采用单片机的X-Y工作台运动控制实验设计

1、目 录目目 录录设计总说明.1INTRODUCTION.21绪论.32设计任务.32.1任务的内容与要求.32.2设计参数和技术要求.42.3设计参数的确定.42.4方案的确定.42.5系统运动方式的确定.42.6伺服系统的选择.42.7执行机构传动系统的确定.52.8控制系统的选择.52.9方案实施.53机械系统设计.63.1脉冲当量的确定.63.2传动比的确定.63.3工作载荷分析与计算.63.4滚珠丝杠螺母副的选型和校核.73.4.1计算丝杠承受的重量.73.4.2最大工作载荷的计算.73.4.3滚珠丝杠螺母副校核.83.4.4传动效率计算.93.4.5刚度验算.103.4.6丝杠的拉伸

2、或压缩变形量.103.4.7滚珠与螺纹滚道间接触变形.103.4.8滚珠丝杠副刚度的验算.113.4.9丝杠稳定性验算.113.5 导轨的选型和计算.123.5.1 导轨的选型.123.5.2 滚动导轨的润滑与防护：.143.6 步进电机的计算和选型.14目 录3.6.1 初选步进电机.143.6.1.1 滚珠丝杠转动惯量的折算.143.6.1.2 工作台转动惯量的折算.143.6.1.3 联轴器转动惯量的折算.153.6.1.4 步进电机转子转动惯量.153.6.2 步进电机所需带负载启动力矩的计算.153.6.2.1 加速度力矩.163.6.2.2 空载摩擦力矩.163.6.2.3 附加摩

3、擦力矩.163.6.3 验算步进电机最大静转矩.173.6.4 步进电机启动矩频特性校核.173.6.5 电机快速进给矩频特性较核.183.6.6 工进运行矩频特性校核.194. 控制系统设计.204.1 步进电机.214.1.1 步进电机的控制原理.214.1.2 步进电机的接线.214.2 M535 驱动器.214.3 步进驱动器的拨盘开关.214.4 M535 驱动器的接线原理图.235 控制软件设计.235.1 插补过程.245.1.1 逐点比较法直线插补.245.1.1.1 偏差计算公式.245.1.1.2 第一象限直线插补程序流程图.255.1.1.3 终点判断方法.255.1.1

4、.4 其它象限的直线插补计算.255.1.1.5 直线插补流程图.265.1.2 逐点比较法逆圆插补.265.1.2.1 偏差计算公式.265.1.2.2 第一象限圆弧插补的流程图：.275.1.2.3 终点判断方法.275.1.2.4 其它象限的逆圆插补计算.285.1.2.5 逆圆插补流程图.285.1.3 逐点比较法顺圆插补.285.1.3.1 偏差计算公式.285.1.3.2 终点判断方法.295.1.3.3 其它象限的逆圆插补计算.295.1.3.4 顺圆插补流程图.296 总结.30目 录鸣 谢.31参考文献.32附录 1 最终程序.33附录 2 实验一 X-Y 工作台单轴运动的控

5、速控程实验指导书.46附录 3 实验二 第一象限的直线插补实验指导书.50附录 4 实验三 第一象限的圆弧插补实验指导书.55广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 1 设计总说明本设计结合机电一体化教学需要，设计采用单片机的 X-Y 工作台运动控制实验。通过 X-Y 工作台机械结构设计和控制电路接口设计,了解机电一体化设计中的共性和关键技术。1、X-Y 工作台机械结构采用滚珠直线导轨副为导向支承，滚珠丝杠螺母副为运动执行机构。2、控制部分采用单片机，驱动器完成控制器与外部器件的互联，并进行光电隔离和功率放大。3、控制软件能执行部分数控 G 代码指令，并调用其中的控制算法，包括直线插补算法、

6、圆弧插补算法等。整个系统为一个开环式数控系统。数控机床、机器人、全自动智能洗衣机等是典型的机电一体化产品。数控机床的控制方式有单片机、PLC 以及应用微机原理的单片机。关键词：X-Y 工作台；单片机；运动控制广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 2 INTRODUCTIONConsidering the teaching needs of electromechanical integration, the designs experiment is controlled by motion of X-Y worktable which adopted with single-chip m

7、icrocomputer. Through the design of the X-Y worktables mechanical structural and the interface of the control circuit, understanding the common and the key technologies of the electromechanical integration design.1、The mechanical structure of X-Y worktable adopts spherical lining guide pair for guid

8、ing beer and ball screw nut pair for executing entity of motion. 2、The controlling part adopts single-chip microcomputer of single chip microcomputer series for processing unit, which is extended exteriorly by I/O interface. The code translation function and signal processing circuit are finished by

