基于单片机控制数控回转工作台机电课程设计说明书.docx

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基于单片机控制数控回转工作台机电课程设计说明书

第1章序言

1.1数控回转工作台的介绍

数控回转工作台是数控铣床常见的辅助装置，数控机床加工复杂表面时，往往需要若干个坐标的复合运动。

与一般机床的区别是：

这些运动的内联系是由数控装置实现并保证的。

数控机床的控制功能可以实现多个坐标的联动。

例如螺旋浆或机翼的加工，就需要3—5个数控坐标联动。

此外，为了保证零件要求的加工质量和生产率，必须维持一定的切削加工条件。

例如当工件在一个工位上各工序加工完毕后，要使工件回转一定角度，再进行下一工位的加工，这就需要分度运动。

在自动换刀数控机床上，由于一次装夹完成多工序的复杂加工，这种分度运动更是不可缺少的。

因此，数控回转工作台的主要功能有两个：

一是实现工作台的进给分度运动，即在非切削时，装有工件的工作台在整个圆周（360o范围内）进行分度旋转；二是实现工作台圆周方向的进给运动，即在进行且学时，与X、Y、Z三个坐标轴进行联动，加工复杂的空间曲面。

按照数控机床伺服系统的分类方法，数控回转工作台也分为点位控制和连续控制，或可分为开环伺服控制，闭环伺服控制和半闭环伺服控制等。

开环伺服控制系统的回转作台，其运动精度和分度定位主要取决于传动链（主要是蜗轮副）的制造、安装精度。

因此，要达到高的分度定位精度比较困难。

对于闭环伺服控制系统的回转工作台，其分度定位精度，主要取决于角度位置反馈测量元件的分辨率和制造精度。

对于半闭伺服控制系统的回转台，其分度定位精度也和开环伺服控制系统一样取决于伺服传动链的传动精度但如果精定位是由非传动的机械（如定位销或端面齿盘等）保证，则分度精度取决于所采用的机械定位元件的制造精度。

1.2设计任务介绍

1.设计题目：

数控回转工作台的设计

2.设计任务及要求：

1）、设计内容包括：

总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书；

2）、设计要求包括：

回转角度0～360°；最大回转半径400㎜；最大承载重量50㎏；

3）、机械部分的设计：

装配工作图1张；

4）、计算机控制的设计：

控制系统接口图1张；

5）、控制装置采用步进电机驱动，MCS-51或单片机FX2N-PLC控制系统，软件环分，由键盘输入实现开环控制。

6）、编写设计计算说明书1份。

第2章总体设计

2.1总体设计方案

根据题目的要求，确定如下方案：

数控系统类型为开环，在传统回转工作台（如图2.1所示）基础上，加装步进电机和数控系统，从而得到所需要求的数控回转工作台。

图2.1传统回转工作台

2.2步进电机的选用

随着工业技术的不断进步，在自动化控制、精密机械加工、航空航天技术以及所有要求高精度定位的高新技术领域，步进电机得到了广泛应用。

步进电机是一种将脉冲信号转化为角位移的执行机构。

若在其输入端加入有规律的脉冲信号，就能驱动步进电机按设定的方向移动一定的距离或转过一个角度（成为“步距角”）。

从结构上步进电机分为单相、双相、三相、四相、五相、六相等多种，每相通电一次为一拍，本次课程设计使用的步进电机齿数Z=40,三相双三拍的工作模式，即A-AB-B-BC-C-CA-A，步距角为β=1.5o。

步进电机的正反转与电机每相的通电顺序有关，可以通过改变相序来实现电机的正反转。

转速的高低与控制脉冲频率有关，改变控制脉冲频率，可以改变电机转速。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等多专业知识。

