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1、-.目录目录一、总体一、总体2二、机械结构设计二、机械结构设计31、脉冲当量和传动比的确定32、机械部件(工作台)总体尺寸33、工作载荷分析及计算44、滚珠丝杠螺母副的选型和校核55、 导轨的选型和计算106、 联轴器的选择及计算117、 传动系统等效转动惯量计算128、 步进电机的选用13三、控制系统设计三、控制系统设计181、 控制系统硬件的基本组成182、 接口程序初始化及步进电机控制程序193、 直线圆弧插补程序设计22参考文献参考文献30一、一、 总体总体1、总体参数设计一个数控 XY 工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。已知的设计参数如下：最大铣刀直最大铣削宽
2、最大铣削深加工材料工作台加工最大移动.-可修编-.-.径mm20 mm度8 mm度4 mm碳钢围（mm）X=200， Y=150速度3 m/min2、开、半闭、闭环选择开环伺服系统步进电机驱动没有检测装置半闭环伺服系统交流或直流伺服电机驱动脉冲编码器速度反馈闭环伺服系统交流或直流伺服电机驱动位置检测装置位置反馈本设计采用开环步进电机驱动。3、传动初步设计电动机联轴器滚珠丝杠工作台4、系统组成框图大致确定为：控制、接口、驱动、传动再到执行。即为控制器 接口电路 驱动装置 传动机构 XY工作台5、机械传动系统简图X 轴与 Y 轴的传动系统简图都如图所示二、机械结构设计二、机械结构设计1、脉冲当量和
3、传动比的确定1.1、脉冲当量的确定根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。 考虑到机械.-可修编-.-.传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量为 0.01mm。1.2、传动比的确定传动比计算公式：i bL0专业课课程设计指导书（21）360P其中： 为步进电机的步距角， 为滚珠丝杠导程， 为系统脉冲当量。 根据传动设计，采用联轴器，初选电机步距角b 0.9，丝杠导程L0 4mm，P 0.01mm。则其传动比i bL00.941360P3600.012、机械部件(工作台)总体尺寸由于工作台的加工围为 X200mm，Y150mm。工作台尺寸一般为工作
4、台加工围的 1.1 倍。所以： X2001.1220mm, Y1501.1165mm， 其厚度初定为 30mm。选择工作台的型槽为 T 型槽，查电子版袖珍机械设计师手册中的 T 型槽和相应螺栓(摘自GB/T158-1996) 表3-25T型槽和相应螺栓尺寸，可得所选 T 型槽的参数：A10mmB18mmC8mmH21mm间距取 50mm一取工作台厚度为 T 型槽厚度的 2 倍，即 22142mm。.-可修编-.-.工作台质量：M0 7.81032751032201034210319.82kg,即纵向丝杠所承受的质量。在工作台上的工件和夹具的质量估计为M1 60kg所以总的移动部件的重量为M M
5、0 M119.8260kg 79.82kg 80kg3、工作载荷分析及计算3.1 销削力的分析与计算铣削运动的主运动为铣刀绕自身轴线高速回转， 进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给） 。根据机械制造技术基础课程设计指导教程选铣刀。由表 316，根据最大铣刀直径 d20mm， 最大铣削宽度ae10mm， 最大铣削深度ap 5mm选择莫氏锥柄立铣刀，立铣刀各参数如下：直径围推荐直标准系标准系径列列1231923.6202238140af 0.07(mm/ z)由表 511 高速钢立铣刀铣平面的铣削进给量中选取，由专业课课程设计指导齿数粗齿中齿细齿346书表 2
6、2 查得高速钢铣刀铣削力公式，选定铣刀转速n 600r /min，由专业课课程设计指导书表 23 查得切削力公式中铣削力系数CFz 68.2，因此铣削力为：Fz 9.81CFzae0.86af0.72d00.86apZ 9.8168.2100.860.070.72200.8643由表 21 和表 22 中表示每齿进给量(mm/齿)，即铣刀每转一个齿间角时， 工814.32N.-可修编-.-.件与铣刀的相对移动量，每齿进给量、每转进给量f (mm/r)和工作台进给速度三者之间的关系为vafzn(mm/min)式中 z 为铣刀齿数，n 为铣刀转速(r /min)可得工作台进给速度vafzn0.07
