X-Y数控工作台运动控制设计

X-Y 数控工作台运动控制设计系 （部）：专 业 班：姓 名：学 号：指导教师：2011 年 5 月 9 日I摘 要双坐标数控工作台设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度，降低成本，是微机控制技术的最简单的应用。开环控制能充分地利用微机的软件、硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，进一步提高机床的精度和可靠性。本文机械部分采用步进电动机通过齿轮减速器带动滚珠丝杆拖动工作台在直线滚动导轨副上运动，其中，步进电动机选用 90BF004 型号。针对 X-Y 数控工作台控制系统，介绍了其硬件和软件两方面的设计。在硬件方面，主要介绍如何选择硬件 CPU 板，设计 CPU 接口，步进电机和电磁铁控制与驱动电路，同时布置传感器及人机界面。而在软件方面，给出了主程序汇编代码及流程图，同时设计了 INT0、INT1 中断流程和复位程序。关键字：数控工作台；步进电动机；硬件设计；软件设计IIABSTRACTThe design of Double Coordinates NC Worktable Mechatronics System is an open-loop control system. Its structure is simple, can be used conveniently and can ensure the precision, lower the cost. It is the most simple application of the microcomputer control technology. It can fully utilizes the crisis of software and hardware function to realize the control of machine tools; Machine processing is expanded and accuracy and reliability is further improved. This machine part adopts stepper motor through the gear reducer to drive the ball screw to drive the worktable to work in the linear rolling, in the addition, the stepping motors model is90BF004. To be aimed at the NC Worktable control system, the design of hardware and software are introduced in this paper. The content about hardware is how to select CPU, design CPU interface, controlling and driving circuit of step motor and electromagnet, while the sensors layout and hunman-computer interface are introduced too. The main content about software is assembly code and flow chart of main procedure. Meanwhile INT0 and INT1 break flow chart is designed. Key words: NC worktable; Stepper motor; Hardware design; Software design目 录1第一章 绪论1.1 前言在我国，对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及设备，提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力极为重要，从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程序决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备，又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，而数控装备是以数控技术为代表的信技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。（一）数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业 IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：（1）高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争力。从 EM02221 展会情况来看，高速加工中心进给速度可达 80m/min，设置更高，空运行速度可达 100m/min 左右。为了实现高速、高精加工，与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。（2）5 轴联动加工和复合加工机床快速发展采用 5 州联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳集合形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率大幅提升。（3）智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21 世界的数控装备将是具有一定智能化的系统，只能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控2制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象数控功能，形成系列化，并可方便的将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的产品。