〔大学论文〕X-Y数控工作台机电系统设计（含word文档） .pdf

毕毕毕毕 业业业业 论论论论 文（设文（设文（设文（设 计）计）计）计） x-yx-yx-yx-y 数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计 学生姓名 学号 专业械设计制造及其自动化 班级 指导教师 学部机电工程学部 答辩日期 x-yx-yx-yx-y 数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计 摘摘摘摘要要要要 x-y 数控工作台机电系统设计 是一个开环控制系统,其结构简单。实现方便而且 能够保证一定的精度。降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了 危机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进 一步得到提高。x-y 数控工作台机电系统设计是利用 8031 单片机,及 2764,6264 存储 器及 8155 芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工 功能。 其基本思想是:通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工,每进行 一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转,同时通过 8155(1)将相应的加工进 刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具 对工件的加工。 该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构简单，条件明确 在经济型数控中应用较多。 中断结构采用模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩 充，编制较为方便，便于向多处理方向发展。x-y 数控工作台机电系统设计采用步进 电机作为驱动装置。 步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装 置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步 进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同， 转子的旋转快慢及旋 转时间的长短也是不同的。 由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时 具有力的作用， 从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实 现转子带动丝杠作相应的运动。本题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语 言的综合应用，本题目设计得到了老师的帮助和支持，最后由董玉红老师审定，在此 表示感谢。本题目由方世龙完成，共分六章，第一章主要设计总体方案设计第二章主 要设计了机械系统设计；第三章主要设计了控制系统硬件设计；第四章主要设计控制 系统软件设计；第五章主要是本设计的附录。因本人水平有限，错误和不足之处在所 难免，处理问题也有不妥之处，敬请相关老师批评指正。 关键词关键词关键词关键词：x-y 数控工作台；机电系统；微型计算机；6264 存储器 x-yx-yx-yx-y ncncncnc worktableworktableworktableworktable mechatronicsmechatronicsmechatronicsmechatronics systemsystemsystemsystem d d d designesignesignesign abstractabstractabstractabstract 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. keywordskeywordskeywordskeywords：x-y nc worktable; mechatronics system; micro-computers; 6264 memory 目目目目录录录录 x-yx-y 数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计. .i i 摘摘要要 i i abstractabstract 2 2 x-yx-y 数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计. .1 1 第第 1 1 章章绪绪论论 1 1 1.11.1 两坐标数控系统课题研究意义两坐标数控系统课题研究意义. .1 1 1.21.2 两坐标系数控工作台课题研究主要内容两坐标系数控工作台课题研究主要内容 1 1 1.2.11.2.1 两坐标系系统的组成两坐标系系统的组成 1 1 第第 2 2 章章机械系统设计机械系统设计 1 1 2.12.1 工作台外形尺寸及重量估算工作台外形尺寸及重量估算 1 1 第第 3 3 章章控制系统硬件设计控制系统硬件设计 10 10 3.13.1 cpucpu 板板. .10 10 3.23.2 驱动系统驱动系统 13 13 3.2.13.2.1 步进电机驱动电路和工作原理步进电机驱动电路和工作原理. .13 13 3.2.33.2.3 电源转换电源转换 15 15 3.43.4 