7、3600(mm/min)126(mm/min)3.2 进给工作台工作载荷计算作用在工作台上的合力与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力 F 大小相同， 方向相反， 合力就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷，工作台横向进给方向载荷和工作台垂直进给方向载荷。工作台工作载荷、和与铣刀的切向铣削力之间有一定的经验比值。 因此，根据专业课课程设计指导书表 24，查工作台载荷与切向铣削力的经验比值：不对称铣削铣削条件比值逆铣圆柱铣、立铣盘铣和成型铣0.350.400.350.400.200.300.750.801.001.20顺铣0.8
8、00.90求出后，根据最大的经验比算，即可计算出工作台的计算载荷、和。FL1Fz1538.12 977.21NFC 0.2Fz 0.2814.34 325.74NFV 0.4Fz 0.4813.34 651.47N4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核4.1 滚珠丝杠螺母副类型选择.-可修编-.-.4.1.1 主要类型采用回珠器处在螺母之的钢珠循环方式，另外， 为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的钢度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，初步选用垫片预紧式。4.1.2 主要参数及代号4.1.2.1 滚珠丝杠副的主要参数公称直径，数控机床常用的进给丝杠的公称直径为30mm至80mm，但这是X-Y 工作台，不
9、用太大，初选d0 20mm。基本导程(螺距)， 由步距角b 0.9、 脉冲当量P 0.01mm/脉冲和传动比i 1确定L0 360pi/b 4mm。精度等级，一般选用 4 级7 级，数控机床及精密机械可选用 2 级3 级。它是滚珠丝杠副的重要指标，直接影响定位精度、承载能力和接触刚度。4.1.2.2 滚珠丝杠副的标注查专业课课程设计指导书丝杠的特征代号见表2-6，初步选择滚珠丝杠副为FDM1604-3，导轨面的硬度为 5864HRC。查机械设计手册第三版第 3 卷成大先主编表 12-1-17 其具体参数如下：公称规格代号额定动载滚珠直径螺旋升角循环列数荷额定静载荷公称直径导程接触刚度Dh04C
10、a(KN)Coa(KN)8.223Kc(N /m)2504-3253403336544.2 滚珠丝杠螺母副的型号选择及校核步骤4.2.1 最大工作载荷滚珠丝杠上的工作载荷Fm(N)是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力。.-可修编-.-.采用实验公式计算，对于三角形或综合导轨Fm KFL f(FV G)专业课课程设计指导书（2-12）式中：为工作台纵向进给力方向载荷，为工作台垂直进给方向载荷， G 为移动部件的重力（N） ，K 和分别为考虑颠覆力距影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，对于三角形或综合导轨 K1.15，滚动导轨f0.0025 0.005，取f 0.004
11、。所以：Fm KFL f(FVG) 1.15814.34 0.004(651.47 8010) 1356.02N4.2.2 最大动负载 C 的计算及主要尺寸初选滚动丝杠最大动载荷 C 可用下式计算：C 3L fmFm专业课课程设计指导书（2-14）式中：L 为工作寿命，单位为106r，L 60nt /106；n 为丝杠转速(r /min)，n 1000v/ L0；v 为最大切削力条件下的进给速度(m/min)，为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t 为额定使用寿命（h） ，可取 t=15000h；为运转状态系数，无冲击取11.2，一般情况取1.21.5，有冲击振动取1.52.5；为滚
12、珠丝杠工作载荷（N） 。初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷不得小于最大动载荷C；Ca C。取fm1.1，而工作台进给速度v 126(mm/min)，则工作寿命：L 60nt /106 601000vt /106L0 6012615000/1064 28.35(106r)则C 3L fmFm328.351.11356.02N 4710.8N因为Ca8.2kN C，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。4.2.3 传动效率计算.-可修编-.-.滚珠丝杠螺母副的传动效率为：tan专业课课程设计指导书（2-15）tan()arctan L0arctan41.210，为摩擦角，d016其中，
