【正文】 21 世紀 50 年代后期，其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了四個階段：第一階段從 50 年代后期到 60 年代后期主要是高等院校和科研機構(gòu)開發(fā)并使用少量的步進電機，以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進電動機為主；第二階段， 70 年代初期反映在步進電機的生產(chǎn)和研究發(fā)展到了一個水平；第三階段， 70 年代中期至 80 年代后期新產(chǎn)品種高性能電動機層出不窮，各種混合式步進電動機及驅(qū)動器作為產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。其特點如下： 用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價。 無刷，電動機本體部件少，可靠性高。 平滑性好，步距角選擇范圍大，停止時可有自鎖能力 步進電機的步距角 b? 取系統(tǒng)脈沖當量 1 /p m m ste p? ? ，初選步進電機步距角 ? ? 。 若取 b??? ，則ps ??，且 SP P G??? ，所以 式中： SP —— 移動部件負載（ N）； G—— 移動部件重量（ N）； zP —— 與重量方向一致的作用在移動部件上的負載力（ N）； ? —— 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； b? —— 步進電機步距角，（ rad）； T—— 電機軸負載力矩 )/( cmN 本例中，取 ?? （淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)）， ?? ， SP 為絲杠牽引力。 滾珠絲杠的設(shè)計計算 滾珠絲杠 的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。 最大動負載 Q的計算 3 HQ L f f P?? 查表得系數(shù) 1f?? ， 1Hf ? ，壽命值 )/(2 ][36 cmNGPT bSP ??? ?? ??cmNT q / ??)/( ][ cmNT ??? ???? ? 第 6 頁 共 31 頁 查表得使用壽命時間 T=15000h，初選絲杠螺距 t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速 所以 X 向絲杠牽引力 f G? 當 ()f當 — — 當 量 摩 擦 系 數(shù) == Y 向絲杠牽引力 f G? 當 == 所以最大動負荷 X 向 Q(X)== Y 向 Q(Y)== 查 表 ， 取 滾 珠 絲 杠 公 稱 直 徑 0 10d mm? ， 選 用 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的型號為 SFK1004，其額定動載荷為 390N，足夠用。 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載 P引起的導(dǎo)程 0L 的變化量 Y向所受牽引力大，故應(yīng)用 Y 向參數(shù)計算 ( )PN? 0 ( )L cm? 622 0 .6 1 0 ( / )E N c m?? ? ?材 料 為 鋼 EFPLL 01 ??? 第 7 頁 共 31 頁 所以 絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量 2L? 很小，可以忽略。 穩(wěn)定性驗算 由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗算。目前的數(shù)控機床采用導(dǎo)軌形式的主要有：滑動導(dǎo)軌，滾動導(dǎo)軌，靜壓導(dǎo)軌三類。后者的化學(xué)穩(wěn)定性好，摩擦系數(shù)抵，靜摩擦系數(shù)小，耐磨損，耐腐蝕，吸振性好，比重小，強度大，加工成型簡單，能在任何液體或者無潤滑條件下工作。 滾動導(dǎo)軌 ： 滾動 導(dǎo)軌的技術(shù)要求 兩導(dǎo)軌面見的不平行度不小于 3μ m 導(dǎo)軌平面度不小于 5μ m 滾動體的直徑差一般機床全部滾動體為 2μ m。 )( 661 cmL ?????? ????)()( 222 cmRF ???? ?)/3( 60 mmLL ???????? ? 第 8 頁 共 31 頁 滾柱的錐度： 0， 51μ m。這種導(dǎo)軌的承載能力小，剛度低。 滾柱導(dǎo)軌。 滾針導(dǎo)軌。合適導(dǎo)軌受限的機床。 靜壓導(dǎo)軌 這樣導(dǎo)軌的優(yōu)點是：工作表面完全處于純液體摩擦狀態(tài)下，所以其摩擦系數(shù)極低，能使驅(qū)動功率降低；導(dǎo)軌的運動不受負載和速度的限制，且低速時運動均勻，不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象?？拐裥院?；承載能力大；摩擦發(fā)熱小，導(dǎo)軌的溫升小。 2 導(dǎo)軌 選擇 ： 導(dǎo)軌 為直線滾動矩形導(dǎo)軌，本設(shè)計中共用 4條導(dǎo)軌，每條導(dǎo)軌用 2 個滑塊，根據(jù)縱向最大動載荷 C=,橫向最大動載荷 C＝ ，通過查《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表 210P33，初選 4 條導(dǎo)軌的型號都為 GDA20TW。式中 l 為支座長度； n 為導(dǎo)軌兩孔之間的距離。 