X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)1

1、1X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)312機(jī)械c班課程設(shè)計(jì) 摘要摘 要 X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)本次使用一個(gè)半閉環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.實(shí)現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度.降低成本,是微機(jī)控制技術(shù)的最簡(jiǎn)單的應(yīng)用.它充分的利用了危機(jī)的軟件硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制;使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大,精度和可靠性進(jìn)一步得到提高.X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是選用ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)AT89S51作為控制系統(tǒng)的CPU,及2764,6264存儲(chǔ)器及8155芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定的程序以實(shí)現(xiàn)一定的加工功能.其基本思想是:通過(guò)圓弧或者直線插補(bǔ)程序以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行幾何加工,每進(jìn)行一段加工都要

2、產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn),同時(shí)通過(guò)8155將相應(yīng)的加工進(jìn)刀信息送至刀架庫(kù)中以實(shí)現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機(jī)和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所以實(shí)現(xiàn)了刀具對(duì)工件的加工。該控制系統(tǒng)采用軟件中斷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，條件明確在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控中應(yīng)用較多。中斷結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)便于修改和擴(kuò)充，編制較為方便，便于向多處理方向發(fā)展。X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)移成角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個(gè)脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)放入其中的通電導(dǎo)體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時(shí)具有力的作用，從實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的

3、轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)輸入脈沖的數(shù)量、通電順序以及輸入脈沖的頻率來(lái)使電動(dòng)機(jī)獲得不同的轉(zhuǎn)數(shù)、方向以及快慢以實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)。本次的X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是步進(jìn)電機(jī)、微型計(jì)算機(jī)、插補(bǔ)原理、匯編語(yǔ)言以及CAD的綜合應(yīng)用。 具體步驟大概分為以下幾部分：一、總體方案的確定；二、機(jī)械部分的設(shè)計(jì)；三、硬件部分的設(shè)計(jì)；四、軟件部分的設(shè)計(jì)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究方案主要從已有資料與所學(xué)知識(shí)入手，以當(dāng)今機(jī)械領(lǐng)域?qū)-y數(shù)控工作臺(tái)的各種高技術(shù)指標(biāo)需求為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合前人做出的相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)完成本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。作為一個(gè)剛剛畢業(yè)的大學(xué)生，我在此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)遇到種種難題，這需要用心去翻閱相關(guān)資料，虛心向老師詢問(wèn)，在老師的指導(dǎo)下完成

4、該畢業(yè)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：X-Y數(shù)控工作臺(tái)，機(jī)電系統(tǒng)，微型計(jì)算機(jī)，AT89S51單片機(jī) III III III512機(jī)械c班課程設(shè)計(jì) 目錄 目錄摘 要IAbstract II1 緒論1 1.1 兩坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)課題研究意義1 1.2 兩坐標(biāo)系數(shù)控工作臺(tái)課題研究主要內(nèi)容 1 1.2.1 兩坐標(biāo)系系統(tǒng)的組成 12 任務(wù)描述及總體方案的確定2 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 2 2.2 總體方案的確定22.2.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇2 2.2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)33 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)4 3.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 4 3.2 銑削力的計(jì)算4 3.3 直線導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 4 3.3.1 滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)算

5、及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 4 3.3.2 距離額定壽命L的計(jì)算 5 3.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型5 3.4.1 最大工作載荷Fm的計(jì)算5 3.4.2 最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算 5 3.4.3 初選型號(hào)5 3.4.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算6 3.4.5 剛度驗(yàn)算6 3.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核6 3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 6 3.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 7 3.6.1 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq7 3.6.2 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq28 3.6.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定8 3.6.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 9 3.7 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用104 控

6、制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)11 4.1 CPU板 11 4.1.1 CPU的選擇11 4.1.2 CPU接口設(shè)計(jì)11 4.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)13 4.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理 13 4.2.2 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路 14 4.2.3 電源轉(zhuǎn)換 15 4.2.4 中斷處理器的選擇15 4.3 傳感器和人機(jī)界面 16 4.4 本章小節(jié)175 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)18 5.1 總體方案18 5.2 主流程圖18 5.3 INT0中斷服務(wù)流程圖 20 5.4 INT1中斷服務(wù)流程圖 21 5.5 復(fù)位程序流程圖 23 5.6 X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖 24 5.7 繪制圖弧程序流程圖25 5.8 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序

