x-y工作臺系統課程設計---二維水平數控滑臺

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文檔簡介

1、　　《機電系統課程設計》　　設計說明書　　設計題目：二維水平數控滑臺 　　設計　者： 　　學　　號：

2、;　　班　　級： 　　指定教師：　　　　　　　　　　　　　　　　完成時間：2013年3月13日　　一、設計任務書　　二維水平數控滑臺&l

3、t;/p>　　1.設計內容　　該設計可分為兩大塊，機械系統設計、和驅動控制系統設計。　　機械系統的設計主要包括：整體結構設計；電機、絲桿、導軌、聯軸器等標準器件的選擇；底板、軸承座、電機座等零件的設計。　　驅動控制系統設計包括：設計簡單的步進電機驅

4、動電路或根據電機選擇成品驅動器；選擇控制器或自行設計控制器，控制器配套軟件的設計。驅動控制系統最終要完成電氣原理圖。　　2.設計要求　　2.1機械系統設計要求：　　結構輕巧合理

5、　兩維的組合方式自擬　　技術指標　　2.2驅動電路的設計或選擇：　　針對所選擇的的電機，設計符合負載要求的驅動電路或選擇驅動器。　　2.3控制系統設計要求：

6、;　　要求實現的功能：　　1）電機的點動控制：電機正轉、反轉、停止等功能　　2）電機的輪廓控制：直線插補功能，圓弧插補功能　　3）電機的啟停時的加減速控制　　3. 設計任務

7、　　A．總體方案設計，收集資料，明確設計任務、方案的設計及選擇　　B．機械部分設計，具體任務包括結構設計、設計計算、零件圖繪制、裝配圖繪制　　C．電氣部分設計，包括驅動電路設計或選擇，控制器軟硬件設計或選擇，強電部分設計，電器原理圖繪制　　二、設計說明書

8、　　1.引言　　1.1數控機床的概念　　數控機床是數字控制機床（Computer numerical control machine tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統的自動化機床。該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數字表示，通過信息載體輸

9、入數控裝置。經運算處理由數控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。它與普通機床相比，其優(yōu)越性是顯而易見的，不僅零件加工精度高，產品質量穩(wěn)定，且自動化程度極高，可減輕工人的體力勞動強度，大大提高了生產效率，特別值得一提的是數控機床可完成普通機床難以完成或根本不能加工的復雜曲面的零件加工，因而數控機床在機械制造業(yè)中的地位愈來愈顯得重要。　　1.2數控機床

10、的組成　　數控機床一般由控制介質、數控裝置、伺服系統和機床本體組成。　　1.控制介質：以指令的形式記載各種加工信息；　　2.數控裝置：接受輸入的加工信息，經數控裝置運算處理，向伺服系統發(fā)出相應的脈沖；　　3.伺服系統：把數控裝置的脈沖信號轉換成機床運動部件的機械位移；用于

11、實現數控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。　　4.機械系統：包括，主軸部分、進給系統、刀庫和自動換刀裝置(ATC)、自動托盤交換裝置(APC)等。　　1.3X-Y數控工作臺　　X-Y數控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車床的縱—橫向進刀機構、數控銑床和數控鉆床的X-Y 工作臺、激光加工設備的工作臺、電

12、子元件表面貼裝設備等。　　模塊化的 X-Y 數控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y 方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可?？刂葡到y根據需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也

13、可以設計專用的微機控制系統。　　2.總體方案設計　　2.1 設計任務　　設計一個數控 X-Y 工作臺及其控制系統。　　設計參數如下：中心負載 M=15kg；工作臺行程X=150，Y=150；工作臺

14、最大速度V=2.4m/min；脈沖當量S=0.0025mm；傳動方式：絲杠直連。　　2.2 總體方案確定　　數控機床進給傳動裝置的精度、靈敏度和穩(wěn)定性，將直接影響工件的加工精度。為此，數控機床的進給傳動系統必須滿足:（1）傳動精度高；（2）摩擦阻力?。唬?）運動部件慣量小。　　此系統要求實現兩個電機的協調運動，以

