1、数控技术 MCS-51单片机 驱动电路 蜗杆蜗轮2.任务与分析 为进一步巩固与机电一体化相关的知识，特撰写了这本关于利用MCS-51单片机控制的数控分度转台的设计说明书。该设计以数控技术为核心展开了一系列的讨论，主要包括机械部分的设计和控制系统的设计两大部分，此课程设计以“简约而不简单”的总原则，设计出了一套性价比高、劳动强度弱、操作简单及可靠性好的数控分度转台，该数控分度转台所能达到的功能主要包括以下几点：1.回转角度为0360、正反旋转；2.最大回转半径为100mm；3.所能承受的最大重量为20Kg；4.分度精度为2mrad。它所应用的领域比较广泛，主要用于精密的机械加工设备、各类医疗设备
2、、各类军事设备等。需要说明的是，该说明书上的许多东西都是理论上的，还缺乏足够的实际应用，该设备目前还未投产。3总体方案的设计3.1数控分度转台总体设计数控分度转台根据其特点，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。如图（一） 相数 三相 步距角 1.2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 80C Max（额定电流） 环境温度 -20C50C绝缘电阻 100M Mi
3、n，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（Electrical Specification）型号 Model额定电压 Rated Voltage（V） 电流/相 （峰值） Current /Phase（A） 保持转矩 Holding Torque（Nm） 转动惯量 Rotor Inertia（gcm2） 轴径 Shaft DiameterD（mm） 键 Key重量 Weight（Kg） 机身长度 Shaft Length适配驱动器
4、DM397H3251.752.013201242069DMDT68DM397L405.8DM3910H4.024003.097DM3910LDM3913H2.256.0380014125DM3913L3480外型尺寸（Mechanical Dimensions）（单位mm）步进电机接线3.2 机械部分的设计机械部分的总体设计如下图：分度转台步进电机 3.2.1 步进电机的选择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
5、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
6、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，综上所述，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。3.2.2蜗杆蜗轮的配合蜗杆蜗轮配合常用来传递两交错轴之间的运动和动力，它主要有以下的一些特点：1.可以得到很大的传动比（i可达780），比交错轴斜齿轮机构紧凑；2.两轮啮合面为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构；3.蜗杆传动相当于螺旋传动，故传动平稳、噪音很小；4.具有自锁
7、性。当蜗杆的导程角小于啮合轮间的当量角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能用蜗轮带动蜗杆，如在重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起到安全保护作用；5.传动效率低，磨损较严重；6.蜗杆轴向力较大；7.常用于间歇工作的场合。 蜗杆传动的这些特点刚好符合本课程设计的相关要求 。另外，还必须清楚蜗杆传动的基本参数包括模数m，压力角，蜗杆直径系数，导程角，蜗杆头数，蜗轮齿数，齿顶高系数以及顶隙系数。其中，模数和压力角是指蜗杆轴面的模数和压力角，即蜗轮端面的模数和压力角，且均为标准值；蜗杆直径系数q为蜗杆分度圆直径与其模数的比值。蜗杆传动比i=蜗杆的转速/蜗轮的转速，蜗
8、杆的转速即是步进电机的转速，蜗轮的转速即是分度转台的转速。分度转台的最高转速；要求为20转/分钟，由于步进电机的最高转速为900转/分钟，由此能计算出蜗杆传动比为900/20=45。3.2.3 角接触球轴承的选择由于此机构主要承受轴向方向的载荷，以及部分的径向载荷，在此部分选择角接触球轴承是最合适不过的了，因为角接触球轴承可同时承受径向载荷和轴向载荷。 要知道接触角是角接触球轴承中一个很重要的参数，它直接决定了角接触球轴承轴向方向的承载能力，接触角越大，轴向承载能力越大，但精度会略微减小。单列的角接触球轴承只能承受一个方向的轴向负载，在承受径向负荷时，将引起附加轴向力，并且只能限制轴或外壳在一
