X502型立式铣床数控化改造-硬件电路图

题目：X502 立铣数控化改造设计 姓名： 学院： 专业： 班级： 学号： 指导老师 ： 教研室主任： 一、基本任务及要求：1设计任务： （1）硬件 X502 立铣控制电路设计 PLC 或单片机控制；启动、停止、正转、反转、复位按键；状态指示灯；伺服放大、X 轴、Z 轴步进电机，能完成机床启动、停止、回零、描述直线 、圆弧等控制要求。 （2）软件 设计部分数控系统控制程序：直线、圆弧插补程序； 启动、停止、复位开关控制 程序；演示程序（20ms） ；变频无极调速程序。 （3）机械机构设计 设计并绘制改造部分装配图。设计参数：脉冲当量：0.01mm/step； 运动范围 ：X、Y ：0-100mm；v：0-1m/s；：0-0.1m/s 2；定位、重复定位精度：10m。 2 要求 （1） 绘制硬件接线框图；系统控制流程框图；改造部分机械结构图，并保留手动操作功能。 （2） 撰写设计说明书（5 千字） ，并附程序清单及其功能注释。 （3） 控制程序必须调试通过 ；机械改造部分须做必要的设计计算。 二、进度安排及完成时间：1. 设计时间 三周（从 2012 年 12 月 3 日至 2012 年 12 月 21 日） ； 2进度安排 ： 第 1 周： 布置设计任务；补充相关知识；查阅资料；撰写绪论，确定系统组成方案。 第 2 周： 机械结构设计。绘制工作台改造部分的装配图、主要零件图。 硬件电路设计。选择电气元件，绘制系统组成框图、外部接线图 第 3 周：软件设计 编写主程序、功能子程序；调试主要功能子程序；并记录存在的问题和解决的方法整理设计资料；按格式撰写设计说明书；上交设计作业（打印稿及电子文档） ，并参加答辩。 注： 程序设计 2-4 人；硬件电路设计 2-3 人；机械结构设计 2 人 目 录第 1 章 绪 论 .11.1 引言 .11.2 X502 型立铣数控化改造设计的背景和意义 .2第 2 章 改造方案 .32.1 机械结构改造方案 .32.1.1 主传动的数控改造 .32.1.2 进给传动的数控改造 .32.1.3 机械结构方案确定 .42.2 控制部分的改造方案 .4第 3 章 机械改造部分的设计计算 .63.1 工作载荷的计算 .63.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 .73.2.1 滚珠丝杠螺母副结构类型的选择 .73.3 脉冲当量及传动比的选定 .113.3.1 确定系统脉冲当量 .113.3.2 传动比的选定 .113.4 步进电动机的选择 .12第 4 章 控制系统硬件设计 .134.1 控制系统硬件概述 .134.2 主要控制模块设计简介 .144.2.1 单片机复位、晶振电路模块设计 .144.2.2 按键控制模块电路设计 .154.2.3 步进电机控制电路模块设计 .164.2.4 电磁继电器控制主轴模块电路设计 .17第 5 章 控制系统软件设计 .195.1 程序编译调试环境 keil3 介绍 .195.2 部分主要模块软件设计 .205.2.1 启动、停止、正转、反转、复位开关控制模块程序 .205.2.2 延时程序模块程序 .235.2.3 插补程序模块程序 .245.2.4 步进电机无极调速模块程序 .30结 论 .34参 考 文 献 .35附录 源程序 .36附录 b 硬件电路图第 1 章 绪 论1.1 引言数字控制（numerical controlNC）简称数控，是一种利用数字化信息对设备运动及加工过程进行控制的一种自动化技术。数控机床作为一种使用广泛、典型的机电一体化产品，综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就，是一种高效自动化机床。数控系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速度以及刀具的运动轨迹。由于数控机床的高效率、高精度和高柔性代表了机床的主要发展方向，所以它已经成为目前机加工自动化生产过程中最具代表性的核心设备，且成为计算机辅助设计与制造、柔性制造系统、计算机集成制造系统等柔性加工和柔性制造系统的基础。该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对其进行数控化改造后，成为一种高效的、多功能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效办法，是低成本自动化的必由之路。 数控技术及数控机床是以数控系统为代表的新技术，对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品：数控机床；其技术范围涉及很多领域： 机械制造技术；信息处理技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。 