7、流程圖28 5.9 X向步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行指定距離的半閉環(huán)程序流程圖和程序29結(jié)論 31參考文獻(xiàn) 32致謝 33612機(jī)械c班課程設(shè)計(jì) 第1章 緒論 第1章 緒 論1.1 兩坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)課題研究意義X-Y數(shù)控工作臺(tái)作為許多機(jī)床上的一個(gè)重要組成部分，它與機(jī)床的發(fā)展有著同樣重要的意義。X-Y數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。隨著X-Y數(shù)控工作臺(tái)的多樣化，靈活化，自動(dòng)化，相比于傳統(tǒng)機(jī)床的X-Y工作臺(tái)，它能加工出更加復(fù)雜的零件，滿足更高的精度要求。對(duì)它的研究能增強(qiáng)我們對(duì)機(jī)床的更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，以便

8、運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去設(shè)計(jì)出功能更加強(qiáng)大的數(shù)控工作臺(tái)，為先進(jìn)機(jī)床的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.2 兩坐標(biāo)系數(shù)控工作臺(tái)課題研究主要內(nèi)容 X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是選用ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)AT89S51作為控制系統(tǒng)的CPU,及2764,6264存儲(chǔ)器及8155芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定的程序以實(shí)現(xiàn)一定的加工功能.其基本思想是:通過(guò)圓弧或者直線插補(bǔ)程序以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行幾何加工,每進(jìn)行一段加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn),同時(shí)通過(guò)8155(1)將相應(yīng)的加工進(jìn)刀信息送至刀架庫(kù)中以實(shí)現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機(jī)和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所以實(shí)現(xiàn)了刀具對(duì)工件的加工。本課題的基本類容有： 一、整體

9、設(shè)計(jì)方案的擬定；二、機(jī)械部分的設(shè)計(jì)；三、控制系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)；四、重要圖紙的繪制。1.2.1 兩坐標(biāo)系系統(tǒng)的組成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，此次采用半閉環(huán)控制，需要選擇和計(jì)算主要機(jī)械傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠、螺母副、步進(jìn)電機(jī)、減速箱、半閉環(huán)檢測(cè)器等，繪制機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖，繪制單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件線路圖。1712機(jī)械c班課程設(shè)計(jì) 第2章 任務(wù)描述及總體控制方案的確定 第2章 任務(wù)描述及總體方案的確定2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一種供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：1、立銑刀最大直徑d=15mm；2、立銑刀齒數(shù)Z=3；3、最大銑削寬度；4、最大背吃刀量；5、加工材料為碳素鋼

10、或有色金屬；6、X、Y方向的脈沖當(dāng)量；7、X、Y方向的定位精度均為；8、工作臺(tái)面尺寸為260mm×260mm；加工范圍為280mm×280mm；9、工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度；10、工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度。2.2 總體方案的確定2.2.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇（1）導(dǎo)軌副的選用 導(dǎo)軌是數(shù)控機(jī)床的重要部件之一，它在很大程度上決定數(shù)控機(jī)床的剛度，精度與精度保持性。目前的數(shù)控機(jī)床采用導(dǎo)軌形式的主要有：滑動(dòng)導(dǎo)軌，滾動(dòng)導(dǎo)軌，靜壓導(dǎo)2912機(jī)械c班課程設(shè)計(jì) 第2章 任務(wù)描述及總體控制方案的確定 軌三類。要設(shè)計(jì)的X-Y工作是用來(lái)配套輕型的立式數(shù)控銑床的，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精

11、度高，因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。（2）絲杠螺母副的選擇伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，由題目給出的要求，定位精度為±0.01mm，脈沖當(dāng)量要達(dá)到0.005mm，滑動(dòng)絲杠副不能達(dá)到此要求，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。（3）減速裝置的選用在選擇了步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠副以后，為了簡(jiǎn)便起見，還需圓整脈沖當(dāng)量，放大3電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消除間隙機(jī)構(gòu)。為此

12、，本次設(shè)計(jì)選用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。（4）伺服電機(jī)的選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或?yàn)殡A躍電動(dòng)機(jī)，目前，隨著電子技術(shù)，控制技術(shù)以及電動(dòng)機(jī)本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)的電機(jī)分類的間界面越來(lái)越模糊；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)定義為：根據(jù)輸入的脈沖信號(hào)，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度，若不改變勵(lì)磁狀態(tài)則保持一定的狀態(tài)而靜止；廣義的定義為，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無(wú)刷式直流電動(dòng)機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的電動(dòng)機(jī)。選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開環(huán)控制，閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。，任務(wù)書初選的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有3000mm

13、/min,故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。（5）檢測(cè)裝置的選用選用步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī)之后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角想匹配?？紤]到X、Y兩個(gè)方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計(jì)工作量，X、Y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲桿螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)，以及檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。2

14、.2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （1）設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控制，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)AT89S51作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。（3）要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤存儲(chǔ)器、I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。（4）選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。31612機(jī)械c班課程設(shè)計(jì) 第3章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第3章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照

