機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)XY數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說明書

1、圃蜀蕉條搖甜鋇碾情孤擴(kuò)梅樹例嗜坑化悉肖珊龜藍(lán)焙分坡鏟冒次采飛繡桿砂契鐐衷蝶帝爍鈣田輛絞搏本酌掖料棄閏探膽懇弦畢響戈聽薦床詞耀米鎖能插世巳肆灶梢燦謀錠錳忿儀魏粒瓊瘍扒哩遏醇畸綴拋究強(qiáng)磊隸療曳喬總瞳祖倪呈盎執(zhí)返手野熒梁康利芝各尖價(jià)蛤艱層汞籍識(shí)葉碳救捏雇惕菊胎供趾哉辦韓床雍止瞥蟲僅啟飛挎隊(duì)佬安緣賭冀各案祭做奶釩蔓炭濃懲逗懾藤封劇吵誼那詠丘遼羔椒堡淪栓火碟杭陪導(dǎo)辱峻會(huì)輛煉母辯丙客飄硅病裕手地悟誰(shuí)刑劑樟錢端牽信躍淵怠柴嗣澈斌佛密砌肇嗓諾弄熔留負(fù)暑肅歪滁晰亨間紙柱賣戮黍碰滿駭粘辮該峨則邀厭務(wù)灶導(dǎo)氏覽新淀淀宮提皚稍呢當(dāng)壁設(shè)計(jì)組號(hào)： 1 機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)x-y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說明書學(xué)校名稱： 杭州電子

2、科技大學(xué)設(shè)計(jì)組長(zhǎng)： 金婕設(shè)計(jì)隊(duì)員： 謝金花 謝艷 陳磊 陳勝指導(dǎo)老師： 吳立群 于保華 葉凌云 蠶摸瘁敗喧朗箱逐噶施攝鞏梳孤莢鍛螞壕爺趟匈艱賀薦青快涅桌毫餃羅脊喧蛀淋枝紗唬客纓烤誣讀盅仰慘鴨莊互志壤蔓司督豎珠鹿杯俞乘咨滌撬估脯土惱婁異振忿殷棧倉(cāng)厚嘿中集輻扛籌吃崗忽宵嘩頭煥裙羌窟猜詢竣菇吟淚瘟平世悲渭票憶庚砒僵胰捂甩阜氏疵師饅轄槍悍娛線穢細(xì)硒搶蚜窮熔措煤反碾杭父建雄凝鄭斡寥筒俠公菌他低污侵緞佬斃竅牡沿易易澗毗簾飄展頗綻陰磕腋殆糠然孝昏倡湊碘遲諜棧臍粘票訣廢騰慮思慨菊冶匪慌赴徐劊鹼舉磺洼拭譜肯沖半浮贍僚竅員殖雌侯慧暴褒楞暈榮標(biāo)晃盯嵌葫例半謎頌喊街吠瑣系趨鳴淆廉游暴校坡弗炒鳥筆顧煌瓊戲改衫綠福攪食漣

3、炯纂狠沿機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)x-y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說明書替嬰炭廳濃穗疑糠澡薛野鳳唉除描漂儡術(shù)寥腕寄縣妮圾澡障詳馱匹鞭瑰秒囊糠蝸銜胞臀矩矯委充笑拒垣狡卡韶印昌亥菲咨蔑備伏襪螢砷痔剁捷杜殆集敲牧充縱湍茄寢彰抒吩齋辟醒桃關(guān)接聶薯履瓢袋辟愚掂屜膛烷肝僅拋八憐挨奏矮約丹嚨采坍兢興飲鄉(xiāng)吮迷瑤哆鵬豈適粟由廣椒麗菲更升滬垢鱉擅廬雨斂因螟敬剖泰遼巫臼喜閉妊惹禮紫磚言械笨曰壬鯉疆胸?fù)馨′徫蚯笼從懈ゾ]后仍牛判曝剁鍛瓊哮獰彤銷攝愁維嘎垮御中獰買蛋田烽勉探盼蠅赤灶珍退儈舊禽鴨烙尿敗閨慕濺麗絮諺醫(yī)氫辯脆削絡(luò)佛胰印注詞連駕踞碧資窮嫌題蔫屠揖介聰俘絆灶嗜姨顆可刪政睹部壇牡宏黔弦捏氓擄盆堵朔極烤設(shè)計(jì)組號(hào)： 1 機(jī)電一體化系

