机电系统设计.docx
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机电系统设计
课程设计
设计题目：
ZK5125C型立式数控钻床工作台设计
课程名称：
机电系统设计
学院：
机械工程专业：
机械设计制造及其自动化
姓名：
学号：
年级：
2013任课教师：
2016年12月10日
贵州大学本科课程设计
诚信责任书
本人郑重声明：
本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。
课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
特此声明。
论文（设计）作者签名：
日期：
计划进程:
序号
计划时间
进程
1
12.5～12.6
课题调研及资料收集，研究问题及提出初步总体方案
2
12.7
总体方案论证及确定
3
12.8～12.13
电气部分方案论证确定及设计
4
12.14～12.15
撰写论文及绘制相关图纸
5
12.16
上交设计成果，答辩
主要参考文献:
[1]张建民.机电一体化系统设计[M].北京理工大学出版社，2013.1
[2]韩建海.数控技术及装备（第三版）[M].华中科技大学出版社，2016.5
[3]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，2010.6
[4]王金娥.机电一体化课程设计指导书[M].北京：
北京大学出版社，2012.1
[5]成大先.机械设计手册（第六版）[M].北京：
化学工业出版社，2016.4
[6]坂本正文（日）.步进电机应用技术[M].北京：
科学出版社，2010.6
[7]刘刚.单片机原理及其接口技术[M].北京科学出版社，2015.7
[8]段正澄会.光机电一体化技术手册[M].北京：
机械工业出版社，2010.6
[9]龚仲华.数控机床电气设计典例[M].北京：
机械工业出版社，2014.7
[10]文怀兴.夏田.数控机床系统设计（第二版）[M].北京：
化学工业出版社，2011.9
[11]孙莹.数控机床伺服驱动系统的设计与应用[M].北京：
西南交通大学出版社,2014.4
ZK5125C型立式数控钻床工作台设计
数据说明
参数指标
单位
量纲
数控钻床型号
ZK
5125A
ZK
5125B
ZK
5125C
ZK
5140A
ZK
5140B
ZK
5140C
ZK
5150A
ZK
5150B
ZK
5150C
加速时间T
S
0.5
0.8
1.0
X向坐标行程
mm
500
550
600
700
800
900
900
950
1000
Y向坐标行程
350
400
350
400
350
400
500
450
500
工作台面（X×Y）
mm2
550×
300
600×
350
650×
300
750×
350
850×
300
950×
350
950×
450
1000×
400
1100×
450
工作台面以上承重
Kg
500
600
800
工作台快进速度
mm/min
2000
2500
3000
脉冲当量
mm/pulse
0.01
0.02
0.03
定位精度
mm
0.03
0.04
0.05
重复定位精度
mm
0.02
0.03
0.04
最大钻孔直径
mm
25
40
50
每转进给量（钻削）
mm/r
0.25
0.32
0.4
钻孔刀具
麻花钻头
钻削加工材料
钢σb=650Mpa
步进电机步距角
自定
导轨类型
自定
滚珠丝杠螺距
自定
控制系统类型
自定
设备使用寿命
12年；年均工作300天；每天10小时
目录
摘要7
第一章电气控制部分总方案设计7
第二章硬件系统设计7
2.1单片机的选型………………9
2.2显示电路的设计………………10
2.3键盘输入电路设计………………11
2.4稳压电路设计13
2.5位移监测模块设计14
2.6限位反馈实现16
2.7抗干扰设计17
第三章软件系统设计17
3.1单片机内部分配17
3.2系统程序流程图17
3.3X,Y方向位置监测流程图20
第四章电机驱动器的连接22
4.1步进电机驱动器的选择23
4.2步进电机驱动器的接线23
第五章电气控制部分设计总图24
5.1电气部分设计图24
第六章总结25
第七章参考文献26
摘要
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。
