杭州电子科技大学XY数控工作台机电系统设计说明书

一、总体设计方案

1.导轨副的选用 导轨副的种类：

1) 滚柱交叉导轨副是由两根具有V型滚道的导轨、滚子保持架、圆柱滚子等组成，

相互交叉排列的圆柱滚子在经过精密磨削的V型滚道面上作往复运动，可承受各个方向的载荷，实现高精度、平稳的直线运动。 特 点：

1.滚柱导轨块是一种精密的直线滚动导轨，具有较高的承载能力和较高的刚性，对反复动作、起动、停止往复运动频率较高情况下可减少整机重量和传动机构及动力费用。

2.滚柱导轨块可获得较高的灵敏度和高性能的平面直线运动。在重载或变载的情况下，弹性变形较小且能获得平稳的直线运动，没有爬行。

3.滚柱导轨块由于其滚动体--滚柱在滚动时导向好，能自动定心，故可提高机械的定位精度。

4.滚柱导轨块中的滚柱在基体中循环运动，故采用滚动导轨块，不受机床床身长度的，可根据承载大小及选用规格确定导 轨块数量。

5.滚柱导轨块的应用面较广，小规格的可用在模具、仪器等的直线运动部件上，大规格的则可用于重型机床、精密仪器的平面直线运动，尤其适用于NC、CNC数控机床。

6.滚动摩擦力阻力低，稳定性能好； 7.起动摩擦力小，随动性能好；

8.接触面积大，弹性变形量小，有效运动体多，易实现高刚性、高负荷运动；结构设计灵活，安装使用方便。 2) 直线滚动导轨副

特点：具有摩擦因数小，不易爬行，便于安装和预紧，结构紧凑等优点，其缺点是抗振性较差，成本较高。直线滚动导轨副有导轨和滑块两部分组成，一般滑块中装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚到滑块短部时，会经端面挡板和滑块中的返回导轨返回在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。 3) 静压导轨副

特点：将具有一定压力的油或气体介质通入导轨的运动件与导向支承件之间，运动件浮在压力油或气体薄膜之上，与导向支承件脱离接触至使摩擦阻力大大降低。运动件受外载荷作用后，介质压力会反馈升高，以支撑外载荷。 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，

但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧凑，安装预紧方便等优点。 2.丝杠螺母副的选用 丝杠螺母副的种类： 滑动丝杠副： 特点：

1) 结构简单、制造容易。由于滑动丝杠副为一般的丝杠制造容易、螺母所组成，

故其结构简单。

2) 减速传动比大，由于当丝杠转过一周时，做得很小，因此，采用滑动丝杠副。 3) 摩擦力大、螺母只移动一个导程，而导程可以杠副可以得到很大的减速比。f-D

动效率低滑动丝杠副的工作面为滑动摩擦，故其摩擦阻力大，传动效率低。 4) 具有自锁性。当使其螺旋升角小于摩擦角时，具有自锁性。

5) 运转平稳则可以使滑动丝杠副具有自由于丝杠与螺母的啮合是连续的，而且同

时呛金多。所以其运转平稳、无噪声。但低速或微调时可能出现爬行。 滚珠丝杠副：

滚珠丝杠副是在丝杠和螺母的滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。丝杠或螺母转动时，带动滚球沿螺纹滚道滚动，螺母的螺旋槽两端设有滚球回程引导装置，滚球通过此装置自动返回其入口，形成循环回路。

特点：传动效率高，运动平稳，使用寿命长等特征，广泛应用于各种工业设备，精密仪器和数控机床等。

选用滚珠丝杠副的理由：伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.04mm的脉冲当量和±0.02mm的定位精度,滑动丝杠副为力,只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高，动态响应快，运转平稳，寿命长，效率高，预紧后可消除反向间隙。 3.伺服电动机的选择 1) 直流伺服电动机：

直流无刷伺服电机特点：转动惯量小、启动电压低、空载电流小； 弃接触式换向系统，大大提高电机转速，最高转速高达100 000rpm；无刷伺服电机在执行伺服控制时，无须编码器也可实现速度、位置、扭矩等的控制； 不存在电刷磨损情况，除转速高之外，还具有寿命长、噪音低、无电磁干扰等特点。 直流有刷伺服电机特点： 体积小、动作快反应快、过载能力大、调速范围宽。低速力矩大, 波动小，运行平稳。低噪音,高效率。后端编码器反馈（选配）构成直流伺服等优点。