15、下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來(lái)進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為800N。3.2 銑削力的計(jì)算銑削的方式有立銑和臥銑，假設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀具，工件的材料為碳鋼。由設(shè)計(jì)指導(dǎo)書中的表3-7查得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為： （6-11） 根據(jù)要求選銑刀直徑d=15mm，齒數(shù)Z=3，為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削的情況下，取最大銑削寬度=15mm，背吃刀量=8mm，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min，則由式（6-11）求得最大銑削力：采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由表3

16、-5查得，結(jié)合圖3-4a，考慮立銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別是：，。圖3-4a為臥式情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別是和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作太的縱向，則縱向銑削力=1609N，徑向銑削力。3.3 直線導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型3.3.1 滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中的X-Y工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支撐形式?？紤]極限情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受到的最大垂直方向的載荷為： (6-12)4其中，移動(dòng)部件重量G=850.5N，

17、外加載荷，代入式（6-12），最大工作載荷。查表3-41，根據(jù)工作載荷,初選直線滾 動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG15型，其額定動(dòng)載荷,額定靜載荷。任務(wù)中規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為270mm×210mm,加工范圍為290mm×230mm,考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為580mm。3.3.2 距離額定壽命L的計(jì)算 上述選取的KL系列JSA-LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過(guò)100，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級(jí)，工作速度較低7，載荷不大。查表3-36到3-40，分別取硬度系數(shù)、精度系數(shù)、載荷系數(shù)為,代入式（3-3

18、3），得距離壽命：遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求。3.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型3.4.1 最大工作載荷的計(jì)算 由前面可知，在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲桿軸線平行）,受到橫向載荷（與絲桿軸線垂直），受到垂直方向載荷（與工作臺(tái)面垂直）。已知移動(dòng)部件總重量G=1100N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表設(shè)計(jì)手冊(cè)表，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)u=0.005。求得滾珠絲桿副的最大工作載荷：3.4.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算根據(jù)給定的任務(wù)要求，工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/=80r/min

19、。取滾珠絲桿的使用壽命T=15000h，代入,得絲桿壽命系數(shù)=72（單位為：）。查機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)書3-30，取載荷系數(shù)=1.2，滾道硬度為60HRC時(shí)，取5硬度系數(shù),代入式（3-23），求得最大動(dòng)載荷：3.4.3 初選型號(hào)由以上計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲桿導(dǎo)程，查機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)書3-31，選擇濟(jì)寧博特精密絲桿制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲桿副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其工程直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級(jí)為5級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N，大于,滿足要求。3.4.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑，導(dǎo)程，代入，得絲桿螺旋升角。將摩擦角，代

20、入），得傳動(dòng)效率。3.4.5 剛度驗(yàn)算1）x-y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲桿副的支撐均采用“單推-單推”式，。絲桿的兩端各采用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距約為;剛的彈性模量E=2.110MPa；查表3-31，得滾珠直徑，絲桿低徑，絲桿截面積。忽略式中第二項(xiàng)，算得絲桿在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量。2）根據(jù)公式,求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號(hào)絲桿為雙螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式：，得滾珠總數(shù)量。絲桿預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力.則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。 因?yàn)榻z桿有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減少一半，去。3） 將以上算出的和代

21、入，求得絲桿總變形量（對(duì)應(yīng)跨度560mm）總。本例中，絲桿的有效行程為386mm，由表3-27知，5級(jí)精度滾珠絲桿有效行程在315至400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到，可見絲桿剛度足夠。3.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)書公式（3-28）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷。查表3-34，取支承系數(shù)；由絲桿底徑，求得界面慣性矩6;壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲桿臥式水平安裝）；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離 a取最大值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷,遠(yuǎn)大于工作載荷,故絲桿不會(huì)失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲桿副滿足使用要求。3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電機(jī)的輸

22、出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使?jié)L珠絲桿和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上盡可能的小，今在步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級(jí)減速，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲桿的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用裝配圖中的彈簧錯(cuò)齒法來(lái)消除間隙。 已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量/脈沖，滾珠絲桿的導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)的步距角。根據(jù)機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)書中式（3-12），算得減速比： 本設(shè)計(jì)選用常州市新月電機(jī)有限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒輪比為75：36，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒輪表面淬硬后達(dá)到55HRC。減速箱中心距為，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度為10mm。3.6

23、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型3.6.1 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由選出的絲桿查表可知：滾珠絲桿的公稱直徑，總長(zhǎng)，導(dǎo)程，材料密度；移動(dòng)部件總重力；小齒輪寬度，直徑；大齒輪寬度，直徑；傳動(dòng)比。如表4-1表示，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；拖板折算到絲桿上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，兩相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為，從表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：7（1） 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩（2） 分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載

