激光焊接(切割)数控工作台微机控制系统设计

1 绪论 图 2 /3/9/4/4/14/8/8/5/1.1激光的焊接（切割）的发展及应用现状激光焊接（切割）是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。 与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：1、速度快、深度大、变形小。2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来， 在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。但是，激光焊接也存在着一定的局限性：1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。1.2 当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。1.2.1 数控技术的发展趋势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 ,他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 10m提高到 5m ,精密级加工中心则从 35m ,提 高到 11.5m并且超精密加工精度已开始进入纳米级 0.1m 。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) 、5 轴联动加工和复合加工机床快速发展采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因 ,其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面加工机床 的发展。(3) 、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。1.2.2 对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。1.2.3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考(1) 、战略考虑。我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定;其次从国防安全看 ,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。(2)、发展策略。从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。1.3 数控工作台的发展及应用前景模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。大行程精密位移技术被广泛应用于半导体加工、精密制造、光学工程等领域的实际生产中,用以提高加工精度,制造出体积更小、能耗更低、功能更强大的产品。因此,具有50mm以上行程、亚微米级以下定位精度的多自由度精密位移技术已经成为相关产业的关键技术之一。针对此要求,近年来,国内外对大行程高精度位移技术进行了大量的研究。在多自由度微位移技术的研究中存在着一个突出的矛盾:高精度和大行程的矛盾。解决这一矛盾的关键在于设计合理的机械执行装置。实现原理目前,实现大行程高精度、具有一定运行速度和负载能力的位移主要有两种方法。第一,只采用一级传动机构,同时满足大行程和高精度的要求。这种方法的优点在于只需采用一套机械系统和一套相应的控制系统。但此法最大的缺点是系统对机械装置和控制系统的要求非常高,必须采用特殊的材料、工艺以及具有精确数学模型及精确补偿模型的伺服控制系统来保证位移精度的实现。第二,采用宏/微结合的模式即采用两级传动机构,第一级机构首先完成大行程运动,第二级机构以第一级机构的行程误差作为其目标行程,执行补偿动作,通过两级机构的组合,共同完成大行程高精度的位移动作。这种模式可以有效地利用微位移机构高精度的定位能力,大大降低系统对大行程机构位移精度的要求。但应用这种模式有两个前提条件。宏/微结合精密工作台的实现模式(1)第一级机构的行程误差必须小于第二级机构(微定位平台)的最大行程,即第一级机构的误差具有可补偿性;(2)对轨迹精度有要求时,第二级机构的控制周期必须小于第一级机构的有效控制周期,即第二级机构的补偿动作具有有效性和实时性。我们研制的精密定位系统采用宏/微结合的模式。在这种模式下,第一级机构(即宏平台)不仅需要完成大行程、具有一定精度的位移,而且,宏平台也是微平台、伺服系统和测量系统等装置的安装1.4 本设计的意义及目的机电一体化系统课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力。通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；认真阅读课程设计指导书，明确题目及具体要求；认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确。2 系统总体方案设计X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，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。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。