毕业设计67基于单片机控制的数控十字工作台设计
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共30页)
编号：545373
类型：共享资源
大小：2.37MB
格式：ZIP
上传时间：2015-12-01
上传人：QQ28****1120
认证信息
个人认证
孙**（实名认证）
辽宁
IP属地：辽宁
6
积分
- 关 键 词：
-
电气电子毕业设计论文
- 资源描述：
-
毕业设计67基于单片机控制的数控十字工作台设计,电气电子毕业设计论文
- 内容简介：
-
Y X 专业课程设计计算说明书 设计题目 基于单片机控制的 数控 十字 工作台设计 学校 XXXXX 学习中心 班 级 XXXX 学号 XXXXXXXXXX 设计者 XXX 指导老师 XXX 2007 年 12 月 10 日 nts 1 _ 目 录 前言 2 机械传动部分 电动机选择 4 电动机的选择 4 滚珠丝杠的选择 7 轴承的选择 14 导轨的选择 23 步进电机控制和直线插补部分 步进电机驱动电路和单片机接口电路 24 软件脉冲分配 24 减速器附件的选择 25 nts 2 润滑与密封 25 设计小结 26 参考资料目录 27 前 言 专业课程设计的目的 本次专业课程 设计是机 电 类专业学生 的 一次较全面的机 电一体化 设计训练，是 数控技术 和机 电一体化 设计基础课程重要的综合性与实践性教学 环节。其基本目的是： (1) 通过 本 课程的设计，综合运用机械设计课程和 数控技术及 其他有关先修课程的理论，结合生产实际知识，培养分析和解决一般工程实际问题的能力，并使所学知识得到进一步巩固、深化和扩展。 (2) 学习机 电一体化 设计的一般方法，掌握通用机械零件、机械传动装置 和 简单 工作台运动控制 的设计原理和 控制 过程。 (3) 进行机 电一体化 设计基本技能的训练，如计算、绘图、 控制编程、 熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据，进行经验估算和数据处理等。 机械设计课程的内容 及要求 设计一个基于单片机控制系统的数控工作台 课程设计的内容包括：确定传动装置的总体设计方案 ， 选择电动机 （步进电机 /伺服电机）；连轴器的选择，滚珠丝杠的结构设计，导轨、螺母副及工作台的设计 nts 3 绘制装配工作图 ，电机驱动电路设计，单片机控制电路及直线插补程序， 编写设计计算说明书。 在设计中完成了以下工作： 数控工作台结构 装配图 1 张（ 手工或三维工作图 ）； 单片机 直线插补程序 设计计算说明书 1 份 ； 课程设计的步骤 机电一体化 课程设计一般可按照以下所述的几个阶段进行： 1设计准备 分 析设计计划任务书，明确工作条件、设计要求、内容和步骤。 了解设计对象，阅读有关资料、图纸、观察事物或模型以进行 工作台 装拆试验等。 熟悉 课程有关内容，熟悉 机电一体化产品的 设计方法和步骤。 准备好设计需要的图书、资料和用具，并拟定设计计划等。 一、 电动机选择 步进电动机的特点 ： 1、工作状态不易受各种干扰因素（如电源电压的波动、电源的大小与波形的变化、温度等）的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产 生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作； 2、步距角有误差，转子转过一定步数以后也不会出现累计误差，但转子转过一转以后，其累计误差变为零，因此不会长期积累； nts 4 3、控制性能好，在启动，停止，反转时不易丢步，因此步进电机被广泛引用于开环控制的机电一体化系统，使系统简化并可靠地获得较高的位置精度； 4、转角与控制脉冲数成比例，可构成直接数字控制 5、有定位转矩 6、可构成廉价的开环控制系统 综上所述，根据本课程设计中数控工作台的控制要求及成本预算，宜选用混合型反应式步进电机。 