长度自动测量装置驱动控制系统方案设计书.doc

课 程 设 计 说 明 书

题目 长度自动测量装置驱动控制系统设计

目 录
一、任务书…………………………………………………1
二、概述……………………………………………………2
三、总体方案的确定………………………………………2
四、详细设计部分…………………………………………5
1、机械部分设计………………………………………………5
2、硬件控制电路的设计………………………………………5
3、软件设计部分………………………………………………9
五、设计总结………………………………………………11
参考文献……………………………………………………11
附录…………………………………………………………12

《长度自动测量装置驱动控制系统设计》设计说明书
一、概述
科学技术的长足发展离不开制造业，且其在发展过程中占着举足轻重的作用，甚至其已成为衡量一国家综合国力的象征。有如此重要的作用，各国政府当然努力致力于制造业的发展。其中机床是制造业的关键。在自动化控制技术迅速发展的今天，数控机床更是得到了广泛的应用。数控机床是由数控系统与数控装置组成的，而数控装置的设计显得尤为重要。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

长度自动测量装置是CNC机床系统的配套设备。当机床完成零件加工后，由机械手将零件送到零件尺寸测量装置上进行内尺寸和外尺寸的测量。测量装置具有独立工作能力，同时可以加入CNC系统，接受协调控制系统的控制，完成等待、测量、显示测量结果等。测量系统组成如图1所示：聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

控制单元
驱动电路
步进电机
测量装置

图1 测量系统组成图
二、总体方案的确定
根据结构需要，选用丝杠转动螺母作直线运动的传动形式。通过对滑动丝杠和滚动丝杠的比较，根据测量装置的精度要求，选用精密丝杠，直径12mm，螺距1mm。丝杠支承，采用两端支承形式。此装置负荷不大，为了减少丝杠轴颈支承间的摩擦，选用向心球轴承000026。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
在测量过程中，丝杠需正、反转，为了消除螺纹间隙对测量产生的误差，必须采用消隙螺母。测量活动刀口固定在螺母上，刀口的移动应保持水平位置，即螺母的移动应平稳，不能转动。为了防止螺母在移动时转动，采用了两个滚动轴承000025支撑，在导轨面上滚动，支架螺母固定在一起的防转机构。心轴可调整轴承与导轨面的距离，使其能防止螺母转动而又能使轴承与导轨面之间的摩擦最小。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
在测量过程中，当零件与测量刀口相接触而被刀口夹紧后，丝杠应停止转动，所以电机与丝杠之间应采用摩擦离合器。摩擦离合器的从动圆锥盘，在压缩弹簧作用下压紧摩擦离合器的主动圆锥盘，摩擦力矩使丝杠和电机一起转动。当测量刀口夹紧零件后，摩擦离合器的摩擦面产生滑动，丝杠停止。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
当丝杠螺距为1mm，测量精度为0.02mm时，光码盘应大于50脉冲/圈。光码盘装在丝杠上，随丝杠一起转动。丝杠停止后，控制系统使电机停转。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
由以上几点可以确定出零件尺寸测量装置的结构简图，如图2所示：

图2 零件尺寸测量装置结构图
在设计中需要用电机驱动丝杠转动，就必须有驱动电源对电机驱动。驱动电源包括脉冲发生器，环行分配器，功率放大电路，光电隔离电路等组成。本设计中采用CPU产生脉冲信号，经功率放大和光电隔离电路之后，输出给电机，控制电机的运行速度和电机的正反转，从而把步进电机的旋转运动通过丝杠变为卡尺的直线运动，带动卡尺的快速移动和卡紧与松开被测量的零件。考虑到相匹配的驱动电路以及微机控制的快速性和可靠性,选用无触点控制元件的电路。其系统设计原理结构图如图3所示厦礴恳蹒骈時盡继價骚。

