数控技术毕业设计（论文）-X-Y工作台控制设计（数控铣床） .doc

I 论论文文 题目： X-Y 工作台控制设计（数控铣床） 院 系 专 业 班 级 学 号 姓 名 导 师 II 毕业设计毕业设计 论文论文 任务书任务书 姓名： 班号： 院系： 学号： 同组姓名：无 指导教师： 一、设计题目：一、设计题目： X-Y 工作台控制设计（数控铣床） 二、课题简介二、课题简介 当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广 泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化 系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感 测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技 术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域 综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的 CNC 系统这类典型机电一体化产品正 朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 三、课题的任务和要求三、课题的任务和要求 （1）系统的运动方式与伺服系统 由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用 增量坐标控制。考虑到定位精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电 机开环伺服系统驱动 X-Y 工作台。 （2）计算机系统 本设计采用了与 MCS-51 系列兼容的 AT89S51 单片机控制系统。它的主要特 点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。 控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O 接口、光电偶合电路、步进电机、电 磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED 显示数控工作台的状态。 （3）X-Y 工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。 为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。 由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双 V 形滚珠导轨。采用滚珠 导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小 III 振 摘摘 要要 当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广 泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化 系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感 测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技 术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域 综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的 CNC 系统这类典型机电一体化产品 正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 关键字关键字：数控技术 机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趋势 IV Abstract Now the 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 base 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 technology, 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 generation's CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high 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. V 目目 录录 摘 要 I ABSTRACT.IV 第 1 章 前言1 第 2 章 总体方案设计4 2.1 设计任务4 2.2 总体方案确定4 第 3 章 机械系统设计6 3.1 工作台外形尺寸及重量估算6 3.2 滚动导轨的参数确定6 3.3 滚珠丝杠的设计计算7 3.4 步进电机的选用9 3.5 确定齿轮传动比10 3.6 确定齿轮模数及有关尺寸11 3.7 步进电机惯性负载的计算11 第 4 章 控制系统硬件设计13 4.1 CPU 板.13 4.2 驱动系统15 4.3 传感器和人机界面17 第 5 章 控制系统软件设计19 5.1 总体方案19 5.2 主流程图19 5.3 INT0 中断服务流程图20 5.4 INT1 中断服务流程图21 致 谢26 参考文献27 1 第第 1 章章 前言前言 当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现 状。 在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我 国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了 发展我国数控技术及装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数 控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备, 又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动 和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制 造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 （一）数控技术的发展趋势。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业 化的象征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一 些重要行业 IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世 界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面: (1)高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提 高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情 况来看 ,高速加工中心进给速度可达 80m/ min ,甚至更高 ,空运行速度可达 100m/ min 左右。目前世界上许多汽车厂 ,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经 采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级数控机床的加工精度已由 10m 提高到 5m ,精密级加工中心则 从 35m ,提 高到 11.5m 并且超精密加工精度已开始进入纳米级 0.1m 。