13、为丝杠螺旋升角，可由滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f 0.003 0.004，其摩擦角约等于。tantan1.201100% 100% 87.87%tan()tan(1.21010)滚珠丝杠副的传动效率较高，一般取 0.80.9 之间，可知，上式传动效率计算有效。4.2.4 刚度验算4.2.4.1 丝杠的拉压变形量滚珠丝杠计算满载时拉压变形量：1 FmL专业课课程设计指导书（2-15）EA其中：为在工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量(mm)，为丝杠的工作载荷(N)，L 为滚珠丝杠在支承件的受力长度(mm)，取L 400mm，E 为材料弹性模量，对钢E 20.6104Mpa，A 为滚珠丝杠按径
14、确定的截面积(mm2)，d17.52“+”号用于拉伸， “-”号用于压缩。A ( )2() 376.68mm2，22F L1356.02400则1 m 0.00669mm4EA20.610 376.684.2.4.2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。有预紧时，可以使用下式计算：2 0.0013Fm3DwFYJZ2(mm)专业课课程设计指导书（2-17）其中： 为滚珠直径(mm)， 为滚珠总数量ZZ圈数列数， Z 为一圈的滚珠数， ，Z(d0/ Dw) 3(内循环)， 为 滚 珠 丝 杠 的 公 称 直 径(mm)， 为 预 紧 力
15、.-可修编-.-.(kgf， 1kgf 9.8N)，为滚珠丝杠的工作载荷(kgf， 1kgf 9.8N)查表可得Dw 2.381Z(d0/ Dw)3(内循环) 20/3317.934Z Z 圈数列数 17.64332 10711Fm1356.02 /10kgf 135.602kgf，FYJFm135.602/10kgf 46.123kgf332 0.0013Fm3DwFYJZ2 0.0013135.6023346.1231072 0.00154mm由于当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3 时，值可减少一半左右。4.2.4.3 滚珠丝杠副刚度的验算丝杠的总变形量12应小于允许的变形
16、量。一般不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。或者， 由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它小。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。查机械设计手册，滚珠丝杠副行程精度，表12-1-19，在效行程 L 平均行程变动量，根据机床的定位精度为可得为0.023mm，12 0.00667 0.00154 0.00853mm 0.0115mm。因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。4.2.5 压杆稳定性验算滚珠丝杠长度确定根据经验公式l l行程 L l其余其中 L 由 1604-3 丝杠副中取 L=65mm.故=250+65+50=365mm圆整=365mm.-可修
17、编-.-.=200+65+50=320mm圆整=320mm滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷为：FKfzEI专业课课程设计指导书（2-18）L2其中：E 为丝杠材料弹性模量，对钢E 20.6104Mpa，I 为截面惯性矩，对丝杠圆截面I d14/ 64 204/ 64 7853.98mm4，fz 2.0（丝杠承载方式系数，选用一端固定，一端简支方式）fzEI2.020.61047853.984则较验较长的丝杠：FK 2610 N22Lx400临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于需用稳定安全系数nk，则
18、该滚珠丝杠就不会失稳。因此，滚珠丝杠的压杆稳定条件为：FK26104nk 67.53nk 4Fm1356.02因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。4.2.6 滚珠丝杠螺母副安装连接尺寸在确定丝杠副类型及型号及进行了传动效率、刚度和稳定性校核后，还需要考虑其他一些设计事项。比如：避免丝杠外露；螺母在有效行程配置限位装置，以免越程滚珠流失；滚珠丝杠必须润滑，常用锂树脂；丝杠副螺母安装连接尺寸等。根据表 2-12 和图 2-12 循环滚珠丝杠副（包括浮动反向器及固定反向器）滚珠螺母安装、连接尺寸：公称直径规格代号2504254406653115.5105.7公称导程滚珠螺母安装、连接尺寸.-可修编-.
