往届作业参考Word格式.doc
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七、参考资料 21
一、课程设计的题目及要求
（一）题目：
单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。
已知条件：
定位精度：
±
0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：
T=15000h，中等冲击，各题目的有效行程、快速进给速度和工作载荷见下表：
题号
有效行程（mm）
快速进给速度（mm/min）
工作载荷Fz（N）
Lx
Ly
vmax
vymax
2
350
1000
300
1.课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；
2.认真阅读《课程设计指导书》，明确题目及具体要求；
3.认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；
4.大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；
5.机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；
6.微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；
7.手工或电脑绘制机械系统装配图一张（A1），控制系统电气原理一张（A1），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰；
8.课程设计说明书一份（不少于5000字），包括：
目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。
设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。
9.该课程设计由三人共同完成。
其中，邓海燕完成机械部分的设计，甘浦泓和姜志凌完成电气部分的设计。
二、总体方案的确定
根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案：
进行系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。
进行方案的分析、比较和论证。
1.系统运动方式与伺服系统
采用连续控制系统。
考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。
2.计算机系统
采用MCS-51系列中的8051单片机扩展控制系统。
MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。
3.X—Y工作台的传动方式
为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。
为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。
由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。
考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。
系统总体框图
三、机械部分的设计和计算
（1）确定系统脉冲当量
脉冲当量是个进给指令时工作位移量，应小于等于工作台的位置精度。
一般为0.01~0.005mm。
（2）工作台外形尺寸及重量初步估算。
取X向导轨支承钢球的中心距为130mm,Y向导轨支承钢球的中心距为180mm，设计工作简图。
工作台简图
工作台的尺寸：
；
重量：
按重量=体积材料比重估算：
；
X向拖板（上拖板）尺寸：
长宽高：
；
Y向拖板尺寸：
上导轨座重量：
夹具及工件重量：
约160N
则X—Y工作台运动部分的总重量约：
1100N
（1）导轨型式：
双V型滚珠导轨
（2）导轨长度:
上导轨（X向）取动导轨长度;
动导轨行程;
支承导轨长度;
保持器长度;
下导轨（Y向）取动导轨长度;
（3）滚动体尺寸与参数的确定:
滚珠直径取d=6mm数目根据决定。
上导轨,所以;
X向动导轨长度;
则,两滚珠之间的间距。
②下导轨G=740N所以
因为,取,滚珠之间的间距。
（4）许用负载验算:
平均每个滚珠上最大负载而
式中为导轨的预加负荷，按最大工作负荷的二分之一计算
X向导轨最大负荷
Y向导轨最大负荷
许用负荷查表得则
故导轨可用。
初选丝杆材质钢，HRC58~60导程
（1）强度计算
丝杆轴向力：
（N）
式中：
K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0.005；
在车床车削外圆时：
可取
，计算得，
寿命值：
，丝杠转速：
，则
最大动载荷
X向丝杠牵引力：
Y向丝杠牵引力：
所以最大动负载Y向（N）
X向（N）
查表，可取滚珠丝杠公称直径，采用外患循环式的螺母，支承方式为双推--简支式，选用滚珠螺母型的型号为（两只），其额定动载荷8630，足够用
（2）滚珠丝杠螺母几何参数：
公称直径，螺距t=10，接触角
钢球直径，螺纹升角
螺杆外径D=29，内径；
螺母螺纹外径D=33.21，内径
（3）传动效率计算：
丝杆螺母副的传动效率为式中。
如摩擦角：
为丝杆螺旋开角。
（4）稳定性验算
滚珠丝杆受工作负载引起的导程变化是
Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算。
P=263N
（材料为钢）
所以：
丝杆因受扭矩所引起的导程变化量很小，可忽略，所以导程总误差
