单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台设计方案

0 单片机控制步进电机驱动的多用 第一节 课程设计题目 ： 单片机控制步进电机驱动的多用 作台。 已知条件： 定位精度： 负载 G=150N，加工范围 5000快移动速度 1m/二节 课程设计的内容 (1) (2)较，论证。 (1) (2) (3)算和选用； (4) (5) (6) (7) (1) (2) 接口电路及伺服控制电路的设计和选用； (3) 1 第四章 数控系统总体方案的确定 数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。 统运动方式的确定 该系统要求工作台沿各坐标轴 的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。 服系统的选择 开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机 而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。 简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。 算机系统的选择 采用 列中的 8031 单片机扩展控制系统。 片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统 由微机部分、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。 X Y 工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。 由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。 考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用 齿轮减速传动。系统总体框图如下 : 图 3统总体框图 2 第五章 机械部分设计 机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。 确定系统脉冲当量 脉冲当量 p 是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为 此选择脉冲当量为 工作台外形尺寸及重量初步估算 根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算 X 向和 Y 向工作台承载重量 取 X 向导轨支 撑钢球的中心距为 410 向导轨支撑钢球的中心距为400计工作台简图如下 : a. X 向拖板 (上拖板 )尺寸为 : 长 *宽 *高 =420*410*50 重量 :按重量 =体积 *材料比重估算为 : 324 2 0 4 1 0 5 0 1 0 7 . 8 1 0 6 7 1 . 5 8 N b. Y 向拖板 (下拖板 )尺寸为 : 420 400 50 重量324 2 0 4 0 0 5 0 1 0 7 . 8 1 0 6 5 5 . 2 N 工作台简图 3 c. 上导轨 (含电机 )重量为 23( 9 0 0 4 8 0 8 2 8 0 0 3 5 5 0 ) 7 . 8 1 0 1 0 4 8 7 . 9 7 N 夹具及工件重量 :约 155N 作台运动部分总重量为 : 4 8 7 . 9 7 6 5 5 . 2 6 7 1 . 5 8 1 5 5 2 0 0 0 滚动导轨副的计算、选择 根据给定的工作载荷 估算的 算导轨的静安全系数 0/P，式中： 导轨的基本静额定载荷， 作载荷 P=z+W)； 般运行状况 )， 动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨： 因系统受中等冲击 ,因此取 ,0 . 5 ( )O S L X Z X YC f Wx Z S L S L 0 . 5 ( F + W ) = 0 . 5 ( 2 0 0 0 + 6 7 1 . 5 8 ) = 1 3 3 5 . 7 9 0 . 5 ( F + W ) = 0 . 5 ( 2 0 0 0 + 6 5 5 . 2 ) = 1 3 2 7 . 6 f P = 4 1 3 3 5 . 7 9 = 5 3 4 3 . 1 6 f P = 4 1 3 2 7 . 6 = 5 3 1 0 . 4 N根据计算额定静载荷初选导轨 : 选择汉机江机床厂 列滚动直线导轨 ,其型号为 :本参数如下 : 额定载荷 /N 静态力矩 /N*M 滑座重量 导轨重量 导轨长度 动载荷 17500 26000 198 198 288 60 滑座个数 单向行程长度 每分钟往 复次数 M n 4 导轨的额定动载荷 17500N 依据使用速度 v（ m/初选导轨的基本动额定载荷aC(算导轨的工作寿命 额定行程长度寿命 : 4 ()H T C f f CS 20004 500 1 , 2 , 0 . 8 1 , 1 ,50 C f f 33 1 1 0 . 