机械工程及自动化毕业设计(论文)-基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计--总体部分.doc
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1、北京理工大学珠海学院2010届毕业设计 毕业设计(论文)基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计总体设计学 院: 机械与车辆工程学院专 业: 姓 名: 指导老师: 机械工程及自动化学 号: 职 称: 教授中国珠海二一O年五月毕业设计(论文)诚信承诺书本人承诺呈交的毕业设计(论文) 基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计总体设计是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计(论文)使用的数据真实可靠。本人签名: 日期: 年 月 日基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计 总体设计摘 要本设计是基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计总
2、体设计,首先根据设计任务对机械传动部件进行计算与选型,其次是步进电动机的计算选型;由于系统采用的是半闭环控制,因此机械系统装配有增量式旋转编码器。在系统控制电路设计上,CPU采用的是AT89C52单片机,通过设有输出稳定直流电的驱动电源、光电隔离电路、开光量输入电路等,大大提高了微机的抗干扰能力,防止微机受干扰而误动。在外围电路的设计上,使用了可编程控制器8255A、步进电机驱动芯片ULN2003、三态缓冲器74LS240/74LS244、锁存器74LS373、8位8段共阴极数码管等芯片,在外围电路芯片的选择上以尽量节省I/O口、性价比较高、技术成熟以及市场上通用芯片为基准,故控制系统电路结构
3、简单,性能更优越。系统的人机接口设计了一个四行四列的矩阵式键盘作为指令的输入,和一个8位8段共阴数码管的动态显示电路;程序在Keil软件进行编译和调试,并在Proteus环境中实现程序及电路的仿真。关键字:步进电机 X-Y工作台 单片机 微控制器Design of X-Y NC Worktable Based on Microcontroller Overall DesignABSTRACTThe NC XY table system design is based on the microcomputer, first, calculation and chooses the transmi
4、ssion parts according to the design task, second, the calculation of step motor selection; because the system uses a semi-closed loop control, the mechanical system is equipped with incremental rotary encoder.In the control circuit design, used an AT89C52 microcontroller for CPU, with stable DC outp
5、ut by the driving power, optical isolation circuit and Switch output circuit and so on. Raise the level of protect their own computer interference. To prevent interference to computer malfunction.In the design of the external circuit, use a programmable controller 8255A, ULN2003 stepper motor driver
6、 IC, tri-State buffer 74LS240/74LS244, flip-latch 74LS373, 8-bit Common cathode LED digital tube and some other chips, the choices of the external circuit chip basis on try to save on I/O port, high costly with price lower, mature technology and Universal chip market,so control system circuit is Sim
7、ple, and Superior performance. Man-machine interface of the system use a 4*4 Matrix keyboard for command input, and a 8-bit common cathode LED digital tube; program compiler and debug in Keil, and use Proteus environment to achieve in the process and circuit simulation.Key words: Step-motor X-Y tabl
