二維工作臺課程設(shè)計【優(yōu)秀】講解

1、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計報告設(shè)計題目： 學(xué) 院： 姓 名： 班級（學(xué)號）： 指導(dǎo)老師： 時 間： 2013年6月 目錄一、總體方案設(shè)計11.1、設(shè)計任務(wù)11.2、總體方案確定1二、工作臺的尺寸及其重量的初步確定4 2.1、 工作臺（X向托板）4 2.2、 工作臺（Y向托板）4 2.3、上導(dǎo)軌座（連電機）重量4三、滾動導(dǎo)軌的計算與選擇53.1、滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選取53.2、導(dǎo)軌的壽命計算53.3、導(dǎo)軌額定動負(fù)載的核算6四、滾珠絲杠的設(shè)計計算及選擇64.1、滾珠絲杠最大工作載荷的計算6 4.2、滾珠絲杠靜載荷的計算7 4.3、滾珠絲杠動載荷的計算74.4、絲杠型號的確定84.5

2、、絲杠壓桿穩(wěn)定性核算84.6、絲杠剛度的驗算9五、電機的計算與選擇105.1、電機步距角的計算105.2、負(fù)載慣量的計算105.3、負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算115.4、步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的計算12 5.5、步進電動機的確定135.6、步進電動機的性能校核13六、聯(lián)軸器的選擇146.1、聯(lián)軸器的介紹146.2、聯(lián)軸器的選擇14七、軸承的選擇15八、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計15九、控制系統(tǒng)的設(shè)計21十、參考文獻28一、總體方案設(shè)計1.1 設(shè)計任務(wù)題目：CNC二維工作平臺的設(shè)計任務(wù)：設(shè)計兩軸聯(lián)動的數(shù)控X-Y運動平臺，完成機械系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計與相應(yīng)軟件編程，根據(jù)試驗條件進行調(diào)試，完成整個開發(fā)系統(tǒng)；一人一題，其主

3、要技術(shù)指標(biāo)如下：1） 工作臺負(fù)載重量；2） 工作臺面尺寸為；3） 底座外形尺寸為；4） 加工范圍；5） 工作臺最大移動速度；6） X,Y方向的定位精度為；7） X,Y方向的脈沖單量為.1.2 總體方案確定 1.2.1方案確定思想該工作臺設(shè)計主要分為機械系統(tǒng)部件和控制系統(tǒng)部件，其中機械系統(tǒng)部件主要包括導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機和檢測裝置等，控制系統(tǒng)部件則包括CPU控制電路、電源設(shè)計電路、輸入信號電路、輸出信號電路、步進電機驅(qū)動控制電路等。因X向和Y向機械結(jié)構(gòu)基本相同，故只繪制X向機械系統(tǒng)部分的結(jié)構(gòu)簡圖，如下：考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，應(yīng)盡可能采用簡潔輕便的結(jié)構(gòu)設(shè)計和廉價實用的可選

4、材料，符合綠色環(huán)保的現(xiàn)代機械設(shè)計理念，由此來確定最終方案。1.2.2 方案的確定綜合考慮設(shè)計任務(wù)和方案確定思想，因系統(tǒng)定位精度和最快移動速度相對并不是很高，故選用性能較好而性價比較高的混合式步進電動機已經(jīng)足夠；為了避免爬行現(xiàn)象，同時節(jié)約生產(chǎn)成本，且因該設(shè)計載荷較低，故選用直線滾動導(dǎo)軌副；滑動絲杠副在低速或微調(diào)時可能產(chǎn)生爬行顯現(xiàn)，且為了能夠滿足的定位精度，故選用滾珠絲杠副；控制系統(tǒng)選用AT89C51單片機，足以滿足設(shè)計要求且較為廉價；由于本設(shè)計中要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，且依靠步進電動機和滾珠絲杠副已經(jīng)可以達到所需的脈沖當(dāng)量，因此可以不使用減速箱。1.2.3 總體方案系統(tǒng)組成（1）機械系統(tǒng)組成1）導(dǎo)軌副

5、的選用該設(shè)計課題中所要求的二維工作臺，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副。它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。2） 絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，選用滾珠絲杠副。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。3） 減速裝置的選用選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。但本設(shè)計中要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，且依靠步進電動機和滾珠絲杠副已經(jīng)可以達到