1.2 机电一体化技术机电一体化技术是指建立在机械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术基础上的一种综合性技术，通过对机械、电子与信息技术的有机结合，来实现工业产品和生产过程最优化。在机械领域，由于微电子技术和微机技术的迅速发展，发展形成的机电一体化技术，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。在传统的机械设备中，通常采用比较复杂的机械传动系统来连接各个相关的执行构件，以保证各执行构件运作的同步性和协调性。机械传动部件之间的机械磨损、间隙配合等所引起的运动误差和传动链较长等常常影响设备传动精度和效率。而且，由于人机的直接接触，事故发生率高，后果较严重。采用机电一体化技术后，可用电子器件、微型计算机来控制和实现各执行构件的动作及功能关系协调，实现机械产品操作的全部自动化。通过微机控制系统可以精确地按照预先给定的量，同时可使相应的机械动作、各种干扰因素造成的误差，进行执行校正、补偿，从而可以达到单纯机械方法所不能实现的加工工艺精度。X-Y 数控工作台是生产或教学中应用最为普遍的一种机电一体化产品，它包含了机械和电气控制两部分。其中，其控制系统一般采用开环控制系统，控制简单、实现方便，而且能够保证一定的精度。本文重点是二维工作台的控制系统设计，即通过对小型机械设备的机械和机电控制相结合来加深自己对机电一体化系统的基本原理和简单设计过程的了解。3第二章 机械部分设计2.1 引言数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题-数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。2.2 设计任务设计一个数控 X-Y 工作台。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为0.01mm，定位精度为 0.02mm。设计主要技术要求如下：台面尺寸 长宽400mm250mm；工作台行程为：X=300mm，Y=150mm；脉冲当量：X 、Y 都是 0.01 mm；X /Y 最高工作进给速度为300 mm /min；X /Y 最高空载进给速度为 700 mm /min；X/Y/Z 向切削负载为：2000/2000/1000N（力不用计算） ；工件最大重量（包括夹头）为：150KG；工作寿命为每天 8 小时，连续工作 5 年，250 天/年。进给机械系统均采用滚动（珠）丝杠副和滚动（珠）导轨副；所设计的工作台应结构合理、设计参数与上述要求符合；设计装配图应表达正确，完整，技术标注规范、全面。2.3 总体方案确定X - Y工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动,系统中不设置传感与检测设备;半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动,并在电机输出轴端设置传感与检测设备;闭环的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动,但检测与传感设备设置4在工作台末端。本文所设计的X - Y 工作台开环伺服系统,通过控制器控制步进电机的驱动,经传动机构带动工作台运动,其总体框图如图2.1：图2.1 工作台草图2.4 机械部分设计2.4.1 导轨副的选择导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度，精度与精度保持性。目前的数控机床采用导轨形式的主要有：滑动导轨，滚动导轨，静压导轨三类。要设计的 X-Y 工作台 X/Y/Z 向切削负载为 2000/2000/1500，需要承受的载荷不是很大，脉冲当量为 0.01 mm、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。导轨上移动部件重量估算：包括进给工作台、夹具、上电动机、上导轨滑块、导轨座上层丝杠，由设计参数，可估计重量为 4000N。滑块承受的最大载荷为 Fmax4000N/41000N 查表选用 HJG-DA 滚动直线系列DA30A，其额定功载荷为 25.7kN，选用导轨长度 700mm。（如表 2.1）5表 2.1（1）导轨额定寿命计算上述选取的 HJG-DA 滚动直线系列 DA30A 导轨副的滚道硬度为 60HRC，工作温度不超过 100C，每根导轨上配有上配有两个滑块，精度为 4 级，工作速度较低，载荷不大。查表得 fh1.0 ，温度系数 ft1.00 ，fc=0.81，fa0.9，fw=1.5。得距离寿命：L=fh*ft*fc*fa*Ca/(fw*PC)3*50=7*106L 额定寿命 fa 精度系数PC 计算载荷 fw 载荷系数ft 温度系数 fh 硬度系数fc 接触系数 大于所期望的寿命距离，故满足要求。（2）滚动导轨预紧方式的确定：滚动导轨经过预紧，可以显著的提高其刚度，通常经过预紧的导轮的刚度可以比没有预紧的高三倍左右，因此，对于颠覆力炬较大，或要求接触刚度或移动精度叫高的导轨均匀进行预紧。但预紧力应适当，预紧力过大会使牵引力显著增加。6常用的预紧方法有两种：采用过盈配合或采用调整元件，此处采用过盈配合。2.4.2 丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过螺母副转换成直线运动，要满足 0. 01mm 的脉冲当量和 0.05 的定位精度，选用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传功精度高、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。（1）、计算进给引力 mF滚珠丝杠上的工作载荷 为进给引力，移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于选择的导轨要求结构紧凑，间隙调整方便，摩损小，有良好的精度保持性且运动平稳，故选择直线滚动导轨，为了使导轨能承受一定的颠覆力矩，所以选择燕尾导轨的实验公式进行计算： (2)mzFkxfFyG4.1k0.3fX/Y/Z 向切削负载为 2000/2000/1000N =2000N =2000N =1000Nz由所得数据代入公式有： 1.420.3(10240)287mF N（2）.