462 X-Y數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)設(shè)計

462 X-Y數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)設(shè)計,數(shù)控,工作臺,及其,控制系統(tǒng),設(shè)計 學(xué) 士 學(xué) 位 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）X-Y 數(shù) 控 工 作 臺 機 電 系 統(tǒng) 設(shè) 計學(xué)生姓名 學(xué) 號 專 業(yè) 械設(shè)計制造及其自動化 班 級 指導(dǎo)教師 學(xué) 部 機電工程學(xué)部 答辯日期 黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文IX-Y 數(shù) 控 工 作 臺 機 電 系 統(tǒng) 設(shè) 計摘 要X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單。實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度。降低成本,是微機控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用。它充分的利用了危機的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制;使機床的加工范圍擴大,精度和可靠性進一步得到提高。X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是利用 8031 單片機,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程序以實現(xiàn)對零件進行幾何加工,每進行一段加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn),同時通過 8155(1)將相應(yīng)的加工進刀信息送至刀架庫中以實現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機和刀具的相對運動所以實現(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)計因為這種結(jié)構(gòu)便于修改和擴充，編制較為方便，便于向多處理方向發(fā)展。X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計采用步進電機作為驅(qū)動裝置。步進電機是一個將脈沖信號轉(zhuǎn)移成角位移的機電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場；由于步進電機通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目及時間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時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)子切割磁力線時具有力的作用，從實現(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)子才可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動絲杠作相應(yīng)的運動。本題目是步進電機，微型計算機，插補原理，匯編語言的綜合應(yīng)用，本題目設(shè)計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)計總體方案設(shè)計第二章主要設(shè)計了機械系統(tǒng)設(shè)計；第三章主要設(shè)計了控制系統(tǒng)硬件設(shè)計；第四章主要設(shè)計控制系統(tǒng)軟件設(shè)計；第五章主要是本設(shè)計的附錄。因本人水平有限，錯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；機電系統(tǒng)；微型計算機；6264 存儲器黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文X-Y NC Worktable Mechatronics System DesignAbstractCNC 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 黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文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)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 ............................................I摘 要 ..............................................................IAbstract..............................................................2X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 ............................................1第 1 章 緒 論 ........................................................11.1 兩坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)課題研究意義 ........................................11.2 兩坐標(biāo)系數(shù)控工作臺課題研究主要內(nèi)容 ................................11.2.1 兩坐標(biāo)系系統(tǒng)的組成 ..............................................1第 2 章 機械系統(tǒng)設(shè)計 ..................................................12.1 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 .............................................103.1 CPU 板 ...........................................................103.2 驅(qū)動系統(tǒng) .........................................................133.2.1 步進電機驅(qū)動電路和工作原理 .....................................133.2.3 電源轉(zhuǎn)換 .......................................................153.4 本章小節(jié) .........................................................16第 4 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 ..............................................174.1 總體方案 .........................................................174.2 主流程圖 .........................................................174.3 INT0 中斷服務(wù)流程圖 .............................................184.4 INT1 中斷服務(wù)流程圖 .............................................194.2.2 X 軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖 .....................................234.4.3 繪制圖弧程序流程圖 .............................................244.4.4 步進電機步進一步程序流程圖 .....................................29結(jié) 論 .............................................................31參考文獻 .............................................................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1X-Y 數(shù) 控 工 作 臺 機 電 系 統(tǒng) 設(shè) 計第 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)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單.實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度.降低成本,是微機控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用.它充分的利用了危機的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制;使機床的加工范圍擴大,精度和可靠性進一步得到提高.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)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是利用 8031 單片機,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程序以實現(xiàn)對零件進行幾何加工,每進行一段加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn),同時通過 8155(1)將相應(yīng)的加工進刀信息送至刀架庫中以實現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機和刀具的相對運動所以實現(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)濟型數(shù)控機床驅(qū)動電機采用步進電機，多數(shù)采用開環(huán)控制，需要選擇和計算主要機械傳動部件，如滾珠絲杠，螺母副和步進電機等，繪制機床進給傳動機構(gòu)裝配圖，繪制單片機控制系統(tǒng)的硬件線路圖。第 2 章 機械系統(tǒng)設(shè)計2.1 工作臺外形尺寸及重量估算X 向拖板（上拖板）尺寸：黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文2長 寬 高 145×160×50?重量：按重量=體積×材料比重估算N321456017.809????Y 向拖板（下拖板）尺寸： 14560?重量：約 90N。上導(dǎo)軌座（連電機）重量： 223(2014382158)7.10.107????????()N夾具及工件重量：約 150N 。X-Y 工作臺運動部分的總重量：約 287N。2.2 滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定導(dǎo)軌是數(shù)控機床的重要部件之一，它在很大程度上決定數(shù)控機床的剛度，精度與精度保持性。目前的數(shù)控機床采用導(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?；瑒訉?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床全部滾動體為 2μm。每組滾動體為 1μm；精密機床全部滾動體為 1μm，每組滾動體為 0，5μm。滾柱的錐度：0，5-1μm。表面粗糙度：普通機床，磨削不抵于 0，40（μm） ，精密機床磨削不抵于黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文30，20（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)軌的特點是尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊。合適導(dǎo)軌受限的機床。動導(dǎo)軌的支承在數(shù)控機床上使用的滾動導(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)軌的運動不受負載和速度的限制，且低速時運動均勻，不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。使用的壽命小?？拐裥院?；承載能力大；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 10Bl?動導(dǎo)軌行程 5支承導(dǎo)軌長度 BLl?②下導(dǎo)軌（Y 向）50l?10Bl?1L選擇導(dǎo)軌的型號：GTA16 ⑶、直線滾動軸承的選型①上導(dǎo)軌 240()XGN?黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文4②下導(dǎo)軌 287()YGN?由于本系統(tǒng)負載相對較小，查表后得出 LM10UUOP 型直線滾動軸承的額定動載荷為 370N，大于實際動負載；但考慮到經(jīng)濟性等因素最后選擇 LM16UUOP 型直線滾動軸承。并采用雙排兩列 4 個直線滾動軸承來實現(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，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，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，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)計計算滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力。應(yīng)按銑削時的情況計算。⑴、最大動負載 Q 的計算3HLfP??查表得系數(shù) ， ，壽命值1Hf?601nTL查表得使用壽命時間 T=15000h，初選絲杠螺距 t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速max10250(/min)4Vnrt???