畢業(yè)設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),畢業(yè)設(shè)計(jì),數(shù)控,工作臺,及其,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 學(xué) 士 學(xué) 位 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)） X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號 專 業(yè) 械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級 指導(dǎo)教師 學(xué) 部 機(jī)電工程學(xué)部 答辯日期 廣西工學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單。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)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用8031單片機(jī),及2764,6264存儲器及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:通過圓弧或者直線插補(bǔ)程序以實(shí)現(xiàn)對零件進(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)動電機(jī)正反轉(zhuǎn),同時(shí)通過8155(1)將相應(yīng)的加工進(jìn)刀信息送至刀架庫中以實(shí)現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機(jī)和刀具的相對運(yùn)動所以實(shí)現(xiàn)了刀具對工件的加工。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)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動裝置。步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)將脈沖信號轉(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；由于步進(jìn)電機(jī)通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目及時(shí)間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時(shí)間的長短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場對放入其中的通電導(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)磁場的轉(zhuǎn)動迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，所以轉(zhuǎn)子才可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動絲杠作相應(yīng)的運(yùn)動。本題目是步進(jìn)電機(jī)，微型計(jì)算機(jī)，插補(bǔ)原理，匯編語言的綜合應(yīng)用，本題目設(shè)計(jì)得到了老師的幫助和支持，最后由董玉紅老師審定，在此表示感謝。本題目由方世龍完成，共分六章，第一章主要設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)第二章主要設(shè)計(jì)了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)；第三章主要設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；第四章主要設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；第五章主要是本設(shè)計(jì)的附錄。因本人水平有限，錯(cuò)誤和不足之處在所難免，處理問題也有不妥之處，敬請相關(guān)老師批評指正。 關(guān)鍵詞：X-Y數(shù)控工作臺；機(jī)電系統(tǒng)；微型計(jì)算機(jī)；6264存儲器 I X-Y NC Worktable Mechatronics System Design Abstract CNC XY table is a mechanical and electrical systems design open-loop control system, its structure is simple. Realization of convenience and can guarantee a certain accuracy. Reduce costs, computer control technology is the most simple application. It full use of the software hardware crisis To achieve the functions of the machine control; to expand the scope of the processing machine tools, precision and reliability has been further improved. XY NC table is the use of mechanical and electrical systems design SCM 8031, 2764,6264 and 8155 and memory chips and other hardware components , In the control system of hardware on the preparation of certain procedures in order to achieve a certain processing functions. The basic idea is: circular or linear interpolation procedures to achieve the geometry of the parts for processing, every section of the processing should have a certain impulse to Electric drives positive and, through 8155 (1) corresponding to the processing of information sent to the turret into the knife in order to achieve the corresponding go to the knife, the electrical and tool to achieve the relative movement of the tool so the processing of the workpiece. The control system uses software interrupt control system structure and subroutine is simple, clear in the economic conditions in the application of NC more. Disruption of a modular structure because such a structure designed to facilitate revision and expansion, the establishment of more convenient, easy to handle and more direction. CNC XY table designed by mechanical and electrical systems as a stepping motor-driven devices. Stepper motor is a pulse will be transferred into angular displacement of the Electrical and Mechanical-DAC devices. Its working principle is: each to a pulse in the stator circuit will have a certain space in rotating magnetic field; because of the stepper motor is the three-phase AC-so enter the number of pulses and different time intervals, the rotation speed of the