1、广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 1 页 共 31 页目录一、总体 2二、机械结构设计31、脉冲当量和传动比的确定32、机械部件(工作台) 总体尺寸33、工作载荷分析及计算44、滚珠丝杠螺母副的选型和校核55、导轨的选型和计算106、联轴器的选择及计算117、传动系统等效转动惯量计算128、步进电机的选用13三、控制系统设计181、控制系统硬件的基本组成182、接口程序初始化及步进电机控制程序193、直线圆弧插补程序设广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 2 页 共 31 页计22参考文献 30一、 总体1、总体参
2、数设计一个数控 XY 工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。已知的设计参数如下：最大铣刀直径 m最大铣削宽 度 最大铣削深 度 加工材料 工作台加工范围（mm）最大移动速度20 mm 8 mm 4 mm 碳钢 X=200，Y=150 3 m/min2、开、半闭、闭环选择开环伺服系统步进电机驱动没有检测装置半闭环伺服系统交流或直流伺服电机驱动脉冲编码器速度反馈闭环伺服系统交流或直流伺服电机驱动位置检测装置位置反馈本设计采用开环步进电机驱动。3、传动初步设计电动机联轴器滚珠丝杠工作台4、系统组成框图大致确定为：控制、接口、驱动、传动再到执行。即为 XY控 制 器 接 口 电 路
3、 驱 动 装 置 传 动 机 构 工 作 台eapa广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 3 页 共 31 页5、机械传动系统简图X 轴与 Y 轴的传动系统简图都如图所示二、机械结构设计1、脉冲当量和传动比的确定1.1、脉冲当量的确定根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量 为 0.01mm。1.2、传动比的确定传动比计算公式： 专业课课程设计指导书（21）PbLi360其中： 为步进电机的步距角， 为滚珠丝杠导程， 为系统脉冲当量。根据b P传动设计，采用联轴
4、器，初选电机步距角 ，丝杠导程 ，9.bmL40。mP01.则其传动比 10.36490PbLi2、机械部件(工作台) 总体尺寸由于工作台的加工范围为X200mm，Y150mm。工作台尺寸一般为工作台加工范围的 1.1 倍。所以：p广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 4 页 共 31 页X2001.1220mm, Y1501.1165mm，其厚度初定为 30mm。选择工作台的型槽为 T 型槽，查电子版袖珍机械设计师手册中的 T 型槽和相应螺栓(摘自 GB/T158-1996) 表 3-25T 型槽和相应螺栓尺寸，可得所选T 型槽的参数：A10mm B18
5、mmC8mm H21mm间距取 50mm一取工作台厚度为 T 型槽厚度的 2 倍，即 22142mm。工作台质量： ,即纵333307.81052014019.82Mkg向丝杠所承受的质量。在工作台上的工件和夹具的质量估计为 16Mkg所以总的移动部件的重量为 09.82079.820kg3、工作载荷分析及计算3.1 销削力的分析与计算铣削运动的主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给） 。根据机械制造技术基础课程设计指导教程选铣刀。由表 316，根据最大铣刀直径 d20mm，最大铣削宽度 ，最大铣削深度 选择10eam5pam
6、莫氏锥柄立铣刀，立铣刀各参数如下：直径范围 lL齿数 推荐直径 标准系列标准系列 粗齿 中齿 细齿12319 23.6 20 22 38140 3 4 6由表 511 高速钢立铣刀铣平面的铣削进给量中选取 ，由专业课课程设计指导书表 22 查得高速钢铣刀铣削力公式，选定铣刀转速，由专业课课程设计指导书表 23 查得切削力公式中铣削力系数min/60r)/(07.zmaf广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 5 页 共 31 页，因此铣削力 为：2.68FzCzF由表 21 和表 22 中 表示每齿进给量 ，即铣刀每转一个齿间角时，fa)/(齿m工件与铣刀的
7、相对移动量，每齿进给量 、每转进给量 和工作台进给fa)/(rf速度 三者之间的关系为 v in)/(zvf式中 z 为铣刀齿数，n 为铣刀转速 in)/(r可得工作台进给速度 min)/(126i)/(6037.mzavf 3.2 进给工作台工作载荷计算作用在工作台上的合力 与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力 F 大小相同，F方向相反，合力 就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷 ，工L作台横向进给方向载荷 和工作台垂直进给方向载荷 。CFVF工作台工作载荷 、 和 与铣刀的切向铣削力 之间有一定的经验比LVz值。因此，