数控未来发展的趋势 ：1、往高精，高速，高柔性化及高复合化加工方向。 2、集成化、模块化、网络化、通用型开放式闭环控制模块。 3、高效多轴化、实时智能化、用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿 方式多样化。 4、内装高智能 PLC，多媒体技术的应用。 5、应用自适应控制技术，引入专家系统指导加工，引入故障诊断专家系统。1.2 X502 型立铣数控化改造设计的背景和意义数控铣床是当今制造业中实现机电一体化的代表性先进设备。本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过对国内外数控系统的比较，遵从性价比高、综合成本低的原则，最后确定采用 SIEMENS802S 数控系统。针对 SIEMENS802S 系统的特点和旧机床的要求，进行了电气系统的数控化改造设计、数控系统、电气伺服驱动系统的设计。电气部分分别对强电和弱电进行了改造，应用变频器对主轴电机进行控制，实现宽的调速范围，进给部分增加步进驱动器及步进驱动电机，实现数控化控制。通过对机床数控伺服驱动系统的接口匹配与连接，各项参数的设定和单片机程序编写，实现机床电气控制。并且，对所编写的单片机程序进行了仿真。最后阐述了改造后机床的精度和性能以及今后尚需完善之处。数控机床是一种典型的机电一体化产品，它集精密，柔性，和集成与一身，它可以较好的解决形状复杂，精密，小批多变的零件加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率，是一种高度自动化机床。其造价较低，改造周期短，可靠性高，改造技术也日趋成熟，加之我国特有的经济实用产品“经济型数控装置”的技术指标不断的提高，产品的更新和完善的进度不断的加快，产量不断的提高，故有广阔的前景，其必要性还体现在： 1. 由于数控改造费用低，可充分利用原有的设备和闲置设备，把它们改造成数使它们的原有功能和改造后新增加的功能得到充分的利用，提高了机床的使用价值。2. 易于对现有机床实现自动化，而且针对性强，即可针对新加工的零件类型及机床来进行改造，改造后机床没有多余的功能。 3. 改造后的机床加工精度得到提高，工人的劳动强度得到降低。 4. 减少了辅助加工时间，可提高机床的生产效率。 5. 数控改造可在企业技术人员参加下开发，所以他们可熟悉，掌握改造后的机床性能，操作等，为以后的生产，维护，修理打下基础。 机床改造后，显示了机床强大的工作能力和高度的可靠性，加工精度和生产率有较大提高，是提高企业数控化率的一条切实可行的途径。第 2 章 改造方案2.1 机械结构改造方案一台新的数控机床，在设计上要达到有高的静态、动态刚度；运动副之间的摩擦因数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控的改造时应尽量达到上述要求，不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造，使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。图 2.1 X502 型立式铣床外形及传动系统2.1.1 主传动的数控改造许多机床在数控化改造时，主传动部分不作太大的变动，这是因为机床改造的功能通常要求不高，尽管原机床的普通交流异步电动机开环驱动方式在电网电压或切削力矩变化时，电动机转速会随之波动，影响零件加工表面的粗糙度。且由于变速仍采用复杂的变速箱换挡，体积庞大，高速运行时振动和噪音都较大，对零件加工精度会产生不良影响。但是主轴改为闭环驱动方式的成本太高，因此，除有特俗要求，通常主轴传动链保留不变，主轴箱内的变速机构也不改动，原电气系统不变。2.1.2 进给传动的数控改造（1）导轨副 普通机床的导轨多采用铸铁-铸铁或铸铁-淬火钢滑动导轨，其静摩擦因数大，动静摩擦因数相差较大，低速时易出现爬行，影响运动的平稳性和定位的精度，力矩损失大。在进行数控改造时采用的是在原导轨上粘接聚四佛乙烯软带的方法。这种方法实现比较简便，费用低，动静摩擦因数相差小，耐磨性和抗咬力强，具有良好的自润滑性和抗震性，进给运动无爬行，运动平稳。（2）进给箱普通机床的进给箱为齿轮箱。齿轮箱传动链长，机构复杂，反响间隙累计增大，大大降低了传动精度。进给箱部分的改造就是要取消原齿轮箱，换为具有消隙装置的一级减速机构传动副，以减少传动间隙，提高精度。在机床改造中，步进电动机与丝杠传动副之间有减速机构，通过减速机构可得到所需的脉冲当量和增大驱动力矩。通常采用齿轮传动或同步齿形带传动机构。