畢業(yè)設(shè)計X-Y數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)設(shè)計,畢業(yè)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 廣西工學(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 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 I X-Y NC Worktable Mechatronics System Design Abstract 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. Keywords：X-Y NC Worktable; Mechatronics system; micro-computers; 6264 memory 目　　錄 X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 I 摘 要 I Abstract 2 X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 1 第1章 緒 論 1 1.1兩坐標數(shù)控系統(tǒng)課題研究意義 1 1.2 兩坐標系數(shù)控工作臺課題研究主要內(nèi)容 1 1.2.1 兩坐標系系統(tǒng)的組成 1 第2章 機械系統(tǒng)設(shè)計 1 2.1 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 10 3.1 CPU板 10 3.2 驅(qū)動系統(tǒng) 13 3.2.1步進電機驅(qū)動電路和工作原理 13 3.2.3 電源轉(zhuǎn)換 15 3.4 本章小節(jié) 16 第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 17 4.1 總體方案 17 4.2 主流程圖 17 4.3 INT0中斷服務(wù)流程圖 18 4.4 INT1中斷服務(wù)流程圖 19 4.2.2 X軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖 23 4.4.3 繪制圖弧程序流程圖 24 4.4.4 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 X-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： 長寬高 145×160×50 重量：按重量=體積×材料比重估算 N Y向拖板（下拖板）尺寸： 重量：約90N。 上導(dǎo)軌座（連電機）重量： 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。 滑動導(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0，20（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 動導(dǎo)軌行程 支承導(dǎo)軌長度 ②下導(dǎo)軌（Y向） 選擇導(dǎo)軌的型號：GTA16 ⑶、直線滾動軸承的選型 ①上導(dǎo)軌 ②下導(dǎo)軌 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 查表得系數(shù)，，壽命值 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 所以 X向絲杠牽引力 Y向絲杠牽引力 所以最大動負荷 X向 Y向 查表，取滾珠絲杠公稱直徑 ，選用滾珠絲杠螺母副 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 螺紋滾道 公稱直徑 10 螺距 接觸角 鋼球直徑 螺紋滾道法面半徑 偏心距 螺紋升角 螺桿 螺桿外徑 螺桿內(nèi)徑 螺桿接觸直徑 螺母 螺母螺紋外徑 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 見表2-1。 ⑶、傳動效率計算 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 Y向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計算 所以 絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略。 所以導(dǎo)程總誤差 查表知E級精度的絲杠允許誤差，故剛度足夠。 ⑸、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。 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 取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，初選步進電機步距角。 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 式中： ——電機轉(zhuǎn)角； ——移動部件的相應(yīng)位移； ——機械傳動效率。 若取 ，則，且，所以 式中： ——移動部件負載（N）；G——移動部件重量（N）； ——與重量方向一致的作用在移動部件上的負載力（N）； ——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；——步進電機步距角，（rad）；T——電機軸負載力矩（） 本例中，取（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），，為絲杠牽引力，。考慮到重力影響，Y向電機負載較大，因此取，所以 若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩 取安全系數(shù)為0.3，則 對于工作方式為三相六拍的三相步進電機 ⑶、步進電機的最高工作頻率 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) 型 號 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸 重量 步距角 最 大靜轉(zhuǎn)距 最高空載啟動頻率() 相數(shù) 電壓 電流 外徑 長度 軸徑 45BF005-Ⅱ 1．5 19.6 3000 3 27 2.5 45 58 4 11 2.5 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(dāng)量，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比 選 ， 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。 2.7 步進電機慣性負載的計算 表2-3 齒輪尺寸 17 28 17 19 14.5 5 28 30 25.5 5 17.5 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，得 式中： ——折算到電機軸上的慣性負載（）； ——步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（）；——齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（）；——齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量（）；——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（）；M——移動部件質(zhì)量（）。 對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算 式中：D——圓柱零件直徑（cm）；L——零件長度（cm）。 所以 電機軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，則 因為，所以慣性匹配比較符合要求。 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F(xiàn)lash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F(xiàn)lash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：（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?？紤]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。 P1.0-P1.2 驅(qū)動1 X步進電機 驅(qū)動2 Y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-P0.7 AD0~AD7 P2.7 CE P2.6 IO/M PB 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。 