查表知E级精度的丝杆允许误差，故刚度足够。
4、步进电机的选择
（1）步进电机的步距角取系统脉冲当量初步选步进电机步距角。
（2）步进电机启动力距的计算。
设步进电机等效负载力矩为P，根据能量守恒定理，电机所做功率与负载的功有如下关系：
为——电机转角S——移动部件的相应位移机械传动效率。
若取则且（N/m）
式中——移动部件负载（W）G——移动部件重量（N）
——与重力方向一致的作用，在移动部件上的负载力（N）
——导轨摩擦系数——步进电机步距角（rad）
T——电机轴负载力矩（）
本题中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数）
。
为丝杆牵引力，
考虑到动影响，Y向电机负载较大，因此取
若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3则；
对于三相六拍的步进电机有：
N*m；
由于资料有限改用步距角为0.9度的四相八拍则
步进电机的最高工作频率：
查表选用两个90BF001型步进电机，其性能参数如下：
型号
主要技术参数
外形尺寸
重量（N）
步距角（。
）
最大静转距（N.cm）
最高空载启动频率
相数
电压（V）
电流（A）
外径
长度
轴径
90BF001
0.9/1.8
392
2000
4
80
3
90
145
9
4.5
5、齿轮计算、设计
根据本部分的第一步所初选的电机步距角和脉冲当量，又已知滚珠丝杠螺距t=6mm，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。
齿轮传动比：
若取Z1=24，则Z2=60。
模数m=1mm
齿轮尺寸：
Z
24
60
26
62
21.5
42
6、步进电机等效负载计算
（1）等效转动惯量的计算
折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：
（kg·
cm2）
Jw，Jz1，Jz2和Js分别为折算到步进电机轴上的工作台、齿轮1、齿轮2和丝杠的等效转动惯量，kg·
cm2。
其中：
（N·
m2），（N·
m2）
（N·
m2），（N·
d0为丝杠的名义直径；
Ls为丝杠的总长；
ρs，ρz分别为丝杠和齿轮的材料密度，可取为7.85x10-3kg/cm3。
（2）等效负载转矩计算
空载时的摩擦转矩：
m）
工作时的负载转矩：
（N·
η=0.8，为考虑丝杠预紧时的传动效率。
（3）起动惯性阻转矩计算
电机转速ωm=2πnm/60，起动加速时间Δt=0.025s。
（4）步进电机输出轴上总负载转矩计算
故有总的等效转动惯量为：
kg.cm2
四、机床数控系统硬件电路设计
机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成：
①主控制器：
就是中央处理单元CPU。
②总线：
包括数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）。
③存储器：
包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。
④接口：
即I/O输入/输出接口电路。
数控系统的硬件结构框图如下：
控制系统硬件框图
除此之外，还要根据数控系统的要求配备一些外围设备和信号变换电路。
其中信号变换电路是A/D转换、D/A转换、光电隔离、功率放大等，是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。
它们可根据控制系统的要求选取。
在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下要素：
（1）时钟频率和字长（控制数据处理的速度）；
（2）可扩展存储器（ROM/RAM）的容量；
（3）指令系统功能是否强；
（4）I/O口扩展的能力；
（5）开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。
8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可提供给用户使用的只有P1口及部分P3口线。
因此在大部分应用系统中都不可避免的要进行I/O口扩展。
其中通用可编程接口芯片8155与微机的接口较为简单，是微机系统中广泛使用的接口芯片。
键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。
通常，数控系统都用行列式键盘，即用I/O口线组成行、列接构，按键设置在行列的交点上。
数控系统中使用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器），为了方便显示图形，也有用CRT接口显示方式的系统。
5、步进电机驱动电路
步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机，在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲数成正比，转速仅与控制脉冲频率成正比。
在多数情况下，用步进电机作为执行元件的数控系统中不需要A/D或D/A转换，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济型数控机床追主要的一种伺服驱动元件。
步进电机的驱动电路由下图所示。
（1）计算机接口
在数控系统中，步进电机接口电路至关重要，没有它将无法实现微机对步进电机的控制。
如前所述，89C51系列单片机含有4个并行输入/输出口。
提供32根I/O线，其中P1口可以提供用户使用，作为步进电机及其他控制对象的接口。
