XY數(shù)控工作臺(tái)課程設(shè)計(jì)說明書

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)課題名稱： 數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化設(shè)計(jì)成員：指導(dǎo)老師：目錄一、總體方案設(shè)計(jì)11.1設(shè)計(jì)任務(wù)11.2總體方案確定11.2.1方案確定思想11.2.2 方案對(duì)比分析與確定21.2.3 總體方案系統(tǒng)組成3二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.1 工作臺(tái)外形尺寸及重量估算32.2 導(dǎo)軌參數(shù)確定42.3 滾珠絲桿的設(shè)計(jì)計(jì)算42.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱設(shè)計(jì)52.5 步進(jìn)電機(jī)的選型與計(jì)算52.6 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1 控制系統(tǒng)硬件組成83.2 控制系統(tǒng)硬件選型83.3 控制系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計(jì)103.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)113.4.1

2、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路113.4.2電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路123.4.3電源轉(zhuǎn)換12四、控制系統(tǒng)軟件134.1控制系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計(jì)134.2主流程設(shè)計(jì)134.3 INT0中斷服務(wù)流程144.4 INT1中斷服務(wù)流程圖164.4.3 繪制圖弧程序流程圖204.4.4 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖26五、總結(jié)27六、參考文獻(xiàn)281、總體方案設(shè)計(jì)1.1機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)主要技術(shù)指標(biāo)：一定的規(guī)格要求（負(fù)載重量G=500N；臺(tái)面尺寸C×B×H=240×254×15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1=500×500×184mm；最大

3、長(zhǎng)度L=628mm；工作臺(tái)加工范圍X=250mm；Y=250mm；工作臺(tái)最快移動(dòng)速度為1m/min；重復(fù)定位精度為±0.02mm，定位精度為±0.04mm；設(shè)計(jì)具體要求完成以下工作：（1）數(shù)控工作臺(tái)裝配圖（1：1比例或0圖幅） 1張；（2）數(shù)控系統(tǒng)電氣原理圖（2圖幅） 1張；（3）設(shè)計(jì)說明書（1020）頁 1本；所有圖樣均采用CAD繪制打印，設(shè)計(jì)說明書按規(guī)定撰寫。1.2 總體方案確定1. 方案擬定根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，參照參考資料結(jié)合實(shí)際，初步設(shè)定如下三個(gè)總體方案：方案一：機(jī)械部分電機(jī)交流伺服電機(jī)減速器一級(jí)齒輪減速器絲杠螺紋絲杠導(dǎo)軌直線滑動(dòng)導(dǎo)軌控制部分控制器PLC可編程控制器反饋閉

4、環(huán)驅(qū)動(dòng)電路方案二：機(jī)械部分電機(jī)交流伺服電機(jī)減速器同步帶輪絲杠滾珠絲杠導(dǎo)軌直線滾動(dòng)導(dǎo)軌控制部分控制器PLC可編程控制器反饋半閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路方案三：機(jī)械部分電機(jī)步進(jìn)電機(jī)減速器一級(jí)齒輪減速器絲杠滾珠絲杠導(dǎo)軌直線滾動(dòng)導(dǎo)軌控制部分控制器單片機(jī)反饋開環(huán)驅(qū)動(dòng)電路2.方案比較XY 工作臺(tái)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)三種。開環(huán)的伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng), 系統(tǒng)沒有檢測(cè)裝置; 半閉環(huán)的伺服系統(tǒng)中一般采用交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng), 并在電機(jī)輸出軸安裝脈沖編碼器, 將速度反饋信號(hào)傳給控制單元; 閉環(huán)的伺服系統(tǒng)也是采用交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng), 位置檢測(cè)裝置安裝在工作臺(tái)末端, 將位置反饋信號(hào)傳給控制單元。閉環(huán)和半

