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内容简介：

单片机单片机即单片微型计算机，是把中央处理器、存储器、定时/计数器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出接口简单，功能较低。由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器，但是目前在中国大陆仍多沿用“单片机”的称呼。 绝大多数现在的单片机都是基于冯诺伊曼结构的，这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分：一个中央处理器核心，程序存储器（只读存储器或者闪存）、数据存储器（随机存储器），一个或者更多的定时/计时器，还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。说单片机与通用型中央处理单元芯片不同是因为前者一般很容易配合最小型的外部支持芯片制成工作计算机。这样就可以很容易的把单片机系统植入装置内部来控制装置了。近年来为了在指令和数据上使用不同的字宽，并提高处理器流水线速度，哈佛结构在微控制器和DSP也逐渐得到了广泛的应用。 传统的微处理器是不允许这么做的。它要完成单片机的工作，就必须连接一些其他芯片。比如说，因为片上没有数据存储器，就必须要添加一些RAM的存储芯片，虽然所添加存储器的容量很灵活，但是至少还是要添加，另外还需要添加很多连线来传递芯片之间的数据。 比如，一个典型的微控制器只需要一个时钟发生器和很少的RAM和ROM(或者EPROM, E2PROM)就可以在软件和晶振下工作了。同时，微控制器具有丰富的输入输出设备，像是模拟数字转换(ADC)，定时器，串口或者其他串行通讯接口(比如I2C，串行外围接口(SPI),控制器局域网)。通常，这些继承在内部的设备可以通过特殊的指令来操作。 一些现代的微控制器支持一些内建的高级编程语言，比如BASIC语言。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。单片机学习应中的五大重要部分：一、总线：我们知道，一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，在模拟电路中，连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系，各器件之间的连线并不很多，但计算机电路却不一样，它是以微处理器为核心，各器件都要与微处理器相连，各器件之间的工作必须相互协调，所以就需要的连线就很多了，如果仍如同模拟电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线，则线的数量将多得惊人，所以在微处理机中引入了总线的概念，各个器件共同享用连线，所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上，即相当于各个器件并联起来，但仅这样还不行，如果有两个器件同时送出数据，一个为0，一个为1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？这种情况是不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据（可以有多个器件同时接收）。器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址，才能使用，分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于存储单元比较多，所以，用于地址分配的线也较多，这些线被称为地址总线。二、数据、地址、指令：之所以将这三者放在一起，是因为这三者的本质都是一样的数字，或者说都是一串0和1组成的序列。换言之，地址、指令也都是数据。指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系，不可以由单片机的开发者更改。地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据，内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单元可以由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有的（详见程序的执行过程）。数据：这是由微处理机处理的对象，在各种不同的应用电路中各不相同，一般而言，被处理的数据可能有这么几种情况： 1、地址（如MOV DPTR，#1000H），即地址1000H送入DPTR。 2、方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），3即是控制字。 3、常数（如MOV TH0，#10H）10H即定时常数。 4、实际输出值（如P1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：MOV P1，#0FFH，要灯全暗，则执行指令：MOV P1，#00H）这里0FFH和00H都是实际输出值。又如用于LED的字形码，也是实际输出的值。 理解了地址、指令的本质，就不难理解程序运行过程中为什么会跑飞，会把数据当成指令来执行了。三、P0口、P2口和P3的第二功能用法：初学时往往对P0口、P2口和P3口的第二功能用法迷惑不解，认为第二功能和原功能之间要有一个切换的过程，或者说要有一条指令，事实上，各端口的第二功能完全是自动的，不需要用指令来转换。如P3.6、P3.7分别是WR、RD信号，当微片理机外接RAM或有外部I/O口时，它们被用作第二功能，不能作为通用I/O口使用，只要一微处理机一执行到MOVX指令，就会有相应的信号从P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令说明。事实上不能作为通用I/O口使用也并不是不能而是（使用者）不会将其作为通用I/O口使用。你完全可以在指令中按排一条SETB P3.7的指令，并且当单片机执行到这条指令时，也会使P3.7变为高电平，但使用者不会这么去做，因为这通常这会导致系统的崩溃。四、程序的执行过程： 单片机在通电复位后8051内的程序计数器（PC）中的值为0000，所以程序总是从0000单元开始执行，也就是说：在系统的ROM中一定要存在0000这个单元，并且在0000单元中存放的一定是一条指令。五、堆栈：堆栈是一个区域，是用来存放数据的，这个区域本身没有任何特殊之处，就是内部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用数据的方式，即所谓的先进后出，后进先出，并且堆栈有特殊的数据传输指令，即PUSH和POP，有一个特殊的专为其服务的单元，即堆栈指针SP，每当执一次PUSH指令时，SP就（在原值的基础上）自动加1，每当执行一次POP指令，SP就（在原值的基础上）自动减1。由于SP中的值可以用指令加以改变，所以只要在程序开始阶段更改了SP的值，就可以把堆栈设置在规定的内存单元中，如在程序开始时，用一条MOV SP，#5FH指令，就时把堆栈设置在从内存单元60H开始的单元中。