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1、北京理工大学珠海学院2010届毕业设计 毕业设计（论文）基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计总体设计学 院： 机械与车辆工程学院专 业： 姓 名： 指导老师： 机械工程及自动化学 号： 职 称： 教授中国珠海二一O年五月毕业设计（论文）诚信承诺书本人承诺呈交的毕业设计（论文） 基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计总体设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计（论文）使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计 总体设计摘 要本设计是基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计总
2、体设计，首先根据设计任务对机械传动部件进行计算与选型，其次是步进电动机的计算选型；由于系统采用的是半闭环控制，因此机械系统装配有增量式旋转编码器。在系统控制电路设计上，CPU采用的是AT89C52单片机，通过设有输出稳定直流电的驱动电源、光电隔离电路、开光量输入电路等，大大提高了微机的抗干扰能力，防止微机受干扰而误动。在外围电路的设计上，使用了可编程控制器8255A、步进电机驱动芯片ULN2003、三态缓冲器74LS240/74LS244、锁存器74LS373、8位8段共阴极数码管等芯片，在外围电路芯片的选择上以尽量节省I/O口、性价比较高、技术成熟以及市场上通用芯片为基准，故控制系统电路结构
3、简单，性能更优越。系统的人机接口设计了一个四行四列的矩阵式键盘作为指令的输入，和一个8位8段共阴数码管的动态显示电路；程序在Keil软件进行编译和调试，并在Proteus环境中实现程序及电路的仿真。关键字：步进电机 X-Y工作台 单片机 微控制器Design of X-Y NC Worktable Based on Microcontroller Overall DesignABSTRACTThe NC XY table system design is based on the microcomputer, first, calculation and chooses the transmi
4、ssion parts according to the design task, second, the calculation of step motor selection; because the system uses a semi-closed loop control, the mechanical system is equipped with incremental rotary encoder.In the control circuit design, used an AT89C52 microcontroller for CPU, with stable DC outp
5、ut by the driving power, optical isolation circuit and Switch output circuit and so on. Raise the level of protect their own computer interference. To prevent interference to computer malfunction.In the design of the external circuit, use a programmable controller 8255A, ULN2003 stepper motor driver
6、 IC, tri-State buffer 74LS240/74LS244, flip-latch 74LS373, 8-bit Common cathode LED digital tube and some other chips, the choices of the external circuit chip basis on try to save on I/O port, high costly with price lower, mature technology and Universal chip market,so control system circuit is Sim
7、ple, and Superior performance. Man-machine interface of the system use a 4*4 Matrix keyboard for command input, and a 8-bit common cathode LED digital tube; program compiler and debug in Keil, and use Proteus environment to achieve in the process and circuit simulation.Key words: Step-motor X-Y tabl
8、e Chip-Single Microcomputer MicrocontrollerII目 录摘 要IABSTRACTII1 前言11.1 课题设计研究背景和意义11.2 研究的内容11.3 研究的技术路线12 总体方案的确定22.1 机械传动部件的选择22.1.1 导轨副的选用22.1.2 丝杆螺母副的选用22.1.3 减速装置的选用22.1.4 伺服电动机的选用22.1.5 检测装置的选用22.2 控制系统的设计32.3 绘制总体方案图32.4 本章小结33 机械传动部件的计算与设计43.1 导轨上移动部件的重量估算43.2 铣削力的计算43.3 直线滚动导轨副的计算与选型43.3.1
9、滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取43.3.2 距离额定寿命L的计算53.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型53.4.1 最大工作载荷Fm的计算53.4.2 最大动载荷FQ的计算53.4.3 初选型号53.4.4 传动效率的计算63.4.5 刚度的验算63.4.6 压杆稳定性校核63.5 步进电动机减速箱的选用63.6 步进电动机的计算和选型73.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq73.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq73.6.3 步进电动机最大静转矩的选定93.6.4 步进电动机的性能校核93.7 增量式选转编码器的选用103.8 绘制进给传动系统