所以 625LX 向絲杠牽引力1.4xxPfG?當(dāng) ()f當(dāng) —當(dāng) 量 摩 擦 系 數(shù)023.9()N??黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文5Y 向絲杠牽引力 1.402874.06()yyPfGN???當(dāng)所以最大動負荷X 向 3251.3920.6()xQN??Y 向 47y?查表，取滾珠絲杠公稱直徑 ，選用滾珠絲杠螺母副 01dm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)計算表 2-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名 稱 符 號 計算公式和結(jié)果公稱直徑 0d10螺距 t4接觸角 ?5?鋼球直徑 qd2螺紋滾道法面半徑 R0.1.4qd?偏心距 e??/sin0.3???螺紋滾道螺紋升角 ?0arc7.26tgd??螺桿外徑 d??.~59.q?螺桿內(nèi)徑 l 08leR???螺桿螺桿接觸直徑 z cos.zqd?螺母螺紋外徑 D02102?螺母 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 1??1.~5.qd??見表 2-1。⑶、傳動效率計算黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文67.260.973()()tgt????????式中： ——摩擦角； ——絲杠螺紋升角。?⑷、剛度驗算滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導(dǎo)程 的變化量0L01LEF??AY 向所受牽引力大，故應(yīng)用 Y 向參數(shù)計算24.7()PN0.4()Lcm?6201/)cm????材 料 為 鋼2 2.9834.5FRc????????所以 616.701.0().Lcm??????A絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量 很小，可以忽略。2LA所以導(dǎo)程總誤差 ??60110.23/.4L?????A查表知 E 級精度的絲杠允許誤差 ，故剛度足夠。5m⑸、穩(wěn)定性驗算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗算。2.4 步進電機的選用步進電動機又稱脈沖電動機或為階躍電動機，目前，隨著電子技術(shù)，控制技術(shù)以及電動機本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)的電機分類的間界面越來越模糊；步進電動機的傳動定義為：根據(jù)輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進一定角落，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定的狀態(tài)而靜止；廣義的定義為，步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機，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。黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文7步進電動機的機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 60 年代后期，隨著永磁材料的發(fā)展，各種實用型的步進電動機應(yīng)運而生，半導(dǎo)體的發(fā)展使得步進電動機得到了廣泛的應(yīng)用。我國的步進電動機開始于 21 世紀 50 年代后期，其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了四個階段：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構(gòu)開發(fā)并使用少量的步進電機，以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進電動機為主；第二階段，70 年代初期反映在步進電機的生產(chǎn)和研究發(fā)展到了一個水平；第三階段，70 年代中期至 80 年代后期新產(chǎn)品種高性能電動機層出不窮，各種混合式步進電動機及驅(qū)動器作為產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。步進電動機的特點步進電機有三大部分組成：步進電動機本體，步進電動機控制器及步進電動機驅(qū)動器。其特點如下：1）用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價。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，停止時可有自鎖能力⑴、步進電機的步距角 b?取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 ，初選步進電機步距角 。0.1/pmstep?? 1.5b???⑵、步進電機啟動力矩的計算設(shè)步進電機等效負載力矩為 T，負載力為 P，根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力做功有如下關(guān)系 s??＝式中： ——電機轉(zhuǎn)角； ——移動部件的相應(yīng)位移； ——機械傳動效率。?s ?若取 ，則 ，且 ，所以b??p?SPG?????36()2pSbPGTNcm?????A式中： ——移動部件負載（ N） ；G——移動部件重量（ N） ； ——與重量方向S zP黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文8一致的作用在移動部件上的負載力（N） ； ——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； ——步進電機步?b?距角， （rad） ；T——電機軸負載力矩（ ）NcmA本例中，取 （淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)） ， ， 為絲杠牽引0.3?? 0.96??SP力， 。考慮到重力影響， Y 向電機負載較大，因此取 ，247sHPN 287yGN?所以 ??360.1.032871.3()2596TNcm??????A若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩 0.3~qT取安全系數(shù)為 0.3，則 ??1.4.2qNcm?A對于工作方式為三相六拍的三相步進電機max5.10.86qjT??cA⑶、步進電機的最高工作頻率 axmax107()6.1pVf Hz????查表選用兩個 45BF005-Ⅱ型步進電機。電機的有關(guān)參數(shù)見表 2-2。表 2-2 步進電機參數(shù)主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸 ()m型 號步距角???最 大靜 轉(zhuǎn) 距NcmA最 高 空載 啟 動頻 率 ()/step相數(shù)電壓 ()V電流 A外徑 長度 軸徑重量(N45BF005-Ⅱ 1．519.6 3000 3 27 2.5 45 58 4 112.5 確定齒輪傳動比黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文9因步進電機步距角 ，滾珠絲杠螺距 ，要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量1.5b??? 4tm?