本章小节本章小节1616 第第 4 4 章章 控制系统软件设计控制系统软件设计 17 17 4.14.1 总体方案总体方案 17 17 4.24.2 主流程图主流程图 17 17 4.34.3int0int0 中断服务流程图中断服务流程图. .18 18 4.44.4int1int1 中断服务流程图中断服务流程图. .19 19 4.2.24.2.2 x x 轴电机点动正转程序流程图轴电机点动正转程序流程图. .23 23 4.4.34.4.3 绘制图弧程序流程图绘制图弧程序流程图 24 24 4.4.44.4.4 步进电机步进一步程序流程图步进电机步进一步程序流程图 29 29 结结论论 31 31 参考文献参考文献 32 32 致致谢谢 33 33 附附录录 3 34 4 x-yx-yx-yx-y 数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计数控工作台机电系统设计 第第第第 1 1 1 1 章章章章绪绪绪绪论论论论 1.1 两坐标数控系统课题研究意义两坐标数控系统课题研究意义两坐标数控系统课题研究意义两坐标数控系统课题研究意义 x-y 数控工作台机电系统设计 是一个开环控制系统,其结构简单.实现方便而且 能够保证一定的精度.降低成本,是微机控制技术的最简单的应用.它充分的利用了危 机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一 步得到提高. 1.2 两坐标系数控工作台课题研究主要内容 x-y 数控工作台机电系统设计是利用 8031 单片机,及 2764,6264 存储器及 8155 芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能.其基 本思想是:通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工,每进行一段加工 都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转,同时通过 8155(1)将相应的加工进刀信息送 至刀架库中以实现以之相应的走刀,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的 加工。 1.2.11.2.11.2.11.2.1 两坐标系系统的组成两坐标系系统的组成两坐标系系统的组成两坐标系系统的组成 经济型数控机床驱动电机采用步进电机，多数采用开环控制，需要选择和计算主 要机械传动部件， 如滚珠丝杠， 螺母副和步进电机等， 绘制机床进给传动机构装配图， 绘制单片机控制系统的硬件线路图。 第第第第 2 2 2 2 章章章章机械系统设计机械系统设计机械系统设计机械系统设计 2.1 工作台外形尺寸及重量估算 x 向拖板（上拖板）尺寸： 长宽高14516050 重量：按重量=体积材料比重估算 32 145 16050 107.8 1090 n y 向拖板（下拖板）尺寸： 145 16050 重量：约 90n。 上导轨座（连电机）重量： 223 (220 140382 1558 )7.8 10101.1 10107 +()n 夹具及工件重量：约 150n。 x-y 工作台运动部分的总重量：约 287n。 2.2 滚动导轨的参数确定 导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度，精度与 精度保持性。目前的数控机床采用导轨形式的主要有：滑动导轨，滚动导轨，静压导 轨三类。 滑动导轨 滑动导轨主要有：金属对金属，金属对塑料，后者较为常用。后者的化学稳定 性好，摩擦系数抵，静摩擦系数小，耐磨损，耐腐蚀，吸振性好，比重小，强度大， 加工成型简单，能在任何液体或者无润滑条件下工作。其缺点是：耐热性差，导热率 低，须注意散热，刚性也比较差，吸湿性大易影响尺寸的稳定，应选用在水或者油中 尺寸稳定且能耐酸和弱碱的塑料。 滚动导轨 1 滚动导轨的技术要求 两导轨面见的不平行度不小于 3m 导轨平面度不小于 5m 滚动体的直径差一般机床全部滚动体为 2m。每组滚动体为 1m；精密机床全 部滚动体为 1m，每组滚动体为 0，5m。 滚柱的锥度：0，5-1m。 表面粗糙度：普通机床，磨削不抵于 0，40（m） ，精密机床磨削不抵于 0，20 （m） 滚动导轨的结构形式按滚动体种类分，可有以下几种； 滚珠导轨。这种导轨的承载能力小，刚度低。导轨面上容易出现凹坑，但对加工 精度影响不大，其材料一般为淬火钢。 滚柱导轨。它的承载能力比上述的大，适合载荷较大的机床，但滚柱导轨对安装 的偏斜较为灵敏，易引起侧移和侧向滑动从而使导轨磨损加快或者降低精度。 滚针导轨。这种导轨的特点是尺寸小，结构紧凑。合适导轨受限的机床。 动导轨的支承 在数控机床上使用的滚动导轨有两种形式；滚动滑块式滚柱导轨和组装式直 线滚针导轨。 静压导轨 这样导轨的优点是： 工作表面完全处于纯液体摩擦状态下， 所以其摩擦系数极低， 能使驱动功率降低；导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时运动均匀，不出现 爬行现象。使用的寿命小。抗振性好；承载能力大；摩擦发热小，导轨的温升小。 它 的结构形式有开式和闭式两种。 、导轨型式：圆形截面滚珠导轨 、导轨长度 上导轨（x 向） 取动导轨长度 100 b l= 动导轨行程 55l= 支承导轨长度 155 b lll=+ = 下导轨（y 向） 50l= 100 b l= 150l= 选择导轨的型号：gta16 、直线滚动轴承的选型 上导轨 240() x gn= 下导轨 287() y gn= 由于本系统负载相对较小，查表后得出 lm10uuop 型直线滚动轴承的额定动载荷 为 370n，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择 lm16uuop 型直线滚动轴 承。