數(shù)控技術畢業(yè)設計（論文）xy工作臺控制設計（數(shù)控銑床）

1、論文題目： X-Y工作臺控制設計（數(shù)控銑床）院 系 專 業(yè) 班 級 學 號 姓 名 導 師 畢業(yè)設計論文任務書姓名： 班號： 院系： 學號：同組姓名：無 指導教師：一、設計題目： X-Y工作臺控制設計（數(shù)控銑床）二、課題簡介當今世界 HYPERLINK :/ 電子技術迅速 HYPERLINK :/ 發(fā)展，微處理器、微型 HYPERLINK :/ 計算機在各技術領域得到了廣泛 HYPERLINK :/soft.studa 應用，對各領域技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體

2、化是系統(tǒng)技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和機械技術等多學 HYPERLINK :/ / 科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。三、課題的任務和要求（1）系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動的過程中沒有進行切削，故應用點位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標控制?？紤]到定位精度要求不高，為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動X-Y工作臺。（2）計算機系統(tǒng)本設計采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機控制系統(tǒng)。它的主要特點是集成度

3、高，可靠性好，功能強，速度快，有較高的性價比。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進電機、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現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺的狀態(tài)。（3）X-Y工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結構緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構。由于工作臺的運動載荷不大，因此采用有預加載荷的雙V形滾珠導軌。采用滾珠導軌可減少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振摘 要 當今世界 HYPERLINK :/ 電子技術迅速 發(fā)展，微處理器、微型 HYPERLINK

4、:/ 計算機在各技術領域得到了廣泛 HYPERLINK :/soft.studa 應用，對各領域技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和機械技術等多學 HYPERLINK :/ / 科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。關鍵字：數(shù)控技術 機電一體化的基礎 基本組成要素 特點 發(fā)展趨勢A

5、bstractNow the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the followi

6、ng several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic

7、control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generations CNC system this kind of model integration of machinery product t

8、oward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops.Key words: Numerical control Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK

9、l _Toc293138752 摘 要 PAGEREF _Toc293138752 h I HYPERLINK l _Toc293138753 Abstract PAGEREF _Toc293138753 h IV HYPERLINK l _Toc293138755 第1章 前言 PAGEREF _Toc293138755 h 1 HYPERLINK l _Toc293138756 第2章 總體方案設計 PAGEREF _Toc293138756 h 4 HYPERLINK l _Toc293138757 2.1 設計任務 PAGEREF _Toc293138757 h 4 HYPERLINK

10、 l _Toc293138758 2.2 總體方案確定 PAGEREF _Toc293138758 h 4 HYPERLINK l _Toc293138759 第3章 機械系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc293138759 h 6 HYPERLINK l _Toc293138760 3.1 工作臺外形尺寸及重量估算 PAGEREF _Toc293138760 h 6 HYPERLINK l _Toc293138761 3.2 滾動導軌的參數(shù)確定 PAGEREF _Toc293138761 h 6 HYPERLINK l _Toc293138762 3.3 滾珠絲杠的設計計算 PAGEREF

11、_Toc293138762 h 7 HYPERLINK l _Toc293138763 3.4 步進電機的選用 PAGEREF _Toc293138763 h 9 HYPERLINK l _Toc293138764 3.5 確定齒輪傳動比 PAGEREF _Toc293138764 h 10 HYPERLINK l _Toc293138765 3.6 確定齒輪模數(shù)及有關尺寸 PAGEREF _Toc293138765 h 11 HYPERLINK l _Toc293138766 3.7 步進電機慣性負載的計算 PAGEREF _Toc293138766 h 11 HYPERLINK l _To

12、c293138767 第4章 控制系統(tǒng)硬件設計 PAGEREF _Toc293138767 h 13 HYPERLINK l _Toc293138768 4.1 CPU板 PAGEREF _Toc293138768 h 13 HYPERLINK l _Toc293138771 4.2 驅(qū)動系統(tǒng) PAGEREF _Toc293138771 h 15 HYPERLINK l _Toc293138775 4.3 傳感器和人機界面 PAGEREF _Toc293138775 h 17 HYPERLINK l _Toc293138776 第5章 控制系統(tǒng)軟件設計 PAGEREF _Toc29313877