2.1 系统设计参数及要求根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：工作台宽度长度 230mm230mm工作台加工范围 250mm250mmX、Y方向的脉冲当量 0.005mmX、Y方向的定位精 0.01mmX、Y方向步进电机 55BF003Z方向步进电机 95BC340A工作台X方向最快移动速度 5400mm/min工作台Y方向最快移动速度 5400mm/min工作台外形尺寸（长宽高） 729mm729mm375mm工作台净重 350kg2.2 系统运动方式及零部件的选定系统的总体框图如图2.1所示图2.1 系统总体框图2.2.1 系统的运动方式与伺服系统由于所设计的数控工作台要求能满足各种形状的工件能够进行激光焊接（切割）和加工，而且激光喷嘴的运动受到限制，故采用连续控制系统。定位方式采用增量坐标控制。而且要求工作台的运动必须精确和平稳，考虑到要求的加工精度不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统驱动X-Y工作台。2.2.2 计算机控制系统本设计选用MCS-51系列中的8031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，运算速度快，具有很高的性能价格比。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、步进电机功率放大器等组成、系统的加工程序和控制指令通过键盘操作实现、显示器采用数码管显示监控数据及机床状态信息。2.2.3 系统工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以采用滚珠丝杠螺旋副传动机构，为提高传动机构的刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。由于系统工作台的运动部件重量不大，因此选用由预加载荷的双V形直线滚珠导轨副。采用滚动导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减少振动。考虑到本次设计所采用的步进电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到定位精度为0.01mm的要求，所以采用齿轮降速传动，并通过齿轮消隙的方式降低传动误差。2.2.4 系统其他零部件的选择考虑到生产效率以及生产的经济性，工作台采用直线滚动导轨副且其间隙可根据实际需求，按规定的间隙进行调整和预紧。而且整个工作台材料采用铸造件进行加工以及工作台上所用的标准件，如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。3 机械系统设计3.1 工作台外形尺寸及重量估算3.1.1 X方向工作台尺寸确定取X方向导轨支承钢球的中心距为180mm，Y方向导轨支承钢球的中心距为230mm，设计工作台简图如图3.1：图3.1 工作台简图托板尺寸：长宽高 666mm320mm25mm上导轨（X方向）取动导轨长度 =230mm动导轨行程 =250mm支承导轨长度 L= +=230+250=480mm保持器长度 =+/2=355mm3.1.2 Y方向工作台尺寸托板尺寸：长宽高 666mm320mm25mm下导轨（Y方向）取动导轨长度 =320动导轨行程 =250mm支承导轨长度 L=+=320+250=580保持器长度 =+/2=445mm3.1.3工作台重量估算上托板重量： (1)下托板重量： (2)X方向导轨重量： (3)Y方向导轨重量： (4)焊接工件重量暂取： 160N (5)X工作台运动部分重量：X-Y工作台运动部分总重量：3.2滚动导轨参数确定3.2.1导轨形式及尺寸确定首先根据上述系统总体方案要求，选用双V形滚珠导轨。根据系统工作台的使用情况，初选滚珠直径d=6mm，数目根据决定。上导轨：X方向导轨长度取=230mm，取=20,两滚珠之间的间距t=11.5mm下导轨Y方向导轨长度取=320mm，取，两滚珠之间的间距t=10.7mm3.2.2导轨许用负荷校核平均每个滚珠上的最大负荷: 而：式中导轨的预加负荷，按最大负荷1/2计算。激光焊接时滚珠所受的负荷只有其工件的重力，因此较小可以按最大受力情况验算，如下：X方向导轨的最大负荷：Y方向导轨的最大负荷：许用负荷查表得，考虑到制造精度，且导轨短，k可提高50%，即k取，查表得：故导轨满足设计要求。3.2.3导轨额定寿命计算直线滚动导轨副的寿命计算，是以在一定载荷下行走一定距离后，90%的支承不发生点蚀为依据。滚珠的距离额定寿命计算公式如下：其中查表得： 、=7.6 F=1.085小时额定寿命的计算：根据距离额定寿命，可通过公式：其中为移动件行程长度，单位为m，n为移动件每分钟往复次数。代入数据的：通常导轨的距离额定寿命在50KM以上就满足要求。通过以上导轨的距离额定寿命和额定小时寿命的校核，该导轨完全满足设计的要求。3.3 滚珠丝杠副的计算和选定3.3.1最大工作载荷的计算最大工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，由于本次设计的工作台主要适用于激光焊接（切割）加工，所以其工作台主要承受工件的重力作用，且导轨形式为矩形导轨，则计算公式如下：其中、分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N）；为移动部件的重力；和分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦因数。对于本次的丝杠传动系统，计算如下；由于是滑动导轨则有3.3.2最大动载荷的计算最大动载荷的计算公式如下：式中的为滚珠丝杠副的寿命，单位为，其中T=15000h，n为丝杠每分钟转数代入数据计算如下：初选滚珠丝杠副的规格时，应使其额定动载荷。同时由于滚珠丝杠副在静态低速长时间承受工作载荷，应使额定静载荷。根据以上条件初选滚珠丝杠的规格代号为CM25045系列，其额定动载荷为10140N足够用.滚珠循环方式为内循环螺旋槽式。