9、 inputting command and data on keyboard, while the photoelectric isolation and power amplification are carrying out. 3、The controlling software can perform some of NC G code instructions, and call the control algorithms, which includes lining interpolated algorithm, arc interpolated algorithm etc. T

10、he results of experiments show that the system is designed reasonably, which has high qualities of real-time, tiny following error, and high precision of processing etc. 4、As a whole system open-loop CNC system. CNC machine tools, robots, automatic washing machines and other intelligence is a typica

11、l mechatronics product. CNC machine tools have a single-chip control, PLC, as well as the application of the principle of the single chip microcomputer.KEYWORDS: The X-Y worktable, Single-Chip Microcomputer, Motion control广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 3 采用单片机的 X-Y 工作台运动控制实验设计1绪论本设计的目的是为教学实验提供的一种数控设备，加深学生对机电一

12、体化技术理论实践的应用与掌握，为开设创新与综合实验提供思路和借鉴，从而提高教学质量。X-Y 工作台及其运动控制是数控技术 、 机电一体化技术基础课程教学中最典型的实例，掌握了 X-Y 工作台机械构成和运动控制方法可以说就真正和完全理解了课程的核心内容。因此 X-Y 工作台运动控制实验在课程教学中作用非常大，同时该教学实验对学生机电技术方面的综合能力的培养作用也非常显著。由于学校还没有成熟的 X-Y 工作台运动控制的教学实验，故立项X-Y 工作台运动控制实验设计。通过单片机控制 X-Y 工作台运动是典型的机电一体化系统，以此为设计内容有较强的教学研究意义。作为一个机电类的毕业生，他关系到我们机电

13、知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力。通过这个教学实验，学生能够理论用于实践。用实践来加深对机电一体化知识的认知和理解。本设计是以单片机为内核的数控 X-Y 工作台实验设计，它具有直线插补和圆弧插补等数控系统所使用的常用功能，结构简单，操作方便，控制精度相对较高,可靠性、稳定性和实用性都很好。2设计任务2.1任务的内容与要求 设计采用单片机的 X-Y 工作台运动控制实验的硬件装置和应用软件系统，并采用该硬件装置和应用软件系统完成要求的运动控制实验。该设计为计算机运动控制的教学实验提供硬件和软件平台，为计算机运动控制的教学实验提供参考，为开设创新与综合实验提供思路和借鉴。具体内

14、容有：1）硬件装置的设计与实现。包括设计电气原理图，接线图；设计 X-Y 工作台机构装配图和零件图；完成实验装置的构建（建议充分利用现有实验硬件资源，进行必要的改进） 。2）设计实验开发的应用软件系统。包括确定应用软件系统功能和构成方案；系统程序的编写、调试。3）利用该系统开发至少两种具有创新性和综合性的计算机运动控制的教学实验，并进行实验情况总结分析，给出实验指导性资料。广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 4 4）编写实验硬件装置和应用软件系统使用说明书；实验参考指导书。2.2设计参数和技术要求1）采用 8051 系列单片机为运动控制核心器件，实现运动控制，即数控的核心功能插补和驱动控

15、制；2）采用 PC 机为上位微机，与 8051 单片机的运动控制部分用通讯接口连接，实现G 代码数控程序的输入、译码、预处理、信息显示、运行管理等；3）X-Y 工作台的驱动电动机选用步进电动机或伺服电动机，电动机功率在 100 瓦左右，控制轴数为两轴联动；4）X-Y 工作台的行程在 180mm120mm 左右；5）应用软件系统应该能够执行基本运动数控 G 代码指令，如G00、G01、G02、G03、G04、G90、G91 等；6）开发的教学实验应注重创新性和综合性。2.3设计参数的确定工作台行程 横向 180mm纵向 120mm最大快进速度 3m/min铣削最大宽度 ae 4mm铣削最大深度

16、ap 2mm最大铣刀直径 16mm加工材料 碳钢2.4方案的确定2.5系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。连续控制系统不仅能控制移动部件从一点准确地移动到另一点，而且还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成一定的轮廓形状，符合要求，故选用连续控制系统。2.6伺服系统的选择伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环 3 种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大

17、小、环境条件的波动而变化的特点。广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 5 并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展，但增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在普通

18、立式铣床上进行改造，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。2.7执行机构传动系统的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下问题：A工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能。B在保证一定加工性能的前提下，结构应简单，以求降低成本。因此进给系统采用步进机开环控制系统。C纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的步进电动机、联轴器、滚珠丝杠螺母副组成。D为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧

19、装置，以提高传动刚度和消除间隙。E为减少导轨的摩擦阻力，选用矩形滚动直线导轨。2.8控制系统的选择控制系统一般由微机部分、I/O 接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。在简易数控系统中，大多采用 8 位微处理器的微型计算机。 单片机芯片具有价廉，通用性强，维修方便等特点；单片机具有集成度高、可靠性好、 功能强、速度快和较高的性价比等特点。通过比较，采用单片机作为主控制器。2.9方案实施采用单片机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，步进电机经一级齿轮减速后，带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警电