本次设计从硬件设计和软件设计两方面介绍了Atmega128单片机为核心来控制X-Y工作台电气系统的设计，系统主要包括测量传感器模块、键盘电路模块、液晶显示器接口电路模块、步进电机驱动模块、单片机复位电路等几部分。
在本控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能。
关键词:
单片机X-Y工作台步进电机
第一章电气控制部分总方案
单片机控制系统区别于通用微机控制系统的最大特点，就是它只包含通用系统的部分功能，一般以够用为准，系统具有造价低，安装使用方便，体积小等特点。
单片机控制系统通常由CPU、RAM、ROM、定时/计数器、模拟量输入/输出接口、数字量输入/输出接口、键盘/显示接口以及通信接口等部分组成。
如图1所示为单片机控制系统总图。
图1单片机控制系统图
根据对X-Y数控系统平台的分析，设计了一款以ATMEGA128A单片机作为主控芯片的控制系统，系统主要包括测量传感器模块、键盘电路模块、液晶显示器接口电路模块、步进电机驱动模块、单片机复位电路，晶振电路等几部分。
如图1.2所示为系统控制图。
图1.2Atmega128系统控制图
第二章硬件系统设计
2.1单片机的选型
ATmega128A是ATMEL公司的8位系列单片机的较高配置的一款单片机，稳定性极高，被广泛的应用在了汽车电车管理、门禁系统、遥控器、智能家居、以及计量电表等领域。
Atmega128A是AVR8位微处理器芯片，采用先进的RISC结构，采用AVR内核，拥有16MHz工作频率，工作电压为2.7-5.5V。
53个可编程I/O口。
本次选用的atmega128是AVR系列单片机中高性能、低功耗的AVR8位微处理器。
它具有2个8位的定时/计时器，2个8位的PWM通道。
如图2.1所示为Atmega128引脚图。
图2.1Atmega128引脚图
2.1.1atmega128的最小单片机系统
如图2.1.1所示，这是atmega128的最小系统图
2.2显示电路的设计
由于在数控机床的加工过程中，操作人员必须要通过液晶显示来观察工件的加工情况以及数控机床的信息采集，必须采用液晶显示屏进行观察，方便工作人员做出正确的判断。
本次选用的是LCD-12864.如图2.2所示为LCD-12864的显示图
图2.2所示为LCD-12864的显示图
2.2.1液晶显示屏的优点
液晶显示器显示原理与CRT显示器迥然不同。
相对CRT显示器来说，液晶显示器天生有拥有以下绝对优势：
1、零辐射，低耗能，散热小。
液晶显示器的显示原理是通过扭转液晶像素
中的液晶分子偏转角度来背景光而实现还原画面的，其不存在象CRT那样内部具有超高压元器件，不至于出现由于高压导致的x射线超标。
2、纤薄轻巧。
正是液晶显示器的出现，才令手提电脑的发明成为可能。
液
晶显示器以其纤薄轻巧的天生优势成为最有可能打破CRT显示器垄断地位的显
示器件。
3、精确还原图像。
液晶显示器采用的是直接数码寻址的显示方式，它能够
将显卡输出的视频信号经过AD转换之后，根据信号电平中的"地址"信号，直接
将视频信号一一对应的在屏幕上的液晶像素上显示出来。
4、显示字符锐利。
画面稳定不闪烁。
液晶显示独特的显示原理决定了其屏
幕上各个像素发光均匀，而且红绿蓝三基色像素紧密排列，视频信号直接送到像
素背后的以驱动像素发光，因此不会出现传统的CRT显示器固有的会聚以及聚焦不良的弊病。
2.2.2LCD-12864的特点
LCD——12864有汉字图形点阵液晶显示模块，可现实汉字及其图形，内置
8192个中文汉字（16x16点阵）。
显示内容：
128列X64行；
显示颜色：
蓝绿屏，蓝屏；
与MCU接口：
8位并口或串行。
2.2.3LCD-12864的工作原理
在数字电路中，所有的数据都是以0和1保存的，对LCD控制器进行不同的数据操作，可以得到不同的结果。
对于显示英文操作，由于英文字母种类很少，只需要8位（一字节）即可。
而对于中文，常用却有6000以上，于是我们的DOS前辈想了一个办法，就是将ASCII表的高128个很少用到的数值以两个为一组来表示汉字，即汉字的内码。
而剩下的低128位则留给英文字符使用，即英文的内码。
得到了汉字的内码后，还仅是一组数字，这就涉及到文字的字模，字模虽然也是一组数字，但它的意义却与数字的意义有了根本的变化，它是用数字的各位信息来记载英文或汉字的形状，如英文的'A'在字模的记载方式如图2.23所示：
2.2.4LCD-12864的接口说明
图2.24LCD-12864液晶的接口