13、6 h 19 HYPERLINK l _Toc293138777 5.1 總體方案 PAGEREF _Toc293138777 h 19 HYPERLINK l _Toc293138778 5.2 主流程圖 PAGEREF _Toc293138778 h 19 HYPERLINK l _Toc293138779 5.3 INT0中斷服務流程圖 PAGEREF _Toc293138779 h 20 HYPERLINK l _Toc293138780 5.4 INT1中斷服務流程圖 PAGEREF _Toc293138780 h 21 HYPERLINK l _Toc293138785 致 謝 P

14、AGEREF _Toc293138785 h 26 HYPERLINK l _Toc293138786 參考文獻 PAGEREF _Toc293138786 h 27第1章 前言當今世界數(shù)控技術及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀。在我國對外開放進一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備的幾點看法。裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術和最基本的裝備,又是當今先進制造技術和裝備最核心的技

15、術。數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術 ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品 ,其技術范圍覆蓋很多領域。（一）數(shù)控技術的發(fā)展趨勢。數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 ,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 ,而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大 ,他對國計民生的一些重要行業(yè) IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面:(1)高速、高精加工技術及裝備的新趨勢效率、質(zhì)量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率 ,提高產(chǎn)

16、品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。從 EMO2001 展會情況來看 ,高速加工中心進給速度可達 80m/ min ,甚至更高 ,空運行速度可達 100m/ min左右。目前世界上許多汽車廠 ,包括我國的上海通用汽車公司 ,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。在加工精度方面 ,近 10 年來 ,普通級數(shù)控機床的加工精度已由 10m提高到 5m ,精密級加工中心則從 35m 。為了實現(xiàn)高速、高精加工 ,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展 ,應用領域進一步擴大。(2)5 軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工 ,可用刀具

17、最佳幾何形狀進行切削 ,不僅光潔度高 ,而且效率也大幅度提高。但過去因 5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結構復雜等原因 ,其價格要比 3 軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍 ,加之編程技術難度較大 ,制約了 5 軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當前由于電主軸的出現(xiàn) ,使得實現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結構大為簡化 ,其制造難度和成本大幅度降低 ,數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動機床和復合加工機床 含 5 面加工機床 的發(fā)展。(3)智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智

18、能化 ,如加工過程的自適應控制 ,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上 ,面向機床廠家和最終用戶 ,通過改變、增加或剪裁結構對象 數(shù)控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶的特殊應用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng) ,形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。

19、網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求 ,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元 ,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。（二）對我國數(shù)控技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計我國數(shù)控技術起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：第一階段從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。在此階段 ,由于國外的技術封鎖和我國的基礎條件的制 ,數(shù)控技術的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期 ,即引進技術 ,消化吸收 ,初步建立起國產(chǎn)化體

20、系階段。在此階段 ,由于改革開放和國家的重視 ,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善 ,我國數(shù)控技術的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實施產(chǎn)業(yè)化的研究 ,進入市場競爭階段?？v觀我國數(shù)控技術近 50 年的發(fā)展歷程 ,特別是經(jīng)過 4 個 5 年計劃的攻關 ,總體來看取得的成績還是不小。（三）對我國數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考(1)戰(zhàn)略考慮我國是制造大國 ,在世界產(chǎn)業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移 ,所以 ,我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)問題。首先從社會安全看 ,因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) ,制造業(yè)

21、發(fā)展不僅可提高人民的生活水平 ,而且還可緩解我國就業(yè)的壓力 ,保障社會的穩(wěn)定;其次從國防安全看 ,西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì) ,對我國實現(xiàn)禁運和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。(2)發(fā)展策略從我國基本國情的角度出發(fā) ,以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導向 ,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標 ,用系統(tǒng)的方法 ,選擇能夠主導 21 世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套技術作為研究開發(fā)的內(nèi)容 ,實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強調(diào)市場需求為導向 ,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 ,以整機如量大面廣的數(shù)控車床、銑