20、路，超程电路等。广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 6 3机械系统设计基本计算：脉冲当量 P和传动比 i；传动系统等效转动惯量 J；工作载荷（在进给工作台上）FL（进给方向） 、FV（垂直方向） 、FC（横向） 。基本设计：滚珠丝杆螺母副的选型及校核；滚动导轨副的选型及校核；步进电机的选型及校核3.1脉冲当量的确定本设计采用步进电机，由于机床或工作台进给系统的定位精度选定脉冲当量。由于机械传动系统的误差存在，脉冲当量必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量为=0.01mm 。p3.2传动比的确定当传动比 i=1 时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度，所以本

21、设计取 i=1。根据公式 i=，确定步进电机步距角=0.90，丝杆导程 L0=4mm。pbL3600b工作台进给系统简图如图 2-1 所示：图 3-1 工作台进给系统简图3.3工作载荷分析与计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用圆柱铣刀,铣刀材料选择高速钢.根据工件材料为碳钢可确定铣削力的计算公式：FZ=9.81CFzae0.86af0.72d0-0.86apZ （2-1）式中 CFz铣削力系数；ae最大铣削宽度（mm） ；ap最大铣削深度(mm)；

22、 图 3-1 工作台进给系统简图广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 7 Z铣刀齿数；d0圆柱铣刀直径(mm)；af每齿进给量（mm/齿） 。查2表 5-11 得 CFz=68.2，ap=2mm,af0.030.06mm/z本设计取 Z=5，af=0.06mm/z，ae=4mm,d0= 16mm。由公式 2-1 得Fz=9.8168.23.290.130.0925=257.53N3.4滚珠丝杠螺母副的选型和校核3.4.1计算丝杠承受的重量本设计取工作台尺寸为 230 x170 x18mm.选择工作台的型槽为 T 型槽，所选 T 型槽的参数如下：A5mmB10mm C3.5mm H8mm间距

23、取 32mm一共 5 个 T 型槽。工作台质量： 0 7.810-3(23171.8513.325)4.97kg,即纵向丝杠所承受的质量。横向丝杠所要承受的质量 为工作台质量加上拖板质量，一般以工作台质量的3.5 倍计。即 3.54.9717.40kg。3.4.2最大工作载荷的计算工作载荷的计算公式：Fm=KFLf(FvFcG) （2-2）式中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形导轨 K=1.1；f滚动导轨摩擦系数:0.00250.005，这里取 0.003；G移动部件的重力，G=Mg；FL工作台纵向进给方向载荷(N)； A H B C 图 3-2 T 型槽广东海洋大学 2010 届本科生毕业

24、设计 8 Fc工作台横向进给方向载荷(N)；Fv工作台垂直进给方向载荷(N)。由1表 2-4 查得：为提高工件表面质量，铣削采用顺铣。FL/ FZ=0.9FC /FZ=0.4FV /FZ=0.8，则FV =0.8Fz=0.8257.53=206.02 NFC =0.4Fz=0.4257.53=103.01 NFL= 0.9Fz=0.9257.53= 231.78N所以纵向：Fm=1.1257.530.003（206.02103.014.979.8）=284.35N横向：Fm=1.1257.530.003（206.02103.0117.409.8）=284.70N3.4.3滚珠丝杠螺母副校核初步

25、选择济宁市华珠机械有限公司 CT 系列滚珠丝杠副，型号为 2004-2.5 其参数：如下表 3-1 及形状结构图 3-3图 3-3 滚珠丝杠螺母副循环列数列数 x 圈数螺母安装连接尺寸规格代号公称直径do公称导程Pho丝杠外径d滚珠直径Dw螺旋升角丝杠底径d1CTD1 DD4 L1 L2 B D5 D6 HX Y注油孔额定动载荷Ca额定静载荷Coa广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 9 (KN) (KN)2004-2.5 20 419.6 2.534817.2 1x2.535 61 48 38 72 11 5.5 10 5.7 23 24 M6813表 3-1 滚珠丝杠螺母副参数 滚珠丝

26、杠最大动载荷计算最大切削力下的进给速度v查2表 5-13 得铣刀的切削速度为 65m/min则铣刀转速 n1=651000/(3.14d)=1293.79r/min所以=zn1af=51293.790.06=388.13mm/min=0.388m/minv滚珠丝杠最大动载荷可用下式计算：C=fmFm (2-3)3L式中 L工作寿命，以 106转为单位，L=60nt/106；n丝杠的转速，n=1000v/L0；L0丝杠导程；最大切削力条件下的进给速度；vt额定使用寿命，取 t15000h；fm运转状态系数，现 fm1.2；Fm丝杠工作载荷；因为n=(10000.388)/4=97r/min010

