C6140车床横向纵向进给系统（CAD图，电路图，时序图，说明书等都有，比其他都全面）
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c6140
车床
横向
纵向
进给
系统
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C6140车床横向纵向进给系统（CAD图，电路图，时序图，说明书等都有，比其他都全面）,c6140,车床,横向,纵向,进给,系统
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毕 业 设 计 题目： 步进电机控制系统设计 学 生： 生炜 学 号： 201105010525 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 王素暖 2015 年 6 月 5 日 nts 陕 西 科 技 大 学 毕业设计（论文）任务书 机电工程 学院 机械设计制造及其自动化 专业 115 班级 学生： 生 炜 题目： 步进电机控制系统设计 毕业设计（论文）从 2015 年 3 月 6 日起到 2015 年 6 月 28 日 课题的意义及培养目标： 步进电机是数字控制系统中的一种执行元件，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制 的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。因此非常适合单片机控制。步进电机控制系统设计是用于培养学生掌握步进电机的特性，应用数控系统的设计方法设计步进电机的控制系统。本课题要设计一款基于 AT89C51 单片机的步进电机控制系统，实现对步进电机转速、方向的控制。 设计（论文）所需收集的原始数据与资料： 1、确定步进电机控制系统的总方案。 2、掌握步进电机的特性和功能。 3、掌握 AT89C51 单片机的特点和功能。 4、对系统硬件部分进行设计。 5、对系统软件部分进行设计和调试。 课题的主要任务（需附有技术指标分析）： 1、四张左右的 0#图纸工作量，包括： （ 1）总体方案设计（步进电机控制系统框图） nts （ 2）控制系统硬件部分图（包括电气控制原理图和电气接线图） （ 3）控制系统软件部分的程序设计（程序框图和程序清单） 2、完成 1.5 万 2 万字的毕业设计说明书。 设计（论文）进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）： 周 次 设计（论文）任务及要求 第 1周 熟悉、理解毕业设计题目，查找、借阅各种参考资料 第 2、 3周 毕业实习收资，继续搜集与设计课题有关的素材，整理书写实习报告 第 4-10周 控制系统硬件部分设计 第 11-15周 控制系统软件部分设计 第 16周 整理书写毕业设计说明书 学生签名： 日期： 指导教师： 日期： 教研室主任： 日期： nts I 步进电机控制系统设计 摘 要 步进电动机由于用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各 种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。 本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计， 通过对 C6140 车床的机械结构的设计计算选出合适的步进电机，进而 用 汇编语言 编写出电机的正转、反转、调速、停止程序，通过单片机、电机的驱动芯片 ULN2003A 以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用数码管显示出来。 本文内容介绍了 C6140车 床的横 、纵向进给结构， 步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路明确 、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。 关 键 词 ： C6140车床， 步进电机，控制，驱动机构，单片机 nts II Design Of The Control System Of Step-Motor ABSTRACT The open-loop system which is composed by step-motor is simple, cheap and very practical, so there are very wide range of applications in printers and other office automation equipment and various control devices, and many other fields. This article describes one design of step-motor system based on micro-controller. Through to the C6140 lathe structure design calculation is to select the appropriate step motor. The program of the preparation of a motor, reverse, adjust speed, stop is written by assembly language. The above functions are realized through the micro-controller, motor driver chip ULN2003A and correspond key, and the work