19、-.5、导轨的选型和计算5.1 滚动导轨本设计采用整体型直线滚动导轨，因为它是根据预紧订货，不需要自己调整。5.2、直线滚动导轨副的计算专业课课程设计指导书表 2-16 列出了组合夹具厂两种型号（SGDA 和 SGDB）直线滚动导轨副的主要参数，其中为额定动载荷，C0a为额定静载荷(kN)。初选 GDA20 滚动导轨，根据指导书表2-16 可得其导轨参数，其额定动载荷Ca12.4kN。这个行走距离称为滚动导轨的距离额定寿命， 它可根据滚动导轨的额定动载荷用下列公式进行计算：CafHfTfCL 50F专业课课程设计指导书（2-20）fW3其中：L 为滚动导轨副的距离寿命(km)，F 为每个滑块上
20、的工作载荷(N)，F FvG651.478010 362.867N， 为 硬 度 系 数 ， 导 轨 面 的 硬 度 为445864HRC 时，1.0，为温度系数，当工作温度不超过100C时，fT1，为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时fC 0.81，为载荷/速度系数，无冲出振动或v 15m/min时fW11.5，取fW1.3。则滚动导轨副的距离寿命 L：CafHfTfC12.4103110.81L 50 50 613.621kmFf362.8681.2W3从产品样本中选定了滚动导轨副的型号，计算距离寿命L 或小时额定寿命，若L或大于滚动导轨的期望寿命时，则满足设计要求，初选的滚动导轨副即可采
21、用。由于L 613.621km 50km，所以初选的滚动导轨副满足要求。6、联轴器的选择及计算.-可修编-.-.初步选用 GH1 系列螺纹线联轴器，其特点：重量轻，体积小；高强度铝合金材料，阳极氧化处理；具有抗油污耐腐蚀功能；可吸收振动，补偿径向，角度偏差和零回转间隙；适用于马达，编码器，丝杆传动，机床平台；微电机等精密产业机械。初选：GH1-19-，其中：GH1 表示系列号，19 表示外径为 19mm。注:系列号后面不带 C 为顶紧固定方式外型尺寸:(单位为 mm)规格型号GH2-32-技术参数扭矩（N/M）规格型号额定最大(mm)GH1-19-4.590.150.11.0100001.7径
22、向轴向(mm)角度(0) 速(rpm)(N.m)纠缠能力最高转 拧紧力矩D32L41L16.0MM4可做最大径14GH1-19-，由计算得出，其中一个为丝杠跟联轴器连接尺寸，另一个为电机轴跟联轴器的配合尺寸。已知可做最大径为 10，则选丝杠端与联轴器配合尺寸为 10mm。7、传动系统等效转动惯量计算由于传动部件并不都与电机轴同轴线， 还存在各传动部件转动惯量向电机轴的折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。7.1 转动惯量的计算基本公式.-可修编-.-.对于轴、轴承、联轴器、丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式，当钢材材料密度为7.8103(kg cm2
23、)时，有J 0.78D4L103(kg cm2)指导书（2-3）P7其中：D 为圆柱体直径(cm)，L 为圆柱体长度(cm)。7.2、转动惯量折算7.2.1 滚珠丝杠转动惯量折算根据滚珠丝杠惯量折算到电机轴上为：JS/i2， 为丝杠与电机轴之间的总传动比。根据滚珠丝杠的公称直径d0125mm，其长度L 400mm则JS 0.78D4L103 0.7812.54401031.219(kg cm2)7.2.2 工作台等效转动惯量折算工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴（图2-2）上的转动惯量可按 L 下式进行：JG0 M(kg cm2)指导书（2-6）P82其中：为丝杠导程(cm)，为工作
24、台质量(kg)。则其等效工作台转动惯量：2 L 0.4 2JG0M 80 0.324(kgcm )227.2.3 联轴器等效转动惯量折算对于联轴器按其外径计算D 32mm，长度为L 4.1mm，则其等效转动惯量：JL 0.78D4L103 0.783.244.1103 0.335(kg cm2)227.2.4 传动系统各部件折算到电机上的总等效转动惯量：则J JS JG JL1.219 0.324 0.335 1.878(kg cm2)8、步进电机的选用根据步进电机的优点，输出转角（步距角）无长期积累误差，每转一圈积累误差会自动消失。启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉.-可