8 1 1 7 5 0 02 5 0 0( ) 5 0 ( ) 1 4 2 4 0 9 . 5 8H T C f f CS k m 导轨的额定工作时间寿命 : 3102S 3 31021 4 2 4 0 9 . 5 8 1 0 4 9 4 4 7 7 1 5 0 0 02 0 . 6 4 6 0h T h 导轨的工作寿命足够 . 滚珠丝杠计算、选择 初选丝杠材质： ， 0，导程： 1） 强度计算 丝杠轴向力： )(,m a x (N) 其中： K=动导轨摩擦系数 f=005；在车床车削 外圆时 ： z，z，可取 算。 取 f=400则 : m a xm a . 5 0 . 5 2 0 0 0 1 0 0 00 . 6 0 . 6 2 0 0 0 1 2 0 01 . 1 5 1 0 0 0 0 . 0 0 4 ( 2 0 0 0 6 7 1 . 5 8 ) 1 0 4 5 . 6 8 61 . 1 5 1 2 0 0 0 . 0 0 4 ( 2 0 0 0 6 5 5 . 2 ) 1 2 5 2 . 6 2 1 寿命值：61060 ，其中丝杠转速0(r/m a 0 / m i 4 0 0 1 5 0 0 036010 最大动载荷： 式中： 载荷 系数，中等冲击时为 硬度系数， 8 时为 5 查表得中等冲击时 1 1则 : 333 6 0 1 . 2 1 1 0 4 5 . 6 8 6 7 0 7 9 . 5 83 6 0 1 . 2 1 1 2 5 2 . 6 2 1 1 0 6 8 6 . 5 4 根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为 : 列滚珠丝杆副 ，其型号为： 其基本参数如下 : 其额定动载荷为 14205N 滚珠循环方式为外循环螺旋槽式 ,预紧方式采用双螺母螺纹 预紧形式 . 滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表 名称 计算公式 结果 公称直径0d 20距 t 触角 045 钢球直径 纹滚道法向半径 R 心距 e ( 2 ) s i d 纹升角 0ta r c tg d 0433 6 螺杆外径 d 0 ( 0 . 2 0 . 2 5 ) bd d d 杆内径1d e R 杆接触直径2c o d d 母螺纹外径 D 0 22D d e R 母内径（外循环）1 0 . 2 0 . 2 5 5 ) bD d d 2） 传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率为：)( tg =10，为摩擦角； 为丝杠螺旋升角。 00 4 3 3() ( 4 3 3 1 0 ) 0 . 9 6t （ 3） 稳定性验算 丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。 （ 4） 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：1 (Y 向所受牵引力大 ,故用 Y 向参数计算 60622 2 21 . 6 5 1261 2 5 1 . 8 2 0 . 51 2 0 . 6 1 0 2 . 1 41 2 5 2 . 6 2 10 . 52 0 . 6 1 0 ( / )3 . 1 4 ( ) 2 . 1 46 . 1 2 1 0c C C M 丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差 为 0641 0 0 1 0 01 0 . 56 . 1 2 1 0 1 2 . 2 4 1 0 1 2 . 2 4 lL u m =15m/m。 齿轮计算、设计 因 步 进 电 机 步 距 角 滚 珠 丝 杠 螺 距 t=5要 实 现 脉 冲 当 量0 . 0 1 /p m m s t e p ,在传动系统中应加一对齿轮降速传动 . 齿轮传动比： 0 360li p ，初选步进电机步距角： = 7 12360 3 6 0 0 . 0 1 0 . 4 81 . 5 5取小齿轮齿数 1 24Z 则大齿轮齿数2 50Z 因传递的扭距较小 ,取模数 m=1 : 分度圆直径 :11 1 2 4 2 4d m z m m 22 1 5 0 5 0d m z m m 齿顶圆直径 : 11( 2 ) ( 2 4 2 ) 1 2 6ad z m m m 22( 2 ) ( 5 0 2 ) 1 5 2ad z m m m 齿根圆直径 : 11( 2 . 5 ) ( 2 4 2 . 5 ) 1 2 1 . 5fd z m m m 21( 2 . 5 ) ( 5 0 2 . 5 ) 1 4 7 . 5fd z m m m 齿宽 : 1 1 2 4 2 4db d m m 取1 25b 2 30b 中心距 : 120 . 5 ( ) 0 . 5 ( 2 4 5 0 ) 3 7a d d m m 分度圆压力角 : 020 大小齿轮均采用渐 开线标准圆柱齿轮 小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙 . 双片齿轮错齿消隙结构图 如下 : 1、 2 3 弹簧 , 4、 8 凸耳 , 5 调节螺钉 , 6、 7 螺母 双片齿轮错齿消隙结构图 步进电机惯性负载的计算 根据等效转动惯量的计算公式，有： （ 1）等效转动惯量的计算 折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为： 8 2210 1 2 32( ) ( ) ( )180 J J J 式中：算到电机轴上的惯性负载；0 2为移动部件的质量。 对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算： 340 . 7 8 1 0J D L 式中 D 为圆 柱零件直径， L 为圆柱零件的长度。 所以有： 3 4 2 213 4 2 223 4 2 230 . 7 8 1 0 2 . 4 2 . 5 6 . 4 7 1 0 7 8 1 0 5 . 0 3 . 0 1 4 6 . 2 5 1 0 7 8 1 0 2 . 0 3 0 3 7 . 4 4 1 0 .J k g c mJ k g c mJ k g c m 电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有： 2 2 2 2 22 4 0 . 0 16 . 4 7 1 0 ( ) ( 1 4 6 . 2 5 3 7 . 4 4 ) 1 0 2 0 0 ( ) 0 . 7 7 9 3 1 450 1 . 5180dJ k g c m 步进电机的选用 (）步进电机启动力矩的计算 设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系： T P s 式中 为电机转角，为移动部件的相应位移， 为机械传动的效率。若取b，则p，且 () G P 。所以： 9 3 6 ( ) 2p s 式中：N）， G 为移动部件质量（ N），z N）， 为导轨摩擦系数，b为步进电机的步距角（ ,T 为电机轴负载力矩（ 取 =火钢滚珠导轨的摩擦系数）， .8，P=虑到重力影响，向电机负载较大，因此 1200，所以有： 3 6 0 . 0 1 1 2 5 1 . 8 2 0 . 0 3 ( 2 0 0 0 1 8 0 0 ) 2 3 . 1 4 1 . 5 0 . 8 6 5 . 2 5 .T n c m 考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩： 0 . 3 0 . 5 取系数为 ： 6 5 . 2 5 1 6 3 . 1 2 4qT n c m对于工作方式为三相拍的步进电机： m a 3 . 1 20 . 8 6 6 0 . 8 6 6 1 8 8 . 3 6 n c m (） 步进电机的最高工作频率 m a xm a 6676 0 6 0 0 . 0 1 为 使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率时电机最大静转矩要足够大 ,查表选择两个 90三相反应式步进电机 . 电机有关参数如下 : 10 型号 主要技术参数 相数 步距角 电压 (V) 相电流 (A) 最大静转矩空载启动频率 空载运行频率 分配方式 90 0 7 000 8000 4 相 8拍 外形尺寸 (重量 子转动 惯量 直径 长度 轴直径 90 145 9 764 第五章 数控系统硬件电路设计 控工作台控制系统硬件主要包括 动驱动、传感器、人机交互界面。 硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。 a. 选择 随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用 片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的 8 位单片机89格低廉，而性能优良，功能强大。 从要设计的系统来看，选用较老的 8051 单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用硬件 用 示 司的产品， 9 表示内含 储器， S 表示含有串行下载 储器。 性能参数为： 储器容量为 416 位定时器 2 个、中断源 6 个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断 0、外部中断 1、定时器 0 和定时器 1 中断）、 128B、14 位的计数器 I/O 口共有 32 个。 b. 口设计 口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示： 11 图 5部接口示意图 图 5 制系统图 驱动系统 传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并 克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。 （行程开关） 前向通道 传动驱动 （电磁铁） （步进电机） 人机界面 传感 器 键盘、 后向通道 动 1 X 步进电机 驱动 2 Y 步进电机 动 3 部中断 1 部中断 2 E O/M 盘 电磁铁 8155 12 a. 