6、所需的脈沖當(dāng)量，因此不使用減速箱。4） 伺服電動機的選用任務(wù)書規(guī)定的X,Y方向定位精度為，由此可以取脈沖當(dāng)量為，則其定位精度未達到微米級，最快移動速度也只要求為。因此，只需要選用性能較好的步進電動機即可，故在本設(shè)計中選用混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。5） 檢測裝置的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉(zhuǎn)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進電動機的步距角相匹配?？紤]到X

7、、Y兩個方向的加工范圍相差不大，承受的工作載荷也相差不大，為了減少設(shè)計工作量，X、Y兩個坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。（2）控制系統(tǒng)組成1）設(shè)計的二維工作臺要求可直接應(yīng)用于小型鉆、銑床，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89C51作為控制系統(tǒng)的CPU，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。3）鑒于此系統(tǒng)只考慮步進電機的控制，CPU的自身資源已經(jīng)足夠，不需要外部引入其它接口擴展電路。考慮控制電路與輸出信號電平不一致以

8、及減少干擾等因素，在輸入和輸出信號之間加入光電耦合器組成信號輸入輸出電路。4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。（3）系統(tǒng)總體框圖根據(jù)已確定的總體方案繪制系統(tǒng)總體框圖如下：計算及說明結(jié)果二、工作臺的尺寸及其重量的初步確定根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖根據(jù)設(shè)計要求，最大工件重量350N，初定工作臺的。工作臺的材料為號鋼，其密度為，（取）。工作臺簡圖2.1、 工作臺（X向托板）2.2、 工作臺（Y向托板）取Y向托板=X向托板 2.3、上導(dǎo)軌座（連電機）重量 初步取導(dǎo)軌座的長，寬為，高為，但導(dǎo)軌座中間有一大空缺，空缺部分大約22023032mm3。因此所以根據(jù)上面所求，得XY工作臺運動部

9、分的總重量為：另外，還有絲杠、電機、聯(lián)軸器等，大約3kg，因此： 根據(jù)要求所知，其負(fù)載為，計算及說明三、滾動導(dǎo)軌的計算與選擇 3.1滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本設(shè)計中的CNC二維工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。則每個滑塊所受的工作載荷為： 其中移動部件重量，最大外加載荷，故得到每個滑塊所受的工作載荷。查山東博特精工股份有限公司表1，根據(jù)工作載荷，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為系列的型，直線滾動導(dǎo)軌副的有關(guān)參數(shù)見下表：3.2導(dǎo)軌的壽命計算式中： ：行程長度，；：每分鐘往返次數(shù)。根據(jù)設(shè)計要求其壽命要在5年以上，一年300天，一

10、天16小時，開機率為80%；假設(shè)每分鐘走6個行程，則計算及說明結(jié)果3.3導(dǎo)軌額定動負(fù)載的核算式中：溫度系數(shù)，查機電一體化技術(shù)手冊表3-47，??；：接觸系數(shù)，查機電一體化技術(shù)手冊表3-48，；：精度系數(shù)，查機電一體化技術(shù)手冊表3-49，；：載荷系數(shù)，查機電一體化技術(shù)手冊表3-50，fw=1.2；：計算載荷，N；：導(dǎo)軌的壽命，。所以：根據(jù)初選的直線滾動導(dǎo)軌副型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷為，所選用的導(dǎo)軌額定動載荷比要求額定動載荷要大。綜上所述，初選的直線滾動導(dǎo)軌副滿足使用要求。四、滾珠絲杠的設(shè)計計算及選擇4.1滾珠絲杠最大工作載荷的計算根據(jù)任務(wù)書要求不考慮工作臺受到的銑削力，即=

11、0，受到垂直載荷。已知移動部件總重量，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)取=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷為：計算及說明結(jié)果4.2滾珠絲杠靜載荷的計算式中： ：載荷系數(shù)，取1.1 ：硬度系數(shù)，取1.0 ：精度系數(shù)，取1.0 ：絲杠工作時的軸向阻力因此：4.3、滾珠絲杠動載荷的計算式中： ：載荷系數(shù)（平穩(wěn)或輕度沖擊時為1.01.2，取載荷系數(shù)=1.2）：硬度系數(shù)（滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)=1.0）：滾珠絲桿壽命系數(shù) ，（其中T為使用壽命時間）滾珠絲桿壽命系數(shù)公式：取滾珠絲杠的使用壽命，初選絲杠螺距，因題目中所給其工作臺快進的速度為，得絲杠轉(zhuǎn)速式中的絲杠的最高轉(zhuǎn)