一般程序的开头总有这么一条设置堆栈指针的指令，因为开机时，SP的初始值为07H，这样就使堆栈从08H单元开始往后，而08H到1FH这个区域正是8031的第二、三、四工作寄存器区，经常要被使用，这会造成数据的混乱。不同作者编写程序时，初始化堆栈指令也不完全相同，这是作者的习惯问题。当设置好堆栈区后，并不意味着该区域成为一种专用内存，它还是可以象普通内存区域一样使用，只是一般情况下编程者不会把它当成普通内存用。东华理工大学长江学院文献综述毕业设计题目 基于单片机控制X-Y工作台机电系统设计 学生姓名： 欧阳昌驰 学 号： 08315114 专 业： 机械电子工程 系 别： 机电工程系 指导教师： 万智辉 教学科研部 二一一年 九月 前言： 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,它对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:(1)高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情况来看,高速加工中心进给速度可达 80m/min ,甚至更高,空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面,近 10 年来,普通级数控机床的加工精度已由10提高到5,精密级加工中心则从35,提高到11.5并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.1。为了实现高速、高精加工,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。(2) 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1. X-Y数控工作台简介X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单.实现方便而且能够保证一定的精度.降低成本,是单片机控制技术的最简单的应用.它充分的利用了单片机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。本课题研究涉及机械原理、机械设计、机械制图、机电一体化、单片机工作原理、数控技术等方面的相关内容。2.单片机的基本概念 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个完整的集成在电路芯片上。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件。具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能。3.单片机的基本结构 单片机组成：中央处理器、存储器、I/O设备。（2）存储器：物理实质是一组或多组具备数据输入/输出和数据存储功能的集成电路，用于充当设备缓存或保存固定的程序及数据。A、ROM（只读存储器）：一般用于存放固定的程序或数据表格等，数据在掉电后仍然会保留下来。B、RAM（随机存储器）：用于暂存程序和数据、中间计算结果，或用作堆栈用等，数据在掉电后就会丢失。 （3）I/O端口：单片机与外界联系的通道，它可以对各类外部信号（开关量、模拟量、频率信号）进行检测、判断、处理，并可控制各类外部设备。现在的单（1） 片机I/O口已经集成了更多的特性和功能，对I/O端口的功能进行了拓展和复用，例如外部中断、ADC检测以及PWM输出等等。4.单片机的工作原理单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。5.数控铣床的主要功能（1）点位控制功能：数控铣床的点位控制主要用于工件的孔加工，如中心钻定位、钻孔、扩孔、锪孔、铰孔和镗孔等各种孔加工操作。（2）连续控制功能通过数控铣床的直线插补、圆弧插补或复杂的曲线插补运动，铣削加工工件的平面和曲面。（3）刀具半径补偿功能：如果直接按工件轮廓线编程，在加工工件内轮廓时，实际轮廓线将大了一个刀具半径值;在加工工件外轮廓时，实际轮廓线又小了一个刀具半径值。使用刀具半径补偿的方法，数控系统自动计算刀具中心轨迹，使刀具中心偏离工件轮廓一个刀具半径值，从而加工出符合图纸要求的轮廓。利用刀具半径补偿的功能，改变刀具半径补偿量，还可以补偿刀具磨损量和加工误差，实现对工件的粗加工和精加工。（4）刀具长度补偿功能改变刀具长度的补偿量，可以补偿刀具换刀后的长度偏差值，还可以改变切削加工的平面位置，控制刀具的轴向定位精度。固定循环加工功能应用固定循环加工指令，可以简化加工程序，减少编程的工作量。（5）子程序功能如果加工工件形状相同或相似部分，把其编写成子程序，由主程序调用，这样简化程序结构。引用子程序的功能使加工程序模块化，按加工过程的工序分成若干个模块，分别编写成子程序，由主程序调用，完成对工件的加工。这种模块式的程序便于加工调试，优化加工工艺。（6） 特殊功能在数控铣床上配置仿形软件和仿形装置，用传感器对实物扫描及采集数据，经过数据处理后自动生成NC程序，进而实现对工件的仿形加工，实现反向加工工程。总之，配置一定的软件和硬件之后，能够扩大数控铣床的使用功能。6. 数控铣床加工范围 平面加工数控机床铣削平面可以分为对工件的水平面(XY)加工，对工件的正平面(XZ)加工和对工件的侧平面(YZ)加工。只要使用两轴半控制的数控铣床就能完成这样平面的铣削加工。2)曲面加工如果铣削复杂的曲面则需要使用三轴甚至更多轴联动的数控铣床。7. 数控铣床的装备 （1）夹具数控铣床的通用夹具主要有平口钳、磁性吸盘和压板装置。对于加工中、大批量或形状复杂的工件则要设计组合夹具，如果使用气动和液压夹具，通过程序控制夹具，实现对工件的自动装缷，则能进一步提高工作效率和降低劳动强度。（2）刀具常用的铣削刀具有立铣刀、端面铣刀、成形铣刀和孔加工刀具。参考文献：1 尹志强机电一体化系统设计课程设计指导书M北京：机械工业出版社，20072 文怀兴数控机床系统设计M北京：化学工业出版社，20053 王润孝机床数控原理与系统M西安：西北工业大学出版社，20044 徐元昌机电系统设计M北京化学工业出版社20055 于金机电一体化系统设计及实践M北京：化学工业出版社，20086 周开勤机械零件手册M北京：高等教育出版社，20017 濮良贵机械设计M北京：高等教育出版社，20058 杜国臣机床数控技术M北京：北京大学出版社，20069 张训文机电一体化系统设计与应用M北京：北京理工大学出版社，200610 赵丁选机电一体化使用手册M北京：化学工业出版社社，200311 汪道辉单片机系统设计与实践M北京：电子工业出版社，200612 张大明彭旭昀单片微机控制应用技术M北京:机械工业出版社，2006 13 Bollingen John GComputer Contol of Machines and ProcessesUSA： Addison-Wesley Publishing Company，198814 Charles LHarbor，Feedback Control SystemsPrentice-Hall，Inc1988毕业实习报告 实习是每一个毕业生必经的一段经历，它使我们在实践中了解社会，巩固知识，实习又是对每一位毕业生专业知识的一种检验，它让我们学到了很多在课堂上根本学不到的知识，既开阔了视野，又增长了见识，为我们真正走向社会打下了坚实的基础，也是我们走向工作岗位的第一步。