5、閉環(huán)伺服系統(tǒng)價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)其可控分辨率也很高，但在本次設(shè)計(jì)中，其位置精度（±0.02mm）要求不高，考慮到成本低，維修方便，工作穩(wěn)定等條件。選用步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)就可以滿足要求。其通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng), 經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。對(duì)比以上三種方案：l PLC價(jià)格比較貴考慮成本不選。l 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副具有摩擦系數(shù)小，不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等特點(diǎn)。l 滾珠絲杠副有如下特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高系統(tǒng)剛性好傳動(dòng)精度高使用壽命長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)具有可逆性（既可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，又可將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且逆?zhèn)鲃?dòng)效率幾乎與正傳動(dòng)效率相同）不會(huì)自鎖可進(jìn)行預(yù)緊和調(diào)隙。l 步

6、進(jìn)電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易起停，可滿足快速移動(dòng)和精度要求。l 同步帶減速：圓整脈沖當(dāng)量，放大輸出轉(zhuǎn)矩，安裝中心距精度要求較低。l 無隙齒輪箱減速：可消除間隙，但設(shè)計(jì)和安裝精度高。l 無減速裝置：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出轉(zhuǎn)矩小，易受切削力影響。l 開環(huán)控制：簡(jiǎn)單實(shí)用，但精度較半閉環(huán)和閉環(huán)低，不能檢測(cè)誤差，也不能校正誤差。l 閉環(huán)控制：控制精度和抑制干擾的性能都比較差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變動(dòng)很敏感。所以方案三最合適為最佳方案3.系統(tǒng)組成1. 機(jī)械系統(tǒng)組成 機(jī)械系統(tǒng)由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)；兩個(gè)無隙齒輪箱減速器；兩個(gè)滾珠絲杠以及兩個(gè)直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副作為主要的動(dòng)力輸出、傳動(dòng)以及機(jī)械控制部分，系統(tǒng)的

7、組成還有其他一些機(jī)構(gòu)。2. 控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)由AT89S52型單片機(jī)、一個(gè)2764存儲(chǔ)器作為外部程序存儲(chǔ)器、一個(gè)6264存儲(chǔ)器作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、并行I/O接口8255，8155、7407驅(qū)動(dòng)顯示器、以及鍵盤接口電路、步進(jìn)電機(jī)接口電路和其他電源、限位開關(guān)等構(gòu)成。2、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工作臺(tái)面尺寸：長(zhǎng)寬高（mm) 240×254×15重量：按重量=體積×材料比重估算240×254×15×10-3×7.8×10-271.323 N上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量：254×500×

8、(184-15)1674.114 N夾具及工件重量：約150N 累計(jì)重量：1895 N2.2 直線導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型1.滑塊承受工作載荷 Fmax (單個(gè)滑塊所受最大垂直方向）Fmax=F+G/4=973.75 N查表3-41,初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG15,其額定載荷Ca=7.94 KN,額定靜載荷Coa=9.5 KN任務(wù)書規(guī)定臺(tái)面尺寸240mm×254mm ，加工范圍 250mm×250mm ,由表3-35選取導(dǎo)軌長(zhǎng)度為520mm.2.3 滾珠絲桿的設(shè)計(jì)計(jì)算1.最大工作載荷Fm的計(jì)算移動(dòng)部件總重量1895N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表3-29，取顛覆

9、力矩影響系數(shù)k1.1,滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)=0.005 2.最大動(dòng)載荷FQ 設(shè)工作臺(tái)最快進(jìn)給速度為1000mm/min,初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=200r/min求滾球絲杠的使用壽命T=15000h，代入LO=60n T/106,得絲杠壽命系數(shù)LO=180（106r）查表3-30，取載荷系數(shù)fW=1.2,滾道硬度為60HRC，取硬度系數(shù)fH=1.0，代入3.初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表3-31，選濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2505-4型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑25mm，導(dǎo)程5mm，循環(huán)滾珠為4圈×