12、速為：所以滾珠絲桿壽命系數(shù)：根據(jù)絲杠動載荷公式： 計算及說明結(jié)果4.4、絲杠型號的確定根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查山東博特精工股份有限公司表2，選擇CM系列2006-2.5型滾珠絲杠副，根據(jù)表3可知為外循環(huán)插管埋入式單螺母，精度等級取4級，額定動載荷為9219 N，大于；額定靜載荷為18358N，大于，滿足要求，滾珠絲杠副的有關(guān)參數(shù)見下表：4.5、絲杠壓桿穩(wěn)定性核算式中 ：實際承受載荷的能力，N； ：壓桿穩(wěn)定的支承系數(shù)，單推單推式取1；：鋼的彈性模量，；：滾珠絲桿底徑的抗彎截面慣性矩，；：壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，絲杠臥式安裝取。取絲杠的有效長度是400mm所選用的絲杠實際承受載荷的能力

13、比要求承受載荷的能力要大，所以合格。計算及說明結(jié)果4.6、絲杠剛度的驗算滾珠絲杠在軸向力的作用下，將產(chǎn)生伸長或縮短，在扭矩的作用下將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)而影響絲杠導(dǎo)程的變化，從而影響傳動精度及定位精度，故應(yīng)驗算滿載時的變形量。其驗算公式如下：滾珠絲杠在工作負(fù)載F和扭矩T共同作用下，所引起的每一導(dǎo)程的變形量為：式中 ：鋼的彈性模量，；：絲杠的最小截面積，；：扭矩，；：絲杠底徑的抗彎截面慣性矩；“+”號用于拉伸時，“”號用于壓縮時。按最不利的情況考慮，螺紋螺距因軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向是一致的，所以 式中：所以：每米螺紋度上的螺紋距離彈性變形為 ,滿足絲杠4級精度要求。綜上所述，初選的滾珠

14、絲杠副滿足使用要求。計算及說明結(jié)果五、電機的計算與選擇步進電機傳動控制系統(tǒng)框圖它用電脈沖控制，每輸入一個脈沖電機就移進一步，可以改變脈沖頻率在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可以點動，也可以連續(xù)動，可正轉(zhuǎn)也可反轉(zhuǎn)，停機時有自鎖能力，它的步距角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境影響，僅與脈沖頻率有關(guān)。 由于電機與絲杠間直接用聯(lián)軸器連接，所以傳動鏈效率取0.9，滾球未加預(yù)緊力時的效率0取0.93；鉆床在X、Y軸進給方向是沒有切削力的，所以沒有切削力矩。5.1、電機步距角的計算式中：脈沖當(dāng)量，：絲杠導(dǎo)程，所以：，所以初選步進電機步距角。5.2、負(fù)載慣量的計算絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：工作臺的轉(zhuǎn)動慣量： 計算及

15、說明結(jié)果工件負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量：空載時步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量：切削時步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量：5.3、負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算空載加速力矩： 切削加速力矩：摩擦力矩： 附加摩擦力矩：最大切削力矩： （因本設(shè)計不考慮工作臺受到的銑削力，因此折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0）5.3.1快速空載起動時轉(zhuǎn)矩的計算快速空載起動時電動機轉(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時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加擦轉(zhuǎn)矩擦轉(zhuǎn)矩Mo。計算及說明結(jié)果所以：；5.3.2最大切削負(fù)載時轉(zhuǎn)矩的計算最大切

16、削負(fù)載時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括四部分：；一部分是快速切削起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩。所以：5.3.3快速進給時轉(zhuǎn)矩的計算快速進給時電機所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括兩部分：一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。所以：綜上所述得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：5.4步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的計算考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降

17、低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：計算及說明結(jié)果5.5步進電動機的確定根據(jù)步進電機初選的步距角和計算出的最大靜轉(zhuǎn)矩，查金壇市四海電機電器廠表3，選擇系列的永磁感應(yīng)子式二相四拍步進電機，靜轉(zhuǎn)矩為，大于，滿足要求，電機的有關(guān)參數(shù)見下表： 5.6步進電動機的性能校核5.6.1最快移動速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺最快移動速度，脈沖當(dāng)量，則可求出電動機對應(yīng)的運行頻率。電動機的運行矩頻特性曲線圖如下在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩為大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求5.6.2最快