实习单位介绍：中航工业江西洪都航空工业集团有限责任公司（简称中航工业洪都）是新中国第一架飞机的诞生地，创建于1951年，原名为南昌飞机制造公司，前身为国营洪都机械厂，为我国“一五”时期156项重点建设项目之一。根据企业发展的需要，1998年改制组建了以洪都集团公司为核心，拥有24个成员企业和1个国家级企业技术中心，是集科研、生产和经营为一体的大型企业集团。企业现隶属于中国航空工业集团公司，拥有员工万余人，是国家重点支持的520家大型企业和国家 “重合同守信用”企业之一。 实习过程介绍：(1)了解过程刚进入公司的时候，车间里的一切对我来说都是陌生的。车间里的工作环境也不怎么好，呈现在眼前的一幕幕让人的心中不免有些茫然，即将在这较艰苦的环境中工作3个月。第一天进入车间开始工作时，所在小组的组长、技术员给我安排工作任务，分配给我的任务是先熟悉CAD和UG软件的应用，并了解机床的一些基本操作。然后按照技术员教我的方法，运用操作工具开始慢慢学着加工该产品，在加工的同时注意操作流程及有关注意事项等。毕业实习的第一天，我就在这初次的工作岗位上加工产品，体验首次在社会上工作的感觉。在工作的同时慢慢熟悉车间的工作环境。一开始我对车间里的各项规章制度，安全生产操作规程及工作中的相关注意事项等都不是很了解，于是我便阅读实习单位下发给我们的员工手册，向小组里的员工同事请教了解工作的相关事项，通过他们的帮助，我对车间的情况及开机生产产品、加工产品等有了一定的了解。车间的工作实行五天八小时制，车间的所有员工都必须遵守该上、下班制度。(2)摸索过程经过几天工作后，开始慢慢能适应这个全新的工作环境，工作期间每天按时到厂上班，上班工作之前先到指定地点等待小组组长集合员工开会强调工作中的有关事项，同时给我们分配工作任务。明确工作任务后，则要做一下工作前的准备工作，于是我便到我们小组的工具存放区找来一些工作中需要用到的相关用具。在机台位置上根据员工作业指导书上的操作流程进行正常作业，另外在工作中，机器生产出的产品有时会出现异常。出现上述情况时，要及时告知小组组长、技术员，让他们帮助解决出现的问题，小组长、技术员通过对机器的调节让生产出的产品恢复正常，符合检验的要求。在工作期间有些产品的加工难度较大。刚开始加工起来还真棘手的，加工效率不高，加工出来的产品质量也不怎么的。让人苦恼的，于是我便向小组里的员工同事交流，向他们请教简单快速的加工方法与技巧。运用他们介绍的操作方法技巧慢慢学着加工这有难度的产品，从中体会加工产品的效果。同时在加工中选择适合的加工工具，也有利于提高工作的效率。在平时工作过程中也要不断摸索出生产、加工产品的有效方法和技巧。有时在开关机生产、加工产品时，对产品应该怎样包装不明白，此时，我便向员工同事学习，向他们请教正确效率的生产加工方式，另外也可以询问评管(质检员)，按评管提供的要求进行生产加工。(3)实际操作经过一段时间开机生产、加工产品的学习，我对车间产品的零件制图、生产加工的整个流程已有了一个较详细的了解与熟悉。对有些常加工的产品也比较熟悉了，对不良产品的识别力也有所提高了，生产、加工产品的效率也在不断提高。上班期间，听从小组长的安排，接受小组长分配的工作任务，在自己的工作区认真地进行作业。当出现一些小的问题和困难时，先自己尝试着去解决，而当问题较大自己独自难以解决时，则向小组长、技术员反映情况，请求他们帮助解决。在他们的帮助下，出现的问题很快就被解决了，我有时也学着运用他们的方法与技巧去处理些稍简单的问题，慢慢提高自己解决处理问题的能力。在解决处理问题的过程中也不断摸索出解决机器小故障的方法途径。这样从而让我在工作时的自信心不断增强，对工作的积极性也有所提高。在所开的机器不出现大的故障的情况下，在确保产品质量的基础上尽自己的努力提高工作的效率。尽量让生产出的产品数量达到班产要求的数量，以便完成生产任务。每次下班之前，将自己工作区域内的卫生打扫干净，垃圾放入垃圾袋中并放到相应的位置，把工作桌面和地面上的物品用具收拾摆放好。实习体会：在实习过程中，我充分的了解到实践的重要性。通过学习，对自己专业有了更为详尽而深刻的了解，也是对学校所学知识的巩固与运用。从这次实践中，我体会到了实际的工作与书本上的知识是有一定距离的，并且需要进一步的学习。只有把学到的理论知识和具体的实践工作相结合，我们才能更好的为公司乃至社会服务。对学校开设课程的建议：在校学生往往重视理论课的学习，而忽视实际动手操作能力的培养，学校应加强各种实验课，实践课，增强学生的实际操作能力。学校的教育，对理论知识的教育是很丰富和完善的，但在实践操作方面，则缺乏深入，系统的教育，使得学生的动手能力不是很强，学校应在这方面完善。实习收获：实习期间，我对实习工厂的车间生产、加工产品的整个操作流程有一个较完整的了解和熟悉。实习中，我拓宽了自己的知识面，学习了很多学校以外的知识，甚至在学校难以学到的东西。我学会了运用所学的知识解决处理简单问题的方法与技巧，学会了与员工同事相处沟通的有效方法途径。积累了处理人际关系问题的经验方法，同时我体验到了社会工作的艰苦性，通过实习，让我在社会中磨练了自己，也锻炼了意志力，训练了自己的动手操作能力，提升了自己的实践技能，积累了社会工作的简单经验，为以后工作也打下了一点基础。东华理工大学长江学院毕业设计开题报告毕业设计题目 基于单片机控制X-Y工作台机电系统设计 学生姓名： 欧阳昌驰 学 号： 08315114 专 业： 机械电子工程 系 别： 机电工程系 指导教师： 万智辉 教学科研部 二一一年 九月1、课题研究的意义、国内外有关本课题的研究动态和自己的见解 随着现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的渗透，促进了工程领域的技术改革。由于计算机技术和微电子技术的迅速发展并被机械工业领域应用从而形成了机电一体化，使得机械工业的产品结构、技术结构、功能和生产管理体系发生了巨大的变化，也使得工业生产从“机械电气化”迈进了“机电一体化”的发展阶段。X-Y数控工作台是很多机电一体化设备的基本部件，比如数控铣床、数控钻床的X-Y工作台。X-Y数控工作台通常是由导轨座、移动滑块、滚珠丝杆螺母副及伺服电动机等部件构成。伺服电动机主要是用于驱动滚珠丝杆，滚珠丝杆螺母驱动滑块和工作台在指定的导轨上运动，从而完成工作台在XY两个方向的直线运动。现在大部分使用的数控铣床都是集机械制造、自动控制、电子技术、传感技术、计算机技术及网络通讯技术于一体的典型机电一体化产品。2.国内外发展状况 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,它对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:(1)高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情况来看,高速加工中心进给速度可达 80m/min ,甚至更高,空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面,近 10 年来,普通级数控机床的加工精度已由10提高到5,精密级加工中心则从35,提高到11.5并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.1。