25、修编-.-.冲周期完成并且具有定位转矩。8.1 步距角的选择定位精度要求较高，运行围较广的控制系统，应选用步距角较小，运行频率较高的步进电机。已知脉冲当量P0.01mm/脉冲，丝杠的导程=4mmbL00.94代入数据得0.01P由公式 2-23Pi3601360即步进电机的步距角b 0.98.2 步进电机输出转矩的选择步进电机最大静转矩Mj max是指步进电机的定位转矩（静止状态） ，是选择步进电 机 的 最 基 本 的 参 数 。 步 进 电 机 空 载 启 动 转 矩 可 按 下 式 计 算Mkq Mka Mkf M0(2-24)其中Mkq为空载启动力矩(N cm)；Mka为空载启动时运动
26、部件由静止上升到最大快进速度时，折算到电机上的力矩(N cm)；Mkf为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩(N cm)； 为由于丝杠预紧， 折算到电机轴上的附加摩擦力矩(N cm)。加速度力矩由nmaxvmaxb30000.9750(r/min)P3600.01360初设运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间t 0.2s。则加速度力矩Mka J J空载摩擦力距空载摩擦力矩Mkf：MkfGfL0(N cm)专业课课程设计指导书(2-27)2ni2nmax27501021023.927(N cm)60t600.2式中： G 为运动部件的总重量 （N） ，G 609.8N； 为导轨摩擦系数，f0
27、.004；为传动系统总效率，一般取=0.70.85。.-可修编-.-.则MkfGfL080100.0044 2.546(N cm)2i20.801附加摩擦力距附加摩擦力距：M0FYJL0(12)(N cm)专业课课程设计指导书(2-28)2i其中：为滚珠丝杠预加载荷，即预紧力，一般取的 1/3；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 0.9。则：M0FYJL01356.02/30.4(12) (10.922) 4.902(N cm)2i20.92步进电机空载启动转矩为：Mkq Mka Mkf M0 3.927 2.546 4.902 11.375(N cm)根据表 2-17 步进电机启动转矩Mk
28、q与最大静转矩Mj max1关系相数步进电机拍数Mkq/Mj max1三相364四相85五相106六相120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866选取步进电机为四相八拍式，算出步进电机空载启动时所需的最大静转矩Mj max则Mjmax1 Mkq/0.707 16.089(N cm)8.3 总负载转矩Mfq的计算运动部件正常工作，电动机的启动为带负载启动，其总负载转矩Mfq可按下式计算：Mfq Mka Mkf M0 MF专业课课程设计指导书(2-20)其中：MF为作用在工作台的合力 F 折算到电机上的转矩。FL0814.340.4MF56.351(N cm)2
29、i20.921Mfq Mka Mkf M0 MF 3.927 2.546 4.902 56.351 67.726(N cm).-可修编-.-.根据下式算出运动部件正常运行时所需的最大静转矩Mj max2：Mjmax2Mfq0.3 0.511.375 135.452(N cm)按Mj max1和Mj max2中的较大者选取步进电机的最大静转矩Mj max，并要求Mj max maxMj max1，Mj max 2根据最大静转矩和步距角在表2-18 BF反应式步进电动机技术参数表中初选电动机型号：步电机型号距角最大静转矩最高空运行载启动频率频率/ Hz外形尺寸转子转分配动惯量质量外方式/kg径四相
30、/mm长轴/()/ N m/ Hz105kg m2度径1490BF000.913.922000800017.644.5八拍90598.4 启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。8.4.1 启动矩频特性进行校核前面进行是对初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求， 但是不能保证电机在快速启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。如右图所以为 90BF001 步进电机的启动矩步特性曲线。已知空载启动力矩Mkq 7.425(N cm)找得对应的.-可修编-.-.允许启动频率，fyq 2000(步/s)。由于 90BF001 步进电机的最高空载启动频率为 2000(步