12864是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。
可完成图形显示，也可以显示8×4个（16×16点阵）汉字。
如图2.25为LCD12864的引脚说明图
图2.25为LCD12864的引脚说明图
图2.26LCD12864的电气原理图
如图2.26所示为LCD的程序流程图，该LCD初始化后，经过延时，然后先打开左半屏，等待左半屏显示完整后，再开始打开右半屏，进行右半屏显示。
图2.26所示为LCD的程序流程图
2.3键盘输入电路设计
键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。
键盘分两大类：
编码键盘和非编码键盘。
在我们的XY工作台的设计中必须要进行键盘的选择和键盘输入电路的设计。
2.3.1单片机键盘的分类及优缺点
（一）独立式按键接口设计
独立式按键就是各按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的工作状态。
因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。
优点：
电路配置灵活，软件结构简单。
缺点：
每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。
因此，此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合。
也可以用扩展I/O口搭接独立式按键接口电路，可采用8255扩展I/O口，用三态缓冲器扩展。
这两种配接方式，都是把按键当作外部RAM某一工作单元的位来对待，通过读片外RAM的方法，识别按键的工作状态。
上电路中独立式按键电路，各按键开关均采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。
如输入口线内部已有上拉电阻，则外电路的上拉电阻可省去。
（二）矩阵式键盘接口设计
矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。
节省I/O口。
矩阵键盘工作原理：
行线通过上拉电阻接到+5V上。
无按键，行线处于高电平状态，有键按下，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。
列线电平为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平为高。
双功能及多功能键设计
在单片机应用系统中，为简化硬件线路，缩小整个系统的规模，总希望设置最少的按键，获得最多的控制功能。
矩阵键盘与独立式按键键盘相比，硬件电路大大节省。
可通过软件的方法让一键具有多功能。
方法：
选择一个RAM工作单元，对某一个按键进行按键计数，根据不同计数值，转到子程序。
这种计数多功能键最好与显示器结合用，以便知道当前计数值，同时配合一个启动键。
复合键是使用软件实现一键多功能的另一个途径。
所谓复合键，就是两个或两个以上的键的联合，当这些键同时按下时，才能执行相应的功能程序。
实际情况做不到“同时按下”，他们的时间差别可以长到50ms，解决策略是：
定义一个或两个引导键，这些引导键按下时没什么意义，执行空操作。
引导键的例子：
微机键盘上的CTRL、SHIFT、ALT。
缺点：
一是操作变得复杂，二是操作时间变长。
多功能键的利用，应具体情况具体分析。
要求速度的场合最好做一键一功能。
如果系统功能很多，一键一功能不现实，可采取一键多功能。
2.3.2键盘输入电路的设计
由于在XY工作台的设计过程中，我们必须考虑X方向的进给以及Y方向的进给，所以采用的矩阵式键盘。
如图2.3.2所示为矩阵键盘输入原理图。
图2.3.2所示为矩阵键盘输入原理图
2.3.3矩阵键盘功能表
L4
L3
L2
L1
H4
系统启动
系统停止
系统复位
X轴正向移动（点触式）
X轴负向移动（点触式）
H3
X轴定向移动（参数式）
Y轴正向移动（点触式）
1
Y轴定向移动（参数式）
X轴负向移动（点触式）
2
H2
3
5
7
9
4
6
8
0
H1
+
Delete
Enter
图2.3.3为键盘功能表
2.3.4键盘功能介绍
H4-L4：
当这个键被按下时，系统启动；
H4-L3：
当这个键被按下时，系统停止；
H4-L2：
当这个键被按下时，系统复位；
H4-L1：
⑴当这个键被按下时，X轴正向运动，每按下一次，进一个导程，若长