计算最大动负载 C 及主要尺寸初选初选 L0 为 6mm,选用滚珠丝杠的直径 d0 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100 万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大负载 C，可用公式为：mFfLC3由指导书中可知 601nT0vLL：使用寿命，以 转为单位617v：最大切削力条件下的进给速度（m/min） 已知参数v=300mm/min=0.3mm/minL0：丝杠导程T：机床使用寿命 由参数每天 8 小时，5 年，250 天/年，得 T=10000hfw：运转系数 （此处选的值为 1.2）n:丝杠转速，用下式： 01.350/min6vnrL665131.28705CN2.4.3 滚珠丝杠螺母副的选型：由制导书可知，采用 WL4006 外循环纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠，1 列 2.5 圈,其额定动负载为 16400N,精度等级选 3 级.表 2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数名 称 符 号 计算公式和结果公称直径 0d40螺距 t6接触角 024钢球直径 q3.969螺纹滚道法面半径 R2.064偏心距 e0.056螺纹滚道螺纹升角 0螺杆外径 d39螺杆内径 l35.984螺杆螺杆接触直径 z0cos36.05zqd螺母螺纹外径 D241eR螺母 螺母内径（外循环） 11.793qd（1）传动效率计算8滚珠丝杠螺母副的传动效率 为 )(tg螺旋升角 摩擦角度取 10，滚动摩擦系数为 0.0030.004240.9(1)tg（2）刚度验算（I）丝杠的拉伸或压缩变形量 1根据 Fm=2827N D0=40 查出 L/L=1.3 700=9.15031由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，顾其拉压刚度可以提高4 倍，其实变形量为：=1/4 =2.275113（II）滚珠与螺纹滚道间接触变形 2查表 4-7，W 系列 1 列 2。5 圈滚珠和罗纹滚道接触变形量 ：Q因进行了预紧， =1/2 =1/2 6.4=0.0032mm2Q（III）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3采用 8107 型推力球轴承，d1=35mm 滚动体直径 dQ= 6.35mm，滚动体数目量z=18 =0.0081mm2 22330.24/0.4/(6.35)871QcFmdZ因施加预紧力，顾：=1/2 =0.00405mm3c根据以上计算：=0.00227+0.0032+0.00405=0.0095mm312因此符合要求（VI）滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不做稳定性校核Y 轴向滚珠丝杠：9所选燕尾导轨公式同选 X 轴向：(指导书) (2)mzFkxfFyG4.1k0.3f由于 Y 向切削负载也为 2000N，进给率引力 Fm 几乎相同（不同处为 G，但是结果相差不大）所以丝杠螺母副也采取相同型号。2.4.4 确定齿轮传动比已知脉冲当量为 0.01，滚珠丝杠导程 ，代入得，初选步进电机的步距角为 0.75。可计算出传动比 i：i= = =0.8036.PbL.1756可选定齿轮数为：i= = 或12z5340因进给运动齿轮受力不大，模数 m 取 2，有关参数如下表：齿数 20 25 32 40分度圆 dz40 50 64 80齿顶圆 2a44 54 68 84齿跟圆 1.5f m35 45 59 75齿 宽 (68)20 20 20 20中心距 12/Ad45 722.4.5 步进电机的选用步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正10比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 根据等效转动惯量的计算公式，得:【 】210dZJ3J20()GLg折算到电机轴上的惯性负载（ ）；.kcm步进电机转轴的转动惯量（ ）；0 2齿轮的转动惯量（ ）；1J2.kgc齿轮的转动惯量（ ）；2滚珠丝杠的转动惯量（ ）；3 2.M移动部件质量（ ）。kgG4000N参考同类型号机床，初选反应式步进电机 150BF003，其转子转动惯量为 J0=10.52.kgcm对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算：3420.781.JDLkgcm式中：D圆柱零件直径（cm）；L零件长度（cm）。所以: 34210.7820.Jkgc2598.m3423.71JkcG=4000N代入上式：【 】210dZJ3J20()GLg=10.5+0.4+ 【0.98+13.98+ 】2()549.826()=11.96（ ）2.kgcm11考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题：= 0.88 0dJ1.596因为： 0.88 1 所以惯性匹配比较符合要求。4（1）、步进电机力矩计算：机床在不同的工况下，所需要转矩不同，下面分别按各阶段计算：空载启动转矩 M切在快速空载启动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：= + +切maxfo= =ax0J2max2106nt启动时间为 30S：= =11.96maxMdJmax260nt2145.86032=60.84Ncm折算到电机轴上的摩擦力矩 ：fM02kfGfLi(150).30.6722.4815Ncm附加摩擦力矩 o=2000(1)2YJFMi2(7/3)0.