22、床、高速高精高性能數(shù)控機床、曲型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等 帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會有價值低廉而富有競爭力的產(chǎn)品;當然 ,沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。第2章 總體方案設計2.1 設計任務設計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可用于銑床上坐標孔的加工和臘摸、塑料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復定位精度為0.01mm，定位精度為0.025mm。設計參數(shù)如下：負載重量G=150N；臺面尺寸CBH145mm160mm12mm；

23、底座外形尺寸C1B1H1210mm220mm140mm；最大長度L=388mm；工作臺加工范圍X=55mm，Y=50mm；工作臺最大快移速度為1m/min。2.2 總體方案確定（1）系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動的過程中沒有進行切削，故應用點位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標控制?？紤]到定位精度要求不高，為了簡化結構，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動X-Y工作臺。（2）計算機系統(tǒng)本設計采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機控制系統(tǒng)。它的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，有較高的性價比。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進電機、電磁

24、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現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺的狀態(tài)。（3）X-Y工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結構緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構。由于工作臺的運動載荷不大，因此采用有預加載荷的雙V形滾珠導軌。采用滾珠導軌可減少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動。考慮電機步距角和絲桿導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。圖2-1 系統(tǒng)總體框圖第3章 機械系統(tǒng)設計3.1 工作臺外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：長寬高 14516050重量：按重量=

25、體積材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 重量：約90N。上導軌座（連電機）重量：夾具及工件重量：約150N 。X-Y工作臺運動部分的總重量：約287N。3.2 滾動導軌的參數(shù)確定、導軌型式：圓形截面滾珠導軌、導軌長度 = 1 * GB3 上導軌（X向）取動導軌長度 動導軌行程 支承導軌長度 = 2 * GB3 下導軌（Y向） 選擇導軌的型號：GTA16 、直線滾動軸承的選型 = 1 * GB3 上導軌 = 2 * GB3 下導軌由于本系統(tǒng)負載相對較小，查表后得出LM10UUOP型直線滾動軸承的額定動載荷為370N，大于實際動負載；但考慮到經(jīng)濟性等因素最后選擇LM16UUOP型直線滾動軸承。

26、并采用雙排兩列4個直線滾動軸承來實現(xiàn)滑動平臺的支撐。 = 4 * GB2 、滾動導軌剛度及預緊方法 當工作臺往復移動時，工作臺壓在兩端滾動體上的壓力會發(fā)生變化，受力大的滾動體變形大，受力小的滾動體變形小。當導軌在位置時，兩端滾動體受力相等，工作臺保持水平；當導軌移動到位置或時，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜角，由此造成誤差。此外，滾動體支承工作臺，若工作臺剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會使工作臺下凹（有時還可能出現(xiàn)波浪形），影響導軌的精度。3.3 滾珠絲杠的設計計算滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應按銑削時的情況計算。、最大動負載Q的計算查

27、表得系數(shù)，壽命值查表得使用壽命時間T=15000h，初選絲杠螺距t=4mm，得絲杠轉速所以 X向絲杠牽引力 Y向絲杠牽引力所以最大動負荷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為 SFK1004，其額定動載荷為390N，足夠用。、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算，見表3-1。表3-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名 稱符 號計算公式和結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)）、傳動效率計算式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。、剛度驗算滾珠絲杠受工作負載P引起的導程的變化量Y向所受牽引力大，故應用

28、Y向參數(shù)計算 所以 絲杠因受扭矩而引起的導程變化量很小，可以忽略。所以導程總誤差查表知E級精度的絲杠允許誤差，故剛度足夠。、穩(wěn)定性驗算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗算。3.4 步進電機的選用、步進電機的步距角取系統(tǒng)脈沖當量，初選步進電機步距角。、步進電機啟動力矩的計算設步進電機等效負載力矩為T，負載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力做功有如下關系式中： 電機轉角； 移動部件的相應位移； 機械傳動效率。若取 ，則，且，所以式中： 移動部件負載（N）；G移動部件重量（N）； 與重量方向一致的作用在移動部件上的負載力（N）； 導軌摩擦系數(shù)；步進電機步距角，（rad）；T電機軸

