x-y數(shù)控工作臺課程設(shè)計--ｘ－ｙ數(shù)控工作臺設(shè)計

1、<p>　　機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計</p><p>　　課題名稱： Ｘ－Ｙ數(shù)控工作臺設(shè)計</p><p>　　學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化</p><p><b>　　設(shè)計成員：</b></p><p><b&g

2、t;　　指導(dǎo)老師：</b></p><p>　　日 期： 2011年3月7日 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、總體方案設(shè)計1</p><p><b>　　1.1設(shè)計任務(wù)1</b></p><p>　　1.2總體

3、方案確定1</p><p>　　1.2.1方案確定思想1</p><p>　　1.2.2 方案對比分析與確定2</p><p>　　1.2.3 總體方案系統(tǒng)組成3</p><p>　　二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計3</p><p>　　2.1 工作臺外形尺寸及重量估算3</p><p>　　2.

4、2 導(dǎo)軌參數(shù)確定4</p><p>　　2.3 滾珠絲桿的設(shè)計計算4</p><p>　　2.4步進(jìn)電動機(jī)減速箱設(shè)計5</p><p>　　2.5 步進(jìn)電機(jī)的選型與計算5</p><p>　　2.6 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計7</p><p>　　三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計8</p><p>　　

5、3.1 控制系統(tǒng)硬件組成8</p><p>　　3.2 控制系統(tǒng)硬件選型8</p><p>　　3.3 控制系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計10</p><p>　　3.4 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計11</p><p>　　3.4.1步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路11</p><p>　　3.4.2電磁鐵驅(qū)動電路12</p>&

6、lt;p>　　3.4.3電源轉(zhuǎn)換12</p><p>　　四、控制系統(tǒng)軟件13</p><p>　　4.1控制系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計13</p><p>　　4.2主流程設(shè)計13</p><p>　　4.3 INT0中斷服務(wù)流程14</p><p>　　4.4 INT1中斷服務(wù)流程圖16</p

7、><p>　　4.4.3 繪制圖弧程序流程圖20</p><p>　　4.4.4 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖26</p><p><b>　　五、總結(jié)27</b></p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　七、附錄28&

8、lt;/b></p><p><b>　　1、總體方案設(shè)計</b></p><p>　　1.1機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計的任務(wù)</p><p><b>　　主要技術(shù)指標(biāo)：</b></p><p>　　一定的規(guī)格要求（負(fù)載重量G=500N；臺面尺寸C×B×H=240×254&

9、#215;15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1=500×500×184mm；最大長度L=628mm；工作臺加工范圍X=250mm；Y=250mm；工作臺最快移動速度為1m/min；重復(fù)定位精度為±0.02mm，定位精度為±0.04mm；</p><p>　　設(shè)計具體要求完成以下工作：</p><p>　　（1）數(shù)控工作臺裝配圖（

10、1：1比例或0＃圖幅） 1張；</p><p>　?。?）數(shù)控系統(tǒng)電氣原理圖（2＃圖幅） 1張；</p><p>　?。?）設(shè)計說明書（10～20）頁 1本；</p><p>　　所有圖樣均采用CAD繪制打印，設(shè)計說明書按規(guī)定撰寫。</p><p>　　1.2 總體方案確定<

11、/p><p><b>　　方案擬定</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)，參照參考資料結(jié)合實際，初步設(shè)定如下三個總體方案：</p><p><b>　　方案一：</b></p><p><b>　　方案二：</b></p><p><b>　　

12、方案三：</b></p><p><b>　　2.方案比較</b></p><p>　　XY 工作臺系統(tǒng)可以設(shè)計為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)三種。開環(huán)的伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動, 系統(tǒng)沒有檢測裝置; 半閉環(huán)的伺服系統(tǒng)中一般采用交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動, 并在電機(jī)輸出軸安裝脈沖編碼器, 將速度反饋信號傳給控制單元; 閉環(huán)的伺服系統(tǒng)也是采用交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動

13、, 位置檢測裝置安裝在工作臺末端, 將位置反饋信號傳給控制單元。閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)價格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時其可控分辨率也很高，但在本次設(shè)計中，其位置精度（±0.02mm）要求不高，考慮到成本低，維修方便，工作穩(wěn)定等條件。選用步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)就可以滿足要求。其通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動, 經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)帶動工作臺運(yùn)動。</p><p><b>　　對比以上三種方案：</b></

14、p><p>　　PLC價格比較貴考慮成本不選。</p><p>　　直線滾動導(dǎo)軌副具有摩擦系數(shù)小，不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等特點。</p><p>　　滾珠絲杠副有如下特點：①傳動效率高②系統(tǒng)剛性好③傳動精度高④使用壽命長⑤運(yùn)動具有可逆性（既可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，又可將直線運(yùn)動變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動，且逆?zhèn)鲃有蕩缀跖c正傳動效率相同）⑥不會自鎖⑦可進(jìn)行預(yù)