为了实现高速、高精加工,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。(2) 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。3.本课题要研究的问题X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单.实现方便而且能够保证一定的精度.降低成本,是单片机控制技术的最简单的应用.它充分的利用了单片机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。本课题研究涉及机械原理、机械设计、机械制图、机电一体化、单片机工作原理、数控技术等方面的相关内容。3、课题的设计方案3.1设计方案比较数控机床导轨类型分为：滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等类型。在本设计中采用滚动导，其原因是：a.灵敏度高，运动平稳，低速移动时不易出现爬行现象；b.定位精度高；c.摩擦阻力小，移动轻便，磨损小，精度保持性好，寿命长。 在传动方面有齿轮传动和滚珠丝杆传动等类型。 在本设计中采用滚珠丝杆传动，因为采用滚珠丝杆有一下优点：a.承载小；b.移动速度快；c.噪音低；d.定位精度高等。驱动系统有直线电动机、伺服电动机、步进电动机、开关磁阻电动机等，在经济数控机床上，考虑其成本和性能，通常采用开环步进电机，所以在本设计中选择步进电机。在控制系统方面，可采用单片机和PLC进行控制，在本设计中采用的是MCS-51系列单片机，因为它价格低廉、性能优越，完全能满足本设计的要求。3.2选型分析系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。伺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.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因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。 闭环伺服系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件来检测实际位移量，能补偿系统的传动误差。因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电动机或交流伺服电动机驱动。闭环系统造价高，结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。. 考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。计算机系统的选择 采用MCS-51系列中的8051单片机扩展控制系统。MCS-51单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。XY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0.01mm的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。4、课题研究准备情况（查阅参考文献目录、完成任务所具备的条件等）学院拥有一支高素质、高水平的教师队伍。现有专任教师366人，教师中有教授、副教授120人，外籍教师11人，中青年教师中具有博士学位13人、硕士学位132人。学院拥有各类实验室51个，工程训练中心1个，校外实习基地22个, 并拥有众多的高精尖仪器设备，如日本电子JXA8100电子探针，德国MAT253质谱仪和多种型号的数控机床等。学院下设信息工程系、经济管理系、外语与文法系、机电工程系、资源与环境工程系，共21个本科专业，实现了以理工为主，文、管、经、法、体、教多学科的协调发展。图书馆馆舍面积达到19079平方米, 阅览座位822个,周开馆时间近100小时,馆内藏书328363册(图书为325850册,光盘为2513张),年订阅现刊412种,报纸66种;各种数据库14个：万方数据资源、重庆维普数据库、人大光盘复印报刊资料、中国学术期刊、超星数字图书馆、世界科学、Springer、EBSCO、中图链接、化学通报、资治法典、教育管理与执法、多媒体教学、英语听力和众多免费数据库。平均日接待读者980人次,日图书流通量达到1850本。综上所述，可以看到学校拥有雄厚的师资力量和教学资源，完全满足我们课题设计研究的要求。5、毕业设计（论文）总体安排和进度进 度 安 排序号设计（论文）工作内容时间（起止周数）1调研，资料收集及整理；2011.9.25-2011.10.12分析文献资料，准备开题；2011.10.2-2011.10.263X-Y工作台总体方案构思；2011.10.27-2011.11.54确定X-Y工作台的设计方案； 2011.11.6-2011.11.165X-Y工作台主要部件的选型和验算；2011.11.17-2011.11.236X-Y工作台控制系统的设计；2011.11.24-2011.11.307X-Y工作台装配图及电气原理图的绘制；2011.11.30-2011.12.308资料、数据整理, 并修改毕业论文；2011.12.31-2012.3.159定稿, 准备答辩。2012.3.16-2012.6.4 学生签名：欧阳昌驰 2011年 9月 24日6、指导教师意见与建议指导老师签名： 年 月 日东华理工大学长江学院毕 业 设 计题 目：基于单片机控制的X-Y工作台机电系统设计 英文题目：Based on single chip microcomputer control of the X-Y workbench mechanical and electrical system design学生姓名： 欧阳昌驰 学 号： 08315114 专 业： 机械电子工程 系 别： 机电工程系 指导教师： 万智辉 职称 讲师 二零一二年六月 东华理工大学长江学院毕业设计 摘要摘 要本设计主要是基于数控铣床工作原理，根据设计任务给定的工作尺寸设计一台比较简单的X-Y数控铣床工作台。首先，确定总体设计方案：其中主要对导轨副、丝杠螺母副、减速装置的选用及控制系统的设计进行初步分析，再绘制总体方案图。其次，进行机械传动部件的计算与选择：主要进行导轨上移动部件的重量估算，铣削力的计算，直线滚动导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型，步进电机减速箱的选用，步进电动机的计算与选型。本部分作为此设计重点，进行了大量的分析、计算及验算，最后得到满足任务规定尺寸的工作要求。接着，对X-Y工作台的控制系统进行选择。本设计主要选用8051单片机进行控制,并进行了简单的汇编编程。最后，控制系统的设计。