機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)參考

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1、機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說明書 :稱學(xué)校名 :班級(jí)學(xué)號(hào) :名生學(xué)姓 :班級(jí) 2016 4 月年 1 / 21 、總體方案設(shè)計(jì) 1.1 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)可用于銃床上坐標(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)定位精度為士 0.01mm,定位精度為 0.025mm。 設(shè)計(jì)參數(shù)如下：負(fù)載重量 G=150N ；臺(tái)面尺寸 C x B x H = 145mm x 160mm x 12mm ；底座外形尺 寸 C1 x B1 x H1 = 210mm x 220mm x 140mm ；最大長度 L=388

2、mm ；工作臺(tái)加工范圍 X=55mm , Y=50mm ；工作臺(tái)最大快移速度為 1m/min。 1.2 總體方案確定 （1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng) 由于工件在移動(dòng)的過程中沒有進(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 了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(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。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、 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

3、和控制命令通過鍵盤操作實(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，所以選用絲杠螺母傳動(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)。 圖1-1 系統(tǒng)總體框圖 2 / 21 二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 、工作臺(tái)外形尺寸及重量估算2.1 向拖板(上拖 板)尺寸：X 50

4、X 145 X 160 長寬高 體積x材料比重估算重量：按重量 =2 3901010 7.8 145 16050 N 04551 6 01 Y向拖板(下拖板)尺寸： 重量：約90N。 上導(dǎo)軌座(連電機(jī))重量： 3 22 107 10 810) 7.8 10 1.1 (220140 38 2 155 )N( 。150N 夾具及工件重量：約 287N。工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約 X-Y 2.2、滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定 ⑴、導(dǎo)軌型式：圓形截面滾珠導(dǎo)軌 ⑵、導(dǎo)軌長度x向) ①上導(dǎo)軌(l 100 取動(dòng)導(dǎo)軌長度Bl 55 動(dòng)導(dǎo)軌行程 L l l 155 支承導(dǎo)軌長度 b②下導(dǎo)軌(y向) l 1

5、0050l bL 150 選擇導(dǎo)軌的型號(hào)： GTA16 ⑶、直線滾動(dòng)軸承的選型 ①上導(dǎo)軌 G 240(N) x②下導(dǎo)軌 G 287(N) Y由于本系統(tǒng)負(fù)載相對較小，查表后得出 LM10UUOP1直線滾動(dòng)軸承的額定動(dòng)載荷為 370N,大于實(shí)際動(dòng)負(fù)載；但考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素最后選擇 LM16UUOP1直線滾動(dòng)軸承。并采用雙 排兩列4個(gè)直線滾動(dòng)軸承來實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)平臺(tái)的支撐。 3 / 21 ⑷、滾動(dòng)導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法 當(dāng)工作臺(tái)往復(fù)移動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)壓在兩端滾動(dòng)體上的壓力會(huì)發(fā)生變化， 受力大的滾動(dòng)體變形大，受 力小的滾動(dòng)體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置I時(shí)， 兩端滾動(dòng)體受力相等， 工作臺(tái)保持水平；當(dāng)導(dǎo)

6、軌移動(dòng) 到位置n或m時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力不相等，變形不一致，使工作臺(tái)傾斜a角，由此造成誤差。此 外，滾動(dòng)體支承工作臺(tái)，若工作臺(tái)剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會(huì)使工作臺(tái)下 凹(有時(shí)還可能出現(xiàn)波浪形)，影響導(dǎo)軌的精度。 2.3、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠的負(fù)荷包括銃削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銃削時(shí)的情況計(jì)算。 ⑴、最大動(dòng)負(fù)載 Q的計(jì)算J- 3LffQ P Hf 1f 1,壽命值，查表得系數(shù)H60nT L 610查表得使用壽命時(shí)間 T=15000h, 初選絲杠螺距t=4mm,得絲杠轉(zhuǎn)速 1000V1000 1max 250(r/n min)t460 250

7、 15000 225L 所以 610X向絲杠牽引力 P 1.414fG(f——當(dāng)量摩擦系數(shù)) xx當(dāng)當(dāng) 1.414 0.01 240 3.39(N) Y向絲杠牽引力 P 1.414fGyy當(dāng))N287 4.06( 1.414 0.01 所以最大動(dòng)負(fù)荷 J 3225 1 1 3.39 Q 20.6(N) X 向 J 3225 Q 1 1 4.06 24.7(N)向 Y yd 10mm,選用滾珠絲杠螺母徑稱杠珠取表查，滾絲公直 副 。的型號(hào)為 SFK1004,其額定動(dòng)載荷為 390N,足夠用。 ⑵、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算 4 / 21 表2-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)