10、2列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷大于FQ。 4.傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑do=25mm,導(dǎo)程Ph=5mm,代入，得絲杠螺旋升角=3°38，得傳動(dòng)效率=95.6%.5.剛度的驗(yàn)算X-Y工作臺(tái)上兩層滾珠絲杠副的支承切采用一對(duì)推力角接觸球軸承，左右支承的中心距離為a=500mm，鋼的彈性模量E=2.1×105MPa,查表3-31，得滾珠直徑Dw=3.175mm,絲杠底徑d2=21.2mm，絲杠截面積，根據(jù)，得在Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量1 =1.08×10-2mm 根據(jù)公式 得單圈滾球數(shù)Z=20，該系列絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為4×2. 代入

11、公式，得滾球總量Z=160，絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力FYJ=Fm/3=535N, 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2=0.0013×Fm/（10× ）=1.278×10-3mm，因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，實(shí)際變形量可減少一半，取=6.388×10-4mm. 絲杠的總變形量，計(jì)算得絲杠的有效行程為250mm，由表3-27得，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315mm，行程偏差允許打到23m,可見絲杠剛度足夠。壓杠穩(wěn)定性校核： 根據(jù)公式 計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk。查表，取支承系數(shù)=1，由絲杠底徑d2=21.2mm，求得截面慣性矩=9910.44mm4；

12、壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式 水平安裝）；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離取最大值500mm。代入=27359.6N，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。2.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱設(shè)計(jì) 減速箱采用一級(jí)減速，大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph=5mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.75°，減速比i=（Ph）/（360×）=25：12，大小齒輪模數(shù)都為1mm，齒數(shù)比75：36，材料為45號(hào)調(diào)制鋼，齒表面淬硬后達(dá)55HRC。減速箱中心距為（75+36）/2=55.5mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。2.5 步進(jìn)電機(jī)的選型與計(jì)

13、算(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Jeq滾珠公稱直徑d=25mm，總長(zhǎng)L=500mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度=7.8×10-3kg/cm3,移動(dòng)部件總重量G=1895N，小齒輪齒寬b1=20mm，直徑d1=36mm，大齒輪齒寬b2=10mm，直徑d2=75mm，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=Ld4/32=1.946kg·cm2，托板折算到絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw=（Ph/2）m=1.223kg·cm2，小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ1=0.259kg·cm2，大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ2=4.877kg·cm2，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)90BYG2602,二相四拍

14、，步距角0.75°，該型號(hào)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=4kg·cm2。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq=Jm+JZ1+（JZ2+Jw+Js）/i =6.113kg·cm2(2)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Teqa、快速空載啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=Tmax+TfTmax=2Jeq/（60ta）=0.952 N·m為對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速=/360=416.7r/min摩擦轉(zhuǎn)矩=(G+)=Ph/2i=5.173×10 N·m快速空載啟動(dòng)時(shí)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=Tmax+Tf=

15、0.957N·mb、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Teq2Teq2=Tt+TfTt=FfPh/2i=0.79 N·m，Tf=5.173×10 N·m則Teq2=Tf+Tt=0.795N·m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Teq=maxTeq1，Teq2=0.957N·m（3）步進(jìn)電動(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)輸入電壓低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能會(huì)造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此根據(jù)Teq來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，要考慮安全系數(shù)。此處安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩

16、應(yīng)滿足：Tjmax4Teq=3.828N·m，而初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)90BYG2602，Tjmax=6N·m，滿足要求。（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能校核a、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率fmaxf=666.7HZ，從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可得，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf=5.7N·m，遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=0.795N·m，滿足要求。b、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度vmax=1000mm/min，對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻fmax=3333.3HZ。此頻率下，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tmax=4.6N·m,大于快速空載Teq1=0.9

17、57N·m。c、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與vmax=1000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)fmax=3333.3HZ,而90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000HZ，可見沒超出上限。d、起動(dòng)頻率的計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：=/=1132HZ。要保證步進(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1132HZ。綜上所述，采用90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)符合的。2.6 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)我們采用一級(jí)齒輪減速箱實(shí)現(xiàn)電機(jī)到絲杠的速度傳 遞，用套筒聯(lián)軸器連接減速箱齒輪軸和絲杠軸。用滾珠絲杠將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)。3、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 控制系統(tǒng)