8、根据专业课课程设计指导书表 24，查工作台载荷与切向铣削力的经验比值：不对称铣削铣削条件 比值逆铣 顺铣LFz1.001.20 0.800.90Vz0.200.30 0.750.80圆柱铣、立铣盘 铣和成型铣Cz0.350.40 0.350.40求出 后，根据最大的经验比算，即可计算出工作台的计算载荷 、 和 。zF LFVC138.1297.Lz NZadCpfezz 86.072.86.01.9.434.3N广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 6 页 共 31 页0.2.814.325.7CzFN46Vz4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核4.1 滚珠丝杠
9、螺母副类型选择4.1.1 主要类型采用回珠器处在螺母之内的钢珠内循环方式，另外，为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的钢度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，初步选用垫片预紧式。4.1.2 主要参数及代号4.1.2.1 滚珠丝杠副的主要参数公称直径 ，数控机床常用的进给丝杠的公称直径 为 至 ，md md30m8但这是 X-Y 工作台， 不用太大，初选 。02d基本导程(螺距) ，由步距角 、脉冲当量 和传动0L9.b脉 冲/1.P比 确定 。1i mibp4/36精度等级，一般选用 4 级7 级，数控机床及精密机械可选用 2 级3 级。它是滚珠丝杠副的重要指标，直接影响定位精度、承载能力和接触刚
10、度。4.1.2.2 滚珠丝杠副的标注查专业课课程设计指导书丝杠的特征代号见表 2-6，初步选择滚珠丝杠副为FDM1604-3，导轨面的硬度为 5864HRC。查机械设计手册第三版第 3 卷成大先主编 表 12-1-17 其具体参数如下：规格代号公称直径 0D公称导程 0h滚珠直径 w螺旋升角 循环列数额定动载荷 )(KNCa额定静载荷 )(oa接触刚度 )/(mNKc2504-3 25 4 3 403 8.2 23 654广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 7 页 共 31 页4.2 滚珠丝杠螺母副的型号选择及校核步骤4.2.1 最大工作载荷滚珠丝杠上的
11、工作载荷 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所)(NFm承受的轴向力，也叫进给牵引力。采用实验公式计算，对于三角形或综合导轨mF专业课课程设计指导书（2-12）)(GfKVL式中： 为工作台纵向进给力方向载荷， 为工作台垂直进给方向载荷，GVF为移动部件的重力（N） ，K 和 分别为考虑颠覆力距影响的实验系数和导轨上f的摩擦系数，对于三角形或综合导轨 K1.15，滚动导轨 ，05.2.f取 。所以：04.f()1.584.30.(651.4780)136.mLVFKfGN4.2.2 最大动负载 C 的计算及主要尺寸初选滚动丝杠最大动载荷 C 可用下式计算：专业课课程设计指导书（2-14）mF
12、fL3式中：L 为工作寿命，单位为 ， ；n 为丝杠转速 ，r610610/tLmin)/(r；v 为最大切削力条件下的进给速度 ， 为所预选的滚珠0/1n i)/(m0L丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t 为额定使用寿命（ h） ，可取 t=15000h；为运转状态系数，无冲击取 11.2，一般情况取 1.21.5，有冲击振动取mf1.52.5； 为滚珠丝杠工作载荷（N） 。F初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷 不得小于最大动载荷aCC； 。a取 ，而工作台进给速度 ，则工作寿命 ：1.mf min)/(126vL)10(35.28410/50/06/0 666 rLtntL 则 3
13、328.53.4.8mCfFN广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 8 页 共 31 页因为 ，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。8.2aCkN4.2.3 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 为： 专业课课程设计指导书（2-)tan(15）其中， 为丝杠螺旋升角，可由 ， 为摩擦0rctartn41.206Ld角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 ，其摩擦角约等于 。.3.f tantan1.2010%87.()()滚珠丝杠副的传动效率较高，一般取 0.80.9 之间，可知，上式传动效率计算有效。4.2.4 刚度验算4.2.4.1 丝杠的拉压变形量 1滚