15、緊和調(diào)隙。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡單、價格低、轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應(yīng)快、易起停，可滿足快速移動和精度要求。</p><p>　　同步帶減速：圓整脈沖當(dāng)量，放大輸出轉(zhuǎn)矩，安裝中心距精度要求較低。</p><p>　　無隙齒輪箱減速：可消除間隙，但設(shè)計和安裝精度高。</p><p>　　無減速裝置：結(jié)構(gòu)簡單，但輸出轉(zhuǎn)矩小，易受切削力影

16、響。</p><p>　　開環(huán)控制：簡單實用，但精度較半閉環(huán)和閉環(huán)低，不能檢測誤差，也不能校正誤差。</p><p>　　閉環(huán)控制：控制精度和抑制干擾的性能都比較差，而且對系統(tǒng)參數(shù)的變動很敏感。</p><p>　　所以方案三最合適為最佳方案</p><p><b>　　3.系統(tǒng)組成</b></p><

17、;p><b>　　機(jī)械系統(tǒng)組成</b></p><p>　　機(jī)械系統(tǒng)由兩個步進(jìn)電機(jī)；兩個無隙齒輪箱減速器；兩個滾珠絲杠以及兩個直線滾動導(dǎo)軌副作為主要的動力輸出、傳動以及機(jī)械控制部分，系統(tǒng)的組成還有其他一些機(jī)構(gòu)。</p><p><b>　　控制系統(tǒng)組成</b></p><p>　　控制系統(tǒng)由AT89S52型單片機(jī)、一

18、個2764存儲器作為外部程序存儲器、一個6264存儲器作為外部數(shù)據(jù)存儲器、并行I/O接口8255，8155、7407驅(qū)動顯示器、以及鍵盤接口電路、步進(jìn)電機(jī)接口電路和其他電源、限位開關(guān)等構(gòu)成。</p><p><b>　　2、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　2.1 工作臺外形尺寸及重量估算</p><p><b>　　工作臺面

19、尺寸：</b></p><p>　　長寬高（mm) 240×254×15</p><p>　　重量：按重量=體積×材料比重估算</p><p>　　240×254×15×10-3×7.8×10-2≈71.323 N</p><p>　　上導(dǎo)

20、軌座（連電機(jī)）重量：</p><p>　　254×500×(184-15)≈1674.114 N</p><p>　　夾具及工件重量：約150N </p><p>　　累計重量：1895 N</p><p>　　2.2 直線導(dǎo)軌副的計算與選型</p><p>　　1.滑塊承受工作載荷 Fmax

21、(單個滑塊所受最大垂直方向）</p><p>　　Fmax=F+G/4=973.75 N</p><p>　　查表3-41,初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG15,其額定載荷Ca=7.94 KN,額定靜載荷Coa=9.5 KN</p><p>　　任務(wù)書規(guī)定臺面尺寸240mm×254mm ，加工范圍 250mm×250mm ,由表3

22、-35選取導(dǎo)軌長度為520mm.</p><p>　　2.3 滾珠絲桿的設(shè)計計算</p><p>　　1.最大工作載荷Fm的計算</p><p>　　移動部件總重量1895N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)k1.1,滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)μ=0.005</p><p>　　2.最大動載荷FQ </p>&l

23、t;p>　　設(shè)工作臺最快進(jìn)給速度為1000mm/min,初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm</p><p>　　此時絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=200r/min</p><p>　　求滾球絲杠的使用壽命T=15000h，代入LO=60n T/106,得絲杠壽命系數(shù)LO=180（106r）</p><p>　　查表3-30，取載荷系數(shù)fW=1.2,滾道硬度為60HRC，取硬度系

24、數(shù)fH=1.0，代入</p><p><b>　　3.初選型號</b></p><p>　　根據(jù)計算出最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表3-31，選濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2505-4型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑25mm，導(dǎo)程5mm，循環(huán)滾珠為4圈×2列，精度等級取5級，額定動載荷大于FQ。 </p>&l

25、t;p>　　4.傳動效率η的計算</p><p>　　將公稱直徑do=25mm,導(dǎo)程Ph=5mm,代入，得絲杠螺旋升角λ=3°38‵，得傳動效率η=95.6%.</p><p><b>　　5.剛度的驗算</b></p><p>　?、臱-Y工作臺上兩層滾珠絲杠副的支承切采用一對推力角接觸球軸承，左右支承的中心距離為a=500m