根据设计要求，步进电机控制电路可分为控制模块、显示模块、电源模块、键盘模块、电机驱动模块、步进电机部分。

步进电机控制电路基本模块方框图如图2.2所示。

图2.2步进电机控制电路基本模块方框图

工业上对步进电机的控制方式多种多样，控制脉冲按规定的通电方式分配到每相绕组需要通过环形分配器，环形分配器分为硬件环分和软件环分两类。

实现脉冲分配的硬件逻辑PLC电路，即为硬件环分，具有简单直观、维护方便、响应速度较好的优点，同时也可采用软件实现脉冲分配（如：

计算机数字控制系统、单片机数控系统），本次课程设计使用的便是单片机数控系统。

其控制电路新颖、简洁、组合方便。

可以使系统简化，工作可靠，而且可以获得较高的控制精度，但在高速实时控制时受CPU运算速度的影响。

分配器输出的脉冲需经驱动电路进行功率放大，才能驱动步进电动机。

驱动电路是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。

功率放大电路的结构对步进电机的性能有着十分重要的作用。

功率放大电路有电电压、双电压、斩波型、调频调压型和细分型等型式的电路。

步进电机的驱动系统如图2.3所示。

图2.3步进电机驱动系统方框图

2.3数控系统概述

数控系统是数控机床的核心，数控系统包括CNC数控和PLC数控等。

简单数控系统可以选择单片机。

单片机，也被称为微控制器（Microcontroller），是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

本次课程设计使用的是8031单片机，8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路74LS373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。

此外，一个完整的数控系统还需要输入输出设备、D/A转换、光电隔离等。

本次课程设计中使用的输入设备4*6矩阵键盘。

D/A转换器的基本功能是将一个用二进制表示的数字量转化为模拟量。

采集的是连续的模拟量，而单片机处理的是数字量，因此需要在步进电机和单片机之间加入一个A/D转换器，以实现信号的转变，8031芯片集成了D/A模块。

光电隔离即是在电隔离的情况下,以光为媒介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离。

主要作用是对单片机电路起保护作用，它能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。

光电隔离一般是通过光电隔离器实现的。

光电隔离器是半导体管敏感器件和发光二极管组成的一种新器件,它主要功能是实现电信号的传送，输入与输出绝缘隔离，信号单向传输。

工作时，把输入信号加到输入端，使发光管发光，光敏器件在磁光辐射下输出光电流，从而实现电光点的两次转换。

第3章机械部分设计

3.1传动系统设计

回转工作台由步进电机驱动，经齿轮11和12带动蜗杆6，通过蜗轮5使工作台回转。

为了消除蜗轮副的传动间隙，采用了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置来调整间隙。

这种蜗杆的左右两侧具有不同的螺距，因此蜗杆齿厚从一端向另一端逐渐增厚，但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然保持着正常的啮合。

蜗杆的两端都由双列滚针轴承支承。

左端为自由端，可以伸长以消除温度变化的影响；右端装有双列推力轴承，能轴向定位。

回转工作台的导轨面由大型滚柱轴承支承，并由圆锥滚子轴承及圆锥孔双列圆柱滚子轴承保持准确的回转中心。

数控回转工作台基体选用减震性能良好的铸铁材料齿轮11和12的材料为锻钢，模数为m1=1mm，齿数Z11=20，Z12=80，传动比i1=Z12/Z11=4。

蜗轮、蜗杆模数m2=4mm，Z6=1,Z5=80，传动比i2=Z5/Z6=80，蜗轮材料选择具有良好减磨性和抗胶合性的铸铁材料，而蜗杆由于加工复杂选择强度较高的40Cr合金钢，并经表面淬火获得较高的硬度。

3.2运动性能计算

由上述可知，数控回转工作台传动系统的总传动比i总=i1*i2=320，设定数控回转工作台有两种工作模式：

工进和快进。

两种工作模式对应脉冲频率分别为f1=50Hz、f2=100Hz。

步进电机输出转速公式如下：

其中，K—状态系数（单三拍、双三拍时，K=1；单双六排时，K=2）

步进电机齿数Z=40；

表3.2传动系统转速表

模式

脉冲频率（Hz）

电机转速rpm

工作台转速rpm

工进

500

125

0.39

快进

2000

500

1.56

第4章数控系统设计

4.18031单片机引脚说明

8031是最常见的mcs51系列单片机，是inter公司早期的成熟的单片机产品，应用范围涉及到各行各业，考虑到控制系统的复杂程度和实际生产应用中的成本问题，实验中是以MCS—51系列单片机8031作CPU。

对接受的信号进行数据处理，完成对步进电机速度的控制。

8031单片机可以分为以下几个部分：

运算器、控制器、片内存储器、4个I/O接口、串行接口定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。