也可以采用8155或者8255等可编程并行输入，输出接口芯片设计扩展接口电路，来控制步进电机与其它外部设备。
（2）脉冲分配器
脉冲分配器又叫环形分配器，是驱动步进电机必不可少的环节。
步进电机的控制方式由环形分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机的正装或反转。
在数控系统中通常使用较多的是集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。
A0、A1确定通电方式，即通电方式，即通电相数和拍数。
A0、A1接地，则工作方式设定在4相4拍；
两个输入控制端E1,E2均直接接地；
所需的方向及输出控制信号分别由AT89C51的P1.0,P1.1和P1.3,P1.4提供，以控制X,Y向步进电机工作；
时钟脉冲由8155的定时器提供；
P1.5引脚接清零端，以防乱相。
通常，一个步进电机需要一个环形分配器控制。
软件环形分配器用软件编程的方法来实现，在数控机床教学实验中已详细地介绍了软件环形分配器的设计方法，不再重述。
（3）隔离电路
在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。
由于步进电机需要的驱动电压较高，电流也较大，如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰。
轻则影响计算机程序的正常进行，重则导致计算机和接口电路的损坏。
所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。
光电耦合器由发光器件和受光器件组成，联结发光源的引线作为输入端，联接受光器件的引线为输出端。
通常发光器件是发光二极管，受光器件是光敏三极管。
下图是型号TIP521光电耦合器的引脚与接线图。
图（A）为发射极输出型，图（B）为共集电极输出型。
当输入信号Vin加到输入端时，发光二极管导通激发发出红外光，受光三极管受光照射后，由于光敏效应光敏三极管导通，电流通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。
输入端与输出端在电气上完全隔离。
由于光电耦合器非线性失真大，不适合传输模拟信号，一般只用于进行开关量的传输及电平转换。
TIP521型光电耦合器引脚与接线图
（4）功率放大器
脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出的信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。
功率放大器按其结构不同分为单电源型和双电源型。
前者电路设计为单电压供电，仅在步进电机的绕组回路串联一个小于10的电阻，以增大功率放大器负载回路的电阻，使步进电机绕组中电流上升的时间常数减小，提高上升沿的陡度。
双电源型采用高电压供电电路，在功率放大器导通初始时，加上比额定电压高几倍的电源供电，使电动机绕组电流从零很快增大，当电流升到接近额定值时切断高电压电源而由额定电压为绕组提供正常工作电流。
单电源功率放大器线路简单，但效率不高，只适用小功率的步进电机。
目前我国步进电机的功率放大器已由生产厂家生产出系列化产品，所以在设计数控机床控制电路时不必考虑其内部电路结构，只需根据选用的步进电机容量选择功率放大器。
6、其它辅助电路设计
①8051的时钟电路
单片机的时钟可以由两种方式产生：
内部方式和外部方式。
内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件。
晶体可在1.2~12MHz之间任选，耦合电容在5~30pF之间，对时钟有微调作用。
采用外部方式时，可以把XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。
1.AT89C51的时钟电路
时钟电路
②复位电路
单片机的复位都是靠外部电路实现。
在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现两个机器周期以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后CPU就从0000H单元开始执行程序。
一般数控系统都采用上电与按钮复位组合，如图7所示。
上电瞬间，RESET引脚端出现高电平，只要RESET端保持两个机器周期以上的高电平，单片机就有效复位。
在实际应用系统中若有些需要复位的芯片其复位电平与89C51复位要求一致，就可直接相连。
当晶振频率选用6MHz时，复位电路中C取22μF，R取1KΩ，Rk取10kΩ。
为了保证复位可靠，通常采用如图8所示的实用复位电路。
③越界报警电路
为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位行程开关。
如是两坐标联动的数控系统，则有4个方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。
一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动，可通过光电耦合器的输入隔离电路如图9所示。
行程开关接到光耦发光二极管侧，光敏三极管的输出通过74HC21四通道与门电路接到AT89C51的P0口。
当任何一个方向的行程开关被撞击闭合时，光耦发光管侧回路接通，光耦内部发光二极管就发光，使光敏三极管导通，接入74HC21与门芯片的通路变低电平，则74HC21第6脚输出低电平，触发中断，单片机发出相应的控制指令。
同时当有行程开关撞击闭合时，四通道或门芯片C4072的1脚则输出高电平，三极管正向偏置，驱动蜂鸣器报警。