29、負載力矩（）本例中，?。ù慊痄摑L珠導軌的摩擦系數(shù)），為絲杠牽引力，?？紤]到重力影響，Y向電機負載較大，因此取，所以若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩取安全系數(shù)為0.3，則 對于工作方式為三相六拍的三相步進電機 、步進電機的最高工作頻率查表選用兩個45BF005-型步進電機。電機的有關參數(shù)見表2-2。表3-2 步進電機參數(shù)型 號主要技術數(shù)據(jù)外形尺寸重量步距角最 大靜轉距最高空載啟動頻率()相數(shù)電壓電流外徑長度軸徑45BF005-15300032745584113.5 確定齒輪傳動比因步進電機步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實現(xiàn)脈沖當量，在傳動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比選 ， 。3

30、.6 確定齒輪模數(shù)及有關尺寸因傳遞的扭距較小，取模數(shù)，齒輪有關尺寸見表3-3。3.7 步進電機慣性負載的計算表3-3 齒輪尺寸 172817195 283025.55根據(jù)等效轉動慣量的計算公式，得式中： 折算到電機軸上的慣性負載（）； 步進電機轉軸的轉動慣量（）；齒輪 的轉動慣量（）；齒輪 的轉動慣量（）；滾珠絲杠的轉動慣量（）；M移動部件質(zhì)量（）。對材料為鋼的圓柱零件轉動慣量可按下式估算式中：D圓柱零件直徑（cm）；L零件長度（cm）。所以電機軸轉動慣量很小，可以忽略，則因為，所以慣性匹配比較符合要求。第4章 控制系統(tǒng)硬件設計X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅(qū)動、傳感器、人機

31、交互界面。硬件系統(tǒng)設計時，應注意幾點：電機運轉平穩(wěn)、響應性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。4.1 CPU板4 CPU的選擇隨著微電子技術水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，而目前市場上應用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應用最廣的8位單片機89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。在一些復雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。從要設計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機

32、需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑提高了設計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產(chǎn)領域ATMEL公司的工藝和封裝技術一直處于領先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進行程序修改，同時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存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存

33、儲器容量為4KB、16位定時器2個、中斷源6個（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷）、RAM為128B、14位的計數(shù)器WDT、I/O口共有32個。4 CPU接口設計CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅(qū)動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示：（行程開關）前向通道傳動驅(qū)動（電磁鐵）（步進電機）人機界面?zhèn)鞲衅鰽T89S51（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：（1）將行程開關的狀態(tài)讀入CPU，通過中斷進行處理，它的優(yōu)先級別最高。（2）通過程序?qū)崟r控制電機和電磁鐵的運行。（3）接受鍵盤中斷指令，并響應指令，將當前行

34、程開關狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應到LED上，實現(xiàn)人機交互作用。由于AT89S51只有P1口和P3口是準雙向口，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，因此要進行I/O擴展。考慮到電路的簡便性和可實現(xiàn)性，實際中采用內(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兩個方向步進電機的A、B、C線圈通電，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正轉模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反轉模式。（2）P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。（3）P3.2和P3.3兩個中斷源中INT0優(yōu)先級最高，它讀入行程開關的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀

35、入點動、復位、圓弧插補開關的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。（4）P0.0-P0.7外部I/O擴展的數(shù)據(jù)讀取。（5）P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址。驅(qū)動1X步進電機驅(qū)動2Y步進電機驅(qū)動3外部中斷1外部中斷2AD0AD7CEIO/MPB 口PA口PC口AT89S51鍵盤電磁鐵8155 圖4-2 AT89S51控制系統(tǒng)圖PB口接LED反映當前運行的8個狀態(tài)：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手動X+運行、手動X-運行、手動Y+運行、手動Y-運行。PA口低四位反映觸發(fā)中斷1的4個行程開關的狀態(tài)。PC口低6位反映了觸發(fā)中斷2的手動X+運行、手動X-運行、手動Y+運行、手動Y-運行、復位