齿轮减速机构结构简单，传动功率大，寿命长，成本低，所以在传动功率要求较大的场合较多采用。同步齿形带传动是一种新型的带传动，其利用同步带的齿形与带轮的轮齿传递运动，无相对滑移，无噪声，无需润滑，传动精度和效率高。（3）移动元件普通机床通常采用滑动丝杠实现旋转运动到直线运动的转换，其精度相对较低，摩擦因数大，传动效率低，因此在要求较高的场合应将其更改为滚珠丝杠。滚珠丝杠的传动效率高，无爬行，预紧后可消除间隙，精度高，在改造中得到广泛使用。2.1.3 机械结构方案确定根据改造目的，如图 2.1，需将纵向和横向进给运动改为微机控制。纵向进给系统需作以下改造：将离合器脱开，把手轮改为可拆卸式的，将手轮轴通过一对减速齿轮与步进电动机相连，由步进电动机驱动纵向工作台移动；工作台横向改为既能手动进给，又能由步进电动机通过齿轮传动副将运动传给传动轴来实现。2.2 控制部分的改造方案在控制部分，本方案采用单片机作为主控制芯片，电气部分分别对强电和弱电进行了改造，应用电磁继电器对主轴电机进行控制，实现电机启动、停止、正转、反转、复位，进给部分增加步进驱动器及步进驱动电机，实现数控化控制。通过对机床数控伺服驱动系统的接口匹配与连接，各项参数的设定和单片机程序编写，实现机床电气控制，并且，对所编写的单片机程序进行了仿真。图 2.2 控制部分整体设计图第 3 章 机械改造部分的设计计算 3.1 工作载荷的计算工作载荷分析及计算根据指导书的分析，对于数控铣床来说，可采取按切削用量计算切削力法和按主电机功率法计算切削力计算切削力法两种。一般来说，对于经济型数控铣床，可采用按主电机功率计算切削力法。 通常都假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿的某一点上。设刀齿受到的切削抗力的合力为 F，将 F 分解为三个互相垂直的分立，则分别为背向力 FP，垂直切削力 Fcn 和主切铣削力 Fc。主切铣削力 Fc是沿铣刀主运动方向的分力，即沿铣刀外圆切线方向上的分立，因此，主切铣削力 Fc可按铣削功 Pm（kw）或主电机功率 Pe（kw）算出。 对于现有的机床的改装设计，可以从已知机床的电机的功率和主轴上的功率反推出工作台进给时的铣削力。若该机床的主传动和进给传动均用一个电机，进给传动的功率较小，可在主传动功率上乘以一个系数。由查得铣床传动系数k=0.85。 主传动功率 P 包括切削功率 Pc、空载功率 Pmo、附加功率 Pmc三部分， 即：P=Pc + Pmo + Pmc。空载功率 Pmo 是当机床无切削负载时主传动系统空载所消耗的功率，对于一般轻载高速的中、小型机床，可达总功率的 50%，现取 Pmo = 0.5N，附加功率 Pmc 是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率，它直接与载荷大小有关。可以用下式计算，Pmc = (1)Pc，所以总功率为： P=Pc + 0.5P + (1)Pc (KW) 则：Pc= 0.5P/(2-)(KW) 在进给传动中切削功率：Pct = kPc =k0.5P/(2-)(KW) 上式中，k-铣床的传动系数，查机电一体化系统设计课程设计指导书P17 公式 38。得 k=0.85 ， 为传动效率，可由下式计算 主轴上的传动功率/主电机的功率 由题设给定的已知条件可知，主轴上的传动功率 P=1.45 KW，主电机的功率:P 电机 = 2.2 KW则 =1.45/2.2=0.6591 所以：Pct =0.85x0.5x2.2/（2-0.6591）=0.698(KW)切削时在主轴上的扭矩为： Mn = 955000Pct/n955000x0.698/47.5=14033(Ncm) 上式中 n-主轴的最小转速，由题设条件知 n = 47.5 (r/min) 切向切削力 Fz=Mn/d=14033/3.2=4385.3(N) 上式中 d-铣刀的最大直径(cm)，由题设条件知 d = 32 mm 铣削加工时铣削进给抗力 Ff与主切削力 FC之间的比值由机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-5 查得 Ff/FC=1.0-1.2，取 Ft/FC=1，则 Ff=4385.3N，垂直分力 FfN与主切削力 Fc之间的比值 FfN/FC=0.75-0.8，取 FfN/FC=0.75，则FfN=0.754385.3= 3289.0N3.2 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 3.2.1 滚珠丝杠螺母副结构类型的选择因为所要改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过程中不需要调整，并且加工过程中有轻微冲击运转。