基于PC的二维数控实验台的设计与实现

第 I 页 共 41 页基于 PC的二维数控实验台的设计与实现摘要本论文课题是基于 PC 机的二维数控实验台的设计与实现，目的是为了了解二维数控实验台的设计方法和特点，以及如何用 PC 机控制数控实验台的动作，将所学到的理论知识运用到实际设计之中，理论和实践相结合。本文首先通过对怎样用 PC 机控制数控实验台的介绍加深人们对 PC 机控制的了解。然后对实验台进行分析，最终确定 PC 机对数控实验台的速度与位移的控制。在对实验台机械结构进行设计的过程中，主要对滚珠丝杠螺母副和电机进行了计算、选型、校核，确保了机械传动部件的精度和刚度，使之满足系统的要求：通过计算，选择了步进电机驱动。本设计结合机电一体化课程教学环节需要，设计用微型计算机作为控制系统的 X-Y 工作台。通过论述 X-Y 工作台机械结构设计和控制电路接口设计,阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术.并用 VB 软件设计了一个实验系统的控制界面，使操作更简便。关键词：XY 工作台；微型计算机；机电一体化设计。第 II 页 共 41 页PC-based two-dimensional test-bed CNC Design and ImplementationAbstract：In this paper, the subject is based on the PC of the two-dimensional test-bed CNC Design and Implementation, In order to understand the purpose of test-bed two-dimensional numerical control design method and characteristics of, PC control, as well as how to test the action of NC, Learned to use the theoretical knowledge to practical design, combination of theory and practice.In this paper, through the PC to control how the introduction of NC test-bed to deepen peoples understanding of PLC control. And then an analysis of the test-bed, CNC PC to finalize the test-bed for the speed and displacement control.In the mechanical structure of the experimental design process, Vice-principal of the ball screw and motor calculated, selection, checking to ensure the accuracy of mechanical transmission components and stiffness, So as to meet the system requirements: through the calculation, select the stepper motor driver.Originally design combining electromechanics integrated course teaching link to need , design the X-Y workstable which use microcomputer as the control system. Through expounding the design of the of the X-Y workstables mechanical structural and the interface of the control circuit, have explained the generality and the key technology in the electromechanical integrated design. And design one control interface of the experimental systenm with the VB sofeware, which make operating more simple and more convenient. Key words：The X-Y workstable；Microcomputer ；electromechanical integrated design第 III 页 共 41 页目 录1前言 .11.1 设计课题的意义 .11.2 设计任务的介绍 .11.3 基于 PC 机实验台的组成 .12总体方案的确定 .32.1 设计参数 .32.2 机械传动部件的选择 .32.3 控制系统的设计 .43机械传动部分的设计计算与选型 .63.1 导轨上移动部件的重量估算 .63.2 直线滚动导轨副的计算与选型 .63.2.1 滑块承受工作载荷 maxF的计算及导轨型号的选取 .63.2.2 额定寿命的计算 .63.