31、/s)，所以fq fyq，即电机不失步。8.4.2 运行矩频特性校核要对快速进给运行和工作进给运行两种工况分别校核，确保快进和工进时均不丢步。如右图所示为 90BF001步进电机运行矩频特性曲线。1、快速进给运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率fKJ可按式(2-33)fKJ1000vmax10003 5000Hz快速进给时已经不存在加速力矩项Mka，并60P600.01且 一 般快 进时 处于空 载 状态 ，故 快进力 矩MKJ的 计 算公 式只保 留 了MKJ Mkf M0， 则 快 进 时 ， 折 算 到 电 机 轴 上 的 摩 擦 力 矩MKJ Mkf M0 2.546 4.902
32、 7.448(N cm)从 90BF001 步进电机运行矩频特性曲线，根据MKJ可找得fyKJ 8000Hz，而实际步进电机的最高快进运行频率fKJ 5000Hz fyKJ， 所以， 快进时电机不丢步。8.4.3 工进运行矩频特性校核工进时步进电机的运行频率fGJ1000vG10000.126 210Hz60p600.01f (FvG)L00.004(651.47 8010)0.4 0.402(N cm)摩擦力矩Mf2i20.92工作负载力矩折算到电机上的力矩MtFtL0977.210.4 67.62(N cm)2i20.921.-可修编-.-.工进时电机运行力矩MGJ M0 MfMt1.90
33、2 0.402 67.62 72.924(N cm)根据工进频率fGJ 210Hz，查 90BF001 步进电机运行矩频特性曲线，得MyGJ 4(N m)，而电机MGJ 72.924(N cm) 0.73(N /m)，所以步进电机在驱动工作台时不会失步。8.4.4 验算惯量匹配电动机轴上的总当量负载转矩惯量与电机轴自身转动惯量的比值应该控制在一定的围，既不应太大，也不应太少，即伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件的变化而引起的负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。如果该比值太小，说明电动机选择或传动比
34、设计不太合理，经济性较差。为使该系统惯量达到较合理的匹配，一般应将比值控制在Jm1.764(kg cm2)J JS JG JL 0.032 0.324 0.637 0.913(kg cm2)11之间。4Jd0.9131J 0.517，由此可见，d1，符合惯量匹配要求。Jm1.7644Jm8.5 步进电机的安装尺寸步进电机的安装比较简单，不带机座，用定位止扣进行安装定位，以保证步进电机安装的同轴度。小尺寸电机的安装面上有螺孔供安装，大尺寸电机的安装面上有通孔供安装。三、控制系统设计三、控制系统设计1、控制系统硬件的基本组成1.1微处理器选择在以单片机为核心的控制系统中，大多数采用 MCS-51
35、系列单片机的 8031.-可修编-.-.芯片，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统。8031 部包含一个 8 位 CPU，128 字节的 RAM，两个 16 位的定时器， 四个 8 位并行口， 一个全双工串行口， 可扩展的程序和数据存储器各 64K，有 5 个中断源。1.2系统扩展系统中采用键盘实现输入，并采用 LED 显示器，它们均需要占用较多芯片口线， 所以该系统需要进行系统扩展。 可编程并行接口 8255A 是一种应用广泛的并行接口扩展器件。 它具有三个 8 位并行口 PA、 PB、 PC， 由此提供了 24 条口线。1.3显示模块与键盘连接如图
36、 3-2，通过 P1 口及译码器的键盘和显示接口电路。这里由 P1 口的准双向口功能可以实现一口多用。首先，使 P1 口的低 4 位输出字形代码；P1 口的高 4 位输出一个位扫描字，经 38 译码器后显示某一位，并持续 1ms。各位扫描一遍之后，关掉显示。其次，使 P1 口的高 4 位转为输入方式，使 P1 口的低 4 位输出键扫描信号，有键按下时，转入键译码和处理程序。.-可修编-.-.图 32 通过 P1 口及译码器的键盘和显示接口电路1.4步进电机驱动电路设计步进电机的驱动电路设计主要涉及脉冲分配器的选择问题和驱动电路的选择问题。时下脉冲分配器主要有两种：一种是硬件脉冲分配器（国主要有