为了实现高速、高精加工 ,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机 得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。 (2)5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 , 不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结 构复杂等原因 ,其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较 大 ,制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动 加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价 2 格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面加工机床 的发展。 (3)智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系 统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适 应控制 ,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈 控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系 统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开 发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 ,通过改变、增加或剪裁 结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成 到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明 个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运 行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化 将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制 造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网 络化方向发展的趋势。 （二）对我国数控技术及其产业发展的基本估计 我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段： 第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技 术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的 “六五” 、 “七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立 起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境 和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得 了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产 业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别 是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。 （三）对我国数控技术和产业化发展的战略思考 (1)战略考虑 我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所 以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安 全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生 活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定;其次从国防安全看 , 西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 3 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。 (2)发展策略 从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导 向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 , 选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化 发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。 强调市场需求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、 铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动 数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、 高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没有规模就不 会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然 ,没 有规模中国的数控装备最终难有出头之日。 4 第第 2 章章 总体方案设计总体方案设计 2.1 设计任务设计任务 设计一个数控 X-Y 工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加 工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位 精度为 0.025mm。 设计参数如下：负载重量 G=150N；台面尺寸 C×B×H145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸 C1×B1×H1210mm×220mm×140mm；最大长度 L=388mm；工作台加工范围 X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为 1m/min。 2.2 总体方案确定总体方案确定 （1）系统的运动方式与伺服系统 由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用 增量坐标控制。考虑到定位精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电 机开环伺服系统驱动 X-Y 工作台。 （2）计算机系统 本设计采用了与 MCS-51 系列兼容的 AT89S51 单片机控制系统。它的主要特 点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。 