并采用双排两列 4 个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。 、滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚 动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等， 工 作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致， 使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差， 则 在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形） ，影 响导轨的精度。 2.32.32.32.3 滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时 的情况计算。 、最大动负载 q 的计算 3 h ql f f p = 查表得系数 1f= ， 1 h f= ，寿命值 6 60 10 nt l= 查表得使用寿命时间 t=15000h，初选丝杠螺距 t=4mm，得丝杠转速 max 10001000 1 250( /min) 4 v nr t = 所以 6 60250 15000 225 10 l = x 向丝杠牵引力 1.414 xx pf g= 当 ()f当当量摩擦系数 1.4140.01 2403.39()n= y 向丝杠牵引力 1.414 1.4140.01 2874.06() yy pf g n = = 当 所以最大动负荷 x 向 3 225 1 1 3.3920.6() x qn= = y 向 3 225 1 1 4.0624.7() y qn= = 查 表 ， 取 滚 珠 丝 杠 公 称 直 径 0 10dmm= ， 选 用 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的型号为sfk1004，其额定动载荷为 390n，足够用。 、滚珠丝杠螺母副几何参数计算 表 2-1滚珠丝杠螺母副几何参数 名称符号计算公式和结果 螺纹滚道 公称直径 0 d 10 螺距t4 接触角 45o 钢球直径 q d2 螺纹滚道法面半径r 0.521.04 q rd= 偏心距e () /2 sin0.03 q erd= 螺纹升角 0 arc7.26 t tg d = o 螺杆 螺杆外径d () 0 0.2 0.259.5 q ddd= 螺杆内径 l d 0 227.98 l dder=+= 螺杆接触直径 z d 0 cos8.59 zq ddd= 螺母 螺母螺纹外径d 0 2212.02dder=+= 螺母内径（外循环） 1 d () 10 0.2 0.25510.5 q ddd=+= 见表 2-1。 、传动效率计算 7.26 0.973 ()(7.260.2 ) tgtg tgtg = + o oo 式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。 、刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 p 引起的导程 0 l 的变化量 0 1 pl l ef = v y 向所受牵引力大，故应用 y 向参数计算 24.7()pn= 0 0.4()lcm= 62 20.6 10 (/)en cm=()材料为钢 () 2 22 0.798 3.140.5 2 frcm = 所以 6 1 6 24.70.5 1.2 10 () 20.6 100.5 lcm = = v 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量 2 lv 很小，可以忽略。 所以导程总误差 () 6 0 100100 1.2 103/ 0.4 lm m l =v v 查表知 e 级精度的丝杠允许误差15 m ，故刚度足够。 、稳定性验算 由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。 2.42.42.42.4 步进电机的选用步进电机的选用步进电机的选用步进电机的选用 步进电动机又称脉冲电动机或为阶跃电动机，目前，随着电子技术，控制技术以 及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越模糊；步进电动机的传 动定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角落，若不改变励 磁状态则保持一定的状态而静止； 广义的定义为，步进电动机是一种受电脉冲信号控 制的无刷式直流电动机， 也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电 动机。 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于 1830 年至 1860 年间。在 20 世纪 60 年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用型的步进电动 机应运而生， 半导体的发展使得步进电动机得到了广泛的应用。