26、m，鋼的彈性模量E=2.1×105MPa,查表3-31，得滾珠直徑Dw=3.175mm,絲杠底徑d2=21.2mm，絲杠截面積，根據(jù)，得在Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量δ1 =1.08×10-2mm </p><p>　　⑵根據(jù)公式 得單圈滾球數(shù)Z=20，該系列絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為4×2. 代入公式，得滾球總量Z∑=160，絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力FYJ=Fm/

27、3=535N, 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2=0.0013×Fm/（10× ）=1.278×10-3mm，因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，實際變形量可減少一半，取=6.388×10-4mm. </p><p>　?、墙z杠的總變形量，計算得絲杠的有效行程為250mm，由表3-27得，5級精度滾珠絲杠有效行程在≦315mm，行程偏差允許打到23μm,可見絲杠剛度足

28、夠。</p><p>　?、葔焊芊€(wěn)定性校核： 根據(jù)公式</p><p>　　計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk。查表，取支承系數(shù)=1，由絲杠底徑d2=21.2mm，求得截面慣性矩=9910.44mm4；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式 水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離取最大值500mm。代入</p><p>　　=27359.6N，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm，故絲杠不會失

29、穩(wěn)。</p><p>　　2.4步進(jìn)電動機(jī)減速箱設(shè)計</p><p>　　減速箱采用一級減速，大齒輪設(shè)計成雙片結(jié)構(gòu)，工作臺脈沖當(dāng)量δ=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph=5mm，初選步進(jìn)電動機(jī)的步距角=0.75°，減速比i=（Ph）/（360×δ）=25：12，大小齒輪模數(shù)都為1mm，齒數(shù)比75：36，材料為45號調(diào)制鋼，齒表面淬硬后達(dá)55HRC。減速箱中心距為（7

30、5+36）/2=55.5mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。</p><p>　　2.5 步進(jìn)電機(jī)的選型與計算</p><p>　　(1)計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq</p><p>　　滾珠公稱直徑d=25mm，總長L=500mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度ρ=7.8×10-3kg/cm3,移動部件總重量G=1895N，

31、小齒輪齒寬b1=20mm，直徑d1=36mm，大齒輪齒寬b2=10mm，直徑d2=75mm，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　Js=πLρd4/32=1.946kg·cm2，</p><p>　　托板折算到絲杠的轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　Jw=（Ph/2π）m=1.223kg·cm2，</p><p>　　小齒輪

32、的轉(zhuǎn)動慣量JZ1=0.259kg·cm2，大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量JZ2=4.877kg·cm2，初選步進(jìn)電動機(jī)型號90BYG2602,二相四拍，步距角0.75°，該型號的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=4kg·cm2。則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　Jeq=Jm+JZ1+（JZ2+Jw+Js）/i =6.113kg·cm2</p><p&

33、gt;　　(2)計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq</p><p>　　a、快速空載啟動，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=Tmax+Tf</p><p>　　Tmax=2πJeq/（60taη）=0.952 N·m</p><p>　　為對應(yīng)空載最快移動速度的步進(jìn)電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速</p><p>　　=α/360δ=41

34、6.7r/min</p><p>　　摩擦轉(zhuǎn)矩=μ(G+)=Ph/2πηi=5.173×10 N·m</p><p>　　快速空載啟動時的電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=Tmax+Tf=0.957N·m</p><p>　　b、最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2</p><p>　　Teq2

35、=Tt+Tf</p><p>　　Tt=FfPh/2πηi=0.79 N·m，Tf=5.173×10 N·m</p><p>　　則Teq2=Tf+Tt=0.795N·m</p><p>　　得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為</p><p>　　Teq=max{Teq1，Teq2}=0.95

36、7N·m</p><p>　　（3）步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定</p><p>　　考慮到步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能會造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此根據(jù)Teq來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，要考慮安全系數(shù)。此處安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：Tjmax≥4Teq=3.828N·m，而初選的步進(jìn)電動機(jī)型號90B

37、YG2602，Tjmax=6N·m，滿足要求。</p><p>　　（4）步進(jìn)電動機(jī)性能校核</p><p>　　a、電動機(jī)運(yùn)行頻率fmaxf=666.7HZ，從90BYG2602電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可得，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf=5.7N·m，遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩</p><p>　　Teq2=0.795N·m，滿足要求。&

38、lt;/p><p>　　b、最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核</p><p>　　工作臺最快空載移動速度vmax=1000mm/min，對應(yīng)的運(yùn)行頻fmax=3333.3HZ。此頻率下，電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tmax=4.6N·m,大于快速空載Teq1=0.957N·m。</p><p>　　c、最快空載移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核</p><

39、;p>　　與vmax=1000mm/min對應(yīng)的電動機(jī)fmax=3333.3HZ,而90BYG2602電動機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000HZ，可見沒超出上限。</p><p><b>　　d、起動頻率的計算</b></p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率：=/=1132HZ。</p><p>　　要保證步進(jìn)電動機(jī)起動時不失步

