【正文】 1（鍵盤、LED）后向通道 圖33 CPU外部接口示意圖驅動1X步進電機驅動2Y步進電機驅動3外部中斷1外部中斷2AD0~AD7CEIO/MPB 口PA口PC口AT89S51鍵盤電磁閥8155 圖34 AT89S51控制系統圖 步進電機的驅動(1) 傳動驅動部分包括步進電機的驅動和機頭電磁閥的驅動，步進電機須滿足快速急停、定位和工作時能帶動工作臺并克服外力并以指令的速度運行。 控制系統設計 CPU接口設計 選用AT89S51單片機 根據任務書的要求，設計控制系統的硬件電路時主要考慮以下功能：；；，Y向步進電動機的驅動器；；。這樣控制系統每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號?？芍妱訖C轉動一轉時，需要控制系統發(fā)出360/α=480個步進脈沖。 圖32 增量式旋轉編碼器增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。 綜上所述，本例中工作臺的進給傳動選用90BYG2602步進電機，完全滿足設計要求。根據公式算的減速比： i= (αPh)/(360δ) = (4)/(360)=5/3 319本設計的齒輪減速箱大小齒輪模數均為1mm，齒數比為40：24，材料為45調質鋼，齒表面淬硬后達55HRC。其中大齒輪設計為雙片結構，采用彈簧錯齒法消除側隙[7]。 為滿足脈沖當量的設計要求，增大步進電機的輸出轉矩， 同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機轉軸上盡可能小，今在步進電機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。則可求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率： 318上式說明，要想保證步進電動機不丟步，任何時候的起動頻率都必須小于875Hz。cm2，電動機轉子的轉動慣量JM=4kgm，可滿足要求。本設計中安全系數取K=4 ，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： Tjmax≥4Teq=4= (3) 步進電機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。則由式(313)求得： 當移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： 315式中 μ —— 導軌的摩擦系數，滾動導軌取μ=； Fz ———— 垂直方向的作用力，空載時取0； η —— 傳動鏈總效率。 δ—— 脈沖當量，本設計=將以上各式代入(314)，算得nm =100r/min。則有： Teq1=Tamax+Tf 312 考慮傳動鏈的總效率 η，計算快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩： 313式中 nm ———— 對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位為r/min； ta ———— 步進電機由靜止到加速至nm轉速所需的時間，單位為s。 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩Teq1包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩Tamax；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩Tf；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩T0[6]。cm2。 初選步進電機型號為90BYG2602[5]，為兩相混合方式，176。cm3；大齒輪的轉動慣量Jz2= 步進電機的計算與選型 (1) 計算加在步進電機轉軸上的總轉動慣量Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長l=320mm，導程Ph=4mm，材料密度ρ=103kg/cm3，移動部件的總重力G=250N；小齒輪寬度b1=20mm，直徑d1=24mm；大齒輪寬度b2=20mm，直徑d2=40mm；傳動比i=5/3。 3. 將以上兩式算出的δ1和δ2代入 δ總=δ1+δ2 ，求得絲桿總的變形105mm。mm； I——絲桿按底徑確定的截面慣性矩(I=πd24/64)，單位mm4； 忽略上式中的第二項，算的絲桿在工作載荷Fm作用下產生的變形量 δ1=Fma/(ES)=320/(105)=106mm 38可忽略不計。絲桿的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左右支承的中心距離約為320mm，鋼的彈性模量E=105MPa，滾珠直徑Dw=，絲桿底徑d2=，絲桿截面積S=πd22/4=。代入 36得傳動效率η=%。(4)傳動效率的計算 將公稱直徑d0=20mm，導程Ph=4mm，代入下式 35176。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入 L0=60nT/106 33得絲杠壽命系數L0 = 54（單位為：106r）。已知移動部件總重量G=250N,按矩形導軌進行計算，滾動導軌上的摩擦系數μ=[6]。 設定工作臺行程尺寸為100mm100mm，考慮工作行程應留有一定余量，按標準系列，選取導軌的長度為340mm ?？紤]最不利的情況，即垂直與臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： 31 其中，移動部件重量G=250N，外加載荷F=0N， 代入式(31)，得最大工作載荷Fmax=。 直線滾動導軌副的計算與選型 (1) 滑塊承受工作載荷Fmax的計算及導軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。 (3) 電動機的選用 本設計定位精度未達到微米級，因此，本設計采用性能好一些的步進電機，以降低成本。它具有摩擦系數小，不宜爬行，傳動效率高，結構緊湊，安裝預緊方便等優(yōu)點。