，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比0.1/pmstep??2360.360.154bZit????選 ， 1728?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。1m?2.7 步進電機慣性負載的計算表 2-3 齒輪尺寸Z17 28171914.55 283025.55??dm?2a???1.5f????36b?12dam?17.5根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，得 ??22103180pd bZJJM??????????????????式中： ——折算到電機軸上的慣性負載（ ） ； ——步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)kgcmA0J黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文10動慣量（ ） ； ——齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（ ） ； ——齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量2kgcmA1J 2kgcmAJ（ ） ； ——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（ ） ；M——移動部件質(zhì)量（ ） 。3 kg對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算 ??3420.781JDLkgcm???A式中：D——圓柱零件直徑（cm） ；L——零件長度（cm） 。所以 ??343210.781.05.261J kgc??????A2290m34323..Jkc??電機軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，則 ??23 317.260.9108dJ? ???????????252.5.431480kgm?????????A因為 ，所以慣性匹配比較符合要求。.0.319274dMJ??黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文11第 3 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計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，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，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 89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用 16 位單片機，MCS-96 系列單片機廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。從要設(shè)計的系統(tǒng)來看，選用較老的 8051 單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑提高了設(shè)計價格，而選用高性能的 16 位 MCS-96 又顯得過于浪費。生產(chǎn)基于 51 為內(nèi)核的單片機的廠家有 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 系列單片機內(nèi)含 Flash 存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進行程序修改，同時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 Flash 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 位定時器 2 個、中斷源 6個（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷 0、外部中斷 1、定時器 0 和定時器 1 中斷） 、RAM 為 128B、14 位的計數(shù)器 WDT、I/O 口共有 32 個。3.1.2 CPU 接口設(shè)計CPU 接口部分包括傳感器部分、傳動驅(qū)動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示：黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文12（行程開關(guān)）前向通道傳動驅(qū)動（電磁鐵）（步進電機）人機界面?zhèn)?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，通過中斷進行處理，它的優(yōu)先級別最高。（2）通過程序?qū)崟r控制電機和電磁鐵的運行。（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，實現(xiàn)人機交互作用。由于 AT89S51 只有 P1 口和 P3 口是準雙向口，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，因此要進行 I/O 擴展。考慮到電路的簡便性和可實現(xiàn)性，實際中采用內(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 兩個方向步進電機的 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 讀入點動、復(fù)位、圓弧插補開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。（4）P0.0-P0.7 外部 I/O 擴展的數(shù)據(jù)讀取。（5）P2.7 和 P2.6 決定 8155 的 PA、PB、PC 口的地址。黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文13P1.0-P1.2驅(qū)動 1X 步進電機驅(qū)動 2Y 步進電機 P1.3-P1.5P1.6驅(qū)動 3P3.2外部中斷 1P3.3外部中斷 2P0.0-P0.7 AD0~AD7P2.7 CEP2.6 IO/MPB 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)前運行的 8 個狀態(tài)：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手動 X+運行、手動 X-運行、手動 Y+運行、手動 Y-運行。PA 口低四位反映觸發(fā)中斷 1 的 4 個行程開關(guān)的狀態(tài)。PC 口低 6 位反映了觸發(fā)中斷 2 的手動 X+運行、手動 X-運行、手動 Y+運行、手動 Y-運行、復(fù)位（RST） 、圓弧插補 6 個開關(guān)的狀態(tài)。3.2 驅(qū)動系統(tǒng)傳動驅(qū)動部分包括步進電機的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動，步進電機須滿足快速急停、定位和退刀時能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。