10、示意图113.9 本章小结114 控制系统硬件电路设计124.1 控制系统微控制器的选择与使用124.1.1 AT89C52单片机主要性能参数及功能特性124.1.2 AT89C52单片机的引脚功能144.1.3 AT89C52单片机复位电路164.1.4 AT89C52单片机振荡电路164.2 控制系统的电源设计与选择174.2.1 控制系统的电源硬件原理图174.2.2 隔离电源的选择174.2.3 控制系统的电源设计类型选择184.2.4 AT89C52及其扩展芯片电源设计184.2.5 TLP521-1光耦合器输入端电源设计204.3 光电隔离电路设计214.3.1 光耦合器的选用21
11、4.3.2 TLP521-1光耦合器的主要参数及工作参数214.4 开关量输入通道电路设计224.4.1 开关量输入通道总体硬件电路图234.4.2 开关量输入通道电路分析234.5 I/O接口芯片的应用电路设计234.5.1 74LS373扩展8位并行输出口234.5.2 74LS244扩展8位并行输出口244.5.3 74LS240扩展8位并行输出口244.5.4 8255A可编程并行输出244.6 步进电机控制系统设计284.6.1 步进电机的工作原理284.6.2 步进电机脉冲分配信号的设计294.6.3 步进电动机的驱动电源304.6.4 步进电动机控制系统电路图314.7 键盘与L
12、ED显示电路设计314.7.1 键盘电路设计314.7.2 显示电路设计324.8 本章小结345 仿真控制系统硬件电路设计355.1 Proteus简介355.2 Keil简介355.3 仿真控制系统硬件原理图355.4 本章小结366 控制系统人机接口软件设计376.1 键盘与显示总程序376.1.1 键盘与显示总程序流程图376.1.2 键盘与显示总程序原理376.2 显示程序376.2.1 显示程序流程图376.2.2 显示程序流程图解释376.2.3 LED显示原理386.3 键盘扫描程序396.3.1 键盘扫描程序流程图396.3.2 键盘扫描程序解释396.4 本章小结397 结
13、论与展望41参考文献42附 录43附录A 人机界面程序43附录B 外文文献翻译原文47附录C 外文文献翻译译文52谢 辞591 前言1.1 课题设计研究背景和意义随着现代信息技术的发展，制造业得到了快速发展，促使机械加工技术发生深刻的变化，企业不但追求高效率的生产模式，更追求高标准的质量要求；因此这使得机械设备的功能要求越来越强大，其结构及功能随之也变得复杂。所以能够设计出功能全面、效率高、耐压性强，加工精度高的机械加工设备是制造业中最重要的课题之一，我们此次研究的课题X-Y数控工作台属于高精密加工的核心部件，它的传动部件的定位精度直接影响系统的加工精度。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的
14、基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。数控工作台一般是指由步进电机驱动的开环控制工作台，但由于步进电机在起动及运行频率较高时易失步，无法达到较高的精度，因此本设计采用半闭环控制使控制精度大大提高。本设计为验证性设计，通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和人机接口软件的设计思路，通过Proteus软件进行仿真实验。1.2 研究的内容 X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，通常由导轨座、滑动模块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及步进电机的部件构成。控制系统可选用标准的工业控制计算机，也可设计专用
15、的微机控制系统。本设计用AT89C52组成专用单片机控制系统，从键盘输入G代码后，能通过直线插补和圆弧插补，完成平面轮廓加工。设计要求完成整个控制系统的硬件设计和完成整个控制系统的人机接口软件设计，通过Keil编译和调试程序，并最终在Proteus软件中仿真。1.3 研究的技术路线本设计研究的技术路线主要包括：1.机械系统运动参数的计算；2.步进电动机及其选择；3.步进电动机的控制与驱动；4.增量式旋转编码器的选用；5.控制系统的电源设计与选择；6.光电隔离电路设计与应用；7.开关量输入通道电路设计与应用；8.常用存储器与I/O接口芯片的应用电路设计；9.键盘与LED显示电路应用设计；10.控
16、制系统的人机接口软件设计；11.在Protel软件中绘制系统硬件原理图；12.在Keil软件中完成程序的编译和调试；13.在Proteus软件中进行系统的调试与仿真。2 总体方案的确定2.1 机械传动部件的选择2.1.1 导轨副的选用要设计的X-Y工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。2.1.2 丝杆螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.005mm脉冲当量和0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求1 尹志强机电一
17、体化系统设计课程设计指导书M北京：机械工业出版社，2007，第186页，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。2.1.3 减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱1。2.1.4 伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机1。以降低成本，提高性价比。2
18、.1.5 检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配1。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，本设计的侧重点是控制电路的设计，为了减少机械传动部件设计工作量， X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。2.2 控制系统的设计（1）本设计的X-Y工作