此处主要通过进给传动系统来对硬件电路进行设计,并绘制控制系统原理框图；然后分析选用了步进电动机的驱动电源。关键词：数控铣床； 控制系统； 总体设计 4东华理工大学长江学院毕业设计 AbstractAbstractThis design is based on the CNC milling machine works, according to the design task given the size of the work to design a relatively simple economic XY CNC milling machine table. First, determine the overall design: including a preliminary analysis of the Guide way,screwnut, deceleration device selection and control system design, and then draw ageneral scheme in Figure. Secondly, the calculation and selection of mechanical drive components: the weight of moving parts in the rail estimates, the calculation of the milling force, linear rolling the Guide way the calculation and selection of, the calculation and selection of the ball screwnut, step into the motor to the gearbox selection, calculation and selection of the stepper motor. This section as the design focus a great deal of analysis, calculation and checking , and finally get to meet the mandate of the size of the job requirements.Then, the control system of the XY table to choose. The design of the main selection of the 8051 microcontroller to control, and simple assembly programming. Finally, the control system design. Here mainly through into the transmission system to the hardware circuit design, and draw the control system block diagram; then analyzed and chosen stepper motor drive power.Key words：CNC milling machine； control system； overall design 东华理工大学长江学院毕业设计 目录目 录绪 论11. 设计任务31.1 毕业设计题目32.整体方案的确定42.1 系统总体框图42.2 系统运动方式和伺服系统42.3 机械部件的计算及选择42.4 计算机控制系统的选择43. 机械设计部分53.1 工作台重量初步估算53.2 铣削力的计算53.3 直线滚动导轨副的计算和选择63.4滚珠丝杆螺母副的计算和选择73.4.1 最大工作载荷Fmax73.4.2 最大动载荷FQ73.4.3 滚珠丝杆副的型号选择及传动效率83.4.4 滚珠丝杆的刚度验算83.5步进电动机的计算及型号选择93.5.1 步进电动机的特点93.5.2 步进电动机减速箱的选择93.5.4 步进电动机转轴上的等效负载转矩Tep1103.5.5步进电动机的选择123.5.6 步进电动机的性能校核123.5.7电动机特性分析及细分驱动控制133.5.8步进电机驱动电源选用144. 控制系统的硬件选择154.1数控系统的硬件电路由以下几部分组成154.2主控制器CPU的选择164.3 存储器扩展电路设计174.3.1 程序存储器的扩展174.3.2 数据存储器的扩展174.3.3 I/O扩展电路设计175. 数控系统电路设计186. 系统控制软件的设计196.1系统控制功能分析196.2系统管理程序控制196.3自动加工程序设计206.4步进电机子程序控制设计216.5内存地址分配24结 论25致 谢26参考文献27东华理工大学长江学院毕业设计 绪论绪 论1. 国内外现状数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,它对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:(1)高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情况来看,高速加工中心进给速度可达 80m/min ,甚至更高,空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面,近 10 年来,普通级数控机床的加工精度已由10提高到5,精密级加工中心则从35,提高到11.5并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.1。为了实现高速、高精加工,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。(2) 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。2. 选题的意义随着现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的渗透，促进了工程领域的技术改革。由于计算机技术和微电子技术的迅速发展并被机械工业领域应用从而形成了机电一体化，使得机械工业的产品结构、技术结构、功能和生产管理体系发生了巨大的变化，也使得工业生产从“机械电气化”迈进了“机电一体化”的发展阶段。X-Y数控工作台是很多机电一体化设备的基本部件，比如数控铣床、数控钻床的X-Y工作台。X-Y数控工作台通常是由导轨座、移动滑块、滚珠丝杆螺母副及伺服电动机等部件构成。伺服电动机主要是用于驱动滚珠丝杆，滚珠丝杆螺母驱动滑块和工作台在指定的导轨上运动，从而完成工作台在XY两个方向的直线运动。现在大部分使用的数控铣床都是集机械制造、自动控制、电子技术、传感技术、计算机技术及网络通讯技术于一体的典型机电一体化产品。3. 选题的目的X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单、实现方便而且能够保证一定的精度、降低成本,是单片机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了单片机的软件硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。