36、（RST）、圓弧插補6個開關的狀態(tài)。4.2 驅(qū)動系統(tǒng)傳動驅(qū)動部分包括步進電機的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動，步進電機須滿足快速急停、定位和退刀時能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。在定位和退刀時電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時能及時釋放磁力使筆尖壓下。4 步進電機驅(qū)動電路和工作原理步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設計時的脈沖當量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.01mm。步進電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖4-3 步進電

37、機驅(qū)動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電時，電動機轉動一步。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，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進電機采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。步進時鐘A相波形B相波形C相波形圖4-4 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉） 電磁鐵驅(qū)動電路 該驅(qū)動電路也采用了光電偶合器，但其功

38、放電路相對簡單。其光電偶合部分采用的是達林頓管，因為驅(qū)動電磁鐵的電流比較大。圖4-5 電磁鐵驅(qū)動電路4 電源設計兩電機同時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，就采用了標準的27V電源作為基準，通過芯片進行電壓轉換得到所需的12V和5V電壓。圖4-6 電源轉換電路圖電路中在轉換芯片的前后有兩個電容，前面電容起防止自激作用，后面電容起濾波作用。此外，在具體應用的過程中，LM7805必須加上散熱片。4.3 傳感器和人機界面 由于步進電機不需要反饋電路，但是要注意工作臺不能超過最大行程。因此，必須在X

39、、Y軸的方向各加上兩個行程開關。這里行程開關作用有兩個：（1）防止工作臺超過最大行程，使電機損壞（2）可以用與定位。所以這4個行程開關就充當了傳感器。人機界面設計的準則就是要有良好的人機交互能力，一般要求操作簡便，界面簡潔明了。此系統(tǒng)中共有9個LED，LED1燈亮表示X軸負方向禁止通行，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燈亮表示手動使工作臺向X軸負方向通行，LED6燈亮表示手動使工作臺向X軸正方向通行，LED7燈亮表示手動使工作臺向Y軸負方向通行，LED8燈亮表示手動使工作臺向Y軸正方向通行，LED9亮表示系統(tǒng)通

40、電運行。界面上的7個按扭意義為：按扭1是通斷電開關，按扭2是向X軸負方向運行的點動開關，按扭3是向X軸正方向運行的點動開關，按扭4是向Y軸負方向運行的點動開關，按扭5是向Y軸正方向運行的點動開關，按扭6是復位開關，按扭7是執(zhí)行繪制圓弧開關。圖4-7 人機界面圖第5章 控制系統(tǒng)軟件設計5.1 總體方案對于AT89S51的程序設計，由于所需實現(xiàn)的功能較簡單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil 7.02b。該編譯器是51系列單片機程序設計的常用工具，既可用匯編，也支持C語言編譯。同時具有完善的調(diào)試功能。5.2 主流程圖上電復位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

41、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 ；定時器0中斷入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中斷1入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定時器1中斷入口ORG 0100HMAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中斷負跳沿觸發(fā) 圖5-1 SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX DPTR，CMD ；A口輸入，

42、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 ；設置優(yōu)先級 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則進入中斷0的中斷服務INT0IS，是中斷1則進入中斷1的中斷服務INT1IS。中斷服務0是由4個行程開關觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機讀取PA口內(nèi)容，然后將結果反饋到PB口的LED上。中斷服務1有6個中斷源，這六個中斷源分別是手動X正方向運行，手動X負方向運行，手動Y正方向運行，手動Y負方向運行，復位和繪制圓弧。5.3 INT0中

43、斷服務流程圖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，TM2CTM2C： MOV A，R2 CPL A ANL A，#0CH JZ A，RETIN圖5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI5.4 INT1中斷服務流程圖圖5-3INT1IS：CLR EX