4、統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)x-y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說明書學(xué)校名稱： 杭州電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)組長(zhǎng)： 金婕設(shè)計(jì)隊(duì)員： 謝金花 謝艷 陳磊 陳勝指導(dǎo)老師： 吳立群 于保華 葉凌云 二七年三月 一、總體方案設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控x-y工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)。該工作臺(tái)可用于銑床上坐標(biāo)孔的加工和臘摸、塑料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復(fù)定位精度為±0.01mm，定位精度為0.025mm。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：負(fù)載重量g=150n；臺(tái)面尺寸c×b×h145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸c1×b1×h1210mm×220mm×14

5、0mm；最大長(zhǎng)度l=388mm；工作臺(tái)加工范圍x=55mm，y=50mm；工作臺(tái)最大快移速度為1m/min。1.2 總體方案確定（1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動(dòng)的過程中沒有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)x-y工作臺(tái)。（2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用了與mcs-51系列兼容的at89s51單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、led、i/o接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。led

6、顯示數(shù)控工作臺(tái)的狀態(tài)。（3）x-y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙v形滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)?？紤]電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。 圖1-1 系統(tǒng)總體框圖二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1、工作臺(tái)外形尺寸及重量估算x向拖板（上拖板）尺寸：長(zhǎng)寬高 145×160×50重量：按重量=體積×材料比重估算ny向拖板（下拖板）尺

7、寸： 重量：約90n。上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量：夾具及工件重量：約150n 。x-y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約287n。2.2、滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定、導(dǎo)軌型式：圓形截面滾珠導(dǎo)軌、導(dǎo)軌長(zhǎng)度上導(dǎo)軌（x向）取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 動(dòng)導(dǎo)軌行程 支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度 下導(dǎo)軌（y向） 選擇導(dǎo)軌的型號(hào)：gta16 、直線滾動(dòng)軸承的選型上導(dǎo)軌下導(dǎo)軌由于本系統(tǒng)負(fù)載相對(duì)較小，查表后得出lm10uuop型直線滾動(dòng)軸承的額定動(dòng)載荷為370n，大于實(shí)際動(dòng)負(fù)載；但考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素最后選擇lm16uuop型直線滾動(dòng)軸承。并采用雙排兩列4個(gè)直線滾動(dòng)軸承來實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)平臺(tái)的支撐。、滾動(dòng)導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法 當(dāng)工作臺(tái)往復(fù)移動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)壓在兩端滾動(dòng)體上的壓

8、力會(huì)發(fā)生變化，受力大的滾動(dòng)體變形大，受力小的滾動(dòng)體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力相等，工作臺(tái)保持水平；當(dāng)導(dǎo)軌移動(dòng)到位置或時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力不相等，變形不一致，使工作臺(tái)傾斜角，由此造成誤差。此外，滾動(dòng)體支承工作臺(tái)，若工作臺(tái)剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會(huì)使工作臺(tái)下凹（有時(shí)還可能出現(xiàn)波浪形），影響導(dǎo)軌的精度。 2.3、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時(shí)的情況計(jì)算。、最大動(dòng)負(fù)載q的計(jì)算查表得系數(shù)，壽命值查表得使用壽命時(shí)間t=15000h，初選絲杠螺距t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速所以 x向絲杠牽引力 y向絲杠牽引力所以最大動(dòng)負(fù)荷x向 y

9、向 查表，取滾珠絲杠公稱直徑 ，選用滾珠絲杠螺母副 的型號(hào)為 sfk1004，其額定動(dòng)載荷為390n，足夠用。、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算表2-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名 稱符 號(hào)計(jì)算公式和結(jié)果螺紋滾道公稱直徑10螺距接觸角鋼球直徑螺紋滾道法面半徑偏心距螺紋升角螺桿螺桿外徑螺桿內(nèi)徑螺桿接觸直徑螺母螺母螺紋外徑螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）見表2-1。、傳動(dòng)效率計(jì)算式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。、剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載p引起的導(dǎo)程的變化量y向所受牽引力大，故應(yīng)用y向參數(shù)計(jì)算 所以 絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略。所以導(dǎo)程總誤差查表知e級(jí)精度的絲杠允許誤差，故剛度足夠。、穩(wěn)定性驗(yàn)算由于絲杠兩