由于丝杠基本导程 L 选择范围在 3-8mm，取0 5l mm根据脉冲当量与工作台系统精度的关系有：0360 l ， 0.02mm 因此 1.44 取 0.9 ，根据参数选择电机型号为 75BY003 相数 步距角/（） 电压/V 相电流/A 最大静转矩/N m 空载起动频率/（步 /s） 电感/ （ mH） 电阻/ 分配方式 外形尺寸 （轴径） /mm 重量/kg 转子转动惯量 / 5210 kg m g3 0.9 30 4 0.882 1250 35.5 0.82 3 相6 拍 75 75( 8) 1.58 1.563 二、滚珠丝杠的选择 滚珠丝杆的特点 ： 1、传动效率高，摩擦损失小，一般滚珠丝杆副的传动效率达到 85%-95%； 2、运动平稳，系统刚度好，滚动摩擦系数接近常数，启动时无冲击，低速时无爬行，能够预紧，预紧后可消 除间隙，产生过盈，提高接触刚度和传动精度； nts 5 3、使用寿命长，滚珠丝杠的摩擦表面硬度高，精度高，具有较长的工作寿命和精度保持性； 4、定位精度和重复定位精度高，由于滚珠丝杠副摩擦小，温升少，无爬行，无间隙，因此可达到较高的定位精度和重复定位精度； 5、运动具有可逆性，可以将回转运动变为直线运动，也可以将直线运动转换为回转运动，即丝杠和螺母都可以作为主动件； 6、不能自锁，特别是垂直安装的丝杠必须在系统中附加自锁或制动装置； 7、制造复杂，经济性差，成本高，由于结构复杂，滚珠丝杠和螺母等零件加工精度表面粗糙度要 求高，制造成本高。 传动形式 螺杆转动，螺母移动。如下图所示： 丝杠螺母机构的传动形式滚道法向型面的形状和结构 nts 6 滚珠的循环方式和滚珠丝杠副轴向间隙的调整与预紧方法 选择螺旋槽式外循环结构，采用双螺母螺纹预紧调整方式。如下图 支承方式 双 推 - - 简 支 式三、轴承的选择 nts 7 双向止推球轴承 (一个 ) 深沟球轴承 (2 个 ) nts 8 主要尺寸参数 公称直 径0d； 20mm 基本导程0l： 5mm 两轴行程 l ： 40*30 根据参数，确定型号为 2 0 5 3 2L L E 或 2 0 5 3 2F F Z D E nts 9 联轴器的选择 弹性套柱销联轴器 nts 10 nts 11 型号 周孔直径 轴孔长度 1d，2dTL1 9 四、导轨的选择 滚动导轨副的特点： 1、摩擦系数小（ 0.003-0.005），运动灵活； 2、动静摩擦系数基本相同，因而起动阻力小，不易产生爬行； 3、可以预紧，刚度高； 4、寿命长； 5、精度高； 6、润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用； 7、由专业厂生产，可以外购选用， 因此滚动导轨副广泛的被应用于精密机床，数控机床，测量机和测量仪器等。 nts 12 滚动导轨副的缺 点是： 导轨面与滚动体是点接触或线接触，所以抗振性差，接触应力大，对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，成本较高；对赃物比较敏感，必需有比较良好的防护装置。 滚动体循环的滚动导轨副 材料与技术要求 滚动体一般采用滚动轴承钢（如），淬火后硬度可达 HRC60-66 滚动导轨常用的材料有： 1、低碳合金钢（如 20rC、 18raCMTi）渗碳、淬火。渗碳层厚度 1-1.5mm，硬度达 HRC60-63 2、合金工具钢（如rC、aWM、raCM）淬火后低温回火（ 180-200），硬度达HRC60-64。 3、氮化钢（如 380rC M AlA、 38rCAl）调质厚氮化，硬度达 HRC62-66。 数控机床的结构 1、主机 2、 CNC 装置 3、驱动装置 4、辅助装置 5、编程机及辅助设备 数控程序设计部分 一、步进电机控制和直线插补部分 1、步进电机驱动电路和单片机接口电路 nts 13 2、软件脉冲分配 查表法。查表法的基本思路是：结合电动机的驱动电路，按步进电动机励磁状态转换表求出脉冲分配器输出状态字组成的状态表，并将其存入程序存储器（ EEPROM）中，然后根据步进电动机运转方向按表地址正向或反向地取初单元中的状态字进行输出，即可控制步进电动机正向或反向地旋转起来。 由于单片机 I/O 口 P1.0、 P1.1、 P1.2 分别与步进电动机（ X 轴）的 A、 B、 C 三相对应，设该表格首地址未 2000H，则可以写出脉冲分配入下表所示。 序号 C B A 存储单元 方向 P1.0 P1.1 P1.2 地址 内容 1 0 0 1 2000H 01H 反转 正转 2 0 1 1 2001H 03H 3 0 1 0 2002H 02H 4 1 1 0 2003H 06H 5 1 0 0 2004H 04H 6 1 0 1 2005H 05H nts 14 3、速度控制 在基于步进电机的开环进给系统中，对进给速度的控制就是对步进电机速度的控制。由步进电机原理分析可知，通过控制步进电机相邻两相励磁状态之间的时间入口 保护现场 取出上次励磁状态对应地址指针 正转？ 末址？ 首址？ 指针 +1 指针 -1 指针置成首址 指针置成末首址 取出该指针对应的环分状态 延时 输出环分状态 保存目前指针 恢复现场 返回 Y（正转） N（反转） N Y Y N nts 15 间隔，即可实现步进电动机速度的控制。