18、硬件組成 根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。其中數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。此次電路系統(tǒng)所設(shè)定方案包括以下幾個(gè)硬件部分：(1) 主控制器，即中央處理單元CPU。方案采用MCS-51系列的8031單片機(jī)作為主控制器。(2) 總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。(3) 存儲(chǔ)器。包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。(4) 接口。/（輸入/輸出）接口電路。(5) 外圍設(shè)備。如鍵盤，顯示器及光電輸入機(jī)等。3.2 控制系統(tǒng)硬件選型（1）單片機(jī)的選擇： 本課程設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)型的二坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)，其功能比較簡(jiǎn)單，成本低。因而這里選用MCS-51系列的

19、8031單片機(jī)作為CPU，它具有良好的 性能價(jià)格比，且易擴(kuò)展。8031所具有的基本功能：具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路的片內(nèi)具有128字節(jié)RAM具有21的特殊寄存器可擴(kuò)展64字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器具有四個(gè)/口,32條/線具有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有五個(gè)中斷源，配備兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)具有一個(gè)全雙工串行接口具有位尋址能力、適用于邏輯運(yùn)算（2）外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展：由于所選用的8031單片機(jī)為MCS-51系列單片機(jī)，其存儲(chǔ)器空間為64K字節(jié)，而8031單片機(jī)片內(nèi)沒有ROM，當(dāng)片內(nèi)存儲(chǔ)器容量不夠時(shí)，進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展是必不可缺的。由于此次設(shè)計(jì)存儲(chǔ)容量不大，所

20、以我們選擇價(jià)格低廉，性能可靠的2764芯片作為外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。（3）I/O口擴(kuò)展電路：此次課程設(shè)計(jì)因采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。為了降低成本，特采用可編程外圍并行接口芯片8155，使其完成驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功能，同時(shí)采用可編程外圍并行接口芯片8255來完成與鍵盤/顯示器的接口操作功能。8155和8255所能實(shí)現(xiàn)的功能： 并行輸入或輸出多位數(shù)據(jù)。 實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)鎖存和輸出數(shù)據(jù)緩沖。 提供多個(gè)通道接口聯(lián)絡(luò)控制信號(hào)。 通過讀取狀態(tài)字可實(shí)現(xiàn)程序?qū)ν庠O(shè)的詢查。（4）顯示器和鍵盤電路的接口設(shè)計(jì)：電氣原理圖中，由8片共陽極LED顯示塊拼成8位LED顯示器。為了簡(jiǎn)化硬件電路，采用動(dòng)態(tài)顯示方式。即所有位的段選線相

21、應(yīng)地并聯(lián)在一起，由8155的PA.0PA.7口來控制LED顯示器的段碼，而各位的位選線分別由相應(yīng)的I/O口線控制。即PC0PC7、PB6PB7共8個(gè)I/O口線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合。電氣原理圖中采用矩陣式鍵盤接口，鍵盤接口電路通過8155（U5）的PA0PA3和PC0PC4、PB0PB7構(gòu)成行、列線。按照逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)（即掃描）來確定閉合鍵的位置。（5）步進(jìn)電機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)對(duì)于此次課程設(shè)計(jì)中選用的步進(jìn)電機(jī)，為兩相，無論它工作在什么方式，都需要兩路控制電路，并且每一路對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)的一相。而每一路控制電路的結(jié)構(gòu)是一樣的。而在電氣原理圖中通過8255（U

22、5）的PA0PA1分別控制X方向步進(jìn)電機(jī)的兩相。對(duì)于Y軸步進(jìn)電機(jī)通過8255的PA2PA3分別控制Y方向步進(jìn)電機(jī)的兩相。3.3 控制系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計(jì)3.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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。（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