27、00LvL=(609715000)/106=87.3 (106r)10606tn所以纵向：C=fmFm=4.4311.5284.35=1891.15N3L横向：C=fmFm=4.4311.5284.70=1892.28N3L由此可见 1892.28N0.00355mm，故滚珠丝杠副可用。3.4.9丝杠稳定性验算验算滚珠丝杠尺寸和支承方式后，应验算丝杠在承受最大轴向载荷时是否会产生纵向弯曲。滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷 Fk(N) 为： (2-7)式中 I截面惯性矩，对丝杠圆截面；)(64441mmdIL丝杠最大工

28、作长度（mm） ；E材料弹性模量，对钢 E20.6104MPa；fZ丝杠支承方式系数（本设计中，支承方式选用一端轴向固定一端简支，即 fZ0.20） 。44414294642 .1714. 364mmdI所以，纵向：542483204294106 .2014. 30 . 224KF横向：347194004294106 .2014. 30 . 224KF2LEIfFZk广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 13 临界载荷 Fk与丝杠工作载荷 Fm之比称为稳定性安全系数 nk，如果大于 nk许用稳定性安全系数，则滚珠丝杠不会失稳。因此，滚珠的丝杠的压杆稳定条件为： Kn (2-8) KmKKn

29、FFn一般取2.54，考虑到丝杠自重对水平滚珠的丝杠的影响可取4。 Kn Kn又因为纵向： 419053.28454248KmKKnFFn横向： 412270.28434719KmKKnFFn所以，纵横向的滚珠丝杠均不会失稳。3.5 导轨的选型和计算3.5.1 导轨的选型 本设计选用导轨为直线滚动矩形导轨，本设计中共用 4 条导轨，每条导轨用 2 个滑块，滚动体为球式。滚动导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算： (2-9)350WCTHaffffFCL式中 滚动导轨副的距离额定寿命（km） ；LCa额定载荷（N） ；fH硬度系数导轨面的硬度为 5864HRC 时，fH1.0；fT温度系数，当工

30、作温度不超过 100oC 时，fT1；fC接触系数，每根导轨条上装二个滑块时 fC0.81；fm载荷/速度系数，无冲击振动或时，fw1.5-2 取 fw =2。min/60mv 一般球导轨的距离寿命为 50km,滚子导轨的距离寿命为 100km。本设计选用球导轨，所以 L 取值为 50km。计算每个滑块的工作载荷 F，垂直方向上的载荷由四个滑块和两端轴承平均分配。设定工件的质量为 5kg，广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 14 F=（FV+G）=（206.02+(17.4+5)9.8）/6=70.83N由式 2-9 可得Ca=(L/50)1/3FfW/（fHfTfC）=(50/50)1

31、/370.832/(110.81)=114.75N根据 Ca可选中国艺工型号为 GGB16AA，额定动载荷 C= 6.07KN，显然CaMGJ=0.20Nm，满足工进时运行矩频特性的要求。4. 控制系统设计本控制系统的设计是根据学校已有的设备来设计。步进电机的型号是 57BYG4504，与它匹配的驱动器是 M535 以及单片机并行通信接口芯片。系统的控制电路简图如图 4-1 所示：图 4-1 控制电路简图4.1 步进电机4.1.1 步进电机的控制原理步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。它可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运

32、转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。4.1.2 步进电机的接线由于步进电机 57BYG4504 是 8 线的步进电机，而使用的步进电机驱动器 M535 只有 A+、A-、B+、B-，四个输出端，因此需要对步进电机进行串联或并联接线。串联：A+接（A+） ；C+接（A-）

33、；B+接（B+） ；D+接（B-） ；A-、C-相接并悬空；B-、D-相接并悬空；并联：A+、C-接（A+） ；A-、C+接（A-） ；B+、D-接（B+） ；B-、D+接（B-） 。X 向步进驱动器Y 向步进驱动器8051 接口驱动电源步进电机驱动电源步进电机PC 机单片机广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 23 说明：本设计采用的是并联接线， “（ ） ”里代表是步进驱动器 M535 的输出接口。4.2 M535 驱动器 M535 驱动器是采用美国 IMS 公司先进内技术合作生产的细分型高性能步进驱动器，适合驱动中小型的任何 3.5A 相电流以下的两相或四相混合式步进电机。由于采用新