2) 交流伺服电动机： 异步型交流伺服电动机特点：

异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。因而令电网功率因数变坏。

同步型交流伺服电动机：

同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60﹪，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。 3) 步进电动机：

反应时步进电机：反应式步进电动机的定子和转子不含永久磁铁，定子上绕有一定数量的绕组线圈，线圈轮流通电时，便产生一个旋转的磁场，吸引转子一步一步地转动。绕组线圈一旦断电，磁场即消失，所以反应式步进电动机掉电后不自锁。此类电动机结构简单，材料成本低，驱动容易，定子和转子加工方便，步矩角可以做得很小，但动态性能差一点，容易出现低频振荡现象，电动机温升较高。

永磁式步进电动机：永磁式步进电动机的转子由永久磁钢制成，定子上的绕组线圈在换相通电时，不需要太大的电流，绕组断电时具有自锁能力，这种电动机的特点是动态性能好，输出转矩大，驱动电流小，电动机不易发热，但制造成本较高。由于转子受磁钢加工的，因而步矩角较大，与之配套的驱动电源一般要求具有细分功能。

混合式步进电动机：混合式步进电动机的转子上嵌有永久磁钢，可以说是永磁型，但是从定子和转子的导磁体来看，又和反应式相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式，故称为混合式。该类电动机的特点是输出转矩大，动态性能好，步矩角小，驱动电流小，功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高。因为混合式电动机的性能/价格比较高，所以目前得到了广泛的应用。

选择的理由：任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000r/min，只能选用混合式步进电动机，以减低成本，提高性价比。 4.减速装置的选用

选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速器。 5.检测装置的选用

选用步进电动机作为伺服电动机后，可选用开环控制，也可选闭环控制，任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削力负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步矩角相匹配。

考虑到X,Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X,Y两个坐标的导轨副，丝杠螺母副，减速装置，伺服电动机，以及检测装置拟采用相同的型号与规格。 6.控制系统的设计

1) 设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两

坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。 2) 对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机ATC52作为

控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。

3) 要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器，数据

存储器，键盘与显示电路。

4) 选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

图1-1 系统总体框图

二、机械系统设计

2.1、工作台外形尺寸及重量估算

X向拖板（上拖板）尺寸：

长宽高 145×160×50 重量：按重量=体积×材料比重估算

145160501037.810290N

Y向拖板（下拖板）尺寸： 14516050 重量：约90N。

上导轨座（连电机）重量：

(22014038215582)7.81021031.110107(N)

夹具及工件重量：约150N 。

X-Y工作台运动部分的总重量：约287N。

2.2、滚动导轨的参数确定

⑴、导轨型式：圆形截面滚珠导轨 ⑵、导轨长度 ①上导轨（X向）

取动导轨长度 lB100 动导轨行程 l55

支承导轨长度 LlBl155 ②下导轨（Y向）

l50 lB100 L150

选择导轨的型号：GTA16 ⑶、直线滚动轴承的选型 ①上导轨

GX240(N)

②下导轨

GY287(N)

由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。

⑷、滚动导轨刚度及预紧方法

当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。

2.3、滚珠丝杠的设计计算

滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。

⑴、最大动负载Q的计算

Q3LffHP

查表得系数f1，fH1，寿命值

L60nT 610查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速

n所以 L1000Vmax10001250(r/min) t46025015000225 610X向丝杠牵引力

Px1.414f当Gx (f当——当量摩擦系数)

1.4140.012403.39(N)

Y向丝杠牵引力

Py1.414f当Gy1.4140.012874.06(N)所以最大动负荷 X向 QxY向 Qy3

225113.3920.6(N) 225114.0624.7(N)

3查表，取滚珠丝杠公称直径 d010mm，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004，其额定动载荷为390N，足够用。 ⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算

表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数 名 称 符 号 计算公式和结果 螺纹滚道 公称直径 螺距 接触角 钢球直径 螺纹滚道法面半径 偏心距 螺纹升角 d0 t 10  dq 4 45 R e eRdq/2sin0.03 2 R0.52dq1.04  arctgt7.26 d0 螺杆 螺杆外径 螺杆内径 螺杆接触直径 d dl dz dd00.2~0.25dq9.5 dld02e2R7.98 dzd0dqcos8.59 螺母 螺母螺纹外径 螺母内径（外循环） 见表2-1。