控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O 接口、光电偶合电路、步进电机、电 磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED 显示数控工作台的状态。 （3）X-Y 工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。 为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。 由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双 V 形滚珠导轨。采用滚 珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小 振动。 考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿 5 轮降速传动。 图 2-1 系统总体框图 6 第第 3 章章 机械系统设计机械系统设计 3.1 工作台外形尺寸及重量估算工作台外形尺寸及重量估算 X 向拖板（上拖板）尺寸： 长 宽 高 145×160×50 重量：按重量=体积×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：约 90N。 上导轨座（连电机）重量： 223 (220 140382 1558 )7.8 10101.1 10107 ()N 夹具及工件重量：约 150N 。 X-Y 工作台运动部分的总重量：约 287N。 3.2 滚动导轨的参数确定滚动导轨的参数确定 、导轨型式：圆形截面滚珠导轨 、导轨长度 上导轨（X 向） 取动导轨长度 100 B l 动导轨行程 55l 支承导轨长度 155 B Lll 下导轨（Y 向） 50l 100 B l 150L 选择导轨的型号：GTA16 、直线滚动轴承的选型 上导轨 240() X GN 下导轨 7 287() Y GN 由于本系统负载相对较小，查表后得出 LM10UUOP 型直线滚动轴承的额定动载 荷为 370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择 LM16UUOP 型直线 滚动轴承。并采用双排两列 4 个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。 、滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大 的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力 相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等， 变形不一致，使工作台倾斜 角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若 工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还 可能出现波浪形） ，影响导轨的精度。 3.3 滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削 时的情况计算。 、最大动负载 Q 的计算 3 H QL f f P 查表得系数，寿命值1f1 H f 6 60 10 nT L 查表得使用寿命时间 T=15000h，初选丝杠螺距 t=4mm，得丝杠转速 max 10001000 1 250( /min) 4 V nr t 所以 6 60250 15000 225 10 L X 向丝杠牵引力 1.414 xx Pf G 当 ()f当 当量摩擦系数 1.4140.01 2403.39()N Y 向丝杠牵引力 1.414 1.4140.01 2874.06() yy Pf G N 当 所以最大动负荷 8 X 向 3 225 1 1 3.3920.6() x QN Y 向 3 225 1 1 4.0624.7() y QN 查表，取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副的型号为 0 10dmm SFK1004，其额定动载荷为 390N，足够用。 、滚珠丝杠螺母副几何参数计算，见表 3-1。 表 3-1 滚珠丝杠螺母副几何参数 名 称符 号计算公式和结果 公称直径 0 d10 螺距t4 接触角45 钢球直径 q d2 螺纹滚道法面半径R0.521.04 q Rd 偏心距e/2 sin0.03 q eRd 螺纹滚道 螺纹升角 0 arc7.26 t tg d 螺杆外径d 0 0.2 0.259.5 q ddd 螺杆内径 l d 0 227.98 l ddeR螺杆 螺杆接触直径 z d 0 cos8.59 zq ddd 螺母螺纹外径D 0 2212.02DdeR 螺母螺母内径（外循环） 1 D 10 0.2 0.25510.5 q Ddd 、传动效率计算 7.26 0.973 ()(7.260.2 ) tgtg tgtg 式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。 、刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 P 引起的导程的变化量 0 L 0 1 PL L EF A Y 向所受牵引力大，故应用 Y 向参数计算 24.7()PN 0 0.4()Lcm 62 20.6 10 (/)EN cm材料为钢 9 2 22 0.798 3.140.5 2 FRcm 所以 6 1 6 24.70.5 1.2 10 () 20.6 100.5 Lcm A 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。 2 LA 所以导程总误差 6 0 100100 1.2 103/ 0.4 Lm m L A A 查表知 E 级精度的丝杠允许误差，故刚度足够。15 m 、稳定性验算 由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。 3.4 步进电机的选用步进电机的选用 、步进电机的步距角b 取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。0.01/ p mm step1.5 b 、步进电机启动力矩的计算 设步进电机等效负载力矩为 T，负载力为 P，根据能量守恒原理，电机所做的 功与负载力做功有如下关系 TPs 式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。s 若取 ，则，且，所以 b p s S PPG 36 () 2 pS b PG TN cm A 式中： 移动部件负载（N） ；G移动部件重量（N） ； 与重量方 S P z P 向一致的作用在移动部件上的负载力（N） ； 导轨摩擦系数；步进 b 电机步距角， （rad） ；T电机轴负载力矩（）N cmA 本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数） ，为丝杠牵0.030.96 S P 引力，。考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取24.7 sH PPN 10 ，所以287 y GGN 360.01 24.70.03287 1.33() 21.50.96 TN cm A 若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩 0.3 0.5 q T T 取安全系数为 0.3，则 1.33 4.42 0.3 q TN cmA 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 max 5.1 0.866 q j T TN cmA 、步进电机的最高工作频率 max max 10001000 1 1667() 6060 0.01 p V fHz 查表选用两个 45BF005-型步进电机。