机械工程及自动化毕业设计论文-基于单片机控制的数控x-y工作台系统设计--总体部分

机械工程及自动化毕业设计论文-基于单片机控制的数控x-y工作台系统设计--总体部分内容摘要：

[1]可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为： (327)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31 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，完全满足设计要求。 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α＝176。 ，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/α＝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ZLKA12005VO10H：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120个A/B脉冲，信号为电压输出[1]。 绘制进给传动系统示意图图32 进给传动系统示意图 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 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，XY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。 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、PPP3； 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“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(5177。 )V； 振荡器最高频率为24 MHz； 编程频率3~24 MHz，编程电流1 mA，编程电压Vpp为5 V或12 V。 ，[2]。 图41[2] 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：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器[2]。 本次设计不作扩展，使用单片机自身提供的8KB FLASH程序存储器和256字节数据存储器RAM能够满足设计要求。 AT89C52单片机内部集成了4个可编程的并行I/O接口(P0~P3)，每个接口电路都具有锁存器和驱动器，输入接口电路具有三态门控制[3] 李全利，迟荣强．单片机原理及接口技术[M]．北京：高等教育出版社，2004，第30页．。 P0~P3口同RAM统一编制，可以当作特殊功能寄存器SFR来寻址。 AT89C52单片机可以利用其I/O接口直接与外围电路相连，本设计将会使用可编程并行接口芯片8255A作为CPU的I/O口的扩展，P0~P3口在开机或复位时均呈高电平。 图41 AT89C52单片机原理结构图AT89C52单片机内部集成有定时器/计数器、串行通信控制器、外部中断控制器等特殊功能部件，从而使AT89C52单片机具有定时/技术功能、全双工串行通信功能、实现对外部事件实时响应的中断处理功能[2] 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19，4页．。 AT89C52单片机的引脚功能AT89C52单片机的引脚图如图42[2]，下面我详细介绍AT89C52单片机的引脚功能；图42 PDIP封装形式的AT89C52单片机引脚排列 VCC：电源电压 GND：接地 P0口：P0口为三态双向口，负载能力为8个LSTTL门电路；其除可以作为通用的8位I/O口（P0口用作输出口时，因输出端处于开漏状态，必须外接上拉电阻）外，当进行外部存储器的扩展时，还可以将其作为分时复用的低8位地址/数据总线，此时P0口是一个标准的双向口。 P1口：P1口为准双向口（用作输入时，3个P口的引脚被拉成高电平，故称为准双向口），负载能力为4个LSTTL门电路；P1口可作为通用的I/O端口，它接有内部的上拉电阻，在进行硬件连线时，可以不外接上拉电阻；当从端口读入数据时，应先向端口写入1，再读数据。 由于AT89C52单片机不具备在线编程功能，~。 具体功能如表41[2] 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8889页．所列。 P2口：P2口可以作为一般的通用I/O口，其工作方式与P0口类似，负载能力为4个LSTTL门电路；当作为通用的I/O口使用时，读引脚状态下需要向端口写1，也属于准双向口；其输出驱动电路与P0口不同，内部已经设有上拉电阻，因此不需要外接上啦电阻；当需要在单片机外部进行扩展时，P2口也可以作为高8位地址总线，与P0口的低8位地址总线一起形成16位I/O地址。 表41 AT89C52单片机P1口引脚的第二功能口线第二功能信号名称T2定时器/计数器2的外部计数输入或时钟输出T2EX定时器/计数器2的捕捉/重载触发信号和方向控制 P3口：P3口是AT89C52单片机使用最灵活、功能最多的一个并行端口，不仅具有通用的输入输出功能，而且具有多种用途的第二功能。 使用P3口时多数是将8跟I/O线单独使用，既可将其设置为第二功能，也可设置为第一功能。 当工作于通用的I/O功能时，单片机会自动将第二功能输出线置1。 与其他的I/O口一样，在向端口写数据时，锁存器的状态与输出引脚的状态一致；当读端口的状态时，则需先向端口写1，再将数据读入内部数据总线，因此是准双向口。 