表3.1 滚珠丝杠螺母副的几何参数名称计算公式结果公称直径25mm螺距4mm接触角钢球直径2.381mm螺纹滚道法向半径1.23812mm偏心距0.03367mm螺纹升角螺杆外径24.5mm螺杆内径22.1mm螺杆接触直径23.32mm螺母螺纹外径27.4089mm螺母内径（外循环）25.4762mm3.3.3 滚珠丝杆副的预紧方式为了消除间隙和提高滚珠丝杆副的刚度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，常用的预紧方式有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧等。预紧后的刚度可提高到无预紧时的2倍。但是，预紧载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大，通常，滚珠丝杆在出厂时，就已经由制造商调好预加载荷，并且预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷有一定的比例关系。双螺母垫片式预紧：调整方法：调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。特点：结构见到，装卸方便，刚度高；但调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧，适用于高刚度重载传动。双螺母螺纹式预紧：调整方法：调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。结构紧凑，工作可靠，调整方便，但准确性差，且易于松动，适用于刚度要求不高或随时调节预紧的传动。双螺母齿差式预紧：调整方法：两边的下螺母的凸缘上有外齿，分别与紧固的螺母座4的内齿圈，两个螺母向相同方向旋转，每转过一个齿，调整轴向位移。能够精确地调整预紧力，但结构尺寸较大，装配调整比较复杂，适宜用于高度精度的传动结构。3.3.3传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。3.3.4丝杠变形量及刚度验算(1)丝杠的变形量主要指丝杠在运动时所受的拉伸和压缩变形量，其在变形量中占的比重较大，并按以下公式计算：其中a为丝杠两端支承之间的距离，单位mm；E为丝杠材料的弹性模量钢的E=MPa，S为丝杠底径确定的截面惯性矩（），单位为，而公式中的第二项由于转矩较小，故可忽略不计。所以计算如下：(2)滚珠与螺纹滚道间的接触变形量，且在有预紧的情况下，计算公式如下:式中滚珠直径，单位mm，滚珠总数量， 预紧力所以丝杠的总变形量为：滚珠丝杠的刚度一般要求其总变形量小于定位精度的一半既满足要求，通过以上验算，此丝杠刚度符合要求。3.4齿轮计算、设计3.4.1 丝杠传动比的确定因步进电机步距角滚珠丝杠螺距t=4mm,要实现脉冲当量,在传动系统中应加一对齿轮降速传动.齿轮传动比：，初选步进电机步距角：= 1.5/step。考虑到传动比为3.3，比较大，影响传动精度，故本次传动采用两级传动。为便于计算取传动比。3.4.2 传动齿轮参数确定（1）一级传动齿轮参数确定：取小齿轮齿数 则大齿轮齿数因传递的扭距较小,取模数m=1mm则:分度圆直径: 齿顶圆直径: 齿根圆直径: 齿宽: 取 中心距: 分度圆压力角: 大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮.（2）由于二级与一级传动比相同，我们采用同样的齿轮参数设计，故此处省略其计算过程。3.4.3 齿轮传动消隙齿轮传动的间隙也叫侧隙，它是指一个齿轮固定不动，另一个齿轮能够作出的最大角位移。传动间隙是不可避免的，其产生的这样原因有：由于制造及装配误差所产生的间隙，为使用热膨胀而特意留出的间隙。为了提高定位精度和工作的平稳性，要尽可能减小传动间隙。除了提高制造和装配精度外，消隙的主要途径有：设计可调传动间隙的机构；设置弹性补偿元件。在这设计里我采用双片直齿轮错齿调整法来消除间隙。如图3.2：1、2-薄齿轮, 3弹簧, 4、8凸耳, 5调节螺钉, 6、7螺母图3.2 双片齿轮错齿消隙结构图3.5步进电机惯性负载的计算3.5.1步进电机转动轴上的总转动惯量的计算总传动惯量主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与滚珠丝杠以及移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量。由于本设计采用的是二级传动，则有等效转动惯量的计算如下：折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：式中：分别为为齿轮的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有：电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：3.6步进电机的选用3.6.1步进电机转动轴上的等效负载转矩的计算步进电机转动轴上的等效负载转矩在不同工况下是不同的。本设计主要计算快速空载起动（工作负载为0）和承受最大工作负载两种情况。（1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：为快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，计算公式如下：式中为电动机转轴的角速度，单位，电动机的转速，单位r/min；为电动机加速所用时间，单位s，一般取0.31之间，此处取0.5s。代入数据计算如下：为移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：有公式如下：式中为导轨的摩擦力，单位为N；计算公式。为传动效率，一般区0.8，带入数据计算如下：为滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，且由于滚珠丝杠副的传动效率很高，的值与和比起来，很小，此处忽略不计。