⑶、传动效率计算

D D1 Dd02e2R12.02 D1d00.2~0.255dq10.5 tgtg7.260.973

tg()tg(7.260.2)式中：——摩擦角；——丝杠螺纹升角。

⑷、刚度验算

滚珠丝杠受工作负载P引起的导程L0的变化量

L1PL0 EFY向所受牵引力大，故应用Y向参数计算

P24.7(N) L00.4(cm) E20.6106(N/cm2) 材料为钢

0.7982FR23.140.5cm

2所以 L1224.70.561.210(cm) 620.6100.5丝杠因受扭矩而引起的导程变化量L2很小，可以忽略。 所以导程总误差

L1001001.21063m/m L00.4查表知E级精度的丝杠允许误差15m，故刚度足够。

⑸、稳定性验算

由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。

2.4、步进电机的选用

⑴、步进电机的步距角b

取系统脉冲当量p0.01mm/step，初选步进电机步距角b1.5。

⑵、步进电机启动力矩的计算

设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系

T＝Ps

式中： ——电机转角；s ——移动部件的相应位移； ——机械传动效率。

若取 b，则sp，且PPSG，所以

T36pPSG2b(Ncm)

式中：PS ——移动部件负载（N）；G——移动部件重量（N）； Pz——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； ——导轨摩擦系数；b——步进电机步距角，（rad）；T——电机轴负载力矩（Ncm）

本例中，取0.03（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96，PS为丝杠牵引力，

PsPH24.7N。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取GGy287N，所以

T360.0124.70.0328721.50.961.33(Ncm)

若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩

TqT

0.3~0.51.334.42Ncm 0.3取安全系数为0.3，则 Tq对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 TjmaxTq0.8665.1 Ncm

⑶、步进电机的最高工作频率

fmax1000Vmax100011667(Hz)

60p600.01查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机。电机的有关参数见表2-2。

表2-2 步进电机参数 型 号 主要技术数据 外形尺寸(mm) 重量 步最 大最高空载相电压 电流 外径 长度 轴径 距静转距启动频率数 (V) (A) 角Ncm(step/s ) (N)  45BF005-Ⅱ 1．5 19.6 3000 3 27 2.5 45 58 4 11 2.5、确定齿轮传动比

因步进电机步距角b1.5，滚珠丝杠螺距 t4mm，要实现脉冲当量

p0.01mm/step，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比

iZ1p3600.013600.6 Z2bt1.54选 Z117 ，Z228 。

2.6、确定齿轮模数及有关尺寸

因传递的扭距较小，取模数m1mm，齿轮有关尺寸见表3-3。

2.7、步进电机惯性负载的计算

表2-3 齿轮尺寸

Z 17 17 19 14.5 5 17.5 28 28 30 25.5 5 dmZmm dad2mmm dfd21.25mmm b36mmm ad1d2mm 2根据等效转动惯量的计算公式，得

2pZJdJ0J11J2J3M

Z2b180式中： Jd ——折算到电机轴上的惯性负载（kgcm）； J0——步进电机转轴的转动惯量（kgcm）；J1——齿轮 的转动惯量（kgcm）；J2——齿轮 的转动惯量（kgcm）；

22222J3——滚珠丝杠的转动惯量（kgcm2）；M——移动部件质量（kg）。

对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算

J0.78103D4Lkgcm2

式中：D——圆柱零件直径（cm）；L——零件长度（cm）。 所以

J10.781031.740.53.26103kgcm2 J20.781032.840.523.9103kgcm2 J30.781031453.9103kgcm2

电机轴转动惯量很小，可以忽略，则

217Jd3.261023.93.9103

2830.00152250.410kgm

3.141.5180因为

21Jd0.40.3191，所以惯性匹配比较符合要求。 4JM1.274三、控制系统硬件设计

X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。 硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。

