機電一體化畢業(yè)設計（論文）數(shù)控XY工作臺及其控制系統(tǒng)

1、摘摘 要要 當今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣 泛應用，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化 系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、傳感 測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計算機與信息處理技 術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機械技術(shù)等多學科技術(shù)領(lǐng)域 綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的 cnc 系統(tǒng)這類典型機電一體化產(chǎn)品 正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。 關(guān)鍵字關(guān)鍵字：數(shù)控技術(shù) 機電一體化的基礎 基本組成要素 特點 發(fā)展趨勢 abstract now t

2、he world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. a perfect integration of machinery system, should contain the following several b

3、ase elements: basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. the integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control tech

4、nology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. new generations cnc system this kind of model integration of machinery product toward the hi

5、gh performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops. key words: numerical control integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development. 目目 錄錄 摘 要 .i abstract.ii 第 1 章 前言.1 第 2

6、章 總體方案設計.4 2.1 設計任務.4 2.2 總體方案確定.4 第 3 章 機械系統(tǒng)設計.6 3.1 工作臺外形尺寸及重量估算.6 3.2 滾動導軌的參數(shù)確定.6 3.3 滾珠絲杠的設計計算.7 3.4 步進電機的選用.9 3.5 確定齒輪傳動比.10 3.6 確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸.11 3.7 步進電機慣性負載的計算.11 第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設計.13 4.1 cpu 板.13 4.2 驅(qū)動系統(tǒng).15 4.3 傳感器和人機界面.17 第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設計.19 5.1 總體方案.19 5.2 主流程圖.19 5.3 int0 中斷服務流程圖.20 5.4 int1 中斷

7、服務流程圖.21 致 謝.26 參考文獻.27 第第 1 章章 前言前言 當今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn) 狀。 在我國對外開放進一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我 國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了 發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點看法。 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù) 控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備, 又是當今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動 和工作過程進行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代

8、表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制 造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 （一）數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢。 數(shù)控技術(shù)的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 ,使制造業(yè)成為工業(yè) 化的象征 ,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應用領(lǐng)域的擴大 ,他對國計民生的一 些重要行業(yè) it、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世 界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面: (1)高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率 ,提 高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。從 emo2001

9、展會情 況來看 ,高速加工中心進給速度可達 80m/ min ,甚至更高 ,空運行速度可達 100m/ min 左右。目前世界上許多汽車廠 ,包括我國的上海通用汽車公司 ,已經(jīng) 采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。在加工精度方面 ,近 10 年來 ,普通級數(shù)控機床的加工精度已由 10m 提高到 5m ,精密級加工中心則 從 35m ,提 高到 11.5m 并且超精密加工精度已開始進入納米級 0.1m 。為了實現(xiàn)高速、高精加工 ,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機 得到了快速的發(fā)展 ,應用領(lǐng)域進一步擴大。 (2)5 軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的

10、加工 ,可用刀具最佳幾何形狀進行切削 , 不僅光潔度高 ,而且效率也大幅度提高。但過去因 5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié) 構(gòu)復雜等原因 ,其價格要比 3 軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍 ,加之編程技術(shù)難度較 大 ,制約了 5 軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當前由于電主軸的出現(xiàn) ,使得實現(xiàn) 5 軸聯(lián)動 加工的復合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化 ,其制造難度和成本大幅度降低 ,數(shù)控系統(tǒng)的價 格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動機床和復合加工機床 含 5 面加工機床 的發(fā)展。 (3)智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21 世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系 統(tǒng)中的各個方面

11、:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ,如加工過程的自適 應控制 ,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋 控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系 統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開 發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上 ,面向機床廠家和最終用戶 ,通過改變、增加或剪裁 結(jié)構(gòu)對象 數(shù)控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶的特殊應用和技訣竅集成 到控制系統(tǒng)中 ,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng) ,形成具有鮮明 個性的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運 行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能