（为了报警，还可以可以设置发光二极管，工作时不亮，有越界信号时，红灯亮，指示工作台越过极限位置。
五、系统控制软件的设计
1、系统控制软件的主要内容
数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。
按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几部分内容。
①、系统管理程序
它是实现系统协调工作的主体软件。
其主要功能是：
（1）接收操作者的命令；
（2）执行命令；
（3）从命令处理程序返回到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。
②、零件加工源程序的输入处理程序
该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序的任务。
③、插补程序
插补程序根据零件加工源程序进行插补运算，分配进给脉冲。
④、伺服控制程序
伺服控制程序根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度、转角及方向。
⑤、诊断程序
诊断程序包括移动部件移动越界处理、紧急停机处理、系统故障诊断、查错等功能。
⑥、机床的自动加工与手动控制程序
在调整机床时往往需要机床的手动控制。
⑦、键盘操作和显示处理程序
键盘操作和显示处理程序的功能包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。
2、程序设计技术
系统控制软件根据系统功能的要求而设计，应可靠的实现系统的各种功能。
在设计系统软件时必须详尽而细致地分析系统控制对象的特点及对控制功能的要求。
在确定好控制方式、计算方法和控制顺序后，将其处理顺序用框图描述出。
系统控制软件通常用汇编语言编写。
程序设计的方法通常有：
模块化程序设计和自顶向下程序设计。
3、步进电机控制子程序的设计
步进电机的控制包括速度、转角及方向的控制。
步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以步进电机运行时应有一个加、减速过程。
通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。
经过计算知加、减速脉冲个数都为27个。
因为，所以
计算时要根据脉冲时刻tn查时间常数表，得脉冲时间间隔T，
再由Te=T×
10-3/（te×
10-6）求出时间常数Te，
T——脉冲时间间隔（ms）；
te——单片机机器周期（μs），在时钟为6MHz时，te≈2μs。
在EPROM存储器中，时间常数依次安排在首地址为1000H的存储单元中，每个时间常数占两个字节，低位地址存放时间常数低8位，高位地址存放时间常数高8位。
在程序中，设置加速、恒速、减速脉冲数计数器N0、N1、N2。
以计数器的值是否为0作为相应过程（加速、恒速或减速）是否结束的标志。
步进电机控制程序框图见图10。
步进电机控制子程序（后台程序）流程图
（b）步进电机控制中断服务程序流程图
4、汇编语言程序设计
（1）内存地址分配
加速脉冲数计数器N0地址设为20H。
恒速脉冲数计数器N1低8位字节NIL地址21H，高8位字节地址22H。
减速脉冲数计数器N2地址23H。
加速、恒速、减速脉冲总数寄存器N低位字节NL地址为24H，高位字节NH地址为25H。
步进电机进给控制子程序FEED首地址为0E80H。
每调用一次该程序，步进电机按规定方向进给一步。
（2）程序清单
N0EQU20H；
加速
NILEQU21H；
恒速
NIHEQU22H；
N2EQU23H；
减速
NLEQU24H；
脉冲总数寄存器
NHEQU25H
DSEQU26H；
地址指针偏移量
FEEDEQU0E80H
ORG0E00H
0E00758160START：
MOVSP，#60H；
程序开始
0E03758901MOVTMOD，#01H；
设计数器是工作方式1，16位定时器
0E0675201BMOVN0，#1BH；
设N0初值为27
0E0975231BMOVN2，#1BH；
设N2初值为27
0E0CE520MOVA，N0；
计算2×
N0
0E0E23RLA
0E0FF8MOVR0，A
0E10C3CLRC；
计算N1=N-2N0
0E11E524MOVA，NL
0E1398SUBBA，R0
0E14F521MOVNIL，A；
恒速计数器赋值（低位）
0E16E525MOVA，NH
0E189400SUBBA，#00H
0E1AF522MOVNIH，A；
恒速计数器赋值（高位）
0E1C901000MOVDPTR，#1000H；
设时间常数地址指针初值1000H
0E1F752600MOVDS，#00H；
设地址偏移量初值为00H
0E2293MOVCA，＠A+DPTR；
从EPROM中读取时间常数
0E23F58AMOVTL0，A；
送时间常数至定时器0中
0E250526INCDS
0E27E526MOVA，DS
0E2993MOVCA，＠A+DPTR
0E2AF58CMOVTH0，A
0E2C0526INCDS
0E2ED2AFSETBEA；
置中断使能控制器IE的EA位（即开中断允许）
0E30D2A9SETBET0；
允许定时器0中断
0E32D28CSETBTR0；
启动定时器0开始计数
0E3420AFFDWAIT：
JBEA，WAIT；
中断允许返回
0E3722RET
中断服务程序：
ORG000BH；
定时器0中断入口地址
000B020F00LJMP0F0CH
ORG0F00H
0F00E526INT：
MOVA，DS；
0F0293M
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