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .73.3.1 最大工作载荷 mF的计算 .73.3.2 最大动载荷 Q的计算 .73.3.3 初选型号 .73.3.4 传动效率的计算 .73.3.5 刚度的校验 .83.3.6 压杆稳定性校验 .83.4 步进电动机的计算与选型 .7第 IV 页 共 41 页3.4.1 计算加在步进电机转轴上的总转动惯量 eqJ.83.4.2 计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩 T.94 X-Y工作台与 PC的接口设计 .134.1 接口设计 .134.1.1 8255A 与步进电机的连接 .134.1.2 ADC 与微机的连接和传感器的选用 .134.1.3 编写接口的初始化程序 .154.1.4 8255A 初始化程序 .154.1.5 8259A 初始化程序 .154.1.6 从端口 A 输出 8 位数据并启动 ADC0809.154.1.7 40H 类型中断服务程序 .154.2 步进电机驱动程序 .154.2.1 步进电机的控制电路原理及控制字 .164.2.2 步进电机正反转及转速控制程序 .165 插补程序设计 .175.1 逐点比较法的插补原理 .185.1.1 偏差判别 .185.1.2 坐标进给 .185.1.3 重新计算偏差 .185.1.4 终点判别 .185.2 直线的逐点比较法插补 .185.2.1 偏差计算公式 .18第 V 页 共 41 页5.2.2 终点判断方法 .195.2.3 直线插补程序 .205.3 圆弧的逐点比较法插补 .225.3.1 偏差计算公式 .225.3.2 终点判断方法 .235.3.3 圆弧插补程序 .246 实验系统的控制程式和界面 .32总结.40致谢 .41参考文献 .42第 1 页 共 41 页第一章前言1.1 设计课题的意义机电一体化毕业设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它关系到学生知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力。因此设计内容选择很重要。基于微型计算机控制的 X-Y 工作台是典型的机电一体化系统，以此为设计内容有较强的教学研究意义。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展的数控技术及其产业。在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以 PC 平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门所面临的重要任务。1.2 设计任务的介绍本次毕业设计的题目是设计一个基于 PC 机控制的二维数控实验台的实验装置，开发有关 PC 控制数控实验台的实验，并能有相关装置完成控制动作，可以检查实验设计的正确性，又因为具有仿真效果使其更贴近工程实际。绘制总体布局图和机械部分的装配图，并完成相关的 I/0 接线图。由于本次是设计一个二维数控工作台，既是一个仿真设计实验，不能按实际的大小尺寸来设计，只要能符合设计要求，完成所要求的基本动作就能达到目的，也必能对以后 PC 机控制二维数控工作台产生积极的促进作用。我选择设计基于 PC 机控制的二维数控实验台，其中要完成的动作是要 PC 控制 X、Y 工作台电动机的停止及启动，即 Y 工作台的左移、右移，X 工作台的前移、后移，实现两工作台的点动和连续控制。1.3 基于 PC 机实验台的组成二维数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件。基于 PC 控制的数控 X-Y 实验第 2 页 共 41 页台系统，是为具有两轴联动功能的数控工作台设计，它结构简单，操作方便，控制精度相对较高, 可靠性、稳定性和实用性都很好。如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床的 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，特别适合在钻床上，可实现坐标孔系的加工。在小铣床上，可实现二维曲面的加工等。本设计是基于 PC 机控制的数控 X-Y 实验台系统，模块化得 X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑台、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的落幕带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等以标准化，由专门厂家生产，设计时只需要根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，用 PC 机进行控制。第 3 页 共 41 页第二章总体方案的确定2.1 设计参数1. 系统分辨率为 脉 冲/01.m2. 工作台加工范围： 230 mm150 mm3. 最大移动速度： in/32.2 机械传动部件的选择1. 