我国的步进电动机开 始于 21 世纪 50 年代后期，其发展过程大致经历了四个阶段：第一阶段从 50 年代后 期到 60 年代后期主要是高等院校和科研机构开发并使用少量的步进电机，以多段结 构三相反应式步进电动机为主；第二阶段，70 年代初期反映在步进电机的生产和研 究发展到了一个水平；第三阶段，70 年代中期至 80 年代后期新产品种高性能电动机 层出不穷，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品得到广泛应用。 步进电动机的特点 步进电机有三大部分组成：步进电动机本体，步进电动机控制器及步进电动机驱动 器。其特点如下： 1）用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 2） 位移与输入脉冲数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单又具有一定 精度的开环控制系统，也可在要求更高组成闭环控制系统。 3）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 4）抑郁启动正反转和变速停止，影响性好。 5）平滑性好，步距角选择范围大，停止时可有自锁能力 、步进电机的步距角 b 取系统脉冲当量 0.01/ p mm step= ，初选步进电机步距角 1.5 b = o 。 、步进电机启动力矩的计算 设步进电机等效负载力矩为 t，负载力为 p，根据能量守恒原理，电机所做的功 与负载力做功有如下关系 tps 式中：电机转角；s移动部件的相应位移；机械传动效率。 若取 b =，则 p s=，且 s ppg=+，所以 36 () 2 ps b pg tn cm + =g 式中： s p移动部件负载（n） ；g移动部件重量（n） ； z p与重量方向一 致的作用在移动部件上的负载力（n） ；导轨摩擦系数； b 步进电机步距 角， （rad） ；t电机轴负载力矩（n cmg） 本例中，取0.03=（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96=， s p为丝杠牵引力， 24.7 sh ppn=。考虑到重力影响，y 向电机负载较大，因此取287 y ggn=，所 以 360.01 24.70.03287 1.33() 21.50.96 tn cm + = g 若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩 0.3 0.5 q t t= 取安全系数为 0.3，则() 1.33 4.42 0.3 q tn cm=g 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 max 5.1 0.866 q j t t=()n cmg 、步进电机的最高工作频率 max max 10001000 1 1667() 6060 0.01 p v fhz = 查表选用两个 45bf005-型步进电机。电机的有关参数见表 2-2。 表 2-2步进电机参数 型 号 主要技术数据外形尺寸()mm重量 ()n 步 距 角 ( ) o 最大 静转距 ()n cmg 最高空载 启动频率 (/step s ) 相 数 电压 ( )v 电流 ( )a 外径长度轴径 45bf005-1 519.630003272.54558411 2.52.52.52.5确定齿轮传动比确定齿轮传动比确定齿轮传动比确定齿轮传动比 因步进电机步距角 1.5 b = o ，滚珠丝杠螺距 4tmm= ，要实现脉冲当量 0.01/ p mm step= ，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比 1 2 360 0.01 360 0.6 1.54 p b z i zt = o 选 1 17z= ， 2 28z= 2.62.62.62.6 确定齿轮模数及有关尺寸确定齿轮模数及有关尺寸确定齿轮模数及有关尺寸确定齿轮模数及有关尺寸 因传递的扭距较小，取模数 1mmm= ，齿轮有关尺寸见表 3-3。 2.72.72.72.7 步进电机惯性负载的计算步进电机惯性负载的计算步进电机惯性负载的计算步进电机惯性负载的计算 表 2-3齿轮尺寸 z 1728 ()dmz mm= ()2 a ddm mm=+ ()2 1.25 f ddm mm= ()()36bm mm= () 12 2 dd amm + = 17 19 14.5 5 28 30 25.5 5 17.5 根据等效转动惯量的计算公式，得 () 2 2 1 0123 2 180 p d b z jjjjjm z =+ 式中： d j 折算到电机轴上的惯性负载（ 2 kg cmg ） ； 0 j 步进电机转轴的转 动惯量（ 2 kg cmg ） ； 1 j 齿轮的转动惯量（ 2 kg cmg ） ； 2 j 齿轮的转动惯量 （ 2 kg cmg ） ； 3 j 滚珠丝杠的转动惯量（ 2 kg cmg ） ；m移动部件质量（kg） 。 对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算 () 342 0.78 10jd l kg cm =g 式中：d圆柱零件直径（cm） ；l零件长度（cm） 。 