按，会以较低的速度持续运动，并且在LCD显示屏上显示当前的坐标。
⑵当这个键被按下时，X轴负向运动，每按下一次，进一个导程，若长
按，会以较低的速度持续运动，并且在LCD显示屏上显示当前的坐标。
H3-L4：
按下该键可以进行选择两个功能中的一个功能进行执行；
H3-L3：
⑴当这个键被按下时，通过键盘输入相应的坐标，控制X轴的运动。
⑵当这个键被按下时，通过键盘输入相应的坐标，控制X轴的运动。
H3-L2：
⑴当这个键被按下时，Y轴正向运动，每按下一次，进一个导程，若长
按，会以较低的速度持续运动，并且在LCD显示屏上显示当前的坐标。
⑵当这个键被按下时，Y轴负向运动，每按下一次，进一个导程，若长按，会以较低的速度持续运动，并且在LCD显示屏上显示当前的坐标。
H3-L1：
⑴数字1；
⑵数字2；
H2-L4：
⑴数字3；
⑵数字4；
H2-L3：
⑴数字5；
⑵数字6；
H2-L2：
⑴数字7；
⑵数字8；
H2-L1：
⑴数字9；
⑵数字0；
H1-H4：
⑴为+号，当进行参数式输入的时候使用；
⑵为-号，当进行参数式输入的时候使用；
H1-H3：
为小数点；
H1-H2：
删除键；
H1-H1：
为确定键。
2.3.5矩阵式键盘和单片机的接口方式
程序扫描方式
三个步骤：
第一步：
判断有无键按下；
第二步：
软件延时10ms去抖动；
第三步：
求键的位置（行、列）
程序键盘扫描程序框图
2.4稳压电路的设计
为了保证在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输
出电压恒定的电路，则应设计一个稳压电路来实现此功能。
因此选用型号为
LM7805的三端稳压电路。
2.4.1功能概述
用LM7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部有
过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
因为
三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。
最大输出电1.5A，
LM7805输出电压为5V。
2.4.2引脚定义
7805是我们最常用到的稳压芯片了，使用方便，用很简电路即可以输入一
个直流稳压电源,他的输出电压恰好为5v，刚好是51系列单片机运行所需的电压，他有很多的系列如ka7805，ads7805，cw7805等，性能有微小的差别,用的最多的还是lm7805。
如图2.4.2所示是LM7805的原理图。
图2.4.2所示是LM7805的原理图
2.4.3稳压电源电路图
如图2.4.3所示是电源电路，该电路由三部分组成，通过24V和5V的电压
压进行供电。
2.5限位反馈实现
2.6.1限位开关的原理
限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。
限位开关有接
触式的和非接触式的。
接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行
程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位
置。
当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械
就停止运行或改变运行。
由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行
程”以保护开关不受损坏。
非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、
感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。
当然还有更多的先进形式。
限位开关是一种常用的小电流主令电器。
利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。
通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。
在电气控制系统中，限位开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态
的检测。
用于控制机械设备的行程及限位保护。
构造：
由操作头、触点系统外
壳组成。
2.6.2行程开关的型号选择