导轨副的选用 要设计的二维工作台式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、不已爬行、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 伺服电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 0.01mm 的脉冲当量和 01.mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，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. 减速装置的选用 选择了步进电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，且应有小间隙机构。为此，本设计决定采用无间隙齿轮传动减速箱。4. 伺服电动机的选用 因本设计的脉冲当量尚未达到 0.001mm，定位精度也未达到微米级。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，可以选用性能好一些的步进电机，如混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。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，以及伺服电机拟采用相同第 4 页 共 41 页的型号与规格。2.3 控制系统的设计1设计的二位数控工作台，其控制系统应该有单坐标定位、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因本设计所选的精度对于步进电机来说不算高，电机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用闭环环控制，选用微型计算机作为控制器，应该能够满足相关指标。3要设计一台完整的控制系统，在选择控制器后，还需要扩展存储器，键盘与显示电路、I/O 接口电路等，并选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。第 5 页 共 41 页第 6 页 共 41 页第三章机械传动部分的设计计算与选型3.1 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为 800N。3.2 直线滚动导轨副的计算与选型3.2.1 滑块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取maxF工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计的实验台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形势。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： FG4max其中，移动部件重量 G=800N，因本设计是数控实验台，所以设外加载荷代入上式，得最大工作载荷 。NF10 kNF3.0max查表 3-41（机电一体化系统设计课程设计指导书） ，根据工作载荷 ，kNF3.0max初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系列的 JSA-LG15 型，其额定动载荷 ，额C947定静载荷 。kNCa5.90本设计选定实验台面尺寸为 ，加工范围为 ，考虑到m16020工作行程应留有一定余量，查表 3-35（机电一体化系统设计课程设计指导书） ，按标准系列，选取导轨的长度为 。403.2.2 额定寿命的计算上述选取的 kL 系列 JSA-LG15 型导轨副的滚道硬度为 60HRC，工作温度不超过 ,CO10每根导轨上只配有两只滑块，精度 4 级，工作速度较低，载荷不大。查表 3-36表 3-40，分别取硬度系数 、温度系数 、接触系数 、精度系数0.1Hf 0.1Tf 8.Cf、载荷系数 ,代入下式，的距离寿命：9.0Rf 5WkmFfCLaRTH64903mx远大于期望值 50 ,故距离额定寿命满足要求。k第 7 页 共 41 页3.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.3.1 最大工作载荷 的计算mF如上所述，因本设计是数控实验台，所以设外加载荷（与实验台面垂直），实验台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行） ，受到横向的NFz10 NFx30载荷（与丝杠轴线垂直） 。Ny10已知移动部件总重量 ,按矩形导轨进行计算，查表 3-29（机电一体G8化系统设计课程设计指导书） ，取颠覆力矩影响系数 ,滚动导轨上的摩擦因数1.K。求的滚珠丝杠副的最大工作载荷：05.NFKFyzxm 358005.31. 3.3.2 最大动载荷 的计算Q设实验台在承受最大工作载荷时的最快进给速度 ，初选丝杠导程min/4，则此时丝杠转速 。Ph4 in/10/rPnh取滚珠丝杠的使用寿命 ，得丝杠寿命系数 （ 单位：T5 901/660TL）r610查表 3-30（机电一体化系统设计课程设计指导书） ，取载荷系数 Wf1.2，滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数 Hf1.0，得最大动载荷：NFfLmHwQ180303.3.3 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表 3-31（机电一体化系统设计课程设计指导书） ，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 FL 系列 2004 型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为 20mm,导程为 4mm,精度等级取 5 级，额定动载荷为 4900N，远大于 ，满足要求。