12、庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。 網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化 將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求 ,也是實現(xiàn)新的制 造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元 ,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng) 絡化方向發(fā)展的趨勢。 （二）對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計 我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段： 第一階段從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。在此階段 ,由于國外的技 術(shù)封鎖和我國的基礎條件的制 ,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的 “六五” 、 “七五

13、”期間以及“八五”的前期 ,即引進技術(shù) ,消化吸收 ,初步建立 起國產(chǎn)化體系階段。在此階段 ,由于改革開放和國家的重視 ,以及研究開發(fā)環(huán)境 和國際環(huán)境的改善 ,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得 了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實施產(chǎn) 業(yè)化的研究 ,進入市場競爭階段?？v觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程 ,特別 是經(jīng)過 4 個 5 年計劃的攻關(guān) ,總體來看取得的成績還是不小。 （三）對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 (1)戰(zhàn)略考慮 我國是制造大國 ,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移 ,所 以 ,我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度

14、來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題。首先從社會安 全看 ,因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) ,制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生 活水平 ,而且還可緩解我國就業(yè)的壓力 ,保障社會的穩(wěn)定;其次從國防安全看 , 西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì) ,對我國實現(xiàn)禁運和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。 (2)發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā) ,以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導 向 ,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標 ,用系統(tǒng)的方法 , 選擇能夠主導 21 世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化 發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容

15、,實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強調(diào)市場需求為導向 ,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 ,以整機如量大面廣的數(shù)控車床、 銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、曲型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設備等 帶動 數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、 高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不 會有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會有價值低廉而富有競爭力的產(chǎn)品;當然 ,沒 有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。 第第 2 章章 總體方案設計總體方案設計 2.1 設計任務設計任務 設計一個數(shù)控 x-y 工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可用于銑床上坐標孔的加 工和臘摸、塑料、鋁

16、合金零件的二維曲線加工，重復定位精度為0.01mm，定位 精度為 0.025mm。 設計參數(shù)如下：負載重量 g=150n；臺面尺寸 cbh145mm160mm12mm；底座外形尺寸 c1b1h1210mm220mm140mm；最大長度 l=388mm；工作臺加工范圍 x=55mm，y=50mm；工作臺最大快移速度為 1m/min。 2.2 總體方案確定總體方案確定 （1）系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng) 由于工件在移動的過程中沒有進行切削，故應用點位控制系統(tǒng)。定位方式采用 增量坐標控制?？紤]到定位精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電 機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動 x-y 工作臺。 （2）計算機系統(tǒng)

17、本設計采用了與 mcs-51 系列兼容的 at89s51 單片機控制系統(tǒng)。它的主要特 點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，有較高的性價比。 控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤、led、i/o 接口、光電偶合電路、步進電機、電 磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。led 顯示數(shù)控工作臺的狀態(tài)。 （3）x-y 工作臺的傳動方式 為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。 為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺的運動載荷不大，因此采用有預加載荷的雙 v 形滾珠導軌。采用滾 珠導軌可減少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提

18、高運動平穩(wěn)性，減小 振動。 考慮電機步距角和絲桿導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，需采用齒 輪降速傳動。 圖 2-1 系統(tǒng)總體框圖 第第 3 章章 機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)設計 3.1 工作臺外形尺寸及重量估算工作臺外形尺寸及重量估算 x 向拖板（上拖板）尺寸： 長 寬 高 14516050 重量：按重量=體積材料比重估算 n 32 145 16050 107.8 1090 y 向拖板（下拖板）尺寸： 145 16050 重量：約 90n。 上導軌座（連電機）重量： 223 (220 140382 1558 )7.8 10101.1 10107 ()n 夾具及工件重量：約 150n 。 x-