(.9).148528/.3.7Ncm为滚珠丝杠未预紧时的传动效率取090上述三项合计：= + +M切maxfoax7./in3bPvnr12=60.84+0.72+17.1=78.67 N.cm(II) 快速移动时间所需力矩 ：M切= + =17.1+0.75=17.85 N.cmM切fo(III) 最大切削负载时所需力矩 :切= + + = + +切fotfo02xFLi=0.72+17.1+ =208.9 N.cm.60815在工作台上的合力 折算到电机上的转矩tMxF从上面可以看出, 、 、 三种情况，已最大切削负载时的力矩最大，切M切切所以就用此项做为初选步进电机的依据。从指导书表 4-24 查出，当步进电机为五相十拍时 =0.951所以最大静力矩 =208.9/0.951=219.7 Ncm=2.197N.mmaxj按此最大静转矩查表得，90BF004 型最大静转矩为 2.452.197 N.m,可以作为初选型号,但是还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。1166.7HZmax1010.76pVfk.6001sepf Hz从表 4-23 中查处，90BF004 型步进电机允许最高启动频率为 4000HZ，运动频率为 16000HZ，所以，满足设计要求，故可选用此电机。13第三章 X-Y 工作台控制系统设计3.1 硬件设计3.1.1 确定硬件电路的总体方案数控系统的硬件电路由以下几部分组成:1. 主控制器，即中央处理单元 CPU。2. 总线，包括数据总线，地址总线，控制总线。3. 存储器，包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4. 接口，即 I/O 输入输出接口。数控系统的硬件框图如图 3.1 所示：图 3.1 硬件框图中央处理单元CPU存储器RAM ROM输入/输出 I/O 接口外设：键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等。信号变换控制对象143.1.2 主控制器 CPU 的选择MCS-51 系列单片机是集中 CPU，I/O 端口及部分 RAM 等为一体的功能性很强 的控制器。只需要增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用 8031 芯片作为主控芯片。3.1.3 存储器扩展电路设计（一）程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用 EPROM 芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为 2K，4K，8K，16K，32K。在选择芯片时要考虑 CPU 与 EPROM 时序的匹配。8031 所能读取的时间必须大于 EPROM所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量的芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择 2764 芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。单片机规定 P0 口提供 8 位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低 8 位的地址信息，一般采用 74LS373 芯片作为地址锁存器，并由 CPU 发出允许锁存信号 ALE 的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。由以上分析，采用 2764EPROM 芯片的程序存储器扩展电路框图如图 3.2 所示：15图 3.2 程序存储器扩展 2764 电路框图P1.7P1.0P2.4P2.0ALEP0.7P0.0PSENEA译码电路G74LS372CEA12A82764A7A0QED7D0（二）数据存储器的扩展由于 8031 内部 RAM 只有 128 个字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用 6116,6262 静态RAM 数据存储器。本次设计选用 6264 芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如图 3.3 所示：16图 3.3 数据存储器扩展 6264 电路框图译码电路G74LS372CE1A12A8A76264A0D7D0WE OEOEDOP2.4P2.0ALEP0.7P0.0EAWRRD(三)译码电路在单片机应用系统中,所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的雨各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但是它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于 RAM 和 I/O 容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。17本设计采用全地址译码法。（四）存储器扩展电路设计8031 单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。该设计选用程序存储器 2764 和数据存储器 6264 组成 8031 单片机的外存储器扩展电路。（五）I/O 扩展电路设计（a）通用可编程接口芯片 81558031 单片机共有 4 个 8 位并行 I/O 接口，但供用户使用的只有 P1 口及部分 P3口线。因此要进行 I/O 口的扩展。8155 与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。（b）键盘，显示器接口电路键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用 I/O 口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有 LED 和 LCD。采用 8155 接口管理的键盘，显示器电路。