XY工作臺(tái)部件及單片機(jī)控制設(shè)計(jì)機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)

1、 專業(yè)： 機(jī)電一體化 班級(jí)： 081班 老師： 學(xué)號(hào)： * 姓名： * 日期： 2015年2月 XY工作臺(tái)部件及單片機(jī)控制設(shè)計(jì)目錄1.序言32.總體方案設(shè)計(jì)32.1.設(shè)計(jì)任務(wù)32.2.總體方案確定33.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)43.1.工作臺(tái)外形尺寸及重量估算43.2.滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定53.3.滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算63.4.步進(jìn)電機(jī)的選用83.5.確定齒輪傳動(dòng)比133.6.確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸133.7.步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算134.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)144.1.CPU板144.2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)164.3.控制系統(tǒng)軟件的組成和結(jié)構(gòu)185.參考文獻(xiàn)221. 序言據(jù)資料介紹，我國(guó)擁有400多萬(wàn)臺(tái)機(jī)床，絕大部分都是

2、多年累積生產(chǎn)的普通機(jī)床。這些機(jī)床自動(dòng)化程度不高，加工精度低，要想在短時(shí)期內(nèi)用自動(dòng)化程度高的設(shè)備大量更新，替代現(xiàn)有的機(jī)床，無(wú)論從資金還是從我國(guó)機(jī)床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國(guó)現(xiàn)有的部分普通機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化改造又勢(shì)在必行。為此，如何改造就成了我國(guó)現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的重要課題。在過(guò)去的幾十年里，金屬切削機(jī)床的基本動(dòng)作原理變化不大，但社會(huì)生產(chǎn)力特別是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很快。反映到機(jī)床控制系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工的精度，現(xiàn)已有一些企業(yè)在這方面做了有益的嘗試。實(shí)踐證明，改造后的機(jī)床既滿足了技術(shù)進(jìn)步和較高生產(chǎn)率的要求，又由于產(chǎn)品精度提高，型

3、面加工范圍增多也使改造后的設(shè)備適應(yīng)能力加大了許多。這更加突出了在舊機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控技術(shù)改造的必要性和迫切性。由于新型機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機(jī)床設(shè)備全部以新型機(jī)床替換，國(guó)家要花費(fèi)大量的資金，而替換下的機(jī)床又會(huì)閑置起來(lái)造成浪費(fèi)，若采用改造技術(shù)加以現(xiàn)代化，則可以節(jié)省50%以上的資金。從我國(guó)的具體情況來(lái)講，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3到1/5，一般用戶都承擔(dān)得起。這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術(shù)發(fā)展開(kāi)創(chuàng)了新路，也對(duì)實(shí)力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)吸引力，起到了事半功倍的積極作用。據(jù)國(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足生產(chǎn)需要。因此機(jī)床的數(shù)控改

4、造就成為滿足市場(chǎng)需求的主要補(bǔ)充手段。在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)是現(xiàn)代機(jī)械制造的基本特征，占有相當(dāng)大的比重。要完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，其中數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。從上述分析中不難看出數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)之上。通過(guò)理論上的推導(dǎo)和實(shí)踐使用的證明，把微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)引入機(jī)床的改造有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：1）可靠性高；柔性強(qiáng)；易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；2）經(jīng)濟(jì)性可觀。為此在舊的機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控改造可以提高機(jī)床的使用性能，降低生產(chǎn)成本，用較少的資金投入而得到較高的機(jī)床性能和較大的經(jīng)濟(jì)效益。2. 總體方案設(shè)計(jì)2.1.

5、 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×140mm；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。2.2. 總體方案確定2.2.1. 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分

6、為點(diǎn)位控制系統(tǒng)，點(diǎn)位直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制方式。由于工件在移動(dòng)的過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。對(duì)點(diǎn)位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。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(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)X-Y工作臺(tái)。2.2.2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇本設(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(pán)、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(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)。LE

7、D顯示數(shù)控工作臺(tái)的狀態(tài)。2.2.3. 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)。考慮電機(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2-1 系統(tǒng)總體框圖綜上所述，本設(shè)計(jì)的總體方案確定為：采用MCS-51單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件的縱向、橫向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)

8、為了防止意外事故，保護(hù)微機(jī)及其它設(shè)備，還設(shè)置報(bào)警，急停電路等。3. 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1. 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。3.2. 滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定3.2.1. 導(dǎo)軌型式：圓形截面滾珠導(dǎo)軌3.2.2. 導(dǎo)軌長(zhǎng)度3.2.2.1. 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 3.2.2.2. 下導(dǎo)軌（Y向） 選擇導(dǎo)軌的型號(hào)：GTA163.2.3

9、. 直線滾動(dòng)軸承的選型3.2.3.1. 上導(dǎo)軌3.2.3.2. 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(lái)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)平臺(tái)的支撐。3.2.4. 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

