机电一体化课程设计机设.doc

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《机电一体化课程设计》

课程设计说明书

题目数控两轴旋转工作台设计工作

机械工程　学院

机械设计制造及其自动化专业0804班41号

学生姓名曾斌斌.

指导教师黄中华刘玉松.

完成日期2012年12月29日.

湖南工程学院机械工程系

湖南工程学院

课程设计任务书

设计题目：

数控两轴旋转工作台设计工作

姓名

曾斌斌

系别

机械

专业

机械设计制造及自动化

班级

JS0804

学号

41

指导老师

黄中华刘玉松

教研室主任

陈小异

一、基本任务及要求

1．设计任务

1）课题内容简介或设计要求：

完成如图所示两轴步进电机驱动运动工作台及控制系统的设计；

要求工作台旋转输出精度2mrad，工作台重20Kg,具备锁住功能，步进电转速<300rpm，有

手动控制旋转角度功能和角度显示功能；

2）包括步进电机及驱动器的选择、减速器的设计、单片机控制、

输入电路、控制电路、等主要组成部分。

3）设计内容包括：

总体设计，机械系统的设计与计算，计算机

控制系统设计，编写设计计算说明书；

2．要求

1）机械部分的设计：

零件图，装配图；

2）计算机控制系统的设计：

控制系统接口图。

二、进度安排及完成时间

1．设计时间二周（从2011年11月14日至2011年11月25日）

2．进度安排

第1周

第2周

整理设计资料；按格式撰写设计说明书；上交设计作业；并参加答辩。

目录

摘要……………………………………………………………………….......1

1.任务与分析……………………………………………………………......2

2.总体方案的设计…………………………………………………………...3

2.1总体方案的设计…………………………………………………..3

2.2机械部分的设计…………………………………………………….4

2.2.3步进电机的选择…………………………………………………..5

2.3控制面板的布局及按钮的功能设计………………………………..6

2.4控制系统的设计……………………………………………………..7

3.程序编写…………………………………………………………………...13

3.1流程图………………………………………………………………….13

3.2键盘子程序……………………………………………………………13

结论………………………………………………………………........20

参考文献………………………………………………………………....21

摘要

随着数控技术的普及，现在越来越多的设备都离不开这项技术了。

本课程设计说明书围绕数控技术展开了一系列的讨论和说明。

首先，为满足课程设计的要求，控制系统采用的是MCS-51单片机控制系统，该系统的性能较好，价格也还算公道，比较适合完成此课程设计（即数控旋转台的设计）的相关任务。

但由于MCS-51单片机的驱动能力有限，不能直接带动工作台旋转，所以还必须外接一个驱动器，所以驱动电路的设计在此说明书中占有比较大的比例，根据设计任务的要求，可采用开环控制的步进电机驱动电路。

当然整个系统离不开机械部分的支持，所以机械部分的设计也尤为重要，此说明书主要针对步进电机、轴承的选择，以及蜗杆蜗轮的配合等做了相应的阐述。

关键词：

数控技术MCS-51单片机驱动电路

1.任务与要求

1．设计任务

1）课题内容简介或设计要求：

完成如图所示两轴步进电机驱动运动工作台及控制系统的设计；

要求工作台旋转输出精度2mrad，工作台重20Kg,具备锁住功能，步进电转速<300rpm，有手动控制旋转角度功能和角度显示功能；

2）包括步进电机及驱动器的选择、减速器的设计、单片机输入电路、控制电路、等主要组成部分。

3）设计内容包括：

总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书；

2．要求

1）机械部分的设计：

零件图，装配图；

2）计算机控制系统的设计：

控制系统接口图。

2．总体方案的设计

2.1数控旋转台总体设计

数控旋转台根据其特点，大致包括以下主要部件：

1.完成最终功能的机械执行部件（即产品的机械装置）；

2.操作者操纵产品的工作以及了解产品的工作状态的操作面板；

3.处理操作指令的控制系统；

4.对控制系统发出的控制信号进行发大以及驱动相应设备的驱动电路。

1转角轴驱动电机2连接盘3联轴器4右转位半轴5转角轴支架6传动轴7夹盘8转角主轴9左转位半轴10转位蜗轮轴支架11转位蜗轮12转位蜗杆13工作台壳体14转角轴蜗杆15转角轴蜗轮16齿轮17