15、及一定的正轉反轉停止等控制功能，采用單片機來控制步進電機，實現了軟件與硬件相結合的控制方法。利用單片機的強大功能控制步進電機驅動電路，可以控制電機的加減速控制功能，設置正、反轉、停止功能，因此采用基于單片機的控制方案。選用單片機、步進電機驅動芯片和鍵盤陣列，構建了集步進電機控制器和驅動器為一體的步進電機控制系統。二維工作臺作為被控對象通過步進電機驅動滾珠絲桿在X/Y 軸方向聯動。　　X-Y工作臺

16、的傳動方式：為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結構緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構。由于工作臺的運動載荷不大，因此采用有預加載荷的雙V形滾珠導軌。采用滾珠導軌可減少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動。　　3、機械系統設計　　3.1 導軌的選擇或

17、設計　　導軌是用金屬或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引導移動裝置或設備并減少其摩擦的一種裝置。導軌表面上的縱向槽或脊，用于導引、固定機器部件、專用設備、儀器等。導軌又稱滑軌、線性導軌、線性滑軌，用于直線往復運動場合，擁有比直線軸承更高的額定負載，同時可以承擔一定的扭矩，可在高負載的情況下實現高精度的直線運動。　　導軌按摩擦性質分為滑動摩擦導軌和滾

18、動摩擦導軌。　　滑動導軌運動件與承導件直線接觸。它的優(yōu)點是結構簡單、接觸剛度大；缺點是摩擦阻力大、磨損快、低速運動時易產生爬行現象。　　滾動導軌在運動件和承導件之間放置滾動體（滾珠、滾柱、滾動軸承等）。它的特點有①摩擦系數小、運動靈便，不易出現爬行現象；②定位精度高；③磨損較小，壽命長，潤滑方便；④結構較為復雜，加工較困難，成本較高；⑤對臟物及導軌面的誤

19、差比較敏感。　　A. X向導軌選用　　為了達到較高的精度，X 向導軌選用滾動導軌，參照MISUMI 公司的產品，下面確定導軌的型號。　　1）導軌的工作條件　　靜載荷：中心負載&l

20、t;/b>　　安裝方向：水平安裝　　導軌數目：2　　滑塊數目：2　　使用環(huán)境：工作環(huán)境為一般環(huán)境，必須進行潤滑，無需對導軌進行防銹、防銹處理。</

21、p>　　2）導軌受力分析　　靜態(tài)載荷：=73.5N　　根據所受靜態(tài)載荷，選定導軌的型號為：SSEL2BL10。　　基本額定靜載荷，基本額定動載荷　　3）導軌的額定壽命計算<p&

22、gt;　　額定壽命的計算公式：　　其中，：額定壽命（km）；：基本動額定載荷（N）；：負荷計算值（N）；：硬度系數，取值為1；：溫度系數，取值為1；：接觸系數，取值為1；：取值為1。　　則，　　B. Z向導軌選用

23、　　Z向導軌選用滑動導軌，導軌數目為2，根據機械設計手冊上常用導軌性能比較(下表)，我們選用開式“V”形導軌，一邊為三角形導軌，一邊為矩形導軌。　　三角形導軌的特點：該導軌在垂直載荷的作用下，磨損后能自動補償，不會產生間隙，故導向精度比較高。但壓板面仍需有間隙調整裝置。為增加承載面積，減小比壓，在導軌高度不變的條件下，應采用較大的頂角（110°～120°）；

24、為提高導向性，可采用較小的頂角（60°）。　　矩形導軌特點：結構簡單，制造、檢驗和修理方便，導軌面較寬，承載能力大，剛度高，故應用廣泛。　　3.2 滾珠絲杠的選擇　　選用HIWIN微小型滾珠絲杠　　3.2.1HIWIN滾珠絲杠的特點<

25、;p>　　1) 高效率及可逆性　　由于滾珠絲杠（滾珠螺桿）螺桿軸及螺帽均是點接觸之滾動運動，所以其效率可高達90%以上。因此其傳動扭矩僅只有傳統導螺桿的1/3，滾珠螺桿的機械效率遠高于傳統導螺桿。HIWIN滾珠絲杠（滾珠螺桿）在牙型表面采以超精密加工，以降低珠槽與鋼珠間的接觸摩擦，又鋼珠與珠槽間為點接觸之滾動運動，有低摩擦力及高運轉效率的優(yōu)點。故可降低馬達驅動力要求，進而降低成本。HIWI