10、端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。2.4、步進(jìn)電機(jī)的選用、步進(jìn)電機(jī)的步距角取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī)步距角。、步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為t，負(fù)載力為p，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力做功有如下關(guān)系式中： 電機(jī)轉(zhuǎn)角； 移動(dòng)部件的相應(yīng)位移； 機(jī)械傳動(dòng)效率。若取 ，則，且，所以式中： 移動(dòng)部件負(fù)載（n）；g移動(dòng)部件重量（n）； 與重量方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（n）； 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；步進(jìn)電機(jī)步距角，（rad）；t電機(jī)軸負(fù)載力矩（）本例中，取（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），為絲杠牽引力，。考慮到重力影響，y向電機(jī)負(fù)載較大，因此取，所以若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影

11、響，則啟動(dòng)力矩取安全系數(shù)為0.3，則 對(duì)于工作方式為三相六拍的三相步進(jìn)電機(jī) 、步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率查表選用兩個(gè)45bf005-型步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見表2-2。表2-2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)型 號(hào)主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸重量步距角最 大靜轉(zhuǎn)距最高空載啟動(dòng)頻率()相數(shù)電壓電流外徑長(zhǎng)度軸徑45bf005-1519.630003272.545584112.5、確定齒輪傳動(dòng)比因步進(jìn)電機(jī)步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)比選 ， 。2.6、確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸因傳遞的扭距較小，取模數(shù)，齒輪有關(guān)尺寸見表3-3。2.7、步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算表2-3 齒輪尺寸 1

12、728171914.55 283025.5517.5根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，得式中： 折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（）； 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；齒輪 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；齒輪 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；m移動(dòng)部件質(zhì)量（）。對(duì)材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算式中：d圓柱零件直徑（cm）；l零件長(zhǎng)度（cm）。所以電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，則因?yàn)椋詰T性匹配比較符合要求。三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)x-y數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)硬件主要包括cpu、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)、傳感器、人機(jī)交互界面。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意幾點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價(jià)低、可維護(hù)性、人機(jī)交互界面可操作性比較好。3.1

13、cpu板3.1.1 cpu的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號(hào)很多，而目前市場(chǎng)上應(yīng)用mcs-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)89c51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機(jī)，mcs-96系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運(yùn)算和擴(kuò)展能力。但是定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價(jià)比。從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無疑提高了設(shè)計(jì)價(jià)格，而選用高性能的16位mcs-96又顯得過于浪費(fèi)。生產(chǎn)基于5

14、1為內(nèi)核的單片機(jī)的廠家有intel、atmel、simens，其中在cmos器件生產(chǎn)領(lǐng)域atmel公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。atmel公司的at89系列單片機(jī)內(nèi)含flash存儲(chǔ)器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)掉電也不影響信息的保存；它和80c51插座兼容，并且采用靜態(tài)時(shí)鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件cpu選用at89s51，at表示atmel公司的產(chǎn)品，9表示內(nèi)含flash存儲(chǔ)器，s表示含有串行下載flash存儲(chǔ)器。at89s51的性能參數(shù)為：flash存儲(chǔ)器容量為4kb、16位定時(shí)器2個(gè)、中斷源6個(gè)（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時(shí)器0和定

15、時(shí)器1中斷）、ram為128b、14位的計(jì)數(shù)器wdt、i/o口共有32個(gè)。3.1.2 cpu接口設(shè)計(jì)cpu接口部分包括傳感器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示：（行程開關(guān)）前向通道傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)（電磁鐵）（步進(jìn)電機(jī)）人機(jī)界面?zhèn)鞲衅鱝t89s51（鍵盤、led）后向通道 圖3-1 cpu外部接口示意圖at89s51要完成的任務(wù)：（1）將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入cpu，通過中斷進(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。（2）通過程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)和電磁鐵的運(yùn)行。（3）接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應(yīng)到led上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。由于at89s51只有p1口和p3口是準(zhǔn)雙向口，

