【導(dǎo)讀】輾技術(shù)的基本原理，設(shè)計了用于汽車輪轂軸承單元的鉚合裝配的專用擺碾機床。根據(jù)工藝特點，重點研究了該機床的控制系統(tǒng)，設(shè)計出合理的控制系統(tǒng)原理圖，搭建控制系統(tǒng)平臺，設(shè)計基于步進驅(qū)動液壓工作臺的控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)相應(yīng)的工藝動作。本文完成控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，進行軟硬件的調(diào)試。實驗，通過運行調(diào)試，該系統(tǒng)成功應(yīng)用于擺碾旋壓設(shè)備，運行穩(wěn)定可靠。

　　

【正文】 地抑制振動，這種電機都不加阻尼器，它雖然存在振 動，但 一般不會失步。這體現(xiàn)了混合式步進電機的優(yōu)點。在某些系統(tǒng)中因其工作速度的要求，工作在電機的共振區(qū)，更有甚者負載的共振頻率與電機的共振頻率接近。為了抑制共振，只有采取措施改變系統(tǒng)的共振頻率。 步進電機計算及選型 步進電機的局部裝配圖如 圖 圖 局部裝配圖 1）根據(jù)條件 :工作臺壓力 150000N,上升精度 1um,大齒輪分度圓 D1=360mm,步進電機齒輪分度圓 D2=54mm,螺距 P=3mm. 根據(jù)條件得： i=1/。 (x/360)*1/=1/3000 = x= 2)步進電機分類： 反應(yīng)式步進電動機（ VR）。 采用高導(dǎo)磁材料構(gòu)成齒狀轉(zhuǎn)子和定子，其結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角可以做的相當(dāng)小，但動態(tài)性能相對較差。 永磁式步進電動機（ PM）。 轉(zhuǎn)子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側(cè)配置齒狀定子。用轉(zhuǎn)子和定子之間的吸引和排斥力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動步的角度一般是 。它的出力大，動態(tài)性能好；但步距角一般比較大。 32 混合步進電動機（ HB）。 這是 PM 和 VR 的復(fù)合產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結(jié)構(gòu)。此類電機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關(guān)的設(shè)備中多用此類電機。 3）最后選型為： 90BYG4501（ 2 相） 混合 步進電機 90BYG4501 的參數(shù) 33 圖 電機性能圖 34 圖 電機尺寸圖 35 第五章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 微控 部分 （模擬模式） 工作臺的升降由步進電機控制， 通過電腦端輸出控制命令，經(jīng)單片機的處理控制步進電機的運轉(zhuǎn)。經(jīng) LCD1602 反饋信息。 如圖 所示 圖 控制示意圖 控制器芯片，采用 Atmel公司的 Atmaga16L單片機作為主控制器。 Atmaga16L是一個低功耗，高性能的 8 位單片機，片內(nèi)含 16k 空間的可反復(fù)擦些 100,000 次的 Flash 只讀存儲器，具有 2Kbytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個 IO口， 2 個 8 位可編程定時計數(shù)器， 1 個 16 位可編程定時計數(shù)器，四通道 PWM，內(nèi)置 8 路 10 位 ADC。且 atmega 系列的單片機可以在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試。 AVR 單片機硬件結(jié)構(gòu)采取 8 位機與 16 位機的折中策略，即采用局部寄存器存堆 (32 個寄存器文件 )和單體高速輸入 /輸出的方案 (即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯 )。提高了指令執(zhí)行速度 (1Mips/MHz)，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強了功能；同時又減少了對外設(shè)管理的開銷，相對簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。故 AVR 單片機在軟 /硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價比的單片機。 AVR 單片機內(nèi)嵌高質(zhì)量的 Flash 程序 存儲器，擦寫方便，支持 ISP 和 IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新。內(nèi)嵌長壽命的EEProm 可長期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內(nèi)大容量的 RAM 不僅能滿足一般場合的使用，同時也更有效的支持使用高級語言開發(fā)系統(tǒng)程序 ,并可像MCS51 單片機那樣擴展外部 RAM。 。 AVR 單片機片內(nèi)具備多種獨立的時鐘分頻器，分別供 URAT、 I2C、 SPI 使用。其中與 8/16 位定時器配合的具有多達 10 位的預(yù)分頻器，可通過軟件設(shè)定分頻系數(shù)提供多種檔次的定時時間。 