8、e Chip-Single Microcomputer MicrocontrollerII目 录摘 要IABSTRACTII1 前言11.1 课题设计研究背景和意义11.2 研究的内容11.3 研究的技术路线12 总体方案的确定22.1 机械传动部件的选择22.1.1 导轨副的选用22.1.2 丝杆螺母副的选用22.1.3 减速装置的选用22.1.4 伺服电动机的选用22.1.5 检测装置的选用22.2 控制系统的设计32.3 绘制总体方案图32.4 本章小结33 机械传动部件的计算与设计43.1 导轨上移动部件的重量估算43.2 铣削力的计算43.3 直线滚动导轨副的计算与选型43.3.1
9、滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取43.3.2 距离额定寿命L的计算53.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型53.4.1 最大工作载荷Fm的计算53.4.2 最大动载荷FQ的计算53.4.3 初选型号53.4.4 传动效率的计算63.4.5 刚度的验算63.4.6 压杆稳定性校核63.5 步进电动机减速箱的选用63.6 步进电动机的计算和选型73.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq73.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq73.6.3 步进电动机最大静转矩的选定93.6.4 步进电动机的性能校核93.7 增量式选转编码器的选用103.8 绘制进给传动系统
10、示意图113.9 本章小结114 控制系统硬件电路设计124.1 控制系统微控制器的选择与使用124.1.1 AT89C52单片机主要性能参数及功能特性124.1.2 AT89C52单片机的引脚功能144.1.3 AT89C52单片机复位电路164.1.4 AT89C52单片机振荡电路164.2 控制系统的电源设计与选择174.2.1 控制系统的电源硬件原理图174.2.2 隔离电源的选择174.2.3 控制系统的电源设计类型选择184.2.4 AT89C52及其扩展芯片电源设计184.2.5 TLP521-1光耦合器输入端电源设计204.3 光电隔离电路设计214.3.1 光耦合器的选用21
11、4.3.2 TLP521-1光耦合器的主要参数及工作参数214.4 开关量输入通道电路设计224.4.1 开关量输入通道总体硬件电路图234.4.2 开关量输入通道电路分析234.5 I/O接口芯片的应用电路设计234.5.1 74LS373扩展8位并行输出口234.5.2 74LS244扩展8位并行输出口244.5.3 74LS240扩展8位并行输出口244.5.4 8255A可编程并行输出244.6 步进电机控制系统设计284.6.1 步进电机的工作原理284.6.2 步进电机脉冲分配信号的设计294.6.3 步进电动机的驱动电源304.6.4 步进电动机控制系统电路图314.7 键盘与L
12、ED显示电路设计314.7.1 键盘电路设计314.7.2 显示电路设计324.8 本章小结345 仿真控制系统硬件电路设计355.1 Proteus简介355.2 Keil简介355.3 仿真控制系统硬件原理图355.4 本章小结366 控制系统人机接口软件设计376.1 键盘与显示总程序376.1.1 键盘与显示总程序流程图376.1.2 键盘与显示总程序原理376.2 显示程序376.2.1 显示程序流程图376.2.2 显示程序流程图解释376.2.3 LED显示原理386.3 键盘扫描程序396.3.1 键盘扫描程序流程图396.3.2 键盘扫描程序解释396.4 本章小结397 结
13、论与展望41参考文献42附 录43附录A 人机界面程序43附录B 外文文献翻译原文47附录C 外文文献翻译译文52谢 辞591 前言1.1 课题设计研究背景和意义随着现代信息技术的发展,制造业得到了快速发展,促使机械加工技术发生深刻的变化,企业不但追求高效率的生产模式,更追求高标准的质量要求;因此这使得机械设备的功能要求越来越强大,其结构及功能随之也变得复杂。所以能够设计出功能全面、效率高、耐压性强,加工精度高的机械加工设备是制造业中最重要的课题之一,我们此次研究的课题X-Y数控工作台属于高精密加工的核心部件,它的传动部件的定位精度直接影响系统的加工精度。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的
14、基本部件,如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。数控工作台一般是指由步进电机驱动的开环控制工作台,但由于步进电机在起动及运行频率较高时易失步,无法达到较高的精度,因此本设计采用半闭环控制使控制精度大大提高。本设计为验证性设计,通过对控制系统的设计,掌握一些典型硬件电路的设计方法和人机接口软件的设计思路,通过Proteus软件进行仿真实验。1.2 研究的内容 X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件,通常由导轨座、滑动模块、工作平台、滚珠丝杠螺母副,以及步进电机的部件构成。控制系统可选用标准的工业控制计算机,也可设计专用
15、的微机控制系统。本设计用AT89C52组成专用单片机控制系统,从键盘输入G代码后,能通过直线插补和圆弧插补,完成平面轮廓加工。设计要求完成整个控制系统的硬件设计和完成整个控制系统的人机接口软件设计,通过Keil编译和调试程序,并最终在Proteus软件中仿真。1.3 研究的技术路线本设计研究的技术路线主要包括:1.机械系统运动参数的计算;2.步进电动机及其选择;3.步进电动机的控制与驱动;4.增量式旋转编码器的选用;5.控制系统的电源设计与选择;6.光电隔离电路设计与应用;7.开关量输入通道电路设计与应用;8.常用存储器与I/O接口芯片的应用电路设计;9.键盘与LED显示电路应用设计;10.控