state of stepper motor is displayed through the nixie light . This article introduces the C6140 lathe X,Y direction feeding structure ， principle of stepper motor and single-chip microcomputer, the system hardware circuit, the program components, while software and hardware for the debugging, at the same time introduces the problems which are appeared in the debugging process and the solutions of the problems . The design has the advantages of clear, high reliability, strong stability, and the above-mentioned functions are realized through the debugging. Key Words: C6140lathe, stepping motor, control, driving mechanism, single chip microcomputer nts III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 1绪论 . 1 1.1概述 . 1 1.2目的和意义 . 1 1.3国内外技术状况及发展趋势 . 2 2 方案的设计 . 3 2.1 设计任务 . 3 2.2总体方案确定 . 3 3 机械设计计算 . 5 3.1 C6140的基本参数 . 5 3.2 切削力计算 . 5 3.2.1 选择脉冲当量 . 5 3.2.2计算切削力 . 5 3.3. 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 . 5 3.3.1 纵向进给丝杠 . 6 3.3.2 纵向滚珠丝杠副的几何参数 . 8 3.4齿轮的计算 . 8 3.4.1传动比的计算 . 8 3.4.2齿轮参数 . 8 3.4.3根据机械设计计算 . 9 3.4.4计算各参数值 . 9 3.4.5校核齿根弯曲疲劳强度 . 11 3.5转动惯量的计算 . 12 3.6. 转动力矩的计算 . 12 3.7步进电动机的选择 . 14 3.8 横向进给切削力计算 . 14 3.8.1 选择脉冲当量 . 14 3.8.2计算切削力 . 14 3.9 滚珠丝杠螺母副的计算和选型横向进给丝杠 . 14 3.9.1 计算进给牵引力 Fm (N) . 14 3.9.2 计算最大动负载 C . 15 nts IV 3.9.3 选择滚珠丝杠螺母副 . 15 3.9.4 传动效率计算 . 15 3.9.5 刚度验算 . 15 3.9.6 稳定性校核 . 16 3.9.7 纵向滚珠丝杠副的几何参数 . 17 3.9.8 传动比计算 . 18 3.9.9齿轮参数 . 18 3.10 步进电机的计算和选型 . 19 3.10.1 等效转动惯量计算 . 19 3.10.2 电机力矩的计算机 . 20 3.11横向步进电动机的选择 . 21 4 步进电机简介 . 22 4.1 步进电机概述 . 22 4.2 步进电机的基本参数 . 22 4.2.1 步进电机的静态指标术语 . 22 4.2.2 步进电机动态指标及术语 . 22 4.3 步进电机的原理 . 23 5 步进电机驱动系统介绍 . 25 5.1 驱动系统的总体结构 . 25 5.2 电机的驱动系统简介 . 25 5.3 电机驱动系统的驱动原理 . 26 5.3.1 电机的控制信号 . 26 5.3.2 控制信号的功率放大 . 26 5.4 步进电机绕组的电气特性 . 27 6 单片机原理 . 30 6.1 单片机原理概述 . 30 6.2 单片机的应用系统 . 30 6.3 AT89C51简介 . 31 6.3.1 AT89C51 单片机主要特性 . 32 6.3.2 管脚说明 . 33 6.3.3振荡器特性 . 34 7 硬件电路设计 . 36 7.1 硬件电路总体设计 . 36 7.2 系统部分硬件电路设计 . 36 7.2.1 电源部分 . 36 nts V 7.2.2 最小系统 . 37 7.2.3 驱动部分 . 38 7.2.4 状态指示部分 . 38 7.2.5 按键部分 . 38 7.2.6 时钟部分 . 39 7.2.7 复位部分 . 39 致 谢 . 41 参 考 文 献 . 42 附录： 程序清单 . 43 nts步进电机控制系统 1 1 绪 论 1.1 概述 随着信息化产业的高速发展，步进电机功能日趋完善，电动机 已经成为机械自动化的基础，步进电机已经应用于数字控制系统中，另外在工业自动化生产线中印刷设备等中亦有应用。 步进电机最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要 A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。目前在数控生产等应用领域，有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的控制电机的。因此，如何改善步进电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。 我国数控机械和普通机床的微机改造中大多数均采用开环步进电机控制系统，为了适应一些领域中 高精度定位的运行平稳性的要求，我国改革开放初期研究步进电机细分驱动技术，细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分包括振荡器、环形分配器控制的细分驱动。