AVR 單片機獨有的“以定時器 /計數(shù)器（單） 36 雙向計數(shù)形成三角波 ，再與輸出比較匹配寄存器配合，生成占空比可變、頻率可變、相位可變方波的設(shè)計方法 (即脈寬調(diào)制輸出 PWM)”更是令人耳目一新。 增強性的高速同 /異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗碼、硬件檢測和校驗偵錯、兩級接收緩沖、波特率自動調(diào)整定位（接收時）、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實現(xiàn)多機通信系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用，串口功能大大超過 MCS51/96 單片機的串口，加之 AVR 單片機高速，中斷服務(wù)時間短，故可實現(xiàn)高波特率通訊。 面向字節(jié)的高速硬件串行接口 TWI、 SPI。 TWI 與 I2C 接口 兼容，具備 ACK信號硬件發(fā)送與識別、地址識別、總線仲裁等功能，能實現(xiàn)主 /從機的收 /發(fā)全部4 種組合的多機通信。 SPI 支持主 /從機等 4 種組合的多機通信。 AVR 單片機有自動上電復(fù)位電路、獨立的看門狗電路、低電壓檢測電路 BOD，多個復(fù)位源 (自動上下電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、 BOD 復(fù)位 )，可設(shè)置的啟動后延時運行程序，增強了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。 AVR 單片機具有多種省電休眠模式，且可寬電壓運行（ ），抗干擾能力強，可降低一般 8 位機中的軟件抗干擾設(shè)計工作量和硬件的使用量。 AVR 單片機技術(shù)體現(xiàn)了 單片機集多種器件 (包括 FLASH 程序存儲器、看門狗、EEPROM、同 /異步串行口、 TWI、 SPI、 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器 /計數(shù)器等 )和多種功能 (增強可靠性的復(fù)位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時器 /計數(shù)器、具替換功能的 I/O 端口?? )于一身，充分體現(xiàn)了單片機技術(shù)的從“片自為戰(zhàn)”向“片上系統(tǒng) SoC”過渡的發(fā)展方向。 37 M16 的引腳說明 圖 ATmega16 引腳圖 AVR 單片機的 I/O 線全部帶可設(shè)置的上拉電阻、可單獨設(shè)定為輸入 /輸出、可設(shè)定（初始）高阻輸入、驅(qū)動能力強（可省去功率驅(qū)動器件）等特性，使的得I/O 口資源靈活、功能強大、可充分利用 。 38 系統(tǒng)板 圖 M16L 為主的系統(tǒng)板 復(fù)位部分 圖 復(fù)位原理圖 39 Mega16 已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時的額外時間，故 AVR 外部的復(fù)位線路在上電時，可以設(shè)計得很簡單：直接拉一只 10K的電阻到 VCC 即可 (R0)。 為了可靠，再加上一只 的電容 (C0)以消除干擾、雜波。 D3(1N4148)的作用有兩個：作用一是將復(fù)位輸入的最 高電壓鉗在 Vcc+ 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時，將 R0(10K)電阻短路，讓 C0 快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。當(dāng) AVR 在工作時，按下 S0 開關(guān)時，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā) AVR芯片復(fù)位。 晶振電路的設(shè)計 圖 晶振電路 Mega16 已經(jīng)內(nèi)置 RC 振蕩線路，可以產(chǎn)生 1M、 2M、 4M、 8M 的振蕩頻率。不過，內(nèi)置的畢竟是 RC 振蕩，在一些要求較高的場合，比如要與 RS232 通信需要比較精確的波特率時，建議使用外部的晶振線路。早期的 90S 系列，晶振兩端均需要接 22pF 左右的電容。 Mega 系列實際 使用時，這兩只小電容不接也能正常工作。不過為了線路的規(guī)范化， 仍建議接上。 40 ISP 下載接口設(shè)計 圖 ISP 下載接口 ISP 下載接口，不需要任何的外圍零件。使用雙排 2＊ 5 插座。由于沒有外圍零件，故 PB5（ MOSI）、 PB6（ MISO）、 PB7（ SCK）、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受 ISP 的干擾。 串口通信 計算機與其它設(shè)備 經(jīng)由線路相互交換數(shù)據(jù)，便是通信。通信的主要目的是將數(shù)據(jù)由一端傳送到另一端，達到數(shù)據(jù)的交換。一個完整的通信系統(tǒng)包括發(fā)送端、接收端、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的接口及 傳送數(shù)據(jù)的實際通道。一般來說，發(fā)送和接收的節(jié)點稱之為數(shù)據(jù)終端設(shè)備 (Data Terminal Equipment DTE )，如現(xiàn)場的單片機檢測系統(tǒng)、 PLC 控制站、上位 PC 機系統(tǒng)等 。