19、y 工作臺運動部分的總重量：約 287n。 3.2 滾動導軌的參數(shù)確定滾動導軌的參數(shù)確定 、導軌型式：圓形截面滾珠導軌 、導軌長度 上導軌（x 向） 取動導軌長度 100 b l 動導軌行程 55l 支承導軌長度 155 b lll 下導軌（y 向） 50l 100 b l 150l 選擇導軌的型號：gta16 、直線滾動軸承的選型 上導軌 240() x gn 下導軌 287() y gn 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

20、滾動軸承來實現(xiàn)滑動平臺的支撐。 、滾動導軌剛度及預緊方法 當工作臺往復移動時，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。當導軌在位置時，兩端滾動體受力 相等，工作臺保持水平；當導軌移動到位置或時，兩端滾動體受力不相等， 變形不一致，使工作臺傾斜 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） ，影響導軌的精度。 3.3 滾珠絲杠的設計計算滾珠絲杠的設計計算 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。應按銑削 時的情況計算。 、最大動負載 q 的計算

21、 3 h ql f f p 查表得系數(shù)，壽命值1f1 h f 6 60 10 nt l 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 max 10001000 1 250( /min) 4 v nr t 所以 6 60250 15000 225 10 l x 向絲杠牽引力 1.414 xx pf g 當 ()f當 當量摩擦系數(shù) 1.4140.01 2403.39()n y 向絲杠牽引力 1.414 1.4140.01 2874.06() yy pf g n 當 所以最大動負荷 x 向 3 225 1 1 3.3920.6() x qn y 向 3 225 1 1

22、4.0624.7() y qn 查表，取滾珠絲杠公稱直徑 ，選用滾珠絲杠螺母副的型號為 0 10dmm sfk1004，其額定動載荷為 390n，足夠用。 、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算，見表 3-1。 表 3-1 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 0 d10 螺距t4 接觸角45 鋼球直徑 q d2 螺紋滾道法面半徑r0.521.04 q rd 偏心距e/2 sin0.03 q erd 螺紋滾道 螺紋升角 0 arc7.26 t tg d 螺桿外徑d 0 0.2 0.259.5 q ddd 螺桿內(nèi)徑 l d 0 227.98 l dder螺桿 螺桿接觸直徑 z d

23、0 cos8.59 zq ddd 螺母螺紋外徑d 0 2212.02dder 螺母螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 1 d 10 0.2 0.25510.5 q ddd 、傳動效率計算 7.26 0.973 ()(7.260.2 ) tgtg tgtg 式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。 、剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載 p 引起的導程的變化量 0 l 0 1 pl l ef a y 向所受牽引力大，故應用 y 向參數(shù)計算 24.7()pn 0 0.4()lcm 62 20.6 10 (/)en cm材料為鋼 2 22 0.798 3.140.5 2 frcm 所以 6 1 6 24.70.5 1.2 10 ()

24、20.6 100.5 lcm a 絲杠因受扭矩而引起的導程變化量很小，可以忽略。 2 la 所以導程總誤差 6 0 100100 1.2 103/ 0.4 lm m l a a 查表知 e 級精度的絲杠允許誤差，故剛度足夠。15 m 、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。 3.4 步進電機的選用步進電機的選用 、步進電機的步距角b 取系統(tǒng)脈沖當量，初選步進電機步距角。0.01/ p mm step1.5 b 、步進電機啟動力矩的計算 設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 tps 式中： 電機轉(zhuǎn)角； 移動部件的相

25、應位移； 機械傳動效率。s 若取 ，則，且，所以 b p s s ppg 36 () 2 ps b pg tn cm a 式中： 移動部件負載（n） ；g移動部件重量（n） ； 與重量方 s p z p 向一致的作用在移動部件上的負載力（n） ； 導軌摩擦系數(shù)；步進 b 電機步距角， （rad） ；t電機軸負載力矩（）n cma 本例中，?。ù慊痄摑L珠導軌的摩擦系數(shù)） ，為絲杠牽0.030.96 s p 引力，?？紤]到重力影響，y 向電機負載較大，因此取24.7 sh ppn ，所以287 y ggn 360.01 24.70.03287 1.33() 21.50.96 tn cm a 若不考