包括沖頭部件、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為250N。步進時鐘A相波形B相波形C相波形圖210 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉） 單片機主流程圖上電復位 =0，吸合電磁鐵外部中斷，8155初始化開外部中斷，開總中斷等待中斷 圖211 單片機主流程圖第三章 小行程精定位設計在工件經過粗進給之后，精行程工作臺移動沖頭及CCD相機，到達獲取的坐標點，完成最后一步定位。與繞組W串聯的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞[12]。圖29 電磁鐵驅動電路 圖28 步進電機驅動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電時，電動機轉動一步。步進電機每走一步。 傳動驅動部分包括步進電機的驅動和電磁鐵的驅動，步進電機須滿足快速急停、定位、工作時能帶動工作臺并克服外力并以指令的速度運行。（行程開關）前向通道傳動驅動（電磁鐵）（步進電機）人機界面?zhèn)鞲衅鰽T89S51（鍵盤、LED）后向通道 圖26 CPU外部接口示意圖驅動1X步進電機驅動2Y步進電機驅動3外部中斷1外部中斷2AD0~AD7CEIO/MPB 口PA口PC口AT89S51鍵盤電磁鐵8155 圖27 AT89S51控制系統圖 步進電機的驅動 兩電機同時工作再加上控制系統用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。硬件系統設計時，應注意幾點：電機運轉平穩(wěn)、響應性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。復位電路參數的選擇應能保證復位高電平持續(xù)時間大于2個機器周期[5]。按鈕復位又分為按鈕電平復位和按鈕脈沖復位。單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種復位方式。復位后，PC指向0000H單元，使單片機從起始地址0000H單元開始重新執(zhí)行程序。當振蕩電路工作，并且在RST引腳上加一個至少保持2個機器周期的高電平時，就能使AT89S51完成一次復位。(3)AT89S51的基本操作 如圖25所示，在X1和X2之間接一只石英振蕩晶體構成了單片機的時鐘電路，它還有另一種接法，是把外部振蕩器的信號直接連接到XTAL2端，XTAL1端懸空不用。作為輸入時，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(TTL)，也是由于上拉的緣故。 —P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。在給出地址“1”時，它利用內部上拉的優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。作為輸入時，P2口的管腳電位被外部拉低，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 —P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。 —P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每個管腳可吸收4TTL門電流。 控制系統設計 元器件介紹 (1)AT89C51的引腳功能，如圖21所示: 圖24 AT89S51的引腳功能圖 (2)管腳說明 —VCC：供電電壓。減速箱中心距為 (75+36)/2=，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。 圖23 雙片齒輪 已知工作臺的脈沖當量δ=，滾珠絲杠的導程Ph=5mm，步進電機的步距角α=176。采用一級減速，步進電機的輸出軸與小齒輪連接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪鏈接。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。cm2 ，電動機轉子不帶任何負載時的空載起動頻率fq=1800Hz。 (4)步進電動機的性能校核 啟動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq=m 217上述初選的步進電機型號為55BF003,該型號電動機的最大靜轉矩Tjmax=因此，根據Teq來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。則由式(215)得： 216最后由式(212)得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： 因為工作臺載荷近似不變，所以Teql即電動機上最大等效負載轉矩。設步進電機由靜止到加速至nm轉速所需的時間ta=，傳動鏈總效率η=。其中： 214式中 —— 空載最快移動速度，定位600mm/min α —— 步進電機步距角，176。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，T0相對于Tamax和Tf很小，可以忽略不計。則加載步進電機轉軸上的總轉動慣量為： 211 (2)計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq快速空載起動情況下進行計算。該型號電動機的轉子的轉動慣量Jm=cm3。 各個零部件的轉動慣量如下：滾珠絲杠的轉動慣量Js=；拖板折算到滾珠絲杠上的轉動慣量Jw=；小齒輪的轉動慣量Jz1=絲桿長度為580mm時，5級精度允許偏差為32μm[3]，絲桿剛度足夠。mm； I——絲桿按底徑確定的截面慣性矩(I=πd24/64)，單位mm4； 忽略上式中的第二項，算的絲桿在工作載荷Fm作用下產生的變形量 δ1=Fma/(ES)=560/(105)=105mm 28 Z=(πd0/Dw)－3， 求的單圈滾珠數Z=20；該型號絲桿為單螺母，滾珠圈數列數為31，代入公式 ZΣ=Z圈數列數=60 29絲桿預緊時，取軸向預緊力FYJ=Fm/3=，則由