因此通过此次设计，能使我更全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其相关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。同时通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理，设计计算及选用的方式，常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式。不仅能巩固专业上的知识，还能使我的独立分析问题和解决问题的能力得到锻炼，学习并树立“系统设计”的思想，提高我对查阅文献资料及撰写科技论文的能力。27东华理工大学长江学院毕业设计 设计任务1. 设计任务1.1 毕业设计题目设计一套供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：加工材料选择碳素钢；立铣刀最大的直径为d=10mm，齿数为Z=3，最大铣削宽度=10mm，最大的背吃刀量=8mm；X、Y方向的定位精度为0.01mm；工作台面尺寸为200mm180mm，加工范围为230mm210mm；工作台空载时进给的最快移动速度为，最大负载时进给的最快移动速度，加减速时间为0.4s。东华理工大学长江学院毕业设计 整体方案的确定2. 整体方案的确定数控系统总体方案设计内容包括：系统总体方案框图、系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。应根据设计任务和要求提出系统的总体方案并对方案进行分析、比较、论证。2.1 系统总体框图 图2-1 系统总体框图2.2 系统运动方式和伺服系统因为此次设计的X-Y工作台是装配到数控铣床上，它的控制系统应该具有的功能有：单坐标定位、两坐标直线查补和圆弧查补，所以控制系统应该采用连续控制系统。考虑到加工精度的要求不高，故采用步进电机开环控制系统。2.3 机械部件的计算及选择1.确定脉冲当量；导轨上移动部件的重量估算；2.传动零件的计算和选择，其中包括导轨副、丝杠螺母副等一些传动零件；3.伺服电机的计算和选择；4.减速装置的计算和选择。2.4 计算机控制系统的选择X-Y数控工作台机电系统设计是用8051单片机,及2764、6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定程序就可以实现一定的加工功能。主要思想是:通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工,每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转,同时通过8155将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应走刀,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。东华理工大学长江学院毕业设计 机械设计部分3. 机械设计部分机械设计部分：确定系统脉冲当量、工作台外形尺寸及重量估算、滚动导轨副和滚珠丝的计算及选择、齿轮计算和设计、步进电机的相关计算和选择。3.1 工作台重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图设计工作台简图如图3-1所示：图3-1 工作台简图工作台导轨上面的移动部件包括：工件、工作平台、夹具、上层电动机、减速箱、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等等一些部件，估算重量约为619.5N。3.2 铣削力的计算因为立式数控铣床的加工方式是立式铣削，采用材料成分为碳钢的硬质合金立铣刀。经查表可知计算铣削力的公式为：考虑到有不对称铣削：最大铣削宽度=10mm；每齿进给量=0.1mm；铣刀直径=10mm；背吃刀量为8mm；铣刀转速=300r/min；齿数Z=3；代入公式可得最大铣削力：=1394N铣削条件比值不对称铣削逆铣顺铣圆柱铣削1.0-1.200.8-0.900.2-0.30.75-0.800.35-0.400.35-0.40 表3-1 铣削力的比值经查表3-1可知：在逆铣的情况下，三个方向的铣削力分别为：,，在立铣的情况下，工作台在垂直方向受到的铣削力为=530N,在水平方向收到的铣削力有两个，分别是和。然后将水平方向那个大的铣削力分配到工作台的丝杆轴线方向，那么可知：纵向铣削力：径向铣削力：3.3 直线滚动导轨副的计算和选择直线滚动导轨副的使用寿命主要是受工作载荷的影响。本次设计的X-Y工作台采用的是双导轨和四个滑块进行支撑。这里只需考虑极限情况下，即垂直台面的工作载荷全部作用在一个滑块上，那么该滑块所承受的最大垂直方向载荷力为： 根据查表后，我选择KL系列的JSA-LG20型直线滚动导轨副，额定动载荷为，额定静载荷。已知工作台面尺寸为200180mm,加工范围为230210mm，按标准系列选取导轨的长度为580mm，因为这里需要考虑到部件运行的行程要有一定的余量。通过查表得知KL系列的JSA-LG20型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度应小于100，每根导轨上装有两块滑块，精度是4级。通过查表我选取硬度系数、温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数。通过距离额定寿命计算公式可得出：远远大于期望的距离额定寿命，那么改导轨副的选择合理。 3.4滚珠丝杆螺母副的计算和选择3.4.1 最大工作载荷Fmax在铣床进行立铣的时候，工作台所受丝杠轴线方向的载荷，所受纵向的载荷，所受垂直方向的载荷，已算出工件总重量为619.5N。通过查表可知： 矩形导轨的颠覆力矩影响系数K=1.1； 滚动导轨的滑动摩擦因数=0.005。因此通过最大工作载荷计算公式可算出：3.4.2 最大动载荷FQ当工作台在承受最大铣削力时的最高移动速度时，选取丝杠的导程，那么可以算出丝杠转速。因为一般数控机床的及一般机电设备的使用寿命约为15000h，所以这里我也取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入滚珠丝杠副的寿命计算公式得： （）；根据查表以及结合铣床在实际加工时的情况，这里我选取载荷系数，滚道的硬度为60HRC，硬度系数，代入最大动载荷公式可得： 3.4.3 滚珠丝杆副的型号选择及传动效率根据已初步选取的导程和计算出的最大动载荷，再经过查表之后，我选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产制造的G系列32053型滚珠丝杠副，它的公称直径为=32mm，导程为=5mm，循环滚珠为3圈2列，额定动载荷为10678N，大于计算的最大动载荷，所以该滚珠丝杠副能满足要求。再根据该滚珠丝杆副的参数代入传动效率公式，可以算出： 又因为：摩擦角所以传动效率为： 3.4.4 滚珠丝杆的刚度验算本次设计的X-Y工作台的工作方式有两种，上层为Y向运动，下层为X向运动，都是使用滚珠丝杆副进行支承，丝杠两端都使用两个推力角接触球轴承。