P3口工作于第二功能时，此时，P3口的各引脚功能如表42[2]所列。 表42 AT89C52 单片机P3口引脚的第二功能口线第二功能信号名称RXD串行数据接收TXD串行数据发送1外部中断0请求信号输入2外部中断1请求信号输入T0定时器/计数器0计数输入T1定时器/计数器1计数输入3外部RAM写选通4外部RAM读选通 RST：复位输入。 当振荡器工作时，RST引脚出项两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。 一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。 要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。 对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。 ：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。 在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次信号。 /VPP：外部访问允许控制口。 欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），端必须保持低电平（接地）。 需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存端状态。 如端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。 本次设计因为接高电平。 XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 AT89C52单片机复位电路本次为AT89C52设计的复位电路如图43[3] 李全利，迟荣强．单片机原理及接口技术[M]．北京：高等教育出版社，2004，第23，20页．所示，选择的是上电手动复位，应用时除了单片机本身复位外，也是外部扩展接口电路的复位电路，这样能够实现同步的复位信号。 图43 AT89C52单片机上电手动复位 AT89C52单片机振荡电路在AT89C52芯片内部，有一个振荡器电路和时钟发生器，引脚XTAL1和XTAL2之间接入晶体振荡器和电容后构成内部时钟方式，本次设计的振荡电路如图44[3]所示。 图44 AT89C52单片机振荡电路 控制系统的电源设计与选择 控制系统的电源硬件原理图本系统设计的控制系统的电源硬件原理图如图45所示：图45 控制系统的电源硬件原理图 隔离电源的选择隔离电源的获得可有几种途径。 一种途径是采用不同的电源供电，另一种途径是试用具有直流隔离功能的的DC/DC变换器[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112页．。 此次设计，我选择采用如图46所示的具有无直接关联的二次侧输出电压，然后对其输出VV2分别进行整流、滤波、稳压等处理，即可获得不共地的直流稳压电源。 图46 变压器输出隔离电源 控制系统的电源设计类型选择此次设计我选用的是微机控制系统，微机控制系统使用的是直流电源，AT89C52单片机芯片及其扩展芯片需要提供稳定的+5V直流电源，控制系统由于在开关信号输入电路中应用了TLP5211光耦合器，因此也要给TLP5211光耦合器的输入端提供独立的+12V供电电源；为此我通过参考已有书籍和文献资料选用了两套电源设计方案。 我所选择的控制系统的电源均采用的是串联型稳压电源，它使用的是连续线性控制方式，具有稳定度高、可靠性好、成本较低的优点，非常适合应用在像本控制系统在内的低电压、小电流的场合，主要负责给控制系统的主机电路供电；其电路的主要结构如图47[4] 李燕民．电路和电子技术（下）[M]．北京：北京理工大学出版社，2004，第142页．所示。 整 流变 压滤 波变 压稳 压负 载交流电图47 交流电变为直流电的过程示意图 AT89C52及其扩展芯片电源设计整流：采用如图48[1]所示的使用桥式整流器KBPC108搭建的桥式整流电路，从其命名中我们就能知道其正向电流为1A，耐压值（最高方向电压）800V，通过桥式整流，将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电。 滤波：由于整流过后输出的直流电压脉动较大，而我所设计的微机控制系统需要稳定的直流电源；因此在整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。 滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的，此次设计采用的是电容滤波电路，既在整流电路的输出端并联一只大容量的电容如图45所示。 稳压：电压的稳定在此采用了MC7805三端固定电压稳压器（主要参数见表43[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107页．电路符号见图49[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107页．），而为了能获得+5V的稳定电压需要扩展输出电流，因此电源电路设计选择了并联两片MC7805三端固定电压稳压器，其硬件电路图见图45所示。 图48 桥式整流电路表43 MC7805三端固定正电压稳压器主要参数参数名称符号单位7805输出电压VoV5(1177。 5%)输入电压V10电压调整率（最大值）mV50电流调整率（最大值）mA80纹波抑制比（典型值）dB68静态工作电流mA6输出电压温漂系数（典型值）mV /℃输出噪声电压（典型值）40最小输入电压V最大输入电压V35最大输出电流A。