rotor and the length of rotation Are different. As the rotating magnetic field into which both the rotor cutting electricity conductor when a magnetic line of force, to achieve a rotating magnetic field from the force rotation for the corresponding rotor rotation, the rotor can achieve rotor lead screw for the corresponding movement. This topic is the stepper motor, micro-computers, interpolation principle, the comprehensive application of assembly language, this topic has been designed with the help of teachers DONG Yu-hong and support, the final audited by DONG Yu-hong teacher, expressed thanks for this. This subject by Fang Long completed, is divided into six chapters, Chapter 1 overall design of the main design Chapter II of the mechanical design system design; Chapter III of the main design of the control system hardware design; Chapter IV of the main control system design software design; Chapter 5 is the design of the appendix. I level because of the limited mistakes and inadequacies of the inevitable and deal with the problem has its drawbacks, please related to the teacher criticized the correction. Keywords：X-Y NC Worktable; Mechatronics system; micro-computers; 6264 memory 目　　錄 X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) I 摘 要 I Abstract 2 X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 第1章 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)控工作臺課題研究主要內(nèi)容 1 1.2.1 兩坐標(biāo)系系統(tǒng)的組成 1 第2章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 2.1 工作臺外形尺寸及重量估算 1 第3章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 3.1 CPU板 10 3.2 驅(qū)動系統(tǒng) 13 3.2.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路和工作原理 13 3.2.3 電源轉(zhuǎn)換 15 3.4 本章小節(jié) 16 第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 17 4.1 總體方案 17 4.2 主流程圖 17 4.3 INT0中斷服務(wù)流程圖 18 4.4 INT1中斷服務(wù)流程圖 19 4.2.2 X軸電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)程序流程圖 23 4.4.3 繪制圖弧程序流程圖 24 4.4.4 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖 29 結(jié) 論 31 參考文獻(xiàn) 32 致 謝 33 附 錄 34 黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單.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. 1.2 兩坐標(biāo)系數(shù)控工作臺課題研究主要內(nèi)容 X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用8031單片機(jī),及2764,6264存儲器及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:通過圓弧或者直線插補(bǔ)程序以實(shí)現(xiàn)對零件進(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)動電機(jī)正反轉(zhuǎn),同時(shí)通過8155(1)將相應(yīng)的加工進(jìn)刀信息送至刀架庫中以實(shí)現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機(jī)和刀具的相對運(yùn)動所以實(shí)現(xiàn)了刀具對工件的加工。 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)動電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，多數(shù)采用開環(huán)控制，需要選擇和計(jì)算主要機(jī)械傳動部件，如滾珠絲杠，螺母副和步進(jìn)電機(jī)等，繪制機(jī)床進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)裝配圖，繪制單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件線路圖。 第2章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 工作臺外形尺寸及重量估算 X向拖板（上拖板）尺寸： 長寬高 145×160×50 重量：按重量=體積×材料比重估算 N Y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工作臺運(yùn)動部分的總重量：約287N。 2.2滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定 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：滑動導(dǎo)軌，滾動導(dǎo)軌，靜壓導(dǎo)軌三類。 滑動導(dǎo)軌 滑動導(dǎo)軌主要有：金屬對金屬，金屬對塑料，后者較為常用。后者的化學(xué)穩(wěn)定性好，摩擦系數(shù)抵，靜摩擦系數(shù)小，耐磨損，耐腐蝕，吸振性好，比重小，強(qiáng)度大，加工成型簡單，能在任何液體或者無潤滑條件下工作。其缺點(diǎn)是：耐熱性差，導(dǎo)熱率低，須注意散熱，剛性也比較差，吸濕性大易影響尺寸的穩(wěn)定，應(yīng)選用在水或者油中尺寸穩(wěn)定且能耐酸和弱堿的塑料。 滾動導(dǎo)軌 1滾動導(dǎo)軌的技術(shù)要求 兩導(dǎo)軌面見的不平行度不小于3μm 導(dǎo)軌平面度不小于5μm 滾動體的直徑差一般機(jī)床全部滾動體為2μm。每組滾動體為1μm；精密機(jī)床全部滾動體為1μm，每組滾動體為0，5μm。 滾柱的錐度：0，5-1μm。 表面粗糙度：普通機(jī)床，磨削不抵于0，40（μm），精密機(jī)床磨削不抵于0，20（μm） 滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式按滾動體種類分，可有以下幾種； 滾珠導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌的承載能力小，剛度低。導(dǎo)軌面上容易出現(xiàn)凹坑，但對加工精度影響不大，其材料一般為淬火鋼。 滾柱導(dǎo)軌。它的承載能力比上述的大，適合載荷較大的機(jī)床，但滾柱導(dǎo)軌對安裝的偏斜較為靈敏，易引起側(cè)移和側(cè)向滑動從而使導(dǎo)軌磨損加快或者降低精度。 滾針導(dǎo)軌。這種導(dǎo)軌的特點(diǎn)是尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊。合適導(dǎo)軌受限的機(jī)床。 