14、珠丝杠计算满载时拉压变形量： 专业课课程设计指导书（2-EALFm115）其中： 为在工作载荷 作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量 ， 为1mF )(mF丝杠的工作载荷 ，L 为滚珠丝杠在支承件的受力长度 ，取 ，)(N)(L40E 为材料弹性模量，对钢 ，A 为滚珠丝杠按内径确定的截面MpaE4106.2积 ， ， “+”号用于拉伸， “-”号用于)(2m2 275()()3.8dAm压缩。则 1416.0.06927.mFLE4.2.4.2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 2
15、0081141122X第 9 页 共 31 页有预紧时，可以使用下式计算：专业课课程设计指导书（ 2-)(013.22 mZFDYJw17）其中： 为滚珠直径 ， 为滚珠总数量 ，Z 为一圈w)( 列 数圈 数 Z的滚珠数， ， ， 为滚珠丝杠的公称直径 ， 为)3/0内 循 环 wdZ0d)(mYJF预紧力 ， 为滚珠丝杠的工作载荷)8.91(Nkgf， mF8.91(Nkgf，查表可得 2wD0(/)3()20/317.94Zd 内 循 环 17.64圈 数 列 数，156.2/5mFkgfkgf35.602/146.23YJmFkgfkf2 32 23 10.10. .54.7mwYJ
16、mDZ由于当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的 1/3 时， 值可减少一2半左右。4.2.4.3 滚珠丝杠副刚度的验算丝杠的总变形量 应小于允许的变形量。一般 不应大于机床进给21系统规定的定位精度值的一半。或者，由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它小。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。查机械设计手册，滚珠丝杠副行程精度，表 12-1-19，在效行程 L 内平均行程变动量，根据机床的定位精度为可得为 0.023mm，。因此所选的滚珠丝杠120.67.0154.830.15m副刚度符合要求。4.2.5 压杆稳定性验算滚珠丝杠长度确定根据经验公式
17、其 余行 程 lLl广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 10 页 共 31 页其中 L 由 1604-3 丝杠副中取 L=65mm.故 =250+65+50=365mm 圆整 =365mmx xL=200+65+50=320mm 圆整 =320mmy y滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷 为：KF专业课课程设计指导书（2-18） 2LEIfFzK其中：E 为丝杠材料弹性模量，对钢 ，I 为截面惯性矩，对丝MpaE4106.2杠圆截面 ， （丝杠承载方式系数，441/60/6785
18、39Idm.2zf选用一端固定，一端简支方式）则较验较长的丝杠：4422.0.617853.9610zKxfEIF NL 临界载荷 与丝杠工作载荷 之比称为稳定性安全系数 ，如果 大于mknk需用稳定安全系数 ，则该滚珠丝杠就不会失稳。因此，滚珠丝杠的压杆稳kn定条件为： 426107.5343.Kk kmFn因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。4.2.6 滚珠丝杠螺母副安装连接尺寸在确定丝杠副类型及型号及进行了传动效率、刚度和稳定性校核后，还需要考虑其他一些设计事项。比如：避免丝杠外露；螺母在有效行程内配置限位装置，以免越程滚珠流失；滚珠丝杠必须润滑，常用锂树脂；丝杠副螺母安装连接尺寸等。根据
19、表 2-12 和图 2-12 内循环滚珠丝杠副（包括浮动反向器及固定反向器）滚珠螺母安装、连接尺寸：公称直径 公称导程 滚珠螺母安装、连接尺寸规格代号 0dhP1D4B5D6A广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 11 页 共 31 页2504 25 4 40 66 53 11 5.5 10 5.75、导轨的选型和计算5.1 滚动导轨本设计采用整体型直线滚动导轨，因为它是根据预紧订货，不需要自己调整。5.2、直线滚动导轨副的计算专业课课程设计指导书表 2-16 列出了上海组合夹具厂两种型号（SGDA 和SGDB）直线滚动导轨副的主要参数，其中 为额定动载荷