18、移動時電動機運行頻率校核與最快移動速度=1500mm/min對應(yīng)的電動機運行頻率=1667Hz。查得電動機的空載極限運行頻率最小為15000Hz，可見沒有超出上限，滿足要求。計算及說明結(jié)果5.6.3起動頻率的計算已知電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，查得電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的最高起動頻率，則可以求出步進電動機克服慣性負(fù)載的起動頻率：上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于，滿足要求。綜上所述，本例中工作臺的進給傳動選用步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。六、聯(lián)軸器的選擇6.1、聯(lián)軸器的介紹聯(lián)軸器屬于機械能用零件范疇，用來聯(lián)接不同機構(gòu)中的兩根軸（主動軸和

19、從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖，減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。6.2、聯(lián)軸器的選擇 因為上述所選的電機的轉(zhuǎn)動軸的直徑為19mm，絲杠公稱直徑為20mm，且為了隔離振動和沖擊，因此我所選的聯(lián)軸器為：彈性套柱銷聯(lián)軸器LT3，有關(guān)參數(shù)見下表：公稱轉(zhuǎn)矩許用轉(zhuǎn)速孔軸直徑質(zhì)量轉(zhuǎn)動慣量20mm,22mm2.2kg轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)大于切削時步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，許用轉(zhuǎn)速也符合各工況下的轉(zhuǎn)速。綜上所述，所選的聯(lián)軸器滿足使用要求。七、軸承的選擇根據(jù)滾珠絲桿的公稱直徑20mm，額定動載荷和額定靜載荷以及絲桿所承受

20、的最大載荷和軸承所承受的最大載荷，查機械零件設(shè)計手冊，以確定所選軸承的型號。所選的軸承為深溝球軸承6004，有關(guān)參數(shù)見下表：基本尺寸安裝尺寸基本額定載荷極限轉(zhuǎn)速軸承代號dDBminminmaxmax動載荷靜載荷脂潤滑油潤滑6000mmmmKNr/min2042110.62537069.385021500019000八、控制系統(tǒng)硬件設(shè)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(shè)計時，應(yīng)注意幾點：電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價低、可維護性、人機交互界面可操作性比較好。8.1、CPU板8.1.1 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

21、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)核計算及說明結(jié)果的單片機的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中

22、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AT89C51，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。AT89C51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

23、32個。8.1.2 、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：CPU外部接口示意圖AT89C51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。計算及說明結(jié)果由于AT89C51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AT89

24、C51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。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

25、+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)。多電源中斷觸發(fā)圖計算及說明結(jié)果8.2 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。8.2.1 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

26、沖當(dāng)量為，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.015mm。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。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-

27、BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)）計算及說明結(jié)果8.2.2 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。電磁鐵驅(qū)動電路8.2.3 電源設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的27V電源作為基準(zhǔn),通過芯片進行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V和5V電壓。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

28、用。此外，在具體應(yīng)用的過程中，LM7805必須加上散熱片。電源轉(zhuǎn)換電路圖計算及說明結(jié)果8.3 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(zhǔn)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(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

29、手動使工作臺向X軸負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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)。人機界面圖計算及說明結(jié)果九、控制系統(tǒng)的設(shè)計9.1、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

30、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。9.2、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 ；定時器0中斷入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中斷1入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定時器1中斷入口ORG 010

31、0HMAIN：ANL P1，0EFHSETB IT0 ；外中斷負(fù)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 ；等待中斷計算及說明結(jié)果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

32、，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(fù)方向運行，手動Y正方向運行，手動Y負(fù)方向運行，復(fù)位和繪制圓弧。9.3、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.

33、2TM2C： MOV A，R2 CPL A ANL A，#0CH JZ A，RETIN SETB P1.3圖4-2 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI計算及說明結(jié)果9.4、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 J

34、NB ACC.5，ARC MOV DPTR，A LOOP1：POP DPTH MOVX A，DPTR；讀PC口內(nèi)容 POP 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 DPTL計算及說明結(jié)果9.4.1 、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，#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 R