機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)參考

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1、機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) :稱(chēng)學(xué)校名 :班級(jí)學(xué)號(hào) :名生學(xué)姓 :班級(jí) 2016 4 月年 1 / 21 、總體方案設(shè)計(jì) 1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控 X-Y工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)。該工作臺(tái)可用于銃床上坐標(biāo)孔的加工和臘摸、塑料、 鋁合金零件的二維曲線加工，重復(fù)定位精度為士 0.01mm,定位精度為 0.025mm。 設(shè)計(jì)參數(shù)如下：負(fù)載重量 G=150N ；臺(tái)面尺寸 C x B x H = 145mm x 160mm x 12mm ；底座外形尺 寸 C1 x B1 x H1 = 210mm x 220mm x 140mm ；最大長(zhǎng)度 L=388

2、mm ；工作臺(tái)加工范圍 X=55mm , Y=50mm ；工作臺(tái)最大快移速度為 1m/min。 1.2 總體方案確定 （1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng) 由于工件在移動(dòng)的過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行切削， 故應(yīng)用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。 定位方式采用增量坐標(biāo)控制。 為 了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) X-Y工作臺(tái)。 (2)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)采用了與 MCS-51系列兼容的AT89S51單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高，可 靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性?xún)r(jià)比。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)、 LED、I/O接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵功率放大器電 路等組成。系統(tǒng)的加工程序

3、和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)。 LED顯示數(shù)控工作臺(tái)的狀態(tài)。 (3) X-Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性， 又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度 和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙 V形滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩 個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)。 考慮電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。 圖1-1 系統(tǒng)總體框圖 2 / 21 二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 、工作臺(tái)外形尺寸及重量估算2.1 向拖板(上拖 板)尺寸：X 50

4、X 145 X 160 長(zhǎng)寬高 體積x材料比重估算重量：按重量 =2 3901010 7.8 145 16050 N 04551 6 01 Y向拖板(下拖板)尺寸： 重量：約90N。 上導(dǎo)軌座(連電機(jī))重量： 3 22 107 10 810) 7.8 10 1.1 (220140 38 2 155 )N( 。150N 夾具及工件重量：約 287N。工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約 X-Y 2.2、滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定 ⑴、導(dǎo)軌型式：圓形截面滾珠導(dǎo)軌 ⑵、導(dǎo)軌長(zhǎng)度x向) ①上導(dǎo)軌(l 100 取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度Bl 55 動(dòng)導(dǎo)軌行程 L l l 155 支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度 b②下導(dǎo)軌(y向) l 1

5、0050l bL 150 選擇導(dǎo)軌的型號(hào)： GTA16 ⑶、直線滾動(dòng)軸承的選型 ①上導(dǎo)軌 G 240(N) x②下導(dǎo)軌 G 287(N) Y由于本系統(tǒng)負(fù)載相對(duì)較小，查表后得出 LM10UUOP1直線滾動(dòng)軸承的額定動(dòng)載荷為 370N,大于實(shí)際動(dòng)負(fù)載；但考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素最后選擇 LM16UUOP1直線滾動(dòng)軸承。并采用雙 排兩列4個(gè)直線滾動(dòng)軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)平臺(tái)的支撐。 3 / 21 ⑷、滾動(dòng)導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法 當(dāng)工作臺(tái)往復(fù)移動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)壓在兩端滾動(dòng)體上的壓力會(huì)發(fā)生變化， 受力大的滾動(dòng)體變形大，受 力小的滾動(dòng)體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置I時(shí)， 兩端滾動(dòng)體受力相等， 工作臺(tái)保持水平；當(dāng)導(dǎo)

6、軌移動(dòng) 到位置n或m時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力不相等，變形不一致，使工作臺(tái)傾斜a角，由此造成誤差。此 外，滾動(dòng)體支承工作臺(tái)，若工作臺(tái)剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會(huì)使工作臺(tái)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)荷包括銃削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銃削時(shí)的情況計(jì)算。 ⑴、最大動(dòng)負(fù)載 Q的計(jì)算J- 3LffQ P Hf 1f 1,壽命值，查表得系數(shù)H60nT L 610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 1000V1000 1max 250(r/n min)t460 250