根据上述实际条件，并考虑到经济成本问题，通过查C 2，所以合格当 L0=6 时 Ca=24373NC 3，所以合格当公称直径 d0=40mm 时当 L0=5 时 Ca=19766C 2，所以合格当 L0=6 时 Ca=14820NC 3，所以合格选用公称直径 d0=40mm，基本导程为 L0=5mm 的丝杠，查机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-32 可知道它们的承载能力 Ca 为 19766N，螺旋升角 为2016， （2.27 0）,，循环列数（圈数列数）为 2.52，滚珠直径 DW为 3.175mm，接触角 (45)。 3 计算传动效率 滚珠丝杠副的传动效率 一般在 0.8-0.9 之间，由传动效率公式（3-24）得 =tan/tan（+ ）式中：-丝杠螺旋升角 ，由 arctan(Ph/d 0)算得； -摩擦角。滚珠丝杠副的摩擦角约 100.当公称直径 d0=40mm、基本导程为 5mm 时： =tan/tan（+ ）=tan2.27 0/tan（2.27 0+0.1670）=0.93140.9满足设计要求4 刚度验算 (1)丝杠的拉伸或压缩变形量丝杠的拉伸或压缩变形量 1、 1在总变形量中占的比重较大，由式 3-25 得 1=（ F ma/ES） （Ma 2/2IE)式中：E-丝杠材料弹性模数，对于钢的 E=2.1 105MPa；Fm-丝杠的最大工作载荷，单位为 N；a-丝杠两端支撑间的距离，单位为 mm；S-丝杠按底劲 d2确定的截面积，单位为 mm2；M-转矩，单位为 N.mm；I-丝杠按底劲 d2确定的截面惯性矩（I=d 24/64),单位为 mm4。其中， “+”号用于拉伸， “-”号用于压缩。由于转矩 M 一般较小，式中第 2 项在计算时可酌情忽略。S-丝杠的截面积可由下列几式计算F=d 12/4 d1=D0+2e-2RE=（R-D W/2）sinR=0.52DWDW-滚珠直径（mm） ，-接触角R-滚道法面半径（mm） ，e-偏心距（mm） ，D0-丝杠公称直径（mm）当公称直径 d0=32mm、基本导程为 5mm 时：R=0.52 3.175=1.651mmE=（1.651-3.175/20sin45 0=0.045d1=40+20.045-21.651=36.7878mmF=d 12=36.7878 2/4=1062.9125mm2 1=（3306.7994700）/（420.6100001062.9125）=0.002697mm（2） 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2, 2可从产品型号中查出，或由下式计算，由于丝杠进行了预紧，且预紧力达轴向工作载荷的 1/3， 2值可减少一半左右。 2=0.0013Fm / (10 (3D W FYJZ2 / 10)上式中：D W-滚珠直径，单位为 mm；Z- 滚珠总数量，Z - =Z圈数列数；Z-单圈滚珠数，Z=d 0/DW（外循环） ，Z=d 0/DW-3（内循环） ；FYJ-预紧力，单位为 N。当公称直径 d0=40mm、基本导程为 5mm 时Z=40/3.175=39.5791Z =31.662.52=158.3 2=0.0013Fm / (10 (3D W FYJZ2 / 10)=0.0013330.67994/(10(33.175110.227158.3 2)=0.00293mm由于丝杠进行了预紧,所以： 2= 2/2=0.00293/2=0.001465mm当公称直径 d0=40mm、基本导程为 5mm 时，查机械设计、机械设计基础课程设计手册表 15-8，选用型号为 5127 的推力球轴承，其具体参数如下：型号 内径d（mm）外径D（mm）厚度T（mm）额定动载荷Ca（kN）51207 35 62 18 30.2丝杠的总变形量 = 1+ 2=0.002697+0.001465=0.004162。一般总变形量 不应大于机床规定的定位精度的一半；也可以由丝杠精度等级，查出基准长度上允许的行程偏差，再将折算到丝杠总长上的行程偏差与总变形量 进行比较。查机电一体化系统设计课程设计指导书表 3-26 与表 3-27 可知，当公称直径 d0=40mm、基本导程为5mm 时，选用型号为 5127 的推力球轴承合适。3.3 脉冲当量及传动比的选定3.3.1 确定系统脉冲当量 由题设条件知脉冲当量 =0.01mmstep 3.3.2 传动比的选定 1、纵向进给部分设计 对于步进电机，当脉冲当量确定和初选定步进电机的步距角后，可根据下式计算出该伺服传动系统总的传动比： i= P h/360=0.75 0 5/(3600 0.01)=1.04上式中：P h-滚珠丝杠的基本导程 5(mm) -步进电机的步距角，今初选步 0.75从步进电机到滚珠丝杠通常为减速运动，其目的是为了获得整量化的脉冲当量或将步进电机的输出转矩进行放大。