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1、北京理工大学珠海学院2010届毕业设计 毕业设计（论文）基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计总体设计学 院： 机械与车辆工程学院专 业： 姓 名： 指导老师： 机械工程及自动化学 号： 职 称： 教授中国珠海二一O年五月毕业设计（论文）诚信承诺书本人承诺呈交的毕业设计（论文） 基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计总体设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计（论文）使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计 总体设计摘 要本设计是基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计总
2、体设计，首先根据设计任务对机械传动部件进行计算与选型，其次是步进电动机的计算选型；由于系统采用的是半闭环控制，因此机械系统装配有增量式旋转编码器。在系统控制电路设计上，CPU采用的是AT89C52单片机，通过设有输出稳定直流电的驱动电源、光电隔离电路、开光量输入电路等，大大提高了微机的抗干扰能力，防止微机受干扰而误动。在外围电路的设计上，使用了可编程控制器8255A、步进电机驱动芯片ULN2003、三态缓冲器74LS240/74LS244、锁存器74LS373、8位8段共阴极数码管等芯片，在外围电路芯片的选择上以尽量节省I/O口、性价比较高、技术成熟以及市场上通用芯片为基准，故控制系统电路结构
3、简单，性能更优越。系统的人机接口设计了一个四行四列的矩阵式键盘作为指令的输入，和一个8位8段共阴数码管的动态显示电路；程序在Keil软件进行编译和调试，并在Proteus环境中实现程序及电路的仿真。关键字：步进电机 X-Y工作台 单片机 微控制器Design of X-Y NC Worktable Based on Microcontroller Overall DesignABSTRACTThe NC XY table system design is based on the microcomputer, first, calculation and chooses the transmi
4、ssion parts according to the design task, second, the calculation of step motor selection; because the system uses a semi-closed loop control, the mechanical system is equipped with incremental rotary encoder.In the control circuit design, used an AT89C52 microcontroller for CPU, with stable DC outp
5、ut by the driving power, optical isolation circuit and Switch output circuit and so on. Raise the level of protect their own computer interference. To prevent interference to computer malfunction.In the design of the external circuit, use a programmable controller 8255A, ULN2003 stepper motor driver
6、 IC, tri-State buffer 74LS240/74LS244, flip-latch 74LS373, 8-bit Common cathode LED digital tube and some other chips, the choices of the external circuit chip basis on try to save on I/O port, high costly with price lower, mature technology and Universal chip market,so control system circuit is Sim
7、ple, and Superior performance. Man-machine interface of the system use a 4*4 Matrix keyboard for command input, and a 8-bit common cathode LED digital tube; program compiler and debug in Keil, and use Proteus environment to achieve in the process and circuit simulation.Key words: Step-motor X-Y tabl
8、e Chip-Single Microcomputer MicrocontrollerII目 录摘 要IABSTRACTII1 前言11.1 课题设计研究背景和意义11.2 研究的内容11.3 研究的技术路线12 总体方案的确定22.1 机械传动部件的选择22.1.1 导轨副的选用22.1.2 丝杆螺母副的选用22.1.3 减速装置的选用22.1.4 伺服电动机的选用22.1.5 检测装置的选用22.2 控制系统的设计32.3 绘制总体方案图32.4 本章小结33 机械传动部件的计算与设计43.1 导轨上移动部件的重量估算43.2 铣削力的计算43.3 直线滚动导轨副的计算与选型43.3.1
9、滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取43.3.2 距离额定寿命L的计算53.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型53.4.1 最大工作载荷Fm的计算53.4.2 最大动载荷FQ的计算53.4.3 初选型号53.4.4 传动效率的计算63.4.5 刚度的验算63.4.6 压杆稳定性校核63.5 步进电动机减速箱的选用63.6 步进电动机的计算和选型73.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq73.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq73.6.3 步进电动机最大静转矩的选定93.6.4 步进电动机的性能校核93.7 增量式选转编码器的选用103.8 绘制进给传动系统
10、示意图113.9 本章小结114 控制系统硬件电路设计124.1 控制系统微控制器的选择与使用124.1.1 AT89C52单片机主要性能参数及功能特性124.1.2 AT89C52单片机的引脚功能144.1.3 AT89C52单片机复位电路164.1.4 AT89C52单片机振荡电路164.2 控制系统的电源设计与选择174.2.1 控制系统的电源硬件原理图174.2.2 隔离电源的选择174.2.3 控制系统的电源设计类型选择184.2.4 AT89C52及其扩展芯片电源设计184.2.5 TLP521-1光耦合器输入端电源设计204.3 光电隔离电路设计214.3.1 光耦合器的选用21
11、4.3.2 TLP521-1光耦合器的主要参数及工作参数214.4 开关量输入通道电路设计224.4.1 开关量输入通道总体硬件电路图234.4.2 开关量输入通道电路分析234.5 I/O接口芯片的应用电路设计234.5.1 74LS373扩展8位并行输出口234.5.2 74LS244扩展8位并行输出口244.5.3 74LS240扩展8位并行输出口244.5.4 8255A可编程并行输出244.6 步进电机控制系统设计284.6.1 步进电机的工作原理284.6.2 步进电机脉冲分配信号的设计294.6.3 步进电动机的驱动电源304.6.4 步进电动机控制系统电路图314.7 键盘与L
12、ED显示电路设计314.7.1 键盘电路设计314.7.2 显示电路设计324.8 本章小结345 仿真控制系统硬件电路设计355.1 Proteus简介355.2 Keil简介355.3 仿真控制系统硬件原理图355.4 本章小结366 控制系统人机接口软件设计376.1 键盘与显示总程序376.1.1 键盘与显示总程序流程图376.1.2 键盘与显示总程序原理376.2 显示程序376.2.1 显示程序流程图376.2.2 显示程序流程图解释376.2.3 LED显示原理386.3 键盘扫描程序396.3.1 键盘扫描程序流程图396.3.2 键盘扫描程序解释396.4 本章小结397 结
13、论与展望41参考文献42附 录43附录A 人机界面程序43附录B 外文文献翻译原文47附录C 外文文献翻译译文52谢 辞591 前言1.1 课题设计研究背景和意义随着现代信息技术的发展，制造业得到了快速发展，促使机械加工技术发生深刻的变化，企业不但追求高效率的生产模式，更追求高标准的质量要求；因此这使得机械设备的功能要求越来越强大，其结构及功能随之也变得复杂。所以能够设计出功能全面、效率高、耐压性强，加工精度高的机械加工设备是制造业中最重要的课题之一，我们此次研究的课题X-Y数控工作台属于高精密加工的核心部件，它的传动部件的定位精度直接影响系统的加工精度。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的
14、基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。数控工作台一般是指由步进电机驱动的开环控制工作台，但由于步进电机在起动及运行频率较高时易失步，无法达到较高的精度，因此本设计采用半闭环控制使控制精度大大提高。本设计为验证性设计，通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和人机接口软件的设计思路，通过Proteus软件进行仿真实验。1.2 研究的内容 X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，通常由导轨座、滑动模块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及步进电机的部件构成。控制系统可选用标准的工业控制计算机，也可设计专用的微机控制系统。本设计用AT89C52组成专用单片机控制系统，从键盘输入G代码后，能通过直线插补和圆弧插补，完成平面轮廓加工。设计要求完成整个控制系统的硬件设计和完成整个控