7、 15000 225L 所以 610X向絲杠牽引力 P 1.414fG(f——當(dāng)量摩擦系數(shù)) xx當(dāng)當(dāng) 1.414 0.01 240 3.39(N) Y向絲杠牽引力 P 1.414fGyy當(dāng))N287 4.06( 1.414 0.01 所以最大動(dòng)負(fù)荷 J 3225 1 1 3.39 Q 20.6(N) X 向 J 3225 Q 1 1 4.06 24.7(N)向 Y yd 10mm,選用滾珠絲杠螺母徑稱(chēng)杠珠取表查，滾絲公直 副 。的型號(hào)為 SFK1004,其額定動(dòng)載荷為 390N,足夠用。 ⑵、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算 4 / 21 表2-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)

8、 稱(chēng)名 符號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果 公稱(chēng)直徑 d0 10 螺距 t 4 接觸角 45 d2 鋼球直徑q螺紋滾道1.04 0.52dR R 螺紋滾道法面半徑q e 0.03sin d/e 2R 偏心距q螺紋升角t tg7.26 arc dO 0 d 9.50.2~0.25d d d螺桿外徑 qod d 2e 2R 7.98d螺桿 螺桿內(nèi)徑 0ll d 8.59 dcosd d 螺桿接觸直徑

9、zqz0D d 2e 2R 12.02D 螺母螺紋外徑 0 d 0.255d 10.50.2~D D螺母 螺母內(nèi)徑(外循環(huán)) 的團(tuán)見(jiàn)表2-1。⑶、傳動(dòng)效率計(jì)算 tg7.26tg 0.973 0 )tg(7.26 0.2tg() 0 o ——絲杠螺紋升角?！Σ两?；式中： ⑷、剛度驗(yàn)算 L的變化量引起的導(dǎo)程 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P0PL0 L, _ 1EF Y向所受牽引力大，故應(yīng) 用Y向參數(shù)計(jì)算 L 0.4(cm))P 24.7(N 0 26 材料為鋼)(N/ E20.6 10cm L很小，可以忽略。絲杠 因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量 所以導(dǎo)程總誤差 5 / 2

10、1 100100 6 m/ 1.2 103mL |__| 0.4L0 m15, 故剛度足夠。查表知 E級(jí)精度的絲杠允許誤差 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 ⑴、步進(jìn)電機(jī)的步距角 b stepmm/ 0.01 1.5。取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī)步距角 pb 0 ⑵、步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)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 = PsT s ——機(jī)械傳動(dòng)效率。 式中：一一移動(dòng)部件的相應(yīng)位移； 一一電機(jī)轉(zhuǎn)角； G PP s,所以，且，則 若取 sbp G

11、36P sp（Ncm）T 2bPP——與重量方向一 致的作；G ——移動(dòng)部彳^重量（N式中：） 一一移動(dòng)部彳^負(fù)載（N）; Sz ——步進(jìn)電機(jī)步距角， （rad）；用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（ N）； T ——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；bNcm） ——電機(jī)軸負(fù)載力矩 P0.96 0.03為絲杠牽引力，，本例中，取(淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)) ， sP P 24.7NG G 287N,所以向電機(jī)負(fù)載較大，因此取 ?？紤]到重力影響， YHsy 287 0.0324.7 36 0.01 1.33(NcmT ) 0.96 1.5 2若不考慮啟 動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩 TT

12、 q0.5~0.31.33 T4.42 Ncm ,則 0.3 取安全系數(shù)為 ，q0.3 對(duì)于工作方式為三相六 拍的三相步進(jìn)電機(jī) 6 / 21 T qcmN5.1 T maxj0.866 ⑶、步進(jìn)電機(jī)的最高工 作頻率 V100011000 max)f 1667(Hz max 0.016060 P 2-2。查表 選用兩個(gè)45BF005- n型步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表 2-2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表 號(hào)型 主要技術(shù)數(shù)據(jù)2 )(mm外形尺寸 重 量) N( 步 距 角 最 大靜 轉(zhuǎn)距 Ncm 最高空 載動(dòng)頻 率啟 (s/step 相 數(shù) 電壓 V)(

13、 電 流) A( 外徑 長(zhǎng)度 軸徑 ) 11 II 1 . 5 19.6 58 4 3 27 2.5 45 45BF005- 3000 2.5、 確定齒輪傳動(dòng)比 mm4t 1.5量當(dāng)脈沖實(shí)角，距，滾珠絲杠螺 要現(xiàn)距進(jìn)因步電 step/0.01mm ,在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪 降速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)比 p 360 Z3600.01 piO.6 i O 4 Zt1.&228 17ZZ ，選 。2i 2.6、 確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸 mmlm因傳遞的扭距較小，取模數(shù) 3-3 ,齒輪有 關(guān)尺寸見(jiàn)表。 、