另外还有基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或 C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现 pc机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由 PC机直接控制步进电机的方 法。 国内外对步进电机的研究一直很活跃，目前，国外对步进电机的控制驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小驱动器的体积，明显提高了整机的性能，比较典型的芯片有两类：一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减过程，同时完成计长走步、正反转等。对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可以使其达到较高的运行频率而不失步或过冲 。 随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应 用，并且其控制系统也将随之发展，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势。 1.2 目的和意义 步进 电机是数字控制系统中的一种执行元件， 由于步进电机的运动特性受电压波动和负载变化的影响小，方向和转角控制简单，并且步进电机能直接接收数字量的控制 ，因此非常适合单片机控制 ， 并且用其组成的开环系统既简单、廉价又非常可行，因此在nts陕西科技大学毕业设计说明书 2 打印机等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要 的意义 。 1.3 国内外技术状况及发展趋势 步 进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是基于最基本的电磁感应作用，将电脉冲 信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机，大型望远镜，卫星天线定位系统等等。随着经济的发展，技术的进步和电子技术的发展，步进电机的应用领域更加广阔，同时也对步进电机的运行 性能提出了更高的要求。 步进电机的原始模型起源于 1830年至 1860 年， 1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氩弧灯的电极输送机构中，这被认为最早的步进电机。 1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到 20世纪 60年代后期，在步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良，使得步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容 易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。近年来，控制技术、计算机技术及微电子技术的迅速发展有力地推动了步进电机控制技术的进步，提高了步进电机的高性能伺服控制的设计方法与具体实现技术，反映了步进电机伺服控制技术的最新发展。 nts步进电机控制系统 3 2 方案的设计 2.1 设计任务 本设计任务是对 C6140普通车床 横向、纵向进给系统进行设计选出适合的步进电机，实现对步进电 机加速、减速、正向、反向的控制。 纵向脉冲当量为 0.01mm/step， 横向脉冲当量为 0.005mm/step， 驱动元件采用步进电动机，传动系统采用滚珠丝杠 。 2.2 总体方案确定 根据设计原则及要求，查阅 C6140车床说明书且参照机床改造经验，在老师指导下，方案确定为： (1)采用 MCS-51系列的 89C51单片机作为系统的微机部分，对数据进行处理，再由 I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，驱动滚珠丝杠，从而实现纵向进给运动 。 示意图如 2-1所示。 (2)采用 MCS-51 系列的 89C51单片机作为系统的微机部分 ，对数据进行处理，再由 I/O接口输出步进脉冲，经 二 级齿轮减速后，驱动滚珠丝杠，从而实现 横 向进给运动 。 示意图如 2-2所示 . 图 2-1 纵向进给运动示意图 图 2-1 纵向 进给运动示意图 图 2-2 横 向进给运动示意图 nts陕西科技大学毕业设计说明书 4 MCS-51 系列中 89C51 单片机集成度高、功能强、体积小、加工、价格较低、重量轻、抗干扰强、性能高、功能全、使用方便等。 nts步进电机控制系统 5 3 机械设计计算 3.1 C6140 的基本参数 最大回转直径（床身）： 400mm 最大回 转直径（刀架）： 200mm 最大工件长度： 750mm 最大工件直径： 400mm 最大加工直径（床身）： 400mm 刀架最大加工直径： 240mm 主轴孔直径： 52mm 纵向 丝杠直径： 40mm 纵向 丝杠导程： 6mm 横向 丝杠直径 ： 25mm 横向 丝杠导程 ： 5mm 时间常数： 30ms 3.2 切削力计算 3.2.1 选择脉冲当量 根据要求确定 纵向 脉冲当量： 0.01mm/step. 3.2.2 计算切削力 纵 车 外圆 主切前力 FZ按经验公式估算 1 . 5 1 . 5m a x0 . 6 7 0 . 