26、N以高精度測試儀器并依循標準測試步驟以確保滾珠螺桿的效率。　　2)零背隙及高剛性　　CNC工具機、IT及半導體設備對于傳動螺桿的要求為零背隙、最小彈性變形（高剛性）及高順暢感，經由我們的特別設計可以達成此一要求。滾珠絲杠（滾珠螺桿）及HIWIN直線導軌、HIWIN導軌采用施加預壓力，來達到綜欣機臺的重現性及全行程的高

27、剛性。但過大的預壓力，會增加操作扭矩。如此增加的摩擦扭矩將會產生熱及降低預期壽命。透過我們特別的設計及制程，提供給您最佳化的滾珠螺桿——零背隙和低熱損失。　　3) 高導程精度　　HIWIN滾珠絲杠精度等級依循ISO，JIS和DIN標準制造亦可依顧客需求生產所需精度等級。采用精密雷射量測儀器來保證滾珠螺桿精度并隨每支研

28、磨級滾珠螺桿均附上導程精度表，予以100%品質保證。　　4) 壽命預測　　不同于傳統導螺桿的壽命取決接觸面之磨耗；HIWIN滾珠絲杠（滾珠螺桿）則取決于材料的疲勞破壞。為確保HIWIN滾珠絲杠（滾珠螺桿）在預期壽命之可靠度，不管設計、材質、熱處理及導程等皆采以最嚴格的專業(yè)考量。滾珠絲杠（滾珠螺桿）的預期壽命必須參考設

29、計品質及制程等幾項的安全因子，但最主要以動負荷（C）為依據。而影響動負荷的基本因素為——牙型精度、材料特性及表面硬度。高品質的滾珠絲杠（滾珠螺桿），必須達到在統計學上的B級壽命（亦即90%螺桿均達到所設計的壽命），有50%的滾珠螺桿壽命超過設計壽命值的2—4倍。　　5）低起動扭矩及順暢度　　傳統導螺桿因為是金屬與金屬間的面接觸，所以為克服起動摩擦力，則必

30、須采以較高的起動扭力。然后滾珠絲杠（滾珠螺桿）是由鋼珠滾動接觸，只須很小的起動扭矩力即可克服摩擦力。HIWIN采用最佳的牙型設計系數（形狀系數）及專業(yè)制造技術達成最佳真實牙型。且HIWIN導軌使用牙型測量設備，來監(jiān)測每一制程中的牙型。如此可確保符合設定之扭力范圍。HIWIN直線導軌亦使用電腦量測，以精確量測出滾珠絲杠（滾珠螺桿）的摩擦扭矩。　　6）靜音<

31、;/p>　　高品質機械設備于快速進給及重負荷操作下，依然必須要求低噪音。HIWIN嚴格控管循環(huán)系統及牙型設計，組裝技術，并嚴密檢測表面精密加工及尺寸，以達到低噪音的目標。　　7）短交期　　HIWIN以最快速的制程安排及庫存滾珠絲杠（滾珠螺桿）以達到短交期的目標。&l

32、t;p>　　8）優(yōu)于氣、液壓制動器的優(yōu)點　　若制動器中采用滾珠絲杠（滾珠螺桿）取代傳統的氣壓或液壓驅動可得到許多的優(yōu)點如：不會滲漏，不須過濾，省能源及重現性高。　　3.2.2 滾珠絲杠的選型和校核　　1）選擇導程

33、;　　根據導程計算公式　　其中，：馬達和驅動器所需要的步進角(°)，取0.36°；S：脈沖當量(mm)，0.0025mm；：滾珠絲杠的導程(mm)；A：減速比，取1。　　計算的滾珠絲杠導程=2.5mm。　　2）選擇型號

34、;　　行程為150mm選用HIWIN型號為R12-2.5T3-FSI-210-280-0.008的滾珠絲杠。額定靜載荷，額定動載荷,絲桿外徑12mm。　　3）選擇絲杠軸的安裝方法　　考慮到滾珠絲杠的剛性，選用兩端固定的支撐方式。根據絲杠軸外徑，選擇支撐單元的型號為EK8，軸承的型號為60000型628/8-Z深溝球軸承。</p

35、>　　4）靜態(tài)安全系數　　通常，基本靜額定負荷等于滾珠絲杠的容許軸向負荷。根據使用條件，對于計算負荷有必要考慮以下靜態(tài)安全系數。滾珠絲杠在靜止或運動中，由于沖擊或啟動停止所產生的慣性力等，會有意想不到的外力作用，務必注意。　　表1 靜態(tài)安全系數<

36、/p>　　軸向負荷的最大值計算公式：　　其中，：導向面上的摩擦系數,取最小值0.01；：運送質量(kg)，為整個上托板的質量加中心負載質量，為21.9kg；f ：導向面的阻力（無負荷時）(N)，為簡化計算?。粸榧铀俣龋ǎ?，，t為加速時間，取0.1s。　　靜態(tài)安全系數計算公式：　　顯然，

37、X方向滾珠絲杠上所受到的力小于Z方向上的受力，因此，只需對Z方向上的進行校核，則根據上述兩式計算得：　　，　　5）工作壽命的計算　　滾珠絲杠承受外部負荷運動時，在滾動面或鋼球上連續(xù)地承受循環(huán)應力的作用。當應力達到某個限度時，滾動面就出現疲

38、勞破損，一部分表面產生魚鱗狀的剝落。這種現象稱為表面剝落。滾珠絲杠的壽命是指，在滾動面或鋼球的任何一方，由于材料的滾動疲勞而產生的最初的表面剝落出現時為止，滾珠絲杠所旋轉的總轉數。　　關于滾珠絲杠的工作壽命，即使同樣方法制造出來的滾珠絲杠在相同運動條件下使用，其壽命也會有較大的差別。因此，作為滾珠絲杠壽命的基準，使用以下定義的額定壽命。所謂額定壽命是指，一批相同的滾珠絲杠在相同條件下分別運行時，

39、其中的90%不產生表面剝落（金屬表面的鱗片狀剝落）所能達到的總轉數。　　額定壽命（總轉數）的計算公式：　　其中，L：額定壽命（總轉數）(rev)；：基本動額定負荷(N)；Fa ：承載軸向負荷(N), ；fw：負荷系數，取fw =1。　　則，額定壽命&l

40、t;p>　　3.3 步進電機的選型　　步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；

41、同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。　　雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。　　1）步進電機選型&

42、lt;/p>　　根據步進角，電路部分設計選用五相交流電，因此，選用90BYG550A。其技術指標如下：　　2）步進電機的校核　?、僮羁旃みM速度時電動機的輸出轉矩校核　　設計任務書給定工作臺最快工進速度，脈沖當量<p&g

43、t;　　S=0.005mm /脈沖，電動機對應的運行頻率。由于電　　機的空載起動頻率可以達到2000Hz，所以認為此時步進電機可以輸出的最大功率接近起動頻率是的值，所以符合要求。　　②最快空載移動時電動機運行頻率校核　　工作臺最快工進速度，脈沖當量S=0.005mm /脈沖，電動機對應的運行頻率。。由步進電機技術

44、參數最大空載運行頻率為20KHz，所以肯定符合要求。　　③負載起動頻率的計算　　在步進電機矩頻特性未知的情況下，用起動頻率估算公式，其中，為空載起動頻率，因此，　　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　　1000Hz。實際上，在采用軟件升降頻

45、時，起動頻率選得更低。　　3.4其余標準件選型　　零件明細表如下：　　總體設計三維圖如下：　　4、控制部分設計　　4.1步進電機原理及硬件</p&g

46、t;　　總體設計方框圖　　4.2設計原理分析　　4.2.1元器件介紹　　（1）步進電機　　步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位

47、移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。　　步進電機分三種：永磁式（PM），反應式（VR）和混合式(HB)，步進電機又稱為脈沖電機，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉和制動的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉換為相應的角

48、位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實現精確定位的特點，使其在工業(yè)控制領域獲得了廣泛應用。步進電機的運轉是由電脈沖信號控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數成正比，每個一個脈沖，步進電機就轉動一個角度（不距角）或前進、倒退一步。步進電機旋轉的角度由輸入的電脈沖數確定，所以，也有人稱步進電機為數字/角度轉換器。　　五相步進電機的工作原理　　該設計采用五相步進電機，

49、單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機轉動。當某一相繞組通電時，對應的磁極產生磁場，并與轉子形成磁路，這時，如果定子和轉子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，則轉子將轉動一定的角度，使轉子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機旋轉的原因。　　步進電機的靜態(tài)指標及術語　　相數：產

50、生不同隊N、S磁場的激磁線圈對數，常用 m表示。　　拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖用 n 表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以五相電機為例，有四相四拍運行方式即 AB→BC→CD→DA→AB，四相八拍運行方式即 A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。　　步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用表示。<

51、;p>　?。ㄞD子齒角運行拍數），以常規(guī)二、四相，轉子齒角為 50 齒角電機為例。四相運行時步距角為θ=360 度/（50*4）=1.8 度，八拍運行時步距角為θ　　=360 度/（50*8）=0.9 度。　　定位轉矩：電機在不通電的狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。　　靜

52、轉矩：電機在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機不做旋轉運動時，電機轉軸的鎖定　　力矩。此力矩是衡量電機體積的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然　　靜態(tài)轉矩與電磁激磁匝數成正比，與定子和轉子間的氣隙有關。但過分采用　　減小氣隙，增加勵磁匝數來提高靜轉矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱

53、　　及機械噪音。　　步進電機的單片機控制　　步進電機的驅動電路根據控制信號工作。在步進電機的單片機控制中，控制信號由單片機產生，其基本控制作用如下：　　控制換相順序　　步進電機的通電換向順序嚴格按

54、照步進電機的工作方式進行。通常我們把通電換向這一過程稱為脈沖分配，例如，三相步進電機的單三拍工作方式，其各相通電的順序為A-B-C，通電脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A、B、C相的通電和斷電。　　控制步進電動機的轉向　　通過前面介紹的步進電動機的原理，我們知道，如果按照給定的工作方式正序通電換相，步進電動機就正轉；如果按反序通電換相，則電動機就反轉。例

55、如，四相步進電機工作在單四拍方式，通電換相的正序是A-B-C-D，電動機就正轉；如果按照反序A-D-C-B，電動機就反轉。　　控制步進電動機的速度　　如果給步進電機一個脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，就再轉一步。兩個脈沖間隔的時間越短，步進電機就轉動的越快。因此，脈沖的頻率決定了步進電動機的轉速。調整單片機發(fā)送脈沖的頻率，就可以對步進電機進行調速。<

56、;/p>　　五相十拍步進電機的脈沖分配規(guī)律　　目前，對步進電機的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設計利用單片機進行控制，主要是利用軟件進行環(huán)形脈沖分配。電機工作方式為五相十拍，根據步進電機的工作的時序和波形圖，總結出其工作方式為五相十拍時的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉速就越快，但脈沖

57、頻率高到一定程度，步進電機跟不上頻率的變化后電機會出現失步現象，所以脈沖頻率一定要控制在步進電機允許的范圍內。五相十拍工作方式通電順序為：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB，共有10個通電狀態(tài)。　　用軟件實現脈沖分配的接口示意圖　　如果P1口輸出的控制信號中，0代表使繞組通電，1代表使繞組斷電，則可用10個控制字來對應

58、這10個通電狀態(tài)。這10個控制字如下表所示：　　在程序中只要依次將這10個控制字送到P1口，步進電機就會轉動一個齒距角。每送一個控制字，就完成一拍，步進電機就會轉動一個步距角。程序就是根據這個原理設計的。　?。?）89C51單片機　　89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh

59、Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C單片機為很多嵌入式控制系

60、統提供了一種靈活性高且價廉的方案。　　主要特性：　　·與MCS-51 兼容 　　·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器　　壽命：1000寫/擦循環(huán) 　　數據保留時間：10年 </

61、p>　　·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz 　　·三級程序存儲器鎖定 　　·128*8位內部RAM 　　·32可編程I/O線 　　·兩個16位定時器/計數器 <p&

62、gt;　　·5個中斷源 　　·可編程串行通道 　　·低功耗的閑置和掉電模式 　　·片內振蕩器和時鐘電路　　4.2.2方案論證</b&

63、gt;　　系統由8個按鈕作為輸入，接到P0口上，分別控制X方向，Z方向的啟動與停止，反轉，直線插補，圓弧插補功能。系統的輸出線與步進電機的繞組數有關。這里選步進電機，該電機共有五相繞組，工作電壓為+5V，步進電機的五相繞組用P1 口的 P1.0~P1.4 和P2.0~P2.4 控制，由于 P1、P2口驅動能力不夠，因而用一片ULN2803增加驅動能力。控制系統流程圖為，&