16、制系统的人机接口软件设计;11.在Protel软件中绘制系统硬件原理图;12.在Keil软件中完成程序的编译和调试;13.在Proteus软件中进行系统的调试与仿真。2 总体方案的确定2.1 机械传动部件的选择2.1.1 导轨副的选用要设计的X-Y工作台,需要承受的载荷不大,而且脉冲当量小,定位精度高,因此选用直线滚动导轨副,它具有摩擦系数小,不易爬行,传动效率高,结构紧,安装预紧方便等优点。2.1.2 丝杆螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动,需要满足0.005mm脉冲当量和0.01mm的定位精度,滑动丝杠副无能为力,只有选用滚珠丝杆副才能达到要求1 尹志强机电一
17、体化系统设计课程设计指导书M北京:机械工业出版社,2007,第186页,滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。2.1.3 减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后,为了圆整脉冲当量,放大电动机的输出转矩,降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量,可能需要减速装置,且应有消间隙机构,选用无间隙齿轮传动减速箱1。2.1.4 伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm,定位精度也未达到微米级,空载最快移动速度也只有因此3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电动机,因此可以选用混合式步进电动机1。以降低成本,提高性价比。2
18、.1.5 检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后,可选开环控制,也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高,为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步,决定采用半闭环控制,拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器,用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配1。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同,承受的工作载荷相差不大,本设计的侧重点是控制电路的设计,为了减少机械传动部件设计工作量, X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。2.2 控制系统的设计(1)本设计的X-Y工作
19、台其控制系统应该具有单坐标定位,两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能,能够完成平面轮廓的加工,所以控制系统设计成连续控制型。(2)对于步进电动机的半闭环控制,选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU1 尹志强机电一体化系统设计课程设计指导书M北京:机械工业出版社,2007,第187页,能够满足任务书给定的相关指标。(3)要设计一台完整的控制系统,在选择CPU之后,还要扩展程序存储器,键盘与显示电路,I/O接口电路,D/A转换电路,串行接口电路等。(4)选择合适的驱动电源,与步进电动机配套使用。2.3 绘制总体方案图总体方案图如图1-1所示:微控制器(MCU)I/O接口电
20、路放大电路执行器件机械传动机 构机械执行机 构图1-1 总体方案图2.4 本章小结本章主要是完成了系统总体方案确定的机械传动部件的选用和控制系统的总体设计思想的分析,机械传动部件完成了一些主要传动机构的初步选择,而为后续的设计中,还将会对其进行分析、计算和校核的。考虑到数控工作台对要求控制系统要有较高的精度和较快的反应速度,我选用了AT89C52单片机作为控制系统,能够满足系统的设计要求。3 机械传动部件的计算与设计3.1 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为800N1 尹志强机电一体化系
21、统设计课程设计指导书M北京:机械工业出版社,2007,第187,15,45,47页3.2 铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削,采用硬质合金立铣刀,工件的材料为碳钢。则由表3-71查得立铣时的铣削力计算公式为: (3-1)今选择铣刀的直径为d15mm,齿数Z3,为了计算最大铣削力,在不对称铣削情况下,取最大铣削宽度为ae =15mm,背吃刀量ap8mm ,每齿进给量fz0.1mm,铣刀转速n300r/min。则由式(3-1)求的最大铣削力: (3-2)采用立铣刀进行圆柱铣削时,各铣削力之间的比值可由表3-51查得,考虑逆铣时的情况,可估算三个方向的铣削力分别为:Ff1.1Fc1609N, F
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