机电一体化毕业设计（论文）数控XY工作台及其控制系统

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1、 I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 IIAbstractNow the w

2、orld 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

3、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 technolo

4、gy, 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 generations CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high p

5、erformance, 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. III目目 录录摘 要 .IABSTRACT.II第 1 章 前言.1第 2 章 总体方案

6、设计.42.1 设计任务.42.2 总体方案确定.4第 3 章 机械系统设计.63.1 工作台外形尺寸及重量估算.63.2 滚动导轨的参数确定.63.3 滚珠丝杠的设计计算.73.4 步进电机的选用.93.5 确定齿轮传动比.103.6 确定齿轮模数及有关尺寸.113.7 步进电机惯性负载的计算.11第 4 章 控制系统硬件设计.134.1 CPU 板.134.2 驱动系统.154.3 传感器和人机界面.17第 5 章 控制系统软件设计.195.1 总体方案.195.2 主流程图.195.3 INT0 中断服务流程图.205.4 INT1 中断服务流程图.21致 谢.26参考文献.27 1第第

7、 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

8、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

9、 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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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CBH145mm160mm12mm；底座外形尺寸C1B1H1210m

16、m220mm140mm；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

17、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

18、向拖板（上拖板）尺寸：长 宽 高 14516050重量：按重量=体积材料比重估算N32145 16050 107.8 1090Y 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 100Bl 动导轨行程 55l 支承导轨长度 155BLll 下导轨（Y 向） 50l 100Bl 150L 选择

19、导轨的型号：GTA16 、直线滚动轴承的选型上导轨240()XGN下导轨 7287()YGN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

20、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3HQL f f P查表得系数，寿命值1f1Hf66010nTL 查表得使用寿命时间 T=15000h，初选丝杠螺距 t=4mm，得丝杠转速max10001000 1250( /min)4Vnrt所以 660250 1500022510LX 向丝杠牵引力 1.414xxPf G当()f当 当量摩擦系数1.4140.01 240

21、3.39()NY 向丝杠牵引力1.4141.4140.01 2874.06()yyPf GN当所以最大动负荷 8X 向 3225 1 1 3.3920.6()xQN Y 向 3225 1 1 4.0624.7()yQN 查表，取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副的型号为 010dmmSFK1004，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0d10螺距t4接触角45钢球直径qd2螺纹滚道法面半径R0.521.04qRd偏心距e/2 sin0.03qeRd螺纹滚道螺纹升角0arc7.26t

22、tgd螺杆外径d00.2 0.259.5qddd螺杆内径ld0227.98lddeR螺杆螺杆接触直径zd0cos8.59zqddd螺母螺纹外径D02212.02DdeR螺母螺母内径（外循环）1D100.2 0.25510.5qDdd、传动效率计算7.260.973()(7.260.2 )tgtgtgtg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0L01PLLEF Y 向所受牵引力大，故应用 Y 向参数计算 24.7()PN00.4()Lcm 6220.6 10 (/)EN cm材料为钢 92220.7983.140.52FRcm所以 61624.70.51

23、.2 10 ()20.6 100.5Lcm 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。2L所以导程总误差601001001.2 103/0.4Lm mL 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/pmm step1.5b、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

24、bpsSPPG36()2pSbPGTN cm 式中： 移动部件负载（N） ；G移动部件重量（N） ； 与重量方SPzP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 cm本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数） ，为丝杠牵0.030.96SP引力，。考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取24.7sHPPN 10，所以287yGGN360.01 24.70.032871.33()21.50.96TN cm若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩0.3 0.5qTT 取安全系数为 0.3，则 1.334.420.3qTN c

25、m对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 max5.10.866qjTTN cm、步进电机的最高工作频率maxmax10001000 11667()6060 0.01pVfHz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 cm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()N45BF005-1519.630003272.545584113.5 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1.5b4tmm，在传动系统中应加一对

26、齿轮降速传动。齿轮传动比0.01/pmm step123600.01 3600.61.54pbZiZt 11选 ， 。117Z 228Z 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。1mmm3.7 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 Z1728171914.55 283025.55dmZ mm2addm mm2 1.25fddm mm 36bm mm122ddamm17.5根据等效转动惯量的计算公式，得22101232180pdbZJJJJJMZ式中： 折算到电机轴上的惯性负载（） ； 步进电机转轴dJ2

27、kg cm0J的转动惯量（） ；齿轮 的转动惯量（） ；齿轮 的2kg cm1J2kg cm2J转动惯量（） ；滚珠丝杠的转动惯量（） ；M移动部件质2kg cm3J2kg cm量（） 。kg对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算3420.78 10JD L kg cm式中：D圆柱零件直径（cm） ；L零件长度（cm） 。所以343210.78 101.70.53.26 10Jkg cm343220.78 102.80.523.9 10Jkg cm 12343230.78 10153.9 10Jkg cm电机轴转动惯量很小，可以忽略，则233173.26 1023.93.91028dJ252

28、0.001250.4 103.141.5180kg m因为，所以惯性匹配比较符合要求。10.40.319141.274dMJJ 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