QF3.3.4 传动效率的 计算将公称直径 导程 ，得丝杠螺旋升角 。,20mdph4 ohdpacr43.tn0将摩擦角 ，代入 。1%5.9tan/第 8 页 共 41 页3.3.5 刚度的校验丝杠的拉压变形量的计算满载时拉压变形量： mAELFm 052.4/17.301.2521 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2由（机电一体化系统设计课程设计指导书）式 3-27 得322 10/01. ZFDYJWm式中 为滚珠直径， 38.2)1.24(3)(0WdZ为滚珠总数量 个列 数圈 数 6913Z NFmYJ 67.13/5/为 预 紧 力 m08.98.2.013. 22 因为丝杠加有预警力，且为轴向负载的 1/3，所以实际变形量可减少一半，取m04.2丝杠总变形量 m 96.0.04.052.21 本设计中，丝杠的有效行程为 330mm,由表 3-27（机电一体化系统设计课程设计指导书）知，5 级精度滚珠丝杠有效行程在 315-400mm 时，行程偏差允许达到 25 ，可见丝杠刚度足够。3.3.6 压杆稳定性校验由（机电一体化系统设计课程设计指导书）式 3-28 失稳时的临界载荷 KF为22/KLIEfFkK丝杠截面惯量矩 4429.3106/m查（机电一体化系统设计课程设计指导书）表 2-11 得 0.2kf第 9 页 共 41 页NFK 489230/29.10.214.35稳得临界载荷 NK8，远大于工作载荷 Fm35， 故丝杠符合要求综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。已知实验台的脉冲当量 脉 冲/01.，滚珠丝杠的导程 mph4，初选步进电机的步距角 则可得减速比：075.83.36/436/ hpi本设计选用常州市新月电机有限公司生产的 JBF-3 型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为 1mm,齿数比为 21：17，材料为 45 调制钢，齿表面淬硬度达 55HRC。减速箱中心距为 ，小齿轮厚度为 20mm,双片大齿轮厚度均为 10mm。m192/713.4 步进电动机的计算与选型步进电动机又称脉冲电动机或为阶跃电动机，目前，随着电子技术，控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越模糊；步进电动机的传动定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角落，若不改变励磁状态则保持一定的状态而静止；广义的定义为，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电动机。步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于 1830 年至 1860年间。在 20 世纪 60 年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用型的步进电动机应运而生，半导体的发展使得步进电动机得到了广泛的应用。我国的步进电动机开始于 21世纪 50 年代后期，其发展过程大致经历了四个阶段：第一阶段从 50 年代后期到 60 年代后期主要是高等院校和科研机构开发并使用少量的步进电机，以多段结构三相反应式步进电动机为主；第二阶段，70 年代初期反映在步进电机的生产和研究发展到了一个水平；第三阶段，70 年代中期至 80 年代后期新产品种高性能电动机层出不穷，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品得到广泛应用。步进电动机的特点步进电机有三大部分组成：步进电动机本体，步进电动机控制器及步进电动机驱动器。其特点如下：1）用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。第 10 页 共 41 页2） 位移与输入脉冲数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高组成闭环控制系统。3）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。4）抑郁启动正反转和变速停止，影响性好。5）平滑性好，步距角选择范围大，停止时可有自锁能力3.4.1 计算加在步进电机转轴上的总转动惯量 eqJ已知：滚珠丝杠的公称直径 ，总长 ，导程 ，材料密度md20mL30ph4；移动部件总重量 G=800N；小齿轮宽度 ，直径33/1085.7ckg b201；大齿轮宽度 ，直径 ；传动比 。md1 b2d283.i滚珠丝杠的转动惯量： 243324 7.021/1085.73014.8 cmkgcmkgmDRLJjs 实验台折算到丝杠上的转动惯量： 222 31.08914.3ckgmpJihW 小齿轮的转动惯量： 2433241 13.025.8/5.7.8 cmkgmmDRLJjz 大齿轮的转动惯量： 2433242 9.1/108.014.3 ckckgmJjz 初选步进电机型号 90BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团 公司生产，二相八拍驱动时步距角为 ，查表得该型号电动机转子的转动惯量075. 