3.1 CPU板 3.1.1 CPU的选择

随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。

在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。

从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。

因此硬件CPU选用ATS51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。

ATS51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。

3.1.2 CPU接口设计

CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：

（电磁铁） （行程开关） 传感器 前向通道 ATS51 （步进电机） 后向通道 传动驱动 （键盘、LED） 人机界面

图3-1 CPU外部接口示意图 ATS51要完成的任务：

（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。 （2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。

（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。

由于ATS51只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155，所以ATS51的I/O口线分配如下：

（1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向步进电机的A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。

（2）P1.6口输出控制电磁铁的吸合。

（3）P3.2和P3.3两个中断源中INT0优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断；INT1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。

（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。

（5）P2.7和P2.6决定8155的PA、PB、PC口的地址。

X步进电机 Y步进电机 电磁铁 驱动1 驱动2 驱动3 外部中断1 P1.0-P1.2 P0.0-P0.7 P1.3-P1.5 P1.6 P3.2 P3.3 P2.7 AD0~AD7 PA口 CE PB 口 键盘 外部中断2 P2.6 IO/M PC口 ATS51 8155

图3-2 ATS51控制系统图

PB口接LED反映当前运行的8个状态：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行。

PA口低四位反映触发中断1的4个行程开关的状态。

PC口低6位反映了触发中断2的手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行、复位（RST）、圆弧插补6个开关的状态。

3.2 驱动系统

传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。

3.2.1 步进电机驱动电路和工作原理

步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。

步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。

图3-4 步进电机驱动电路图

该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。

由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。

步进时钟 A相波形 B相波形 C相波形

图3-5 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）

3.2.2 电磁铁驱动电路

该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。

3.2.3 电源设计

图3-6 电磁铁驱动电路

两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的27V电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的12V和5V电压。

图3-7 电源转换电路图

电路中在转换芯片的前后有两个电容，前面电容起防止自激作用，后面电容起滤波作用。此外，

在具体应用的过程中，LM7805必须加上散热片。

3.3 传感器和人机界面

由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。因此，必须在X、Y轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个：（1）防止工作台超过最大行程，使电机损坏（2）可以用与定位。所以这4个行程开关就充当了传感器。

人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简洁明了。此系统有9个LED，LED1灯亮表示X轴负方向禁止通行，LED2灯亮表示X轴正方向禁止通行，LED3灯亮表示Y轴负方向禁止通行，LED4灯亮表示Y轴正方向禁止通行，LED5灯亮表示手动使工作台向X轴负方向通行，LED6灯亮表示手动使工作台向X轴正方向通行，LED7灯亮表示手动使工作台向Y轴负方向通行，LED8灯亮表示手动使工作台向Y轴正方向通行，LED9亮表示系统通电运行。

界面上的7个按扭意义为：按扭1是通断电开关，按扭2是向X轴负方向运行的点动开关，按扭3是向X轴正方向运行的点动开关，按扭4是向Y轴负方向运行的点动开关，按扭5是向Y轴正方向运行的点动开关，按扭6是复位开关，按扭7是执行绘制圆弧开关。

图3-8 人机界面图

3.4 本章小节

本章着重介绍了数控工作台控制系统的硬件设计。CPU板介绍了CPU的选择及其外围的接口设计和控制流程；驱动系统介绍了步进电机和电磁铁的驱动电路设计；此外还叙述了人机界面各个按扭和LED的意义。

四、控制系统软件设计

4.1 总体方案

对于ATS51的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。编译器采用Keil 7.02b。该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持C语言编译。同时具有完善的调试功能。