8、 稱名 符號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果 公稱直徑 d0 10 螺距 t 4 接觸角 45 d2 鋼球直徑q螺紋滾道1.04 0.52dR R 螺紋滾道法面半徑q e 0.03sin d/e 2R 偏心距q螺紋升角t tg7.26 arc dO 0 d 9.50.2~0.25d d d螺桿外徑 qod d 2e 2R 7.98d螺桿 螺桿內(nèi)徑 0ll d 8.59 dcosd d 螺桿接觸直徑

9、zqz0D d 2e 2R 12.02D 螺母螺紋外徑 0 d 0.255d 10.50.2~D D螺母 螺母內(nèi)徑(外循環(huán)) 的團(tuán)見表2-1。⑶、傳動(dòng)效率計(jì)算 tg7.26tg 0.973 0 )tg(7.26 0.2tg() 0 o ——絲杠螺紋升角?！Σ两?；式中： ⑷、剛度驗(yàn)算 L的變化量引起的導(dǎo)程 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P0PL0 L, _ 1EF Y向所受牽引力大，故應(yīng) 用Y向參數(shù)計(jì)算 L 0.4(cm))P 24.7(N 0 26 材料為鋼)(N/ E20.6 10cm L很小，可以忽略。絲杠 因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量 所以導(dǎo)程總誤差 5 / 2

10、1 100100 6 m/ 1.2 103mL |__| 0.4L0 m15, 故剛度足夠。查表知 E級(jí)精度的絲杠允許誤差 ⑸、穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。 2.4、 步進(jìn)電機(jī)的選用 ⑴、步進(jìn)電機(jī)的步距角 b stepmm/ 0.01 1.5。取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電機(jī)步距角 pb 0 ⑵、步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算 設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為 T,負(fù)載力為P,根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力做功有 如下關(guān)系 = PsT s ——機(jī)械傳動(dòng)效率。 式中：一一移動(dòng)部件的相應(yīng)位移； 一一電機(jī)轉(zhuǎn)角； G PP s,所以，且，則 若取 sbp G

11、36P sp（Ncm）T 2bPP——與重量方向一 致的作；G ——移動(dòng)部彳^重量（N式中：） 一一移動(dòng)部彳^負(fù)載（N）; Sz ——步進(jìn)電機(jī)步距角， （rad）；用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（ N）； T ——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；bNcm） ——電機(jī)軸負(fù)載力矩 P0.96 0.03為絲杠牽引力，，本例中，取(淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)) ， sP P 24.7NG G 287N,所以向電機(jī)負(fù)載較大，因此取 。考慮到重力影響， YHsy 287 0.0324.7 36 0.01 1.33(NcmT ) 0.96 1.5 2若不考慮啟 動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩 TT

12、 q0.5~0.31.33 T4.42 Ncm ,則 0.3 取安全系數(shù)為 ，q0.3 對于工作方式為三相六 拍的三相步進(jìn)電機(jī) 6 / 21 T qcmN5.1 T maxj0.866 ⑶、步進(jìn)電機(jī)的最高工 作頻率 V100011000 max)f 1667(Hz max 0.016060 P 2-2。查表 選用兩個(gè)45BF005- n型步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見表 2-2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)表 號(hào)型 主要技術(shù)數(shù)據(jù)2 )(mm外形尺寸 重 量) N( 步 距 角 最 大靜 轉(zhuǎn)距 Ncm 最高空 載動(dòng)頻 率啟 (s/step 相 數(shù) 電壓 V)(

13、 電 流) A( 外徑 長度 軸徑 ) 11 II 1 . 5 19.6 58 4 3 27 2.5 45 45BF005- 3000 2.5、 確定齒輪傳動(dòng)比 mm4t 1.5量當(dāng)脈沖實(shí)角，距，滾珠絲杠螺 要現(xiàn)距進(jìn)因步電 step/0.01mm ,在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪 降速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)比 p 360 Z3600.01 piO.6 i O 4 Zt1.&228 17ZZ ，選 。2i 2.6、 確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸 mmlm因傳遞的扭距較小，取模數(shù) 3-3 ,齒輪有 關(guān)尺寸見表。 、