对于进给私服系统，通常传递的转矩不是很大，一般模数取 m=1-2，b=6-9mm 在这次设计中取了 m=2。查机械原理表 7.3 得：Z1 17，取 Z1=39，m=2.，则 d1=mZ1=239=78mmb1=6-9mm,取 b1=62.5=15mmZ2=Z1i=391.04=40.56， 取 Z2=45d2=mZ2=245=90mm中心距 a=（d 1+d2）/2=（78+90）/2=84mm2、横向进给部分设计对于步进电机，当脉冲当量确定和初选定步进电机的步距角后，可根据下式计算出该伺服传动系统总的传动比： i= P h/360=1.5 0 4/(3600 0.01)=1.66 对于进给私服系统，通常传递的转矩不是很大，一般模数取 m=1-2，b=6-9mm 在这次设计中取了 m=2。查机械原理表 7.3 得：Z3 17，取 Z1=18，m=2.，则 d3=mZ3=218=36mmb1=6-9mm,取 b1=62.5=15mmZ4=Z3i=181.66=29.88， 取 Z4=30D4=mZ4=230=60mm中心距 a=（d 3+d4）/2=（36+60）/2=48mm3.4 步进电动机的选择步进电动机转轴上启动力矩的计算Tq=36F f+（G+F fN）/（2）式中，-脉冲当量，mmFf-铣削进给抗力，N；-摩擦因数；G-工作台及工件夹具总重力，N；FfN-垂直分力，N； -总机械效率取 =0.6，=0.2， G-=1500N，则Tq=360.014385.3+0.2（1500+3289.0)/（23.140.750.6）=510.49N确定步进电动机最高工作频率fmax=1000v 快 /v 快 =0.03m/s，=0.01fmax=10000.03/0.01=3000Hz步进电机的选择对于工作方式为三相六拍的步进电动机，最大静转矩与启动力矩的关系为Tq/Tjim=0.866则步进电动机最大静转矩为Tjim=Tq/0.866=401N查机电一体化系统设计表 3-8 得，横向和纵向都选用 110BF003 步进电动机第 4 章 控制系统硬件设计4.1 控制系统硬件概述Protues 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。目前国内推广刚起步， Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。 Protues 软件可以仿真 51 系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues 建立了完备的电子设计开发环境,PROTUES 不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。 它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。 随着科技的发展， “计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。基于 X502 型立铣的功能，其硬件控制系统以 80C51 作为控制器，配合按键控制模块和行程开关检测模块，通过步进电机控制 X、Y 轴运动，通过继电器改变主轴接线方式，配合运行指示灯，实现了对 X502 型立铣的功能控制。图 4.1 控制系统设计框图4.2 主要控制模块设计简介4.2.1 单片机复位、晶振电路模块设计单片机 80C5180C51 是低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器和 256k bytes 的随机存取数据存储器（ RAM） ，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，与标准 MCS-51 指令系统及 8051 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器（CPU ）和 Flash 存储单元，功能强大 80C51 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。STC80C51 单片机为 40 引脚双列直插芯片,有四个 I/O 口P0、P1、P2、 P3,每一条 I/O 线都能独立地作输出或输入。单片机的第 18 引脚和 19 引脚接时钟电路，XTAL1 接外部晶振和微调电容的一端，XTAL2 接外部晶振和微调电容的另一端。