所以 () 3432 1 0.78 101.70.53.26 10jkg cm =g () 3432 2 0.78 102.80.523.9 10jkg cm =g () 3432 3 0.78 10153.9 10jkg cm =g 电机轴转动惯量很小，可以忽略，则 () 2 33 17 3.26 1023.93.910 28 d j =+ () 2 52 0.001 250.4 10 3.14 1.5 180 kg m += g 因为 10.4 0.3191 41.274 d m j j = ，所以惯性匹配比较符合要求。 第 3 章控制系统硬控制系统硬控制系统硬控制系统硬件设计 3.13.13.13.1cpucpucpucpu 板板板板 3.1.13.1.13.1.13.1.1cpucpucpucpu 的选择的选择的选择的选择 随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型 号很多，而目前市场上应用 mcs-51 芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最 广的 8 位单片机 89c51，价格低廉，而性能优良，功能强大。 在一些复杂的系统中就不得不考虑使用 16 位单片机，mcs-96 系列单片机广泛应 用于伺服系统， 变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展 能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。 从要设计的系统来看，选用较老的 8051 单片机需要拓展程序存储器和数据存储 器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的 16 位 mcs-96 又显得过于浪费。生产基于 51 为内核的单片机的厂家有 intel、 atmel、 simens， 其中在 cmos 器件生产领域 atmel 公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。 atmel 公司的 at89 系列单片机内含 flash 存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的 保存；它和 80c51 插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。 因此硬件 cpu 选用 at89s51，at 表示 atmel 公司的产品，9 表示内含 flash 存储 器，s 表示含有串行下载 flash 存储器。 at89s51 的性能参数为：flash 存储器容量为 4kb、16 位定时器 2 个、中断源 6 个 （看门狗中断、 接收发送中断、 外部中断 0、 外部中断 1、 定时器 0 和定时器 1 中断）、 ram 为 128b、14 位的计数器 wdt、i/o 口共有 32 个。 3.1.23.1.23.1.23.1.2cpucpucpucpu 接口设计接口设计接口设计接口设计 cpu 接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图 如下所示： （行程开关） 前向通道 传动驱动 （电磁铁） （步进电机） 人机界面 传感器 at89s51 （键盘、led） 后向通道 图 3-1cpu 外部接口示意图 at89s51 要完成的任务： （1）将行程开关的状态读入 cpu，通过中断进行处理，它的优先级别最高。 （2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。 （3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到 led 上，实现人机交互作用。 由于 at89s51 只有 p1 口和 p3 口是准双向口，但 p3 口主要以第二功能为主，并 且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行 i/o 扩展。考虑到电路的简便性和 可实现性，实际中采用内部自带锁存器的 8155，所以 at89s51 的 i/o 口线分配如下： （1）p1.0-p1.5 控制 x-y 两个方向步进电机的 a、b、c 线圈通电，形成 a-ab-b-bc-c-ca-a 三相六拍正转模式和 a-ac-c-cb-b-ba-a 的反转模式。 （2）p1.6 口输出控制电磁铁的吸合。 （3）p3.2 和 p3.3 两个中断源中 int0 优先级最高，它读入行程开关的状态并触 发中断；int1 读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。 （4）p0.0-p0.7 外部 i/o 扩展的数据读取。 （5）p2.7 和 p2.6 决定 8155 的 pa、pb、pc 口的地址。 p1.0-p1.2 驱动 1x 步进电机 驱动 2y 步进电机p1.3-p1.5 p1.6 驱动 3 p3.2 外部中断 1 p3.3 外部中断 2 p0.0-p0.7ad0ad7 p2.7ce p2.6io/m pb 口 pa 口 pc 口 at89s51 键盘 电磁铁 8155 图 3-2at89s51 控制系统图 pb 口接 led 反映当前运行的 8 个状态：x+禁止、x-禁止、y+禁止、y-禁止、手动 x+运行、手动 x-运行、手动 y+运行、手动 y-运行。 pa 口低四位反映触发中断 1 的 4 个行程开关的状态。 pc 口低 6 位反映了触发中断 2 的手动 x+运行、手动 x-运行、手动 y+运行、手动 y-运行、复位（rst） 、圆弧插补 6 个开关的状态。 