对于软件环分来说，只要控制相邻两次环形分配器输出状态之间的时间间隔，也就是控制如下循环流程中延时时间的长短： A延时 AB延时 B延时 BC延时 C延时 CA延时 （ 01H） （ 03H） （ 02H） （ 06H） （ 04H） （ 05H） 正转 反转 为充分利用单片机的时间资源，实现延时的方法采用定时器中断延时。 二、逐点比较法的直线插补原理 插补计算就是对数控系统输入基本数据，运用一定的算法计算，并根据计算结果向相应的坐标发出进给指令。 步进电机工作台应用逐点比较法直线插补是每走一步控制系统都要将加工点与给定的图形轨迹相比较，以决定下一步进给的方向，使之逼近加工轨迹。逐点比较法既可实现直线插补，也可以实现圆弧插补。其特点是运算简单直观，插补过程的最大误差不超过一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲速度变化小，调 节方便。因此在两坐标数控工作台中应用较为普遍。 1、逐点比较直线插补的数学原理 如图 1-1 所示，设计直线 OA 为第一象限直线，起点为坐标原点 O（ 0， 0），终点坐标为 E（ex,ey） ,N(ix,iy)为加工点。 Y E(ex,ey) F0 N(ix,iy) F=0 FeY/eX即 eX iY-iX eY0 若 N 点在直线 OE 下方，则有： iY/iX0, 则有 N点在直线 OE上 方； iF0），应向 +X方向进给一步，以逼近该直线；当 N 点在直线下方时（iF0），应向 +Y 方向进给一步；当 N 点在直线 OE 上时（iF=0），既要向 +X 方向进给一步，也向 +Y 方向进给一步。 逐点比较直线插补每一步都要完成四个步骤，（ 1）位置判 别；（ 2）坐标进给；（ 3）偏差计算；（ 4）终点判别。 2、逐点比较法直线插补的递推算式 由偏差函数式子iF=eX iY-iX eY可以看出，在计算 F 时，总是要做乘法和减法运算。这在用硬件或汇编语言软件实现时不太方便，还会增加运算时间。因此，为了简化运算，通常采用递推算式来求取 F 值，即每进给一步后，新加工点 的偏差值总是通过前一点的偏差值递推算出来的。 现假设第 i次插补后动点坐标未 N(ix,iy)，偏差函数为iF=eX iY-iX eY，若0iF ，刀具应向 +X方向进给一步，新的 动点坐标值为 1 1iiXX ， 1iiYY 则新的偏差函数为1 1 1i e i i e e i i e eF X Y X Y X Y X Y Y ，所以1i i eF F Y 同理，当 0iF时，刀具应向 +X方向进给一步，新的动点坐标值为1iiXX ，1 1iiYY ， 对应新的偏差函数为1 1 1i e i i e e i i e eF X Y X Y X Y X Y Y X ， 所以 nts 17 有以上推导可以看出，采用递推公式计算偏差函数 F，将不涉及动点坐标与乘法运算，仅与直线的终点坐标以及前一点的偏差函数值有关，并且算法简单，易于实现。 要说明的是，通过坐标平移的方式可以使每个直线轮廓段起点总处于坐标系的原点上。因此以下只讨论在坐标系第一象限的直线插补情况。且偏差函数的初始值为0 0F综上所述，第 1 象限的偏差函数与进给方向有以下关系： 当 0iF时，刀具向 +X方向进给，新的偏差函数值为1i i eF F Y ； 当 0iF时，刀具向 +Y 方向进给，新的偏差函数值为1i i eF F X ； 3、直线插补中的终点判别机制 在插补计算过程中，还有一项工作需要同步进行，即终点判别，以确定刀具是否抵达直线终点。如果到了终点就停止插补运算，否则继续作循环插补处理。以下的处理将采用总步长法进行判别。 总步长法： 在插补计算之前，先设置一个总步长计数器，求出被插补直线轮廓在 各个坐标轴方向上应走的总步数，加在一起存入计数器中，即eeXY ，然后每插补计算一次，无论向哪个坐标轴进给一步，计数器都作减 1 修正。这样，当总步数减到零时，则表示刀具已经抵达直线轮廓的终点。 4、四象限直线插补 仿照前面介绍的第 I 象限直线插补方法，不难发现，当被插补直线处于不同象限时，其计算公式及处理过程完全一样，仅仅时进给方向不同而已。