6 7 4 0 0 5 3 6 0zF D N (3-1) 按切削力各分力比例： : : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4z x yF F F (3-2) FX = 5360 0.25=1340N (3-3) FY = 5360 0.4 = 2144N (3-4) 3.3. 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 nts陕西科技大学毕业设计说明书 6 3.3.1 纵向进给丝杠 （ 1）计算进给率引力 Fm，纵向进给为综合型导轨： 1 . 1 5 1 3 4 0 0 0 1 6 5 3 6 0 8 0 02530m x zF K F f F GN (3-5) 式中： G-溜板及刀架重量 G=800N f-导轨滑动 摩擦系数， f=0.150.18,取 f=0.16 k-考虑颠复力矩影响的实验系数 ， 综合性导轨 k=1.15 （ 2） 计算最大动负载 C 3wmfC L F (3-6) 660 n10 TL (3-7) s01000 vn L (3-8) 式中 VS-最大切削力条件下的进给速度（ m/min） ， 可取最大进给速度的 1/2-1/3， s01 0 0 0 v 1 0 0 0 0 . 5n 8 3 . 3 / m i n6 rL (3-9) 666 0 n 6 0 8 3 . 3 1 5 0 0 0 751 0 1 0TL (3-10) 3 3wmf 4 5 1 . 2 2 5 3 0 1 2 8 0 3 . 3C L F N (3-11) （ 3）滚珠丝杠螺母副的选型 可采用 CMD4006-2.5 外循环管式垫片预紧导珠管埋入型滚珠丝杠副 ， 1 列 2.5 圈，其额定动 负载为 15851N。 （ 4） 传动效率 计算 ta nta n (3-12) 式中： -丝杠螺旋升角 ; -摩擦角，滚珠丝杠副的滚珠摩擦； 其摩擦角约为 10。 t a n t a n 2 4 4 0 . 9 4t a n t a n 2 4 4 1 0 （ 5）刚度验算 nts步进电机控制系统 7 最大进给率为 2530N，支承间距 L=1500mm，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的 1/3。 (1)丝杠的拉伸或压缩变形量 1 根据 FM=2530N Do=40mm 查出 L/L=1.2 10-5 521 1 5 0 0 1 . 2 1 0 1 5 0 0 1 . 8 1 0L mmL (3-13) 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4 倍，其实际变形量 1为： 2111 0 . 4 5 1 04 mm (3-14) (2)滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 查机械设计手册相关图表： CMD 系列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 Q 36 .4 1 0Q mm (3-15) 因进行了预紧，故 332 11 6 . 4 1 0 3 . 2 1 022Q mm (3-16) (3)支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3 采用 8107 型推力球轴承 d1=3.5mm；滚动体直径 d Q=6.35mm；滚动体数量 Z=18；故 2 2 333 22 2530 . 0 0 2 4 0 . 0 0 2 4 7 . 5 1 06 . 3 5 1 8meQF mmdZ (3-17) 式中 FM 单位为 kg f 因施加预紧力，故 333 11 7 . 5 1 0 3 . 8 1 022e mm (3-18) 根据以上计算轴向总变形量 31 2 3-34 . 5 3 . 2 3 . 8 1 01 . 1 5 1 0 mm (3-19) 即轴向总变形量小于定位精度。 (4)稳定性校核 滚珠丝杠两端采用推力轴承并施加了预紧，不会产生失稳现象，不需要作稳定性校核。 nts陕西科技大学毕业设计说明书 8 3.3.2 纵向滚珠丝杠副的几何参数 表 3-1 滚珠丝杠几何参数 3.4 齿轮的计算 3.4.1 传动比的计算 0360b PLi (3-20) b -步距角，取 0.75o p-脉冲当量，取 0.01mm/step 25.101.0360 675.0360 0 Pb Li 3.4.2 齿轮参数 表 3-2 齿轮参数 名称 符号 计算公式 CMD4006-2.5 螺纹滚道 公称直径 do 40 螺距 Lo 6 接触角 2044 钢球直径 d q 3.966 滚道法面半径 R R=0.52d q 2.064 偏心距 e e =R-（ d q/2） sin 0.056 螺纹升角 =arctan（ Lo/ do） 2044 螺杠 螺杠外径 d d=do（ 0.2-0.25） d q 39.5 螺杠内径 d1 d1=do+2e 2R 35.9 螺杠接触直径 d2 d2=do d q cos 36.0355 螺母 螺母螺纹直径 D D=do 2e+2R 44.016 螺母内径 D1 D1=do+（ 0.2-0.25） d q 40.7938 Z m b 齿根圆直径 分度圆直径 齿顶圆直径 中心距 大齿轮 40 2 20 75 80 84 72 小齿轮 32 2 20 59 64 68 nts步进电机控制系统 9 3.4.3 根据机械设计计算 (1) 初选载荷系数 Kt=1.3 (2) 传递转矩（小齿轮） T1=9550 103 P/n (3-21) 丝杠 n2=V/Lo=2400/6=400r/min i =Z2/Z1=n1/n2 n 1=Z2 n2/Z1=40 400/32=500r/min P=4 0.65 0.96=2.496kw 得 T1=9550 103 P/n =9550 103（ 2.496/500） =4.8 104N mm (3) 选取齿宽系数 d=1 (4) 材料的弹性系数 ZE=189.8MPa 标准齿轮 ZH=2.5 (5) 齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim1=600MPa 大齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim2=550MPa (6) 计算应力循环次数 9116 0 6 0 5 0 0 1 2 8 3 0 0 1 5 2 . 