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为 11.0592MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为 22F 。第 9 引脚为复位输入端，接上电容，电阻后构成上电复位电路。20 引脚为接地端，40 引脚为电源端。/EA 端（31 引脚）接+5V 电压，由此就构成了单片机主控模块的最小系统。数控铣床是通过行程开关电路启动电机将 X/Y/Z 轴调到零点位置，再由单片机控制电机的转数来确定 X/Y/Z 轴的进给量的。主要模块如图所示：图 4.2 单片机复位、晶振电路4.2.2 按键控制模块电路设计铣床需要实现启动、停止、电机正转、反转及复位的功能，所以设置五个开关来输入给单片机信号。并且在铣床运行时指示灯亮（绿色） 。图 4.3 按键电路图4.2.3 步进电机控制电路模块设计本系统中，铣床铣刀的 X、Y 轴的进给，采用 2 个步进电机安装在各个关节处，需要 8 个 IO 接口，直接通过单片机的 P0 口，经过驱动电路 ULN2003A 连接步进电机模块，其电路图如下所示：图 4.4 步进电机控制电路功率放大芯片 ULN2003ULN2003 是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC 、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅 NPN 达林顿管组成。 该电路的特点如下: ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在 5V 的工作电压下它能与 TTL 和 CMOS 电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。本方案中，ULN2003 作为步进电机的功率放大器，驱动四相步进电机。图 4.5 ULN2003 芯片内部结构步进电机 110BF003 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角” ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。4.2.4 电磁继电器控制主轴模块电路设计在本控制系统中，主轴电机采用 380三相异步电动机，实现三相异步电动机的正反转，只需要将任意两相交换位置即可，因此，当单片机收到控制信号后，经由uln2003 驱动的电磁继电器控制相应的三相异步电动机接线顺序即可实现电机的正反转、启动、停止功能。图 4.6 电磁继电器控制主轴模块电路第 5 章 软件控制系统设计5.1 程序编译调试环境 keil3 介绍Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行 Keil 软件需要 WIN98、NT、WIN2000、WINXP 等操作系统。如果你使用C 语言编程，那么 Keil 几乎就是你的不二之选，即使不使用 C 语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。1、系统概述Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍 Keil C51 开发系统各部分功能和使用。2、Keil C51 单片机软件开发系统的整体结构C51 工具包的整体结构，uVision 与 Ishell 分别是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成开发环境(IDE） ，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用 IDE 本身或其它 编辑器编辑 C 或汇编源文件。然后分别由 C51 及 C51 编译器编译生成目标文件（.OBJ） 。目标文件可由 LIB51 创建生成库文件，也可以与库文件一起经 L51 连接定位生成绝对目标文件(.ABS） 。ABS 文件由 OH51 转换成标准的 Hex 文件，以供调试器 dScope51 或 tScope51 使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如 EPROM 中。3、使用独立的 Keil 仿真器时，注意事项：仿真器标配 11.0592MHz 的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。 仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。