14、步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 2.7 2-3表齒輪尺寸 Z28 17 7 / 21 28 17 mmd mZ 30 19 mm2md d a 25.5 14.5 mm 1.25md d 2 f 5 5 mm 6b m3 d d17.5 21mm a根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，得 Z piM J JJ JJ 30d12Z bl80 2jJcmkg——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 式中：）一一折算到電機(jī)軸 上的慣性負(fù)載（；0d 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（21 22jJcmcmkgcmkgkg；的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（） （；）——齒輪）； ——齒輪 2Jkgcmkg）； M——移動(dòng) 部件質(zhì)量

15、（一一滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（） o 3 對(duì)材料為鋼的圓柱零 件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算 234 cmD10kgL J0.78 ——零件長(zhǎng)度（cm）——圓柱零件直徑（cm）; L式中：D所以 23 34 cm1010kg 1.7 0.5 3.26 J0.78 1 234 3 cm2.8kg 0.5 23.910J 0.78 10 2 2 34 3cm10kg J0.78 103.91 5 3 電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小, 可以忽略，則 217 3 3103.26J 10 23.93.9 d28 2 0.001 25 m 250.4 10kg 3.14 1.5 180 0.4J1

16、d1 0.319 ,所以慣性匹配比較符合要求。因?yàn)?1.274J4M8 / 21 三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) X-Y數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)硬件主要包括 CPU、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)、傳感器、人機(jī)交互界面。 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意幾點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價(jià)低、可維護(hù)性、人機(jī)交互界面 可操作性比較好。 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(hào)很多， 而目前 市場(chǎng)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

17、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(lèi)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?xún)r(jià)比。 從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)看，選用較老的 8051單片機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無(wú)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(guò)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 Flash存儲(chǔ)器，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以十分容 易的進(jìn)行

18、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(chǔ)器，S表示含 有串行下載Flash存儲(chǔ)器。 AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲(chǔ)器容量為4KB、16位定時(shí)器2個(gè)、中斷源6個(gè)（看門(mén)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(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示: （行

19、程開(kāi)關(guān)）感傳器 AT89S51 （電磁鐵）  前向通道 傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)(步進(jìn) 電機(jī)) 后向通道 人機(jī)界面 LED )(鍵盤(pán)、 9 / 21 圖3-1 CPU外部接口示意圖 AT89S51要完成的任務(wù)： (1) 將行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)讀入 CPU,通過(guò)中斷進(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。 (2) 通過(guò)程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)和電磁鐵的運(yùn)行。 (3) 接受鍵盤(pán)中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)和鍵盤(pán)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

20、到第二功能的中斷口，因此要進(jìn)行 I/O擴(kuò)展?？紤]到電路的簡(jiǎn)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： (4) 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。 (5) P1.6 口輸出控制電磁鐵的吸合。 (6) P3.2和P3.3兩個(gè)中斷源中INT0優(yōu)先級(jí)最高，它讀入行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷； INT1 讀入點(diǎn)動(dòng)、復(fù)位、圓弧插補(bǔ)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。 (7) P0.0-P0.7外部I/O擴(kuò)展的數(shù)據(jù)讀取

21、。 (8) P2.7 和 P2.6 決定 8155 的 PA、PB、PC 口的地址。 8155 P1.0-P1.2 P0.0-P0.7 P1.3-P1.5 P1.6 P2.7 P3.2 P2.6 P3.3 AT89S51 AD0?AD7 X步進(jìn)電機(jī) Y步進(jìn)電機(jī) 外部中斷， 1驅(qū)動(dòng) 2驅(qū)動(dòng) 初始化 電磁鐵3驅(qū)動(dòng)1鍵盤(pán)2 外部中斷外部中斷  開(kāi)外部中斷，開(kāi)總中 斷等待中斷 CE IO/M PPBP