电机的有关参数见表 2-2。 表 3-2 步进电机参数 主要技术数据 外形尺寸()mm 型 号步 距 角 最 大静 转距 N cmA 最高空 载启动 频率 ( )/step s 相 数 电压 ( )V 电流 ( )A 外径长度轴径 重量 ()N 45BF005- 1 5 19.630003272. 5 4558411 3.5 确定齿轮传动比确定齿轮传动比 因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量1.5 b 4tmm ，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比0.01/ p mm step 1 2 360 0.01 360 0.6 1.54 p b Z i Zt 11 选 ， 。 1 17Z 2 28Z 3.6 确定齿轮模数及有关尺寸确定齿轮模数及有关尺寸 因传递的扭距较小，取模数，齿轮有关尺寸见表 3-3。1mmm 3.7 步进电机惯性负载的计算步进电机惯性负载的计算 表 3-3 齿轮尺寸 Z1728 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 根据等效转动惯量的计算公式，得 2 2 1 0123 2 180 p d b Z JJJJJM Z 式中： 折算到电机轴上的惯性负载（） ； 步进电机转轴 d J 2 kg cmA 0 J 的转动惯量（） ；齿轮 的转动惯量（） ；齿轮 的 2 kg cmA 1 J 2 kg cmA 2 J 转动惯量（） ；滚珠丝杠的转动惯量（） ；M移动部件质 2 kg cmA 3 J 2 kg cmA 量（） 。kg 对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算 342 0.78 10JD L kg cm A 式中：D圆柱零件直径（cm） ；L零件长度（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 12 3432 3 0.78 10153.9 10Jkg cm A 电机轴转动惯量很小，可以忽略，则 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 因为，所以惯性匹配比较符合要求。 10.4 0.3191 41.274 d M J J 13 第第 4 章章 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 X-Y 数控工作台控制系统硬件主要包括 CPU、传动驱动、传感器、人机交互 界面。 硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维 护性、人机交互界面可操作性比较好。 4.1 CPU 板板 4.1.1 CPU 的选择的选择 随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机 的型号很多，而目前市场上应用 MCS-51 芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目 前应用最广的 8 位单片机 89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。 在一些复杂的系统中就不得不考虑使用 16 位单片机，MCS-96 系列单片机广 泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运 算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。 从要设计的系统来看，选用较老的 8051 单片机需要拓展程序存储器和数据 存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的 16 位 MCS-96 又显得过于浪费。 生产基于 51 为内核的单片机的厂家有 Intel、ATMEL、Simens，其中在 CMOS 器 件生产领域 ATMEL 公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL 公司的 AT89 系列单片机内含 Flash 存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序 修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和 80C51 插座兼容，并且采用静态时钟 方式可以节省电能。 因此硬件 CPU 选用 AT89S51，AT 表示 ATMEL 公司的产品，9 表示内含 Flash 存储器，S 表示含有串行下载 Flash 存储器。 AT89S51 的性能参数为：Flash 存储器容量为 4KB、16 位定时器 2 个、中断 源 6 个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断 0、外部中断 1、定时器 0 和定时 器 1 中断） 、RAM 为 128B、14 位的计数器 WDT、I/O 口共有 32 个。 4.1.2 CPU 接口设计接口设计 CPU 接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图 如下所示： 14 （行程开关） 前向通道 传动驱动 （电磁铁） （步进电机） 人机界面 传感 器 AT89S51 （键盘、LED） 后向通道 图 4-1 CPU 外部接口示意图 AT89S51 要完成的任务： （1）将行程开关的状态读入 CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。 （2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。 （3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反 应到 LED 上，实现人机交互作用。 由于 AT89S51 只有 P1 口和 P3 口是准双向口，但 P3 口主要以第二功能为主， 并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行 I/O 扩展。考虑到电路的简 便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的 8155，所以 AT89S51 的 I/O 口 线分配如下： （1）P1.0-P1.5 控制 X-Y 两个方向步进电机的 A、B、C 线圈通电，形成 A- AB-B-BC-C-CA-A 三相六拍正转模式和 A-AC-C-CB-B-BA-A 的反转模式。 （2）P1.6 口输出控制电磁铁的吸合。 （3）P3.2 和 P3.3 两个中断源中 INT0 优先级最高，它读入行程开关的状态并 触发中断；INT1 读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。 （4）P0.0-P0.7 外部 I/O 扩展的数据读取。 （5）P2.7 和 P2.6 决定 8155 的 PA、PB、PC 口的地址。 15 P1.0-P1.2驱动 1X 步进电机 驱动 2Y 步进电机P1.3-P1.5 P1.6驱动 3 P3.2外部中断 1 P3.3外部中断 2 P0.0-P0.7AD0AD7 P2.7CE P2.6IO/M PB 口 PA 口 PC 口 AT89S51 键盘 电磁铁 8155 图 4-2 AT89S51 控制系统图 PB 口接 LED 反映当前运行的 8 个状态：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、 手动 X+运行、手动 X-运行、手动 Y+运行、手动 Y-运行。 