估算出導(dǎo)軌的長度為：縱向進給的導(dǎo)軌長度為 800mm，橫向進給的導(dǎo)軌為 700mm。 滾動導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法 當工作臺往復(fù)移動時，工作臺壓在兩端滾動體上 的壓力會發(fā)生變化，受力大的滾動體變形大，受力小的滾動體變形小。此外，滾動體支承工作臺，若工作臺剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會使工作臺下凹（有時還可能出現(xiàn)波浪形），影響導(dǎo)軌的精度。 對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算 )243 ( cmkgLDJ ??? ? 式中： D—— 圓柱零件直徑（ cm）； L—— 零件長度（ cm）。 第 11 頁 共 31 頁 單片機 I/O 口 擴展 驅(qū)動器 光電隔離 功 率 放 大 X軸電機 縱向絲 杠 存儲器擴展 驅(qū)動器 Y軸電機 橫向絲 杠 第 3 章 控制系統(tǒng) 設(shè)計 硬件 系統(tǒng)設(shè)計 確定機床控制系統(tǒng)方案 根據(jù)機械系統(tǒng)方案的要求，可以看出：對機械部分的控制只有 對 進給系統(tǒng)的步進電機 的控制，從而控制工作臺進給 。另外， 既 然要控制，就得有輸入和輸出設(shè)備才能對相應(yīng)的運動進 行控制。 本設(shè)計 所選 AT89S51 的性能參數(shù)為： Flash 存儲器容量為 4KB、 16 位定時器 2 個、中斷源 6個（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷 0、外部中斷 定時器 0和定時器1 中斷）、 RAM 為 128B、 14 位的計數(shù)器 WDT、 I/O 口共有 32 個 AT89S51 單片機地址鎖存器芯片 74LS373： 27128,6264 存儲器及 8155 芯片 74LS138 為 3 線－ 8 線譯碼器，共有 54/74S138 和 54/74LS138 兩種線路結(jié)構(gòu)型式 。在 40 個管腳中，其中有鍵 盤 顯示器 第 12 頁 共 31 頁 32 個腳可用于各種控制，比如控制小燈的亮與滅、控制電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、控制電梯的升與降等，這 32 個腳叫做單片機的“端口”，在單片機技術(shù)中，每 個端口都有一個特定的名字，比如第一腳的那個端口叫做“ ”。 GND：接地。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口管腳 寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉 優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P3 口： P3口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個 TTL門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時， ALE 端以不變的頻率周 期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC指令是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 PSEN 有效。 EA/VPP： 當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不 接。 EPROM的選用 為簡化電路，此處選用 2764EPROM (8K*8 位 )。以便于更換各功能模塊程序和零件加工程序時，只需更換各自芯片即可，方便升級。將數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)固化到指定地址單元。 RAM的選用 數(shù)據(jù)存儲器 RAM 通常采用 MOS 型， MOS 型 RAM 分靜態(tài)、動態(tài)兩種。對實時控制系統(tǒng)而言 ,可靠是第一位的 ,此處選用大容量靜態(tài) RAM6264(8K*8 位 )一片。 寫方式 —— CE 為低電平， WE 亦為低電平時 ,允許數(shù)據(jù)輸入。 AT89S51 I/O的擴展 可編程接口芯片是指其工作方式可由與之對應(yīng)的軟件命令來加以改變的接口芯片。 8155 可編程并行 I/O接口具有功能強，價格便宜，且具有與 MCS51單片機配置簡單、方便等優(yōu)點。 8155 的結(jié)構(gòu)框圖及引腳排列見 下 圖。命令寄存器格式及對應(yīng)的工作方式 ： 8155I/O 有四種工作方式，即 ALT1， ALT2， ALT3， ALT4。 BINTR： B 口中斷，請求輸入信號，高電平有效。 ASTB（ BSTB）： A口（ B口）設(shè)備選通信號輸入線，低電平有效。 ALT2： A口， B 口為基本輸入 /輸出， C 口為輸出方式。 PC0 為 AINTR， PC1 為 ABF，PC2為 ASTB ， PC3～ PC5 為輸出。 PC0 為 AINTR， PC1 為 ABF， PC2 為 ASTB ， PC3為 BINTR， PC4 為 BBF， PC5為 BSTB 。 狀態(tài)寄存器和命令寄存器共用一個地址，命令寄存器只能寫入不能讀出，而狀態(tài)寄存器只能讀出不能寫入 。