所以有：（2）最大工作负载下电动机转轴所承受的负载转矩：、在第一的设计中已经计算过，仅用算以，其公式为代入数据计算如下：3.6.2步进电机的初选和参数校核选择步进电机最重要的参数是最大静转矩要满足使用要求，同时考虑安全系数K，对于开环控制，一般选0.54之间，此处取2且步进电机的最大静转矩的选取应符合所以初选步进电机型号为：55BF003其最大静转矩,符合设计要求。表3.2 步进电机参数表型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩 (N.m)空载起动频率空载运行频率分配方式55BF00331.5/32730.6661800180003相8拍外形尺寸(mm)重量(kg)转子转动惯量()外直径长度轴直径559064.50.060步进电机性能校核包括最快工作进给速度时电动机输出转矩校核、最快空载移动时电动机输出转矩校核和起动频率的校核等。最快工作进给速度时电动机输出转矩校核如下： 符合设计要求，同时查表得：，符合设计要求。起动频率的校核：符合设计要求。4 控制系统的设计4.1 控制系统总体方案的拟订机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。控制系统的控制对象主要包括各种机床，如车床、铣床、，磨床等等。控制系统的基本组成如图4.1所示：图4.1控制系统总体方案4.2 总控制系统硬件电路设计4.2.1 MCS-51系列单片机的设计MCS-51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存储器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源（程序存储器、数据存储器、I/O、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，8031可寻址64KB字节程序存储器和64KB字节数据存储器。内部没有程序存储器，必须外接EPROM程序存储器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分为三个部分。a.电源及时钟引脚此部分引脚包括电源引脚。电源引脚接入单片机的工作电源。（40脚）：接+5V电源。（20脚）：接地。时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。（19）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。（18）：接外部晶体的另一端，。在单片机内部接至反相放大器的输出端。若采用外部晶体振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。b.控制引脚它包括RST、 ALE 、等。此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。RST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。复位后应使此引脚电平为的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。当下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内时，VPD就向内部RAM提供备用能源。ALE/（30脚）：当单片机访问外部存贮器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存贮器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。（29脚）：此输出为单片机内访问外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号不出现。同样可以驱动8个TTL负载。（31脚）：当端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存储器，但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存储器。对8031来说，因其无内部程序存储器。所以该引脚必须接地，既此时只能访问外部程序存储器。c.输入/输出引脚输入/输出（I/O）接口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口（P0.0-P0.7）：为双向8为三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。P1（P1.0-P1.7）：为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入口时，锁存器必须置1），可驱动4个TTL负载。P2（P2.0-P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总线的高8位使用。P3（P3.0-P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。4.2.2 MCS-51单片机的时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，MCS-51片内有一个反相放大器，引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端，该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，产生的时钟送至单片机内部的各个部件。单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种，大多单片机应用系统采用内部时钟方式。最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路，不论是HMOS还是CHMOS型单片机，其并联谐振回路及参数相同。如图4.2所示。MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHZ-24MHZ之间可以选择，一般取11.0592MHZ。电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1、C2可在20PF-100PF之间选择，一般当外接晶体时典型取值为30PF，外接陶瓷谐振器时典型取值为47PF，取60PF-70PF时振荡器有较高的频率稳定性。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电容应尽量靠近单片机引脚安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。图4.2时钟电路4.2.3 MCS-51单片机的复位电路计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，单片机的复位都是靠外部电路实现的，MCS-51单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现两个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51便保持复位状态。此时ALE，P0口、P1口、P2口和P3口都输出高电平。RST变位低电平后，退出复位状态，CPU从初始状态开始工作。复位操作不影响片内RAM的内容。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。通常因为系统运动等的需要，常常需要人工按钮复位，如图4.3所示：图4.3 复位电路对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉低电阻，故电阻R2可不接。单片机在上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持两个机器周期上的高电平（因为振荡器从起振到稳定大约要10ms），就能使单片机有效复位，当晶体振荡频率为12MHZ时，RC的典型值为。简单复位电路中，干扰信号易串入复位端，可能会引起内部某些寄存错误复位，这时可在RST引脚上接一去耦电容。上图那上电按钮复位电路只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。4.3 系统的扩展在以8031单片机为核心的控制系统中必须扩展 程序存储器，用以存放控制程序。同时，单片机内部的存储器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存储器。这种扩展就是配置外部存储器（包括程序存储器和数据存储器）。另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接。但当外围设备较多时，仅有几个内部I/O接口是不够的，因此，单片机还需要扩展输入输出接口芯片。4.3.1 程序存贮器的扩展MCS-51系列单片机的程序存贮器空间和数据存贮器空间是相互独立的。程序存储器寻址空间为64KB（0000H-0FFFH），8031片内不带ROM，所以要进行程序存贮器的扩展。用作程序存贮器的常用的器件是EPROM。由于MCS-51单片机的P0口是分别复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存贮器扩展时，必须用地址锁存器锁存地址信号。通信地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存器G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。根据应用系统对程序存贮器容量要求的不同，常采用的扩展芯片扩展EPROM2716（2KB8）、2732A（4KB8）、2764A（8KB8）、27128A（16KB8）、27256A（32KB8）和27512（64KB8）等。以上6种EPROM均为单一+5V电源供电，维持电流为35mA40mA，工作电流为75 mA-100 mA，读出时间最大为250ns，均有双列直插式封装形式，A0-A15是地址线，不同的芯片可扩展的存贮容量的大小不同，因而提供8位地址的P2口线的数量个不相同，故2716为A0-A10，27512为A0-A15；D0-D7是数据线；CE是片选线，低电平有效；CE是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源，PCM是编程脉冲输入端。根据程序存贮器扩展的原理，以EPROM和锁存器74L373为例对8031单片机进行程序存贮器的扩展。因为2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址线，A0-A12。如果只扩展一片程序存贮器EPROM，故可将片选端CE直接接地。下图为扩展两片EPROM的连接方法。同时，8031运行所需的程序指令来自2764A，要把其EA端接地，否则，8031将不会运行。图 4.4 2764的扩展电路3.3.2 数据存贮器的扩展8031单片机内部有128个字节RAM存贮器。CPU对内部的RAM具有丰富的操作指令。但在用于数据采集和处理时，仅靠片内提供的128个字节的数据存贮器是远远不够的。在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存贮器。数据存贮器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存贮器与程序存贮器可完全重叠，均为0000H-FFFFH，但数据存贮器与I/O口与外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/O口以及外围设备均占用数据存贮器地址。8031的P0口为RAM的复用地址/数据线，P2口用于对RAM进行页面寻址（根据其容量不同，所占的P2端口不同，在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。