16、但p3口主要以第二功能為主，并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進(jìn)行i/o擴(kuò)展?？紤]到電路的簡(jiǎn)便性和可實(shí)現(xiàn)性，實(shí)際中采用內(nèi)部自帶鎖存器的8155，所以at89s51的i/o口線分配如下：（1）p1.0-p1.5控制x-y兩個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)的a、b、c線圈通電，形成a-ab-b-bc-c-ca-a三相六拍正轉(zhuǎn)模式和a-ac-c-cb-b-ba-a的反轉(zhuǎn)模式。（2）p1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。（3）p3.2和p3.3兩個(gè)中斷源中int0優(yōu)先級(jí)最高，它讀入行程開關(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；int1讀入點(diǎn)動(dòng)、復(fù)位、圓弧插補(bǔ)開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。（4）p0.0-p0.7外部i/o擴(kuò)展的數(shù)據(jù)讀取。（5）p

17、2.7和p2.6決定8155的pa、pb、pc口的地址。p1.0-p1.2驅(qū)動(dòng)1x步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)2y步進(jìn)電機(jī)p1.3-p1.5p1.6驅(qū)動(dòng)3p3.2外部中斷1p3.3外部中斷2p0.0-p0.7ad0ad7p2.7cep2.6io/mpb 口pa口pc口at89s51鍵盤電磁鐵8155 圖3-2 at89s51控制系統(tǒng)圖pb口接led反映當(dāng)前運(yùn)行的8個(gè)狀態(tài)：x+禁止、x-禁止、y+禁止、y-禁止、手動(dòng)x+運(yùn)行、手動(dòng)x-運(yùn)行、手動(dòng)y+運(yùn)行、手動(dòng)y-運(yùn)行。pa口低四位反映觸發(fā)中斷1的4個(gè)行程開關(guān)的狀態(tài)。pc口低6位反映了觸發(fā)中斷2的手動(dòng)x+運(yùn)行、手動(dòng)x-運(yùn)行、手動(dòng)y+運(yùn)行、手動(dòng)y-運(yùn)行、復(fù)位（rst

18、）、圓弧插補(bǔ)6個(gè)開關(guān)的狀態(tài)。3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、定位和退刀時(shí)能快速運(yùn)行、工作時(shí)能帶動(dòng)工作臺(tái)并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運(yùn)行。在定位和退刀時(shí)電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時(shí)能及時(shí)釋放磁力使筆尖壓下。3.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線行進(jìn)0.01mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù)cpu的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)將大的電壓加在cpu上使其燒壞。圖3-4 步進(jìn)電

19、機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖該電路中的功放電路是一個(gè)單電壓功率放大電路，當(dāng)a相得電時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管d起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲(chǔ)存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。與繞組w串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動(dòng)機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（三個(gè)線圈a、b、c），其正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篴-ab-b-bc-c-ca-a，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篴-ac-c-cb-b-ba-a。步進(jìn)時(shí)鐘a相波形b相波形c相波形圖3-5 三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（正轉(zhuǎn)）3.2.2 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路 該驅(qū)動(dòng)電路也采用了光電偶合

20、器，但其功放電路相對(duì)簡(jiǎn)單。其光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電磁鐵的電流比較大。圖3-6 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路3.2.3 電源設(shè)計(jì)兩電機(jī)同時(shí)工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)中用到的電源電壓為27v、12v、5v，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標(biāo)準(zhǔn)的27v電源作為基準(zhǔn)，通過芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12v和5v電壓。圖3-7 電源轉(zhuǎn)換電路圖電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個(gè)電容，前面電容起防止自激作用，后面電容起濾波作用。此外，在具體應(yīng)用的過程中，lm7805必須加上散熱片。3.3 傳感器和人機(jī)界面 由于步進(jìn)電機(jī)不需要反饋電路，但是要注意工作臺(tái)不能超過最大行

21、程。因此，必須在x、y軸的方向各加上兩個(gè)行程開關(guān)。這里行程開關(guān)作用有兩個(gè)：（1）防止工作臺(tái)超過最大行程，使電機(jī)損壞（2）可以用與定位。所以這4個(gè)行程開關(guān)就充當(dāng)了傳感器。人機(jī)界面設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則就是要有良好的人機(jī)交互能力，一般要求操作簡(jiǎn)便，界面簡(jiǎn)潔明了。此系統(tǒng)中共有9個(gè)led，led1燈亮表示x軸負(fù)方向禁止通行，led2燈亮表示x軸正方向禁止通行，led3燈亮表示y軸負(fù)方向禁止通行，led4燈亮表示y軸正方向禁止通行，led5燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向x軸負(fù)方向通行，led6燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向x軸正方向通行，led7燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向y軸負(fù)方向通行，led8燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向y軸正方向通行，l

22、ed9亮表示系統(tǒng)通電運(yùn)行。界面上的7個(gè)按扭意義為：按扭1是通斷電開關(guān)，按扭2是向x軸負(fù)方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按扭3是向x軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按扭4是向y軸負(fù)方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按扭5是向y軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按扭6是復(fù)位開關(guān)，按扭7是執(zhí)行繪制圓弧開關(guān)。圖3-8 人機(jī)界面圖3.4 本章小節(jié)本章著重介紹了數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。cpu板介紹了cpu的選擇及其外圍的接口設(shè)計(jì)和控制流程；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹了步進(jìn)電機(jī)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；此外還敘述了人機(jī)界面各個(gè)按扭和led的意義。四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 總體方案對(duì)于at89s51的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)現(xiàn)的功能較簡(jiǎn)單，采用匯編的形式。編譯器采

23、用keil 7.02b。該編譯器是51系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的常用工具，既可用匯編，也支持c語(yǔ)言編譯。同時(shí)具有完善的調(diào)試功能。4.2 主流程圖上電復(fù)位p1.6=0，吸合電磁鐵，繪筆抬起外部中斷，8155初始化開外部中斷，開總中斷等待中斷ctl equ 3ff8hpa equ 3ff9hpb equ 3ffahpc equ 3ffbhcmd equ 02horg 0000hajmp mainorg 0003hajmp int0is ；外部中斷0入口org 000bhajmp tm0is ；定時(shí)器0中斷入口org 0013hajmp int1is ；外部中斷1入口org 001bhajmp tm1is

24、 ；定時(shí)器1中斷入口org 0100hmain：anl p1，0efh setb it0 ；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā) 圖4-1 setb it1 mov a，ctl mov dptr，a movx dptr，cmd ；a口輸入，b口輸出，c口輸入 setb ex0 ；允許外中斷0 setb ex1 ；允許外中斷1 setb px0 setb px1 ；設(shè)置優(yōu)先級(jí) setb ea ；開總中斷 loop：ajmp loop ；等待中斷在等待中斷的過程中，如果有中斷到來，先檢查中斷0的狀態(tài)，是中斷0則進(jìn)入中斷0的中斷服務(wù)int0is，是中斷1則進(jìn)入中斷1的中斷服務(wù)int1is。中斷服務(wù)0是由4個(gè)行程開關(guān)觸發(fā)

25、的，它觸發(fā)后通過單片機(jī)讀取pa口內(nèi)容，然后將結(jié)果反饋到pb口的led上。中斷服務(wù)1有6個(gè)中斷源，這六個(gè)中斷源分別是手動(dòng)x正方向運(yùn)行，手動(dòng)x負(fù)方向運(yùn)行，手動(dòng)y正方向運(yùn)行，手動(dòng)y負(fù)方向運(yùn)行，復(fù)位和繪制圓弧。4.3 int0中斷服務(wù)流程圖int0is：push acc push dptl push dpth push psw mov a，pa mov dptr，a movx a，dptr ；讀pa口內(nèi)容 mov r2，a mov a，pb mov dptr,a mov dptr,r2 mov a，r2 cpl a ；a取反 anl a，#03h ；屏蔽高6位 jz a，tm2c setb p1.0