14、步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 2.7 2-3表齒輪尺寸 Z28 17 7 / 21 28 17 mmd mZ 30 19 mm2md d a 25.5 14.5 mm 1.25md d 2 f 5 5 mm 6b m3 d d17.5 21mm a根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，得 Z piM J JJ JJ 30d12Z bl80 2jJcmkg——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 式中：）一一折算到電機(jī)軸 上的慣性負(fù)載（；0d 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（21 22jJcmcmkgcmkgkg；的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（） （；）——齒輪）； ——齒輪 2Jkgcmkg）； M——移動(dòng) 部件質(zhì)量

15、（一一滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（） o 3 對材料為鋼的圓柱零 件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算 234 cmD10kgL J0.78 ——零件長度（cm）——圓柱零件直徑（cm）; L式中：D所以 23 34 cm1010kg 1.7 0.5 3.26 J0.78 1 234 3 cm2.8kg 0.5 23.910J 0.78 10 2 2 34 3cm10kg J0.78 103.91 5 3 電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小, 可以忽略，則 217 3 3103.26J 10 23.93.9 d28 2 0.001 25 m 250.4 10kg 3.14 1.5 180 0.4J1

16、d1 0.319 ,所以慣性匹配比較符合要求。因?yàn)?1.274J4M8 / 21 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。 3.1 CPU 板 3.1.1 CPU的選擇 隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高， 單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。 單片機(jī)的型號(hào)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(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

17、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 Flash存儲(chǔ)器，在程序開發(fā)過程中可以十分容 易的進(jìn)行

18、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)。 3.1.2 CPU接口設(shè)計(jì) CPU接口部分包括傳感器部分、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: （行

19、程開關(guān)）感傳器 AT89S51 （電磁鐵）  前向通道 傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)(步進(jìn) 電機(jī)) 后向通道 人機(jī)界面 LED )(鍵盤、 9 / 21 圖3-1 CPU外部接口示意圖 AT89S51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(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。 (2) 通過程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)和電磁鐵的運(yùn)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(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

20、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： (4) P1.0-P1.5控制X-Y兩個(gè)方向步進(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。 (5) P1.6 口輸出控制電磁鐵的吸合。 (6) 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)開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。 (7) P0.0-P0.7外部I/O擴(kuò)展的數(shù)據(jù)讀取

21、。 (8) P2.7 和 P2.6 決定 8155 的 PA、PB、PC 口的地址。 8155 P1.0-P1.2 P0.0-P0.7 P1.3-P1.5 P1.6 P2.7 P3.2 P2.6 P3.3 AT89S51 AD0?AD7 X步進(jìn)電機(jī) Y步進(jìn)電機(jī) 外部中斷， 1驅(qū)動(dòng) 2驅(qū)動(dòng) 初始化 電磁鐵3驅(qū)動(dòng)1鍵盤2 外部中斷外部中斷  開外部中斷，開總中 斷等待中斷 CE IO/M PPBP

22、8155 T89S51控制系統(tǒng)圖3-2 A 圖 X+禁止、手動(dòng)Y+禁止、Y-個(gè)狀態(tài)：反映當(dāng)前運(yùn)行的 8X+禁止、X-禁止、口接PBLED運(yùn)行。運(yùn) 行、手動(dòng)Y-運(yùn)行、手動(dòng)X-運(yùn)行、手動(dòng) Y+ 4個(gè)行程開關(guān)的狀態(tài)。 PA 口低四位反映觸發(fā)中斷 1的 運(yùn)Y-運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng) X+X-運(yùn)行、手動(dòng) Y+的手動(dòng)位反映了觸發(fā)中斷口低 PC62個(gè)開關(guān)的 狀態(tài)。、圓弧插補(bǔ) RST行、復(fù)位（）6 10 / 21 中斷源。 中娠源 * IXT0 INT1J 二 PAPC 口， 圖3-3多中斷源中斷觸發(fā)圖 3.2 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

23、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。 3.2.1 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。 圖3-4 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

24、，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(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? A-AB-B-BC-C-CA-A,其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋?A-AC-C-CB-B-BA-A。 11/ 2i _n_rLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrL 步進(jìn)時(shí)鐘 A相波形 相波形B C相波形圖3-5 三相六拍工作  方式時(shí)相電壓