在定位和退刀時電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時能及時釋放磁力使筆尖黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文14壓下。3.2.1 步進電機驅(qū)動電路和工作原理步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計時的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進 0.01mm。步進電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護 CPU 的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在 CPU 上使其燒壞。圖 3-4 步進電機驅(qū)動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當(dāng) A 相得電時，電動機轉(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，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進電機采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈 A、B、C） ，其正轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文15步進時鐘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林頓管，因為驅(qū)動電磁鐵的電流比較大。3.2.3 電源轉(zhuǎn)換兩電機同時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)準的 27V 電源作為基準，通過芯片進行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的 12V 和 5V 電壓。黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文16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 傳感器和人機界面 由于步進電機不需要反饋電路，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行程開關(guān)。這里行程開關(guān)作用有兩個：（1）防止工作臺超過最大行程，使電機損壞（2）可以用與定位。所以這 4 個行程開關(guān)就充當(dāng)了傳感器。人機界面設(shè)計的準則就是要有良好的人機交互能力，一般要求操作簡便，界面簡潔明了。此系統(tǒng)中共有 9 個 LED，LED1 燈亮表示 X 軸負方向禁止通行，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)通電運行。界面上的 7 個按扭意義為：按扭 1 是通斷電開關(guān)，按扭 2 是向 X 軸負方向運行的點動開關(guān)，按扭 3 是向 X 軸正方向運行的點動開關(guān)，按扭 4 是向 Y 軸負方向運行的點動開關(guān)，按扭 5 是向 Y 軸正方向運行的點動開關(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)。黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文17圖 3-8 人機界面圖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。CPU 板介紹了 CPU 的選擇及其外圍的接口設(shè)計和控制流程；驅(qū)動系統(tǒng)介紹了步進電機和電磁鐵的驅(qū)動電路設(shè)計；此外還敘述了人機界面各個按扭和 LED 的意義。黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文18第 4 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 總體方案 對于 AT89S51 的程序設(shè)計，由于所需實現(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 系列單片機程序設(shè)計的常用工具，既可用匯編，也支持 C 語言編譯。同時具有完善的調(diào)試功能。4.2 主流程圖CTL EQU 3FF8HPA EQU 3FF9HPB EQU 3FFAHPC EQU 3FFBHCMD EQU 02HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INT0IS ；外部中斷 0 入口ORG 000BHAJMP TM0IS ；定時器 0 中斷入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中斷 1 入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定時器 1 中斷入口ORG 0100HMAIN：ANL P1，0EFHSETB IT0 ；外中斷負跳沿觸發(fā)SETB IT1MOV A，CTL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 主程序流程圖黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文19MOV DPTR，AMOVX @DPTR，CMD；A 口輸入，B 口輸出，C 口輸入SETB EX0 ；允許外中斷 0SETB EX1 ；允許外中斷 1SETB PX0SETB PX1 ；設(shè)置優(yōu)先級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 則進入中斷 0 的中斷服務(wù) INT0IS，是中斷 1 則進入中斷 1的中斷服務(wù) INT1IS。中斷服務(wù) 0 是由 4 個行程開關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機讀取 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 個中斷源，這六個中斷源分別是手動 X 正方向運行，手動 X 負方向運行，手動 Y正方向運行，手動 Y 負方向運行，復(fù)位和繪制圓弧。4.3 INT0 中斷服務(wù)流程圖NT0IS：PUSH ACCPUSH DPTLPUSH DPTHPUSH PSWMOV A，PAMOV DPTR，AMOVX A，@DPTR ；讀 PA 口內(nèi)容圖 4-2 中斷服務(wù)流程圖黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文20MOV R2，AMOV A，PBMOV DPTR,AMOV @DPTR,R2MOV A，R2CPL A ；A 取反ANL A，#03H ；屏蔽高 6 位JZ A，TM2CSETB P1.0SETB P1.1SETB P1.2TM2C： MOV A，R2CPL AANL A，#0CHJZ A，RETINSETB P1.3SETB P1.4SETB P1.5RETIN：POP PSWPOP DPTHPOP DPTLPOP ACCRETI4.4 INT1 中斷服務(wù)流程圖中斷服務(wù)流程圖如下黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文21圖 4-3 服務(wù)中斷圖INT1IS：CLR EX1 JNB ACC.1，X-ENPUSH