40、，任何時候的起動頻率都必須小于1132HZ。</p><p>　　綜上所述，采用90BYG2602步進(jìn)電動機(jī)時符合的。</p><p>　　2.6 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　我們采用一級齒輪減速箱實現(xiàn)電機(jī)到絲杠的速度傳 遞，</p><p>　　用套筒聯(lián)軸器連接減速箱齒輪軸和絲杠軸。</p><p>　　用

41、滾珠絲杠將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成工作臺的直線運(yùn)動。</p><p>　　3、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　3.1 控制系統(tǒng)硬件組成 </p><p>　　根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。其中數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。此次電路系統(tǒng)所設(shè)定方案包括以下幾個硬件部分：</p><p>

42、;　　(1) 主控制器，即中央處理單元CPU。方案采用MCS-51系列的8031單片機(jī)作為主控制器。</p><p>　　(2) 總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。</p><p>　　(3) 存儲器。包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。</p><p>　　(4) 接口。Ｉ/Ｏ（輸入/輸出）接口電路。</p><p>　　(5) 外圍設(shè)備。如

43、鍵盤，顯示器及光電輸入機(jī)等。</p><p>　　3.2 控制系統(tǒng)硬件選型</p><p>　?。?）單片機(jī)的選擇： </p><p>　　本課程設(shè)計目的是設(shè)計一種經(jīng)濟(jì)型的二坐標(biāo)數(shù)控工作臺，其功能比較簡單，成本低。因而這里選用MCS-51系列的8031單片機(jī)作為CPU，它具有良好的 性能價格比，且易擴(kuò)展。</p><p>　　8031所具

44、有的基本功能：</p><p>　　具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元</p><p><b>　　片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路</b></p><p>　　的片內(nèi)具有128字節(jié)RAM</p><p>　　具有21的特殊寄存器</p><p>　　可擴(kuò)展64Ｋ字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的程序存儲器<

45、/p><p>　　具有四個Ｉ/Ｏ口,32條Ｉ/Ｏ線</p><p>　　具有兩個16位定時器/計數(shù)器</p><p>　　具有五個中斷源，配備兩個中斷優(yōu)先級</p><p>　　具有一個全雙工串行接口</p><p>　　具有位尋址能力、適用于邏輯運(yùn)算</p><p>　?。?）外部程序和數(shù)據(jù)存儲器

46、的擴(kuò)展：</p><p>　　由于所選用的8031單片機(jī)為MCS-51系列單片機(jī)，其存儲器空間為64K字節(jié)，而8031單片機(jī)片內(nèi)沒有ROM，當(dāng)片內(nèi)存儲器容量不夠時，進(jìn)行存儲器的擴(kuò)展是必不可缺的。由于此次設(shè)計存儲容量不大，所以我們選擇價格低廉，性能可靠的2764芯片作為外部程序和數(shù)據(jù)存儲器。</p><p>　?。?）I/O口擴(kuò)展電路：</p><p>　　此次課程設(shè)

47、計因采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動裝置。為了降低成本，特采用可編程外圍并行接口芯片8155，使其完成驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的功能，同時采用可編程外圍并行接口芯片8255來完成與鍵盤/顯示器的接口操作功能。</p><p>　　8155和8255所能實現(xiàn)的功能：</p><p>　　① 并行輸入或輸出多位數(shù)據(jù)。</p><p>　　② 實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)鎖存和輸出數(shù)據(jù)緩沖。</p>

48、<p>　?、?提供多個通道接口聯(lián)絡(luò)控制信號。</p><p>　　④ 通過讀取狀態(tài)字可實現(xiàn)程序?qū)ν庠O(shè)的詢查。</p><p>　?。?）顯示器和鍵盤電路的接口設(shè)計：</p><p>　　電氣原理圖中，由8片共陽極LED顯示塊拼成8位LED顯示器。為了簡化硬件電路，采用動態(tài)顯示方式。即所有位的段選線相應(yīng)地并聯(lián)在一起，由8155的PA.0~PA.7口來控

49、制LED顯示器的段碼，而各位的位選線分別由相應(yīng)的I/O口線控制。即PC0~PC7、PB6~PB7共8個I/O口線控制，實現(xiàn)各位的分時選通。</p><p>　　鍵盤實質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合。電氣原理圖中采用矩陣式鍵盤接口，鍵盤接口電路通過8155（U5）的PA0~PA3和PC0~PC4、PB0~PB7構(gòu)成行、列線。按照逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)（即掃描）來確定閉合鍵的位置。</p><p>