它有 4X8 键和 6 位 LED 显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及 LED显示器的字位控制共用一个口，即共用 8155 的 PA 口进行控制，键盘的行线由8155C 口担任，显示器的字形控制由 8155 的 PB 口担任。3.1.4 步进电机驱动电路设计（一）脉冲分配器步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。（二）光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在借口电路18与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。（三）功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需要根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。3.1.5 其他辅助电路设计（一）8031 的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在 XTAL1，XTAL2 引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在 1.212 之间任意选择，耦合电容在 530pF 之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将 XTAL1 直接接地，XTAL2 接外部时钟源。时钟电路如图 3.4图 3.4 时钟电路8031XTAL1XTAL2(二)复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现的。在时钟工作后，只要在 RESET 引脚上出现 10ms 以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后 CPU 便从 0000H 单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与 8031 复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用 6MHz 时，复位电路中 C 取 22uF，R 取 200。Rk 取1000。（三）越界报警电路19为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程序开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出端接至 8031 的 I/O 口P1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。8031 可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可以接成从光敏三极管的集电极输出接至 8031 的外部中断引脚（INT0 或 INT1） ，采用中断方式检查越界信号。20第四章 控制系统软件部分设计4.1 系统控制软件的主要内容数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几部分：1.系统管理程序。它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接受命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。2.零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部 I/O 设备输入零件加工源程序的任务。3.插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。4.伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角以及方向。5.诊断程序。包括移动不见移动超届处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。6.机床的自动加工及手动加工控制程序。7.键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序，机床工作状态，操作命令等信息。4.2 软件设计4.2.1 系统控制功能分析数控 X-Y 工作台的控制功能包括:(1) 系统初始化。如对 I/O 借口 8155，,8255A 进行必需的初始化工作，预置接口工作方式控制字。(2) 工作台复位。开机后工作台应该自动复位，也可手动复位。(3) 输入和显示加工程序。(4) 监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。(5) 工作台超程显示也处理。工作台唯一超过规定值时应该立即停止工作台的运动，21并显示相应的指示字符。(6) 工作台的自动控制。(7) 工作台的手动控制。(8) 工作台的联动控制。4.2.2 系统管理程序控制管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接受命令的形式，系统的各种操作功能等。数控 X-Y 工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图如图4.1 所示：图 4.1 管理程序流程图22开始系统初始化机床复位加工程序输入连接手动加工按键手动加工按键加工数据输入自动加工手动调整YNY4.2.3 自动加工程序设计（一）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位刀具快速进给加工退刀工作台运动到下一位置。（二）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工。（三）由以上分析，设计自动加工程序框图如图 4.2 所示：图 4.2 自动加工程序框图23入口零件坐标地址指针读零件坐标调步进电机子程序工作台移动到位刀具快进加工快速退刀零件坐标地址指针加 1零件加工返回YN4.2.4 步进电机控制子程序设计步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加、减速的过程24通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。