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。 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)。 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。 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 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 CTL EQU 3FF8H PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAH PC EQU 3FFBH CMD EQU 02H ORG 0000H 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) 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 PX0 SETB PX1 ；設(shè)置優(yōu)先級 SETB EA ；開總中斷 LOOP：AJMP LOOP ；等待中斷 圖4-2 中斷服務(wù)流程圖 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 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 A，RETIN SETB P1.3 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI 4.4 INT1中斷服務(wù)流程圖 中斷服務(wù)流程圖如下 圖4-3服務(wù)中斷圖 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 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 31 4.4.1 復(fù)位程序流程圖 復(fù)位程序流程圖 圖4-4 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，#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 4.2.2 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 P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，@DPTR JNB ACC.0，LOOP2 MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，@DPTR JNB ACC.0，MOTOR0 LOOP2： 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。 4.4.3 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，圓心坐標為（0，0），圓弧上點的坐標為（X，Y），圓弧半徑為R，每一點的坐標偏差為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 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H YeL EQU 2AH YeH EQU 2BH FL EQU 2CH FH EQU 2DH ARC：MOV XL #0E8H MOV XH #03H MOV YL #00H MOV YH #00H MOV YeL #0E8H MOV YeH #03H MOV FL #00H MOV FH #00H LP1： MOV A，F(xiàn)H JNB ACC.7，X0； LCALL YMOTOR1 ；+Y一步 MOV R2，YH MOV R3，YL MOV R4，YH MOV R5，YL ACALL BADD ；算Y+Y MOV R2，F(xiàn)H MOV R3，F(xiàn)L MOV R4，R6 MOV R5，R7 ACALL BADD ； 算F+2Y INC R7 MOV FH，R6 MOV FL，R7 INC YL CMP1：CJNE YH，#03H，LP1 CJNE YL，#0E8H，LP1 LJMP LOOP1 XO： ACALL XMOTOR0 ；-X一步 MOV R2，XH MOV R3，XL MOV R4，XH MOV R5，XL ACALL BADD ；算X+X MOV R2，F(xiàn)H MOV R3，F(xiàn)L MOV R4，R6 MOV R5，R7 ACALL BSUB ；算F-2X INC R7 MOV FH，R6 MOV FL，R7 DEC XL AJMP CMP1 ；/**帶符號加減法程序**/ BSUB：MOV A，R4 CPL ACC.7 MOV R4，A BADD：MOV A，R2 MOV C，ACC.7 MOV F0，C XRL A，R4 MOV C，ACC.7 MOV A，R2 CLR ACC.7 MOV R2，A MOV A，R4 CLR ACC.7 MOV R4，A JC JIAN JIA： MOV A，R3 ADD A，R5 MOV R7，A MOV A，R2 ADDC A，R4 MOV R6，A QWE： MOV C，F(xiàn)0 MOV ACC.7，C MOV R4，A RET JIAN： MOV A，R3 CLR C SUBB A，R5 MOV R7，A MOV A，R2 SUBB A，R4 MOV R6，A JNB ACC，7，QWE BMP： MOV A，R7 CPL A ADD A，#1 MOV R7，A MOV A，R6 CPL A ADDC A，#0 MOV R6，A CPL F0 SJMP QWE /**模擬實驗程序**/ ORG 0000H AJMP START ORG 0100H START:MOV R6,#10H LOOP1:MOV R5,#00H LOOP0:MOV A,R5 MOV DPTR,#TAB MOVC A,@A+DPTR CPL A MOV P2,A ACALL DELAY ACALL DECL LOOP2:INC R5 MOV A,R5 CJNE A,#08H,LOOP0 AJMP LOOP1 DELAY:MOV A,R6 MOV R4,A LP2: MOV R3,#080H LP1: MOV R2,#040H LP0: NOP DJNZ R2,LP0 DJNZ R3,LP1 DJNZ R4,LP2 RET DECL: DJNZ R6,LOOP2 MOV R6,#01H RET TAB: DB 01H DB 03H DB 02H DB 06H DB 04H DB 0CH DB 08H DB 09H END 4.4.4 步進電機步進一步程序流程圖 圖4-7 步進電機步進一步程序流程圖 DEF EQU 12H SJMP LP3 MOV DEF，#00H TAB： DB FEH XMOTOR1：JNE DIRX，#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 DEF，A LP4： MOV A，DEF DEC DEF 黑龍江東方學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 結(jié) 論 一種經(jīng)濟型數(shù)控機床的控制系統(tǒng)，包括機床伺服系統(tǒng)和對該伺服系統(tǒng)進行控制的ＰＬＣ；其特征在于，還包括通過通信接口與ＰＬＣ通信的觸摸屏，所述觸摸屏包括：－數(shù)據(jù)輸入模塊，用于輸入、修改被控參數(shù)的參數(shù)值和操作指令，讀取觸摸屏的操作界面；數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲輸入、輸出數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理計算模塊，用于對輸入、輸出參數(shù)數(shù)據(jù)進行處理、計算；包括輸入信號的編碼運算；輸出信號的解碼運算；所述ＰＬＣ包括：數(shù)據(jù)移位單元，用于根據(jù)操作指令分別把ＰＬＣ內(nèi)部高速記數(shù)脈沖值、數(shù)據(jù)存儲模塊數(shù)據(jù)值、控制代碼參數(shù)值實時移位到ＰＬＣ編程分配的數(shù)據(jù)塊中；－數(shù)據(jù)存儲單元，用于存儲移位單元傳遞來的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)檢測單元，用于實時檢測坐標軸的當(dāng)前運動狀態(tài)參數(shù)值，包括距離、速度值，以及控制方式參數(shù)值；數(shù)據(jù)比較單元，用于將檢測單元檢測到的坐標軸當(dāng)前運動狀態(tài)參數(shù)值、控制方式參數(shù)值與觸摸屏存儲模塊的設(shè)定值進行比較；數(shù)據(jù)計算單元，用于根據(jù)比較結(jié)果計算出控制信號的值，即記數(shù)脈沖的數(shù)量值；控制方式確定單元，用于根據(jù)