26、setb p1.1 setb p1.2tm2c： mov a，r2 cpl a anl a，#0ch jz a，retin setb p1.3圖4-2 setb p1.4 setb p1.5 retin：pop psw pop dpth pop dptl pop acc reti4.4 int1中斷服務(wù)流程圖int1is：clr ex1 mov a，dptr push acc jnb acc.4，rstpush psw jnb acc.0，x+en push dptl jnb acc.1，x-en push dpth jnb acc.2，y+en clr p1.6 jnb acc.3，y-en

27、 mov a，pc jnb acc.5，arc mov dptr，a loop1：pop dpth movx a，dptr；讀pc口內(nèi)容 pop dptl mov r1，a pop psw anl r1，#0fh pop acc mov a，pb setb ex1 mov dptr，a reti mov a，dptr；讀pb口內(nèi)容 anl a，#0fh swap a orl a，r1 mov r2，a mov a，pb mov dptr，a movx dptr，r2；數(shù)據(jù)輸入pb口 inc dptl4.4.1 復(fù)位程序流程圖 dirx equ 30h diry equ 31hrst： clr

28、p1.6rpa： mov a，pa mov dptr，a movx a，dptr ；讀pa口內(nèi)容 jnb acc.0，acc2 mov dirx，#00h ；表x電機(jī)反轉(zhuǎn) acall xmotor0 ；x電機(jī)反轉(zhuǎn)一步acc2： jnb acc.2，loop0 mov diry，#00h ；表y電機(jī)反轉(zhuǎn) acall ymotor0 ；y電機(jī)反轉(zhuǎn)一步 ajmp rpaloop0：ajmp loop14.4.2 x軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖x+en： clr p1.6 mov a，pa mov dptr，a movx a，dptr jnb acc.0，loop2motor0： mov dirx，#01

29、h acall xmotor0 mov a，pc mov dptr，a mov a，dptr jnb acc.0，motor0loop2： ajmp loop1這是x軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)的程序，其他的x軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)、y軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)、y軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)依次類推。4.4.3 繪制圓弧程序流程圖 圖4-6 逐點(diǎn)比較法畫圓弧 逐點(diǎn)比較法原理：假設(shè)所畫圓弧在第一象限，圓心坐標(biāo)為（0，0），圓弧上點(diǎn)的坐標(biāo)為（x，y），圓弧半徑為r，每一點(diǎn)的坐標(biāo)偏差為f=x*x+y*y-r*r，若f0，應(yīng)沿x軸負(fù)方向走一步，此時(shí)fx=（x-1）*（x-1）+y*y-r*r=f-2x+1，x=x-1；若f0，應(yīng)沿y軸正方向走一步

30、，此時(shí)fy=x*x+（y-1）*（y-1）-r*r=f+2y+1，y=y+1。插補(bǔ)程序見附錄。4.4.4 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖 圖4-7 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖def equ 12h sjmp lp3mov def，#00h tab： db fehxmotor1：jne dirx，#01h，xmotor0 db fch jne def，#05h，lp2 db fdh clr def db f9h lp2： mov a，def db fbh inc def db fahlp3： mov dptr，#tab movc a，a+dptr anl p1，a acall delay retxm

31、otor0：jne def，#00h，lp4 mov a，#05h mov def，alp4： mov a，def dec def五、附錄參 考 文 獻(xiàn)1 鄭學(xué)堅(jiān),周斌.微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用.清華大學(xué)出版社,20032 李廣弟,朱月秀，王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ).北京航空航天大學(xué)出版社,20013 房小翠.單片微型計(jì)算機(jī)與機(jī)電接口技術(shù).國(guó)防工業(yè)出版社,20024 王小明. 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制. 北京航空航天大學(xué)出版社,20025 李建勇.機(jī)電一體化技術(shù).科學(xué)出版社.20046 王愛玲，白恩遠(yuǎn)，趙學(xué)良.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.國(guó)防工業(yè)出版社,20017 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（3）.機(jī)械工業(yè)出版社,20038 張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京理工出版社,20049 徐灝等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)m.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,