步进电机驱动电路和工作原理 步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为 进电机每走一步，工作台直线行进 步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护 作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在 使 其 烧 坏 。图 5 步进电机驱动电路图 该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路， 当 A 相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管 D 起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组 W 串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。 由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈 A、 B、 C），其正转的通电顺序为： 反转的通电顺序为： 磁铁驱动电路 步进时钟 A 相 波形 B 相波形 C 相波形 图 5 三相六拍工作方式时相电压波形（正转） 13 该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。 电源设计 两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为 27V、 12V、 5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的 27过芯片进行电压转换得到所需的 12V 和 5V 电压。 第六章 控制系统软件设计 总体方案 对于 程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的 形式。编译器采用编译器是 51 系列单片机程 序设计的常用工具，既可用汇编，也支持 C 语 言编译。同时具有完善的调试功能。 主流程图 3A 3B 3C 3 3电磁铁驱动电路 上电复位 ，吸合电磁铁，绘笔抬起 外部中断， 8155 初始化 开外部中断，开总中断 等待中断 14 02H 0000H 0003H ；外部中断 0 入口 000 ；定时器 0 中断 入口 0013H ；外部中断 1 入口 001；定时器 1 中断入口 0100H 0 ；外中断负跳沿触发 A， A A 口输入， B 口输出， C 口输入 ；允许外中断 0 ；允许外中断 1 ；设置优先级 ；开总中断 ；等待中断 在等待中断的过程中，如果有中断到来，先检查中断 0 的状态，是中断 0 则进入中断 0 的中断服务 中断 1 则进入中断 1 的中断服务 中断服务 0 是由 4 个行程开关触发的，它触发后通过单片机读取 内容，然后将结果反馈到 的 。 中断服务 1 有 6 个中断源， 这六个中断源分别是手动 X 正方向运行，手动 X 负方向运行，手动 Y 正方向运行，手动 Y 负方向运行，复位和绘制圆弧。 X 轴电机点动正转程序流程图 15 X+ A， A A， #01H A， A A， 是 X 轴电机点动正转的程序，其他的 X 轴电机点动反转、 Y 轴电机点动正转、 Y 轴电机点动反转依次类推。 逐点比较法 用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步都需要以下四个步骤： 1 判别偏差： 0 或 O ，从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算方向进给。 2 偏差计算：进给一步后计算新的加工偏差。 3 终点判别：进给一步后，终点计数器，若为零，表示到达终点停止插补，不为零则返回第一步继续插补。终点计数判别可用方向坐标值判断，也可由一个方向的 16 坐标值判断。当 序设计 插补程序所用的内存单元如下： 28H 29H 20H E X Y 机正反转控制字 电机正反转控制字为： 6 4 2 0 X 向电机控制。 行， 停止， 正转。 反转 Y 向电机控制位。 运行， 停止， 正转， 反转。 第一象限制直线插补程序如下： 2000H #60H； 28H， #08 29H, #0 2 #00H; X 2 #00H; Y 2 #00H; 70H, 0 A, 2B A, 70H 70H, A;置电机正反转控制字为 0B， +X 方向进给 步进电机的控制子程序， +X 方向进给一步 A， 2 A， 29H； 2 X+1 A , 70H 置电机正反转控制字为 0E， +Y 方向进给 17 调步进电机的控制子程序， +Y 方向进给一步 A， 2 A， 28H； F+ 2 A A, 28H A, 2 ? 进电机控制程序设计 步进电机控制程序的任务是：判断旋转方向，依次送出控制字，运行速度实现一定的延时，判断是否结束。 031 节拍： 正转 反转 通电阻 控制字 1 8 A 0000 0001 01H 2 7 000 0011 03H 3