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《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)
說(shuō) 明 書
課程性質(zhì)：專業(yè)課(必修)
適用專業(yè)：機(jī)械電子工程
所用時(shí)間：兩周
設(shè) 計(jì) 人：盧宇晴
指導(dǎo)老師：陳豐峰
湖南工學(xué)院
摘 要
我設(shè)計(jì)的是單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的XY工作臺(tái)。首先確定設(shè)計(jì)的總體方案，然后對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括工作臺(tái)、滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和選用，最后對(duì)數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);XY工作臺(tái);控制系統(tǒng)
目 錄
前 言 4
一、課程設(shè)計(jì)的題目及要求 5
二、數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 6
2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 6
2.2伺服系統(tǒng)的選擇 6
2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇 6
2.4 X-Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 6
三、機(jī)械部分設(shè)計(jì)和計(jì)算 8
3.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 8
3.2工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算 8
3.3滾動(dòng)導(dǎo)軌副設(shè)計(jì) 9
3.3.1滾動(dòng)導(dǎo)軌副選擇 9
3.3.2滾動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度計(jì)算 10
3.3.3滾動(dòng)導(dǎo)軌壽命計(jì)算 10
3.4滾珠絲杠設(shè)計(jì) 11
3.4.1強(qiáng)度計(jì)算 11
3.4.2滾珠絲杠選擇 12
3.4.3傳動(dòng)效率計(jì)算 13
3.4.4穩(wěn)定性驗(yàn)算 14
3.5步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì) 14
3.5.1步進(jìn)電機(jī)選擇 14
3.5.2步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載計(jì)算 16
3.5.3 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
四、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 18
五、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 22
5.1系統(tǒng)控制軟件介紹 22
5.2步進(jìn)電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì) 23
5.3匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) 25
結(jié)束語(yǔ) 28
參考資料 29
前 言
當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢(shì)及我國(guó)數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀。在我國(guó)對(duì)外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國(guó)制造業(yè)信息化水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。
一、課程設(shè)計(jì)的題目及要求
（一）題目：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用XY工作臺(tái)。
已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊，各題目的有效行程、快速進(jìn)給速度和工作載荷見下表：
題號(hào)
有效行程(mm)
快速進(jìn)給速度(mm/min)
工作載荷Fz (N)
Lx
Ly
vmax
vymax
1
350
350
1500
1500
400
（二）要求：
1. 課程設(shè)計(jì)應(yīng)在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立完成，嚴(yán)格地要求自己，不允許相互抄襲；
2. 認(rèn)真閱讀《課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，明確題目及具體要求；
3. 認(rèn)真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)；
4. 大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計(jì)方案；
5. 機(jī)械部分和驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)思路清晰，計(jì)算結(jié)果正確，選型合理；
6. 微機(jī)控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確；
7. 手工或電腦繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖一張（A1），控制系統(tǒng)電氣原理一張（A2），圖紙符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，布圖合理，內(nèi)容完整表達(dá)清晰；
8. 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份（不少于5000字），包括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)等。設(shè)計(jì)說(shuō)明書應(yīng)敘述清楚、表達(dá)正確、內(nèi)容完整、技術(shù)術(shù)語(yǔ)符合標(biāo)準(zhǔn)。
9. 該課程設(shè)計(jì)由兩人共同完成。其中，盧宇晴完成機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和電氣部分的設(shè)計(jì)，楊鑫完成說(shuō)明書。
二、數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定
數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。
2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，因此采用連續(xù)控制方式。
2.2伺服系統(tǒng)的選擇
開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī).開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒(méi)有檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。
考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。
2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇
采用MCS-51系列中的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價(jià)比高?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。
2.4 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)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。
由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。
考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。系統(tǒng)總體框圖如下:
圖2-1 系統(tǒng)總體框圖
三、機(jī)械部分設(shè)計(jì)和計(jì)算
機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。
3.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量
脈沖當(dāng)量δp是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，由于定位精度為±0.01mm因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。
3.2工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算
根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺(tái)簡(jiǎn)圖，估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。
取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?75mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?75mm,設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖如下:
圖3-1 工作臺(tái)簡(jiǎn)圖
X向拖板(上拖板)尺寸為:
長(zhǎng)*寬*高=400*200*20
重量:按重量=體積*材料比重估算為:
Y向拖板(下拖板)尺寸為: 長(zhǎng)*寬*高=450*200*20
重量
上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為
夾具及工件重量:約155N
X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為:
3.3滾動(dòng)導(dǎo)軌副設(shè)計(jì)
3.3.1滾動(dòng)導(dǎo)軌副選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：
因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取
根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:
選擇漢機(jī)江機(jī)床廠HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)為:HJG-D25
基本參數(shù)如下: 表3-1
額定載荷/N
靜態(tài)力矩/N*M
滑座重量
導(dǎo)軌重量
導(dǎo)軌長(zhǎng)度
動(dòng)載荷
靜載荷
L
(mm)
17500
26000
198
198
288
0.60
3.1
760
滑座個(gè)數(shù)
單向行程長(zhǎng)度
每分鐘往復(fù)次數(shù)
M
4
0.6
4
3.3.2滾動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度計(jì)算
上導(dǎo)軌（X向） 取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 ; 動(dòng)導(dǎo)軌行程;
支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度 ;保持器長(zhǎng)度;
下導(dǎo)軌（Y向） 取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度; 動(dòng)導(dǎo)軌行程;
支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度;保持器長(zhǎng)度;
3.3.3滾動(dòng)導(dǎo)軌壽命計(jì)算
導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷，依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷(kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：
額定行程長(zhǎng)度壽命:
（3-1）
其中,,
導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命:
(3-2)
導(dǎo)軌的工作壽命足夠。
3.4滾珠絲杠設(shè)計(jì)
初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm
3.4.1強(qiáng)度計(jì)算
絲杠軸向力：
(N) (3-3)
其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0.005；在車床車削外圓時(shí)：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。
取f=0.004, 則:
壽命值：，，其中絲杠轉(zhuǎn)速
(3-4)
最大動(dòng)載荷：
式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時(shí)為1.0。
查表得中等沖擊時(shí)則:
3.4.2滾珠絲杠選擇
根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為: CM系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下:
圖3-2 滾珠絲杠副參數(shù)表
其額定動(dòng)載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式.
滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表3-2所示：
表3-2 絲杠幾何參數(shù)
名稱
計(jì)算公式
結(jié)果
公稱直徑
――
20mm
螺距
――
５mm
接觸角
――
鋼球直徑
――
3.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺紋升角
螺桿外徑
19.365mm
螺桿內(nèi)徑
16.788mm
螺桿接觸直徑
17.755mm
螺母螺紋外徑
23.212mm
螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）
20.7mm
3.4.3傳動(dòng)效率計(jì)算
絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：
(3-5)
式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。
3.4.4穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。
剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：
(3-6)
Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計(jì)算
絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差Δ為
精度滿足設(shè)計(jì)要求。
3.5步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)
3.5.1步進(jìn)電機(jī)選擇
1、步進(jìn)電機(jī)的步距角取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量初步選步進(jìn)電機(jī)步距角。
2、步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力距的計(jì)算。
設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為P，根據(jù)能量守恒定理，電機(jī)所做功率與負(fù)載的功有如下關(guān)系 ：
式中：為——電機(jī)轉(zhuǎn)角；S——移動(dòng)部件的相應(yīng)位移；機(jī)械傳動(dòng)效率。
若取 則 且 （N/ m）
式中——移動(dòng)部件負(fù)載（W） G——移動(dòng)部件重量（N）
——與重力方向一致的作用，在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N）
——導(dǎo)軌摩擦系數(shù) ——步進(jìn)電機(jī)步距角（rad）
T——電機(jī)軸負(fù)載力矩（）
本題中，?。ù慊痄摑L珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)）
。為絲桿牽引力，
考慮到動(dòng)影響，Y向電機(jī)負(fù)載較大，因此取
所以：
若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩取安全系數(shù)為 0.3 則；
對(duì)于三相六拍的步進(jìn)電機(jī)有： ；
步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率：
查表選用兩個(gè)90BF001型步進(jìn)電機(jī)，其性能參數(shù)如下：
型號(hào)
主要技術(shù)參數(shù)
外形尺寸
重量（N）
步距角（。）
最大靜轉(zhuǎn)距（N.cm）
最高空載啟動(dòng)頻率
相數(shù)
電壓（V）
電流（A）
外徑
長(zhǎng)度
軸徑
55BF004
1.5/3
49.0
2200
3
27
3
55
62
6
6.5
3.5.2 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
因步進(jìn)電機(jī)步距角滾珠絲杠螺距t=5mm,要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量,在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)。
齒輪傳動(dòng)比：，步進(jìn)電機(jī)步距角：α= 1.5?/step。
，
取小齒輪齒數(shù),則大齒輪齒數(shù)
大小齒輪材料均為45鋼，由于軟齒面齒輪工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)率高，故選擇軟齒面齒輪。
因傳遞的扭距較小,取模數(shù)m=1mm則:
分度圓直徑:
齒頂圓直徑:
齒根圓直徑:
齒寬: 取
中心距:
分度圓壓力角:
大小齒輪均采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪
小齒輪采用兩片薄齒輪錯(cuò)齒排列以消除間隙.
雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖如下:
1、2--薄齒輪, 3—彈簧, 4、8—凸耳, 5—調(diào)節(jié)螺釘, 6、7—螺母
圖3-3 雙片齒輪錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)圖
3.5.3步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載計(jì)算
等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
(kg·cm2)
式中：分別為折算到電機(jī)軸上的負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為移動(dòng)部件的質(zhì)量。
對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算:
(3-7)
式中：D為圓柱零件直徑；L為圓柱零件的長(zhǎng)度。
所以有：
電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有:
四、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
1、數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：
①主控制器。即中央處理單元CPU
②總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。
③存儲(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
④接口。即I/O輸入輸出接口。
數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：
圖4-1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖
2、主控制器ＣＰＵ的選擇
ＭＣＳ－５１系列單片機(jī)是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用８０３１芯片作為主控芯片。
3、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
（1）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型號(hào)有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為２k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時(shí)要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時(shí)序的匹配。８０３１所能讀取的時(shí)間必須大于ＥＰＲＯＭ所要求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。
于8031芯片的口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線的，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是742S373。
（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
由于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)供用戶使用，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，這里我選用6264(8Kx8)。
（3）譯碼電路
由于這里擴(kuò)展的容量較大，擴(kuò)展多個(gè)外圍芯片。因此，這里使用譯碼法來(lái)進(jìn)行編址。譯碼電路可使用現(xiàn)有的譯碼芯片，這里我們選用3-8譯碼器（74LS138）。這種芯片，輸入端占用3根最高位地址線，剩余的13根低位地址線可作為片內(nèi)地址線，74LS138譯碼器的8根輸出線分別對(duì)應(yīng)8個(gè)8K字節(jié)的地址空間。
（4）Ｉ／Ｏ擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
８０３１單片機(jī)共有４個(gè)８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用戶使用的只有Ｐ1口及部分Ｐ3 口線。因此要進(jìn)行Ｉ／Ｏ口的擴(kuò)展。８１５５與微機(jī)接口較簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。
4、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
（1）脈沖分配器
步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器YB013。
（2）光電隔離電路
在步進(jìn)待年紀(jì)驅(qū)動(dòng)電路中，一般在接口電路與功率放大器之間家上光電隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電偶合器作為光電隔離電路。
（3）功率放大器
環(huán)型分配器的輸出脈沖很小，還遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，不許將它放大，以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這里采用的功率放大電路如下圖所示：
圖4-2功率放大器
5、其它輔助電路設(shè)計(jì)
（１）８０３１的時(shí)鐘電路
單片機(jī)的時(shí)鐘可由內(nèi)部方式產(chǎn)生，內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1，XTAL2引腳上外接定時(shí)元件。如下圖所示
圖4-3時(shí)鐘電路
（２）復(fù)位電路
單片機(jī)的復(fù)位電路都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引腳上出現(xiàn)10ms 以上高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從0000Ｈ單元開始執(zhí)行程序
圖4-4復(fù)位電路
五、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)
5.1系統(tǒng)控制軟件介紹
1、系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容
數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個(gè)部分：
（1）系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。
（2）零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。
（3）插補(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。
（4）伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。
（5）診斷程序。包括移動(dòng)不見移動(dòng)超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯(cuò)等功能。
（6）機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工控制程序。
（7）鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。
2、系統(tǒng)控制功能分析
數(shù)控X-Y工作臺(tái)的控制功能包括：
（1）、系統(tǒng)初始化。如對(duì)I/O接口8155，8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。
（2）、工作臺(tái)復(fù)位。開機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。
（3）、輸入和顯示加工程序。
（4）、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。
（5）、工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過(guò)規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。
（6）、工作臺(tái)的自動(dòng)控制。
（7）、工作臺(tái)的手動(dòng)控制。
（8）、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。
3、系統(tǒng)管理程序控制
管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計(jì)管理程序時(shí)，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的基本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位控制，工作臺(tái)位置控制，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。
4、自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)
（1）機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位→刀具快速進(jìn)給→加工→退刀→工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置；
（2）計(jì)算機(jī)在加工過(guò)程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工；
5.2步進(jìn)電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度、轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí)，由于負(fù)載和慣性，會(huì)使電機(jī)失步，所以步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)有一個(gè)加、減速過(guò)程。
通過(guò)確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。
經(jīng)過(guò)計(jì)算知加、減速脈沖個(gè)數(shù)都為27個(gè)。
因?yàn)?，所?
計(jì)算時(shí)要根據(jù)脈沖時(shí)刻tn查時(shí)間常數(shù)表，得脈沖時(shí)間間隔T，
再由Te=T×10-3/（te×10-6）求出時(shí)間常數(shù)Te，
式中：T——脈沖時(shí)間間隔（ms）；te——單片機(jī)機(jī)器周期（μs），在時(shí)鐘為6MHz時(shí)，te≈2μs。
在EPROM存儲(chǔ)器中，時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中，每個(gè)時(shí)間常數(shù)占兩個(gè)字節(jié)，低位地址存放時(shí)間常數(shù)低8位，高位地址存放時(shí)間常數(shù)高8位。
在程序中，設(shè)置加速、恒速、減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0、N1、N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過(guò)程（加速、恒速或減速）是否結(jié)束的標(biāo)志。
步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖見圖5-1。
（a）步進(jìn)電機(jī)控制子程序（后臺(tái)程序）流程圖
（b）步進(jìn)電機(jī)控制中斷服務(wù)程序流程圖
圖5-1 步進(jìn)電機(jī)控制框圖
5.3匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)
1、內(nèi)存地址分配
加速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0地址設(shè)為20H。
恒速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N1低8位字節(jié)NIL地址21H，高8位字節(jié)地址22H。
減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N2地址23H。
加速、恒速、減速脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)NL地址為24H，高位字節(jié)NH地址為25H。
步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址為0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給一步。
2、程序清單
N0 EQU 20H ；加速
NIL EQU 21H ；恒速
NIH EQU 22H ；恒速
N2 EQU 23H ；減速
NL EQU 24H ；脈沖總數(shù)寄存器
NH EQU 25H
DS EQU 26H ；地址指針偏移量
FEED EQU 0E80H
ORG 0E00H
0E00 758160 START：MOV SP，#60H ；程序開始
0E03 758901 MOV TMOD，#01H ；設(shè)計(jì)數(shù)器是工作方式1，16位定時(shí)器
0E06 75201B MOV N0，#1BH ；設(shè)N0初值為27
0E09 75231B MOV N2，#1BH ；設(shè)N2初值為27
0E0C E520 MOV A，N0 ；計(jì)算2×N0
0E0E 23 RL A
0E0F F8 MOV R0，A
0E10 C3 CLR C ；計(jì)算N1=N-2N0
0E11 E524 MOV A，NL
0E13 98 SUBB A，R0
0E14 F521 MOV NIL，A ；恒速計(jì)數(shù)器賦值（低位）
0E16 E525 MOV A，NH
0E18 9400 SUBB A，#00H
0E1A F522 MOV NIH，A ；恒速計(jì)數(shù)器賦值（高位）
0E1C 901000 MOV DPTR，#1000H ；設(shè)時(shí)間常數(shù)地址指針初值1000H
0E1F 752600 MOV DS，#00H ；設(shè)地址偏移量初值為00H
0E22 93 MOVC A，＠A+DPTR ；從EPROM中讀取時(shí)間常數(shù)
0E23 F58A MOV TL0，A ；送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器0中
0E25 0526 INC DS
0E27 E526 MOV A，DS
0E29 93 MOVC A，＠A+DPTR
0E2A F58C MOV TH0，A
0E2C 0526 INC DS
0E2E D2AF SETB EA ；置中斷使能控制器IE的EA位（即開中斷允許）
0E30 D2A9 SETB ET0 ；允許定時(shí)器0中斷
0E32 D28C SETB TR0 ；啟動(dòng)定時(shí)器0開始計(jì)數(shù)
0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回
0E37 22 RET
中斷服務(wù)程序： ORG 000BH ；定時(shí)器0中斷入口地址
000B 020F00 LJMP 0F0CH
ORG 0F00H
0F00 E526 INT：MOV A，DS ；送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器0中
0F02 93 MOVC A，＠A+DPTR
0F03 F58A MOV TL0，A
0F05 0526 INC DS
0F07 E526 MOV A，DS
0F09 93 MOVC A，＠A+DPTR
0F0A F58C MOV TH0，A
0F0C 0526 INC DS ；修改地址便移量指針
0F0E D180 ACALL FEED ；調(diào)FEED子程序，使電機(jī)進(jìn)給一步
0F10 E520 MOV A，N0 ；判斷N0是否為0，為0則轉(zhuǎn)入恒速
0F12 B40012 CJNE A，#00H，LOOP1
0F15 E522 MOV A，NIL ；判斷N1是否為0，為0則轉(zhuǎn)入減速
0F17 B40010 CJNE A，#00H，LOOP2
0F1A E522 MOV A，NIH
0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP2
0F1F E523 MOV A，N2 ；判斷N2是否為0
0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP3
0F24 C2AF CLR EA ；N2為0，減速結(jié)束，關(guān)中斷
0F26 32 RETI ；中斷返回
0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0不為0，則N0=N0-1
0F29 32 RETI
0F2A E521 LOOP2：MOV A，NIL ；N1不為0，則N1=N1-1
0F2C C3 CLR C
0F2D 9401 SUBB A，#01H
0F2F F521 MOV NIL，A
0F31 E522 MOV A，NIH
0F33 9400 SUBB A，#00H
0F35 F522 MOV NIH，A
0F37 32 RETI
0F38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不為0，則N2=N2-1
0F3A 32 RETI
結(jié)束語(yǔ)
《課程設(shè)計(jì)》是我在大學(xué)里的一門課程。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何查閱現(xiàn)有的技術(shù)資料、如何舉一反三、如何通過(guò)改進(jìn)并加入自己的想法與觀點(diǎn)，使之成為自己的東西。并且結(jié)合生產(chǎn)知識(shí)，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際以及分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，并使課堂所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展。在此，我對(duì)我的論文指導(dǎo)老師表示衷心的感謝，感謝他對(duì)我的嚴(yán)格要求，感謝他的監(jiān)督和指導(dǎo)。其次我要感謝給我授課的所有老師。感謝你們傳給我知識(shí)。最后還要感謝參考文獻(xiàn)中所列書籍、文章及資料的作者。
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