24cmkJ则加在步进电机转轴的总转动惯量为： cmkgiJJSWZzmeq 57.83.0/73.9.01./ 22213.4.2 计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩 eqT分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1. 快速空载启动时电动机转轴所受的负载转矩 ：1eq包括三部分：一部分是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 ；1eqT maxT第 11 页 共 41 页一部分是移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩 ；还有一部分是滚珠丝杠预fT紧后折算到电机转轴上的附加摩擦转矩 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，所以由0T算出的 值很小， 相对于 和 很小，可以忽略不计。则有：2001iPFTbYJ0T0maxffaeqmx1考虑传动链的总效率 ，计算快速空载启动时折算到电机转轴上的最大加速转矩：602axneqtJT其中 ，3maxn空载最快移动速度，本设计指定为 3000mm/minmax步进电机的步距角，预选电机为075.脉冲当量，min/01.算得 in/625rnm设步进电机由静止到加速至 转速所需时间 ，传动链总效率 。msta4.07.0则可算得： mNTa 13.7.0466251.mx移动部件时，折算到电机转轴上的摩擦转矩为： iPGFhzf 4.83.25.02由以上可求的快速空载起动时电机转轴所承受的负载转矩： mNTfaeq17.0mx12. 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 2eqT包括三部分：一部分是折算到电机转轴上的最大工作负载转矩 ；一部分是移动部2eqT t件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩 ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电机fT转轴上的附加摩擦转矩 ， 相对于 和 很小，可以忽略不计。则有：0Ttf第 12 页 共 41 页fteqT2本设计在对滚珠丝杠进行计算时，规定沿着丝杠轴向方向的最大进给载荷 ，NFx30所以：mNiPFThft 3.08.72430垂直方向承受最大工作载荷 情况下，移动部件运动时折算到 电机转轴上的Fz1摩擦转矩：mNiPGThzf 049.83.7025.2于是： mNfteq39.经过上述计算后，得到加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩应为： Teqeq7.0max2,13. 步进电机最大静转矩的选定考虑到步进电机的驱动电源受电网电压影响 较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据 来选择步进电机的最大静转eqT矩，需要考虑安全系数。本设计取安全系数 ,则步进电机的最大静转矩应满足：4KmNTeqj 516.379.04max上述初选步进电机型号为 90BYG2602，由表 4-5 查得该型号电动机的最大静转矩。可见满足要求。NTj6max4. 步进电机的性能校核1） 最快工进速度时电动机输出转矩校核本设计给定工作台最快工进速度 ，脉冲当量 ，min/40maxf 脉 冲/01.m电动机对应的运行频率 。从 90BYG2602 电动机的Hzf 671.6/max 运行矩频特性曲线可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩 ，远远NTf4.5max大于最大工作负载转矩 ，满足要求。NTeq379.02第 13 页 共 41 页图 3.22)最快空载移动时电动机输出转矩校核本设计 给定工作台最快空载移动速度 ，可得电动机对应的运行频min/30max率 ，从上图查的，在此频率下，电动机的输出转矩Hzzf 501.60/3max ，大于快速空载起动时的负载转矩 ，满足要求。NT. NTeq13） 最快空载移动时电动机运行频率校核与最快空载移动速度 对应的电动机运行频率 。查表min/30max Hzf50max4-5 可知 90BYG2602 电动机的空载运行频率可达 20000Hz,可见没有超出上限。4） 起动频率的计算已知电动机转轴上的转动惯量 ，电动机转子的转动惯量257.ckgJeq，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 （查表 4-5） ，2ckgJm Hzfq180则可得步进电机克服惯性负载的起动频率： JffmeqL54/1由上式可知，要想保证步进电机起动时不丢步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选的更低，通常只有 100Hz(即 100Hz54脉冲/s)。综上所述，实验台的进给传动选用 90BYG2602 步进电动机，完全满足设计要求。