動導(dǎo)軌的支承 在數(shù)控機(jī)床上使用的滾動導(dǎo)軌有兩種形式；滾動滑塊式滾柱導(dǎo)軌和組裝式直線滾針導(dǎo)軌。 靜壓導(dǎo)軌 這樣導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是：工作表面完全處于純液體摩擦狀態(tài)下，所以其摩擦系數(shù)極低，能使驅(qū)動功率降低；導(dǎo)軌的運(yùn)動不受負(fù)載和速度的限制，且低速時(shí)運(yùn)動均勻，不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。使用的壽命小?？拐裥院茫怀休d能力大；摩擦發(fā)熱小，導(dǎo)軌的溫升小。它的結(jié)構(gòu)形式有開式和閉式兩種。 ⑴、導(dǎo)軌型式：圓形截面滾珠導(dǎo)軌 ⑵、導(dǎo)軌長度 ①上導(dǎo)軌（X向） 取動導(dǎo)軌長度 動導(dǎo)軌行程 支承導(dǎo)軌長度 ②下導(dǎo)軌（Y向） 選擇導(dǎo)軌的型號：GTA16 ⑶、直線滾動軸承的選型 ①上導(dǎo)軌 ②下導(dǎo)軌 由于本系統(tǒng)負(fù)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(shí)際動負(fù)載；但考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素最后選擇LM16UUOP型直線滾動軸承。并采用雙排兩列4個(gè)直線滾動軸承來實(shí)現(xiàn)滑動平臺的支撐。 ⑷、滾動導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法 當(dāng)工作臺往復(fù)移動時(shí)，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(dāng)導(dǎo)軌在位置Ⅰ時(shí)，兩端滾動體受力相等，工作臺保持水平；當(dāng)導(dǎo)軌移動到位置Ⅱ或Ⅲ時(shí)，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜α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(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。 ⑴、最大動負(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 的型號為 SFK1004，其額定動載荷為390N，足夠用。 ⑵、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 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。 ⑶、傳動效率計(jì)算 式中：——摩擦角；——絲杠螺紋升角。 ⑷、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級精度的絲杠允許誤差，故剛度足夠。 ⑸、穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于絲杠兩端采用止推軸承，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)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)或?yàn)殡A躍電動機(jī)，目前，隨著電子技術(shù)，控制技術(shù)以及電動機(jī)本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)的電機(jī)分類的間界面越來越模糊；步進(jìn)電動機(jī)的傳動定義為：根據(jù)輸入的脈沖信號，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角落，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)電動機(jī)是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機(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機(jī)。 步進(jìn)電動機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，其原始模型起源于1830年至1860年間。在20世紀(jì)60年代后期，隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用型的步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，半導(dǎo)體的發(fā)展使得步進(jìn)電動機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。我國的步進(jìn)電動機(jī)開始于21世紀(jì)50年代后期，其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一階段從50年代后期到60年代后期主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)開發(fā)并使用少量的步進(jìn)電機(jī)，以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為主；第二階段，70年代初期反映在步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究發(fā)展到了一個(gè)水平；第三階段，70年代中期至80年代后期新產(chǎn)品種高性能電動機(jī)層出不窮，各種混合式步進(jìn)電動機(jī)及驅(qū)動器作為產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。 步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)有三大部分組成：步進(jìn)電動機(jī)本體，步進(jìn)電動機(jī)控制器及步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器。其特點(diǎn)如下： 1） 用數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡單廉價(jià)。 2） 位移與輸入脈沖數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)簡單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3） 無刷，電動機(jī)本體部件少，可靠性高。 4） 抑郁啟動正反轉(zhuǎn)和變速停止，影響性好。 5）平滑性好，步距角選擇范圍大，停止時(shí)可有自鎖能力 ⑴、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。 ⑵、步進(jìn)電機(jī)啟動力矩的計(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； ——移動部件的相應(yīng)位移； ——機(jī)械傳動效率。 若取 ，則，且，所以 式中： ——移動部件負(fù)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(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，?？紤]到重力影響，Y向電機(jī)負(fù)載較大，因此取，所以 若不考慮啟動時(shí)運(yùn)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(jìn)電機(jī) ⑶、步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 查表選用兩個(gè)45BF005-Ⅱ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 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸 重量 步距角 最 大靜轉(zhuǎn)距 最高空載啟動頻率() 相數(shù) 電壓 電流 外徑 長度 軸徑 45BF005-Ⅱ 1．