3.5 滾珠絲杠螺母副的選型和校核………………………………… 8
3.6 導(dǎo)軌的選型和計(jì)算……………………………………………… 11
3.7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇………………………………………………… 11
第四章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………………………… 15
4.1 控制系統(tǒng)硬件的基本組成………………………………… 15
4.2 接口程序初始化及步進(jìn)電機(jī)控制程序………………………… 17
4.3 直線圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)………………………………………… 19
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………… 25
第一章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求
1.1 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容
任務(wù)是： 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控X-Y工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)。該工作臺(tái)可安裝在銑床上，用于銑削加工。具體參數(shù)如下：
要求：設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)并開(kāi)發(fā)其控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，工作臺(tái)面300X300mm，分辨率為=5分/step，承受最大軸向載荷Tmax=800Nm。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：
1.1.1數(shù)控裝置總體方案的確定
(1) 確定系統(tǒng)組成方案（組成框圖、功能、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖、主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，及方案分析、比較、說(shuō)明）。
1.1.2機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
(1) 確定脈沖當(dāng)量；
(2) 機(jī)械部件的總體尺寸及重量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的初步估算；
(3) 傳動(dòng)元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)，計(jì)算和選用；
(4) 伺服電機(jī)計(jì)算、選用；
(5) 繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖；
1.1.3數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
（1）確定數(shù)控系統(tǒng)裝置方案（組成框圖、功能、主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，及方案分析、比較、說(shuō)明）。
(2) 電氣控制原理圖設(shè)計(jì)（CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路及伺服驅(qū)動(dòng)電路）
(3) 系統(tǒng)控制軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（控制流程圖）和部分功能控制軟件設(shè)計(jì)（匯編程序及流程圖）。
1.2 課程設(shè)計(jì)的要求
1.2.1圖紙要求
（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖，A0圖紙一張。要求視圖基本完整、符合要求。其中至少有一個(gè)坐標(biāo)軸的完整剖視圖。
（2）數(shù)控系統(tǒng)框圖（附在說(shuō)明書(shū)上）。
（3）數(shù)控電器圖，A1圖紙一張。
（4）軟件框圖（可附在說(shuō)明書(shū)上）。
1.2.2編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)要求
說(shuō)明書(shū)應(yīng)當(dāng)敘述整個(gè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，包括總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算、電氣部分的設(shè)計(jì)說(shuō)明，選用元件及其具體參數(shù)的說(shuō)明、軟件設(shè)計(jì)及其說(shuō)明等，說(shuō)明書(shū)不少于8000字
第二章 系統(tǒng)的總體方案確定
數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：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。
2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。
2.2伺服系統(tǒng)的選擇
開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī).開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由于沒(méi)有檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用?？紤]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)。
2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇
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?xún)r(jià)比高?？刂葡到y(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。
2.4 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。
為了減少了零件的數(shù)目和中間環(huán)節(jié)的影響，精度高，效率高，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠相連。但此種連接對(duì)安裝、加工的要求較高，選用撓性聯(lián)軸器，如膜片聯(lián)軸器，電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩較大，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量亦大，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性將產(chǎn)生不利影響。
系統(tǒng)總體框圖如下:
第三章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)
機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，機(jī)械部件的總體尺寸、質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。
3.1脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定
脈沖當(dāng)量δp是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，由于定位精度為±0.01mm因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。
根據(jù)脈沖當(dāng)量和系統(tǒng)總體方案，傳動(dòng)比為1，直接用聯(lián)軸器將電機(jī)和絲杠直接連接，有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度。初選導(dǎo)程 =5mm 滾珠絲杠，電動(dòng)機(jī)步距角 =0.75°。
傳動(dòng)比計(jì)算公式
暫選130BF001型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其具體參數(shù)如下：
型號(hào)
步距角
相數(shù)
電壓(V)
相電流(A)
最大靜轉(zhuǎn)矩(N.M)
空載啟動(dòng)頻率()
空載運(yùn)行頻率()
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
分配方式
重量(Kg)
130BF001
0.75/1.5°
5
80/12
10
9.31
3000
16000
4.7
五相十拍
9.2
3.2工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算
根據(jù)給定的有效行程，畫(huà)出工作臺(tái)簡(jiǎn)圖，估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。
設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖如下:
X向拖板(上拖板)尺寸為:
長(zhǎng)*寬*高=300*300*40
重量:按重量=體積*材料比重估算為:
= N=270N
Y向拖板(下拖板)尺寸為:
重量=N=320N
上導(dǎo)軌(含電機(jī))估算重量為：260N
夾具及工件重量:150N
X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為:
270N+320N+260N+150N=1000N
3.3傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)矩慣量計(jì)算
傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載，選用電機(jī)時(shí)必須加以考慮。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳動(dòng)部件并不都是與電機(jī)軸同軸線，還存在各轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸的折算問(wèn)題。最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
對(duì)于軸、軸承、齒輪、聯(lián)軸器、絲桿等圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式為
3.3.1電機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
3.3.2初選聯(lián)軸器直徑 ，長(zhǎng)度
聯(lián)軸器等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
3.3.3初選絲杠直徑，初步估計(jì)絲杠長(zhǎng)度。
滾珠絲杠等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
3.3.4工作臺(tái)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
3.3.5傳動(dòng)系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
3.4工作載荷分析及計(jì)算
3.4.1銑削力的分析與計(jì)算
銑削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶動(dòng)工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給（鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)給）。銑刀的類(lèi)型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。圓柱銑刀和端銑刀的且學(xué)部分都可看做車(chē)道到頭的演變，銑刀的每一刀齒相當(dāng)于一把車(chē)刀。
通常假定銑削時(shí)銑刀受到的銑削力是作用在刀尖的某點(diǎn)上。設(shè)刀齒上受到切削力的合理為F，將F沿銑刀軸線、徑向和切向經(jīng)行分解，則分別為軸向銑削力 ，徑向銑削力 和切向銑削力 。其中切向銑削力 是沿銑刀主運(yùn)動(dòng)方向的分離，它消耗銑床電機(jī)功率（即銑削功率）最多。
根據(jù)《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教程》選銑刀。根據(jù)最大銑刀直徑＝24mm，最大銑削寬度，最大銑削深度選擇莫氏錐柄立銑刀,銑刀材料為硬質(zhì)合金，工件材料為碳鋼。
選取工進(jìn)的最大速度為 =0.4mm/min ，選定銑刀轉(zhuǎn)速，銑刀的齒數(shù)為 Z=5，則每齒進(jìn)給量 =v/(zn)=400/(5*400)mm=0.2mm。
因此銑削力為：
=
=1958N
3.4.2進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷計(jì)算
作用在工作臺(tái)上的合力與銑刀刀齒上受到的銑削力的合力F大小相同，方向相反，合力就是設(shè)計(jì)和校核工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為三個(gè)力：工作臺(tái)縱向進(jìn)給力方向載荷，工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷和工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷。
工作臺(tái)工作載荷、和與銑刀的切向銑削力之間有一定的經(jīng)驗(yàn)比值。因此，求出后，即可計(jì)算出工作臺(tái)的計(jì)算載荷、和。
3.5滾珠絲杠螺母副的選型和校核
3.5.1滾珠絲杠螺母副類(lèi)型選擇
G.GD系列滾珠絲杠副
規(guī)格
代號(hào)
公稱(chēng)直徑
Do
公稱(chēng)導(dǎo)程
Pho
絲杠外徑
d
滾珠直徑
Dw
螺旋升角
￠
絲杠底徑
d1
循環(huán)
列數(shù)
螺母安裝連接尺寸
?