24、兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1） 快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式（4-8）可知，包括三部分：一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲桿預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲桿副的傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： （6-13）根據(jù)式（4-9），考慮傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： 式中 對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間，單位為s。其中： （6-15） 式中 空載最快

25、移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為； 脈沖當(dāng)量，本例脈沖。將以上各值代入式（6-15），算得。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間，傳動(dòng)鏈總效率。則由式（6-14）求得： 由式（4-10）可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： （6-16）式中 導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005； 垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0； 傳動(dòng)鏈總效率，取0.7。則由式（6-16），得： 最后由式（6-13），求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： （6-17）83.6.2 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)

26、轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩：一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲桿預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： （6-18）其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式（4-14）計(jì)算。本次設(shè)計(jì)中在對(duì)滾珠絲桿進(jìn)行計(jì)算時(shí)，已知沿著絲桿軸線方向的最大進(jìn)給載荷，則有： 再由式（4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（）情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：最后由式（6-18），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： （6-19）經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： 3.6.3 步進(jìn)電

27、動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （6-20）上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，由表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩?？梢?，滿足式（6-20）要求。3.6.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1） 最快工作速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺(tái)最快工作速度，脈沖當(dāng)量脈沖，由式（4-16）求出電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖6-24可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)

28、遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。2） 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核9任務(wù)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度，仿照式（4-16）求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從圖6-24查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。3） 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與最快空載移動(dòng)速度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為。查表4-5可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)，可見沒(méi)有超出上限。4） 起動(dòng)頻率的計(jì)算已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率（查表4-5）。則由式（4-17）可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率： 上述說(shuō)明，要想保

29、證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有（即100脈沖/s）。綜上所述，此次設(shè)計(jì)中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。3.7 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本次畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書中要求采用半閉環(huán)控制，因此，可在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)，需要控制系統(tǒng)發(fā)出480個(gè)步進(jìn)脈沖。這里選用480線的編碼器，可一對(duì)一的檢測(cè)到實(shí)際輸出脈沖，將測(cè)量誤差減到最小。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步

30、進(jìn)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)信號(hào)。 本例選擇編碼器的型號(hào)為ZLK-A-480-05VO-10-H：盤狀空心型，孔徑為10mm，與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓為+5V，每轉(zhuǎn)輸出480個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出，生產(chǎn)廠家為長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。102312機(jī)械c班課程設(shè)計(jì) 第4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 第4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 CPU板4.1.1 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

31、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(lái)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(wú)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(guò)于浪費(fèi)。生產(chǎn)基于51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F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，在程序開發(fā)過(guò)程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)掉電

32、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F(xiàn)lash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)。4.1.2 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：11（行程開關(guān)）前向通道傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)（電磁鐵）（電機(jī)）人機(jī)界面?zhèn)鞲?/p>

33、器AT89S51（鍵盤、LED）后向通道圖4.1 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(guò)中斷進(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。（2）通過(guò)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。（4）切削液泵電機(jī)要在工作臺(tái)運(yùn)行開始前開啟，并能實(shí)現(xiàn)主軸的有級(jí)變速。由于AT89S51只有P1口和P3口是準(zhǔn)雙向口，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/

34、O口線分配如下：（1）P1.0-P1.3控制X-Y兩個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)的A、B的線圈通電，形成A（+）-A（+）B（-）-B（-）-B(-)A(-)-A(-)-A(-)B(+)-B(+)-B(+)A(+)-A(+)兩相八 拍正轉(zhuǎn)模式和A（ +）-A（+）B(+)-B(+)-B(+)A(-)-A(-)-A(-) B(-)-B(-)-B(+)A(-)-A(+)的反轉(zhuǎn)模式。(2)P1.4控制切削液泵電機(jī)，P1.5控制多速電機(jī)。（3）P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。（4）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、直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)開關(guān)的狀態(tài)而

35、觸發(fā)中斷，切削液的開關(guān)和多速電機(jī)的啟動(dòng)不作為中斷對(duì)象，他們是在工作臺(tái)運(yùn)行前進(jìn)行動(dòng)作的。（5）P0.0-P0.7外部I/O擴(kuò)展的數(shù)據(jù)讀取。（6）P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址12圖4.2 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）、圓弧插補(bǔ)6個(gè)開關(guān)的狀態(tài)。4.2 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

36、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。4.2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理步進(jìn)電機(jī)的速度控制是經(jīng)過(guò)輸出脈沖和反饋信號(hào)相比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線行進(jìn)0.005mm。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。13圖4.3 步進(jìn)電機(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