显示器

步进电 机
功率放大电路
丝杠及卡尺
环分电路
CPU

图3 系统设计原理结构框图

三、详细设计部分
1、机械部分设计
1）. 滑动丝杠传动的设计计算：
（1）选用丝杠：选取丝杠M12×1，精度为6级，材料淬火钢，硬度HRC60~62。两根丝杠的长度分别选用450㎜和350㎜。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
（2）基本参数如下所示：
螺杆：螺杆外径ｄ=12㎜ 螺杆内径ｄ1=8.5㎜
螺母：螺母外径D=15㎜ 螺母内径D1=11.2㎜
螺纹滚道：公称直径ｄ0=10㎜ 螺距ｔ=6㎜
螺纹升角：r=10.8°
（3）《机电一体化系统设计书》滑动丝杠传动系统的传动效率为0.35。
（4）刚度验算
丝杠所承受的力主要有两部分；一是由于卡尺产生的重力，另外一个是测量中卡尺与产生的夹紧力。
假设F=0.3×20=6； T=5N/㎝； ⊿=3.14×（0.85/2）²= 0.567 ⊿L=0.006㎜鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
变形很小可以忽略不记,所以刚度足够。
2） 摩擦离合器的设计
摩擦离合器采用单圆锥安全离合器，特点是接和力小，能保证摩擦面完全分离。
3） 弹簧的设计
弹簧受力计算，有些因素不能确定，影响性能的因素也较多，此装置的弹簧由实验来决定弹簧的具体尺寸。
2、硬件控制电路的设计
1）步进电机的选择
根据测量装置系统所需要的计算扭矩，选用步进电机的输出力矩必须大于计算扭矩。由于长度自动测量装置只需带动卡尺移动，不需很大的功率和转矩，此装置选用55BF003电机，其参数如下表所示：籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
型 号
主 要 技 术 数 据
外形尺寸（mm）
重 量
（N）
步距角（˚）
最大静转矩（N·cm）
最高空载启动频率（step/s）
相数
电 压
（V）
电流（A）
外径
长度
轴径
55BF003
1.5/3
49
1800
3
27
3
55
60
6
6.5
2） 三相六拍环形分配器的选择
驱动器中带有环形分配器，这种控制接口很简单，只用A输出口的两位控制一台电机工作。可以根据正、反转通电顺序列出状态表和真值表，再画出卡诺图自行设计环形分配器；也可直接选用现成的集成分配器。此设计选用YB013环形分配器。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
3）光电隔离器电路的设计
在环形分配器和功率驱动电路之间采用光电隔离器是为了隔离步进电机大功率、高电平的脉冲信号对微型计算机的干扰，同时还能进行两者不同电平的转换。光电隔离电路图如图5：渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

图5 光电隔离电路图
环形分配器送出的脉冲信号经过驱动电路7407驱动光电隔离器GO101，然后送到功率驱动电路，参数计算如下：铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
（1）确定输入电阻
=
式中： I——驱动电流，选Ｉ=10mA；
Ｕcc1——驱动电路的电源电压，查表，Ｕcc1=5Ｖ；
ＵF——光敏二极管的正向电压。查表，取ＵF=1.2Ｖ；
ＵoL——驱动电路输出低电平电压。查表,ＵoL=0.5Ｖ。
则 ==
（2）定输出回路电阻和
=

式中：U=24Ｖ（见110BF003型步进电机的参数）；U——晶体管T基极到发射极电压，U=0.7Ｖ；U=GO101输出饱和压降，查表得U=0.4V擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
4）功率放大电路的设计
功放电路的功能是将环型分配器送来的弱电信号变为强电信号，设计中采用了晶体管单电压型的驱动电路。因为它具有控制方便、调试容易和线路简单等优点。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
由PIO经分配器送出来的脉冲序列，经光电隔离电路送到驱动电路。脉冲高电平时，T、T开关导通，电机绕组供电；低电平时，T、T开关截止。2CP23为续流二极管，通过二极管电机绕组产生反电势将维持电流继续沿原方向流动。另外通过二极管还能释放磁场能，以免高的反电势击穿T、T，参数计算如下：坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