37、 YB 系列） ，另外一种是软件脉冲分配器。软件脉冲分配器不需要额外的电路，相应的降低了系统的成本， 虽然这种方法占用了一定的计算机运行时间，但是在该设备中计算机有足够的资源来担当买中分配任务。该系统采用软件来经行脉冲分配更为合理。单片机与步进电机的接口电路如图33。.-可修编-.-.图 33单片机与步进电机的接口电路2、接口程序初始化及步进电机控制程序2.18255A 初始化程序INTT:MOVDX,8255A 控制端口MOVAL,86HOUTDX,ALMOVAL,05HOUTDX,AL2.240H 类型中断服务程序MOVDX,8255AINAL,DXIRET2.3步进电机驱动程序2.3.1
38、电机的控制电路原理及控制字节拍通电相正转123456反转876543AABBBCCCD二进制000000010000001100000010000001100000010000000101十六进制01H03H02H06H04H05H控制字.-可修编-.-.7821DDA000001100000011106H07H设电机总的运行步数放在 R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位 F1（D5）中，当F1 为 0 时，电机正转，为1 时则反转。正转时P1 端口的输出控制字 01H,03H,02H,06H,04H,05H 存放在片数据存储单元 20H27H 中，28H 中存放结束标志 00H，在
39、29H2EH 的存储单元反转时 P1 端口的输出控制字01H,05H,04H,06H,02H,03H,在 2DH 单元存放结束标志 00H。2.3.2 电机正反转及转速控制程序PUSHA；保护现场MOVR4,#N；设步长计数器CLRC；ORLC,D5H；转向标志为 1 转移JCROTE；MOVR0,#20；正转控制字首址指针AJMPLOOP；ROTE:MOVR0,#27H；反转控制字首地址LOOP:MOVA,R0；MOVP1,A；输出控制字ACALLDELAY；延时INCR0；指针加 1MOVA,#00H；ORLA,R0；.-可修编-.-.JZTRL；LOOP1:DJNZR4,LOOP；步数步
40、为 0 转移POPA；恢复现场RET； ；返回TPL:MOVA,R0；CLRA；SUBBA,#06H；MOVR0,A；恢复控制字首指针AJMPLOOP1；DELAY:MOVR2,#M；DELAY1:MOVA,#M1；LOOP:DECA；JNZLOOP；DJNZR2,DELAY1；RET；3、直线圆弧插补程序设计在机电设备中，执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。在数控机床中，这是由 X、Y 两个方向运动的工作台，按照插补控制原理实现的。3.1 直线插补程序的设计3.1.1 用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步，都需要以下四个步骤：偏差判别：判别偏差F
41、m 0或Fm 0，从而决定哪个方向进给和采用哪个偏.-可修编-.-.差计算公式。坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X、+Y、-X、-Y 的哪个方向进给。偏差计算：进给一步后，计算新的加工偏差。终点判别：进给一步后，终点计算器减 1.若为 0，表示到达终点停止插补；不为 0，则返回到第一步继续插补。终点计算判别可用两个方向坐标值来判断，也可由一个方向的坐标值来判断。当Xe Ye，可用 X 方向走的总步数作为终点判别的依据， 如动点 X 等于终点则停止。当Xe Ye，则用 Y方向走的总步数作为终点判别的依据。由此，第一象限直线插补程序的算法如图：3.1.2 程序设计设计程序时，在 RA
42、M 数据区分别存放终点坐标值、 ，动点坐标值 X,Y，偏差。对 8位机，一般可用 2 字节，而行程较大时则需用 3 字节或 4 字节才能满足长度和精度要求。 此外，所有的数据区必须进行初始化，如设置初始值、X、Y 向步进电机初态（控制字） 。插补程序所用的存单元如下：28H29H2AHX2BHY2CH70H电机正反转控制字.-可修编-.-.电机正反转控制字为：D0D1D2D3D4D5D6D7D1D0 为 X 向电机控制位。D0=1 运行，D0=0 停止；D1=1 正转，D1=0 反转。D2D3 为 Y 向电机控制位。D2=1 运行，D2=0 停止；D3=1 正转，D3=0 反转。第一象限直线插
