【文章內(nèi)容簡介】 沖當(dāng)量，本例=。設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至所需時(shí)間，傳動(dòng)鏈總效率。移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： 式中——導(dǎo)軌的摩擦因素，——垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0——傳動(dòng)鏈效率，最后求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： =+= ⑵ 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： =+ 其中折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由公式計(jì)算。有：再計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：最后求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：=+=最后求得在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。取K=4, 則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號為90BYG2602，查得該型號電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩=6Nm?？梢?，滿足要求。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核⑴最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核 設(shè)計(jì)中工作臺最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量/脈沖，由公式求出電動(dòng)機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線可以看出在此頻率下，遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=，滿足要求。⑵最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動(dòng)速度=3000mm/min，求出其對應(yīng)運(yùn)行頻率。由步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性圖查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩= Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=。⑶最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 與快速空載移動(dòng)速度=3000mm/min對應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為。查表45可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000，可見沒有超出上限。⑷起動(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。由公式可知步進(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，通常只有100。綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選用90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線注:本章節(jié)所用計(jì)算公式和查表均來源于機(jī)械工業(yè)出版社出版，尹志強(qiáng)編寫的《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》一書。第4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的作用是使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在程序的控制下自動(dòng)完成規(guī)定的工作，是數(shù)控機(jī)床的主要組成部分，主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件連線圖見附錄5 主控制器CPU的選擇目前市場上應(yīng)用MCS51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)89C51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中多使用16位單片機(jī)，它具有較強(qiáng)的運(yùn)算和擴(kuò)展能力，如MCS96系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)。定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價(jià)比。從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機(jī)需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，而選用高性能的16位MCS96又顯得過于浪費(fèi)。ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)掉電也不影響信息的保存；尤其是它和MCS51芯片，并且采用靜態(tài)時(shí)鐘方式可以節(jié)省電能。因此CPU選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51，AT表示ATMEL公司，9表示內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。AT89C51的性能參數(shù)為：Flash存儲器容量為4KB、16位定時(shí)器2個(gè)、中斷源6個(gè)（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷定時(shí)器0和定時(shí)器1中斷）、RAM為128B、14位的計(jì)數(shù)器WDT、I/O口共有32個(gè)。一、 AT89C51單片機(jī)的引腳功能（1）VCC（40）：電源+5V。（2）VSS（20）：接地端，即GND。（3）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。單片機(jī)是一種時(shí)序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個(gè)電容和一個(gè)晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時(shí)，需在XTL2上加外部時(shí)鐘信號。（4）PSEN（29）：片外ROM選通信號，低電平有效。（5）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端/EPROM編程脈沖輸入端。（6）RST/VPD（9）：復(fù)位信號輸入端/備用電源輸入端。 （7）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部ROM選擇端（8）P0口（3932）：雙向I/O口。（9）P1口（18）：準(zhǔn)雙向通用I/0口。 （10）P2口（2128）：準(zhǔn)雙向I/0口。二、主要特性： 與MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：全靜態(tài)工作：0Hz24Hz三級程序存儲器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。1 振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)的各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)的。時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)的穩(wěn)定性。常用電路有內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘兩種方式，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。圖42⑵芯片擦除：　　整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。2 復(fù)位電路。圖43 可編程RAM/IO芯片8155H系統(tǒng)中采用鍵盤實(shí)現(xiàn)輸入，并采用LED顯示器，控制兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，所以該系統(tǒng)需要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，采用可編程RAM/IO芯片8155H。Intel 8155H芯片內(nèi)包含有256個(gè)字節(jié)的RAM存儲器（靜態(tài)），RAM的存取時(shí)間為400ns。