26、慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩 0.3 0.5 q t t 取安全系數(shù)為 0.3，則 1.33 4.42 0.3 q tn cma 對于工作方式為三相六拍的三相步進電機 max 5.1 0.866 q j t tn cma 、步進電機的最高工作頻率 max max 10001000 1 1667() 6060 0.01 p v fhz 查表選用兩個 45bf005-型步進電機。電機的有關(guān)參數(shù)見表 2-2。 表 3-2 步進電機參數(shù) 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸()mm 型 號步 距 角 最 大靜 轉(zhuǎn)距 n cma 最高空 載啟動 頻率 ( )/step s 相 數(shù) 電壓 ( )v 電流 (

27、)a 外徑長度軸徑 重量 ()n 45bf005- 1 5 19.630003272. 5 4558411 3.5 確定齒輪傳動比確定齒輪傳動比 因步進電機步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實現(xiàn)脈沖當量1.5 b 4tmm ，在傳動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比0.01/ p mm step 1 2 360 0.01 360 0.6 1.54 p b z i zt 選 ， 。 1 17z 2 28z 3.6 確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸確定齒輪模數(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。1mmm 3.7 步進電機慣性負載的計算步進電機慣性負載的計算 表 3-3 齒輪尺寸 z1

28、728 17 19 14.5 5 28 30 25.5 5 dmz mm 2 a ddm mm 2 1.25 f ddm mm 36bm mm 12 2 dd amm 17.5 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，得 2 2 1 0123 2 180 p d b z jjjjjm z 式中： 折算到電機軸上的慣性負載（） ； 步進電機轉(zhuǎn)軸 d j 2 kg cma 0 j 的轉(zhuǎn)動慣量（） ；齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（） ；齒輪 的 2 kg cma 1 j 2 kg cma 2 j 轉(zhuǎn)動慣量（） ；滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（） ；m移動部件質(zhì) 2 kg cma 3 j 2 kg cma 量（） 。kg 對材料為鋼的

29、圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算 342 0.78 10jd l kg cm a 式中：d圓柱零件直徑（cm） ；l零件長度（cm） 。 所以 3432 1 0.78 101.70.53.26 10jkg cm a 3432 2 0.78 102.80.523.9 10jkg cm a 3432 3 0.78 10153.9 10jkg cm a 電機軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，則 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 a 因為，所以慣性匹配比較符合要求。 10.4 0.3191 41.274 d

30、m j j 第第 4 章章 控制系統(tǒng)硬件設計控制系統(tǒng)硬件設計 x-y 數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括 cpu、傳動驅(qū)動、傳感器、人機交互 界面。 硬件系統(tǒng)設計時，應注意幾點：電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應性能好、造價低、可維 護性、人機交互界面可操作性比較好。 4.1 cpu 板板 4.1.1 cpu 的選擇的選擇 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，而目前市場上應用 mcs-51 芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目 前應用最廣的 8 位單片機 89c51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。 在一些復雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用 16 位單片機，mcs-96 系列單

31、片機廣 泛應用于伺服系統(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

32、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。 4.1.2 cpu 接口設計接口設計 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

33、三部分。示意圖 如下所示： （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 傳感 器 at89s51 （鍵盤、led） 后向通道 圖 4-1 cpu 外部接口示意圖 at89s51 要完成的任務： （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，并響應指令，將當前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反 應到 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。

34、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

35、 決定 8155 的 pa、pb、pc 口的地址。 p1.0-p1.2驅(qū)動 1x 步進電機 驅(qū)動 2y 步進電機p1.3-p1.5 p1.6驅(qū)動 3 p3.2外部中斷 1 p3.3外部中斷 2 p0.0-p0.7ad0ad7 p2.7ce p2.6io/m pb 口 pa 口 pc 口 at89s51 鍵盤 電磁鐵 8155 圖 4-2 at89s51 控制系統(tǒng)圖 pb 口接 led 反映當前運行的 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