10、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。3.2.5. 對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行按下式進(jìn)行校核：式中:L為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km）本設(shè)計(jì)L定為50km；為額定載荷，查表=6.07kN；F為每個(gè)滑塊上的工作載荷（N）F本設(shè)計(jì)設(shè)定為588N；為硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為58-64HRC時(shí)=1.0；為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過(guò)100°C時(shí)，=1；為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí)=0.81；為載荷/速度系數(shù)，無(wú)明顯沖擊振動(dòng)或v60m/min時(shí)，=1.5-2這里選擇=2。 =588××2÷（1×0.81&#

11、215;1） =1361N<=6.07kN因此所選導(dǎo)軌滿足要求。3.2.6. 滾動(dòng)導(dǎo)軌的潤(rùn)滑與防護(hù)滾動(dòng)導(dǎo)軌采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。常用牌號(hào)為ZL-2鋰基潤(rùn)滑脂（GB/732487，2號(hào)）。它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)泄漏，不需經(jīng)常加油；缺點(diǎn)是塵屑進(jìn)入后容易磨損導(dǎo)軌，因此防護(hù)要求較高。易被污染又難防護(hù)的地方，可用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。本設(shè)計(jì)的防護(hù)裝置采用伸縮式。3.3. 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。3.3.1. 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

12、所以最大動(dòng)負(fù)荷X向 Y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。3.3.2. 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算表3-1 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(jiàn)表3-1。3.3.3. 傳動(dòng)效率計(jì)算式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。3.3.4. 剛度驗(yàn)算先畫(huà)出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖4-20所示，最大牽引力為548N，支承間距=L=400mm絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的

13、1/3。 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。3.3.5. 穩(wěn)定性驗(yàn)算驗(yàn)算滾珠絲杠尺寸和支承方式后，應(yīng)驗(yàn)算絲杠在承受最大軸向載荷時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生縱向彎曲。滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作負(fù)載過(guò)大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷FK(N) 為E為材料的彈性模量，對(duì)鋼E=20.6×104Mpa; I為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面：I=d14/64=3.14×16.94/64=4002.2mmL絲杠最大工

14、作長(zhǎng)度（mm）；L=500 mmfZ為絲杠支承方式系數(shù)，這里滾珠絲杠的支承方式采用一端固定一端簡(jiǎn)支的方式，所以fZ22×3.142×20.6×104×4002.2/5002=2.0731×104Nnk=Fk/Fm=2.0731×104/548=37.8nk=4所以，該滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。nk許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，nk=2.543.4. 步進(jìn)電機(jī)的選用3.4.1. 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。3.4.2. 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(mén)，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)

15、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，?。ù慊痄摑L珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），為絲杠牽引力，?？紤]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) 3.4.3. 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(jiàn)表3-2。表3-2 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

16、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45BF005-1519.630003272.545584113.4.4. 啟動(dòng)矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)、快速進(jìn)給運(yùn)行、工進(jìn)運(yùn)行。前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)在快速啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。以后還要對(duì)快進(jìn)、工進(jìn)時(shí)的運(yùn)行矩頻特性作校核。f fmax0t1ta tbt222t1t2t 圖3-21 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)，一般突跳啟動(dòng)很少使用。在升速啟動(dòng)中，步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始逐漸升速，（如圖1所示）在零時(shí)刻（t1=0），啟動(dòng)頻

17、率fq=0。在一段時(shí)間t1內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度，即fq=fmax。在整個(gè)升速、均勻運(yùn)行、降速過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時(shí)間t1足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過(guò)程緩慢，空載啟動(dòng)力矩Mkq中的加速力矩項(xiàng)Mka不會(huì)很大，一般不會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，但是降低了工作效率。升速時(shí)間t1過(guò)短，則步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩中的加速力矩項(xiàng)M就會(huì)很大，所以需要校核啟動(dòng)矩頻特性。圖3-22由圖3-22初選步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線中，可知空載啟動(dòng)力矩M=0.05N·M值所對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率fyq=11000Hz>fq=1200 Hz,步進(jìn)電機(jī)會(huì)不丟步。

18、 （2）電機(jī)快速進(jìn)給矩頻特性較核 最高運(yùn)行頻率fmax 式中：Vmax運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度 快進(jìn)時(shí)已經(jīng)不存在加速力矩項(xiàng)Ma,并且一般處于空載狀態(tài)，故快速進(jìn)給力矩MJK= 其中：M0為附加摩檫力矩（N·cm），MKF為快進(jìn)時(shí)的折算到電機(jī)的摩檫力矩（N·cm）。所以 ：MJK= =1.175（N·cm）由圖3-22可知道快進(jìn)力矩對(duì)應(yīng)允許快進(jìn)頻率FYK近似為20000Hz，F(xiàn)mzxFYK，所以電機(jī)不會(huì)丟步。（3）、工進(jìn)運(yùn)行距頻特性校核工進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率：式中： 最大工作進(jìn)給速度 工進(jìn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩Mkj可按下式計(jì)算： 式中： 附加摩擦力矩， 摩擦力矩 折算