19、台其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，能够完成平面轮廓的加工，所以控制系统设计成连续控制型。（2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU1 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，2007，第187页，能够满足任务书给定的相关指标。（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。2.3 绘制总体方案图总体方案图如图1-1所示：微控制器(MCU)I/O接口电
20、路放大电路执行器件机械传动机 构机械执行机 构图1-1 总体方案图2.4 本章小结本章主要是完成了系统总体方案确定的机械传动部件的选用和控制系统的总体设计思想的分析，机械传动部件完成了一些主要传动机构的初步选择，而为后续的设计中，还将会对其进行分析、计算和校核的。考虑到数控工作台对要求控制系统要有较高的精度和较快的反应速度，我选用了AT89C52单片机作为控制系统，能够满足系统的设计要求。3 机械传动部件的计算与设计3.1 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为800N1 尹志强机电一体化系
21、统设计课程设计指导书M北京：机械工业出版社，2007，第187，15，45，47页3.2 铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表3-71查得立铣时的铣削力计算公式为： (3-1)今选择铣刀的直径为d15mm，齿数Z3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为ae =15mm，背吃刀量ap8mm ，每齿进给量fz0.1mm，铣刀转速n300r/min。则由式(3-1)求的最大铣削力： (3-2)采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-51查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff1.1Fc1609N, F
22、e0.38Fc556N，Ffn0.25Fc336N。图3-4a1为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力FzFc556N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力FxFf1609N，径向铣削力为FyFfn336N。3.3 直线滚动导轨副的计算与选型3.3.1 滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： (3-3)其中，移动
23、部件重量G800N，外加载荷FFz556N，代入式(3-3)，得最大工作载荷Fmax686N0.686kN。查表3-411根据工作载荷Fmax0.756kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca7.94kN，额定静载荷Coa9.5kN。任务书规定加工范围为230230，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-351选取导轨的长度为520mm。3.3.2 距离额定寿命L的计算上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-361 尹志强机电一体化系统设计课
24、程设计指导书M北京：机械工业出版社，2007，第46，47，38，39页表3-401，分别取硬度系数fH1.0、温度系数fT =1.00，接触系数fc0.81，精度系数fR0.9，载荷系数fw1.5，代入式(3-33)1，得距离寿命：L= (3-4)远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.4.1 最大工作载荷Fm的计算如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx1609N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy366N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz556N。已知移动部件总重量G800N，按矩形导轨进行计算，查表3-291
25、，取颠覆力矩影响系数K =1.1，滚动导轨上的摩擦系数0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： (3-5)3.4.2 最大动载荷FQ的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v400mm/min，初选丝杠导程Fh5mm,则此时丝杠转速nv/Ph80r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T15000h,代入L060nT/106,得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106r）。查表3-301，取载荷系fw1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH1.0,代入式(3-23)1，求得最大动载荷： (3-6)3.4.3 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-311，选择济宁博特精密丝
26、杠制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈1系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于FQ，满足要求。3.4.4 传动效率的计算将公称直径d020mm,导程Ph20mm,代入arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角433。将摩擦角10，代入tan/tan()，得传动效率。3.4.5 刚度的验算1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a500mm；钢的弹性模量E2.1105MPa;查表得滚珠直径Dw3.