29、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

30、 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

31、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

32、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）P

33、2.7 和 P2.6 决定 8155 的 PA、PB、PC 口的地址。 15P1.0-P1.2驱动 1X 步进电机驱动 2Y 步进电机P1.3-P1.5P1.6驱动 3P3.2外部中断 1P3.3外部中断 2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 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

34、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

35、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-

36、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

37、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。 184.3 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

38、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

39、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 3FF8HPA EQU 3FF9HPB EQU 3FFAHPC EQU 3FFBHCMD EQU 02HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INT0IS ；外部中断 0 入口ORG 000BHAJMP TM0I

40、S ；定时器 0 中断入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中断 1 入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定时器 1 中断入口ORG 0100HMAIN：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

41、，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

42、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 P1.2TM2C： 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 DPTL POP

43、 ACC RETI 215.4 INT1 中断服务流程图中断服务流程图图 5-3INT1IS：CLR EX1 JNB ACC.1，X-ENPUSH 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；读 PC 口内容 SETB EX1 MOV R1，A RETI ANL R1，#0FH MOV A，PB MOV DPTR，A MOV

44、A，DPTR；读 PB 口内容 ANL A，#0FH SWAP A ORL A，R1 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR，A MOVX DPTR，R2；数据输入 PB 口 22 INC DPTL MOV A，DPTR JNB ACC.4，RST JNB ACC.0，X+ENDIRX EQU 30H DIRY EQU 31H5.4.1 复位程序流程图复位程序流程图 图 5-4RST： CLR P1.6RPA： MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；读 PA 口内容 JNB ACC.0，ACC2 MOV DIRX，#00H ；表 X 电机反转 ACAL

45、L XMOTOR0 ；X 电机反转一步ACC2： JNB ACC.2，LOOP0 MOV DIRY，#00H ；表 Y 电机反转 ACALL YMOTOR0 ；Y 电机反转一步 AJMP RPALOOP0：AJMP LOOP1 235.4.2 X 轴电机点动正转程序流程图轴电机点动正转程序流程图图 5-5X+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，MOTOR0LO

46、OP2： AJMP LOOP1DEF EQU 12H SJMP LP3MOV DEF，#00H TAB： DB FEH这是 X 轴电机点动正转的程序，其他的 X 轴电机点动反转、Y 轴电机点动正转、Y 轴电机点动反转依次类推。 245.4.3 绘制圆弧程序流程图绘制圆弧程序流程图 图 5-6 逐点比较法画圆弧 逐点比较法原理：假设所画圆弧在第一象限，圆心坐标为（0，0） ，圆弧上点的坐标为（X，Y） ，圆弧半径为 R，每一点的坐标偏差为 F=X*X+Y*Y-R*R，若F0，应沿 X 轴负方向走一步，此时 FX=（X-1）*（X-1）+Y*Y-R*R=F-2X+1，X=X-1；若 F0，应沿 Y

47、 轴正方向走一步，此时 FY=X*X+（Y-1）*（Y-1）-R*R=F+2Y+1，Y=Y+1。 （圆弧插补程序见附录） 255.4.4 步进电机步进一步程序流程图步进电机步进一步程序流程图 图 5-7 步进电机步进一步程序流程图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 FAHLP3： MOV DPTR，#TAB MOVC A，A+DPTR ANL P1，A ACALL DELAY RETXMOTOR0：JNE DEF，

48、#00H，LP4 MOV A，#05H MOV DEF，ALP4： MOV A，DEF DEC DEF 26致致 谢谢经过一个多月的毕业设计忙碌之后，设计最终完成，心理有一种说不出的轻松，设计过程中遇到许多的问题，在众多师友的帮助下予以解决。首先要感谢张老师对我的指导和督促，张老师给我指出了正确的设计方向，使我加深了对知识的理解,同时也避免了在设计过程中少走弯路，张老师的督促使我一直把毕业设计放在心理，保证按质按量的完成；要感谢宿舍同学，是大家营造了良好的学习环境，在做设计的过程中互帮互助，还要感谢那些把相关书籍借阅的同学，使我可以非常方便的查阅资料，让我能够按时完成毕业设计。大学生活至此划上

49、了圆满的句号，大学这块土地上有众多莘莘学子辛勤的耕耘，在这块土地上我健康快乐的成长，我永远不会忘记可亲的同学，可敬的老师，我永远记得这片土地。 27参考文献参考文献 1 王爱玲，白恩远，赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,2001 2 李广弟,朱月秀，王秀山.单片机基础.北京航空航天大学出版社,20013 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,20024 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,20025 李建勇.机电一体化技术.科学出版社.20046 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.清华大学出版社,20037 徐灏.机械设计手册（3）.机械工业出版社,20038 徐灏等.机械设计手册M.北京:机械工业出版社,20009 濮良贵 ,记名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,200310 吴振彪.机电综合设计指导M.湛江:湛江海洋大学,199911.杨入清.现代机械设计系统与结构M.上海:上海科学技术文献出版社,200012 .付承云. 数控功能部件选用指导手册.机械工业出版社,2011