19、到電機(jī)軸上的工作負(fù)載力矩 式中：Fv垂直方向作用于工作臺(tái)的工作載荷 Ft沿進(jìn)給方向的切削負(fù)載，F(xiàn)t=FL在圖3-22初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻率特性曲線中，對(duì)應(yīng)工進(jìn)頻率fGJ查到的允許工進(jìn)運(yùn)行力矩MYJ=1.08N·m >MGJ=0.382N·m，滿足工進(jìn)時(shí)運(yùn)行距頻特性的要求。3.5. 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 ， 。3.6. 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(jiàn)表3-3。3.7. 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算表3-3 齒輪尺寸 1728171914.55 28302

20、5.5517.5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)?，所以慣性匹配比較符合要求。4. 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。4.1. CPU板4.1.1. CPU的選

21、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(lèi)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Int

22、el、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(kāi)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(mén)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

23、、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：（行程開(kāi)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)鞲衅鰽T89S51（鍵盤(pán)、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(kāi)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(pán)中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)和鍵盤(pán)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，但P3口主要以第二功能為主，

24、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。考慮到電路的簡(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(kāi)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(kāi)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）P2.7和P2.6決定8155

25、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(pán)電磁鐵8155 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(kāi)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(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

26、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4.2.1.1. 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖步進(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

27、4-4 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)椋篈-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-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4-5 三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（正轉(zhuǎn)）4.2.2. 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路該驅(qū)動(dòng)電路也

28、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。圖4-6 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路4.3. 控制系統(tǒng)軟件的組成和結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的作用是進(jìn)行人和機(jī)對(duì)話和檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)一般包括系統(tǒng)初始化，命令處理循環(huán)，零件加工程序和作業(yè)程序輸入，編輯，指令分析機(jī)構(gòu)，以及系統(tǒng)自測(cè)等。1系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)上電式復(fù)位后，系統(tǒng)軟件進(jìn)行初始化處理。包括設(shè)置CPU的狀態(tài)，可編程I/O芯片的工作狀態(tài)，中斷方式2命令處理：系統(tǒng)初始化后系統(tǒng)即進(jìn)入命令處理程序，對(duì)于一般單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)通常采用循環(huán)處理程序作為系統(tǒng)的主程序3：零件加工程序或作業(yè)程序的輸入和編程：零件加工程序可以鍵盤(pán)輸入，也可通過(guò)

29、串行口通信輸入。輸入程序的功能就是讀入源程序，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理，按規(guī)定的格式將其存入規(guī)定的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。4 指令分析執(zhí)行：微機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)輸入的指令進(jìn)行分析，并根據(jù)分析的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作。5診斷程序：診斷程序用于檢測(cè)系統(tǒng)硬軟件功能的正確性，找出系統(tǒng)故障的位置，并指出故障類(lèi)型。機(jī)電系統(tǒng)控制軟件的機(jī)構(gòu)一般機(jī)電控制系統(tǒng)中常用的軟件結(jié)構(gòu)有：子程序，主程序加中斷程序結(jié)構(gòu)子程序3子程序1子程序2條件2條件3條件1主程序逐點(diǎn)比較法 用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算，每走一步都需要以下四個(gè)步驟： 1判別偏差：Fm0或FMO ，從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算方向進(jìn)給。2偏差計(jì)算：進(jìn)給一步后計(jì)算新的加工偏差。3終點(diǎn)判

30、別：進(jìn)給一步后，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器，若為零，表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)，不為零則返回第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)數(shù)判別可用方向坐標(biāo)值判斷，也可由一個(gè)方向的坐標(biāo)值判斷。當(dāng)XeYE逐點(diǎn)比較法框圖NONOY方向進(jìn)給X方向進(jìn)給X=XM ?Y=YM ?FM=FM+XEY=Y+1FM=FM-YEX=X+1FM0 ?初始化YESYES返回程序設(shè)計(jì)插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0為X向電機(jī)控制。DO運(yùn)行，D0=O停止，D0=1正轉(zhuǎn)。D1=0反轉(zhuǎn)D3D2為Y向電機(jī)控制位。D2=1運(yùn)行，D2=0停止，D3=1正

31、轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。第一象限制直線插補(bǔ)程序如下：ORG 2000H MAIN： MOV SP ， #60H； LP4 ： MOV 28H， #08CH；XE MOV 29H, #0C8H; YE MOV 2AH, #00H; X MOV 2BH, #00H; Y MOV 2CH, #00H; FM MOV 70H, 0AHLP3: MOV A, 2CH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A;置電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為0B，+X方向進(jìn)給 LCALL MOTR；調(diào)步進(jìn)電機(jī)的控制子程序，+X方向進(jìn)給一步 LCALL DELAY MOV A， 2CH SUBB A， 29H；F-YE INC 2AH; X+1 AJMP LP2LP1 MOV A , 70H SETB ACC.2 置電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為0E，+Y方向進(jìn)給 CLR ACC.0 調(diào)步進(jìn)電機(jī)的控制子程序，+Y方向進(jìn)給一步 LCALL DELAY MOV A， 2CH ADD A， 28H； F+XELP2 MOV 2CH, A