34、型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机时可以比其它驱动方式输出更大的速度和功率。它具有光隔离信号输入，脉冲环分输出功能，使控制电路以及控制步进电机的程序得到简化；+-其细分功能使步进电机运转精度提高，震动减小，噪声降低。4.3 步进驱动器的拨盘开关步进驱动器根据不同的步进电机和不同的工作要求，设置了不同的拨盘开关组合。根据所设计的实验要求和步进电机的使用要求，步进驱动器的拨盘开关状态如下：表 4-1拨盘开关状态拨盘开关状态SW1OFFSW5ONSW2ONSW6ONSW3OFFSW7ONSW4ONSW8ON说明：SW1SW3 是动态电流设定，以上状态代表驱动器输出电流为 2.9A，而步进电机

35、需要的电流值是 2.8A，设置符合步进电机的要求。SW4 是静态电流设定，OFF 表示静态电流设为动态的一半，ON 表示静态电流与动态电流相同。广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 24 SW5SW8 是细分值，以上状态代表驱动器是 2 细分，因为步进电机的步距角是1.8O，而实验要求是 0.9O，所以要进行 2 细分。附：细分倍数表： 表 4-2电流设定表：表 4-3电流植SW1SW2SW31.3AONONON1.6AOFFONON1.9AONOFFON2.2AOFFOFFON2.5AONONOFF2.9AOFFONOFF3.2AONOFFOFF3.5AOFFOFFOFF全流/半流设定S

36、W4：ON=全流SW4：OFF=半流4.4 M535 驱动器的接线原理图 图 4-2 M535 驱动器广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 25 说明：因为本次设计是使用单片机控制，其输出电压是 5V 的，而要求控制器的输出电压也是 5V，所以不需要在 PUL-、DIR-、ENA-端接上电阻作为分压。步进驱动器的电源接线+V、GND 接直流 24V46V 电压，本设计选择直流电压值为 30V。5 控制软件设计本设计的软件系统主要实现直线与圆弧插补过程，让工作台走如图 5-1 所示的直线与圆弧插补。工作台由原点 O 点快速运动到 A 点（Xe，Ye） ，然后工作台沿负 Y 方向运动到点B（X

37、b，Yb）,然后工作台逆时针走一圈圆回到点 B（Xb，Yb） ，最后工作台又快速回到原点 O。由此工作台完成了 G00 与 G03 指令操作。软件达到设计要求。详细程序见附录 1。 5.1 插补过程 用逐点比较法进行插补计算，每走一步都需要以下四个步骤： A、偏差判别：Fm0 或 FmO，从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算方向进给。B、坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X，+Y，-X，-Y 的哪个方向进给。 图 5-1 最终图形轨迹广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 26 C、偏差计算：进给一步后计算新的加工偏差。D、终点判别：进给一步后，终点计数器，若为零，表示到达终点

38、停止插补，不为零则返回第一步继续插补。终点计数判别可用方向坐标值判断，也可由一个方向的坐标值判断。5.1.1 逐点比较法直线插补5.1.1.1 偏差计算公式下面以第一象限介绍直线插补：如图 5-2 所示，直线 OA 的起点为坐标，终点 A 的坐标为 A（Xe，Ye） ，M（X，Y）为加工点坐标。当 M 点在直线 OA 上时，下式成立：Y/X=Ye/Xe即：YXe-XYe=0若任意点 M 在直线 OA 的上方，那么下式成立：Y/XYe/Xe即：YXe-XYe0若任意点 M 在直线 OA 的下方，那么下式成立：Y/XYe/Xe即：YXe-XYe0 时，M 点在直线 OA 的上方； Fm0,+X当

39、Fm=0 时，M 点在直线 OA 上； Fm0,+Y当 Fm0 时，M 点在直线的 OA 下方； 所以当 Fm0 时，应沿着+X 方向进给 X一步以接近直线 OA，M+1 点的坐标为 X=X+1， Y=Y，新的偏差为：Fm=YXe-XYe=YXe-(X+1)Ye=Fm-Y；当 FmR，即： FmXe2+Ye2 X若点在圆弧内，则 RMR,即：X2+Y2Xe2+Ye2因此可取加工点偏差函数为 图 5-5Fm=（X2-Xe2）+（Y2-Ye2） 当 M 点在圆弧外或圆弧上时，即满足 Fm0，应向-X 轴方向走一步，以逼近圆弧，M+1 点的坐标为：X=X-1，Y=Y，新的偏差为：Fm=（X-1）2-

40、Xe2）+（Y2-Ye2）=Fm-2X+1当 M 点在圆弧内时，即满足 Fm0，应向+Y 方向走一步，以逼近圆弧，M+1 点的坐标为：X=X，Y=Y+1，新的偏差为：Fm=（X2-Xe2）+（Y+1）2-Ye2）=Fm+2Y+15.1.2.2 第一象限圆弧插补的流程图：+X+Y-X+Y-X-Y+X-Y第一象限圆弧汇编程序置初值，对起点（X0，Y0） 、终点(Xe,Ye)和偏差 Fm 进行赋值计算步数 E=（X0-Xe）+(Ye-Xe)广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 29 不是 是 不是 是5.1.2.3 终点判断方法设置一个终点计数器，初值为终点 X,Y 两个坐标给定的总步数，每当沿