PA 口低四位反映触发中断 1 的 4 个行程开关的状态。 PC 口低 6 位反映了触发中断 2 的手动 X+运行、手动 X-运行、手动 Y+运行、 手动 Y-运行、复位（RST） 、圆弧插补 6 个开关的状态。 4.2 驱动系统驱动系统 传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、 定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并 以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力 使笔尖压下。 4.2.1 步进电机驱动电路和工作原理步进电机驱动电路和工作原理 步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量 为 0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进 0.01mm。 步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护 CPU 的 作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在 CPU 上使其烧坏。 16 图 4-3 步进电机驱动电路图 该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当 A 相得电时，电动机转 动一步。电路中与绕组并联的二极管 D 起到续流作用，即在功放管截止是，使储 存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组 W 串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热 厉害被烧坏。 由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈 A、B、C） ，其正转 的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA- A。 步进时钟 A 相波形 B 相波形 C 相波形 图 4-4 三相六拍工作方式时相电压波形（正转） 4.2.2 电磁铁驱动电路电磁铁驱动电路 该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是 达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。 17 图 4-5 电磁铁驱动电路 4.2.3 电源设计电源设计 两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电 源。此系统中用到的电源电压为 27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就 采用了标准的 27V 电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的 12V 和 5V 电压。 图 4-6 电源转换电路图 电路中在转换芯片的前后有两个电容，前面电容起防止自激作用，后面电容起滤波 作用。此外，在具体应用的过程中，LM7805 必须加上散热片。 18 4.3 传感器和人机界面传感器和人机界面 由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。因此， 必须在 X、Y 轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个：（1）防 止工作台超过最大行程，使电机损坏（2）可以用与定位。所以这 4 个行程开关就 充当了传感器。 人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面 简洁明了。此系统中共有 9 个 LED，LED1 灯亮表示 X 轴负方向禁止通行，LED2 灯亮表示 X 轴正方向禁止通行，LED3 灯亮表示 Y 轴负方向禁止通行，LED4 灯亮 表示 Y 轴正方向禁止通行，LED5 灯亮表示手动使工作台向 X 轴负方向通行， LED6 灯亮表示手动使工作台向 X 轴正方向通行，LED7 灯亮表示手动使工作台向 Y 轴负方向通行，LED8 灯亮表示手动使工作台向 Y 轴正方向通行，LED9 亮表示 系统通电运行。 界面上的 7 个按扭意义为：按扭 1 是通断电开关，按扭 2 是向 X 轴负方向运 行的点动开关，按扭 3 是向 X 轴正方向运行的点动开关，按扭 4 是向 Y 轴负方向 运行的点动开关，按扭 5 是向 Y 轴正方向运行的点动开关，按扭 6 是复位开关， 按扭 7 是执行绘制圆弧开关。 图 4-7 人机界面图 19 第第 5 章章 控制系统软件设计控制系统软件设计 5.1 总体方案总体方案 对于 AT89S51 的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。 编译器采用 Keil 7.02b。该编译器是 51 系列单片机程序设计的常用工具，既可 用汇编，也支持 C 语言编译。同时具有完善的调试功能。 5.2 主流程图主流程图 CTL EQU 3FF8H PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAH PC EQU 3FFBH CMD EQU 02H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INT0IS ；外部中断 0 入口 ORG 000BH AJMP TM0IS ；定时器 0 中断入口 ORG 0013H AJMP INT1IS ；外部中断 1 入口 ORG 001BH AJMP TM1IS ；定时器 1 中断入口 ORG 0100H MAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中断负跳沿触发 图 5-1 SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX DPTR，CMD ；A 口输入，B 口输出，C 口输入 SETB EX0 ；允许外中断 0 SETB EX1 ；允许外中断 1 SETB PX0 SETB PX1 ；设置优先级 SETB EA ；开总中断 LOOP：AJMP LOOP ；等待中断 上电复位 P1.6=0，吸合电磁铁，绘笔抬起 外部中断，8155 初始化 开外部中断，开总中断 等待中断 20 在等待中断的过程中，如果有中断到来，先检查中断 0 的状态，是中断 0 则进 入中断 0 的中断服务 INT0IS，是中断 1 则进入中断 1 的中断服务 INT1IS。 中断服务 0 是由 4 个行程开关触发的，它触发后通过单片机读取 PA 口内容， 然后将结果反馈到 PB 口的 LED 上。 中断服务 1 有 6 个中断源，这六个中断源分别是手动 X 正方向运行，手动 X 负方向运行，手动 Y 正方向运行，手动 Y 负方向运行，复位和绘制圆弧。 5.3 INT0 中断服务流程图中断服务流程图 INT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL PUSH DPTH PUSH PSW MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；读 PA 口内容 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 图 5-2 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP