綜合課程設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)組號(hào)： 9 機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 學(xué) 院: 信息工程學(xué)院班 級(jí)：機(jī)械三班設(shè) 計(jì) 者：屠昊杰指導(dǎo)老師：李沛同完成日期：2015年11月5日 目錄一、總體方案設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)任務(wù)2 總體方案確定2、 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 工作臺(tái)外形尺寸及重量估算2 直線導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型4 步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1 CPU的選擇2 CPU接口設(shè)計(jì)3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理5 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路6 電源設(shè)計(jì)7 本章小節(jié)四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1 總體方案2 主流程圖3 INT0中斷服務(wù)流程圖4 INT1中斷服務(wù)

2、流程圖5 復(fù)位程序流程圖6 X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖7 繪制圓弧程序流程圖8 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖五、附錄一、總體方案設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控X-Y工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)。該工作臺(tái)可用于銑床上坐標(biāo)孔的加工和臘摸、塑料、鋁合金零件的二維曲線加工，重復(fù)定位精度為0.02mm，定位精度為0.04mm。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：負(fù)載重量G=1500N；臺(tái)面尺寸CBH240mm254mm15mm；底座外形尺寸C1B1H1550mm450mm184mm；最大長(zhǎng)度L=678mm；工作臺(tái)加工范圍X=300mm，Y=200mm；工作臺(tái)最大快移速度為1m/min。2 總體方案確定（1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)由于工件在

3、移動(dòng)的過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行切削，故應(yīng)用點(diǎn)位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)X-Y工作臺(tái)。（2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進(jìn)電機(jī)、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(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺(tái)的狀態(tài)。（3）X-Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。由

4、于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙V形滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)。考慮電機(jī)步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。 系統(tǒng)總體框圖二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、工作臺(tái)外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：長(zhǎng)寬高 24025450重量：按重量=體積材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 24025450 重量：上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量：夾具及工件重量：約500N 。X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約856N。2、直線導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 （1）、滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 單滑塊所承受的最

5、大垂直方向載荷為： 查表3-41，根據(jù)工作載荷，故初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG15型，其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷。上述導(dǎo)軌硬度為60HRC，工作溫度不超過(guò)100C，根據(jù)導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4。任務(wù)書(shū)規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為240mm254mm，加工范圍為300mm200mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為600mm。 （2）、距離額定壽命L的計(jì)算 查表3-36和表3-40，分別取硬度系數(shù)，溫度系數(shù)，接觸系數(shù)，精度系數(shù)，載荷系數(shù),代入上述公式得： 遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。 3、滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 （1）最大工

6、作載荷的計(jì)算工作臺(tái)收到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）,受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）,受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）。已知移動(dòng)部件總重量，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因素，球的滾珠絲杠副的最大工作載荷：（2） 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度，初選絲杠導(dǎo)程，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速：。 取滾珠絲杠的使用壽命，代入,得絲杠壽命系數(shù)（單位為：）查表3-30，取動(dòng)載荷系數(shù)，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)，代入下列式中，求得最大動(dòng)載荷： （3）初選型號(hào)根據(jù)最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表3-31，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有

7、限公司生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循固定反向單螺母式，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N，大于，滿足要求。 （4）傳動(dòng)效率的計(jì)算 ，導(dǎo)程，代入下式：將摩擦角代入下式：（5） 剛度計(jì)算1）X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式，見(jiàn)書(shū)后插頁(yè)圖6-23.絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1105Mpa；查表3-31，得滾珠直徑，絲杠底徑，絲杠截面面積。拉/壓變形量2） 根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=20，該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠圈數(shù)

8、列數(shù)為31，代入公式：=Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60.絲杠預(yù)緊力。可求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減少一半，取=0.0003mm。3）絲杠的有效行程為330mm，由表3-27知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315-400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25，可見(jiàn)絲杠剛度足夠（6） 壓桿穩(wěn)定性校核 查表3-34，取支承系數(shù)，帶入下式：壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝），代入下式：遠(yuǎn)大于工作載荷171N，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。綜上所述，初選滾珠絲杠副滿足使用要求。4、 步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用已知滾珠絲杠的導(dǎo)程為5mm，初選步進(jìn)電機(jī)的步距角0.75

9、，減速比25/12。本設(shè)計(jì)選用常州市新月電機(jī)有限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75：36，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒面淬硬后達(dá)55HRC.減速箱中心距為55.5mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。5、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型（1）計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長(zhǎng)l=500mm，導(dǎo)程，材料密度，移動(dòng)部件總重力G=865N，小齒輪寬度b1=2mm，直徑d1=36mm，大齒輪寬度b2=20mm，直徑d2=75mm，傳動(dòng)比i=25/12。如表4-1所示，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣

10、量小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為90BYG2602，為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為0.75，從表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。則加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：（2） 計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。 1）快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括三部分：一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩，一部分是移動(dòng)不禁暗運(yùn)動(dòng)史折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，還有一部分時(shí)滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，相對(duì)于和很小，則有：考慮傳動(dòng)鏈

11、的總效率，計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：式中 -對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min； -步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。其中：式中 -空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書(shū)指定為1000mm/mim； -步進(jìn)電機(jī)步距角，雨軒電動(dòng)機(jī)為0.75； -脈沖當(dāng)量，本例。將以上各值代入式子中，可得設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間，傳動(dòng)鏈總效率。則由此可得：移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：式中 -導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005； -垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0； -傳動(dòng)鏈總效率，取0.7.由此可得出：可求得快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承

12、受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩,相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)，則有=+其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算，已知沿著絲桿軸線方向的最大進(jìn)給載荷，則有：計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（）情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：因此可以求得最大工作服在狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后得到加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： （3）步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到

13、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受到電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：上述初選的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為90BYG2602，由表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，可見(jiàn)滿足要求。 （4）步進(jìn)電機(jī)的性能校核 1）最快工進(jìn)速度時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)面最快工進(jìn)速度，脈沖當(dāng)量，求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線圖6-24可以看出，再次頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載，滿足要求。3）起動(dòng)頻率計(jì)算一直電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)

14、慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率（查表4-5）。則可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)客服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：上述說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何頻率都必須小雨614Hz，實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率更低，通常只有100Hz。綜上所述，90BYG2602步進(jìn)電機(jī)符合要求。 三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)、傳感器、人機(jī)交互界面。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意幾點(diǎn)：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價(jià)低、可維護(hù)性、人機(jī)交互界面可操作性比較好。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(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號(hào)很多，而目

15、前市場(chǎng)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(jī)89C51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)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(jī)，MCS-96系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)，它具有較強(qiáng)的運(yùn)算和擴(kuò)展能力。但是定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價(jià)比。從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)看，選用較老的8051單片機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無(wú)疑提高了設(shè)計(jì)價(jià)格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過(guò)于浪費(fèi)。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機(jī)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

16、技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)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(shí)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(chǔ)器，S表示含有串行下載Flash存儲(chǔ)器。AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲(chǔ)器容量為4KB、16位定時(shí)器2個(gè)、中斷源6個(gè)（看門(mén)狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時(shí)器0和定時(shí)器1中斷）、RAM為128B、14位的計(jì)數(shù)器WDT、I/O口共有32個(gè)。2 CPU接口設(shè)計(jì)CPU接口部分包括傳感

17、器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示： CPU外部接口示意圖AT89S51要完成的任務(wù)：（1）將行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)讀入CPU，通過(guò)中斷進(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。（2）通過(guò)程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)和電磁鐵的運(yùn)行。（3）接受鍵盤(pán)中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)和鍵盤(pán)狀態(tài)反應(yīng)到LED上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。由于AT89S51只有P1口和P3口是準(zhǔn)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(jìn)行I/O擴(kuò)展?？紤]到電路的簡(jiǎn)便性和可實(shí)現(xiàn)性，實(shí)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(gè)方向

18、步進(jìn)電機(jī)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(gè)中斷源中INT0優(yōu)先級(jí)最高，它讀入行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀入點(diǎn)動(dòng)、復(fù)位、圓弧插補(bǔ)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。（4）P0.0-P0.7外部I/O擴(kuò)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。 AT89S51控制系統(tǒng)圖PB口接LED反映當(dāng)前運(yùn)行的8個(gè)狀態(tài)：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手動(dòng)X+運(yùn)行、手動(dòng)X-運(yùn)行、手動(dòng)Y+運(yùn)行、手動(dòng)Y-運(yùn)行。PA口低四位反映觸

19、發(fā)中斷1的4個(gè)行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。PC口低6位反映了觸發(fā)中斷2的手動(dòng)X+運(yùn)行、手動(dòng)X-運(yùn)行、手動(dòng)Y+運(yùn)行、手動(dòng)Y-運(yùn)行、復(fù)位（RST）、圓弧插補(bǔ)6個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、定位和退刀時(shí)能快速運(yùn)行、工作時(shí)能帶動(dòng)工作臺(tái)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(shí)電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時(shí)能及時(shí)釋放磁力使筆尖壓下。4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線行進(jìn)0.01mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電偶合器，它具有

20、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(shí)，不會(huì)將大的電壓加在CPU上使其燒壞。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖該電路中的功放電路是一個(gè)單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǔ)存在繞組中的能量通過(guò)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(guò)繞組的電流不至超過(guò)額定值，以免電動(dòng)機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（三個(gè)線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AC-C-CB-B-BA-A。 5 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路 該