64、lt;p>　　4.2.3硬件設計　　本設計的硬件電路只要包括控制電路、最小系統、驅動電路三大部分。控制電路只要由開關和按鍵組成，由操作者根據相應的工作需要進行操作。最小系統只要是為了使單片機正常工作。驅動電路主要是對單片機輸出的脈沖進行功率放大，從而驅動電機轉動。　　控制電路

65、;　　根據系統的控制要求，控制輸入部分設置了X方向啟動，X方向停止，X方向反轉，Z方向啟動，Z方向停止，Z方向反轉，直線插補，圓弧插補等8個按鈕，電路圖如圖所示，　　（2）最小系統　　單片機最小系統或者稱為最小應用系統，素質用最少的元件組成的單片機可以工作的系統，對 51 系

66、列單片機來說，最小系統一般應該包括：單片機、復位電路、晶振電路。　　復位電路：復位電路采用手動復位，所謂手動復位，是指通過接通一按鈕開關，使單片機進入復位狀態(tài)，晶振電路用 30PF 的電容和一 12M 晶體振蕩器組成為整個電路提供時鐘頻率。如圖示：　　晶振電路：8051 單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式電路得到：內部震蕩方式和外部中斷方式。在引腳XTA

67、L1 和XTAL2 外部接晶振電路器（簡稱晶振）或陶瓷晶振器，就構成了內部晶振方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。內部振蕩方式的外部電路如圖5 示。其電容值一般在5~30pf,晶振頻率的典型值為12MHz,采用6MHz 的情況也比較多。內部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實用電路實用較多。如下圖示：　　(3) 驅動電路

68、　　ULN2803包含8個NPN達林頓管，輸出擊穿電壓為50(V)，輸出電流為 500(mA)。　　八路NPN達林頓連接晶體管陣系列特別適用于低邏輯電平數字電路（諸如TTL, CMOS或PMOS/NMOS）和較高的電流/電壓要求之間的接口，廣泛應用于計算機，工業(yè)用和消費類產品中的燈、繼電器、打印錘或其它類似負載中。所有器件具有集電極開

69、路輸出和續(xù)流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803的設計與標準TTL系列兼容，而ULN2804 最適于6至15伏高電平CMOS或PMOS。所以選用ULN2803構成驅動電路，電路圖如圖所示，　　（4）行程開關電路　　行程開關部分，用的是四個開關按鈕代替的，當工作臺運行到X方向或者Z方向的極限位置時，行程開關被觸發(fā)。

70、四個行程開關并聯接入外部中斷接口INIT1。當行程開關被按下時，中斷響應，在程序中就將執(zhí)行停止程序。　?。?）電源電路　　電源電路部分是為將220V的電壓轉成電機和單片機可用的電壓。我們所選的電機額定電壓為50V，電路高電平電壓為5V，所以需要將220V的電壓轉成50V和5V的輸出。下圖中，變壓的原理為，先將220V

71、的電壓通過副邊雙繞組降壓變壓器轉成兩個50V的輸出。上半部分通過整流，穩(wěn)壓，反向運算放大器，輸出兩個接口口，一個為25V，一個為-25V，正好形成50V電壓，可以接在電機上使用。下半部分輸出一個5V的接口。　?。?）總體電路圖　　把各個部分的電路圖組合成總電路圖，見附電路圖中。

72、;　　5、軟件設計　　程序包含有一個鍵盤掃描程序，使用定時器完成的，當檢測到某個按鈕被按下時，就調用相應的函數來執(zhí)行。另外還有一個外部中斷程序，當檢測到行程開關被觸發(fā)后，就調用中斷函數，執(zhí)行停止運行的代碼。兩個方向的電動機在啟動時，都是逐級加速，之后勻速運動，停止時，逐級減速，直至停止，反向時，先檢測是否在運動中，如果在正向運動，則先停止電動機，再反向啟動電

73、動機。　　主程序設計　　在主程序中，需要進行變量、定時器、外部中斷的初始化，還有一個while循環(huán)語句，每次執(zhí)行都會檢測哪個按鈕被按下，如果有被按下的按鈕，則執(zhí)行相應的程序。　　定時中斷設計　　這

74、里的定時中斷，是用來定時不停地檢測按鍵狀態(tài)，若有被按下的按鍵，則將被按下的按鈕的ID賦給標識變量，再在主程序中對標識做處理，若檢測到按鈕松開，則在主程序中執(zhí)行停止運行的程序。　　外部中斷設計　　外部中斷是在行程開關觸發(fā)時響應。若在程序運行過程中，工作臺某個方向上到達了極限位置，行程開關就會被觸發(fā)，這時，中斷也就會觸發(fā)