44、1 JNB ACC.1，X-ENPUSH ACC JNB ACC.2，Y+EN PUSH PSW JNB ACC.3，Y-EN PUSH DPTL JNB ACC.5，ARC PUSH DPTH LOOP1：POP DPTH CLR P1.6 POP DPTL MOV A，PC POP PSW MOV DPTR，A POP ACC MOVX A，DPTR；讀PC口內(nèi)容 SETB EX1 MOV R1，A RETI ANL R1，#0FH MOV A，PB MOV DPTR，A MOV A，DPTR；讀PB口內(nèi)容 ANL A，#0FH SWAP A ORL A，R1 MOV R2，A MOV A

45、，PB MOV DPTR，A MOVX DPTR，R2；數(shù)據(jù)輸入PB口 INC DPTL MOV A，DPTR JNB ACC.4，RST JNB ACC.0，X+ENDIRX EQU 30H DIRY EQU 31H5 復位程序流程圖 圖5-4RPA： MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；讀PA口內(nèi)容 JNB ACC.0，ACC2 MOV DIRX，#00H ；表X電機反轉 ACALL XMOTOR0 ；X電機反轉一步ACC2： JNB ACC.2，LOOP0 MOV DIRY，#00H ；表Y電機反轉 ACALL YMOTOR0 ；Y電機反轉一步 AJMP R

46、PALOOP0：AJMP LOOP15 X軸電機點動正轉程序流程圖圖5-5 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1DEF EQU 12H SJMP LP3MOV DEF，#00H TAB： DB FEH這是X軸電機點動正轉的程序，其他的X軸電機點動反轉、Y軸電機點動正轉、Y軸電機點動反轉依次類推。5 繪制圓弧程序流程圖 圖5-6 逐點比較法畫

47、圓弧 逐點比較法原理：假設所畫圓弧在第一象限，圓心坐標為（0，0），圓弧上點的坐標為（X，Y），圓弧半徑為R，每一點的坐標偏差為F=X*X+Y*Y-R*R，若F0，應沿X軸負方向走一步，此時FX=（X-1）*（X-1）+Y*Y-R*R=F-2X+1，X=X-1；若F0，應沿Y軸正方向走一步，此時FY=X*X+（Y-1）*（Y-1）-R*R=F+2Y+1，Y=Y+1。（圓弧插補程序見附錄）5 步進電機步進一步程序流程圖 圖5-7 步進電機步進一步程序流程圖XMOTOR1：JNE DIRX，#01H，XMOTOR0 DB FCH JNE DEF，#05H，LP2 DB FDH CLR DEF DB

48、 F9H LP2： MOV A，DEF DB FBH INC DEF DB FAHLP3： MOV DPTR，#TAB MOVC A，A+DPTR ANL P1，A ACALL DELAY RETXMOTOR0：JNE DEF，#00H，LP4 MOV A，#05H MOV DEF，ALP4： MOV A，DEF DEC DEF致 謝經(jīng)過一個多月的畢業(yè)設計忙碌之后，設計最終完成，心理有一種說不出的輕松，設計過程中遇到許多的問題，在眾多師友的幫助下予以解決。首先要感謝張老師對我的指導和督促，張老師給我指出了正確的設計方向，使我加深了對知識的理解,同時也避免了在設計過程中少走彎路，張老師的督促使我

49、一直把畢業(yè)設計放在心理，保證按質(zhì)按量的完成；要感謝宿舍同學，是大家營造了良好的學習環(huán)境，在做設計的過程中互幫互助，還要感謝那些把相關書籍借閱的同學，使我可以非常方便的查閱資料，讓我能夠按時完成畢業(yè)設計。大學生活至此劃上了圓滿的句號，大學這塊土地上有眾多莘莘學子辛勤的耕耘，在這塊土地上我健康快樂的成長，我永遠不會忘記可親的同學，可敬的老師，我永遠記得這片土地。參考文獻 1 王愛玲，白恩遠，趙學良.現(xiàn)代數(shù)控機床.國防工業(yè)出版社,2001 2 李廣弟,朱月秀，王秀山.單片機基礎.北京航空航天大學出版社,20013 房小翠.單片微型計算機與機電接口技術.國防工業(yè)出版社,20024 王小明. 電動機的單片機