ACC JNB ACC.2，Y+ENPUSH PSW JNB ACC.3，Y-ENPUSH DPTL JNB ACC.5，ARCPUSH DPTH LOOP1：POP DPTHCLR P1.6 POP DPTLMOV A，PC POP PSWMOV DPTR，A POP ACCMOVX A，@DPTR ；讀 PC 口內(nèi)容 SETB EX1MOV R1，A RETIANL R1，#0FHMOV A，PBMOV DPTR，AMOV A，@DPTR；讀 PB 口內(nèi)容ANL A，#0FHSWAP A黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文22ORL A，R1MOV R2，AMOV A，PBMOV DPTR，AMOVX @DPTR，R2；數(shù)據(jù)輸入 PB 口INC DPTLMOV A，@DPTRJNB ACC.4，RSTJNB ACC.0，X+EN黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文234.4.1 復(fù)位程序流程圖 復(fù)位程序流程圖圖 4-4DIRX EQU 30HDIRY EQU 31HRST： CLR P1.6RPA： MOV A，PAMOV DPTR，AMOVX A，@DPTR ；讀 PA 口內(nèi)容JNB ACC.0，ACC2MOV DIRX，#00H ；表 X 電機反轉(zhuǎn)ACALL XMOTOR0 ；X 電機反轉(zhuǎn)一步ACC2： JNB ACC.2，LOOP0MOV DIRY，#00H ；表 Y 電機反轉(zhuǎn)ACALL YMOTOR0 ；Y 電機反轉(zhuǎn)一步AJMP RPALOOP0：AJMP LOOP1黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文244.2.2 X 軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖 圖 4-2 正轉(zhuǎn)流程圖X+EN： CLR P1.6MOV A，PAMOV DPTR，AMOVX A，@DPTRJNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01HACALL XMOTOR0MOV A，PCMOV DPTR，AMOV A，@DPTRJNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1這是 X 軸電機點動正轉(zhuǎn)的程序，其他的 X 軸電機點動反轉(zhuǎn)、Y 軸電機點動正轉(zhuǎn)、Y軸電機點動反轉(zhuǎn)依次類推。黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文254.4.3 繪制圖弧程序流程圖圖 4-6 逐點比較法畫圓弧逐點比較法原理：假設(shè)所畫圓弧在第一象限，圓心坐標(biāo)為（0，0） ，圓弧上點的坐標(biāo)為（X，Y） ，圓弧半徑為 R，每一點的坐標(biāo)偏差為 F=X*X+Y*Y-R*R，若 F＞0，應(yīng)沿 X軸負方向走一步，此時 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 FY=X*X+（Y-1）*（Y-1）-R*R=F+2Y+1，Y=Y+1。插補程序見附錄。；/**圓弧插補程序**/XL EQU 18HXH EQU 19HYL EQU 28HYH EQU 29H黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文26YeL EQU 2AHYeH EQU 2BHFL EQU 2CHFH EQU 2DHARC：MOV XL #0E8HMOV XH #03HMOV YL #00HMOV YH #00HMOV YeL #0E8HMOV YeH #03HMOV FL #00HMOV FH #00HLP1： MOV A，F(xiàn)HJNB ACC.7，X0；LCALL YMOTOR1 ；+Y 一步MOV R2，YHMOV R3，YLMOV R4，YHMOV R5，YLACALL BADD ；算 Y+YMOV R2，F(xiàn)HMOV R3，F(xiàn)LMOV R4，R6MOV R5，R7ACALL BADD ； 算 F+2YINC R7MOV FH，R6MOV FL，R7INC YLCMP1：CJNE YH，#03H ，LP1黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文27CJNE YL，#0E8H，LP1LJMP LOOP1XO： ACALL XMOTOR0 ；-X 一步MOV R2，XHMOV R3，XLMOV R4，XHMOV R5，XLACALL BADD ；算 X+XMOV R2，F(xiàn)HMOV R3，F(xiàn)LMOV R4，R6MOV R5，R7ACALL BSUB ；算 F-2XINC R7MOV FH， R6MOV FL，R7DEC XLAJMP CMP1；/**帶符號加減法程序**/BSUB：MOV A，R4CPL ACC.7MOV R4，ABADD：MOV A，R2MOV C，ACC.7MOV F0，CXRL A，R4MOV C，ACC.7MOV A，R2黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文28CLR ACC.7MOV R2，AMOV A，R4CLR ACC.7MOV R4，AJC JIANJIA： MOV A，R3ADD A，R5MOV R7，AMOV A，R2ADDC A，R4MOV R6，AQWE： MOV C，F(xiàn)0MOV ACC.7，CMOV R4，ARETJIAN： MOV A，R3CLR CSUBB A，R5MOV R7，AMOV A，R2SUBB A，R4MOV R6，AJNB ACC，7，QWEBMP： MOV A，R7CPL AADD A，#1MOV R7，AMOV A，R6黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文29CPL AADDC A，#0MOV R6，ACPL F0SJMP QWE /**模擬實驗程序**/ORG 0000HAJMP STARTORG 0100HSTART:MOV R6,#10HLOOP1:MOV R5,#00HLOOP0:MOV A,R5MOV DPTR,#TABMOVC A,@A+DPTRCPL AMOV P2,AACALL DELAYACALL DECLLOOP2:INC R5MOV A,R5CJNE A,#08H,LOOP0AJMP LOOP1DELAY:MOV A,R6MOV R4,ALP2: MOV R3,#080HLP1: MOV R2,#040HLP0: NOPDJNZ R2,LP0DJNZ R3,LP1DJNZ R4,LP2RET黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文30DECL: DJNZ R6,LOOP2MOV R6,#01HRETTAB: DB 01HDB 03HDB 02HDB 06HDB 04HDB 0CHDB 08HDB 09HEND4.4.4 步進電機步進一步程序流程圖黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文31圖 4-7 步進電機步進一步程序流程圖DEF EQU 12H SJMP LP3MOV DEF，#00H TAB： DB FEHXMOTOR1：JNE DIRX，#01H，XMOTOR0 DB FCHJNE DEF，#05H ，LP2 DB FDHCLR DEF DB F9H LP2： MOV A，DEF DB FB