50、　　（5）步進(jìn)電機(jī)的接口電路設(shè)計</p><p>　　對于此次課程設(shè)計中選用的步進(jìn)電機(jī)，為兩相，無論它工作在什么方式，都需要兩路控制電路，并且每一路對應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)的一相。而每一路控制電路的結(jié)構(gòu)是一樣的。而在電氣原理圖中通過8255（U5）的PA0~PA1分別控制X方向步進(jìn)電機(jī)的兩相。對于Y軸步進(jìn)電機(jī)通過8255的PA2~PA3分別控制Y方向步進(jìn)電機(jī)的兩相。</p><p>　　3.3 控制

51、系統(tǒng)硬件接口電路設(shè)計</p><p>　　3.4 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　傳動驅(qū)動部分包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、定位和退刀時能快速運(yùn)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(yùn)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。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路和工作原理<

52、;/p><p>　　步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺直線行進(jìn)0.01mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動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，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。</p><p>　　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(jī)轉(zhuǎn)動一步。電路中與

53、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(hù)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(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。</p><p>　　由于步進(jìn)電機(jī)采用的是二相四拍的工作方式，二相四拍為AB—Ab—ab—Ab—AB，其中A和a代表A相繞組正端和負(fù)端功率橋信號，其中B和b代表B相繞組正端和負(fù)端功率橋信號。</p>

54、<p><b>　　電磁鐵驅(qū)動電路</b></p><p>　　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(dá)林頓 管，因為驅(qū)動電磁鐵的電流比較大。 </p><p><b>　　電源轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　兩電機(jī)同時工作再加上

55、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(zhǔn)的27V電源作為基準(zhǔn)，通過芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V和5V電壓。</p><p>　　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。</p><p>　　

56、4.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p>　　對于MCS-51系列的8031單片機(jī)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 編譯軟件。該編譯器是51系列單片機(jī)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。</p><p>　　4.1 控制系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計</p><p><b>　　流程圖<

57、/b></p><p><b>　　4.2 主流程設(shè)計</b></p><p>　　CTL EQU 3FF8H ;8255地址</p><p>　　PA EQU 3FF9H</p><p>　　PB EQU 3FFAH</p><p>　　PC EQU

58、 3FFBH</p><p>　　CMD EQU 02H</p><p>　　ORG 0000H</p><p>　　AJMP MAIN</p><p>　　ORG 0003H</p><p>　　AJMP INT0IS ；外部中斷0入口</p><p>　　ORG

59、 000BH</p><p>　　AJMP TM0IS ；定時器0中斷入口</p><p>　　ORG 0013H</p><p>　　AJMP INT1IS ；外部中斷1入口</p><p>　　ORG 001BH</p><p>　　AJMP TM1IS ；定時器1中斷入口</p>

60、<p><b>　　ORG 0100H</b></p><p>　　MAIN：ANL P1，0EFH</p><p>　　SETB IT0 ；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā)</p><p><b>　　SETB IT1</b></p><p>　　MOV A，CTL</p&

61、gt;<p>　　MOV DPTR，A</p><p>　　MOVX @DPTR，CMD ； A口輸入，B口輸出，C口輸入</p><p>　　SETB EX0 ；允許外中斷0</p><p>　　SETB EX1 ；允許外中斷1</p><p><b>　　SETB PX0</b><

62、/p><p>　　SETB PX1 ；設(shè)置優(yōu)先級</p><p>　　SETB EA ；開總中斷</p><p>　　LOOP：AJMP LOOP ；等待中斷</p><p>　　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(jìn)入中斷0的中斷服務(wù)INT0IS，是中斷1則進(jìn)入中斷1的中斷服務(wù)INT1IS。</

63、p><p>　　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(jī)讀取PA口內(nèi)容，然后將結(jié)果反饋到PB口的LED上。</p><p>　　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(yùn)行，手動X負(fù)方向運(yùn)行，手動Y正方向運(yùn)行，手動Y負(fù)方向運(yùn)行，復(fù)位和繪制圓弧。</p><p>　　4.3 中斷服務(wù)流程設(shè)計</p><p>　　4.31

64、 INT0中斷服務(wù)流程圖</p><p>　　NT0IS：PUSH ACC</p><p>　　PUSH DPTL</p><p>　　PUSH DPTH</p><p><b>　　PUSH PSW</b></p><p><b>　　MOV A，PA</b>&l

65、t;/p><p>　　MOV DPTR，A</p><p>　　MOVX A，@DPTR ；讀PA口內(nèi)容</p><p>　　MOV R2，A</p><p>　　MOV A，PB</p><p>　　MOV DPTR,A</p><p>　　MOV @DPTR,R2；A口狀態(tài)

66、輸?shù)紹口LED燈</p><p>　　MOV A，R2</p><p>　　CPL A ；A取反</p><p>　　ANL A，#03H ；屏蔽高6位</p><p>　　JZ A，TM2C</p><p>　　SETB P1.0</p><p>