終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送出去時，必須先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電氣信號，以便在傳輸路上傳遞，而負責(zé)數(shù)據(jù)與電氣信號轉(zhuǎn)換的設(shè)備成為數(shù)據(jù)通信設(shè)備 (Data Communication Equipment, DCE )，如調(diào)制解調(diào)器 (Modem )、電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232, MAX485 等。數(shù)據(jù)終端設(shè)備對外發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要作電氣轉(zhuǎn)換才能送上傳輸線路 ，同樣，數(shù)據(jù)終端設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時，也是先進行電氣信號轉(zhuǎn)換。 DTE 和 DCE 間的數(shù)據(jù)傳輸線路通常采用 RS232 和 RS485 標準協(xié)議，而傳輸?shù)慕橘|(zhì)有雙絞線、同軸電纜、光纖和無線電等。通信的形式通常有兩種 :并行通信 (Parallel Communication)和串行通信 (Serial Communication)。 串行通信 是通過一對（或兩對）電纜，將發(fā)送方與接受方連接， 一次只傳輸一位，數(shù)據(jù)依次按位順序移動。這種方式傳輸速度相對較慢，但它處理的數(shù)據(jù)電 41 壓只有一個準位，因此不容易把數(shù)據(jù)漏失和傳錯，由于硬件開銷相對 較小，再加上一些抗干擾措施，所以比較適合遠程通信。 輪對壓裝機 系 統(tǒng)計算機與 PLC 之間的通信 之間都采用串行通信方式。 RS232 既是電氣標準，也是物理標準。 其內(nèi)部電路采用的是“單端驅(qū)動、非差分接收”接口電路 。 RS232 對信號的開關(guān)電平規(guī)定如下 :驅(qū)動器的輸出電平為 :邏輯“ 0, }3V^}15V。邏輯“ 1， 3^ISV接收器的輸入檢測電平為 :邏輯“ 0, f3V。邏輯“ 1 , 3V 它采用單端驅(qū)動和單端平衡接收方式號共地連接，不能消除信號中的共模干擾， 最大傳輸距離為 15米，最高傳 輸速率為20Kbps。 MAX232 是一種雙組驅(qū)動器 /接收器，片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器以便在單 5V電源供電時提供 EIA/TIA232E 電平。每個接收器將 EIA/TIA232E電平輸入轉(zhuǎn)換為 5V TTL/CMOS電平。這些接收器具有 的典型遲滯，而且可以接收177。 30V的輸入。每個驅(qū)動器將 TTL/CMOS 輸入電平轉(zhuǎn)換為 EIA/TIA232E 電平。 MAX232 的工作溫度范圍為 0℃至 70℃， MAX232I的工作溫度范圍為 40℃至 85℃。 根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向以及能否同時接收或發(fā) 送數(shù)據(jù)，串行通信操作方式可分為單工、半雙工和全雙工三種，如圖所示。 1） 單工（ Simplex）：僅允許數(shù)據(jù)單方向傳送。 2） 半雙工 (Half Duplex)：發(fā)送和接收數(shù)據(jù)分時使用同一條傳輸線路，即在 同一時刻只能進行一個方向的數(shù)據(jù)傳送，通信雙方不能同時收發(fā)數(shù)據(jù)。 3） 全雙工 (Full Duplex)：采用兩根傳輸線連接兩端設(shè)備，可以同時進行數(shù) 據(jù)的發(fā)送和接收。 ( a ) 單 工( b ) 半 雙 工( c ) 全 雙 工 圖 串行通信操作方式 42 圖 串口通信圖 驅(qū)動板 圖 驅(qū)動板原理圖 43 第六章 控制系統(tǒng)程序設(shè)計 系統(tǒng)流程圖設(shè)計 程序流程圖如下圖 所示 圖 程序流程圖 程序清單 /*==================================*//主文件 include avr/ //包含的頭文件 include avr/ include util/ include include void StepMotor(unsigned char dir,int num)//轉(zhuǎn)向、步數(shù) { unsigned char K,j,concode。 unsigned char ucode[5]={0x06,0x05,0X09,0X0A,0X00}。 unsigned char dcode[5]={0X0A,0X09,0X05,0X06,0X00}。 for(j=0。jnum。j++) //步數(shù) {for(K=0。K5。K++) //2 拍 {if(dir!=0) concode=ucode[K]。//正向 else concode=dcode[K]。 //反向 44 PORTB |=concode。 _delay_ms(1000)。 } } } main(void) //主函數(shù) { unsigned char i。 DDRB|=0X0F。 //引腳定義 LCD_init()。 //LCD 初始化 uart_init()。 //串口初始化 LCD_write_string(5,0,READY)。 LCD_write_string(0,1,WAITING FOR YOU)。 while(1) { i=getchar()。 switch(i) { case 0x41: LCD_write_char(0x01,0)。//顯示清屏 LCD_write_string(0,0,MOTO FORWARD)。 StepMotor(1,10)。 break。 case 0x42: LCD_write_char(0x01,0)。 //顯示清屏 LCD_w