注油孔
額定動(dòng)載荷
Ca
(KN)
額定靜載荷
Coa
(KN)
接
觸
剛
度
KcN
/um
G
GD
D
D
D
L
B
D
D
h
i
T
G
GD
2505-2
30
5
28.2
3
3°39'
26.7
2
2+2
40
66
53
40
70
11
5.5
10
5.7
5
53
M6
7
17
450
2505-3
3
3+3
46
80
10.5
22
328
2505-4
4
4+4
50
90
14
34
650
選用內(nèi)循環(huán)，墊片式預(yù)緊方式的滾珠絲杠螺母副。預(yù)選G.GD系列的2005-3絲杠。
3.5.2滾珠絲杠螺母副的校核
3.5.2.1最大工作載荷
滾珠絲杠上的工作載荷 是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。綜合導(dǎo)軌的工作載荷，式中：，，分別為工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷（N）；G為移動(dòng)部件的重力（N）；K和分別為考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式的不同。
對(duì)于綜合導(dǎo)軌，如果是滾動(dòng)導(dǎo)軌時(shí)，，現(xiàn)取
因此有，
3.5.2.2 最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸初選
滾動(dòng)絲杠最大動(dòng)載荷C可用下式計(jì)算：，式中：L為工作壽命，單位為，；n為絲杠轉(zhuǎn)速，；v為最大切削力條件下的進(jìn)給速度，為所預(yù)選的滾珠絲杠的導(dǎo)程，待剛度驗(yàn)算后再確定；t為額定使用壽命（h），可取t=15000h；為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無(wú)沖擊取1~1.2，一般情況取1.2~1.5，有沖擊振動(dòng)取1.5~2.5；為滾珠絲杠工作載荷（N）。
初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的個(gè)定動(dòng)載荷不得小于最大動(dòng)載荷C；。
其中：
，，
那么，
其中，
因?yàn)?，所以所選滾珠絲杠螺母副符合最大動(dòng)載荷要求。
3.5.2.3傳動(dòng)效率計(jì)算
滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為
3.5.2.4剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠計(jì)算滿載時(shí)拉壓形量
其中L取300mm，，
滾珠與螺紋滾道間的接觸變形
其中：，，，，
滾珠絲杠副剛度驗(yàn)算：
絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半?；蛘撸山z杠精度等級(jí)查出規(guī)定長(zhǎng)度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長(zhǎng)度上的變形量應(yīng)該比它曉。否則，應(yīng)考慮選用較大公稱(chēng)直徑的滾珠絲杠。
機(jī)床的定位精度為0.04mm，。因此所選的滾珠絲杠副剛度符合要求。
3.5.2.5壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作負(fù)載過(guò)大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失去穩(wěn)定。失穩(wěn)時(shí)的載荷載荷為
其中，（絲杠承載方式系數(shù)，選用一端固定，一端簡(jiǎn)支方式），I為截面慣量距，
臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱(chēng)為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于需用穩(wěn)定安全系數(shù)，則該滾珠絲杠就不會(huì)失穩(wěn)。因此，滾珠絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為：
因此，所選滾珠絲杠符合穩(wěn)定性要求。
3.6導(dǎo)軌的選型和計(jì)算
初選GDA20滾動(dòng)導(dǎo)軌，額定動(dòng)載荷。
滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離壽命的計(jì)算：
當(dāng)導(dǎo)軌面的硬度為58~64HRC時(shí)，；當(dāng)工作溫度不超過(guò)100°C時(shí)，；為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝兩個(gè)滑塊時(shí)；為載荷/速度系數(shù)，無(wú)沖擊振動(dòng)，，取1.3；F為每個(gè)滑塊上的工作載荷，
因此選用的導(dǎo)軌滿足要求。
3.7驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
3.7.1步距角的選擇
查表初選步距角
3.7.2步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的選擇
3.7.2.1空載啟動(dòng)力矩
（1） 加速度力矩
運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間
(2) 空載摩擦力矩
式中，G為移動(dòng)部件的總重量（N）；為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；為齒輪傳動(dòng)降速比；為傳動(dòng)系數(shù)總效率；為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（cm）。
（3） 附加摩擦力距
式中，為滾珠絲杠預(yù)加載荷，即預(yù)緊力，一般取的的；為進(jìn)給牽引力（N）；為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率。
（4） 空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算
按照計(jì)算出的空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，查表2-17得出最大靜轉(zhuǎn)矩
3.7.2.2 帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩
（1） 加速度力矩
運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間
（2） 空載摩擦力矩
（3） 附加摩擦力距
（4） 作用在工作臺(tái)的合理折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩
（5） 帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩
運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩
3.7.2.3按照和中的較大者選取步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，并要求，
，因此選用130BF001步進(jìn)電機(jī)可以符合要求。
3.7.3距頻特性校核
3.7.3.1啟動(dòng)頻率的計(jì)算
已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率。由式（4-17）可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為：
說(shuō)明：要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，
3.7.3.2 運(yùn)行矩頻特性校核
(1) 快進(jìn)運(yùn)行距頻特性校核
最高運(yùn)行頻率
快進(jìn)力矩
查130BF001的運(yùn)行距頻特性，所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行距頻大于5000Hz
(2) 工進(jìn)運(yùn)行距頻特性校核
工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率
摩擦力矩
工作負(fù)載力矩折算到電機(jī)上的力矩
工進(jìn)時(shí)電機(jī)運(yùn)行力矩
查130BF001的運(yùn)行距頻特性， <(允許工進(jìn)頻率)。
3.7.4驗(yàn)算慣量匹配
電動(dòng)機(jī)軸上的總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)矩慣量與電機(jī)軸自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大，也不應(yīng)太少，即伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于負(fù)載特性，由于工作條件的變化而引起的負(fù)載質(zhì)量、剛度、阻尼等的變化，將導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性也隨之產(chǎn)生較大變化，使伺服系統(tǒng)綜合性能變差，或給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成困難。如果該比值太小，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)選擇或傳動(dòng)比設(shè)計(jì)不太合理，經(jīng)濟(jì)性較差。為使該系統(tǒng)慣量達(dá)到較合理的匹配，一般應(yīng)將比值控制在之間。
由此可見(jiàn)，，符合慣量匹配要求。
經(jīng)過(guò)以上討論，選用130BF001步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以滿足要求。
由于Y方向與X方向的要求相差不多，可以選用同樣的絲杠，導(dǎo)軌，電機(jī)
經(jīng)過(guò)以上計(jì)算，選用的零件以下列表：
滾珠絲杠
滾動(dòng)導(dǎo)軌
混合式步進(jìn)電機(jī)
X方向
G.GD系列2005-3
GDA20滾動(dòng)導(dǎo)軌
130BF001
Y方向
G.GD系列2005-3
GDA20滾動(dòng)導(dǎo)軌
130BF001
第四章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1控制系統(tǒng)硬件的基本組成
4.1.1數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：
中央處理單元CPU
存儲(chǔ)器RAM
ROM
外設(shè)：
鍵盤(pán)，顯示器，打印機(jī)，磁盤(pán)機(jī)，通訊接口等
輸入/輸出
I/O接口
信號(hào)變換
控制對(duì)象
4.1.2微處理器選擇
在以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中，大多數(shù)采用MCS-51系列單片機(jī)的8031芯片，經(jīng)過(guò)擴(kuò)展存儲(chǔ)器、接口和面板操作開(kāi)關(guān)等，組成功能較完善、抗干擾性能較強(qiáng)的控制系統(tǒng)。8031內(nèi)部包含一個(gè)8位CPU，128字節(jié)的RAM，兩個(gè)16位的定時(shí)器，四個(gè)8位并行口，一個(gè)全雙工串行口，可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各64K，有5個(gè)中斷源。
4.1.3系統(tǒng)擴(kuò)展
系統(tǒng)中采用鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)輸入，并采用LED顯示器，它們均需要占用較多芯片口線，所以該系統(tǒng)需要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展?？删幊滩⑿薪涌?155A是一種應(yīng)用廣泛的并行接口擴(kuò)展器件。它具有三個(gè)8位并行口PA、PB、PC，由此提供了24條口線。
圖4-1 擴(kuò)展連線
4.1.4顯示模塊與鍵盤(pán)連接
如圖3-2，通過(guò)P1口及譯碼器的鍵盤(pán)和顯示接口電路。這里由P1口的準(zhǔn)雙向口功能可以實(shí)現(xiàn)一口多用。
首先，使P1口的低4位輸出字形代碼；P1口的高4位輸出一個(gè)位掃描字，經(jīng)3—8譯碼器后顯示某一位，并持續(xù)1ms。各位掃描一遍之后，關(guān)掉顯示。
其次，使P1口的高4位轉(zhuǎn)為輸入方式，使P1口的低4位輸出鍵掃描信號(hào)，有鍵按下時(shí)，轉(zhuǎn)入鍵譯碼和處理程序。
圖3—2 通過(guò)P1口及譯碼器的鍵盤(pán)和顯示接口電路
4.1.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
(1）脈沖分配器
步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖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)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)的脈沖分配由軟件完成。
（2）光電隔離電路
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。如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。