第 14 页 共 41 页4 X-Y 工作台与 PC 的接口设计4.1 接口设计4.1.1 8255A 与步进电机的连接因为本系统传输距离较短，数据传输率高，所以采用并行通讯方式。8255A 是 Intel180 系列微处理机的配套并行接口芯片，它可以为 8086/8088 与外设之间提供并行输入/输出的通道，由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式，所以，用 8255A 连接外设时，通常不用附加外部电路。本设计中采用的可编程并行接口 8255A 可为微处理器提供三个独立的并行输入/输出端口，利用输出端口与运算放大器相连，可控制步进电机的运转及速度。利用模数转换器又可将工作台的位置及速度参数变换成数字量，通过并行输入端口送回微机系统中，从尔构成半闭环系统。8255A 中端口 A 工作在方式 0，完成输出功能，用来向 x,y 向步进电机输出 8 位脉冲信号。端口 B 工作在方式 1，完成输入功能，用来接受由模数转换器输入的 8 位脉冲信号。端口 C 作控制用，PC7 用作模数转换器 ADC0809 的启动信号，PC2 用作输入的STB 信号，PC0 用作中断请求信号，INTR，通过中断控制器 8259A 可向 CPU 发中断请求，这些都要由初始化程序来定义。由 8255A 端口 A 输出的 8 位数字信息，经运算放大器放大后便将模拟电流放大并转换为模拟电压，经过调整可达到，当 CPU 输出的数字量从 00H-FFH 时，运算放大器输出 04.98V 的模拟电压，该电压经传感器可调节控制不进电机的转动与速度。通过 8255A 并行接口和步进电机的驱动器电路连接，这样就可以用计算机的软件取代常规大的环形分配器。PA0-PA7 的八个端口后接步进电机的各项绕组，光电隔离器TIL117 是用作电平转换并防止电机电路对微处理器的干扰，驱动电路由复合功率放大，驱动步进电机的三个绕组 A 相，B 相，C 相,D 相。 4.1.2 ADC 与微机的连接和传感器的选用而反馈电路则由转角传感器，运算放大器及模数转换器 ADC0809 组成。目前，在半闭环伺服系统中，也常采用光电脉冲编码器，既测量电动机的角位移，又通过计时而获得速度。先由转角传感器测出步进电机的转角及转速，得到的模拟量再经过运算放大器放大，然后经模数转换器 ADC0809 转换成数字量，再送到计算机进行比较。控制现场的模拟信息经传感器和运算放大器可变换为一定范围的电压值，这模拟电压经模数转换器 ADC0809 可变换为 8 位数字信息送回 8255A 的端口 B，其转换速度取决于从CLK 端引入的标准时钟，端口 B 可采用查询或中断方式与 CPU 联系。若采用中断方式，中断请求信号经 8255A 中断排队后送 CPU 的 INTR 端。如采用中断方式，并定义中断类型码为 40H，那么首先将相应的中断服务程序定位到存储器中，并将其入口地址的段基址和偏移地址置入中断入口地址表中从 100H 地址开始的四个字节中。传感器的选择：为了方便测量电动机的转角与转速所以采用磁电式的转角传感器。第 15 页 共 41 页初选型号：TC622.4.1.3 编写接口的初始化程序 4.1.4 8255A 初始化程序INTT: MOV DX, 8255A 控制端口MOV AL, 86HOUT DX, ALMOV AL, 05HOUT DX, AL4.1.5 8259A 初始化程序MOV DX, 8259A 偶地址端口MOV AL, 13HOUT DX, ALMOV DX, 8259A 奇地址端口MOV AL, 40HOUT DX, ALMOV AL, 03HOUT DX, AL MOV AL, OFEHOUT DX, AL4.1.6 从端口 A 输出 8 位数据并启动 ADC0809POUT: MOV DX, 8255A 端口 AMOV AL, XXHOUT DX, ALMOV DX, 8255A 端口 CMOV AL, 80HOUT DX, ALMOV AL, 0OUT DX, ALWAIT: STIJMP WAIT4.1.7 40H 类型中断服务程序MOV DX, 8255AIN AL, DXIRET第 16 页 共 41 页4.2 步进电机驱动程序4.2.1 步进电机的控制电路原理及控制字节拍 控制字正转 反转通电相二进制 十六进制1 8 A 00000001 01H2 7 AB 00000011 03H3 6 B 00000010 02H4 5 BC 00000110 06H5 4 C 00000100 04H6 3 CD 00000101 05H7 2 D 00000110 06H8 1 DA 00000111 07H设步进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 存放在片内数据存储单元 20H27H 中，28H 中存放结束标志00H，在 29H2EH 的存储单元内反转时 P1 端口的输出控制字 01H,05H,04H,06H,02H,03H,在2DH 单元内存放结束标志 00H。