兩個(gè)可編程的8位并行口PA和PB，一個(gè)可編程的6位并行口PC，以及一個(gè)14位減法定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。PA和PB口可工作于基本輸入輸出方式或選通輸入輸出方式。8155HH可直接和AT89C51 單片機(jī)相連，不需要增加任何硬件邏輯，是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一。： 圖44 鍵盤與顯示電路設(shè)計(jì)下圖是AT89C51單片機(jī)用擴(kuò)展的I/O接口芯片8155HH實(shí)現(xiàn)的5位LED顯示和20鍵的鍵盤/顯示器的接口電路。8155HH的PA口為輸出口，控制鍵盤的列線Y0~Y4的鍵位，PA口作為鍵掃描口，同時(shí)又是5位共陰極顯示器的位掃描口。PB口作為顯示器的段碼輸出口，8155HH的PC口作為輸入口，PC0~3接行線X0~X3,成為簡輸入口。圖中，74LS04為反相驅(qū)動(dòng)器，7407為同相驅(qū)動(dòng)器，其中，從左邊開始，第一個(gè)數(shù)碼管顯示當(dāng)前工作臺運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，第二位數(shù)碼管顯示當(dāng)前工作太運(yùn)動(dòng)方向，另外三位數(shù)碼管顯示當(dāng)前工作臺運(yùn)行速度。圖45鍵盤與顯示電路 I/O口的分配⑴P0:接8155HH的AD0~AD7，做低8位數(shù)據(jù)總線和地址總線。⑵~：接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。⑶~：接五個(gè)發(fā)光二極管，用于顯示當(dāng)前步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。⑷：連接上位機(jī)PC。剩余的I/O口用于在擴(kuò)展控制系統(tǒng)功能時(shí)擴(kuò)展用。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分主要是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、定位和退刀時(shí)能快速運(yùn)行、工作時(shí)能帶動(dòng)工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運(yùn)行。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流比單片機(jī)端口所能提供的要大得多．單片機(jī)要控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)就不能直接將端口與電機(jī)各相相連，必須使用一定的接口電路和驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路集成化已成為一種趨勢，目前，已有多種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，他們大多接驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一身，方便簡單，節(jié)約空間。選擇集成驅(qū)動(dòng)器一定要選擇配套產(chǎn)品，因?yàn)閷τ诓煌碾妱?dòng)機(jī)步距角的積累誤差不完全一樣，選擇的驅(qū)動(dòng)器不配套，可能會造成步距角積累誤差增加，進(jìn)而振蕩和失步加劇。本設(shè)計(jì)中X、Y向步進(jìn)電機(jī)均為90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)。: 機(jī)械工業(yè)出版社,2007，84頁，選擇與之配套的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb，輸入電壓100VAC，相電流4A，分配方式為二相八拍。該驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線方式如圖圖46步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖BD28Nb驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)二相混合式步進(jìn)電機(jī)，該驅(qū)動(dòng)器采用原裝進(jìn)口模塊，內(nèi)部自帶脈沖分配器，實(shí)現(xiàn)高頻斬波，恒流驅(qū)動(dòng)，具有很強(qiáng)的抗干擾性、高頻性能好、起動(dòng)頻率高、控制信號與內(nèi)部信號實(shí)現(xiàn)光電隔離、電流可選、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性好、噪聲小。為了使控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器能夠正常通信，避免相互干擾，我們在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用光耦器件對輸入信號進(jìn)行隔離，三路信號的內(nèi)部接口電路相同，常用的方式為1）共陽方式：把CP+、DIR+和EN+接在一起作為共陽端接外部系統(tǒng)的+5V，脈沖信號接入CP端，方向信號接入DIR端，使能信號接入EN端；2）共陰方式：把CP、DIR和EN接在一起作為共陰端接外部系統(tǒng)的GND，脈沖信號接入CP+端，方向信號接入DIR+端，使能信號接入EN+端；3）差動(dòng)方式：直接連接。 傳感器和控制面板設(shè)計(jì)⑴由于步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)的速度與所傳遞的位移和角度由單片機(jī)發(fā)送的脈沖頻率和脈沖數(shù)來決定，可實(shí)現(xiàn)精確定位，不需要反饋電路，但工作臺的移動(dòng)不能超過最大行程，因此，應(yīng)該在X、Y軸的方向各加上兩個(gè)光電開關(guān)作為行程開關(guān)，當(dāng)工作臺越位時(shí)，開啟光電開關(guān)，然后用蜂鳴器報(bào)警，報(bào)告給操作人員按下急停按鈕。蜂鳴器的工作原理如圖413。這里行程開關(guān)作用有兩個(gè)：首先防止意外情況發(fā)生，使工作臺超過最大行程，造成事故，這是主要原因；另外可以用與定位機(jī)械部分安裝定位。所以這4個(gè)行程開關(guān)就充當(dāng)了傳感器。圖47 使用7406做驅(qū)動(dòng)的蜂鳴音報(bào)警電路在圖413中。“1”時(shí)，7406的輸出為低電平“0”，使壓電蜂鳴器引線獲得將近5V的直流電壓，而產(chǎn)生蜂鳴音?！?”使，7406的輸出端升高約為+5V，壓電蜂鳴器的兩引線間的直流電壓降至接近于0V，發(fā)音停止。⑵微機(jī)控制系統(tǒng)必須便于人機(jī)聯(lián)系，所以設(shè)置了一下按鍵，鍵盤如圖414。1．在本設(shè)計(jì)面板中，使用開關(guān)和復(fù)位按鈕，用于啟動(dòng)、停止系統(tǒng)。2．采用了五位數(shù)碼管用來顯示工作臺當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)行速度，其中速度的單位為mm/min；在面板最下方中間是急停按鈕；LED1\LED2\LED3\LED4分別用于指示工作臺在指示燈對應(yīng)的方向禁止通行。3．本設(shè)計(jì)中X+\X\Y+\Y按鈕分別表示手動(dòng)使工作臺相對應(yīng)的方向運(yùn)動(dòng)；圖形表示加速，表示減速且分別在X軸和Y軸各設(shè)立了一對加減速鍵用于調(diào)整工作臺運(yùn)行速度。圖48 控制面板第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)軟件是一系列能完成各種功能的程序的集合。軟件和硬件的結(jié)合，形成一個(gè)具有特定功能的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，使該系統(tǒng)能夠完成零件程序的輸入、編輯、譯碼、數(shù)據(jù)計(jì)算和伺服控制等工作。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件主要是步進(jìn)電機(jī)控制軟件。對于AT89C51的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)現(xiàn)的功能較簡單，采用匯編的形式。 主流程圖在等待中斷的過程中，如果有中斷到來，先檢查中斷0的狀態(tài)，是中斷0則進(jìn)入中斷0的中斷服務(wù)INT0IS，是中斷1則進(jìn)入中斷1的中斷服務(wù)INT1IS。中斷服務(wù)0是由4個(gè)行程開關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機(jī)讀取PA口內(nèi)容，然后將結(jié)果反饋到PB口的LED上。中斷服務(wù)1有10個(gè)中斷源，這六個(gè)中斷源分別是手動(dòng)X正方向運(yùn)行，手動(dòng)X負(fù)方向運(yùn)行，手動(dòng)Y正方向運(yùn)行，手動(dòng)Y負(fù)方向運(yùn)行，復(fù)位和繪制圓弧，X方向的加減速和Y方向的加減速。程序見附錄1。連續(xù)鳴音30ms的控制子