基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计—总体设计

机械论文编号:JX557  论文字数:29793,页数:70

目  录

摘  要 I
ABSTRACT II
1  前言 1
1.1  课题设计研究背景和意义 1
1.2  研究的内容 1
1.3  研究的技术路线 1
2  总体方案的确定 2
2.1  机械传动部件的选择 2
2.1.1  导轨副的选用 2
2.1.2  丝杆螺母副的选用 2
2.1.3  减速装置的选用 2
2.1.4  伺服电动机的选用 2
2.1.5  检测装置的选用 2
2.2  控制系统的设计 3
2.3  绘制总体方案图 3
2.4  本章小结 3
3  机械传动部件的计算与设计 4
3.1  导轨上移动部件的重量估算 4
3.2  铣削力的计算 4
3.3  直线滚动导轨副的计算与选型 4
3.3.1  滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取 4
3.3.2  距离额定寿命L的计算 5
3.4  滚珠丝杠螺母副的计算与选型 5
3.4.1  最大工作载荷Fm的计算 5
3.4.2  最大动载荷FQ的计算 5
3.4.3  初选型号 5
3.4.4  传动效率η的计算 6
3.4.5  刚度的验算 6
3.4.6  压杆稳定性校核 6
3.5  步进电动机减速箱的选用 6
3.6  步进电动机的计算和选型 7
3.6.1  计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 7
3.6.2  计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 7
3.6.3  步进电动机最大静转矩的选定 9
3.6.4  步进电动机的性能校核 9
3.7  增量式选转编码器的选用 10
3.8  绘制进给传动系统示意图 11
3.9  本章小结 11
4  控制系统硬件电路设计 12
4.1  控制系统微控制器的选择与使用 12
4.1.1  AT89C52单片机主要性能参数及功能特性 12
4.1.2  AT89C52单片机的引脚功能 14
4.1.3  AT89C52单片机复位电路 16
4.1.4  AT89C52单片机振荡电路 16
4.2  控制系统的电源设计与选择 17
4.2.1  控制系统的电源硬件原理图 17
4.2.2  隔离电源的选择 17
4.2.3  控制系统的电源设计类型选择 18
4.2.4  AT89C52及其扩展芯片电源设计 18
4.2.5  TLP521-1光耦合器输入端电源设计 20
4.3  光电隔离电路设计 21
4.3.1  光耦合器的选用 21
4.3.2  TLP521-1光耦合器的主要参数及工作参数 21
4.4  开关量输入通道电路设计 22
4.4.1  开关量输入通道总体硬件电路图 23
4.4.2  开关量输入通道电路分析 23
4.5  I/O接口芯片的应用电路设计 23
4.5.1  74LS373扩展8位并行输出口 23
4.5.2  74LS244扩展8位并行输出口 24
4.5.3  74LS240扩展8位并行输出口 24
4.5.4  8255A可编程并行输出 24
4.6  步进电机控制系统设计 28
4.6.1  步进电机的工作原理 28
4.6.2  步进电机脉冲分配信号的设计 29
4.6.3  步进电动机的驱动电源 30
4.6.4  步进电动机控制系统电路图 31
4.7  键盘与LED显示电路设计 31
4.7.1  键盘电路设计 31
4.7.2  显示电路设计 32
4.8  本章小结 34
5  仿真控制系统硬件电路设计 35
5.1  Proteus简介 35
5.2  Keil简介 35
5.3  仿真控制系统硬件原理图 35
5.4  本章小结 36
6  控制系统人机接口软件设计 37
6.1  键盘与显示总程序 37
6.1.1  键盘与显示总程序流程图 37
6.1.2  键盘与显示总程序原理 37
6.2  显示程序 37
6.2.1  显示程序流程图 37
6.2.2  显示程序流程图解释 37
6.2.3  LED显示原理 38
6.3  键盘扫描程序 39
6.3.1  键盘扫描程序流程图 39
6.3.2  键盘扫描程序解释 39
6.4  本章小结 39
7  结论与展望 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 59

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 Design
ABSTRACT

The NC XY table system design is based on the microcomputer, first, calculation and chooses the transmission 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 output 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 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 Simple, 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 table  Chip-Single Microcomputer  Microcontroller