1 6 1 0hN n j L (3-22) 9 9122 . 1 6 1 0 2 . 0 8 1 01 . 2 5NN i (3-23) (7) 接触疲劳寿命系数 KHN1=0.90 KHN2=0.95 (8) 计算接触疲劳需用应力 取失效率为 1o/o；安全系数 S=1。 1 l i m 11 0 . 9 6 0 0 5 4 0H N HH K M P aS (3-24) 2 l i m 22 0 . 9 5 5 5 0 5 2 2 . 5H N HH K M P aS (3-25) 3.4.4 计算各参数值 (1) 计算小齿轮分度圆直径 d1t；代入 H中最小值 nts陕西科技大学毕业设计说明书 10 21312432 12 1 . 3 4 . 8 1 0 1 . 2 5 1 2 . 5 1 8 9 . 81 1 . 2 5 5 2 2 . 557HEtdHK T Z Zudumm (3-26) (2) 计算圆周速度 11 5 7 5 0 0 1 . 56 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0tdn mv s (3-27) （ 3） 计算齿宽 b 1 1 5 7 5 7dtb d m m (3-28) （ 4）计算齿宽与齿高之比 b/h 11 57 1 . 7 832ttdm m mz (3-29) 2 . 2 5 2 . 2 5 1 . 7 8 4th m m m (3-30) 57 14.24bh （ 5） 计算载荷系数 使用系数 KA=1,根据 v=1.097m/s，七级精度，查得动载 荷系数 KV=1.04； 假设100AtKF Nb m m ，查的 1 .2HFKK；查的 1.219HK ， 1.18FK 。 故载荷系数 1 1 . 0 4 1 . 2 1 . 1 8 1 . 4 7F A V F FK K K K K (3-31) 1 1 . 0 4 1 . 2 1 . 2 1 9 1 . 5 2H A V H HK K K K K (3-32) （ 6） 按实际载荷系数校正计算所得的分度圆直 33111 . 5 25 7 6 01 . 3Ht tKd d m mK (3-33) （ 7） 计算模数 m 11 60 1 . 8 832dm m mz (3-34) nts步进电机控制系统 11 所以 m =2 3.4.5 校核齿根弯曲疲劳强度 （ 1）查得齿形系数和应力修正系统为 YFa1=2.65 Ysa1=1.58 YFa2 = 2.226 Ysa2=1.764 （ 2） 弯曲疲劳强度寿命系数 KFN1=0.85 KFN2=0.88 （ 3） 两齿轮的 弯曲疲劳强度极限分别为： Flim1=500MPa Flim2=380MPa （ 4） 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数为 S=1.4 1 l i m 11 0 . 8 5 5 0 0 3 0 3 . 5 71 . 4F N FF K M P aS (3-35) 2 l i m 22 0 . 8 2 3 8 0 2 3 8 . 8 61 . 4F N FF K M P aS (3-36) （ 5） 计算圆周力 4112 2 4 . 8 1 0 150064tTFNd (3-37) （ 6） 计算齿轮齿根弯曲应力 1 1 11 . 4 7 1 5 0 02 . 6 5 1 . 5 86 4 27 2 . 1 3 0 3 . 5 7FtF F a S aKFYYbmM P a M P a (3-38) 2 2 21 . 4 7 1 5 0 02 . 2 2 6 1 . 7 6 46 4 26 7 . 6 2 3 8 . 8 6FtF F a S aKFYYbmM P a M P a (3-39) （ 7）齿轮几何参数计算 d 1=m Z1=2 32=64 (3-40) d 2=m Z2=2 40=80 (3-41) 12 2 3 2 4 0 7 222ma z z m m (3-42) nts陕西科技大学毕业设计说明书 12 （ 8）验算 1 1 5 0 0 2 3 . 4 1 0 064AtKF N m m N m mb (3-43) 3.5 转动惯量的计算 计算一级齿轮传动系统的转动惯量 2 212012 2SGJ J J JgLZZ (3-44) 各传动件的转动惯量 430 .7 8 1 0J D L (3-45) (1) 丝杠的转动惯量 4 4 27 . 8 1 0 4 1 5 0 2 9 . 9 5 2J s k g c m (2) 齿轮的转动惯量 4 4 21 7 . 8 1 0 6 . 4 2 2 . 6 1 7J k g c m 4 4 22 7 . 8 1 0 8 2 6 . 3 9J k g c m (3) 工作台折算到丝杠 轴上的转动惯量 202G LGJ g (3-46) = (800/9.8)(0.6/2 3.14)2=0.745kg cm2 （ 4）初选电机 110BF003，查得 J m=4.6kg cm2 2 201122 2MSLZ GJ J J J J
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