（一）时间常数的确定在步进电机控制程序中，利用单片机的定时器中断，延时产生进给脉冲的时间间隔。此间隔由送入定时器的时间常数决定。时间常数由下式计算：Te= 6103t式中：T 为脉冲时间间隔（ms） ； te为单片机机器周期（s） ，在时钟为6MHz 时，te=2s。（二）步进电机加、减速进给脉冲及脉冲时间间隔的确定设步进电机加、减速方式为直线加、减速。要使步进电机不失步，应满足：Tm = Tg + Tl式中：Tm 为步进电机启动力矩，Tg 为负载力矩，Tl 为惯性力矩。由步进电机 Tjmax=3.92N*m，取步进电机的加速启动力矩TM = Tjmax*0.866*0.3 = 392*0.866*0.3 = 101.84则使步进电机不失步的惯性力矩Tl = Tm Tg = 101.8496.57 = 5.27 N*cm步进电机角加速度= ）sradJd/(25.6710793.25又 = Tfbtx式中：tm 为上升到步进电机最高频率所需时间，所以有：tm = b )(5.642.6715a30msf 加速脉冲个数：nm = =53.761.xtf确定加、减脉冲个数都为 54 个。又因为： TnmffTn)a(5.0.所以脉冲时刻 x2fN25综合 Te= 可以算出对应各脉冲时刻的计数器时间常数。10EPROM 存储器中，时间常数依次安排在首地址为 1000H 的存储单元中，每个时间常数占据两个字节，低位地址存放时间常数低 8 位，高位地址存放时间常数高 8位在程序中，设置加速、恒速、减速脉冲计数器 N0，N1，N2。以计数器的值是否为 0 作为相应过程是否结束的标志。步进电机控制程序框图如下所示：(1)步进电机控制子程序如图 4.3 所示:图 4.3 步进电机控制子程序开始中断初始化设时间常数地址指针首地址指向 1000H加速减速 脉冲计数器赋初值恒速送时间常数至计数器中开中断启动定时器 关中断N Y返回(2)步进电机控制中断服务程序如图 4.4 所示：26图 4.4 步进电机控制中断服务程序中断服务程序入口送时间常数步进电机进N0=0N1=0时间常数地址指针加 1N1N1-1 N0N0-1N2=0时间常数地址指针加 1N2N2-1关中断中断返回4.2.5 编语言程序设计27（一）内存地址分配加速脉冲数计数器 N0 地址设为 20H；恒速脉冲数计数器 N1 低 8 位字节地址为 21H，高 8 位字节地址为 22H；减速脉冲数计数器 N2 地址为 23H。加速，减速恒速脉冲总数寄存器 N 低位字节地址为 24H，高位字节地址为25H；步进电机进给控制子程序 FEED 首地址为 0E80H。每调用一次该程序，步进电机按规定方向进给一步。(二)程序清单N0 EQU 20H ;加速N1L EQU 21H ;恒速N1H EQU 22H N2 EQU 23H ;减速NL EQU 24H ;脉冲总数寄存器NH EQU 25H DS EQU 26H ;地址指针偏移量FEED EQU 0E80HORG 0E00H0E00 758160 START: MOVP,#60H0E30 758901 MOV TMOD,#01H ;设计数器工作方式为 1，16 位定时器0E06 75201B MOV N0, #01A4H ;设 N0 为 3200E09 75231B MOV N2, #1A4H0E0C E520 MOV A, NO ;计算 2XN00E0E 23 RL A0E0F F8 MOV R0, A0E10 C3 CLR C ;计算 N1=N-2N00E11 E524 MOV A, NL0E13 98 SUBB A, R0280E14 F521 MOV N1L, A0E16 E525 MOV A, NH0E18 9400 SUBB A, #00H0E1A F522 MOV NIH, A0E1C 901000 MOV DPTR, #1000H ;设时间常数初值为 1000H0E1F 752600 MOV DS, #00H ;设地址偏移量初值为 00H0E22 93 MOVC A, A+DPTR ;从 EPROM 中读时间常数0E23 F58A MOV TL0, A ;送时间常数至定时器 0 中0E25 0526 INC DS0E27 E526 MOV A, DS0E2 93 MOVC A, A+DPTR0E2A F58C MOV TH0, A0E2C 0526 INC DS0E2E D2AF SETB EA ;开中断允许0E30 D2A9 SETB ET0 ;允许定时器 0 中断0E32 D28C SETB TR0 ;启动定时器 0 开始计算0E34 20AFFD WAIT:JB EA, WAIT ;中断允许返回0E37 22 RET中断服务程序： ORG 000BH000B 02F00 LJMP 0F00H0F00 93 MOVC A, A+DPTR0F03 F58A MOV TL0, AOFO5 0526 INC DS0F07 E526 MOV A, DS0E09 93 MOV A, A+DPTR0F0A F58C MOV TH0, A0F0C 0526 INC DS ;修改地址便宜量指针0F0E D180 ACALL FEED ;调 FEED 子程序290F10 E520 MOV A, N0 ;判断 N0 是否为 00F12 B40010 CJNE A, #00H, LOOP20F1A E522 MOV,N1H0F1C B4000B CJNE A, #00H, LOOP20F1F E523 MOV A, N2 ;判断 N2 是否为 00F21 B40014 CJNE A, #00H, LOOP30F24 C2AF CLR EA ;N2 为 0，减速结束，关中断OF26 32 RETI0F27 1520 LOOP1:DEC N0 ;N2 不为 0，则 NONO-10F29 32 RETI0F2A E521 LOOP2:MOV A, N1L ;N1 不为 0，则 N1N1-10F2C C3 CLR C0F2D 9401 SUBB A, 01H0F2F F521 MOV N1L, A0F31 E422 MOV A, N1H0F33 9400 SUBB A, 00H0F35 F522 MOV