在8031单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存贮器的设计无须考虑刷新问题，因而它与微处理器的接口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116（2KB8）和6264（4KB8）。单一+5V供电，额定功耗分别为160mW和200mW，典型存取时间均为200ns，均有双列之插式封装，管脚分别为24和20线。下图是6264与8031的连接图。从图可知：6264的片选接8031的P2.7，第二片选线接高电平，保持一直有效状态。因为6264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址线。6264的地址范围为0000H-7FFF。对于一个完整的应用系统，必须具备一定容量的程序存贮器和一定容量的数据存贮器。8031单片机外部扩展两片2764EPROM和两片6264静态RAM。程序存贮器2764的地址为：0000H-1FFFH。数据存贮器6264的地址为0000H-7FFFH。图4.5 6264的扩展电路4.3.3 I/O的扩展MCS-51系列单片机大多具有四个8位I/O口（即P0口、P1口、P2口和P3口）， 原理上这四个I/O口均可用作双向并行I/O接口。但在实际应用中，P0口常被用作为数据总线和低8位地址总线使用，P2口常被用作为高8位地址总线使用，P3口某些位又常用它的第二功能，特别是无ROM型的单片机因必须扩展外部程序存贮器，则更是如此。所以，若一个MCS-51应用系统需连接较多的并行输入/输出的外围设备（如打印机、键盘、显示器等），单片机本身所提供的输入输出口不能满足，就不可避免地要扩展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口扩展方法主要有四种：采用可编程的并行接口电路，如8255A；采用可编程的RAM/IO扩展器，如8155；采用TTL或CMOS电路的三态门、锁存器，如74LS377、74LS373、74LS244；利用MCS-51的并行扩展并行I/O接口。a.8255A可编程外围并行I/O接口8255A可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。在单片机的I/O口扩展8255芯片，其接口相当简单，如图4.6所示: 图4.6 8255的扩展电路图图中8255的分别与MCS-51的相连；8255的D0-D7直接MCS-51的P0口。片选信号CS口及地址选择线A0、A1分别由8031的P0.0、P0.1、P0.2经地址锁存器后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的复位端与8031的复位端相连，都接到8031的复位电路上。在实际的应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写入操作口。8522接口芯片在MCS-51单片机应用系统中广泛用于连接外部设备，如打印机、键盘，显示器以及作为控制信息的输入、输出口。b.8155可编程外围并行I/O接口8155/8156芯片内包含有256个字节RAM，2个8位和一个6位的可编程并行I/O口，一个14位定时器/计数器。8155/8156可直接与MCS-51单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后，就综合地扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器。因而是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。在8155的控制逻辑部件中，设置一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155的工作方式由CPU写入控制命令寄存器中的控制字来确定。控制命令寄存器只能写入不能读出，8位控制命令寄存器的低4位用来设置A口、B口、C口的工作方式。第4、5位用来确定A口、B口以选通输入输出方式工作时是否允许中断请求。第6、7位用来设置定时器/计数器的操作。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通方式，C口可作为输入输出口线，也可作为A口、B口选通方式工作的状态控制信号。其工作情况与8255方式0、方式1时大致相同，控制信号的含义也基本相同。另外，在8155中还设有一个状态标志、寄存器，用来存放A口和B口的状态标志。状态标志寄存器的地址与命令寄存器的地址相同，CPU只能读出，不能写入。8155中还设有一个14位的定时器/计数器，可用来定时或对外事件计数，CPU可通过程序选择计数长度和计数方式。计数长度和计数方式由输入计数寄存器的计数控制字来确定。MCS-51单片机可以和8155直接相连而不用任何外加逻辑, MCS-51单片机扩展一片8155可以为系统增加256字节外RAM,22根I/O接口及一个14位定时器.下图为8155与8031的一种接口逻辑,图中P2.7连片选信号CE,P2.0连IO/M,所以8155的RAM的地址为7E00H-7EFFH;I/O寄存器地址分别为:命令/状态字寄存器地址7F00H,PA口地址为7F02H,PB口地址为7F03H,定时器/计数器低字节寄存器地址为7F04H,定时器高字节寄存器地址为7F05H.图4.7 8155的扩展电路图4.4 键盘、显示器接口设计4.4.1 矩阵式键盘接口设计矩阵式键盘适用于按键较多的场合,它由行线和列线组成,按键位于行、列交叉点.如一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘等等.在按键数量较多时,矩阵键盘比独立键盘节省了很多I/O口.按键设置在行、列线分别连接到按键开关两端.行线通过上拉电阻接到+5V上.