3.23.23.23.2 驱动系统驱动系统驱动系统驱动系统 传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位 和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的 速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。 3.2.13.2.13.2.13.2.1 步进电机驱动电路和工作原理步进电机驱动电路和工作原理步进电机驱动电路和工作原理步进电机驱动电路和工作原理 步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为 0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进 0.01mm。 步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护 cpu 的作用， 当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在 cpu 上使其烧坏。 图 3-4步进电机驱动电路图 该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当 a 相得电时，电动机转动一 步。电路中与绕组并联的二极管 d 起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组 中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组 w 串联的电阻为限 流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。 由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈 a、b、c） ，其正转的通 电顺序为：a-ab-b-bc-c-ca-a，其反转的通电顺序为：a-ac-c-cb-b-ba-a。 步进时钟 a 相波形 b 相波形 c 相波形 图 3-5三相六拍工作方式时相电压波形（正转） 3.2.2 电磁铁驱动电路电磁铁驱动电路电磁铁驱动电路电磁铁驱动电路 该驱动电路也采用了光电偶合器， 但其功放电路相对简单。 其光电偶合部 分采用的是达林顿管， 因为驱动电磁铁 的电流比较大。 3.2.3电源转换电源转换电源转换电源转换 两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。 此系统中用到的电源电压为 27v、12v、5v，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标 准的 27v 电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的 12v 和 5v 电压。 图 3-7电源转换电路图 电路中在转换芯片的前后有两个电容，前面电容起防止自激作用，后面电容起滤波作 用。此外，在具体应用的过程中，lm7805 必须加上散热片。 3.33.33.33.3传感器和人机界面传感器和人机界面传感器和人机界面传感器和人机界面 由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。因此，必须 在 x、y 轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个： （1）防止工作台超 过最大行程，使电机损坏（2）可以用与定位。所以这 4 个行程开关就充当了传感器。 人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简 洁明了。此系统中共有 9 个 led，led1 灯亮表示 x 轴负方向禁止通行，led2 灯亮表示 x 轴正方向禁止通行，led3 灯亮表示 y 轴负方向禁止通行，led4 灯亮表示 y 轴正方向 禁止通行，led5 灯亮表示手动使工作台向 x 轴负方向通行，led6 灯亮表示手动使工作 台向 x 轴正方向通行，led7 灯亮表示手动使工作台向 y 轴负方向通行，led8 灯亮表示 手动使工作台向 y 轴正方向通行，led9 亮表示系统通电运行。 界面上的 7 个按扭意义为：按扭 1 是通断电开关，按扭 2 是向 x 轴负方向运行的 点动开关，按扭 3 是向 x 轴正方向运行的点动开关，按扭 4 是向 y 轴负方向运行的点 动开关，按扭 5 是向 y 轴正方向运行的点动开关，按扭 6 是复位开关，按扭 7 是执行 绘制圆弧开关。 图 3-8人机界面图 3.43.43.43.4 本章小节本章小节本章小节本章小节 本章着重介绍了数控工作台控制系统的硬件设计。cpu 板介绍了 cpu 的选择及其外 围的接口设计和控制流程；驱动系统介绍了步进电机和电磁铁的驱动电路设计；此外还 叙述了人机界面各个按扭和 led 的意义。 第第第第 4 4 4 4 章章章章 控制系统软件设计控制系统软件设计控制系统软件设计控制系统软件设计 4.14.14.14.1 总体方案总体方案总体方案总体方案 对于 at89s51 的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。编译 器采用 keil 7.02b。该编译器是 51 系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编， 也支持 c 语言编译。同时具有完善的调试功能。 