左右支承的中心距离约，钢的弹性模量是E=2.1MPa。又通过查表可知，G系列3205-3系列的滚珠丝杠副的滚珠直径为=3.175mm，丝杠底径为=28.2mm，那么可求得：（1）丝杠截面积： （2）丝杠在工作载荷作用下的拉/压变形量： （3）单圈滚珠数： 因此可知该丝杠是单螺母的，又查表得知，循环滚珠是3圈2列；（4）代入滚珠总数量公式：=Z圈数列数=192（5）丝杠预紧时的轴向预紧力：（6）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量： 因为丝杠有预紧力作用，所以实际变形量约为理论数据的一半，所以实际变形量； （7）580mm跨度的丝杠总变形量： 经查表可知：4级精度滚珠丝杠有效行程在580mm时的行程偏差允许值为15，远大于所求的丝杠总变形量，满足使用；（8）因为X-Y工作台上下两层滚珠丝杆副采用的支承都是采用单推-单推的方式，所以查表可知支承系数，代入截面惯性矩公式： 丝杠卧式水平安装的压杆稳定安全系数K=3，同时滚动螺母至轴向固定出的最大距离=580mm，代入滚珠丝杠稳定性验算公式：远远大于最大工作载荷=1695N，所以该丝杆稳定，不会出现失稳状况。因此本设计选用济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3205-3型滚珠丝杆副可行。3.5步进电动机的计算及型号选择3.5.1 步进电动机的特点步进电动机也叫脉冲电动机，它是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。步进电动机输出的角位移与输入的脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。所以只要控制输入脉冲的数量、频率和电动机绕组的通电顺序，就可以得到想要的转角、转速和转动方向。在无脉冲的输入的情况下，在绕组电流的激励下，步进电动机可以锁相。步进电动机结构简单、制造容易、价格低廉。它的转子转动惯量小、动态响应块、起停容易，正反转和无级变速也容易实现。它的缺点主要有：低频时有振荡、速度不够均匀、在高速时输出转矩减小。3.5.2 步进电动机减速箱的选择在步进电动机的输出轴上装配一个齿轮减速箱，不仅可以有效的增大步进电动机的输出转矩，而且也能让工作台和滚珠丝杆的转动惯量传递到电动机轴上尽量的小些。同时考虑到应该有消除间隙机构，所以应该采用无间隙齿轮传动减速箱。根据给定的参数可知工作台的脉冲当量，滚珠丝杆的导程，再经过查表先预选步进电动机的步矩角。可求得减速比为：经查表之后我选JBF3型齿轮减速箱。大小齿轮的模数都是1mm，齿数比是，材料选45调质钢，齿表面淬硬后能有55HRC。减速箱中心距为（75+36）1/2mm=55.5mm,小齿轮厚度为15mm，双片大齿轮厚度均为15mm。3.5.3 步进电动机转轴上的总转动惯量Jep的计算加在步进电动机转轴上的总转55动惯量是伺服系统的主要参数之一，它对电动机的选择有重要的意义。的主要参数包括：电动机转子的转动惯量、减速装置和滚珠丝杠以及移动部件等这算到电动机转轴上的转动惯性等。根据前面给定和选取的参数有：滚珠丝杆的总长=580mm，公称直径=32mm，导程=5mm，材料密度，移动部件的总重力G=619.5N，小齿轮宽度取15mm，直径36mm；大齿轮宽度也取15mm，直径=75mm；传动比是25/12。根据这些参数可算出：滚珠丝杆的转动惯量：小齿轮的转动惯量：大齿轮的转动惯量：拖板这算到丝杠上的转动惯量：再选择常州宝马集团公司生产的型号为110BC380F的步进电动机，该步进电动机三相六拍驱动时步矩角为，电动机的转子转动惯量为。因此可求的步进电动机转轴上的总转动惯量是：3.5.4 步进电动机转轴上的等效负载转矩Tep1步进电动机转轴所承受的负载转矩在不同的工况下是不一样的。一般情况下只考虑两种情况：一种是快速空载启动（负载为0），另一种是承受最大的工作负载。（1）空载启动时电动机转轴承受的负载转矩=其中电动机转轴上的最大加速转矩：式中：为传动链的总效率，因为在步进电动机空载启动时需要考虑的存在，这里取0.7；为对应空载最快移动素的的步进电动机的最高转速，单位是r/min；为步进电动机从静止到加速至转速所需时间，单位是s；为步进电动机的步矩角，数值选取。移动部件运动时这算到电动机转轴上的摩擦转矩： 式中：为导轨的摩擦因数，其中滚动导轨的摩擦因数为0.005；为垂直方向的铣削力，当工作台空载运行时为0。因此步进电动机空载时转轴所承受负载转矩为： （2）步进电动机转轴在最大工作负载状态时承受的负载转矩 其中：； ； 相对于和来说很小，可以忽略不计。则： （3）确定步进电动机的最大等效负载转矩结合和可知加在步进电动机转轴最大的等效负载转矩应该是： 3.5.5步进电动机的选择在选取步进电动机最大静转矩的时候，要考虑安全系数K的选择，这里我选择K=4，则步进电动机的最大静转矩：，而通过查表3-1可知选取的110BC380F型步进电动机的最大静转矩为，远大于计算得出的最大静转矩，因此该步进电动机满足工作要求。型号反应式步进电机的技术参数110BC380F相数步距角电压电流最大静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量30.75/ 1.580300V6A11.76N.m1200Hz12000Hz9 表3-1 反应式步进电机技术参数表3.5.6 步进电动机的性能校核（1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核：参数给定工作台最快工进速度=500mm/min，脉冲当量脉冲，可以得出电动机对应的运行频率。从110BC380F电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩6.6Nm，远远大于最大工作负载转矩=0.840Nm，满足要求。（2）最快空载移动时电动机输出转矩校核：参数给定工作台最快空载移动速度=2500mm/min，求出其对应运行频率。在此频率下，电动机的输出转矩=2.4Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.440Nm，满足要求。（3）最快空载移动时电动机运行频率校核：与快速空载移动速度=2500mm/min对应的电动机运行频率为。查表知110BC380F电动机的空载运行频率可达10000，可见没有超出上限。（4）起动频率的计算：已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。步进电动机克服惯性负载的起动频率为：说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BC380F步进电动机，完全满足设计要求。3.5.7电动机特性分析及细分驱动控制步进电机的控制方式是通过脉冲分配器来实现，其主要作用是将数控装置传送的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序传输给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常都使用软件脉冲分配器和集成脉冲分配器。