22、8155 T89S51控制系統(tǒng)圖3-2 A 圖 X+禁止、手動(dòng)Y+禁止、Y-個(gè)狀態(tài)：反映當(dāng)前運(yùn)行的 8X+禁止、X-禁止、口接PBLED運(yùn)行。運(yùn) 行、手動(dòng)Y-運(yùn)行、手動(dòng)X-運(yùn)行、手動(dòng) Y+ 4個(gè)行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。 PA 口低四位反映觸發(fā)中斷 1的 運(yùn)Y-運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng) X+X-運(yùn)行、手動(dòng) Y+的手動(dòng)位反映了觸發(fā)中斷口低 PC62個(gè)開(kāi)關(guān)的 狀態(tài)。、圓弧插補(bǔ) RST行、復(fù)位（）6 10 / 21 中斷源。 中娠源 * IXT0 INT1J 二 PAPC 口， 圖3-3多中斷源中斷觸發(fā)圖 3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 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(mǎn)

23、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。 3.2.1 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。 圖3-4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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

24、，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(guò)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(guò)繞組的電流不 至超過(guò)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? A-AB-B-BC-C-CA-A,其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋?A-AC-C-CB-B-BA-A。 11/ 2i _n_rLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrL 步進(jìn)時(shí)鐘 A相波形 相波形B C相波形圖3-5 三相六拍工作  方式時(shí)相電壓

25、波形（正轉(zhuǎn)） 電磁鐵百區(qū)動(dòng)電路 3.2.2該驅(qū)動(dòng)電路也采用了光電偶 因?yàn)轵?qū)動(dòng)電磁鐵的電流比 其但其功放電路相對(duì)簡(jiǎn)單。合器，光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管, 較大。 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路圖3-6 電源設(shè)計(jì)3.2.3 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)中電 源作為27V,為了便于管理和電源容量需求，就采用了標(biāo)準(zhǔn)的、用到的電源電壓為 27V12V、5V 12V基準(zhǔn)，通過(guò)芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的和 5V電壓。 電源轉(zhuǎn)換電路圖 3-7圖 此外，前面電容起防止自激作用，電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個(gè)電容，后面電容起濾波作用。 12

26、 / 21 在具體應(yīng)用的過(guò)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(tái)不能超過(guò)最大行程。因此，必須在 X、Y 軸的方向各加上兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)。這里行程開(kāi)關(guān)作用有兩個(gè)： （1）防止工作臺(tái)超過(guò)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(kāi)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(jiǎn)便，界面簡(jiǎn)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

27、通行， LED5燈亮表示手 動(dòng)使工作臺(tái)向 X軸負(fù)方向通行，LED6燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向 X軸正方向通行，LED7燈亮表 示手動(dòng)使工作臺(tái)向 丫軸負(fù)方向通行，LED8燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向 丫軸正方向通行，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(kāi)關(guān)，按扭 2是向X軸負(fù)方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，按 扭3是向X軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，按扭 4是向丫軸負(fù)方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，按扭 5是向丫 軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，按扭 6是復(fù)位開(kāi)關(guān)，按扭 7是執(zhí)行繪制圓弧開(kāi)關(guān)。 ? LEDS ? LED9 Y+ii 行 總開(kāi)美 ? LED1 ? LED2 X-蒙止 X*桑

28、止 ? LED 3 ?LED4 「禁止 T十禁止 ? LED5 ? LEDS ? LED? Y-通行 復(fù)位 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(tái)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 CPU板介名S了 CPU的選擇及其外圍的接口設(shè) 計(jì)和控制流程；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹了步進(jìn)電機(jī)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)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。 13 / 21 四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 總體方案 對(duì)于AT89S51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

29、編，也支持 C語(yǔ)言編譯。同時(shí)具有完 善的調(diào)試功能。 4.2 主流程圖 CTL EQU 3FF8H 3FF9H EQU PA 上電復(fù)位 3FFAH EQU PB 3FFBH EQU PC 02H EQU CMD ,吸合電磁鐵，繪筆抬起 P1.6=00000H ORG MAIN AJMP 0003H ORG 入口 ；外部中斷 0AJMP INT0IS 000BH ORG 中斷入口 ；定時(shí)器0AJMP TM0IS 0013H ORG 入口 ；外部中斷 1AJMP

30、 INT1IS 001BH ORG 中斷入口；定時(shí)器 1 AJMP TM1IS 0100H ORG 0EFH ,P1MAIN : ANL ;外中斷負(fù)跳沿觸發(fā) IT0 SETB IT1 SETB 圖 4-1 CTL A , MOV A DPTR MOV CMD @DPTR , MOVX 口輸入B 口輸出，C ; A 口輸入， 0 ;允許外中斷 EX0 SETB 1 ;允許外中斷 SETB EX1 PX0 SETB ;設(shè)置優(yōu)先級(jí) PX1 SETB ;開(kāi)總中斷 EA SETB ;等待中斷 LOOP : LOOPAJMP 的則進(jìn)入中斷00在等待

