XY平面绘图仪 课程设计

XY平 面 绘 图 仪 【 摘 要 】 ： 本 课 程 设 计 是 设 计 XY平 面 绘 图 仪 ， 由 上 位 机 和 下 位 机 两 部 分 组 成 ， 单 片 机 通 过 接 收 PC机 软 件的 绘 图 信 息 ， 控 制 步 进 电 机 完 成 图 形 的 绘 制 。 单 片 机 采 用 逐 点 比 较 法 插 补 算 法 完 成 直 线 和 圆 弧 的 绘 制 ， 通过 直 线 和 圆 弧 的 组 合 完 成 图 形 的 绘 制 ， 最 终 实 现 了 移 点 、 画 线 、 画 弧 、 画 圆 、 画 矩 形 和 组 合 图 形 的 绘 制 。 【 关 键 词 】 ： XY平 面 绘 图 CNC 逐 点 比 较 法 直 线 圆 弧 插 补 下 位 机 上 位 机 Abstract： The course design is design the XY plane ploter, the System consists of host computer and the next crew composition. By receiving graphics information from PC by software, the SingleChip control steper motor to complete the graph drawing. Point by point comparison with the completion of a straight line and arc interpolation algorithm for drawing, through a combination of lines and arcs to complete graphics rendering, and ultimately the shift points, draw lines, draw arc, draw a circle, draw a rectangle and the combination of graphics rendering . Keywords： XY-dimensional drawings CNC Point by point comparison method 1 目 录 一 、 引 言 .2 二 、 设 计 任 务 .2 2.1 设 计 题 目 .2 2.2 设 计 要 求 .2 三 、 设 计 原 理 .2 3.1 系 统 工 作 原 理 .2 3.2 直 线 插 补 原 理 .3 3.3 圆 弧 插 补 原 理 .4 四 、 硬 件 设 计 .7 4.1 单 片 机 最 小 系 统 板 .7 4.2 串 口 通 信 电 路 设 计 .7 五 、 软 件 设 计 .8 5.1 下 位 机 程 序 设 计 .8 5.2 上 位 机 软 件 设 计 .9 六 、 系 统 调 试 及 运 行 结 果 .9 七 、 心 得 体 会 .10 八 、 参 考 文 献 .10 九 、 附 录 .10 2 一 、 引 言 近 年 来 ， 数 控 技 术 发 展 迅 速 。 计 算 机 数 控 就 是 利 用 一 个 专 用 的 可 存 储 程 序 的 计 算 机 执 行 一 些 或 全 部的 基 本 数 字 控 制 功 能 的 NC系 统 。 随 着 计 算 机 硬 件 性 能 价 格 比 的 迅 速 降 低 和 图 形 显 示 器 的 推 广 应 用 ， 现 代数 控 系 统 已 不 需 要 穿 孔 纸 带 ， 而 由 计 算 机 直 接 控 制 ， 简 称 CNC。 XY平 面 绘 图 仪 就 是 一 台 数 控 系 统 ， 采 用 计算 机 数 控 技 术 进 行 平 面 图 形 的 绘 制 。 本 课 程 设 计 完 成 平 面 绘 图 仪 的 设 计 ， 包 括 硬 件 设 计 和 软 件 设 计 ， 最 终实 现 移 点 、 画 线 、 画 弧 、 画 圆 、 画 矩 形 和 组 成 图 形 的 绘 制 。 