67、　　SETB P1.1</p><p>　　SETB P1.2</p><p>　　TM2C： MOV A，R2</p><p><b>　　CPL A</b></p><p>　　ANL A，#0CH</p><p>　　JZ A，RETIN</p><

68、p>　　SETB P1.3</p><p>　　SETB P1.4</p><p>　　SETB P1.5</p><p>　　RETIN：POP PSW</p><p>　　POP DPTH</p><p>　　POP DPTL</p><p><b>　　P

69、OP ACC</b></p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　4.32INT1中斷服務(wù)流程圖</p><p><b>　　中斷服務(wù)流程圖如下</b></p><p><b>　　圖4-3服務(wù)中斷圖</b></p><

70、p>　　INT1IS：CLR EX1 </p><p>　　PUSH ACC </p><p>　　PUSH PSW </p><p>　　PUSH DPTL

71、 </p><p>　　PUSH DPTH </p><p>　　CLR P1.6 </p><p>　　MOV A，PC </p><p>

72、;　　MOV DPTR，A </p><p>　　MOVX A，@DPTR；讀PC口內(nèi)容 </p><p>　　MOV R1，A </p><p>　　ANL R1，#0FH</p><p>　　MOV

73、A，PB</p><p>　　MOV DPTR，A</p><p>　　MOV A，@DPTR；讀PB口內(nèi)容</p><p>　　ANL A，#0FH</p><p><b>　　SWAP A</b></p><p>　　ORL A，R1</p><p>

74、　　MOV R2，A</p><p>　　MOV A，PB</p><p>　　MOV DPTR，A</p><p>　　MOVX @DPTR，R2；數(shù)據(jù)輸入PB口</p><p>　　INC DPTL</p><p>　　MOV A，@DPTR</p><p>　　JNB

75、 ACC.4，RST</p><p>　　JNB ACC.0，X+EN</p><p>　　JNB ACC.1，X-EN</p><p>　　JNB ACC.2，Y+EN</p><p>　　JNB ACC.3，Y-EN</p><p>　　JNB ACC.5，ARC</p>&l

76、t;p>　　LOOP1：POP DPTH</p><p>　　POP DPTL</p><p><b>　　POP PSW</b></p><p><b>　　POP ACC</b></p><p><b>　　SETB EX1</b></p>

77、;<p><b>　　RETI</b></p><p><b>　　4.4 軟件調(diào)試</b></p><p>　　4.4.1 復(fù)位程序流程圖 </p><p><b>　　圖4-4</b></p><p>　　DIRX EQU 30H</p>

78、;<p>　　DIRY EQU 31H</p><p>　　RST： CLR P1.6</p><p>　　RPA： MOV A，PA</p><p>　　MOV DPTR，A</p><p>　　MOVX A，@DPTR ；讀PA口內(nèi)容</p><p>　　JN

79、B ACC.0，ACC2</p><p>　　MOV DIRX，#00H ；表X電機(jī)反轉(zhuǎn)</p><p>　　ACALL XMOTOR0 ；X電機(jī)反轉(zhuǎn)一步</p><p>　　ACC2： JNB ACC.2，LOOP0</p><p>　　MOV DIRY，#00H ；表Y電機(jī)反轉(zhuǎn)</p>

80、;<p>　　ACALL YMOTOR0 ；Y電機(jī)反轉(zhuǎn)一步</p><p>　　AJMP RPA</p><p>　　LOOP0：AJMP LOOP1</p><p>　　4.2.2 X軸電機(jī)點動正轉(zhuǎn)程序流程圖 </p><p>　　圖4-2 正轉(zhuǎn)流程圖</p><p>　　X+EN

81、： CLR P1.6</p><p>　　MOV A，PA</p><p>　　MOV DPTR，A</p><p>　　MOVX A，@DPTR</p><p>　　JNB ACC.0，LOOP2</p><p>　　MOTOR0： MOV DIRX，#01H</p&g

82、t;<p>　　ACALL XMOTOR0</p><p>　　MOV A，PC</p><p>　　MOV DPTR，A</p><p>　　MOV A，@DPTR</p><p>　　JNB ACC.0，MOTOR0</p><p>　　LOOP2： AJMP LOO

83、P1</p><p>　　這是X軸電機(jī)點動正轉(zhuǎn)的程序，其他的X軸電機(jī)點動反轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點動正轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點動反轉(zhuǎn)依次類推。</p><p>　　4.4.3 繪制圖弧程序流程圖</p><p>　　圖4-6 逐點比較法畫圓弧</p><p>　　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

84、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(fù)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(bǔ)程序見附錄。</p><p>　　；/**圓弧插補(bǔ)程序**/</p><p>　　XL EQU 18H</p&