5 19.6 3000 3 27 2.5 45 58 4 11 2.5 確定齒輪傳動比 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，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比 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 17 28 17 19 14.5 5 28 30 25.5 5 17.5 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計(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)動慣量（）；——齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（）；——齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（）；——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（）；M——移動部件質(zhì)量（）。 對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)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(jī)軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，則 因?yàn)?，所以慣性匹配比較符合要求。 第3章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 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)的型號很多，而目前市場上應(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)需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，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存儲器容量為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)。 3.1.2 CPU接口設(shè)計(jì) CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅(qū)動部分、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 傳動驅(qū)動 （電磁鐵） （步進(jìn)電機(jī)） 人機(jī)界面 傳感器 AT89S51 （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，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。考慮到電路的簡便性和可實(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、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）P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址。 P1.0-P1.2 驅(qū)動1 X步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動2 Y步進(jìn)電機(jī) P1.3-P1.5 P1.6 驅(qū)動3 P3.2 外部中斷1 P3.3 外部中斷2 P0.0-P0.7 AD0~AD7 P2.7 CE P2.6 IO/M PB 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X+運(yùn)行、手動X-運(yùn)行、手動Y+運(yùn)行、手動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X+運(yùn)行、手動X-運(yùn)行、手動Y+運(yùn)行、手動Y-運(yùn)行、復(fù)位（RST）、圓弧插補(bǔ)6個(gè)開關(guān)的狀態(tài)。 3.2 驅(qū)動系統(tǒng) 傳動驅(qū)動部分包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動，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)能帶動工作臺并克服外力（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，工作臺直線行進(jìn)0.01mm。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動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)，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。 圖3-4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖 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)，電動機(jī)轉(zhuǎn)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(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)動電路 該驅(qū)動電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對簡單。其光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管，因?yàn)轵?qū)動電磁鐵的電流比較大。 3.2.3 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，但是要注意工作臺不能超過最大行程。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，一般要求操作簡便，界面簡潔明了。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燈亮表示手動使工作臺向X軸負(fù)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(fù)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)動開關(guān)，按扭3是向X軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動開關(guān)，按扭4是向Y軸負(fù)方向運(yùn)行的點(diǎn)動開關(guān)，按扭5是向Y軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動開關(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)動系統(tǒng)介紹了步進(jìn)電機(jī)和電磁鐵的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)；此外還敘述了人機(jī)界面各個(gè)按扭和LED的意義。 第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 總體方案 對于AT89S51的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)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(jī)程序設(shè)計(jì)的常用工具，既可用匯編，也支持C語言編譯。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 圖4-1 主程序流程圖 CTL EQU 3FF8H PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAH PC EQU 3FFBH CMD EQU 02H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INT0IS ；外部中斷0入口 ORG 000BH AJMP TM0IS ；定時(shí)器0中斷入口 ORG 0013H AJMP INT1IS ；外部中斷1入口 ORG 001BH AJMP TM1IS ；定時(shí)器1中斷入口 ORG 0100H MAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā) 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 SETB EA ；開總中斷 LOOP：AJMP LOOP ；等待中斷 圖4-2 中斷服務(wù)流程圖 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)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X正方向運(yùn)行，手動X負(fù)方向運(yùn)行，手動Y正方向運(yùn)行，手動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 