37、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(guò)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(guò)繞組的電流不至超過(guò)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)采用的是二相八拍的工作方式（二個(gè)線圈A、B），其正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈（+）-A（+）B（-）-B（-）-B(-)A(-)-A(-)-A(-)B(+)-B(+)-B(+)A(+)-A(+)，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈（ +）-A（+）B(+)-B(+)-B(+)A(-)-A(-)-A(-) B(-)-B(-)-B(+)A(-)-A(+)。14下圖是以74LS1

38、94為核心的邏輯電路，為驅(qū)動(dòng)電路提供所需脈沖和二相八拍的驅(qū)動(dòng)波形，其中輸入端的TR為電機(jī)正反控制端；CLK為HOS4發(fā)出的時(shí)鐘脈沖。PHASE端為步進(jìn)電機(jī)繞組電流的正反向控制端。二相八拍的控制邏輯電路如74LS194所示：14 圖4.4 74LS194 74LS194邏輯電路輸出的二相八拍驅(qū)動(dòng)波形如下圖所示：圖4.5 波形圖4.2.2 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。1416圖4.6電磁驅(qū)動(dòng)電路圖4.2.3 電源轉(zhuǎn)換 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

39、到的電源電壓為100VAC、12V、5V、1V，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標(biāo)準(zhǔn)的BD28Nb型驅(qū)動(dòng)電源，輸入電壓為100VAC，通過(guò)芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V、5V和1V電壓圖4.7 電源轉(zhuǎn)換電路圖15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(guò)程中，LM7805必須加上散熱片。圖中只畫出了12V和5V的電壓轉(zhuǎn)換，1V的電壓轉(zhuǎn)換與5V的相同。4.2.4 中斷處理器的選擇 中斷處理器采用或非門，因?yàn)楫?dāng)中斷中的任意一個(gè)中斷源發(fā)出信號(hào)時(shí)，CPU都應(yīng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)響應(yīng)中斷。圖4.8 中斷系統(tǒng)圖4.3 傳感器和人機(jī)界面 步進(jìn)電機(jī)設(shè)置為半閉

40、環(huán)反饋電路，工作臺(tái)不能超過(guò)最大行程。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(guò)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11個(gè)LED，LED1燈亮表示X軸負(fù)方向禁止通行，LED2燈亮表示16X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

41、亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向Y軸正方向通行，LED9亮表示系統(tǒng)通電運(yùn)行，LED10亮表示切削液電機(jī)開，LED11亮表示主軸多速電機(jī)開。界面上的9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18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)17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)，按扭8是打開切削液電機(jī)，按鈕9是打開多速電機(jī)。 圖4.9 人機(jī)界面圖4.4 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

42、還敘述了人機(jī)界面各個(gè)按扭和LED的意義。1735攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 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。5.2 主流程圖18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，開總中斷等待中斷圖5.1 主程序流程圖程序如下：CTL EQU 3FF8H ；控制口地址PA EQU 3FF9H ；PA口地址PB EQU 3FFAH

43、 ；PB口地址PC EQU 3FFBH ；PC口地址CMD EQU 99H ；控制字ORG 0000H AJMP MAIN ；主程序入口ORG 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 ；定時(shí)器1中斷入口19ORG 0100H20MAIN：ANL P1，00H SETB IT0 ；外中斷低電平觸發(fā) SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX DPTR，CMD；將控制字寫入控制端，A口輸入，B口輸出，C口輸入

44、MOV DPTR ， PAMOV A, 00HMOVX DPTR ， AMOV DPTR ， PBMOV A, 00HMOVX DPTR ， AMOV DPTR ， PCMOV A, 00HMOVX DPTR ， A 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(guò)程中，如果有中斷到來(lái)，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)的，它觸發(fā)后通過(guò)單片機(jī)

45、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。205.3 INT0中斷服務(wù)流程圖圖5.2 INT0中斷流程圖首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，將PA口的內(nèi)容讀出到PB口中以便LED顯示。首先看X方向的PA1和PA0是否有中斷請(qǐng)求，若有，表示在X方向上工作臺(tái)的行程按鈕已被觸動(dòng)，為保護(hù)工作臺(tái)，則需發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)給電動(dòng)機(jī)，即將P1.0或P1.1置為0，電機(jī)停止運(yùn)行。再看Y方向是否有中斷請(qǐng)求，步驟一樣，最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，中斷返回，等待下一次中斷。程序如下：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，A21 MOV A，PB22MOV DPTR,A MOV DPTR,R2 ；LED顯示PA口內(nèi)容