进一步总结出1L、2L、3L、4L的进给方向如图所示 nts 18 由此，可设计出四个象限内直线插补计算的通用软件，其流程如图所示 F0 F0 F0 F0 F0F0 F0F0 F0F0 F0F0 1L2L3L4L+X -X 四个象限直线插补进给方向 nts 19 开始 初始化eXXJ,eYYJ, 0 FJ , eeX Y J 0?FJ 14?LL和12?LL和Y Y X X F Y FJ J JF X FJ J J1 0 ?J 结束 逐点比较法四象限直线插补软件流程图 Y N Y Y N N N Y nts 20 5、逐点比较法合成进给速度 逐点比较法插补的特点是脉冲源每发送一个脉冲过来，就进行一次插补计算，产生一步进给，并且不是发向 X 轴，就是发向 Y 轴，因此有下式成立MF X Yf f f；式中MFf脉冲源频率（ Hz）； Xf X 轴进给脉冲频率（ Hz） Yf Y 轴进给脉冲频率（ Hz） 因此，其合成进给速度为 2 2 2 260x y x yv v v f f ，当 0Xf 或 0yf 时，即刀具沿着平行于坐标轴的方向切削，这时对应的切削速度 最大，相应的速度称为脉冲源速度，即MF 6 0 6 0 ( )M F X Y X Yv f f f v v 因此，合成进给速度与脉冲源速度之比为 22 1c o s s i nXYM F X Yvvvv v v 合成进给速度为c o s s inMFvv ，可见， 当编程进给速度确定了脉冲源频率MFf后，实际获得的合成进给速度 v 随 变化而变化。为了得到较平稳的进给速度，在软件编程时可 根据不同的直线 采用相应的脉冲源频率以确保在插补不同直线时候其合成进给速度相同。 三、单片机直线插补的编程方法 由于步进电机的步距角 0.9 o ，丝杠导程 5l mm 。算出数控系统的脉冲当量 0 . 0 1 2 5360 l m m g，即坐标上的量化单位 1 为 0.0125mm。由于导轨的最大行程为 400mm，对应的脉冲数为 43.2 10 ，两轴相加最大的脉冲数为 46.4 10 ，需要使用 16 位以上二进制数才能表示出来，由于 AT89s51 单片机的字长为 8 位，可利YvXvv nts 21 用两个 8 位字长的内存单元（ RAM）来联合存放以上数据。其中偏差函数 F、坐标eX、坐标eY、总步数 在内存中均占用三个字节，并且 F、eX、eY采用补码形式，其余数据采用绝对值或正数，地址分配情况如下表所示 参数类型 存储地址 偏差函数 F 坐标值eX坐标值eY总步数 低字节地址 10H 13H 16H 19H 中字节地址 11H 14H 17H 1AH 高字节地址 12H 15H 18H 1BH 四象限直线插补程序如下： 单片机 I/O 口 P1.0、 P1.1、 P1.2 分别与步进电动机（ X 轴）的 A、 B、 C 三相对应 ;而 P2.0、 P2.1、 P2.2 口分别与步进电动 机（ Y 轴）的 A、 B、 C 三相对应 . R1、 R2 表地址指针 EQU X1 BIT 50H ; 终点横坐标为零标志位 Y1 BIT 51H ; 终点纵坐标为零标志位 FEYES BIT 52H ; 插补结束标志位 ER BIT 53H ;插补直线长度为零出错标志位 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP XIANWEI ;外中断，限位报警处理 ORG 000BH AJMP CHABU ;定时插补（给定相应频率） MAIN: MOV SP #60H ;设栈口 nts 22 ACALL TO_INT ;初始化 ； ACALL XTEXT ;判断终点横坐标是否为零 ； JB X1, XLINE ;为零则转坐标轴直线插补处理 ； ACALL YTEXT ;判断终点纵坐标是否为零 ； JB Y1, YLINE ;为零则转坐标轴直线插补处理 SETB TR0 ;开定时中断，开始进行插补 SJMP $ ;等待定时中断 CHABU : PUSH ACC PUSH PSW ;保护现场 ACALL XTEXT ;判断终点横坐标是否为零 JB X1, XLINE ;为零则转坐标轴直线插补处理 ACALL YTEXT ;判断终点纵坐标是否为零 JB Y1, YLINE ;为零则转坐标轴直线插补处理 AJMP START XLINE: ACALL YTEXT ;判断终点纵坐标是否为零 JB Y1, ERR ;为零则转出错处理 MOV A, 18H ; 插补直线与 Y 轴重合 JB ACC.7 ,FEED_1Y ; 终点纵坐标为负则向 Y 方向进给 ACALL FEED_Y1 ;否则向 Y 方向进给一步 LJMP Y_TONEXT ; 转修正 F YLINE: MOV A, 15H ;插补直线与 X 轴重合 JB ACC.7 ,FEED_1X ; 终点横坐标为负则向 X 方向进给 ACALL