NT0IS：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 SETB P1.1 SETB P1.2 TM2C： MOV A，R2 CPL A ANL A，#0CH JZ A，RETIN SETB P1.3 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI 4.4 INT1中斷服務(wù)流程圖 中斷服務(wù)流程圖如下 圖4-3服務(wù)中斷圖 INT1IS：CLR EX1 JNB ACC.1，X-EN PUSH 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，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+EN 31 4.4.1 復(fù)位程序流程圖 復(fù)位程序流程圖 圖4-4 DIRX EQU 30H DIRY EQU 31H RST： CLR P1.6 RPA： 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 RPA LOOP0：AJMP LOOP1 4.2.2 X軸電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)程序流程圖 圖4-2 正轉(zhuǎn)流程圖 X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，@DPTR JNB ACC.0，LOOP2 MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，@DPTR JNB ACC.0，MOTOR0 LOOP2： AJMP LOOP1 這是X軸電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)的程序，其他的X軸電機(jī)點(diǎn)動反轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動反轉(zhuǎn)依次類推。 4.4.3 繪制圖弧程序流程圖 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F＞0，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F＜0，應(yīng)沿Y軸正方向走一步，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。 ；/**圓弧插補(bǔ)程序**/ XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H YeL EQU 2AH YeH EQU 2BH FL EQU 2CH FH EQU 2DH ARC：MOV XL #0E8H MOV XH #03H MOV YL #00H MOV YH #00H MOV YeL #0E8H MOV YeH #03H MOV FL #00H MOV FH #00H LP1： MOV A，F(xiàn)H JNB ACC.7，X0； LCALL YMOTOR1 ；+Y一步 MOV R2，YH MOV R3，YL MOV R4，YH MOV R5，YL ACALL BADD ；算Y+Y MOV R2，F(xiàn)H MOV R3，F(xiàn)L MOV R4，R6 MOV R5，R7 ACALL BADD ； 算F+2Y INC R7 MOV FH，R6 MOV FL，R7 INC YL CMP1：CJNE YH，#03H，LP1 CJNE YL，#0E8H，LP1 LJMP LOOP1 XO： ACALL XMOTOR0 ；-X一步 MOV R2，XH MOV R3，XL MOV R4，XH MOV R5，XL ACALL BADD ；算X+X MOV R2，F(xiàn)H MOV R3，F(xiàn)L MOV R4，R6 MOV R5，R7 ACALL BSUB ；算F-2X INC R7 MOV FH，R6 MOV FL，R7 DEC XL AJMP CMP1 ；/**帶符號加減法程序**/ BSUB：MOV A，R4 CPL ACC.7 MOV R4，A BADD：MOV A，R2 MOV C，ACC.7 MOV F0，C XRL A，R4 MOV C，ACC.7 MOV A，R2 CLR ACC.7 MOV R2，A MOV A，R4 CLR ACC.7 MOV R4，A JC JIAN JIA： MOV A，R3 ADD A，R5 MOV R7，A MOV A，R2 ADDC A，R4 MOV R6，A QWE： MOV C，F(xiàn)0 MOV ACC.7，C MOV R4，A RET JIAN： MOV A，R3 CLR C SUBB A，R5 MOV R7，A MOV A，R2 SUBB A，R4 MOV R6，A JNB ACC，7，QWE BMP： MOV A，R7 CPL A ADD A，#1 MOV R7，A MOV A，R6 CPL A ADDC A，#0 MOV R6，A CPL F0 SJMP QWE /**模擬實(shí)驗(yàn)程序**/ ORG 0000H AJMP START ORG 0100H START:MOV R6,#10H LOOP1:MOV R5,#00H LOOP0:MOV A,R5 MOV DPTR,#TAB MOVC A,@A+DPTR CPL A MOV P2,A ACALL DELAY ACALL DECL LOOP2:INC R5 MOV A,R5 CJNE A,#08H,LOOP0 AJMP LOOP1 DELAY:MOV A,R6 MOV R4,A LP2: MOV R3,#080H LP1: MOV R2,#040H LP0: NOP DJNZ R2,LP0 DJNZ R3,LP1 DJNZ R4,LP2 RET DECL: DJNZ R6,LOOP2 MOV R6,#01H RET TAB: DB 01H DB 03H DB 02H DB 06H DB 04H DB 0CH DB 08H DB 09H END 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 LP3 MOV DEF，#00H TAB： DB FEH XMOTOR1：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 FAH LP3： MOV DPTR，#TAB MOVC A，@A+DPTR ANL P1，A ACALL DELAY RET XMOTOR0：JNE DEF，#00H，LP4 MOV A，#05H MOV DEF，A LP4： MOV A，DEF DEC DEF 黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 結(jié) 論 一種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)，包括機(jī)床伺服系統(tǒng)和對該伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制的ＰＬＣ；其特征在于，還包括通過通信接口與ＰＬＣ通信的觸摸屏，所述觸摸屏包括：－數(shù)據(jù)輸入模塊，用于輸入、修改被控參數(shù)的參數(shù)值和操作指令，讀取觸摸屏的操作界面；數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲輸入、輸出數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理計(jì)算模塊，用于對輸入、輸出參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算；包括輸入信號的編碼運(yùn)算；輸出信號的解碼運(yùn)算；所述ＰＬＣ包括：數(shù)據(jù)移位單元，用于根據(jù)操作指令分別把ＰＬＣ內(nèi)部高速記數(shù)脈沖值、數(shù)據(jù)存儲模塊數(shù)據(jù)值、控制代碼參數(shù)值實(shí)時(shí)移位到ＰＬＣ編程分配的數(shù)據(jù)塊中；－數(shù)據(jù)存儲單元，用于存儲移位單元傳遞來的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)檢測單元，用于實(shí)時(shí)檢測坐標(biāo)軸的當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)值，包括距離、速度值，以及控制方式參數(shù)值；數(shù)據(jù)比較單元，用于將檢測單元檢測到的坐標(biāo)軸當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)值、控制方式參數(shù)值與觸摸屏存儲模塊的設(shè)定值進(jìn)行比較；數(shù)據(jù)計(jì)算單元，用于根據(jù)比較結(jié)果計(jì)算出控制信號的值，即記數(shù)脈沖的數(shù)量值；控制方式確定單元，用于根據(jù)