4.2.2 步进电机正反转及转速控制程序PUSH A ；保护现场MOV R4, #N ；设步长计数器CLR C；ORL C, D5H ；转向标志为 1 转移JC ROTE；MOV R0, #20 ；正转控制字首址指针AJMP LOOP；ROTE: MOV R0, #27H ；反转控制字首地址LOOP: MOV A, R0；MOV P1, A ；输出控制字ACALL DELAY ；延时INC R0 ；指针加 1MOV A, #00H；ORL A, R0；JZ TRL；LOOP1: DJNZ R4, LOOP ；步数步为 0 转移POP A ；恢复现场RET； ;返回TPL: MOV A, R0；CLR A；SUBB A, #06H；MOV R0, A；恢复控制字首指针AJMP LOOP1；第 17 页 共 41 页DELAY: MOV R2, #M；DELAY1: MOV A, #M1；LOOP: DEC A；JNZ LOOP；DJNZ R2, DELAY1；RET；第 18 页 共 41 页5 插补程序设计5.1 逐点比较法的插补原理逐点比较法的基本原理是，在刀具按要求工零件轮廓的过程轨迹运动加中，不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，并根据比较结果决定下一步的进给方向，使刀具向减小偏差的方向进给（始终只有一个方向） 。一般地，逐点比较法插补过程有四个处理节拍，如下图:5.1.1 偏差判别判别加工点对规定几何轨迹的偏离位置,然后决定滑板走向.即判别偏差 Fm=0 或Fm0,m 点在 OA 直线上方；Fm=0 时，沿x 轴方向走一步；当 Fm0 时，表明 m 点在 OA 上或在OA 上方，应沿X 方向进给一步，走一步以后新的坐标值为：Xm+1=Xm+1Ym+1=Ym该点的偏差为：Fm+1=(Ym+1)Xe(Xm+1)YeYmXe（Xm1）Ye=(YmXeXmYe)YeFmYe当 Fm=0F0， 表明加工点 m 在圆弧外；Fm=0， 为逼近圆弧，下一步向X 轴进给一步，并计算出新的偏差；Fm=0新加工点的偏差为：Fm+1 Fm2Xm1若 Fm=0 偏差符号 Fm= 总步数If 偏差 = 0 Thenx 动点 = x 动点 + 1:Line -Step(0, x 步长)Elsez 动点 = z 动点 + 1:Line -Step(z 步长, 0)End If偏差计算Loop第 29 页 共 41 页Case 2: 第二象限插补c = x 终点: x 终点= z 终点: z 终点= -cc = x 步长: x 步长 = z 步长: z 步长 = -cDo Until x 动点 + z 动点 = 总步数If 偏差 = 0 Thenx 动点 = x 动点 + 1:Line -Step(x 步长, 0)Elsez 动点 = z 动点 + 1:Line -Step(0, z 步长)End If偏差计算LoopCase 3: 第三象限插补x 步长 = -x 步长: z 步长 = -z 步长Do Until x 动点 + z 动点 = 总步数If 偏差 = 0 Thenx 动点 = x 动点 + 1:Line -Step(0, x 步长)Elsez 动点 = z 动点 + 1:Line -Step(z 步长, 0)End If偏差计算LoopCase 4: 第四象限插补c = x 终点: x 终点= -z 终点: z 终点 = cc = x 步长: x 步长 = -z 步长: z 步长 = cDo Until x 动点 + z 动点 = 总步数If 偏差 = 0 Thenx 动点 = x 动点 + 1: Line -Step(x 步长, 0)Elsez 动点 = z 动点 + 1: Line -Step(0, z 步长)End If偏差计算LoopEnd SelectEnd Sub圆弧：Sub 偏差计算()偏差 = Sqr(x 动点 - x 圆心) 2 + (z 动点 - z 圆心) 2) - REnd SubSub 插补()x 动点 = x 起点: z 动点 = z 起点:第 30 页 共 41 页动点象限判别xx: Select Case 象限标志Case 1: 单步连续判断If 顺逆标志 = 顺 Then 第一象限插补Do Until (x 动点 - x 终点) = 0 And (z 动点 - z 终点) = 0 If 偏差 = 0 Thenx 动点 = x 动点 - 1:Line -Step(0, -x 步长)Elsez 动点 = z 动点 + 1:Line -Step(z 步长, 0)End If偏差计算动点象限判别If 象限标志 1 ThenGoTo xxEnd If单步连续判断LoopElseIf 顺逆标志 = 逆 ThenDo Until (x 动点 - x 终点) = 0 And (z 动点 - z 终点) = 0 If 偏差 = 0 Thenz 动点 = z 动点 - 1:Line -Step(-z 步长, 0)Elsex 动点 = x 动点 + 1:Line -Step(0, x 步长)End If DoEvents偏差计算动点象限判别If 象限标志 1 ThenGoTo xxEnd If LoopEnd If Case 2: 单步连续判断If 顺逆标志 = 顺 Then 第二象限插补Do Until (x 动点 - x 终点) = 0 And (z 动点 - z 终点) = 0 If 偏差 = 0 Thenz 动点 = z 动点 - 1:第 31 页 共 41 页Line -Step(-z 步长, 0)Elsex 动点 = x 动点 - 1:Line -Step(0, -x 步长)End If 偏差计算动点象限判别If 象限标志 2 ThenGoTo xxEnd If LoopElseIf 顺逆标志 = 逆 ThenDo Until (x 动点 - x 终点) = 0 And (z 动点 - z 终点) = 0 If 偏差 = 0 Thenx 动点 = x 动点 + 1:Line -Step(0, x 步长)Elsez 动点 = z 动点 +