27、175mm，丝杠底径d216.2mm，丝杠截面积： (3-7)忽略式(3-25)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，2007，第41，35，42页中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量： (3-8)2）根据公式Z(d0/Dw)3，求得单圈滚珠数Z20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式ZZ圈数列数，得滚珠总数量Z60。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJFm/3593N。则由式(3-27)1，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量20.0026mm。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取20.0013mm。3
28、）将以上算出的1和2代入总12，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）总0.0218mm21.8m本例中，丝杠的有效行程为330mm，由表3-27 1知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315 400mm时，行程偏差允许达到25m，可见丝杠刚度足够。3.4.6 压杆稳定性校核根据公式(3-28)1计算失稳时的临界载荷Fk。查表3-341取支承系数Fk1；由丝杠底径d216.2mm，由式(3-9)求得截面惯性矩I3380.88mm4；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式(3-28)1，得临界载荷Fk9343N，远大于工作载Fm9343N，故
29、丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 (3-9)3.5 步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速箱，采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联连。其中大齿轮设计成双片结构，采用图3-81 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，2007，第20，19，56，65，61页所示的弹簧错齿法消除侧隙。已知工作台的脉冲当量0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph5mm，初选步进电动机的步距
30、角=0.75。根据式(3-12)1，算得减速比： (3-10)本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：36，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为 75361/2 55.5mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。3.6 步进电动机的计算和选型3.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq已知：滚珠丝杠的公称直径d020mm，总长l500mm，导程Ph5mm，材料密度7.8510-3kg/cm；移动部件总重力G800N；小齿轮齿宽b120mm，直径d136mm，大小齿轮齿宽b220mm，直径
31、d175mm；传动比i25/12。 (3-11) (3-12)如表4-11，式(3-11)，式(3-12)所示，算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量JS0.617kgcm；拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw0.517kgcm；小齿轮的转动惯量Jz10.259kgcm；大齿轮的转动惯量Jz20.259kgcm。初选步进电动机的型号为90BYG2602,为四相混合式，由常州宝马集团公司生产，四相八拍驱动时的步距角为0.75，从表4-51查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm4kgcm。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： (3-13)3.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
32、分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1由式(4-8)1可知，Teq1包括三部分；一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tmax；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式(4-12)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，2007，第61-62页可知，T0相对于Tmax和Tf很小，可以忽略不计。则有： (3-14)根据式(4-9)1，考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上
33、最大加速转矩： (3-15)式(3-15)中nm对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；ta步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。其中： (3-16)式(3-16)中Vmax空载最快移动速度，设计要求指定为3000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，本例0.005mm/脉冲。将以上各值代入式(3-16)，算得nm1250r/min。设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间ta0.4s，传动链总效率0.7。则由式(3-15)求得： (3-17)由式(4-10)1知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： (3-18)式中
34、导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005；Fz垂直方向的铣削力，空载时取0；传动链效率，取0.7。则由式(3-18)，得： (3-19)最后由式(3-14)求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： (3-20)2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2由式(4-13)1可知，Teq2包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0， T0相对于Tf和Tt很小，可以忽略不计。则有： (3-21)其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式(4-1
35、4)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，2007，第61-62页计算。则有： (3-22)再由式(4-10)1计算垂直方向承受最大工作负载 (Fz556N)情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： (3-23)最后由式(3-21)，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩： (3-24)最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为： (3-25)3.6.3 步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑
36、安全系数。取安全系数K4, 则步进电动机的最大静转矩应满足： (3-26)初选步进电动机的型号为90BYG2602，查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax6Nm。可见，满足(3-26)的要求。3.6.4 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设计要求给定工作台最快工进速度Vmaxf400mm/min，脉冲当量0.005mm/脉冲，由式(4-16)1求出电动机对应的运行频率fmaxf400/(600.005) 1333Hz。从（图3-1）90BYG2602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Tmaxf 5.6Nm，远远大于最大工作负载转矩Teq20.