图6 功率放大电路图
（1）确定电流I、I、I、I、I、I、I
步进电机每一相绕组电流I=3A，I与I的关系
I=
式中：——放大系数。查得3DD15在绿点时为80~120，取=100。则
I=（mA）
流入3DK4的电流I与I、I的关系
I=]
查表得3DK4绿点时=50~110，取=80
I= U/1（K）=0.7/1=0.7 (mA)
则 I=(30+0.7)/80=0.384 (mA)
I= I+I=30+0.7=30.7 (mA)
I＝I+ I
式中：I——光敏三极管的输出电流，I＝Ｉ
表示在环境温度20C时的电流传输比。查表得，GO101型的为20%。查得在20C时的电流传输比的相对值。因此＝20%。则蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
I＝10 20%=2 (mA)
I=0.384+2=2.384 (mA)
（2）确定电阻Ｒ、Ｒ、Ｒ
Ｒ＝＝＝ ()
Ｒ＝＝＝ ()
Ｒ＝＝＝ ()
根据以上电路可画出整个驱动器的驱动电路：

图7 驱动电路图
3、软件设计部分
本设计采用8031作为主控制器（CPU），产生控制电机的输出脉冲，通过软件实现步进电机的速度调节和正反转控制，还要显示出测量零件的长度值。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
（1） 所用芯片
8032 1片　 ；CPU
8279 1片 ；键盘／显示
74LS373 2片 ；8D锁存器
74LS138 1片 ；“3—8”译码器
7407 14片 ；6同相缓冲器/驱动器
（2） 显示接口电路
利用8279扩展显示器，在这里采用外部译码的方式，因此要选用译码器，采用74LS138（“3－8”译码器）。为了让数据显示稳定、可靠，必须增加数据线和扫描线的驱动能力，这里选用7407（6同相缓冲器/驱动器）。显示数据线连接綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
在本系统中，LED显示器（共阴极）动态显示。显示器的位选码是8279的扫描线经74LS138译码和7407驱动后分别与各LED的共阴极端相连，段选码是8279的显示数据端（OUTA0~OUT3,OUTB0~OUTB3）经过 7407驱动后与各显示器端的数据相连接。该芯片的数据口地址为0FF80H、状态口地址为0FF82H，其硬件接线图8所示：驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。

图8 显示接口电路图

（3） 主程序流程图

四、设计总结
在一周的长度自动测量装置驱动控制系统设计中，我们对机床的长度测量装置有了系统性的了解。在整个设计中，大家进行团体协作细致的分工。进行资料收集整理，并在计算论证中学会提出问题并解决问题。这样科学的分工促成我们很好的完成本次设计。并为以后我们在次专业领域的发展奠定了坚实的基础。并且养成严谨的学习工作作风 ，培养了自己的团体协作能力。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
在设计过程中我们掌握了一些简单的设计步骤和设计思路，同时也使自己获得了实际操作的经验，使我们能在实践教学环境中，累积设计经验，开拓思维空间，全面提高个人的综合能力。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
在本次设计中我们得以两位有专业经验的老师传授经验，指点我们怎样进行设计，我们甚为感激。

参考文献
1 侯力 黄成祥等 . 机电一体化系统设计 . 北京：高等教育出版社，2003
2 张建民 . 机电一体化系统设计 . 北京：高等教育出版社，2001
3 邓星钟 . 机电传动控制 . 武汉：华中科技大学出版社，2000
4 刘国荣 . 单片微型计算机技术. 北京：机械工业出版社，1996