23、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。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)采用的是二相四拍的工作方式，二相四拍為ABAbabAbAB，其中A和a代表A相繞組正端和負(fù)端功率橋信號(hào)，其中B和b代表B相繞組正端和負(fù)端功率橋信號(hào)。（2） 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路該驅(qū)動(dòng)電路也采用了光

24、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。 （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。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。4.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對(duì)于MCS-51系列的8031單片機(jī)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

25、Keil 編譯軟件。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。4.1 控制系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計(jì)上電復(fù)位 開始吸合電磁鐵，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 主程序流程圖流程圖4.2 主流程設(shè)計(jì) CTL EQU 3FF8H ;8255地址 PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAH PC EQU 3FFBH CMD EQU 02H ORG 0000HAJMP 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

26、0013H AJMP INT1IS ；外部中斷1入口 ORG 001BH AJMP TM1IS ；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) 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)I

27、NT0IS，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(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 中斷服務(wù)流程設(shè)計(jì)4.31 INT0中斷服務(wù)流程圖 NT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL圖4-2 中斷服務(wù)流程圖 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 MO

28、V DPTR,R2；A口狀態(tài)輸?shù)紹口LED燈 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 P1.2TM2C： MOV A，R2 CPL A ANL A，#0CH JZ A，RETIN SETB P1.3 SETB P1.4 SETB P1.5RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI4.32INT1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 PUSH ACC PUSH PSW PUSH DPTL PUSH DPT

29、H CLR P1.6 MOV A，PC MOV DPTR，A MOVX A，DPTR；讀PC口內(nèi)容 MOV R1，A 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 JNB ACC.1，X-EN JNB ACC.2，Y+EN JNB ACC.3，Y-EN JNB ACC.5，ARC LOOP1：

30、POP DPTH POP DPTL POP PSW POP ACC SETB EX1 RETI4.4 軟件調(diào)試4.4.1 復(fù)位程序流程圖 圖4-4DIRX EQU 30H DIRY EQU 31HRST： CLR 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

31、 LOOP14.2.2 X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)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，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H 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)

32、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，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 18HXH EQU 19HYL EQU 28HYH EQU 29HYeL EQU 2AHYeH EQU 2BHFL EQU 2CHFH EQU 2DHARC： MOV XL #0E8HMOV XH #03HMOV YL #00HMOV

33、 YH #00HMOV YeL #0E8HMOV YeH #03HMOV FL #00HMOV FH #00HLP1： 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 YLCMP1：CJNE YH，#03H，LP1 CJNE YL，#0E8H，LP1 LJMP LOO

34、P1XO： 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)LMOV R4，R6MOV R5，R7ACALL BSUB ；算F-2XINC R7MOV FH，R6MOV FL，R7DEC XLAJMP CMP1；/*帶符號(hào)加減法程序*/BSUB： MOV A，R4 CPL ACC.7 MOV R4，ABADD： MOV A，R2 MOV C，ACC.7 MOV F0，C XRL A，R4 MOV C，ACC.7 MOV A，R2 CLR ACC.7 MO

35、V R2，A MOV A，R4 CLR ACC.7 MOV R4，A JC JIANJIA： MOV A，R3 ADD A，R5 MOV R7，A MOV A，R2 ADDC A，R4 MOV R6，AQWE： MOV C，F(xiàn)0 MOV ACC.7，C MOV R4，A RETJIAN： MOV A，R3 CLR C SUBB A，R5 MOV R7，A MOV A，R2 SUBB A，R4 MOV R6，A JNB ACC，7，QWEBMP： MOV A，R7CPL AADD A，#1MOV R7，AMOV A，R6CPL AADDC A，#0MOV R6，ACPL F0SJMP QWE /*模擬實(shí)驗(yàn)程序*/ORG 0000H AJMP START ORG 0100HSTART:MOV R6,#10HLOOP1:MOV R5,#00HLOOP0:MOV A,R5 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR CPL A MOV P2,A ACAL