二 、 设 计 任 务 2.1 设 计 题 目 XY平 面 数 控 绘 图 2.2 设 计 要 求 1、 输 入 参 数 由 键 盘 录 入 （ 数 码 管 显 示 ） ， 绘 制 给 定 直 线 和 圆 弧 ； 2、 由 程 序 控 制 绘 制 组 合 图 形 ； 3、 根 据 系 统 的 功 能 要 求 设 计 四 象 限 直 线 插 补 和 园 弧 插 补 软 件 ； 4、 根 据 系 统 的 功 能 要 求 设 计 单 片 机 及 接 口 电 路 ； 5、 掌 握 计 算 机 控 制 系 统 的 软 件 设 计 与 调 试 ， 实 现 要 求 功 能 。 三 、 设 计 原 理 3.1 系 统 工 作 原 理 X-Y绘 图 仪 的 机 械 特 性 主 要 包 括 平 台 、 X Y坐 标 尺 h 和 Ly、 X Y传 动 丝 杠 驱 动 坐 标 尺 的 步 进 电 动机 Mx My、 绘 图 笔 、 控 制 器 和 微 型 计 算 机 接 口 等 ， 如 图 3.1所 示 ： 图 3.1 X Y绘 图 仪 机 械 原 理 图 3 平 台 是 用 于 固 定 绘 图 纸 的 台 面 。 两 个 坐 标 尺 可 在 绘 图 区 域 内 双 向 运 动 ， 绘 图 笔 位 于 两 坐 标 尺 的 交 点(PEN)处 ， X Y坐 标 尺 的 位 置 确 定 了 绘 图 笔 的 位 置 ， 可 用 (X， Y)坐 标 对 来 表 示 其 位 置 。 绘 图 笔 的 抬 起 和 落下 用 继 电 器 控 制 。 传 动 丝 杠 实 现 步 进 电 动 机 到 坐 标 尺 之 间 的 传 动 ， 将 步 进 电 动 机 的 旋 转 角 度 转 换 为 坐 标 尺的 直 线 运 动 。 步 进 电 动 机 的 特 点 是 每 当 给 定 一 个 脉 冲 ， 电 动 机 的 转 子 将 转 动 一 个 固 定 角 度 ， 或 者 说 步 进 电 动 机 转子 的 旋 转 角 度 与 励 磁 电 脉 冲 数 成 比 例 。 本 系 统 采 用 了 三 相 六 拍 双 向 步 进 电 机 。 微 型 计 算 机 的 作 图 命 令 通 过 通 信 接 口 发 送 给 控 制 器 (单 片 机 最 小 系 统 )， 控 制 器 将 命 令 进 行 分 析 ， 并调 用 相 应 的 绘 图 子 程 序 。 该 程 序 的 功 能 是 驱 动 x和 Y方 向 上 的 步 进 电 动 机 ， 使 两 个 坐 标 尺 按 规 律 地 移 动 ， 将画 笔 移 至 要 求 的 位 置 。 同 时 控 制 器 通 过 笔 头 继 电 器 控 制 绘 图 笔 的 起 落 ， 从 而 完 成 各 种 绘 图 命 令 所 给 定 的 操作 。 3.2 直 线 插 补 原 理 下 面 以 第 一 象 限 为 例 ， 介 绍 直 线 插 补 的 过 程 及 计 算 。 （ 1） 偏 差 函 数 构 造 对 于 第 一 象 限 直 线 OA上 任 一 点 (X,Y):X/Y = Xe/Ye 若 绘 制 点 为 Pi（ Xi， Yi） ， 则 该 点 的 偏 差 函 数 Fi可 表 示 为 若 Fi= 0， 表 示 加 工 点 位 于 直 线 上 ； 若 Fi 0， 表 示 加 工 点 位 于 直 线 上 方 ； 若 Fi=0， 规 定 向 +X 方 向 走 一 步 Xi+1 = Xi +1 Fi+1 = XeYi Ye(Xi +1)=Fi Ye 若 Fi=0 Fi0， 表 示 绘 制 点 位 于 圆 外 ； 若 Fi=0 Fi0 园 弧 类 型 进 给方 向 偏 差 公 式 计 算 进 给 方 向 偏 差 公 式 计 算 逆 弧 1 -X Fi=Fi -2xi+1 xi = xi-1 +Y Fi=Fi +2y i +1 y i= y i +1 逆 弧 2 -Y Fi=Fi -2y i +1 y i= y i -1 -X Fi=Fi -2xi+1 xi = xi-1 逆 弧 3 +X Fi=Fi +2xi+1 xi = xi+1 -Y Fi=Fi -2y i +1 y i= y i -1 逆 弧 4 +Y Fi=Fi +2y i +1 y i= y i +1 +X Fi=Fi +2xi+1 xi = xi+1 顺 弧 1 -Y Fi=Fi -2y i +1 y i= y i -1 +X Fi=Fi +2xi+1 xi = xi+1 顺 弧 2 +X Fi=Fi +2xi+1 xi = xi+1 +Y Fi=Fi +2y i +1 y i= y i +1 顺 弧 3 +Y Fi=Fi +2y i +1 y i= y i +1 -X Fi=Fi -2xi+1 xi = xi-1 顺 弧 4 -X Fi=Fi -2xi+1 xi = xi-1 -Y Fi=Fi -2y i +1 y i= y i -1 表 2 7 四 、 硬 件 设 计 4.1 单 片 机 最 小 系 统 板 采 用 STC8051RC单 片 机 做 为 控 制 核 心 ， 电 路 包 含 时 钟 电 路 、 复 位 电 路 、 电 源 及 指 示 灯 和 I/O电 路 ,如图 4.1所 示 ： 图 4.1 4.2 串 口 通 信 电 路 设 计 由 于 单 片 机 是 TL电 平 ， 而 PC机 是 RS-232电 平 ， 故 需 要 进 行 电 平 的 转 换 ， 转 换 电 路 如 图 4.2所 示 ： 图 4.2 8 五 、 软 件 设 计 5.1 下 位 机 程 序 设 计 单 片 机 通 过 跟 PC机 进 行 通 信 ， 接 收 命 令 ， 控 制 步 进 电 机 进 行 画 线 、 画 弧 和 组 合 的 绘 制 。 根 据 所 绘 制图 形 的 要 求 ， 采 用 逐 点 比 较 法 插 补 算 法 进 行 图 形 的 插 补 绘 制 。 逐 点 比 较 法 就 是 笔 尖 每 移 动 一 步 ， 就 进 行 一次 偏 差 计 算 和 偏 差 判 别 ， 判 断 笔 尖 的 实 际 位 置 与 所 要 求 的 位 置 是 否 相 符 ， 从 而 决 定 出 下 一 步 的 前 进 方 向 。由 于 这 种 方 法 每 走 一 步 就 需 比 较 一 次 ， 所 以 称 之 为 “ 逐 点 比 较 法 ” ， 亦 即 “ 走 一 步 看 一 步 ” 。 第 一 象 限 直 线 的 插 补 程 序 流 程 图 如 图 5.1.1所 示 ： 包 括 偏 差 判 别 、 坐 标 给 进 、 新 偏 差 计 算 和 终 点 判断 四 个 节 拍 ， 其 它 象 限 的 插 补 流 程 可 以 参 照 表 1进 行 方 向 的 给 进 和 偏 差 的 计 算 。 第 一 象 限 逆 弧 插 补 流 程 图如 图 5.1.2所 示 ： 也 包 括 偏 差 判 别 、 坐 标 给 进 、 新 偏 差 计 算 和 终 点 判 断 四 个 过 程 ， 其 它 象 限 的 插 补 流 程 和顺 弧 的 插 补 流 程 可 以 参 照 表 2进 行 方 向 的 给 进 和 偏 差 的 计 算 。 （ 1） 直 线 插 补 程 序 设 计 图 5.1.1 逐 点 比 较 法 第 一 象 限 直 线 插 补 软 件 框 图 （ 2） 圆 弧 插 补 程 序 设 计 图 5.1.2 逐 点 比 较 法 第 一 象 限 逆 圆 插 补 软 件 框 图 9 5.2 上 位 机 软 件 设 计 为 了 方 便 图 形 的 绘 制 ， 采 用 VC+编 写 一 个 PC绘 图 软 件 绘 制 所 需 图 形 ， 操 作 方 便 同 时 简 化 了 系 统 设计 。 本 软 件 可 以 实 现 移 点 、 画 线 、 画 逆 弧 、 画 顺 弧 、 画 矩 形 、 画 圆 等 绘 图 操 作 ， 通 过 打 开 文 件 ， 可 以 完 成组 成 图 形 的 绘 制 ， 同 时 还 能 显 示 图 形 的 坐 标 和 距 离 的 计 算 ， 如 图 5.2所 示 ： 图 5.2 六 、 系 统 调 试 及 运 行 结 果 1、 移 点 完 成 了 笔 头 在 绘 图 平 面 上 任 意 坐 标 的 移 动 。 2、 画 线 完 成 了 四 象 限 直 线 的 任 意 绘 制 。 3、 画 圆 弧 完 成 了 四 象 限 圆 弧 的 任 意 绘 制 。 4、 画 圆 完 成 了 任 意 圆 的 绘 制 。 5、 画 矩 形 完 成 了 矩 形 的 绘 制 。 6、 组 合 图 形 绘 制 通 过 直 线 和 圆 弧 的 组 成 ， 最 终 完 成 组 成 图 形 的 绘 制 ， 如 图 6所 示 ： 10 图 6 七 、 心 得 体 会 通 过 课 程