37、884Nm，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快空载移动速度vmax3000mm/min，求出其对应运行频率fmax3000/(600.005)Hz10000Hz。从图3-1查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax1.8Nm，大于快速空载起动时的负载转矩Teq11.422Nm，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vmax3000mm/min对应的电动机运行频率为fmax10000Hz。查表4-51可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz，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Jeq30.
38、35kgcm，电动机转子的转动惯量Jm4kgcm，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz（查表4-51 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，2007，第65，63，192页）。由式(4-17)1可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为： (3-27)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614Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。图3-1 90BYF2602步进电动机的运行矩频特性曲线综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG2602步进电动机，完全满足设
39、计要求。3.7 增量式选转编码器的选用本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角0.75，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。此次设计选用的编码器型号为ZLK-A-120-05VO-10-H：盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每转输出12
40、0个A/B脉冲，信号为电压输出1。3.8 绘制进给传动系统示意图图3-2 进给传动系统示意图3.9 本章小结本章所做的工作主要属于验证性的设计，首先我估算出移动部件的重量；然后在假设加工方式、使用的刀具以及工件的材料的条件的，算出在假定状态下，系统的铣削力是多少。在有前面两点基础作为铺垫后，我根据参考已有的对直线滚动导轨副，滚珠丝杆螺母副、步进电动机的减速箱、步进电动机以及增量式旋转编码器的计算、选型和校核方法；将我得到的移动部件的重量和系统的铣削力代入到现有公式的计算当中，并通过得出的结果，查找相应部件类型表，选出符合该假设状态下，系统机械传动部件所需要的型号；最后还来对选出来的机械部件型号
41、进行校核，判断其是否满足设计要求。此章节虽没有创新点，看上去更像一种验证性的设计，然而考虑到前人已对此章节的内容做出了系统化和模式化的设计和分析，目前在此方面的技术已经非常成熟，我选用这些方法进行设计，可以减少大量的实践性的验证。除此之后，机械传动部件的设计依然是此课题设计的其中一部分，通过学习这方面的知识，能够了解更多机构的机械原理，也使我对该课题有了更进一步的理解。4 控制系统硬件电路设计4.1 控制系统微控制器的选择与使用本次设计选用的的是微机控制系统，X-Y数控工作台要求控制系统计算精度较高、处理速度较快；加之在考虑尽量减少成本、选择程序编制较为简易以及方便扩充I/O接口的前提下，我们
42、选择了使用AT89C52作为我们的微处理器，选择此微处理器能够满足任务书给定的相关指标的设计要求。4.1.1 AT89C52单片机主要性能参数及功能特性AT89C52的主要工作特性： 8031CPU（8051的内核）； 8KB的快速擦写Flash存储器，用于程序存储器，可擦写次数为1000次； 256字节的RAM，其中高128字节地址被特殊功能寄存器SFR占用； 32跟可编程I/O端口：P0、P1、P2、P3； 2个可编程16位定时器：P3口的第二功能； 具有6个中断源、5个中断矢量、二级优先权的中断系统； 1个数据指针DPTR； 1个可编程的全双工串行通信：P3口的第二功能； 具有“空闲”和
43、“掉电”两种低功耗工作方式； 可编程的3级程序锁定位； 工作电源的电压为(50.2)V； 振荡器最高频率为24 MHz； 编程频率324 MHz，编程电流1 mA，编程电压Vpp为5 V或12 V。 P1.0口的T2为定时器/计数器，P1.1口的T2EX为具有捕捉/重装操作的定时器/计数器2。图4-12 李泉溪单片机原理与应用实例仿真M北京：北京航空航天大学出版社，2009，第8，14，17页为AT89C52单片机原理结构图，从图中可了解到，AT89C52内部结构可分为：内核CPU部分、存储器部分、I/O接口部分和特殊功能部分（如定时器/计数器、外中断控制模块等）。AT89C52单片机的CPU是8位字长，主要包括运算器和控制器两部分。AT89C52单片机芯片内配置有8KB的FLASH程序存储器和256字节的数据存储器RAM，设计时可外扩到最大64KB的程序存储器和64KB的数据存储器，其存储器结构可分为4部分：