（3）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)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。本設(shè)計(jì)選用功率放大器。
4.2接口程序初始化及步進(jìn)電機(jī)控制程序
4.2.1 8255A初始化程序
INTT: MOV DX, 8155A控制端口
MOV AL, 86H
OUT DX, AL
MOV AL, 05H
OUT DX, AL
4.2.2 40H類(lèi)型中斷服務(wù)程序
MOV DX, 8155A
IN AL, DX
IRET
4.2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序
4.2.4.1 電機(jī)的控制電路原理及控制字
節(jié)拍
通電相
控制字
正轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn)
二進(jìn)制
十六進(jìn)制
1
10
A
00000000
00H
2
9
AB
00000001
01H
3
8
B
00000011
03H
4
7
BC
00000010
02H
5
5
C
00000110
06H
6
5
CD
00000111
07H
7
4
D
00000101
05H
8
3
DE
00000100
04H
9
2
E
00001100
0CH
10
1
EA
000001101
0DH
設(shè)電機(jī)總的運(yùn)行步數(shù)放在R4，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位F1（D5）中，當(dāng)F1為0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，為1時(shí)則反轉(zhuǎn)。
正轉(zhuǎn)時(shí)P1端口的輸出控制字00H,01H,03H,02H,06H,07H,05H,04H,0CH,0DH存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元20H~29H中，2AH中存放結(jié)束標(biāo)志00H，在2BH~36H的存儲(chǔ)單元內(nèi)反轉(zhuǎn)時(shí)P1端口的輸出控制字00H,0DH,0CH,04H,05H,07H,06H,02H,03H,01H,00H存放在37H單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志00H。
4.2.4.2電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序
PUSH A ；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)
MOV R4, #N ；設(shè)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器
CLR C；
ORL C, D5H ；轉(zhuǎn)向標(biāo)志為1轉(zhuǎn)移
JC ROTE；
MOV R0, #20 ；正轉(zhuǎn)控制字首址指針
AJMP LOOP；
ROTE: MOV R0, #2BH ；反轉(zhuǎn)控制字首地址
LOOP: MOV A, @R0 ；
MOV P1, A ；輸出控制字
ACALL DELAY ； 延時(shí)
INC R0 ；指針加1
MOV A, #00H ；
ORL A, @R0 ；
JZ TRL；
LOOP1: DJNZ R4, LOOP ；步數(shù)步為0轉(zhuǎn)移
POP A ；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)
RET； ；返回
TPL: MOV A, R0 ；
CLR A；
SUBB A, #06H；
MOV R0, A ； 恢復(fù)控制字首指針
AJMP LOOP1；
DELAY: MOV R2, #M ；
DELAY1: MOV A, #M1 ；
LOOP: DEC A；
JNZ LOOP；
DJNZ R2, DELAY1；
RET；
4.3直線圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)
在機(jī)電設(shè)備中，執(zhí)行部件如要實(shí)現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線的路徑運(yùn)動(dòng)，必須通過(guò)兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的合成來(lái)完成。在數(shù)控機(jī)床中，這是由X、Y兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)，按照插補(bǔ)控制原理實(shí)現(xiàn)的。
4.3.1直線插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì)
4.3.1.1用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算，每走一步，都需要以下四個(gè)步驟：
偏差判別：判別偏差或，從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算公式。
坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號(hào)，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個(gè)方向進(jìn)給。
偏差計(jì)算：進(jìn)給一步后，計(jì)算新的加工偏差。
終點(diǎn)判別：進(jìn)給一步后，終點(diǎn)計(jì)算器減1.若為0，表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)；不為0，則返回到第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)算判別可用兩個(gè)方向坐標(biāo)值來(lái)判斷，也可由一個(gè)方向的坐標(biāo)值來(lái)判斷。當(dāng)，可用X方向走的總步數(shù)作為終點(diǎn)判別的依據(jù)，如動(dòng)點(diǎn)X等于終點(diǎn)則停止。當(dāng)，則用Y方向走的總步數(shù)作為終點(diǎn)判別的依據(jù)。
由此，第一象限直線插補(bǔ)程序的算法如圖：