4.2 主流程图

CTL EQU 3FF8H PA EQU 3FF9H

上电复位 PB EQU 3FFAH PC EQU 3FFBH CMD EQU 02H

P1.6=0，吸合电磁铁，绘笔抬起 ORG 0000H

AJMP MAIN ORG 0003H

外部中断，8155初始化 AJMP INT0IS ；外部中断0入口

ORG 000BH

AJMP TM0IS ；定时器0中断入口 ORG 0013H

开外部中断，开总中断 AJMP INT1IS ；外部中断1入口 ORG 001BH

AJMP TM1IS ；定时器1中断入口

等待中断 ORG 0100H

MAIN：ANL P1，0EFH

SETB IT0 ；外中断负跳沿触发

图4-1 SETB IT1 MOV A，CTL MOV DPTR，A

MOVX @DPTR，CMD ；A口输入，B口输出，C口输入 SETB EX0 ；允许外中断0 SETB EX1 ；允许外中断1 SETB PX0

SETB PX1 ；设置优先级 SETB EA ；开总中断 LOOP：AJMP LOOP ；等待中断

在等待中断的过程中，如果有中断到来，先检查中断0的状态，是中断0则进入中断0的中断服务INT0IS，是中断1则进入中断1的中断服务INT1IS。

中断服务0是由4个行程开关触发的，它触发后通过单片机读取PA口内容，然后将结果反馈到PB口的LED上。

中断服务1有6个中断源，这六个中断源分别是手动X正方向运行，手动X负方向运行，手动Y正方向运行，手动Y负方向运行，复位和绘制圆弧。

4.3 INT0中断服务流程图

图4-2 INT0IS：PUSH ACC PUSH DPTL PUSH DPTH PUSH PSW MOV A，PA MOV DPTR，A

MOVX A，@DPTR ；读PA口内容 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 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

SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI

4.4 INT1中断服务流程图

INT1IS：CLR EX1 MOV A，@DPTR

PUSH ACC JNB ACC.4，RST PUSH 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 JNB ACC.5，ARC

MOV DPTR，A LOOP1：POP DPTH MOVX A，@DPTR；读PC口内容 POP DPTL MOV R1，A POP PSW ANL R1，#0FH POP ACC MOV A，PB SETB EX1 MOV DPTR，A RETI MOV A，@DPTR；读PB口内容 ANL A，#0FH SWAP A ORL A，R1 MOV R2，A MOV A，PB MOV DPTR，A

MOVX @DPTR，R2；数据输入PB口 INC DPTL

4.4.1 复位程序流程图

DIRX EQU 30H

DIRY EQU 31H RST： CLR P1.6 RPA： MOV A，PA MOV DPTR，A

MOVX A，@DPTR ；读PA口内容 JNB ACC.0，ACC2

MOV DIRX，#00H ；表X电机反转 ACALL XMOTOR0 ；X电机反转一步 ACC2： JNB ACC.2，LOOP0

MOV DIRY，#00H ；表Y电机反转 ACALL YMOTOR0 ；Y电机反转一步 AJMP RPA LOOP0：AJMP LOOP1

4.4.2 X轴电机点动正转程序流程图

X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，@DPTR JNB ACC.0，LOOP2 MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，@DPTR

JNB ACC.0，MOTOR0 LOOP2： AJMP LOOP1

这是X轴电机点动正转的程序，其他的X轴电机点动反转、Y轴电机点动正转、Y轴电机点动反转依次类推。

4.4.3 绘制圆弧程序流程图

图4-6 逐点比较法画圆弧

逐点比较法原理：假设所画圆弧在第一象限，圆心坐标为（0，0），圆弧上点的坐标为（X，Y），圆弧半径为R，每一点的坐标偏差为F=X*X+Y*Y-R*R，若F＞0，应沿X轴负方向走一步，此时FX=（X-1）*（X-1）+Y*Y-R*R=F-2X+1，X=X-1；若F＜0，应沿Y轴正方向走一步，此时FY=X*X+（Y-1）*（Y-1）-R*R=F+2Y+1，Y=Y+1。插补程序见附录。

4.4.4 步进电机步进一步程序流程图

图4-7 步进电机步进一步程序流程图

DEF EQU 12H SJMP LP3 MOV DEF，#00H TAB： 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 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

五、附录

参 考 文 献

[1] 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.清华大学出版社,2003

[2] 李广弟,朱月秀，王秀山.单片机基础.北京航空航天大学出版社,2001 [3] 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,2002 [4] 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,2002 [5] 李建勇.机电一体化技术.科学出版社.2004

[6] 王爱玲，白恩远，赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,2001 [7] 徐灏.机械设计手册（3）.机械工业出版社,2003 [8] 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,2004 [9] 徐灏等.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2000

[10] 濮良贵 ,记名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2003 [11] 吴振彪.机电综合设计指导[M].湛江:湛江海洋大学,1999

[12].杨入清.现代机械设计—系统与结构[M].上海:上海科学技术文献出版社,2000

[13].张立勋,孟庆鑫,张今瑜.机电一体化系统设计[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2000