25、波形（正轉(zhuǎn)） 電磁鐵百區(qū)動(dòng)電路 3.2.2該驅(qū)動(dòng)電路也采用了光電偶 因?yàn)轵?qū)動(dòng)電磁鐵的電流比 其但其功放電路相對簡單。合器，光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管, 較大。 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路圖3-6 電源設(shè)計(jì)3.2.3 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)中電 源作為27V,為了便于管理和電源容量需求，就采用了標(biāo)準(zhǔn)的、用到的電源電壓為 27V12V、5V 12V基準(zhǔn)，通過芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的和 5V電壓。 電源轉(zhuǎn)換電路圖 3-7圖 此外，前面電容起防止自激作用，電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個(gè)電容，后面電容起濾波作用。 12

26、 / 21 在具體應(yīng)用的過程中， LM7805必須加上散熱片。 3.3 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)不能超過最大行程。因此，必須在 X、Y 軸的方向各加上兩個(gè)行程開關(guān)。這里行程開關(guān)作用有兩個(gè)： （1）防止工作臺(tái)超過最大行程， 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， 一般要求操作簡便，界面簡潔明了。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

27、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 丫軸負(fù)方向通行，LED8燈亮表示手動(dòng)使工作臺(tái)向 丫軸正方向通行，LED9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是通斷電開關(guān)，按扭 2是向X軸負(fù)方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按 扭3是向X軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按扭 4是向丫軸負(fù)方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，按扭 5是向丫 軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)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)。 ? LEDS ? LED9 Y+ii 行 總開美 ? LED1 ? LED2 X-蒙止 X*桑

28、止 ? LED 3 ?LED4 「禁止 T十禁止 ? LED5 ? LEDS ? LED? Y-通行 復(fù)位 圖3-8 人機(jī)界面圖 3.4 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板介名S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。 13 / 21 四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 總體方案 對于AT89S51的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)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51系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的常用工具，既可用匯

29、編，也支持 C語言編譯。同時(shí)具有完 善的調(diào)試功能。 4.2 主流程圖 CTL EQU 3FF8H 3FF9H EQU PA 上電復(fù)位 3FFAH EQU PB 3FFBH EQU PC 02H EQU CMD ,吸合電磁鐵，繪筆抬起 P1.6=00000H ORG MAIN AJMP 0003H ORG 入口 ；外部中斷 0AJMP INT0IS 000BH ORG 中斷入口 ；定時(shí)器0AJMP TM0IS 0013H ORG 入口 ；外部中斷 1AJMP

30、 INT1IS 001BH ORG 中斷入口；定時(shí)器 1 AJMP TM1IS 0100H ORG 0EFH ,P1MAIN : ANL ;外中斷負(fù)跳沿觸發(fā) IT0 SETB IT1 SETB 圖 4-1 CTL A , MOV A DPTR MOV CMD @DPTR , MOVX 口輸入B 口輸出，C ; A 口輸入， 0 ;允許外中斷 EX0 SETB 1 ;允許外中斷 SETB EX1 PX0 SETB ;設(shè)置優(yōu)先級(jí) PX1 SETB ;開總中斷 EA SETB ;等待中斷 LOOP : LOOPAJMP 的則進(jìn)入中斷00在等待

31、中斷的過程中，如果有中斷到來，先檢查中斷的狀態(tài)，是中斷 0。1的 中斷服務(wù)INT1IS ,是中斷中斷服務(wù)INT0IS1則進(jìn)入中斷然后將結(jié)果反口內(nèi)容，個(gè)行程開關(guān)觸發(fā) 的，4它觸發(fā)后通過單片機(jī)讀取 PA是由中斷服務(wù) 0 LEDPB饋到口的上。14 / 21 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)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。 4.3 INT0中斷服務(wù)流程圖 ACC PUSH INT0IS : DPTL PUSH DPTH PUSH PSWPUSH PA , MOV A A MOV DPTR 口內(nèi)容 ；讀

32、 PAMOVX A ， @DPTR A ， R2 MOV PB ， A MOV DPTR,A MOV @DPTR,R2 MOV R2 ， A MOV A 取反 ； A CPL 6 位 ；屏蔽高 ANL A ， #03H TM2C A ， JZ P1.0 SETB P1.1 SETB P1.2 SETB R2 ， ATM2C ： MOV A CPL #0CH ， A ANL RETIN A ， JZ P1.3 SETB P1.4 4-2 圖 SETB P1.5 SETB RETIN ： POP PSW POP DPTH POP DPTL ACC

33、POP RETI 15 / 21 4.4 INT1 中斷服務(wù)流程圖 .1 .

34、 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 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,

35、R1 MOV R2, A MOV A, PB MOV DPTR, A MOVX @DPTR, R2; 數(shù)據(jù)輸入PB 口 INC DPTL 16 / 21 4.4.1 復(fù)位程序流程圖 DIRX EQU 30H DIRY EQU 31H RST: CLR P1.6 RPA: MOV A, PA MOV DPTR , A MOVX A, @DPTR ;讀PA 口內(nèi)容 JNB ACC.0 , ACC2 MOV DIRX , #0

36、0H ;表X電機(jī)反轉(zhuǎn) ACALL XMOTOR0 ;X電機(jī)反轉(zhuǎn)f ACC2 : JNB ACC.2 , LOOP0 MOV DIRY , #00H ;表丫電機(jī)反轉(zhuǎn) ACALL YMOTOR0 ;Y電機(jī)反轉(zhuǎn)f AJMP RPA LOOP0 : :AJMP LOOP1 17 / 21  X+EN : CLR P1.6 MOV A, PA MOV DPTR , A MOVX A, @DPTR JNB ACC.0 , LOOP2 MOTOR0 : MOV DIRX , #01H

37、 ACALL XMOTOR0 MOV A, PC MOV DPTR, A MOV A, @DPTR JNB ACC.0 , MOTOR0 LOOP2 : 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軸電機(jī)點(diǎn)動(dòng) 反轉(zhuǎn)依次類推。 18 / 21 4.4.3 繪制圓弧程序流程圖 分配地址交團(tuán)、設(shè)營初值 A N 跳轉(zhuǎn)LOCP1| N 圖4-6 逐點(diǎn)比較法畫圓弧 逐點(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo)為(X,

38、 Y),圓弧半徑為 R,每一點(diǎn)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(shí) 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(shí) FY=X*X+ (Y-1) * (Y-1) -R*R=F+2Y+1 , Y=Y+1。插補(bǔ)程序見附錄。 19 / 21 4.4.4 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖 圖4-7 DEF EQU 12H SJMP LP3 MOV DEF , #00H TAB : DB FEH XMOTOR1 :JNE D

39、IRX , #01H, XMOTOR0 DB FCH JNE DEF , #05H, LP2 DB FDH CLR DEF DB F9H LP2 : MOV A, DEF DB FBH INC DEF DB FAH LP3 : MOV DPTR, #TAB MOVC A, @A+DPTR ANL P1, A ACALL DELAY RET XMOTOR0 :JNE DEF , #00H , LP4 MOV A, #05H MOV

40、 DEF , A LP4 : MOV A, DEF  DEC DEF 20 / 21 五、附錄 參考文獻(xiàn) [1] 鄭學(xué)堅(jiān) , 周斌 . 微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用 . 清華大學(xué)出版社 ,2003 [2] 李廣弟 , 朱月秀，王秀山 . 單片機(jī)基礎(chǔ) . 北京航空航天大學(xué)出版社 ,2001 [3] 房小翠 . 單片微型計(jì)算機(jī)與機(jī)電接口技術(shù) . 國防工業(yè)出版社 ,2002 [4] 王小明 . 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制 . 北京航空航天大學(xué)出版社 ,2002 [5] 李建勇 . 機(jī)電一體化技術(shù) . 科學(xué)出版社 .2004 [6] 王愛玲，白恩遠(yuǎn)，趙學(xué)良 . 現(xiàn)代

41、數(shù)控機(jī)床 . 國防工業(yè)出版社 ,2001 [7] 徐灝 . 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（ 3） . 機(jī)械工業(yè)出版社 ,2003 [8] 張建民 . 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 北京理工出版社 ,2004 [9] 徐灝等 . 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 [M]. 北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 ,2000 [10] 濮良貴 , 記名剛 . 機(jī)械設(shè)計(jì) [M]. 北京 : 高等教育出版社 ,2003 [11] 吳振彪 . 機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo) [M]. 湛江 : 湛江海洋大學(xué) ,1999 [12] . 楊入清 . 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)—系統(tǒng)與結(jié)構(gòu) [M]. 上海 : 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版 社,2000 [13] . 張立勛 , 孟慶鑫 , 張今瑜 . 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M]. 哈爾濱 : 哈爾濱工程大學(xué) 出版社 ,2000 21 / 21