20、， 为额定静载aCaC0荷 。)(kN初选 GDA20 滚动导轨，根据指导书表 2-16 可得其导轨参数，其额定动载荷。Ca4.12这个行走距离称为滚动导轨的距离额定寿命，它可根据滚动导轨的额定动载荷用下列公式进行计算：a专业课课程设计指导书（2-20）350WCTHafFL其中：L 为滚动导轨副的距离寿命 ，F 为每个滑块上的工作载荷 ，)(km)(N， 为硬度系数，导轨面的硬度为61.478362.87vGFNHf5864HRC 时， 1.0， 为温度系数，当工作温度不超过 时，HfTf C10， 为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时 ， 为载荷/ 速1TfCf 8.CfWf度系数，无冲出
21、振动或 时 ，取 。 则滚动导min/15v5.1Wf 3.轨副的距离寿命 L： 332.40.850 6.26812aHTCWfL kmF从产品样本中选定了滚动导轨副的型号，计算距离寿命 L 或小时额定寿命 ，hL若 L 或 大于滚动导轨的期望寿命时，则满足设计要求，初选的滚动导轨副即h广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 12 页 共 31 页可采用。由于 ，所以初选的滚动导轨副满足要求。613.250Lkm6、联轴器的选择及计算初步选用 GH1 系列螺纹线联轴器，其特点：重量轻，体积小；高强度铝合金材料，阳极氧化处理；具有抗油污耐腐蚀功能；可吸收振动
22、，补偿径向，角度偏差和零回转间隙；适用于马达，编码器，丝杆传动，机床平台；微电机等精密产业机械。初选：GH1-19- ，其中：GH1 表示系列号，19 表示外径为 19mm。注: 系列号后面不带 C 为顶紧固定方式外型尺寸:(单位为 mm)规格型号 D L L1 M 可做最大内径GH2-32- 32 41 6.0 M4 14技术参数 扭矩（N/M ） 纠缠能力规格型号 额定 最大 径向(mm) 轴向(mm) 角度(0)最高转速(rpm)拧紧力矩(N.m)GH1-19- 4.5 9 0.15 0.1 1.0 10000 1.7GH1-19- ，由计算得出，其中一个为丝杠跟联轴器连接尺寸，另一个为
23、电机轴跟联轴器的配合尺寸。已知可做最大内径为 10，则选丝杠端与联轴器配合尺寸为 10mm。7、传动系统等效转动惯量计算由于传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴的折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。7.1 转动惯量的计算基本公式对于轴、轴承、联轴器、丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式，当钢材材料密度为 时，有 指导书（2-3）P7)(108.723cmkg )(1078. 234cmkgLDJ广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 13 页 共 31 页其中：D 为圆柱体直径 ，L 为圆
24、柱体长度 。)(cm)(cm7.2、转动惯量折算7.2.1 滚珠丝杠转动惯量 折算SJ根据滚珠丝杠惯量 折算到电机轴上为： ， 为丝杠与电机轴之间的总传2/iJS动比。根据滚珠丝杠的公称直径 ，其长度0125dm40Lm则 434320.781.78.1.9()SJDLkgc7.2.2 工作台等效转动惯量 折算GJ工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴（图 2-2）上的转动惯量可按下式进行： 指导书（2-GJ )(2L20cmkgMJG6）P8其中： 为丝杠导程 ， 为工作台质量 。则其等效工作台转动惯量0L)(c)(kg：GJ2220.480.34()Mkgcm7.2.3 联轴器等效转
25、动惯量 折算LJ对于联轴器按其外径计算 ，长度为 ，则其等效转动惯量 ：32D4.1LLJ434320.7810.78.10.5()LJ kgcm7.2.4 传动系统各部件折算到电机上的总等效转动惯量 ：J则 2.29.3487()SGLJJkc8、步进电机的选用根据步进电机的优点，输出转角（步距角）无长期积累误差，每转一圈积广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 14 页 共 31 页累误差会自动消失。启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成并且具有定位转矩。8.1 步距角的选择定位精度要求较高，运行范围较广的控制系统，应选用步距