4.3.1.2程序設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)程序時(shí)，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值、，動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值X,Y，偏差。對(duì)8位機(jī)，一般可用2字節(jié)，而行程較大時(shí)則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長(zhǎng)度和精度要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進(jìn)行初始化，如設(shè)置初始值、X、Y向步進(jìn)電機(jī)初態(tài)（控制字）。
插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下：
28H
29H
2AH
2BH
2CH
70H
X
Y
電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字
電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D1D0為X向電機(jī)控制位。D0=1運(yùn)行，D0=0停止；D1=1正轉(zhuǎn)，D1=0反轉(zhuǎn)。
D2D3為Y向電機(jī)控制位。D2=1運(yùn)行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。
第一象限直線插補(bǔ)的程序如下：
ORG 2000H
MIAN: MOV SP, #60H;
LP4: MOV 28H,#0C8H;
MOV 29H,#0C8H;
MOV 2AH,#00H; X
MOV 2BH,#00H; Y
MOV 2EH,#00H; F
MOV 70H,#0AH;
LP3: MOV A,2EH;
JB ACC.7,LP1
MOV A,70H
SETB ACC.0
CLR ACC.2
MOV 70H,A;
LCALL MOTR;
LCALL DELAY;
MOV A,2EH;
SUBB A,29;
INC 2AH;
AJMP LP2;
LP1: MOV A,70H
STEB ACC.2
CLR ACC.0
LCALL MOTR
LCALL DELAY
MOV A,2EH
ADD A,28H
LP2: MOV 2EH,A
MOV A,28H
CJME A,2AH,LP3
RET
程序中MOTR為步進(jìn)電機(jī)的控制子程序。
4.3.2 圓弧插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì)
4.3.2.1逐點(diǎn)比較法
逐點(diǎn)比較法的圓弧的插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程和直線插補(bǔ)過(guò)程基本相同，也分為偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)步驟。不同點(diǎn)在于：（1）偏差計(jì)算公式步進(jìn)與前一點(diǎn)偏差有關(guān)，還與前一點(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān)，在計(jì)算偏差的同時(shí)要進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。（2）終點(diǎn)的判別是以一個(gè)方向的坐標(biāo)值與終點(diǎn)坐標(biāo)值相比較判斷其是否相等為判據(jù)。若，則以X是否等于作為終點(diǎn)判據(jù)；若，則以Y是否等于作為終點(diǎn)判據(jù)。
第一象限逆圓弧插補(bǔ)程序算法如圖：
4.3.2.2 程序設(shè)計(jì)
和直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)一樣，也在內(nèi)存中開(kāi)辟存儲(chǔ)單元用以存放有關(guān)數(shù)據(jù)。在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放懂點(diǎn)坐標(biāo)X和Y，其初始值為起點(diǎn)坐標(biāo)值，其后依據(jù)坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果而變化，存放終點(diǎn)坐標(biāo)值，以及存放偏差飛存儲(chǔ)單元。第一象限逆圓弧插補(bǔ)程序如下：
XL EQU 18H
XH EQU 19H
YL EQU 28H
YH EQU 29H
L EQU 1AH
H EQU 1BH
L EQU 2AH
H EQU 2BH
FL EQU 2CH
FH EQU 2DH
ORG 2400H
MAIN: MOV SP,#60H;
MOV 70H,#08H;
MOV XL,#80H;XL
MOV XH,#0CH;XH
MOV L,#80H; L
MOV H,#0CH; H
MOV L,#00H; L
MOV H,#00H; H
MOV YL,#00H; YL
MOV YH,#00H; YH
MOV FL,#00H; FL
MOV FH,#00H; FH
LP3: MOV A,FH
JNB ACC.7,LP1
MOV A,70H
SETB ACC.2
CLR ACC.0
LCALL MOTR
MOV R1,#28H
MOV R0,#1CH
MOV R7,#02H
LCALL MULT2
ADD: CLR C
MOV A,FL
ADDC A,1CH
MOV FL,A
MOV A,FH
ADDC A,1DH
MOV FH,A
CLR C
MOV A,YL
ADD A,#01H
MOV 28H,A
MOV A,YH
ADDC A,#OOH
MOV YH,A
CLR C
MOV A,FL
ADD A,#01H
MOV FL,A
MOV A,FL
ADDC A,#00H
MOV FH,A
AJMP LP2
LP1: MOV A,70H
SETB ACC.0
MOV 70H,A
LCALL MOTR
MOV R1,#18H
MOV R0,#1CH
MOV R7,#02H
LCALL MULT2
SUB: CLR C
MOV A,FL
SUBB A,1CH
MOV FL,A
MOV A,FL
SUBB A,1DH
MOV FH,A
CLR C
MOV A,XL
SUBB A,#01H
MOV XL,A
MOV A,XH
SUBB A,#00H
MOV XH,A
CLR C
MOV A,FL
ADD A,#01H
MOV FL,A
MOV A,FL
ADDC A,#00H
MOV FH,A
LP2: MOV A,YH
CJNE A,H, LP3A
MOV A,YL
CJNE A,L, LP3A
LP3A: AJMP LP3
ORG 2500H
MULT2:PUSH PSW
PUSH A
PUSH B
CLR C
MOV R2,#00H
SH1: MOV A,@R1
MOV B,#02H
MUL AB
POP PSW
ADDC A,R2
MOV @R0,A
INC R0
INC R1
DJNZ R7,SH1
POP B
POP PSW
RET
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