4.24.24.24.2 主流程图主流程图主流程图主流程图 ctlequ3ff8h paequ3ff9h pbequ3ffah pcequ3ffbh cmdequ02h org0000h ajmpmain org0003h ajmpint0is；外部中断 0 入口 org000bh ajmptm0is；定时器 0 中断入口 org0013h ajmpint1is；外部中断 1 入口 org001bh ajmptm1is；定时器 1 中断入口 org0100h main：anlp1，0efh setbit0；外中断负跳沿触发 setbit1 mova，ctl 上电复位 p1.6=0，吸合电磁铁，绘笔抬起 外部中断，8155 初始化 开外部中断，开总中断 等待中断 图 4-1 主程序流程图 movdptr，a movxdptr，cmd；a 口输入，b 口输出，c 口输入 setbex0；允许外中断 0 setbex1；允许外中断 1 setbpx0 setbpx1；设置优先级 setbea；开总中断 loop：ajmploop；等待中断 在等待中断的过程中，如果有中断到来，先检查中断 0 的状态，是中断 0 则进入 中断 0 的中断服务 int0is， 是中断 1 则进入中断 1 的 中断服务 int1is。 中断服务 0 是由 4 个行程开关触发的，它触发 后通过单片机读取 pa 口内容，然后将结果反馈到 pb 口的 led 上。 中断服务 1 有 6 个中断源，这六个中断源分别 是手动 x 正方向运行，手动 x 负方向运行，手动 y 正 方向运行，手动 y 负方向运行，复位和绘制圆弧。 4.34.34.34.3int0int0int0int0 中断服务流程图中断服务流程图中断服务流程图中断服务流程图 nt0is：pushacc pushdptl pushdpth pushpsw mova，pa movdptr，a movxa，dptr；读 pa 口内容 movr2，a 图 4-2 中断服务流程图 mova，pb movdptr,a movdptr,r2 mova，r2 cpla；a 取反 anla，#03h；屏蔽高 6 位 jza，tm2c setbp1.0 setbp1.1 setbp1.2 tm2c： mova，r2 cpla anla，#0ch jza，retin setbp1.3 setbp1.4 setbp1.5 retin：poppsw popdpth popdptl popacc reti 4.44.4int1int1 中断服务流程图中断服务流程图中断服务流程图中断服务流程图 中断服务流程图如下 图 4-3 服务中断图 int1is：clrex1jnbacc.1，x-en pushaccjnbacc.2，y+en pushpswjnbacc.3，y-en pushdptljnbacc.5，arc pushdpthloop1：popdpth clrp1.6popdptl mova，pcpoppsw movdptr，apopacc movxa，dptr；读 pc 口内容setbex1 movr1，areti anlr1，#0fh mova，pb movdptr，a mova，dptr；读 pb 口内容 anla，#0fh swapa orla，r1 movr2，a mova，pb movdptr，a movxdptr，r2；数据输入 pb 口 incdptl mova，dptr jnbacc.4，rst jnbacc.0，x+en 4.4.14.4.14.4.14.4.1 复位程序流程图复位程序流程图复位程序流程图复位程序流程图 复位程序流程图 图 4-4 dirxequ30h diryequ31h rst：clrp1.6 rpa：mova，pa movdptr，a movxa，dptr；读 pa 口内容 jnbacc.0，acc2 movdirx，#00h；表 x 电机反转 acallxmotor0；x 电机反转一步 acc2： jnbacc.2，loop0 movdiry，#00h；表 y 电机反转 acallymotor0；y 电机反转一步 ajmprpa loop0：ajmploop1 4.2.24.2.24.2.24.2.2 x x x x 轴电机点动正转程序流程图轴电机点动正转程序流程图轴电机点动正转程序流程图轴电机点动正转程序流程图 图 4-2 正转流程图 x+en：clrp1.6 mova，pa movdptr，a movxa，dptr jnbacc.0，loop2 motor0： movdirx，#01h acallxmotor0 mova，pc movdptr，a mova，dptr jnbacc.0，motor0 loop2：ajmploop1 这是 x 轴电机点动正转的程序，其他的 x 轴电机点动反转、y 轴电机点动正转、y 轴电机点动反转依次类推。 4.4.34.4.34.4.34.4.3 绘制图弧程序流程图绘制图弧程序流程图绘制图弧程序流程图绘制图弧程序流程图 图 4-6逐点比较法画圆弧 逐点比较法原理：假设所画圆弧在第一象限，圆心坐标为（0，0） ，圆弧上点的坐 标为（x，y） ，圆弧半径为 r，每一点的坐标偏差为 f=x*x+y*y-r*r，若 f0，应沿 x 轴 负方向走一步，此时 fx=（x-1）*（x-1）+y*y-r*r=f-2x+1，x=x-1；若 f0，应沿 y 轴正方向走一步，此时 fy=x*x+（y-1）*（y-1）-r*r=f+2y+1，y=y+1。插补程序见附录。 ；/*/*/*/*圆弧插补程序圆弧插补程序*/*/*/*/ xlequ18h xhequ19h ylequ28h yhequ29h yelequ2ah yehequ2bh flequ2ch fhequ2dh arc：movxl#0e8h movxh#03h