41、 X 或 Y 坐标方向进给一步时，终点计数器加 1，当与给定的总步数相等时，到达终点。5.1.2.4 其它象限的逆圆插补计算其它象限的圆弧或关于 X 轴对称、或关于 Y 轴对称、或关于原心对称，完全可以按第一象限逆圆偏差公式进行计算，所不同的是进给方向的改变。5.1.2.5 逆圆插补流程图象 限 判 断计算 Yi2计算 Yi2+1Fm=Fm+ Yi2+1计算 Xi2计算 Xi2-1对(Xi2-1)取反加 1，得到补12XiFm=Fm+补12Xi步数 E=E-1判断 E=0把起点（X0，Y0）的值赋给圆弧的中间变量(Xi,Yi)，作为最开始的变量值偏差 FmR，即： FmXe2+Ye2 X若点在

42、圆弧内，则 RMR,即： X2+Y2Xe2+Ye2 因此可取加工点偏差函数为 图 5-7 偏差判断Fm=（X2-Xe2）+（Y2-Ye2）当 M 点在圆弧外或圆弧上时，即满足 Fm0，应向-Y 轴方向走一步，以逼近圆弧，M+1 点的坐标为：X=X，Y=Y-1，新的偏差为：Fm=（X2-Xe2）+（Y-1）2-Ye2）=Fm-2Y+1当 M 点在圆弧内时，即满足 Fm0，应向+X 方向走一步，以逼近圆弧，M+1 点的坐标为：X=X=1，Y=Y，新的偏差为：Fm=（X+1）2-Xe2）+（Y2-Ye2）=Fm+2X+1Fm0-X+Y-Y-X+X-Y+Y+XFm0Fm0Fm0广东海洋大学 2010

43、届本科生毕业设计 31 5.1.3.2 终点判断方法设置一个终点计数器，初值为终点 X,Y 两个坐标给定的总步数，每当沿 X 或 Y 坐标方向进给一步时，终点计数器加 1，当与给定的总步数相等时，到达终点。5.1.3.3 其它象限的逆圆插补计算其它象限的圆弧或关于 X 轴对称、或关于 Y 轴对称、或关于原心对称，完全可以按第一象限逆圆偏差公式进行计算，所不同的是进给方向的改变。5.1.3.4 顺圆插补流程图 象限 1 象限 2 象限 3 象限 4 Y N Y N Y N Y N图 5-8 顺圆插补流程图6 总结通过两个月的资料搜集以及到学校实验室的实验操作，对工作台机械部分的设计、校核以及对

44、8051、步进驱动器、步进电机型号和工作原理都有一定的认识了解。这两个月，经历了很多的挫折，也收获了很多。在设计的初期，我首先面对的是一台全新的 XL2000 单片机综合仿真实验仪，必须先熟悉它，然后才能利用它。刚开始，我每天都在看说明书，学习他的原理，学习他的接线，还有如何跟上位机接通。设计的中期，我开始用 XL2000 单片机综合仿真实验仪跟 X-Y 工作台做一些简单的实验，这一阶段是比较有趣的。设计的后期，是我收获最大的阶段，也是最苦恼的阶段，这一阶段我的象 限 判 断Fm0-Y+X+X+Y+Y-X-X-YFm0Fm0Fm0广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 32 工作主要是设计汇

45、编程序，经常卡住，经常绞尽脑汁，不停地学习，不停地尝试，总算成功了，收获了一种韧性、不放弃，还有单片机汇编程序编写能力的提高。通过本次设计，自己以前所学知识能得到巩固，对以前所学知识的理解得到进一步加深，使自己从感性认识上升到理性认识；同时本次设计也是对自己的设计能力进行了一次全面的检验和提升，设计过程中，查阅了众多的资料，丰富了知识，积累了经验，获得了一定的产品设计和开发能力。鸣 谢 33 鸣 谢本次设计是对大学四年所学知识的融会贯通，是一次全面的自我检测；是对综合运用所学知识，提高理论联系实际与分析解决问题能力的培养，受益匪浅。在此衷心感谢张建老师和李伟洪老师对我在做毕业设计过程中悉心的指

46、导和帮助，使我的毕业设计顺利完成。此外，衷心感谢培养我的老师们,在我的大学学习中教会了我很多知识，谢谢您们! 参考文献 34 参考文献1 郑学坚 周斌 马力妮 编著微型计算机原理及应用实验指导M北京：清华大学出版社20012 邹青 主编机械制造技术基础课程设计指导教程M北京：机械工业出版社，20043 冯开平 左忠义 主编画法几何与机械制图M广州：华南理工大学出版社20014 秦曾煌 主编电工学电子技术(第六版)M北京：高等教育出版社，20045 秦曾煌 主编电工学电工技术(第六版)M北京：高等教育出版社，20046 王润孝 秦观生 编著机床数控原理与系统M西安：西北工业大学出版社，19977