9、个方向的轴向位移，这不是我们想要的，若是成对双联安装，使一对轴承的外圈相对，即宽端面对宽端面，窄端面对窄端面，这样既可避免引起附加轴向力，而且可在两个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内。课程设计要求能承载的最大载荷为20Kg，分度精度为2mrad，可选择接触角为25度的、7000AC型的角接触球轴承，最好选择进口的SKF轴承（因为该轴承相对于其他轴承而言，性能更好），为避免产生附加的轴向力，采用成对双联安装方式，保持架的材质可选择性能优异，寿命相对较长的合成树脂。3.3控制系统的设计3.3.1 操作控制面板的功能设计及按钮的布局设计布局如图（三），包括LCD显示器（用于显示五位分度角度）、数字
10、键09（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）。串行通讯电路接线图串行通讯PCB接线图3.3.2 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
11、，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
12、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（四）：3.3.3 驱动电路的设计在步进电机已选择好的情况下，再来对驱动电路进行设计，因为步进电机对驱动电路有如下的要求：1.驱动电路的通电数、通电方式、驱动电压、驱动电流都必须能满足步进电机的要求；2.驱动电路的设
13、计要满足步进电机起动频率和连续运行的要求；3.能最大限度抑制步进电机的振荡；4.工作可靠，抗干扰能力强，能承受一定的过载；5.成本低，效率高，安装和维护方便。另外，还必须知道步进电机驱动电路的基本组成部分，主要包括：脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲功率放大器三个部分，具体执行情况如下：指令脉冲发生器脉冲分配器脉冲功率放大器步进电机。在不同的机电应用系统中，步进电机各部分有所不同。根据课程设计任务的要求，选择脉冲的产生和分配均由MCS-51单片机来完成的方式，输出脉冲信号经功率放大器放大再进入步进电机。经过多方综合的考虑，选择继电器驱动方式（因为继电器方式的开关量输出是最常见的输出方式，通过弱电控制
14、外界的交流或直流的高电压、大电流设备，继电器驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，控制电流一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作），具体的接口电路如图（五）继电器的动作由单片机的P0.0端控制，P0.0端输出低电平时，继电器J吸合；P0.0端输出高电平时，继电器J释放，采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。二极管VD的作用是保护三极管V。原理如下：当P0.0端输出低电平时，V导通，继电器吸合；当P0.0端输出高电平时，V截止，继电器断开。在继电器吸合到断开的瞬间，由于线圈中的电流不能突变，将在线圈产生较高的下正上负的感应电压，使晶体管集电极
15、承受较高电压，有可能烧坏驱动三级管V。为此在继电器J线圈两端并接一个续流二极管VD，使线圈产生的感应电流有二极管VD流回。正常工作时，线圈上的电压上正下负，二极管VD截止，对电路没有影响。机械继电器可在继电器节点两端并接火花抑制电路，减少电火花影响，如图（五）中的0.0uF的电容。4N25使两部分的电流信号独立。UCC是单片机系统电源，UDD是供继电器的电源。输出部分的地线接机壳或接大地，而单片机系统的电源地线数字地（浮空的）不与交流电源的地线相接。这样可避免输出部分电源变化对单片机电源的影响，减少系统所受的干扰，提高系统的可靠性。5结论通过任务与分析，总体方案的设计，机械部分的设计和控制系统
16、的设计，以及相关元件的正确选择和参数的正确计算，此课程设计即数控分度转台，理论上能够达到课程设计所要求的相关功能，在硬件和软件都良好和正常的情况下，此数控分度转台能较好地完成相应的操作。当然，此课程设计还有许多需要完善的地方，比如可否选择性能更为良好的其他的单片机而不用MCS-51单片机。我们都知道，每一套设备都经过不断地改进和完善，它的性能变得越来越好的，所以不是简简单单的一份课程设计说明书就完了，需要做的事情还有很多。参考文献：1 任玉田，机床计算机数控技术，北京理工大学出版社，1999 2 张柱银，数控原理与数控机床，化学工业出版社，2003 3 林 宋，现代数控机床，化学工业出版社，20024 张毅刚，MCS-51单片机应用设计，哈尔滨工业大学出版社，20015 黄惟公，邓中成，王燕，单片机原理与应用技术，西安电子科技大学出版社，2007