我们选择常用的行程开关WLCA12-2N。
如图2.6.2所示为WLCA12-2N行程开关的参数。
图2.6.2所示为WLCA12-2N行程开关的参数
2.7抗干扰设计
x-Y数控工作台在加工过程中经常会出现干扰，例如在加工过程中出现系统复位、加工出错、系统死机等现象。
现场环境复杂各种各样的电磁干扰也是造成工作台不能正常稳定运行的主要原因之一，因此在控制系统设计中就要考虑设计抗干扰的措施使工作台正常工作。
本设计主要是使用光电耦合器，光电隔离是由光耦合器来完成的。
光耦合器是以光为媒介传输信号的器件，其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。
开关量电路在接入光耦合器之后，输入侧与输出侧的信号得到了电气隔离，互不影响。
本设计采用的是TLP521系列光电耦合器，它是目前广泛使用的普通晶体管输出的光耦合器。
如图2.7所示所示为TLP521-1在开关信号输入电路中的应用。
其输入端由+12V电源供电，输出端由+5V电源供电，且两端电源不共地，这样就达到了隔离的效果。
图中的限位开关断开时，发光二极管无正向导通电流，不发光，输出端的三极管截止，输出信号）为高电平；限位开关闭合时，输入端构成回路，二极管有正向导通电流，开始发光，光敏三极管的基极获得电流，集电极和发射极导通，输出信号被拉低。
图2.7抗干扰电路设计图
第三章软件系统设计
3.1单片机内部分配
3.2系统程序流程图
该系统通过扫描键盘的输入后，通过系统信号的初始化，定时器和显示初始化之后输出PWM脉冲信号,这样做可以使输出的电压处于恒定状态，从而对I/O的信号随时进行改变。
系统开始工作时，会先检测矩阵键盘上是否有按键被按下。
若有，则会根据
所按下的键执行相应的功能。
系统在执行动作时，位移检测模块会对工作台的
位移量进行实时检测，并反馈到单片机中用作位移的实时显示，LCD12864液晶显示屏会实时显示当前位移。
3.3X，Y方向位置监测流程图
如果工作台没有限位开关极易引起事故的发生，因此在XY平台的XY工作台面分别安装两个行程开关，也就是一共安装四个行程开关，行程开关起到保护作用，当工作台移动要危险位置时，也就是触发行程开关的时候，LCD12864会进行预警，同时，蜂鸣器会发出”嗡嗡‘’的声音。
如图3.3所示为X,Y方向监测流程图。
图3.3X,Y方向监测流程图
第四章步进电机驱动器的连接
4.1步进电机驱动器的选择
由机械部分可以得出选择的步进电机为110BDGY3502型电动机，所以我们采用BD3A型号驱动器。
其技术参数如下：
型号
相数
输入电压
相电流
分配方式
BD3A
3
220VAC
3/5/7A
1/2/4/5细分
4.2步进电机驱动器的接线图
步进电机驱动器的原理图
第五章电气控制部分设计总图
5.1电气部分设计总图
第六章总结
一种以ATMEGA128为核心的控制系统，由步进电机，通信接口单片机通信的液晶显示屏，键盘输入以及单片机电路组成。
显示屏包括：
数据输入模块，用于输入、修改被控参数的参数值和操作指令，读取显示屏的操作界面；数据存储模块，用于存储输入、输出数据；数据处理计算模块，用于对输入、输出参数数据进行处理、计算；包括输入信号的编码运算；输出信号的解码运算；－数据存储单元，用于存储移位单元传递来的数据；数据检测单元，用于实时检测坐标轴的当前运动状态参数值，包括距离、速度值，以及控制方式参数值；数据比较单元，用于将检测单元检测到的坐标轴当前运动状态参数值、控制方式参数值与显示屏存储模块的设定值进行比较；数据计算单元，用于根据比较结果计算出控制信号的值，即记数脉冲的数量值；控制方式确定单元，用于根据数据检测单元检测到的控制方式数据，确定定位方式；控制信号输出单元，用于输出确定了控制方式的方向脉冲和速度大小的记数脉冲信号。
第七章参考文献
[1]坂本正文（日）.步进电机应用技术[M].北京：
科学出版社，2010.6
[2]刘刚.单片机原理及其接口技术[M].北京科学出版社，2015.7
[4]段正澄会.光机电一体化技术手册[M].北京：
机械工业出版社，2010.6
[5]龚仲华.数控机床电气设计典例[M].北京：
机械工业出版社，2014.7
[6]文怀兴.夏田.数控机床系统设计（第二版）[M].北京：
化学工业出版社，2011.9
[7]孙莹.数控机床伺服驱动系统的设计与应用[M].北京：
西南交通大学出版社,2014.4
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