FEED_X1 ;否则向 X 方向进给一步 nts 23 LJMP X_TONEXT ; 转修正 F ERR: SET ER LJMP ERNX1 ; 插补结束，置位转其他处理 START: MOV A , 12H JB ACC.7 ,LOOP ; 0F ,则转 LOOP 平行 Y 轴方向进给 MOV A , 15H JB ACC.7 ,FEED_1X ;属于第二、三象限直线则向 X 方向进给 ACALL FEED_X1 ; 一、四象限直线则向 X 方向进给 LJMP X_TONEXT ; 转修正 F FEED_1X : MOV A, R1 CJNE A, #00H ,XZGO1 ;是首址？指针置为末址 MOV R1,#05H SJMP XNX1 XZGO1: DEC R1 ; 非首址，指针 -1 XNX1: MOV A, R1 MOV DPTR,#TABLE MOV A,A+DPTR ; 取出该指针对应的环分状态 MOV P1, A X_TONEXT: ACALL SUBFYE ;修正 F，eF Y FLJMP ADD_M ; 转修正总步数 LOOP : MOV A , 18H JB ACC.7 ,FEED_1Y ;属于第三、四象限直线则向 Y 方向进给 ACALL FEED_Y1 ; 一、二象限直线则向 Y 方向进给 nts 24 LJMP Y_TONEXT ; 转修正 F FEED_1Y : MOV A, R2 CJNE A, #00H ,YZGO1 ;是首址？指针置为末址 MOV R1,#05H SJMP YNX1 YZGO1: DEC R2 ; 非首址，指针 -1 YNX1: MOV A, R2 MOV DPTR,#TABLE MOV A,A+DPTR ; 取出该指针对应的环分状态 MOV P3, A Y_TONEXT: ACALL ADDFXE ;修正 F，eF X FLJMP ADD_M ; 转修正总步数 ADD_M : ACALL STEP_1 ;修正总步数 ,1 MOV A, 19H ;取总步数低字节 CJNE A,#00H ,NEXT1 ;判别，该字节不为零继续插补 MOV A , 1AH ; 取总步数中字节 CJNE A,#00H ,NEXT1 ;判别，该字节不为零继续插补 MOV A , 1BH ; 取总步数高字节 CJNE A,#00H ,NEXT1 ;判别，该字节不为零继续插补 ERNX1: CLR TR0 SETB FEYES ; 0 ,插补结束，置位转其他处理 NEXT1: POP PSW POP ACC ;恢复现场 nts 25 NOP RETI FEED_X1: MOV A, R1 ; 向 X 方向进给一步子程序 CJNE A, #05H ,XZGO2 ;是末址？指针置为首址 MOV R1,#00H SJMP XNX2 XZGO2: DEC R1 ; 非末址，指针 +1 XNX2: MOV A, R1 MOV DPTR,#TABLE MOV A,A+DPTR ; 取出该指针对应的环分状态 MOV P1, A RET FEED_Y1 : MOV A, R2 ; 向 Y 方向进给一步子程序 CJNE A, #00H ,YZGO2 ;是末址？指针置为首址 MOV R1,#05H SJMP YNX1 YZGO2: DEC R2 ; 非末址，指针 +1 YNX2: MOV A, R2 MOV DPTR,#TABLE MOV A,A+DPTR ; 取出该指针对应的环分状态 MOV P3, A RET TABLE: DB 01H, 03H, 02H, 06H, 04H,05H nts 26 XTEXT : MOV A, 13H ;判断终点横坐标是否为零 ,取终点横坐标低字节 CJNE A,#00H ,HIRR01 ;判别，该字节不为零转 MOV A , 14H ; 取总步数中字节 CJNE A,#00H , HIRR01 ;判别，该字节不为零转 MOV A , 15H ; 取总步数高字节 CJNE A,#00H , HIRR01 ;判别，该字节不为零转 SETB X1 SJMP WANT01 HIRR01 : CLR X1 WENT01 : NOP RET YTEXT : MOV A, 16H ;判断终点综坐标是否为零 ,取终点横坐标低字节 CJNE A,#00H ,HIRR02 ;判别，该字节不为零转 MOV A , 17H ; 取总步数中字节 CJNE A,#00H , HIRR02 ;判别
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号