26、角较小，运行频率较高的步进电机。已知脉冲当量 ，丝杠的导程 =4mm脉 冲/01.mP0L由公式 2-23 094.3636bP PLi代 入 数 据 得即步进电机的步距角 .b8.2 步进电机输出转矩的选择步进电机最大静转矩 是指步进电机的定位转矩（静止状态） ，是选择步进maxjM电机的最基本的参数。步进电机空载启动转矩可按下式计算 (2-24)0Mkfakq其中 为空载启动力矩 ； 为空载启动时运动部件由静止上升到最)(cNka大快进速度时，折算到电机上的力矩 ； 为空载时折算到电机轴上)(cmkfM的摩擦力矩 ； 为由于丝杠预紧，折算到电机轴上的附加摩擦力矩)(cm0M。)(cN加速度
27、力矩 由 min)/(7503601.9.maxa rvnPb初设运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间 。st2.则 加速度力矩 )(97.3.06752602max cNtJMka 空载摩擦力距 空载摩擦力矩 ： 专业课课程设计指导书(2-27)kf )(20cNniLGfkf 式中：G 为运动部件的总重量（N） ， ； 为导轨摩擦系数，8.96f； 为传动系统总效率，一般取 =0.70.85。04.f广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 15 页 共 31 页则081.042.56()2kfGLMNcmi附加摩擦力距 0附加摩擦力距 ： 专业
28、课课程设计指导书(2-28)0 )(1220ciLFYJ其中： 为滚珠丝杠预加载荷，即预紧力，一般取 的 1/3； 为滚珠丝杠未YJF mF预紧时的传动效率，一般取 。则：9.02 2001356./4()(1.)4.90()2YJLMNci步进电机空载启动转矩为： 03.97.546375()kqakf cm根据表 2-17 步进电机启动转矩 与最大静转矩 关系kqM1axj相数 三相 四相 五相 六相步进电机拍数 3 6 4 8 5 10 6 121max/jkqM0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866选取步进电机为四相八拍式，算出步进电
29、机空载启动时所需的最大静转矩 axj则 m1/0.716.89()jkqNcm8.3 总负载转矩 的计算fM运动部件正常工作，电动机的启动为带负载启动，其总负载转矩 可按下式fqM计算： 专业课课程设计指导书(2-20)0Fkfafq其中： 为作用在工作台的合力 F 折算到电机上的转矩。F0814.356.31()292LMNcmi0.72.4.9056.317.26()fqkafFMNcm根据下式算出运动部件正常运行时所需的最大静转矩 ：2maxjM广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 16 页 共 31 页max21.375.42()0.fqjMNcm
30、按 和 中的较大者选取步进电机的最大静转矩 ，并要求1axj 2axj maxjM2max1mjjj ，根据最大静转矩和步距角在表 2-18 BF 反应式步进电动机技术参数表中初选电动机型号：外形尺寸 m/电机型号步距角 )/(最大静转矩 mN最高空载启动频率 Hz/运行频率 /转子转动惯量 2510mkg分配方式质量 kg/外径长度轴径90BF001 0.9 3.92 2000 8000 17.64四相八拍 4.5 90145 98.4 启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。8.4.1 启动矩频特性进行校核前面进行是对初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是
31、不能保证电机在快速启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。如右图所以为 90BF001 步进电机的启动矩步特性曲线。已知空载启动力矩找得对应的)(425.7cmNMkq允许启动频率 ，yqf。)s/(0步yqf由于 90BF001 步进电机的最高空载启动频率为 2000 ，所以)/(s步，即电机不失步。yqf8.4.2 运行矩频特性校核要对快速进给运行和工作进给运行广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 17 页 共 31 页两种工况分别校核，确保快进和工进时均不丢步。如右图所示为 90BF001 步进电机运行矩频特性曲线。1、快速进给运行矩频特性校
32、核步进电机的最高快进运行频率 可按式(2-33)KJf快速进给时已经不存在加速力矩项 ，并HzvfPKJ 501.630max kaM且一般快进时处于空载状态，故快进力矩 的计算公式只保留了KJM，则快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩0MkfKJ2.546.907.48()f Ncm从 90BF001 步进电机运行矩频特性曲线，根据 可找得 ，而实KJ HzfyKJ80际步进电机的最高快进运行频率 ，所以，快进时电机不丢yKJfHzf50步。8.4.3 工进运行矩频特性校核工进时步进电机的运行频率 HzvfpGJ 210.601摩擦力矩 0().4(5.78)4.()229vfFLMNcmi工作