36、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、復位（rst） 、圓弧插補 6 個開關(guān)的狀態(tài)。 4.2 驅(qū)動系統(tǒng)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 使筆尖壓下。 4.2.1 步進電機驅(qū)動電路和工作原理步進電機驅(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。設計時的脈沖當量 為 0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進 0.01m

37、m。 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 4-3 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 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-

38、bc-c-ca-a，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：a-ac-c-cb-b-ba- a。 步進時鐘 a 相波形 b 相波形 c 相波形 圖 4-4 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)） 4.2.2 電磁鐵驅(qū)動電路電磁鐵驅(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。 圖 4-5 電磁鐵驅(qū)動電路 4.2.3 電源設計電源設計 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 采用了標準的 27v 電源作為基準，通過芯片進行電壓轉(zhuǎn)

39、換得到所需的 12v 和 5v 電壓。 圖 4-6 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，在具體應用的過程中，lm7805 必須加上散熱片。 4.3 傳感器和人機界面?zhèn)鞲衅骱腿藱C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 充當了傳感器。 人機界面設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，

40、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)

41、，按扭 5 是向 y 軸正方向運行的點動開關(guān)，按扭 6 是復位開關(guān)， 按扭 7 是執(zhí)行繪制圓弧開關(guān)。 圖 4-7 人機界面圖 第第 5 章章 控制系統(tǒng)軟件設計控制系統(tǒng)軟件設計 5.1 總體方案總體方案 對于 at89s51 的程序設計，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。 5.2 主流程圖主流程圖 ctl equ 3ff8h pa equ 3ff9h pb equ 3ffah pc equ 3ffbh cmd equ 02h org 0000h

42、ajmp main org 0003h ajmp int0is ；外部中斷 0 入口 org 000bh ajmp tm0is ；定時器 0 中斷入口 org 0013h ajmp int1is ；外部中斷 1 入口 org 001bh ajmp tm1is ；定時器 1 中斷入口 org 0100h main：anl p1，0efh setb it0 ；外中斷負跳沿觸發(fā) 圖 5-1 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 px

43、0 setb px1 ；設置優(yōu)先級 setb ea ；開總中斷 loop：ajmp loop ；等待中斷 上電復位 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 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 int0is，是中斷 1 則進入中斷 1 的中斷服務 int1is。 中斷服務 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 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

44、行，手動 y 正方向運行，手動 y 負方向運行，復位和繪制圓弧。 5.3 int0 中斷服務流程圖中斷服務流程圖 int0is：push acc push dptl 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 mov dptr,r2 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 p1.2 tm2c： mov a，r2 cpl a anl a，#0ch jz

45、 a，retin setb p1.3 圖 5-2 setb p1.4 setb p1.5 retin：pop psw pop dpth pop dptl pop acc reti 5.4 int1 中斷服務流程圖中斷服務流程圖 圖 5-3 int1is：clr ex1 jnb acc.1，x-en push acc jnb acc.2，y+en push psw jnb acc.3，y-en push dptl jnb acc.5，arc push dpth loop1：pop dpth clr p1.6 pop dptl mov a，pc pop psw mov dptr，a pop acc

46、 movx a，dptr；讀 pc 口內(nèi)容 setb ex1 mov r1，a reti 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 dirx equ 30h diry equ 31h 5.4.1 復位程序流程圖復位程序流程圖 圖 5-4 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，#00h ；表 x 電機反轉(zhuǎn) acall xmotor0 ；x 電機反轉(zhuǎn)一步 acc2： jnb acc.2，loop0 mov diry，#00h ；表 y 電機反轉(zhuǎn) acall ymotor0 ；y 電機反轉(zhuǎn)一步 ajmp rpa loop0：ajmp loop1 5.4.2 x 軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖軸電機