47、 郑堤 唐可洪 主编机电一体化设计基础M北京：机械工业出版社，20038 王庭有 等编著可编程控制器原理及应用M北京：国防工业出版社，20059 郑提 主编数控机床与编程M北京：机械工业出版社，200510 濮良贵 纪名刚 主编机械设计(第七版)M北京：高等教育出版社，200111 何立民 编著单片机高级教程应用与设计M北京：北京航空航天大学出版社，200012 上海市金属切削技术协会 编金属切削手册M上海：上海科学技术出版社，200013 冯辛安 主编机械制造装配设计M北京：机械工业出版社，200514 王爱玲 主编数控编程技术M北京：机械工业出版社，200615 吴振彪 主编机电综合设计指

48、导M北京：机械工业出版社，2006附 录 35 附录 1 最终程序 ORG 0000H SJMP MAIN ORG 0080HMAIN: MOV 30H,#0FH MOV 31H,#56H ;Xe 的赋值 MOV 32H,#0AH MOV 33H,#0BH ;Ye 的赋值 MOV 34H,#00H MOV 35H,#00H ;Fm 的赋值 CLR C MOV A,31H ADD A,33H MOV 37H,A MOV A,30H ADDC A,32H MOV 36H,A ;E 的赋值G011:MOV A,34H JB ACC.7,G011Y ;判断 FmYe/Xe即：YXe-XYe0若任意点

49、M 在直线 OA 的下方，那么下式成立：Y/XYe/Xe即：YXe-XYe0 时，M 点在直线 OA 的上方； Fm0,+X当 Fm=0 时，M 点在直线 OA 上； Fm0,+Y当 Fm0 时，M 点在直线的 OA 下方； 所以当 Fm0 时，应沿着+X 方向进给 X一步以接近直线 OA，M+1 点的坐标为 X=X+1， Y=Y，新的偏差为：Fm=YXe-XYe=YXe-(X+1)Ye=Fm-Y；当 Fm0 时，应沿着+Y 方向进给一步以接近 图 2-2 偏差判断直线 OA，M+1 点的坐标为 X=X，Y=Y+1，新的偏差为：Fm=YXe-XYe=(Y+1)Xe-XYe= Fm+Xe则第一象

50、限直线插补程序流程图 不是 是 不是 是 图 2-3 第一象限直线插补流程图四、实验步骤1、按照实验一的接线图，把 X-Y 工作台和 XL2000 单片机综合仿真实验仪的接线接好；2、打开 PC 机、稳压电源、函数发生器、示波器；3、打开软件 Keil C51 集成开发环境(UV2.EXE)及 TOP851 多功能编程器(XLISP) 。结束终点判断新坐标 X=X+1偏差 Fm=Fm+Xe初始化；终点A（Xe，Ye）和加工点P（X，Y）Fm0+X 方向走一步偏差 Fm=Fm-Ye新坐标 Y=Y+1+Y 方向走一步附 录 55 3.1 工程项目的建立 在 Keil C51 集成开发环境(UV2.

51、EXE)的界面中点击“工程”菜单，选择新工程，在“文件名”中输入你的一个工程项目名称（请使用英文名称） ，保存后的文件扩展名为 un2,这时会弹出让你选择单片机型号的对话框，我们选择 ATMEL-89S52，按确定。3.2 汇编源文件的建立 点击“文件”菜单中的“新文件”新建一个文本编辑窗口，在这里输入一个程序，然后点击文件菜单中的保存，注意必须输入文件的后缀名.asm，例如保存为 D:/TEST/XIEXIAN.ASM 3.3 增加文件到工程项目中 点击目标 1 前面的“+” ，出现源程序组，选中右键点选“增加文件到源程序组 1，这时选择文件类型为 ASM，再选中 XIEXIAN.ASM 文

52、件，再按 ADD 添加，在随后的提示框中按”确定“3.4 属性设置 单击“工程”菜单 ，在下拉菜单中单击“输出” ，选中“产生hex 文件”的选项，以偏汇编后生成 HEX 代码，供编程器使用3.5 检查程序并生成 hex 文件 点击保存指令下的两个向下小箭头的图标进行编译，编译成功后再最下面的窗口会表示编译成功，并生成 hex 文件。3.6 运行程序 打开软件 TOP851 多功能编程器(XLISP)，点击主菜单中的打开，选择文件“XIEXIAN.HEX”文件” ，按下界面右下角的“智能一键通” ，程序会写入单片机芯片并自动运行。4、准备一张白纸，按下“智能一键通”,将程序运行的轨迹记录下来5