齿轮18定位键19连接盘20转位轴驱动电机21底座

图1两轴数控旋转工作台的结构

2.2步进电机的选择

表2-2电机参数

相数

三相

步距角

1.2º

步距角精度

±5％（整步，空载，无累积误差）

电阻精度

±10％

电感精度

±20％

温升

80ºCMax（额定电流）

环境温度

-20ºC～50ºC

绝缘电阻

100MΩMin，500VDC

介电强度

500VAC，1分钟

径向间隙

0.06Max（450g负载）

轴向间隙

0.08Max（450g负载）

径向最大负载

220N（距法兰面20mm）

轴向最大负载

60N

电气规格（ElectricalSpecification）

型号

Model

额定电压

RatedVoltage

（V）

电流/相

（峰值）

Current/Phase

（A）

保持转矩

HoldingTorque

（N·m）

转动惯量

RotorInertia

（g·cm2）

轴径

ShaftDiameter

ΦD

（mm）

键

Key

（mm）

重量

Weight

（Kg）

机身长度

ShaftLength

（mm）

适配驱动器

DM397H

325

1.75

2.0

1320

12

4×20

2.0

69

DMDT68

DM397L

40

5.8

2.0

1320

12

4×20

2.0

69

DMDT68

DM3910H

325

2.0

4.0

2400

12

4×20

3.0

97

DMDT68

DM3910L

40

5.8

4.0

2400

12

4×20

3.0

97

DMDT68

DM3913H

325

2.25

6.0

3800

14

4×20

4.0

125

DMDT68

DM3913L

40

5.8

6.0

3480

14

4×20

4.0

125

DMDT68

首先必须要明白步进电机的工作原理，它将是电脉冲信号变为角位移或线位移的开环控制元件，所以步进电机常用于开环系统的控制，这一点刚好能满足课程设计中开环控制的要求。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则相应转过一个角度（这个角度叫做步矩角，是步进电机中一个很重要的参数）。

由于这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常很方便，其次，还要知道虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用，因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

要正确地选择步进电机，还必须清楚它的特性，主要有以下几点：

1.步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度转动。

转动的速度和脉冲的频率成正比；2.步进电机电机具有瞬间启动和急速停止的优越特点；3.改变脉冲的顺序，可以方便地对步进电机进行调整。

要根据转矩和步矩角选择合适的步进电机，表3-2所述，可选择型号为DM39系列的步进电机，步矩角为1.2度，保持转矩为7.6N.m。

步进最高转速为900转/分钟。

2.3控制系统的设计

2.3.1操作控制面板的功能设计及按钮的布局设计

布局如图二，包括LCD显示器（用于显示五位分度角度）、数字键0~9（用于输入分度角度）、Left和Right键（用于左右移动光标）、Up和Down键（用于增加或减少每一位的数值）、回零按钮（用于分度转台的机械回零）、显示器开关按钮、报警指示灯、串口RS232指示灯以及Enter键（完成输入分度角度之后，按下此键分度转台转过相应的角度）。

LCD显示器

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

数字键区

Left

Up

Down

Right

显示器开关按钮

回零按钮

ALARM

RS232

Enter

图2操作控制面板布局设计

2.3.2控制系统的设计

首先要明确控制系统的基本硬件包括：

CPU、存储器（程序存储器ROM和数据存储器RAM）、I/O接口电路等。

由于单片机具有以下的特点：

1.优异的性价比；2.集成度高、体积小、可靠性高。

单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连续，大大提高了计算机的可靠性与抗干扰能力，另外，其体积小，对于强磁环境，易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作；3.控制功能强。

为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中有丰富的转移指令、I/O的逻辑操作以及位处理功能。

单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机；4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品；5.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

由于单片机具有以上的特点，微处理可选择MCS-51的单片机。

MCS-51的单片机共有四个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3,也就是说一共有32个接口，由于课程设计所完成的功能比较简单，32个接口足够用了，不需要再进行扩展I/O的设计，但要知道这四个8位的并行I/O口都有相同的特殊功能寄存器，并且具有字节寻址和位寻址的功能，每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器，其中P0口的驱动能力最强，可驱动八个LSTTL负载，其他口只能驱动四个，另外P3口具有第二功能（包括RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD）。

MCS-51的单片机与控制面板的链接设计如图3：

MCS-51

P2.6

P2.7

P1.0

~

P1.222556888855277

INT0

INT1

RXD

TXD

RESET

P0.6

P0.7

P2.5

P2.4

P2.3

P2.2

P2.1

P2.0

UCC

LCD显示器

RES232

UCC

UCC