75、，調用停止運行的函數，使電動機停止運行。　　程序執(zhí)行的流程圖為，　　源程序為：　　#include<reg51.h>　　#define uint unsigned int　　sbi

76、t xstart = P0^0;//x啟動　　sbit xstop = P0^1;//x停止　　sbit zstart = P0^2;//z啟動　　sbit zstop = P0^3;//z停止　　sbit xReversal = P0^4;//x方向反

77、向　　sbit zReversal = P0^5;//z方向反向　　sbit MOVL = P0^6;//直線插補　　sbit MOVC = P0^7;//圓弧插補　　uint speed[7] ={2000,1800,1600,1400,1200,1000,8

78、00};　　uint k,i;//分別為x正轉速度下標，z正轉速度下標　　uint m,n;//分別為x反轉速度下標，z反轉速度下標　　uint x,z;//x方向正反轉標識，z方向正反轉標識　　uint keyval; //儲存按鍵值<

79、p>　　uint ID;　　uint movX;//直線插補x方向參數　　uint movZ;//直線插補y方向參數　　uint fl;//直線插補步數　　void main()<

80、b>　　{　　TMOD=0x01; //使用定時器T0的模式1　　EA=1; //開總中斷　　ET0=1; //定時器T0中斷允許　　TR0=1

81、; //啟動定時器T0 　　TH0=(65536-500)/256; //定時器T0賦初值，每計數200次（217微秒）發(fā)送一次中斷請求　　TL0=(65536-500)%256; //定時器T0賦初值　　EX1=1; //外部中斷INT1允許&

82、lt;/p>　　IT1=1; //選擇負跳變觸發(fā)中斷　　keyval=0; //按鍵值初始化為0，什么也不做　　ID=0;　　k=0;i=0;m=0;n=0;

83、x=0;z=0;//初始均為正向　　while(1)　　{　　switch(keyval) //根據按鍵值keyval選擇待執(zhí)行的功能　　{</b&

84、gt;　　case 1:xstart(); //按鍵xstart按下,x方向啟動　　break;　　case 2:xstop(); //按鍵xstop按下，停止 　　break;

85、;　　case 3:zstart(); //按鍵zstart按下，z方向啟動　　break;　　case 4:zstop(); //按鍵zstop按下，停轉　　break;

86、　　case 5:xReversal(); //按鍵xReversal按下，x反轉　　break;　　case 6:zReversal(); //按鍵zReversal按下，z反轉　　break;

87、　　case 7:MOVL(); //按鍵MOVL按下，直線插補　　break;　　case 8:MOVC(); //按鍵MOVC按下，圓弧插補　　break;<

88、/b>　　case 0:if(ID==1||ID==5)//按鍵松開　　{　　xstop();　　}　　e

89、lse if(ID==3||ID==6)　　{　　zstop();　　}　　break;

90、　　}　　}　　}　　void Time0_serve(void) interrupt 1 using 1　　{

91、　　TR0=0; //關閉定時器T0　　if((P0&0xf0)!=0xf0) //第一次檢測到有鍵按下　　{　　delay(); //延時

92、一段時間再去檢測　　if((P0&0xf0)!=0xf0) //確實有鍵按下　　{　　if(xstart==0) //按鍵xstart被按下　　keyval=1;

93、　　if(xstop==0) //按鍵xstop被按下　　keyval=2;　　if(zstart==0) //按鍵zstart被按下　　keyval=3;<

94、/p>　　if(zstop==0) //按鍵zstop被按下　　keyval=4;　　if(xReversal==0) //按鍵xReversal被按下　　keyval=5;<

95、;/p>　　if(zReversal==0) //按鍵zReversal被按下　　keyval=6;　　if(MOVL==0) //按鍵MOVL被按下　　keyval=7;</p

96、>　　fl=4;　　movX=0;movZ=0;　　if(MOVC==0) //按鍵MOVC被按下　　keyval=8;　　}

97、　　}　　else　　{　　delay();　　if((P0&0xf0)==0xf0)<

98、/p>　　{if(keyval<7)　　{　　ID=keyval;　　keyval=0;　　}

99、　　}　　}　　TH0=(65536-200)/256; //定時器T0的高8位賦初值　　TL0=(65536-200)%256; //定時器T0的低8位賦初值