平时无按键动作时,行线处于高电平状态,而当有按键按下时,行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定.列线电平如果为低,则行线电平为低;列线电平为高,则行线电平亦为高.这一点是识别矩阵键盘是否按下的关键所在.由于矩阵键盘中行、列线为多键共用,各按键均影响该键所在的行和列电平.所以,必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理,才能确定闭合键的位置.对于矩阵式键盘,按键的位置由行号和列号唯一确定,所以分别对行号和列号进行二进制编码,然后将两值合成一个字节,高4位是行号,低4位是列号将是非常直观的.4.4.2显示器接口设计在单片机系统中,常用的显示器有:发光二极管显示器,简称LED.LED是显示块由发光二极管显示字段组成.,有七段和”米”字型之分,一片显示块显示一位字符.共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起,通常此公共阴极接地,当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管亮,相应的段被显示.由于七段LED显示块有7段发光二极管,所以其字型码为一个字节;”米”字型LED 显示块有15段发光二极管,所以字型码为两个字节.由n片LED显示块可拼接成n位LED显示器,共有n根位选线和8n根段选线,根据显示方式不同,位选线和段选线的连接也各不相同,段选线控制显示字符的字型,而位选线则控制显示位的亮、暗.LED显示器有静态显示器和动态显示器两种方式.在多位LED显示时,为了节省I/O口线,简化电路,降低成本,一般采用动态显示方式.动态显示方式是一位地分别轮流点亮各位显示器,对每位显示器来说,每隔一段时间轮流点亮一次.显示器的亮度既与导通电流有关,也与点亮和熄灭时间的比例有关.这种显示方式将七段LED显示器的所有段选位并联在一起,由一个8位I/O口控制,实现各位显示器的分时选通.下图是LED显示器采用共阴极方式,6个显示器的段码由8155的PB口提供,位选码由8155的PA口提供(PA口同时也提供行列式未编码键盘的列线),行列式未编码键盘的行线由PC口提供.图中设置了36个键.如果继续增加PC口线,设全部PC口线(PC0-PC5)用作键盘的行线,全部PA口线(PA0-PA7)作键盘列线,则按键最多可达86个.下图中8155的PB口扫描输出总是只有一位为高电平,即PB口经反相后仅有一位公共阴极为低电平,8155的PA口则输出相应位(PB口输出为高对应的位显示器)的显示数据,使该位显示与显示缓冲器相对应的字符,而其余各位均为熄灭,依次改变8155的PB口输出为高的位,PB口输出对应的显示缓冲器的数据.图4.8 显示器接口电路4.5 步进电机控制电路设计4.5.1步进电机开环驱动原理每输入一个脉冲,步进电机就前进一步,因此,它也称作脉冲电动机.其种类很多,但主要分三大类:反应式步进电动机,永磁式步进电机,以及永磁感应式步进电机.反应式电动机结构最简单,是应用最广泛的一种.按控制绕组的相树分有三相、四相、五相和六相等等.无论哪种步进电动机,他们的工作原理都有相同之处:数字式脉冲信号控制定子磁极上的控制绕组,按一定顺序依次通电,在顶子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转.步进电动机主要用于开环系统,当然也可以闭环系统.下图是步进电动机开环伺服系统的原理图,它由以下几部分组成:图4.9 步进电机开环伺服系统原理图脉冲信号源是一个脉冲发生器,通常脉冲频率连续可调,送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制.因脉冲频率可调,也称为变频信号源.脉冲分配器脉冲 按一定的顺序送到功率放大器中进行放大,驱动步进电动机工作.用硬件进行脉冲顺序的分配,有时称为环行分配器,也简称环分.功率放大器将脉冲分配器送来的脉冲放大,是步进电动机获得必要的功率.步进电动机伺服系统的执行元件,它带动工作机构,如减速装置,丝杠,工作台.4.5.2 步进电机脉冲分配对每一个三相步进电动机而言,其脉冲分配方式是三相六拍的,其三相分别用A、B、C表示.三相六拍的运行形式是AABBBCCCAADEEEA顺序轮流通电,则转子便顺时针方向一步一步转动.要改变步进电动机的转动方向.只需改变通电的顺序即可.脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相,该分配可由硬件来实现.在微机控制中,脉冲的分配也可由软件来完成,P1.0,P1.1,P1.2三位分别输出时序脉冲,经光电隔离、驱动放大使步进电机运转,延时的长短决定了步进电动机运行一拍的时间,也就决定了步进电机的转速.4.5.3 步进电机驱动电路由微机根据控制要求发出的脉冲,并依次将脉冲分配到各相绕组,因其功率很小,电压不足5V,电流为mA级,必须经过驱动器将信号放大到若干安培,才能驱动步进电动机.因此,步进电动机实际上是一个功率放大器,驱动器的质量直接影响步进电动机的性能,驱动器的负载是电机的绕组,是强电感应负载.对驱动器的主要要求是:失真要小,要有较好的前后沿和足够的幅度;效率要高;工作可靠;安装调试和维修方便.下图是一个La绕组的高低压驱动电路,脉冲变压器Tp组成高压控制电路图4.10 放大电路图无脉冲输入时,T1,T2,均截止,电机绕组La中无电流通过,电机不转.有脉冲输入时,T1饱和导通,在T2由截止到饱和期间,其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加,在变压器次级感应一个电压,使T3导通,80V高压经高压管T3加到绕组La上,使电流迅速上升,约经数百微妙,当T2进入稳压状态后,初级电流暂时恒定,次级的感应电压降到0;T3截止,这时12V低压电流经D2加到绕组La上,维持La中的电流为恒定值.输入脉冲结束后,T1,T2,T3,T4又截止,