结合本设计的实际情况决定采用集成脉冲分配器YB013。因为步进电机采用的工作方式是三相六拍（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。步进电动机驱动系统主要是由步进电动机驱动器和步进电动机构成。步进电动机驱动系统的性能，不但要取决于步进电动机启动器的好坏，也取决于步进电动机的自身性能。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电动机驱动器接收到一个来自控制器的脉冲信号时，它就驱动步进电动机按照设定的方向转动一个固定的步矩角，它的旋转是通过固定的步矩角一步一步转动来运行的。步进电动机不能直接接通直流或交流电源工作，必须使用步进电动机驱动器。脉冲信号发生器可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，这样可以进行准确定位；同时步进电动机的速度和加速度可以通过控制脉冲频率来控制可，从而达到调速的目的。 3.5.8步进电机驱动电源选用本设计中X、Y向步进电动机均为110BC380F型，工作方式为三相六拍，与其相匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为220VAC，相电流为6A。 东华理工大学长江学院毕业设计 控制系统的硬件选择4. 控制系统的硬件选择4.1数控系统的硬件电路由以下几部分组成1、主控制器：即中央处理单元CPU。2、总线：包括数据总线，地址总线，控制总线。3、存储器：包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4、I/O输入输出接口。数控系统的硬件框图如图4-1所示：存储器RAMROM中央处理单元CPU外设：键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等输入/输出I/O接口信号变换控制对象图4-1 数控系统的硬件框图4.2主控制器CPU的选择MCS-51系列单片机是集中CPU，它有如下特点：1.可靠性高因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。系统软件(如：程序指令，常数，表格)固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。2.控制功能强具有丰富的控制指令，如：条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令。3.便于扩展片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并行和串行的输入/输出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。4.实用性好体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。综合考虑之后，我选用8051芯片作为主控芯片。4.3 存储器扩展电路设计4.3.1 程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为2k，4k，8k，16k，32k。在选择芯片时要考虑CPU与EPROM时序的匹配。8051所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。于8051芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8051扩展系统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是74LS373。4.3.2 数据存储器的扩展由于8051芯片内部RAM只有128字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩展片外的数据存储器（RAM）。常用的数据存储器有6116、6264、62128等，这里选用6264。4.3.3 I/O扩展电路设计8051单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此要进行I/O口的扩展。8155为多功能的可编程接口芯片，内部包含有256字节RAM，两个可编程8位并行口、一个6位并行口和一个14位的计数器。8155是8051单片机应用系统中最适用的外围器件。数据存贮器是256x8位静态RAM。I/O由三个通用口组成，其中的6位口可编程为状态控制信号。可编程的14位计数器/定时器用于给单片机系统提供方波或计数脉冲。8155与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。东华理工大学长江学院毕业设计 数控系统电路设计5. 数控系统电路设计本系统使用的控制器是以MCS-51系列8051单片机为主。扩展存储器电路选1片2732EPROM和1片6264RAM。程序存储器扩展为4K，数据存储器扩展为8K。2732的片选控制直接接地，在系统复位后，CPU从0000H开始执行监控程序，6264的片选端将由74LS138译码器的Y2输出提供，所以6264的空间地址为4000H 5FFFH，系统的扩展借口I/O电路选用通用的可编程并行输入/输出借口芯片8155。8155的片选端接到74LS138译码器的Y4输出端。所以8155控制命令寄存器及PA口、PB口、PC口的地址信号分别是8000H、8001H、8003H。8155RAM区的地址为8000H80FFH。8155的A口为控制工作台X、Y向电机的接口。本系统X、Y方向的步进电动机都用110BC380F型步进电动机，软件环形分配器控制，高低压驱动电路。为了防止功率放大器高电压的干扰，步进电机借口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示控制电路设计在一起，8155的PC口（PC0 5）担任键盘的列线及显示器的扫描控制（字位线）；PB口的PB0 PB3为键盘的行线；8051的P1口为显示器的字形输出口（数据缓冲）。本系统采用46共24个行列式键盘和六位八段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口与字位口加74LS07进行驱动。PB口剩余的I/O线PB4 PB7分别为工作台+X、X、+Y、Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口、PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机限时巡回检测PB4PB7的电平，当某I/O口线为“0”电平时，应立即停止X、Y向步进电机的驱动，并发出报警信号。此外，广电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用的是7805三端集成稳压器设计。东华理工大学长江学院毕业设计 系统控制软件的设计6. 系统控制软件的设计6.1系统控制功能分析数控X-Y工作台的控制功能包括：（1）系统初始