85、gt;<p>　　XH EQU 19H</p><p>　　YL EQU 28H</p><p>　　YH EQU 29H</p><p>　　YeL EQU 2AH</p><p>　　YeH EQU 2BH</p><p>　　FL EQU 2CH</p>&l

86、t;p>　　FH EQU 2DH</p><p>　　ARC： MOV XL #0E8H</p><p>　　MOV XH #03H</p><p>　　MOV YL #00H</p><p>　　MOV YH #00H</p><p>　　MOV YeL #0E8H</p>

87、<p>　　MOV YeH #03H</p><p>　　MOV FL #00H</p><p>　　MOV FH #00H</p><p>　　LP1： MOV A，F(xiàn)H</p><p>　　JNB ACC.7，X0；</p><p>　　LCALL YMOTOR1 ；+Y一步<

88、/p><p>　　MOV R2，YH</p><p>　　MOV R3，YL</p><p>　　MOV R4，YH</p><p>　　MOV R5，YL</p><p>　　ACALL BADD ；算Y+Y</p><p>　　MOV R2，F(xiàn)H</p><p&

89、gt;　　MOV R3，F(xiàn)L</p><p>　　MOV R4，R6</p><p>　　MOV R5，R7</p><p>　　ACALL BADD ； 算F+2Y</p><p><b>　　INC R7</b></p><p>　　MOV FH，R6</p>&

90、lt;p>　　MOV FL，R7</p><p><b>　　INC YL</b></p><p>　　CMP1：CJNE YH，#03H，LP1</p><p>　　CJNE YL，#0E8H，LP1</p><p>　　LJMP LOOP1</p><p>　　XO： ACA

91、LL XMOTOR0 ；-X一步</p><p>　　MOV R2，XH</p><p>　　MOV R3，XL</p><p>　　MOV R4，XH</p><p>　　MOV R5，XL</p><p>　　ACALL BADD ；算X+X</p><p>　　MO

92、V R2，F(xiàn)H</p><p>　　MOV R3，F(xiàn)L</p><p>　　MOV R4，R6</p><p>　　MOV R5，R7</p><p>　　ACALL BSUB ；算F-2X</p><p><b>　　INC R7</b></p><

93、p>　　MOV FH，R6</p><p>　　MOV FL，R7</p><p><b>　　DEC XL</b></p><p>　　AJMP CMP1</p><p>　??；/**帶符號加減法程序**/</p><p>　　BSUB： MOV A，R4</p&g

94、t;<p>　　CPL ACC.7</p><p>　　MOV R4，A</p><p>　　BADD： MOV A，R2</p><p>　　MOV C，ACC.7</p><p>　　MOV F0，C</p><p>　　XRL A，R4</p><p>

95、;　　MOV C，ACC.7</p><p>　　MOV A，R2</p><p>　　CLR ACC.7</p><p>　　MOV R2，A</p><p>　　MOV A，R4</p><p>　　CLR ACC.7</p><p>　　MOV R4，A<

96、/p><p>　　JC JIAN</p><p>　　JIA： MOV A，R3</p><p>　　ADD A，R5</p><p>　　MOV R7，A</p><p>　　MOV A，R2</p><p>　　ADDC A，R4</p><p>

97、;　　MOV R6，A</p><p>　　QWE： MOV C，F(xiàn)0</p><p>　　MOV ACC.7，C</p><p>　　MOV R4，A</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　JIAN： MOV A，R3</p><

98、;p><b>　　CLR C</b></p><p>　　SUBB A，R5</p><p>　　MOV R7，A</p><p>　　MOV A，R2</p><p>　　SUBB A，R4</p><p>　　MOV R6，A</p><

99、;p>　　JNB ACC，7，QWE</p><p>　　BMP： MOV A，R7</p><p><b>　　CPL A</b></p><p>　　ADD A，#1</p><p>　　MOV R7，A</p><p>　　MOV A，R6<

100、/p><p><b>　　CPL A</b></p><p>　　ADDC A，#0</p><p>　　MOV R6，A</p><p><b>　　CPL F0</b></p><p>　　SJMP QWE </p><p&g

101、t;　　/**模擬實驗程序**/</p><p>　　ORG 0000H</p><p>　　AJMP START</p><p>　　ORG 0100H</p><p>　　START:MOV R6,#10H</p><p>　　LOOP1:MOV R5,#00H</p><p>　　

102、LOOP0:MOV A,R5</p><p>　　MOV DPTR,#TAB</p><p>　　MOVC A,@A+DPTR</p><p><b>　　CPL A</b></p><p><b>　　MOV P2,A</b></p><p>　　ACALL DEL

103、AY</p><p>　　ACALL DECL</p><p>　　LOOP2:INC R5</p><p><b>　　MOV A,R5</b></p><p>　　CJNE A,#08H,LOOP0</p><p>　　AJMP LOOP1</p><p>　　D