21、驅(qū)動(dòng)電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對(duì)簡(jiǎn)單。其光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電磁鐵的電流比較大。 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路6 電源設(shè)計(jì)兩電機(jī)同時(shí)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(zhǔn)的27V電源作為基準(zhǔn)，通過(guò)芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V和5V電壓。 電源轉(zhuǎn)換電路圖電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個(gè)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(guò)程中，LM7805必須加上散熱片。7 傳感器和人機(jī)界面 由于步進(jìn)電機(jī)不需要反饋電路，但是要注意工作臺(tái)不能超過(guò)最大行程。

22、因此，必須在X、Y軸的方向各加上兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)。這里行程開(kāi)關(guān)作用有兩個(gè)：（1）防止工作臺(tái)超過(guò)最大行程，使電機(jī)損壞（2）可以用與定位。所以這4個(gè)行程開(kāi)關(guān)就充當(dāng)了傳感器。人機(jī)界面設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則就是要有良好的人機(jī)交互能力，一般要求操作簡(jiǎn)便，界面簡(jiǎn)潔明了。此系統(tǒng)中共有9個(gè)LED，LED1燈亮表示X軸負(fù)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(fù)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(dòng)使工作臺(tái)向X軸負(fù)方向通行，LED6燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向X軸正方向通行，LED7燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向Y軸負(fù)方向通行，LED8燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向Y軸正方向通行，LED

23、9亮表示系統(tǒng)通電運(yùn)行。界面上的7個(gè)按扭意義為：按扭1是通斷電開(kāi)關(guān)，按扭2是向X軸負(fù)方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，按扭3是向X軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，按扭4是向Y軸負(fù)方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，按扭5是向Y軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，按扭6是復(fù)位開(kāi)關(guān)，按扭7是執(zhí)行繪制圓弧開(kāi)關(guān)。人機(jī)界面圖8 本章小節(jié)本章著重介紹了數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。CPU板介紹了CPU的選擇及其外圍的接口設(shè)計(jì)和控制流程；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹了步進(jìn)電機(jī)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；此外還敘述了人機(jī)界面各個(gè)按扭和LED的意義。四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1 總體方案對(duì)于AT89S51的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)現(xiàn)的功能較簡(jiǎn)單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil 7.02b

24、。該編譯器是51系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的常用工具，既可用匯編，也支持C語(yǔ)言編譯。同時(shí)具有完善的調(diào)試功能。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(shí)器0中斷入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中斷1入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定時(shí)器1中斷入口ORG 0100HMAIN： ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā) SETB

25、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(jí) ETB EA ；開(kāi)總中斷 LOOP：AJMP LOOP ；等待中斷在等待中斷的過(guò)程中，如果有中斷到來(lái)，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。中斷服務(wù)0是由4個(gè)行程開(kāi)關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過(guò)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。中斷服務(wù)1有6個(gè)中斷源，這六個(gè)中斷源分別是手動(dòng)X正方向運(yùn)

26、行，手動(dòng)X負(fù)方向運(yùn)行，手動(dòng)Y正方向運(yùn)行，手動(dòng)Y負(fù)方向運(yùn)行，復(fù)位和繪制圓弧。3 INT0中斷服務(wù)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 A，RETIN SET

27、B P1.3 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI4 INT1中斷服務(wù)流程圖INT1IS：CLR EX1 MOV A，DPTR PUSH ACC JNB ACC.4，RSTPUSH PSW JNB ACC.0，X+EN PUSH DPTL JNB ACC.1，X-EN PUSH DPTH JNB ACC.2，Y+EN CLR P1.6 JNB ACC.3，Y-EN MOV A，PC JNB ACC.5，ARC MOV DPTR，A LOOP1： POP DPTH MOVX A，DPTR；讀PC口內(nèi)容 P

28、OP DPTL MOV R1，A POP PSW ANL R1，#0FH POP ACC MOV A，PB SETB EX1 MOV DPTR，A RETI 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 DPTL5 復(fù)位程序流程圖 DIRX EQU 30H DIRY EQU 31HRST： CLR P1.6RPA： MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；讀PA口內(nèi)容 JNB ACC.0，ACC2 MOV DIRX，#

29、00H ；表X電機(jī)反轉(zhuǎn) ACALL XMOTOR0 ；X電機(jī)反轉(zhuǎn)一步ACC2： JNB ACC.2，LOOP0 MOV DIRY，#00H ；表Y電機(jī)反轉(zhuǎn) ACALL YMOTOR0 ；Y電機(jī)反轉(zhuǎn)一步 AJMP RPALOOP0：AJMP LOOP16 X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)程序流程圖X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1這是X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)的程序，其他的X軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)、Y