100、　　TR0=1; //啟動定時器T0　　}　　void int1(void) interrupt 1 using 1　　{<b

101、>　　xstop();　　zstop(); 　　}　　void xstart() //x啟動程序,正向　　{

102、　　if(m>0)　　{　　xstop();　　}　　else</b&

103、gt;　　{　　x=0;　　P1=0xfc;motor_delay(k);　　P1=0xf8;motor_delay(k);　　P1=0xf9;motor

104、_delay(k);　　P1=0xf1;motor_delay(k);　　P1=0xf3;motor_delay(k);　　P1=0xe3;motor_delay(k);　　P1=0xe7;motor_delay(k);　　P1=

105、0xe6;motor_delay(k);　　P1=0xee;motor_delay(k);　　P1=0xec;motor_delay(k);　　if(k<6)　　k++;

106、　　}　　}　　void xReversal() //x反向　　{　　if(k>0)<

107、/p>　　{　　xstop();　　}　　else　　{

108、;　　x=1;　　P1=0xec;motor_delay(m);　　P1=0xee;motor_delay(m);　　P1=0xe6;motor_delay(m);　　P1=0xe7;moto

109、r_delay(m);　　P1=0xe3;motor_delay(m);　　P1=0xf3;motor_delay(m);　　P1=0xf1;motor_delay(m);　　P1=0xf9;motor_delay(m);　　P1

110、=0xf8;motor_delay(m);　　P1=0xfc;motor_delay(m);　　if(m<6)　　m++;　　}

111、　　}　　void xstop() //x停止程序　　{　　switch(x)　　{</p&

112、gt;　　case 0:　　if(k>0)　　{　　k--;　　P1=0xfc;motor_

113、delay(k);　　P1=0xf8;motor_delay(k);　　P1=0xf9;motor_delay(k);　　P1=0xf1;motor_delay(k);　　P1=0xf3;motor_delay(k);　　P1=0

114、xe3;motor_delay(k);　　P1=0xe7;motor_delay(k);　　P1=0xe6;motor_delay(k);　　P1=0xee;motor_delay(k);　　P1=0xec;motor_delay(k);&l

115、t;p>　　}　　else　　{　　P1=0xff;　　k=0;</p

116、>　　}　　break;　　case 1:　　if(m>0)　　{&

117、lt;/b>　　m--;　　P1=0xec;motor_delay(m);　　P1=0xee;motor_delay(m);　　P1=0xe6;motor_delay(m);　　P1=0

118、xe7;motor_delay(m);　　P1=0xe3;motor_delay(m);　　P1=0xf3;motor_delay(m);　　P1=0xf1;motor_delay(m);　　P1=0xf9;motor_delay(m);<p

119、>　　P1=0xf8;motor_delay(m);　　P1=0xfc;motor_delay(m);　　}　　else　　{&

120、lt;p>　　P1=0xff;　　m=0;　　}　　break;　　}<

121、;/p>　　}　　void zstart() //z啟動程序,正向　　{　　if(n>0)　　{<

122、/b>　　zstop();　　}　　else　　{

123、z=0;　　P2=0xfc;motor_delay(i);　　P2=0xf8;motor_delay(i);　　P2=0xf9;motor_delay(i);　　P2=0xf1;motor_delay(i);

124、　P2=0xf3;motor_delay(i);　　P2=0xe3;motor_delay(i);　　P2=0xe7;motor_delay(i);　　P2=0xe6;motor_delay(i);　　P2=0xee;motor_delay(i);

125、　　P2=0xec;motor_delay(i);　　if(i<6)　　i++;　　}　　}&

126、lt;/p>　　void zReversal() //z反向　　{　　if(i>0)　　{　　zstop(

127、);　　}　　else　　{　　z=1;　　P2=0xec

128、;motor_delay(n);　　P2=0xee;motor_delay(n);　　P2=0xe6;motor_delay(n);　　P2=0xe7;motor_delay(n);　　P2=0xe3;motor_delay(n);

129、;　　P2=0xf3;motor_delay(n);　　P2=0xf1;motor_delay(n);　　P2=0xf9;motor_delay(n);　　P2=0xf8;motor_delay(n);　　P2=0xfc;motor_delay(n);

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