104、ELAY:MOV A,R6</p><p><b>　　MOV R4,A</b></p><p>　　LP2: MOV R3,#080H</p><p>　　LP1: MOV R2,#040H</p><p><b>　　LP0: NOP</b></p><p>

105、;　　DJNZ R2,LP0</p><p>　　DJNZ R3,LP1</p><p>　　DJNZ R4,LP2</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　DECL: DJNZ R6,LOOP2</p><p>　　MOV R6,#01H</p><

106、p><b>　　RET</b></p><p>　　TAB: DB 01H</p><p><b>　　DB 03H</b></p><p><b>　　DB 02H</b></p><p><b>　　DB 06H</b></p>

107、<p><b>　　DB 04H</b></p><p><b>　　DB 0CH</b></p><p><b>　　DB 08H</b></p><p><b>　　DB 09H</b></p><p><b>　　END</

108、b></p><p>　　4.4.4 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖</p><p>　　圖4-7 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖</p><p>　　DEF EQU 12H </p><p>　　MOV DEF，#00H </p><

109、;p>　　XMOTOR1： JNE DIRX，#01H，XMOTOR0 </p><p>　　JNE DEF，#05H，LP2 </p><p>　　CLR DEF </p><p>　　LP2： MOV A，DEF

110、 </p><p>　　INC DEF </p><p>　　LP3： MOV DPTR，#TAB</p><p>　　MOVC A，@A+DPTR</p><p>　　ANL P1，A </p><p&

111、gt;　　ACALL DELAY</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　XMOTOR0： JNE DEF，#00H，LP4 </p><p>　　MOV A，#05H</p><p>　　MOV DEF，A</p><p>　　LP4：

112、 MOV A，DEF</p><p>　　DEC DEF</p><p>　　SJMP LP3</p><p>　　TAB： DB FEH</p><p><b>　　DB FCH</b></p><p><b>　　DB FDH&l

113、t;/b></p><p><b>　　DB F9H</b></p><p><b>　　DB FBH</b></p><p><b>　　DB FAH</b></p><p><b>　　5、總結(jié)</b></p><

114、p>　?。兀贁?shù)控工作臺設(shè)計是機(jī)電一體化課程學(xué)習(xí)之后的具體實踐，對我們的設(shè)計能力的鍛煉和提高幫助很大。</p><p>　　通過做這個具體的任務(wù)，我們對所學(xué)的絲桿螺母機(jī)構(gòu)，導(dǎo)軌，開閉環(huán)控制等知識有了更深入和直觀的認(rèn)識。具體的建模設(shè)計，讓我們有了設(shè)計的整體理念和全局觀。涉及方案的擬定方面，學(xué)習(xí)到方案設(shè)計不是一蹴而就的事情，我們需要多方面的查閱，做出幾種能解設(shè)計問題的方法，然后比較幾種方案的優(yōu)劣，擇優(yōu)而用，這樣

115、才會在既滿足要求又能經(jīng)濟(jì)簡單綜合效果方面做的很好。</p><p>　　此次課程設(shè)計也是一個很好的總結(jié)機(jī)會，讓我們把所學(xué)的制圖、設(shè)計等專業(yè)知識有了一個好的回顧和提高。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 濮良貴主編.機(jī)械設(shè)計.第七版.北京：高等教育出版社.2001</p><p>

116、　　[2] 吳宗澤主編.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊.第二版.北京高等教育出版社. 1999</p><p>　　[3] 樓應(yīng)侯、潘曉彬、鄭堤、崔玉國、胡利永等編.機(jī)械電子工程專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書</p><p>　　[4] 陳秀寧主編.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ).第二版.浙江大學(xué)出版社.</p><p>　　[5] 李慶祥，王東生，等．現(xiàn)代精密儀器設(shè)計[M]．北京：清華大學(xué)出版社，200

117、4.1—138.</p><p>　　[6] 劉文信，孫學(xué)禮．機(jī)床數(shù)控技術(shù)［Ｍ］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995．17~19</p><p>　　[7] 南京工藝裝備制造廠 精密滾動導(dǎo)軌副產(chǎn)品說明書</p><p>　　[8] 南京工藝裝備制造廠 精密滾珠絲杠副產(chǎn)品說明書</p><p>　　[9] 鄭堤，唐可洪主編．機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ)．機(jī)械

118、工業(yè)出版社</p><p>　　[10] 高鐘毓，王永梁．機(jī)電控制工程［Ｍ］．北京：清華大學(xué)出版社，1994．79一85</p><p><b>　　七、附錄</b></p><p>　　1．X-Y工作臺機(jī)械裝配圖</p><p>　　2．X-Y工作臺零部件圖（3張）</p><p>　　3．控制