43、补的程序如下：ORG2000HMIAN:MOVSP, #60H；LP4:MOV28H,#0C8H；MOV29H,#0C8H；MOV2AH,#00H； XMOV2BH,#00H； YMOV2EH,#00H； FMOV70H,#0AH；LP3:MOVA,2EH；ACC.7,LP1MOVA,70HSETBACC.0CLRACC.2MOV70H,A；LCALLMOTR；LCALLDELAY；MOVA,2EH；.-可修编-.-.SUBBA,29；INC2AH；AJMPLP2；LP1:MOVA,70HSTEBACC.2CLRACC.0LCALLMOTRLCALLDELAYMOVA,2EHADDA,28HL
44、P2:MOV2EH,AMOVA,28HCJMEA,2AH,LP3RETEND程序中 MOTR 为步进电机的控制子程序。3.2 圆弧插补程序的设计3.2.1 逐点比较法逐点比较法的圆弧的插补计算过程和直线插补过程基本相同，也分为偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别四个步骤。不同点在于：（1）偏差计算公式步进与前一点偏差有关，还与前一点的坐标有关，在计算偏差的同时要进行坐标计算。 （2）终点的判别是以一个方向的坐标值与终点坐标值相比较判断其是否相.-可修编-.-.等为判据。若Xe Ye，则以 X 是否等于作为终点判据；若Xe Ye，则以 Y是否等于作为终点判据。第一象限逆圆弧插补程序算法如图：3
45、.2.2 程序设计和直线插补程序设计一样，也在存中开辟存储单元用以存放有关数据。在RAM 数据区分别存放懂点坐标 X 和 Y， 其初始值为起点坐标值， 其后依据坐标计算结果而变化，存放终点坐标值，以及存放偏差飞存储单元。第一象限逆圆弧插补程序如下：XLEQU18HXHEQU19HYLEQU28HYHEQU29HLEQU1AHHEQU1BHLEQU2AHHEQU2BHFLEQU2CHFHEQU2DHORG2400HMAIN:MOVSP,#60H;MOV70H,#08H;.-可修编-.-.MOVXL,#80H;XLMOVXH,#0CH;XHMOVL,#80H;LMOVH,#0CH;HMOVL,#0
46、0H;LLP3:ADD:.MOVH,#00H;HMOVYL,#00H;YLMOVYH,#00H;YHMOVFL,#00H;FLMOVFH,#00H;FHMOVA,FHJNBACC.7,LP1MOVA,70HSETBACC.2CLRACC.0LCALLMOTRMOVR1,#28HMOVR0,#1CHMOVR7,#02HLCALLMULT2CLRCMOVA,FL-可修编-.-.ADDCA,1CHMOVFL,AMOVA,FHADDCA,1DHMOVFH,ALP1:.CLRCMOVA,YLADDA,#01HMOV28H,AMOVA,YHADDCA,#OOHMOVYH,ACLRCMOVA,FLADDA,
47、#01HMOVFL,AMOVA,FLADDCA,#00HMOVFH,AAJMPLP2MOVA,70HSETBACC.0-可修编-.-.MOV70H,ALCALLMOTRMOVR1,#18HMOVR0,#1CHMOVR7,#02HSUB:.LCALLCLRMOVSUBBMOVMOVSUBBMOVCLRMOVSUBBMOVMOVSUBBMOVCLRMOVMULT2CA,FLA,1CHFL,AA,FLA,1DHFH,ACA,XLA,#01HXL,AA,XHA,#00HXH,ACA,FL-可修编-.-.ADDA,#01HMOVFL,AMOVA,FLADDCA,#00HMOVFH,ALP2:MOVCJN
48、EMOVCJNELP3A:AJMPORGMULT2:PUSHPUSHPUSHCLRMOVSH1:MOVMOVMULPOPADDCMOV.A,YHA,H, LP3AA,YLA,L, LP3ALP32500HPSWABCR2,#00HA,R1B,#02HABPSWA,R2R0,A-可修编-.-.INCR0INCR1DJNZR7,SH1POPBPOPPSWRETEND参考文献参考文献1机械设计课程设计育锡主编高等教育2画法几何与机械制图（第二版）机械类近机类开平左宗义华南理工大学3机械设计（第七版）濮良贵纪名刚主编高等教育4机械制造技术基础于骏一邹青主编机械工业5机械制造装备设计（第二版）关慧贞辛安主编机械工业6机电一体化技术（第二版）卫青建勇主编科学7专业课课程设计指导书工程学院机械系海洋大学8机械制造技术基础课程设计指导教程邹青主编机械工业9单片微型计算机原理与应用王宏唐炜等主编华中科技大学10机械设计手册（新版）11袖珍机械设计师手册.-可修编-.主编