下面介绍一下它的引脚图等资料。

图4.18031管脚示意图

8031引脚功能：

（1）主电源引脚Vss和Vcc

①Vss接地

②Vcc正常操作时为+5伏电源

（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

①XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。

当采用外部振荡器时，此引脚接地。

②XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。

是外接晶体的另一端。

当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。

（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE和Vpp

①RST/VPD当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位

在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。

②ALE正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的）周期性地发出正脉冲信号。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（功能）

③外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效。

同样可以驱动八LSTTL输入。

④Vpp、Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。

当Vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当Vpp为低电平时，则访问外部程序存储器。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21伏EPROM编程电源（Vpp）。

4.2RAM和ROM扩展

8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路74LS373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。

2764芯片是一种高速、容量为8K*8的EPROM存储器电路，读出时间为250ns。

2768为28线器件，其中A0~A12为13位地址线。

O0~O7为8位数据线。

为片选线号线，低电平有效。

为数据输出选通信号线，低电平有效。

为编程脉冲输入线。

Vcc为主电源线，Vpp为编程电源线。

8031单片机内有128字节的RAM数据存储器，它们可以作为工作寄存器、堆栈、软件标志和数据缓冲器使用，CPU对内部RAM有丰富的操作指令。

对大多数控制性质的应用场合，内部RAM已经能满足对数据存储的要求。

对需要大容量的数据缓冲器的应用系统（如数据采集系统），就需要在单片机的外部扩展数据存储器。

本次课程设计中应用6264芯片对8031系统进行了RAM扩展，以满足需要。

6264芯片是8K*8的RAM存储器电路，集成度很高，其中A0~A12为13位地址线，输入地址与内部8K字节的单元对应，O0~O7为8位数据线。

为片选线号线，

、

为读、写信号线，都是低电平有效。

8031与外部ROM和RAM的链接如电气原理图所示，8031的地址采用全译码方式，片选线P2.7用于控制二-四译码器工作，片选线P2.6和P2.5参加译码，且无悬空的片选线。

因此，存储器的所有地址都是唯一的，地址无重叠。

地址译码器的Y0、Y1、Y2输出端分别同1、2和3号存储器的CE相连。

应当指出的是，由于8031的PSEN和RD经低电位或门后接到2#和3#存储器位置的OE引脚，WR则直接和相应的WE相连，以此2#和3#存储器位置上的芯片插座既可以安装6264也可以插上2764。

如果安装6264，那么6264既可以作为8031的外部RAM又可以作为ROM来存放数据和程序。

综合连接见电气原理的设计图。

4.3I/O扩展

Intel公司研制的8155接口芯片不仅具有8为I/O端口（A口和B口）和一个6为的I/O端口（C口），还可以为CPU提供一个256字节的RAM存储器和一个14位定时器/计数器。

同时它和8031单片机的连接也非常简单，因此广泛应用于MCS-51系统中。

本系统就利用了8155芯片来扩展端口。

8031和8155的接口极为简单，因为8155内部包含一个8位地址锁存器，故可以用来存储CPU送来的端口地址和RAM（256字节）地址。

在8031和8155的硬件连接中，所用的地址译码方法为8位地址全译码法。

8031的16为地址缩小到8位范围，8155在本译码方式下内部各个I/O端口和RAM地址就有唯一性，无地址重叠可言。

8031和8155的链接关系见电气原理图设计，图中P0.3~P0.7经或非门接到8155的IO/M端。

当P0.3~P0.7全为“0”时，则或非门输出全为“1”，选中8155内部各个I/O寄存器工作。

此时，8155各端口地址为：

00H命令状态口

03HC口

00H定时器低字节

05H定时器高字节

06H空

07H空

当A3~A7≠0000B时，或非门输出为“0”，选中8155内部的RAM（256字节）工作。

RAM的地址范围为08H~FFH，此时，8031把8155内部40H单元中的X送到A口。

4.4程序设计

图4.4程序设计框图

第5章总结

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

回顾此次课程设计，我收获颇多，学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，我也深刻认识到自己在电控方面的不足，在今后的学习中一定会好好补足。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，但在老师的悉心指导下，终于迎刃而解。

在此对给过我帮助的所有同学和两位指导老师再次表示衷心的感谢！

参考文献

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