33、负载力矩折算到电机上的力矩 0.21067.2()ttFLMi工进时电机运行力矩 0.9.494GJft Nc根据工进频率 ，查 90BF001 步进电机运行矩频特性曲线，得HzfJ21，而电机 ，所以步进电机在)(4mNMyGJ72.4()0.73(/)GJNcm驱动工作台时不会失步。8.4.4 验算惯量匹配电动机轴上的总当量负载转矩惯量 与电机轴自身转动惯量 的比值应dJmJ该控制在一定的范围内，既不应太大，也不应太少，即伺服系统的动态特性主广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 18 页 共 31 页要取决于负载特性，由于工作条件的变化而引起的负载质量
34、、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。如果该比值太小，说明电动机选择或传动比设计不太合理，经济性较差。为使该系统惯量达到较合理的匹配，一般应将比值控制在 之间。14 )(764.12cmkgJm20320.37.91()SGLJ kgc，由此可见， ，符合惯量匹配要求。0.913.5764dmJ14mdJ8.5 步进电机的安装尺寸步进电机的安装比较简单，不带机座，用定位止扣进行安装定位，以保证步进电机安装的同轴度。小尺寸电机的安装面上有螺孔供安装，大尺寸电机的安装面上有通孔供安装。三、控制系统设计1、 控制系统硬件的基本组
35、成1.1 微处理器选择在以单片机为核心的控制系统中，大多数采用 MCS-51 系列单片机的 8031芯片，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统。8031 内部包含一个 8 位 CPU，128 字节的 RAM，两个 16 位的定时器，四个 8 位并行口，一个全双工串行口，可扩展的程序和数据存储器各 64K，有 5 个中断源。1.2 系统扩展系统中采用键盘实现输入，并采用 LED 显示器，它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统需要进行系统扩展。可编程并行接口 8255A 是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个 8 位并行口 PA、PB、PC，由此提供
36、了 24 条口线。广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 19 页 共 31 页1.3 显示模块与键盘连接如图 3-2，通过 P1 口及译码器的键盘和显示接口电路。这里由 P1 口的准双向口功能可以实现一口多用。首先，使 P1 口的低 4 位输出字形代码；P1 口的高 4 位输出一个位扫描字，经 38 译码器后显示某一位，并持续 1ms。各位扫描一遍之后，关掉显示。其次，使 P1 口的高 4 位转为输入方式，使 P1 口的低 4 位输出键扫描信号，有键按下时，转入键译码和处理程序。图 32 通过 P1 口及译码器的键盘和显示接口电路1.4 步进电机驱动电路设
37、计步进电机的驱动电路设计主要涉及脉冲分配器的选择问题和驱动电路的选择问题。时下脉冲分配器主要有两种：一种是硬件脉冲分配器（国内主要有 YB 系列）广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 20 页 共 31 页，另外一种是软件脉冲分配器。软件脉冲分配器不需要额外的电路，相应的降低了系统的成本，虽然这种方法占用了一定的计算机运行时间，但是在该设备中计算机有足够的资源来担当买中分配 任 务 。 该 系 统 采 用 软 件 来 经 行 脉 冲 分 配更 为 合 理 。 单 片 机 与 步 进 电 机 的 接 口 电路如图 33。图 33 单片机与步进电机的接口电路2
38、、接口程序初始化及步进电机控制程序2.1 8255A 初始化程序INTT: MOV DX, 8255A 控制端口MOV AL, 86HOUT DX, ALMOV AL, 05HOUT DX, AL2.2 40H 类型中断服务程序MOV DX, 8255AIN AL, DXIRET2.3 步进电机驱动程序2.3.1 电机的控制电路原理及控制字节拍 控制字正转 反转 通电相 二进制 十六进制1 8 A 00000001 01H2 7 AB 00000011 03H广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 21 页 共 31 页3 6 B 00000010 02H4