仿真芯片的 31 脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内 ROM，不能使用片外 ROM；但仿真器外引插针中的 31 脚并不与仿真芯片的 31 脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部 ROM（其 CPU 的/EA 引脚接至低电平）的目标系统中使用。 5.2 部分主要模块软件设计5.2.1 启动、停止、正转、反转、复位开关控制模块程序在本控制系统中，设计了 5 个物理按键，用于用户根据需要向控制系统发出指令。五个按键连接至单片机的 P1.0P1.4，在程序中，我们采用轮询法，不断查询各个管脚的状态，来获得对应的指令。例如，在启动程序设计中，单片机 P1.0 管脚本是高电平，当用户按下启动按钮，对应管脚变成低电平，单片机检测到这一变化后，控制相关的电磁继电器闭合，达到启动的目的，其流程如图：图 5.1 按键控制流程图/* 键盘扫描函数 */#include #define uchar unsigned char/* 位定义 */sbit P10=NO;sbit P11=OFF;sbit P12=COR;sbit P13=INV;sbit P14=RES;void key_scanf(void) if(NO=0) /* 启动按钮程序*/delay(5); /* 延时 5ms，用于按键去抖 */if(NO=0)motor_start();if(OFF=0) /* 停止按钮程序*/delay(5); /* 延时 5ms，用于按键去抖 */if(OFF=0)motor_stop();if(COR=0) /* 正转按钮程序*/delay(5); /* 延时 5ms，用于按键去抖 */if(COR=0)motor_cor(); if(INV=0) /* 反转按钮程序*/delay(5); /* 延时 5ms，用于按键去抖 */if(INV=0)motor_inv();if(RES=0) /* 复位按钮程序*/delay(5); /* 延时 5ms，用于按键去抖 */if(RES=0)motor_res();5.2.2 延时程序模块程序通过两个 for 循环执行空指令达到延时目的。/* 延时函数 */#include #define uchar unsigned charvoid delay(uchar ms) /* ms 表示延时的毫秒数 */uchar i;for(;ms0;ms-) /* 通过两个 for 循环执行空指令达到延时目的*/for(i=127;i0;i-);5.2.3 插补程序模块程序直线插补程序直线插补（Llne Interpolation）这是车床上常用的一种插补方式，在此方式中，两点间的插补沿着直线的点群来逼近，沿此直线控制刀具的运动。一个零件的轮廓往往是多种多样的,有直线,有圆弧,也有可能是任意曲线,样条线等. 数控机床的刀具往往是不能以曲线的实际轮廓去走刀的,而是近似地以若干条很小的直线去走刀,走刀的方向一般是 x 和 y 方向.，插补方式有:直线插补,圆弧插补,抛物线插补 ,样条线插补等。所谓直线插补就是只能用于实际轮廓是直线的插补方式(如果不是直线,也可以用逼近的方式把曲线用一段段线段去逼近,从而每一段线段就可以用直线插补了).首先假设在实际轮廓起始点处沿 x 方向走一小段(一个脉冲当量),发现终点在实际轮廓的下方,则下一条线段沿y 方向走一小段,此时如果线段终点还在实际轮廓下方,则继续沿 y 方向走一小段,直到在实际轮廓上方以后,再向 x 方向走一小段,依次循环类推.直到到达轮廓终点为止.这样,实际轮廓就由一段段的折线拼接而成,虽然是折线,但是如果我们每一段走刀线段都非常小(在精度允许范围内), 那么此段折线和实际轮廓还是可以近似地看成相同的曲线的-这就是直线插补. 5.2 直线插补流程图/* 直线插补程序 */#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid line_runin(uint x1,uint x2,uint y1,uint y2)uint step_num;uint x_abs,y_absuint F=0;uint i;x_abs=abs(x2-x1); /* X 轴总步数 */y_abs=abs(y2-y1); /* Y 轴总步数 */step_num=x_abs+y_abs; /* 刀具沿 X、Y 轴的总步数 */for(i=0;i=0)/* 若偏差进给大于等于 0.沿 X 轴方向运动一个单位 */motor_x_step(1,1); /* 向 X 轴正方向运动一个单位,并指明转动速度 */F=F-y_abs; /* 计算偏差 */else /* 若偏差进给小于 0.沿 Y 轴方向运动一个单位 */mo