附录：主程序
Z8279 EQU 0FF82H
D8279 EQU 0FF80H
LEDMOD EQU 00H
LEDCLS EQU 0C1H
LEDRWR0 EQU 80H
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0003H
LJMP INT0
ORG 000BH
ORG ST0DS
ORG 0030H
MAIN： MOV SP，#60H
LCALL INT8279 ；调用8279初始化程序
MOV IE，#83H ；允许INT0，T/C0中断
MOV TMOD，#01H ；设置T/C0减1中断
SETB IT0
SETB PX0
CLR PT1
MOV TH0，#0FFH
MOV TL0，#56H ；高T/C0计时时间为1MS
MOV R7，#10H
MOV R0，#20H
LOOP0： MOV @R0，#0H
INC R0
DJNZ R7，LOOP0
SETB P3.3
JNB P3.3，$ ；启动开关
START0： MOV R7，#06H ；置输出脉冲循环次数
MOV A，#0H
START1： MOV DPTR，#TAB
MOVX A，@DPTR+A
MOV P1, A ；输出脉冲
MOV R6, #1H ；设定等待时间
SETB TR0
LCALL DISPLAY ；调用测量计算程序
CJNE R6, #0,$ ；延时1MS
CLR TR0
INC A
INC 28H
CJNE 28H, #0H,LP0
INC 29H
LP0: DJNZ R7 START1
LJMP START0
LOOP1: INC 20H
CJNE 20H
MOV 20H, #0AH,NEXT；
MOV 20H, #00H
INC 21H
CJNE 21H, #21H,#0AH,NEXT
MOV 21H, #00H ；
INC 22H
CJNE 22H.0, NEXT
MOV 22H0
INC 23H
CJNE 23H.0, NEXT
MOV 23H, 0
CJNE 24H.0, NEXT
MOV 24H, 0
INC 25H
CJNE 25H.0, NEXT
MOV 25H, 0
INC 26H
MOV 27H, #0AH
NEXT: RET

DISPLAY: MOV R5, 20H ；显示测量数据
MOV R4, #00H
LCALL DISPLED ；显示测量数据最低位
MOV R5, 21H
R4, #01H
LCALL DISLED ；显示数据倒数第二位
MOV R5, 27H
MOV R4, #02H
LCALL DISLED ；显示小数点
MOV R5, 22H
MOV R4, #03H
LCALL DISLED ；显示数据个位
MOV R5, 23H
MOV R4, #04H
LCALL DISLED ；显示数据十位
MOV R5, 24H
MOV R4, #05H
LCALL DISLED ；显示数据百位
MOV R5, 25H
MOV R4, #06H
LCALL DISLED ；显示数据千位
MOV R5, 26H
MOV R4, 07H
LCALL DISLED ；显示数据万位
RET
DISLED: PUSH DPH
PUSH DPL
PUSH ACC ；数据入栈
MOV A, #LEDWR0
ADD A, R4
MOV DPTR, #Z8279
MOVX @DPTR, A ；显示数据在显示屏上的位置
MOV DPTR, #TAB
MOV A, R5
MOVC @A+DPTR
MOV DPTR, #D8279
MOVX @DPTR,A ；显示数据
POP ACC
POP DDL
POP DPH
RET
INT8279: MOV DPTR, #Z8279
MOV A, #LEDMOD
MOVX @DPTR, A
MOV A, #LEDFEQ
MOVX @DPTR, A
MOV A, #LEDCLS
MOVX @DPTR,A ；8279初始化
LCALL DELAY ；调用延时子程序
RET
DELAY: MOV R3, #30H
DJNZ R3, $
RET
STODS: MOV TH0, #0FFH
MOV TL0, #56H ；定时器赋初值
DEC R6
INT0: CLR IT0
CLR TR0
LCALL BACK
LJMP NEXT1 、
RET
BACK: MOV A, #0H ；置脉冲数值为0
BACK1: MOV DPTR, #TAB1 ；把反转脉冲数表首地址赋于DPTR構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
MOVX A, @DPTR+A
MOV P1,A ；输出脉冲
INC A
CJNE A, #06HLP
MOV A, #0
LP: DEC 28H
CJNE 28H, #0FFH,LP1
DEC 29H
LP1: DJNZ 29H, #0H,BACK
DJNZ 28H, #0H,BACK
RET
TAB: DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H ；正转数表
TAB1: DB 01H,05H,04H,06H,02H03H ；反转数表
TAB3: DB 3FH,06H,5BH,4F,66H,6DH,7DH,07H,7FH
DB 6FH,80H ；显示数表
NEXT1: END
END

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