39、 5 BC 00000110 06H5 4 C 00000100 04H6 3 CD 00000101 05H7 2 D 00000110 06H8 1 DA 00000111 07H设电机总的运行步数放在 R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1（D5）中，当 F1 为 0 时，电机正转，为 1 时则反转。正转时 P1 端口的输出控制字 01H,03H,02H,06H,04H,05H 存放在片内数据存储单元 20H27H 中，28H中存放结束标志 00H，在 29H2EH 的存储单元内反转时 P1 端口的输出控制字01H,05H,04H,06H,02H,03H,在 2DH 单元内存放
40、结束标志 00H。2.3.2 电机正反转及转速控制程序PUSH A ；保护现场MOV R4, #N ；设步长计数器CLR C；ORL C, D5H ；转向标志为 1 转移JC ROTE；MOV R0, #20 ；正转控制字首址指针AJMP LOOP；ROTE: MOV R0, #27H ；反转控制字首地址LOOP: MOV A, R0；MOV P1, A ；输出控制字ACALL DELAY ；延时INC R0 ；指针加 1MOV A, #00H；ORL A, R0；JZ TRL；LOOP1: DJNZ R4, LOOP ；步数步为 0 转移POP A ；恢复现场RET； ；返回TPL: MOV
41、 A, R0；广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 22 页 共 31 页CLR A；SUBB A, #06H；MOV R0, A；恢复控制字首指针AJMP LOOP1；DELAY: MOV R2, #M；DELAY1: MOV A, #M1；LOOP: DEC A；JNZ LOOP；DJNZ R2, DELAY1；RET；广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 23 页 共 31 页3、直线圆弧插补程序设计在机电设备中，执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。在数控机床中，这是由
42、 X、Y 两个方向运动的工作台，按照插补控制原理实现的。3.1 直线插补程序的设计3.1.1 用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步，都需要以下四个步骤：偏差判别：判别偏差 或 ，从而决定哪个方向进给和采用哪个0mF偏差计算公式。坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X、+Y、-X、-Y 的哪个方向进给。偏差计算：进给一步后，计算新的加工偏差。终点判别：进给一步后，终点计算器减 1.若为 0，表示到达终点停止插补；不为 0，则返回到第一步继续插补。终点计算判别可用两个方向坐标值来判断，也可由一个方向的坐标值来判断。当 ，可用 X 方向走的总步数 作为eYeX终点判别的依据，如动点 X
43、等于终点 则停止。当 ，则用 Y 方向走的e总步数 作为终点判别的依eY据。由此，第一象限直线插补程序的算法如图：广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 24 页 共 31 页3.1.2 程序设计设计程序时，在 RAM 数据区分别存放终点坐标值 、 ，动点坐标值eXYX,Y，偏差 。对 8 位机，一般可用 2 字节，而行程较大时则需用 3 字节或 4mF字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始化，如设置初始值、X、Y 向步进电机初态（控制字） 。插补程序所用的内存单元如下：28H 29H 2AH 2BH 2CH 70HeeYX Y mF电机
44、正反转控制字电机正反转控制字为：D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7D1D0 为 X 向电机控制位。D0=1 运行，D0=0 停止；D1=1 正转，D1=0 反转。D2D3 为 Y 向电机控制位。D2=1 运行，D2=0 停止；D3=1 正转，D3=0 反转。第一象限直线插补的程序如下：ORG 2000HMIAN: MOV SP, #60H；LP4: MOV 28H,#0C8H； eXMOV 29H,#0C8H； YMOV 2AH,#00H； XMOV 2BH,#00H； YMOV 2EH,#00H； FMOV 70H,#0AH； LP3: MOV A,2EH；JB ACC.7,LP1MOV A,70HSETB ACC.0CLR ACC.2MOV 70H,A；广东海洋大学 工程学院 机电 1082 XXX 20081141122X第 25 页 共 31 页LCALL MOTR；LCALL DELAY；MOV A,2EH；SUBB A