31、中斷的過(guò)程中，如果有中斷到來(lái)，先檢查中斷的狀態(tài)，是中斷 0。1的 中斷服務(wù)INT1IS ,是中斷中斷服務(wù)INT0IS1則進(jìn)入中斷然后將結(jié)果反口內(nèi)容，個(gè)行程開(kāi)關(guān)觸發(fā) 的，4它觸發(fā)后通過(guò)單片機(jī)讀取 PA是由中斷服務(wù) 0 LEDPB饋到口的上。14 / 21 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 INT0中斷服務(wù)流程圖 ACC PUSH INT0IS : DPTL PUSH DPTH PUSH PSWPUSH PA , MOV A A MOV DPTR 口內(nèi)容 ；讀

32、 PAMOVX A ， @DPTR A ， R2 MOV PB ， A MOV DPTR,A MOV @DPTR,R2 MOV R2 ， A MOV A 取反 ； A CPL 6 位 ；屏蔽高 ANL A ， #03H TM2C A ， JZ P1.0 SETB P1.1 SETB P1.2 SETB R2 ， ATM2C ： MOV A CPL #0CH ， A ANL RETIN A ， JZ P1.3 SETB P1.4 4-2 圖 SETB P1.5 SETB RETIN ： POP PSW POP DPTH POP DPTL ACC

33、POP RETI 15 / 21 4.4 INT1 中斷服務(wù)流程圖 .1 .

34、 JNB ACC.3 , Y-EN MOV A, PC JNB ACC.5 , ARC MOV DPTR ,A LOOP1 : POP DPTH MOVX A, @DPTR ;讀 PC 口內(nèi)容 POP DPTL MOV R1, A POP PSW ANL R1, #0FH POP ACC MOV A, PB SETB EX1 MOV DPTR, A RETI MOV A , @DPTR ;讀 PB 口內(nèi)容 ANL A, #0FH SWAP A ORL A,

35、R1 MOV R2, A MOV A, PB MOV DPTR, A MOVX @DPTR, R2; 數(shù)據(jù)輸入PB 口 INC DPTL 16 / 21 4.4.1 復(fù)位程序流程圖 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 , #0

36、0H ;表X電機(jī)反轉(zhuǎn) ACALL XMOTOR0 ;X電機(jī)反轉(zhuǎn)f ACC2 : JNB ACC.2 , LOOP0 MOV DIRY , #00H ;表丫電機(jī)反轉(zhuǎn) ACALL YMOTOR0 ;Y電機(jī)反轉(zhuǎn)f AJMP RPA LOOP0 : :AJMP LOOP1 17 / 21  X+EN : CLR P1.6 MOV A, PA MOV DPTR , A MOVX A, @DPTR JNB ACC.0 , LOOP2 MOTOR0 : MOV DIRX , #01H

37、 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(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(lèi)推。 18 / 21 4.4.3 繪制圓弧程序流程圖 分配地址交團(tuán)、設(shè)營(yíng)初值 A N 跳轉(zhuǎn)LOCP1| N 圖4-6 逐點(diǎn)比較法畫(huà)圓弧 逐點(diǎn)比較法原理：假設(shè)所畫(huà)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,

38、 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(jiàn)附錄。 19 / 21 4.4.4 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖 圖4-7 DEF EQU 12H SJMP LP3 MOV DEF , #00H TAB : DB FEH XMOTOR1 :JNE D

39、IRX , #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

40、 DEF , A LP4 : MOV A, DEF  DEC DEF 20 / 21 五、附錄 參考文獻(xiàn) [1] 鄭學(xué)堅(jiān) , 周斌 . 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 . 清華大學(xué)出版社 ,2003 [2] 李廣弟 , 朱月秀，王秀山 . 單片機(jī)基礎(chǔ) . 北京航空航天大學(xué)出版社 ,2001 [3] 房小翠 . 單片微型計(jì)算機(jī)與機(jī)電接口技術(shù) . 國(guó)防工業(yè)出版社 ,2002 [4] 王小明 . 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制 . 北京航空航天大學(xué)出版社 ,2002 [5] 李建勇 . 機(jī)電一體化技術(shù) . 科學(xué)出版社 .2004 [6] 王愛(ài)玲，白恩遠(yuǎn)，趙學(xué)良 . 現(xiàn)代

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