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1、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 51、机械部分设计 52、硬件控制电路的设计 53、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使用。数控机床是由数控系统和数控装置组成的， 而数控装置的设计显得尤为重
2、要。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CN（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：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。在测量过程中，丝杠需正、反转，为了消除螺纹间隙对
3、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。心轴可调整轴承和导轨 面的距离，使其能防止螺母转动而又能使轴承和导轨面之间的摩擦最小。在测量过程中，当零件和测量刀口相接触而被刀口夹紧后，丝杠应停止转动， 所以电机和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。当丝杠螺距为1m
4、m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。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：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和松开被测量的零件。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
5、。其系统设计原理结构图 如图3所示功率放步，进，,环分*大电路电CRu电路丝杠及图3 系统卡尺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 X 1,精度为6级，材料淬火钢，硬度HRC6062 两根丝杠的长度分别选用 450 mm和350伽。(2) 基本参数如下所示：螺杆：螺杆外径d =12 m螺杆内径d 1=8.5 m螺母：螺母外径 D=15 m螺母内径 D仁11.2m螺纹滚道：公称直径d 0=10 m 螺距t =6 m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
6、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 卡尺和产生的夹紧力。假设 F=0.3X 20=6; T=5N/cm；/ =3.14X( 0.85/2) 2= 0.567 /L=0.006 m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
7、，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: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）t a_ 最咼空载启动频率（step/s）相 数电压（V）电流（A）外径长度轴 径55BF0031.5/34918003273556066.52）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 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
8、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：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：（1）确定输入电阻R1_U CC1 U F U OLRi=.式中：I F驱动电流，选I f =10mAU cc1 驱动电路的电源电压，查表，U cc1=5V;U F光敏二极管的正向电压。查表，取U F=1.2 V;U oL驱动电路输出低电平电压。查表 ,UoL=0.5 VR1 =5-1.2 -0.510 10= 330 11(2)定输出回路
9、电阻Rc和RU CC1 2U BERc=1I CU CC2 - 2U BE - U CESr ar1 A式中：Ucci=24V(见110BF003型步进电机的参数);U be晶体管T基极到发射极电压，U be =0.7 V； Uces=GO101输出饱和压降，查表得Uces=0.4V4) 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。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，T1、T2开关导通，电机绕组供电；低电平时，T1、T2开关截止。2CP2
10、3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 T1、T2，参数计算如下：图6 功率放大电路图(1 )确定电流 I A、I C、I G、I D、I B、I E、I P步进电机每一相绕组电流I P =3A， I P和I B的关系式中：hFE 放大系数。查得3DD15在绿点时hFE为80120,取hpE =100。则Ib=300010O =30 (mA)流入3DK4的电流Ig和IB、I E的关系g查表得3DK4绿点时hFE =50110,取hFE =80I E= Ube/1 (K) =0.7/仁0.7(mA)I G=(3
11、0+0.7)/80=0.384(mA)I P = I B +1 E =30+0.7=30.7 (mA)I g = Ic + I a式中：Ia光敏三极管的输出电流，I A =1 pC TR20C 表示在环境温度200C时的电流传输比。CTR20查表得，GO101型的Ctr查得在200 C时的电流传输比的相对值Ctr2Ctr =100%。因此 CTR20 = 20%。为 20%。则I A = 1020%=2 (mA)I c =0.384+2=2.384 (mA)(2)确定电阻RU CC! - 2U be1 C24 -2 0.72.384 10；U CC2 - 2U BE - U CES24 -2
12、0.7 -0.42 1024-0.7-0.430.7 10仆U CC2 _U BE _ U CESR D =根据以上电路可画出整个驱动器的驱动电路:GNDAYE013330CBPA0PA1PA2PA38255PA4PA5AX向驱动2向驱动电路CP330C74ALS00匸匸G0101接故障检测电路80321片；CPU82791片;键盘/显示74LS3732片;8D锁存器74LS1381片;“ 38”译码器740714片6同相缓冲器/驱动器H-R LJL 心片234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
13、速度 调节和正反 转控制，还 要显示出测 量零件的长 度值。 :（1）所用二File:5Number17-Apr-2002Sheet ofH:Design Explorer 99 SEMyDesign12.ddbDrawn By（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驱动后分别和各LED的共阴极端相连，段选码是8279 的显示数据端（OUTAOOUT3,OUTBOOUTB3 ）经过7407驱动后和各显示器端的 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：图8显示接口电路图OtTKi ecrrai ffliW wraiiMlEOBaEM EEA?J、 jTAXJ FAA-ii -iOUTAI XlTAi厝 TOC；Q e*OFT 灯 Q r4-BQT冲 口E*t吋t*dUCWVTSXfTAJS3 SLI SLt 心(3)主程序流程图开始1rr初怡化外赫中 Im定討轟*rfcu开中1JTTDBi电腻正评歩序牛#)*FT