53、、关闭各种仪器的电源五、注意事项1、接线的时候，要注意强电和弱电，强电是接通步进电机的，弱电是接通控制部分。2、使用函数发生器时，频率需选用 300，如果频率过低过高，X-Y 工作台将动不了。3、工作台运动时尽量避免超程，将要超程时，必须手动停止工作台。附加：第一象限直线插补程序：ORG 0000H SJMP MAIN ORG 0080HMAIN: MOV 30H,#0FH MOV 31H,#56H ;Xe 的赋值 MOV 32H,#0AH MOV 33H,#0BH ;Ye 的赋值 MOV 34H,#00H MOV 35H,#00H ;Fm 的赋值附 录 56 CLR C MOV A,31H

54、ADD A,33H MOV 37H,A MOV A,30H ADDC A,32H MOV 36H,A ;E 的赋值G011:MOV A,34H JB ACC.7,G011Y ;判断 FmR，即： FmXe2+Ye2 X若点在圆弧内，则 RMR,即：X2+Y2Xe2+Ye2因此可取加工点偏差函数为 图 5-5 偏差判断Fm=（X2-Xe2）+（Y2-Ye2） 当 M 点在圆弧外或圆弧上时，即满足 Fm0，应向-X 轴方向走一步，以逼近圆弧，M+1 点的坐标为：X=X-1，Y=Y，新的偏差为：Fm=（X-1）2-Xe2）+（Y2-Ye2）=Fm-2X+1附 录 59 当 M 点在圆弧内时，即满足

55、Fm0，应向+Y 方向走一步，以逼近圆弧，M+1 点的坐标为：X=X，Y=Y+1，新的偏差为：Fm=（X2-Xe2）+（Y+1）2-Ye2）=Fm+2Y+1 第一象限圆弧插补的流程图： 不是 是 不是 是四、实验步骤1、按照实验一的接线图，把 X-Y 工作台和 XL2000 单片机综合仿真实验仪的接线接好；计算 Yi2计算 Yi2+1Fm=Fm+ Yi2+1计算 Xi2计算 Xi2-1对(Xi2-1)取反加 1，得到补12XiFm=Fm+补12Xi步数 E=E-1判断 E=0第一象限圆弧汇编程序置初值，对起点（X0，Y0） 、终点(Xe,Ye)和偏差 Fm 进行赋值把起点（X0，Y0）的值赋给

56、圆弧的中间变量(Xi,Yi)，作为最开始的变量值计算步数 E=（X0-Xe）+(Ye-Xe)偏差 Fm0+Y 方向走一步-X 方向走一步结束Yi=Yi+1Xi=Xi-1附 录 60 2、打开 PC 机、稳压电源、函数发生器、示波器；3、打开软件 Keil C51 集成开发环境(UV2.EXE)及 TOP851 多功能编程器(XLISP) 。3.1 工程项目的建立 在 Keil C51 集成开发环境(UV2.EXE)的界面中点击“工程”菜单，选择新工程，在“文件名”中输入你的一个工程项目名称（请使用英文名称） ，保存后的文件扩展名为 un2,这时会弹出让你选择单片机型号的对话框，我们选择 ATM

57、EL-89S52，按确定。3.2 汇编源文件的建立 点击“文件”菜单中的“新文件”新建一个文本编辑窗口，在这里输入一个程序，然后点击文件菜单中的保存，注意必须输入文件的后缀名.asm，例如保存为 D:/TEST/yuan.ASM 3.3 增加文件到工程项目中 点击目标 1 前面的“+” ，出现源程序组，选中右键点选“增加文件到源程序组 1，这时选择文件类型为 ASM，再选中 yuan.ASM 文件，再按 ADD 添加，在随后的提示框中按”确定“3.4 属性设置 单击“工程”菜单 ，在下拉菜单中单击“输出” ，选中“产生hex 文件”的选项，以偏汇编后生成 HEX 代码，供编程器使用3.5 检查程序并生成 hex 文件 点击保存指令下的两个向下小箭头的图标进行编译，编译成功后再最下面的窗口会表示编译成功，并生成 hex 文件。3.6 运行程序 打开软件 TOP851 多功能编程器(XLISP)，点击主菜单中的打开，选择文件“yuan.HEX”文件” ，按下界面右下角的“智能一键通” ，程序会写入单片机芯片并自动运行。4、准备一张白纸，按下“智能一键通”,将程序运行的轨迹记录下来5、关闭各种仪器的电源五、注意事项1、接线的时候，要注意强电和弱电，强电是接通步进电机的，弱电是接通控制部分。2、使用函数发生器时，频率需选用 300，如果频率过低过高，X-Y 工作台将动