《雙坐標(biāo)數(shù)控工作臺設(shè)計(jì)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《雙坐標(biāo)數(shù)控工作臺設(shè)計(jì)（35頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文(全套CAD圖紙) QQ 36396305 目 錄 緒 論 4 第一章：總體方案設(shè)計(jì) 4 1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 4 1.2 總體方案確定 6 第二章：機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 2.1 工作臺外形尺寸及重量估算 7 2.2 滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定 8 2.3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 11 2.4 電機(jī)的選用 14 2.5 伺服電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 15 2.6 軸承的選用 15 2.7 軸承的類型 15 2.8 軸承調(diào)隙、配合及潤滑 15 2.9 滾動軸承的密封裝置 16 2.10 本章小結(jié) 16 第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 16 3.1

2、 CPU板 16 3.2 驅(qū)動系統(tǒng) 19 3.3 傳感器及軟硬件設(shè)計(jì) 20 第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 25 4.1 總體方案 25 4.2 主流程圖 25 4.3 INT0中斷服務(wù)流程圖 26 4.4 INT1中斷服務(wù)流程圖 27 第五章 參考文獻(xiàn) 20 第一章、總體方案設(shè)計(jì) 1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一臺雙坐標(biāo)數(shù)控工作臺并開發(fā)其控制、驅(qū)動系統(tǒng)，工作臺行程200200mm，臺面尺寸160320，倆坐標(biāo)分辨率分別為δ=0.001mm/step,承受最大軸向載荷Fxmax=600N，F(xiàn)ymax=850N，最大移動速度Vx

3、max=Vmax=1m/min。（要求采用滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌，必要時增加減速機(jī)） 1.2 總體方案確定 （1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)及機(jī)電一體化產(chǎn)品的一般設(shè)計(jì)法，我采用三階段法，即總體設(shè)計(jì)、部件與零件的選擇與設(shè)計(jì)?？紤]人、機(jī)、成本等因素，產(chǎn)品的可靠性、適用性與完善性設(shè)計(jì)最終我應(yīng)盡力在保證的目的功能要求與適當(dāng)壽命的前提下不斷降低成本。 （2）系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng) 本工作臺是雙坐標(biāo)聯(lián)動進(jìn)給方式工作，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，設(shè)計(jì)時初步采用步進(jìn)電機(jī)及適當(dāng)位置檢測元件半閉環(huán)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動X-Y工作臺，以提高系統(tǒng)可靠性（由于工作臺控制精度為0.001mm

4、，經(jīng)計(jì)算，步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率不能滿足要求）。因此，重新選擇直流伺服電機(jī)，配合速度、位置傳感器，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）控制計(jì)算系統(tǒng) 設(shè)計(jì)將采用高性能ATM的AT89S52單片機(jī)控制系統(tǒng)（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)由微型計(jì)算機(jī)部分、鍵盤、LED、I/O接口、直流伺服電機(jī)、光柵、PWM控制器、功率放大器及傳感檢測電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺的狀態(tài)。 （4）雙坐標(biāo)工作臺的傳動系統(tǒng) 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求以及保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙

5、，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。 滾動導(dǎo)軌的選型：由于工作臺的運(yùn)動載荷不大（查表知為輕載型），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)軌可減少兩個相對運(yùn)動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動平穩(wěn)性，減小振動。 直流伺服電機(jī)的選型：考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，采用光柵檢測、閉環(huán)控制系統(tǒng)。 執(zhí)行元件 機(jī)械部分 動力源 電氣部分 傳感檢測部分 軟件 硬件 AT89S51 8155 LED 鍵盤 直流伺服電機(jī) 驅(qū)動電路1 驅(qū)動電力路2 傳動部件 導(dǎo)向支撐部件 齒輪組 滾珠絲杠 X、Y工作臺

6、 軸承 滾動導(dǎo)軌副 直線光柵 限位開關(guān) 系統(tǒng)總體框圖 第二章、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1、工作臺外形尺寸及重量估算 工作臺尺寸： 長寬高 32016015 重量：按重量=體積材料比重估算 3201601510-37.810-2=60N X向拖板（上拖板）尺寸： 長寬高 20016060 重量：按重量=體積材料比重估算 200 1606010-37.810-2=130N Y向拖板（下拖板）尺寸： (160+200) 16030 2001603010-37.810-2=90N 上動導(dǎo)軌座重

7、量： 單個質(zhì)量重力加速度數(shù)量 0.5104 重量：按重量=單個質(zhì)量重力加速度數(shù)量 0.5104=20N 下動導(dǎo)軌座重量： 單個質(zhì)量重力加速度數(shù)量 1.2104 重量：單個質(zhì)量重力加速度數(shù)量 1.2104=48N 上靜導(dǎo)軌重量：（2.2kg/m） 重量=比重長度數(shù)量 2.2（160+200）10-32=16N 下靜導(dǎo)軌重量：（4.3kg/m） 重量=比重長度數(shù)量 4.3（160+200）10-32=32N 工件及夾具總重約：100N 因此：上導(dǎo)軌承受總重約60+20+100=

8、180N（工作臺、上動導(dǎo)軌、工件等） 下導(dǎo)軌承受總重約180+48+270+16+32=546N（上導(dǎo)軌總重、下動導(dǎo)軌、X向托板、上下靜導(dǎo)軌） 2.2、滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定 任務(wù)書所要設(shè)計(jì)數(shù)控車床工作臺，工作行程為200200mm，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小（0.001mm/step），定位精度高，因此選用直線滾動導(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，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 ⑴、導(dǎo)軌型式：工字形截面滾珠導(dǎo)軌 ⑵、導(dǎo)軌長度 ①上導(dǎo)軌（X向） 動導(dǎo)軌長度 l1=160mm 動導(dǎo)軌行程 l2=200mm 支承導(dǎo)軌長

9、度 L= l1+l2=360mm ②下導(dǎo)軌（Y向） 動導(dǎo)軌長度 l1=160mm 動導(dǎo)軌行程 l2=200mm 支承導(dǎo)軌長度 L= l1+l2=360mm 選擇導(dǎo)軌的型號： 511H20A2DWES2SM(如圖) ⑶、直線滾動軸承的選型 ①上導(dǎo)軌 Gx=180N ②下導(dǎo)軌 Gy=550N 由于本系統(tǒng)負(fù)載相對較小，查表后得出511H20A2DWES2SM直線滾動軸承的額定動載荷為14400N,遠(yuǎn)大于實(shí)際動負(fù)載；可以選用。 ⑷、滾動導(dǎo)軌剛度及預(yù)緊方法 當(dāng)工作臺往復(fù)移動時，工作臺壓在兩端滾動體上

10、的壓力會發(fā)生變化，受力大的滾動體變形大，受力小的滾動體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在中間位置，兩端滾動體受力相等，工作臺保持水平；當(dāng)導(dǎo)軌移動到偏左或偏右時，兩端滾動體受力不相等，變形不一致，使工作臺傾斜α角，由此造成誤差。此外，滾動體支承工作臺，若工作臺剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會使工作臺下凹（有時還可能出現(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 伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，需要滿足0.001mm脈沖當(dāng)量的定位精度，滑動絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，且任務(wù)書要求選用滾珠絲杠。滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽

11、命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時的情況計(jì)算。 ⑴、最大動負(fù)載Q的計(jì)算 查表得系數(shù)，，壽命值 查表得使用壽命時間T=15000h，初選絲杠螺距t=4mm，得絲杠轉(zhuǎn)速 所以 X向絲杠牽引力 Px=1.414f當(dāng)Gx （f當(dāng)--當(dāng)量摩擦系數(shù)） =1.4140.01GX =1.4140.01180=2.55N Y向絲杠牽引力 Py1.414f當(dāng)Gy（f當(dāng)--當(dāng)量摩擦系數(shù)） =1.4140.01Gy =1.4140.01550=7.78N 所以最大動負(fù)荷

12、 X向 Y向 查表，取滾珠絲杠公稱直徑 d0=10mm，選用滾珠絲杠螺母副的型號SFK1004，其額定動載荷為390N，足夠用。 ⑵、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算 表2-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 名 稱 符 號 計(jì)算公式和結(jié)果 螺紋滾道 公稱直徑 10 導(dǎo)程 接觸角 鋼球直徑 螺紋滾道法面半徑 偏心距 螺紋升角 螺桿 螺桿外徑 螺桿內(nèi)徑 螺桿接觸直徑 螺母 螺母螺紋外徑 螺母內(nèi)徑（外

13、循環(huán)） ⑶、傳動效率計(jì)算 式中：——摩擦角；——絲杠螺紋升角。 ⑷、剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量 VL1=PL0/EF Y向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計(jì)算 P=47.3（N） L0=0.4（cm） E=20.6106 （N/cm2） (材料為鋼) 所以： 絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量VL2很小，可以忽略。故VL=VL1 所以導(dǎo)程總誤差 δ=VL(100/L0)=2.1210-6（100/0.4）=5.25(um/m) 查表

14、知E級精度的絲杠允許誤差，故剛度足夠。 ⑸、穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于導(dǎo)軌承受大部載荷，絲杠基本不承受載荷，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。 2.4、電機(jī)的選用 1．試選步進(jìn)電機(jī) ⑴、步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 fmax=1000vmax/60δ=10001/600.001=16667(Hz) 查表選步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見表2-2。 表2-2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 型 號 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸 重量 步距角 最 大靜轉(zhuǎn)距 最高空載啟動頻率() 相數(shù) 電壓 電流 外徑 長度 軸徑 45BF003-Ⅱ 1．5 0.196 3700

15、 3 60 2 45 58 4 3.8 55BF004 1．5 0.49 2200 3 27 3 55 60 6 6.5 75BF001 1．5 0.392 1750 3 24 3 75 53 6 11 75BF003 1．5 0.882 1250 3 30 4 75 75 8 15.8 90BF001 0.9 3.92 2000 4 80 7 90 145 9 45 110BF003 0.75 7.84 1500 3 80 6 110 160 11 60 110BF0

16、04 0.75 4.9 1500 3 30 4 110 110 11 55 ⑵、由fmax知，所要求的工作頻率太高，步進(jìn)電機(jī)達(dá)不到要求，再者，任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量達(dá)到0.001mm，定位精度達(dá)到微米級，空載最快移動速度1000mm/min，故本設(shè)計(jì)不能采用步進(jìn)電動機(jī)，只能選用伺服電動機(jī)，所以改變設(shè)計(jì)方案，選用直流伺服電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.伺服電機(jī)試選 許多機(jī)械加工需要微量進(jìn)給。要實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給，步進(jìn)電機(jī)、直流伺服交流伺服電機(jī)都可作為驅(qū)動元件。對于后兩者，必須使用精密的傳感器并構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給。在閉環(huán)系統(tǒng)中，廣泛采用直流伺服電機(jī)作為執(zhí)行單元。這

17、是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)： ⑴響應(yīng)特性高，響應(yīng)速度快; ⑵轉(zhuǎn)動慣量小，啟動、停止方便； ⑶高功率密度（體積小、重量輕）； ⑷可實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字控制； ⑸停電制動； ⑹調(diào)速范圍較寬； 采用直流伺服電機(jī)為驅(qū)動單元，其機(jī)構(gòu)也比較簡單，主要是滾珠絲杠副。通常步進(jìn)電機(jī)每加一個脈沖轉(zhuǎn)過一個脈沖當(dāng)量；但由于其脈沖當(dāng)量一般較大，如0.01mm，在數(shù)控系統(tǒng)中為了保證加工精度，廣泛采用直流伺服電機(jī)的閉環(huán)反饋控制。而本工作臺精度為1.001mm，所以選取直流伺服電動機(jī)作為驅(qū)動單元。 本工作臺行程200200mm，但閉環(huán)系統(tǒng)，控制部分對機(jī)構(gòu)頻繁控制，載荷不大，故選用小慣量，適合頻繁起動、制動電機(jī)。日本法

18、納克公司生產(chǎn)的用于工業(yè)機(jī)器人、CNC機(jī)床、加工中心的L系列（低慣量系列）直流伺服電機(jī)如表所示。 表2-3法納克生產(chǎn)的直流伺服電機(jī) 型 號 項(xiàng)目 低慣量系列 0L 5L 6L 7L 10L 輸出功率kw 0.3 0.6 1.1 3.0 6.0 額定轉(zhuǎn)矩Nm 2.5 4.9 8.8 24.5 49.0 最大轉(zhuǎn)矩Nm 12.3 24.5 44.1 73.5 147 最高轉(zhuǎn)速r min-1 2000 2000 2000 2000 2000 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Kg m2 0.00049 0.0008

19、8 0.0018 0.009 0.015 機(jī)械時間常數(shù)/ms 7 5 3 11 7 質(zhì)量/Kg 10 15 22 47 66 選擇直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)等于或稍大于工作要求的轉(zhuǎn)矩。額定功率小于工作要求，則不能保證工作機(jī)器正常工作，或使馬達(dá)長期過載、發(fā)熱大而過早損壞；額定功率過大，則電機(jī)價(jià)格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪費(fèi)。 ⑴根據(jù)公式：2piT=FPh 故，對電機(jī)軸而言：2piiTj=FmaxPh I——傳動比； Tj——伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩（Nm）； Fmax——軸向最大載荷；Ph——絲杠導(dǎo)程； 所以 Tj=FmaxP/2

20、Pii=(8500.004)/(2Pi3)=0.18Nm 若不考慮啟動時運(yùn)動部件慣性的影響，則啟動力矩 取安全系數(shù)為0.3，則Tq=0.18/0.3=0.61Nm 在法納克生產(chǎn)的直流伺服電機(jī)中，選取0L系列，其額定轉(zhuǎn)矩2.5Nm，遠(yuǎn)大于計(jì)算轉(zhuǎn)矩0.61Nm，足夠用。 2.5、伺服電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 由于本系統(tǒng)不必采用齒輪減速機(jī)構(gòu)，因此 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算公式，得 Jd=J0+Js+Jg 式中： Jd——折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（kg/m2）； J0——直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（kg/m2）； J3——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（kgm2）； M—

21、—移動部件質(zhì)量（）。 對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式計(jì)算 J=(piρ)/(32g) D4L( kgm2） 式中：D——圓柱零件直徑（m）；L——零件長度（m）; ρ——材質(zhì)密度（kg/m3）；g——9.8m/s2. 所以 Js=(3.1478001030.0140.2)/(329.8)=15.610-5kgm2 直線運(yùn)動物體的慣量: 根據(jù)能量守恒，得： (1/2) m v2=(1/2)J w2 設(shè)在△t時間里，絲杠轉(zhuǎn)了一圈，則上式成為： (1/2) m（h/△t）2=(1/2)J(2pi/△t)2 于是得：Jg=m(h/t/2pi)2 則，整個工作

22、臺的慣量為： （m+2m1）(0.04/2pi)2=(55+20) (0.04/2pi)2=3.0710-5kgm2 故Jd= Js +Jg=18.6710-5kgm2 電機(jī)軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，則 選取0L系列，查表2-3，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為4910-5kgm2 因?yàn)?/4

23、時，只要根據(jù)具體工作條件正確選擇軸承的類型和尺寸。驗(yàn)算軸承的承載能力。以及與軸承的安裝、調(diào)整、潤滑、密封等有關(guān)的“軸承裝置設(shè)計(jì)”問題。 2.7 軸承的類型 工作臺行程為200200，屬于輕載型，又所選用直線滾動導(dǎo)軌需用載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作載荷。故考慮到剛度與經(jīng)濟(jì)性，因此一端選用能承受大軸向力的角接觸球軸承，一端選用比較廉價(jià)的深溝球軸承。保證絲杠可以同時承受徑向載荷及軸向載荷。 分別選用6000系列深溝球軸承和60000AC系列角接觸球軸承。 2.8 軸承調(diào)隙、配合及潤滑 軸承的游隙和預(yù)緊時靠端蓋下的墊片來調(diào)整的，這樣比較方便。 滾動軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，為使軸承便于互換和大量生產(chǎn)，軸承內(nèi)孔

24、于軸的配合采用基孔制，即以軸承內(nèi)孔的尺寸為基準(zhǔn)；軸承外徑與外殼的配合采用基軸制，即以軸承的外徑尺寸為基準(zhǔn)。 考慮到電動刀架工作時轉(zhuǎn)速很高，并且是不間斷工作，溫度也很高。故采用油潤滑，轉(zhuǎn)速越高，應(yīng)采用粘度越低的潤滑油；載荷越大，應(yīng)選用粘度越高的。 2.9 滾動軸承的密封裝置 軸承的密封裝置是為了阻止灰塵，水，酸氣和其他雜物進(jìn)入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇ФO(shè)置的。密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類。此處，采用接觸式密封，唇形密封圈。 唇形密封圈靠彎折了的橡膠的彈性力和附加的環(huán)行螺旋彈簧的緊扣作用而套緊在軸上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要緊密封的部位。即如果是為了油封，密封唇應(yīng)

25、朝內(nèi)；如果主要是為了防止外物浸入，蜜蜂唇應(yīng)朝外。 2.10本章小結(jié) 對數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的主要零件及傳動系統(tǒng)的零件進(jìn)行設(shè)計(jì) 選型 零件校核，按照機(jī)械設(shè)計(jì)一書進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成機(jī)械部分。 第三章、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 雙坐標(biāo)工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅(qū)動、傳感器（光柵，限位開關(guān)）、人機(jī)交互界面（鍵盤、LED）等。 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，應(yīng)注意幾點(diǎn)：由于工作臺要求精度高，故電機(jī)應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價(jià)盡量低、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)的型號很多，而目前市

26、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)89S52，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)需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，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

27、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F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)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AT89S52，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。 AT89S52的性能參數(shù)為：Flash存儲器容量為8KB、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(jì)數(shù)器WDT、I/O口共有32個。 3.1.2 CPU接口

28、設(shè)計(jì) CPU接口部分包括傳感檢測部分、驅(qū)動部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示：（直線光柵） 前向通道 傳動驅(qū)動 （直流伺服電機(jī)） 人機(jī)界面 傳感檢測 AT89S52 （鍵盤、LED） 后向通道 圖3-1 CPU外部接口示意圖 AT89S52功能任務(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)先級別最高。 （2）通過程序?qū)崟r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AT89S52只有P1口和P3口是準(zhǔn)雙向

29、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AT89S52的I/O口線分配如下： （1）P1口硬件連接成鍵盤操作部分：P1.0~P1.3為行線，P1.4~P1.7為列線，鍵盤輸為44共16鍵，用于操作人員進(jìn)行控制； （2）P0口經(jīng)鎖存器74LS373接八位LED段選端，用以送控制字，實(shí)時顯示工作臺工作情況及位置； （3）P2.0、P2.1、P2.2經(jīng)三八譯碼器74LS138連接八位LED位選端，配合P0口共同完成對LED的硬件連接及控制； （4）P3口連接倆個二四譯碼，個

30、用來檢測倆個光柵信號，另一個用來實(shí)時檢測和控制倆個直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖3-2 AT89S52 控制系統(tǒng)圖 3.2 驅(qū)動系統(tǒng) 傳動驅(qū)動部分包括直流伺服電機(jī)的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動，直流伺服電機(jī)須滿足快速急停、定位和快速啟動、快速運(yùn)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(yùn)行。 3.2.1 直流伺服電機(jī)驅(qū)動電路和工作原理 有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和

31、民用場合。 無刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。 直流伺服電機(jī)控制比較復(fù)雜，需要高精度的反饋電路。CPU根據(jù)反饋的信號，實(shí)時調(diào)整、控制其脈寬，以不同速度帶動工作臺運(yùn)動。 直流伺服電機(jī)驅(qū)動電路中采用了PWM控制，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，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。 圖3-4 直流伺服電機(jī)驅(qū)動電路圖 3.3 傳感器及軟硬件設(shè)計(jì)

32、 由于步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(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

33、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(yùn)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(yùn)行的點(diǎn)動開關(guān)，按扭3是向X軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)動開關(guān)，按扭4是向Y軸負(fù)方向運(yùn)行的點(diǎn)動開關(guān)，按扭5是向Y軸正方向運(yùn)行的點(diǎn)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)。 光柵作為精密測量的一種工具，由于他本身具有的優(yōu)點(diǎn)，已在精密儀器、坐標(biāo)測量、精確定位、高精度精密加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。光柵測量技術(shù)是以光柵相對移動所形成的莫爾條紋信號為基礎(chǔ)的，對此信號進(jìn)行一系列的處理，即可獲得光柵相對移動的位移量。將光柵位移傳感器與微

34、電子技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行線性位移量的測量，以實(shí)現(xiàn)較高的測量精度。本雙坐標(biāo)工作臺由于其控制精度高，故選用光柵進(jìn)行測量、檢測和控制，經(jīng)接收元件后變?yōu)橹芷谛宰兓碾娦盘枺ń普t信號），采用邏輯辨向電路區(qū)別位移的正反方向，利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示結(jié)果。軟件采用C語言實(shí)現(xiàn)。 3.3.1 硬件電路 硬件電路主要有單片機(jī)AT89S52、計(jì)數(shù)器8253、細(xì)分與辨向電路、信號變換電路和直線光柵位移傳感器組成。如圖1所示 光柵位移傳感器 光柵位移傳感器包括以下幾部分：光柵(光柵光學(xué)組成)；光柵光學(xué)系統(tǒng)（其作用是形成摩爾條紋）；光電接收系統(tǒng)（由光敏元件組成，它將摩爾條紋的光學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號）。本系統(tǒng)采用

35、4個硅光電池。 位移信號 辨向電路 信號轉(zhuǎn)換電路 光柵位移 傳感器 單片機(jī) （CPU） 數(shù)據(jù)顯示電路 計(jì)數(shù)器8253 圖1 硬件原理圖 3.3.2 信號變換電路 信號變換就是將由光敏元件輸出的正弦電信號轉(zhuǎn)換成方波信號。我們選用LM339，來自光柵的莫爾條紋照到光敏元件硅光電池上，他們所輸出的電信號加到LM339的2個比較器的正輸入端上，而在這2個比較器的負(fù)輸入端分別預(yù)置一定的參考電壓，該參考電壓使光柵輸出的方波的高、低電平寬度一樣。 3.3.3 細(xì)分與辨向電路 1.細(xì)分電路 為記錄光柵上移過的條文數(shù)目和判斷光柵的

36、移動率等，傳感器中采用4極硅光電池來接收莫爾條紋信號。調(diào)整莫爾條紋的寬度B，使他正好與4個硅光電池的寬度相同。則可直接獲得在相位上一次相差90的4路信號，即進(jìn)行4倍細(xì)分。如圖2所示： 2.辨向電路 位移除了有大小外，還應(yīng)有方向。為了辨別標(biāo)尺光柵位移的方向，僅靠一個光敏元件輸出一個信號時不行的。必須有2個以上的信號根據(jù)他們的相位不同來判斷位移方向。因此，采用4個硅光電池來接收莫爾條紋信號，則輸出的4路信號在相位上依次相差90，利用這種特性設(shè)計(jì)的辨別方向的電路如圖3所示。 圖中u1,u2和u3,u4分別通過相同的電路實(shí)現(xiàn)對位移方向的區(qū)別。當(dāng)莫爾條紋上移時，則u1，u2有信號，則A點(diǎn)有

37、計(jì)數(shù)脈沖，B點(diǎn)為恒定電平；莫爾條紋下移時，則B點(diǎn)有計(jì)數(shù)脈沖，A點(diǎn)為恒定電平。用倆個不同計(jì)數(shù)器分別記錄上移和下移時所形成的脈沖數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)辨向。 3.3.4 LED顯示 1.電路 本X、Y工作臺用倆個直流伺服電機(jī)分別控制，倆導(dǎo)軌分別裝一套直線光柵，每個光柵的信號顯示采用4位靜態(tài)顯示。第一位為符號位，莫爾條紋上移為正，下移為負(fù)；第2、3位為小數(shù)位。段選位：8位（4+4）由單片機(jī)P0口徑74LS373鎖存后控制；而8個LED位選由單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2經(jīng)74LS138三八譯碼器再經(jīng)8078實(shí)現(xiàn)8個LED的位選。 2.軟件 顯示子程序 數(shù)據(jù)處理子程序 采集子程序

38、 軟件部分主要由采集子程序、數(shù)據(jù)處理和顯示子程序組成：如圖4 開始 圖4 程序流程圖 詳細(xì)流程見下圖： 顯示子程序 N Y 報(bào)警 結(jié)果為0？ 測量值與誤差比較 調(diào)測量取數(shù)子程序 調(diào)誤差修正子程序 調(diào)鍵盤掃描子程序 預(yù)置最大范圍 采集、檢測子程序 T0、T1初始化，清零 開始 Y 繼續(xù)測量 N 結(jié)束 Y N 長度測完 采集子程序完成對數(shù)值的讀入和轉(zhuǎn)化；數(shù)據(jù)處理子程序完成對采集數(shù)據(jù)的線

39、性化處理；顯示子程序?qū)Y(jié)果進(jìn)行循環(huán)顯示。程序流程如圖4所示 第四章、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，既可用匯編，也支持C語言編譯。同時具有完善的調(diào)試功能。 4.2 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 3FF8H PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAH PC EQU

40、3FFBH CMD EQU 02H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INT0IS ；外部中斷0入口 ORG 000BH AJMP TM0IS ；定時器0中斷入口 ORG 0013H AJMP INT1IS ；外部中斷1入口 ORG 001BH AJMP TM1IS ；定時器1中斷入口 ORG 0100H MAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0 ；外中斷負(fù)跳沿觸發(fā) 圖4-1

41、 SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A MOVX @DPTR，CMD ；A口輸入，B口輸出，C口輸入

42、 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

43、 LOOP：AJMP LOOP ；等待中斷 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(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個行程開關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機(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個中斷源，這六個中斷源分別是手動X正方向運(yùn)行，手動X負(fù)方向運(yùn)行，手動Y正方向運(yùn)行，手動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 INT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL

44、 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

45、 A，TM2C SETB P1.0 SETB P1.1 SETB P1.2 TM2C： 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

46、 POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI  4.4 INT1中斷服務(wù)流程圖 INT1IS：CLR EX1 MOV A，@DPTR PUSH ACC JNB ACC.4，RST PUSH

47、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

48、 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

49、 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 4.4.1 復(fù)位程序流程圖

50、 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，#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

51、Y電機(jī)反轉(zhuǎn) ACALL YMOTOR0 ；Y電機(jī)反轉(zhuǎn)一步 AJMP RPA LOOP0：AJMP LOOP1  4.4.2 X軸電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)程序流程圖 X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，@DPTR JNB ACC.0，LOOP2 MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR

52、0 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)動正轉(zhuǎn)的程序，其他的X軸電機(jī)點(diǎn)動反轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動正轉(zhuǎn)、Y軸電機(jī)點(diǎn)動反轉(zhuǎn)依次類推。  4.4.3 繪制圓弧程序流程圖 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，

53、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FY=X*X+（Y-1）*（Y-1）-R*R=F+2Y+1，Y=Y+1。插補(bǔ)程序見附錄。 4.4.4 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖 圖4-7 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)一步程序流程圖 DEF EQU 12H SJMP LP3 MOV DEF，#00H T

54、AB： DB FEH 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

55、 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 DEF，A LP4： MOV A，DEF DEC DEF 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

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