牙刷植毛设备控制器的研制毕业论文.doc

牙刷植毛设备控制器的研制牙刷植毛设备控制器的研制毕业论文目 录1 绪论.11.1 课题研究的背景及意义11.1.1 牙刷植毛控制器设计的背景11.1.2 牙刷机设计的意义21.2 牙刷植毛机的研究内容32 系统设计.52.1 总体设计方案52.2 牙刷植毛控制器的设计方案63 系统设计.83.1 系统功能设计83.1.1 植毛机构83.1.2 高精度X、Y运动平台83.1.3 单片机控制系统83.2 系统结构设计83.3 硬件系统.83.3.1 CPU模块103.3.2 通讯模块123.3.3 传动驱动模块153.3.4 电气工作模块设计193.4 软件系统.194 结论.27参考文献.28致谢.29附录.30附录A.30附录B.31 牙刷植毛设备控制器的研制1 绪论1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 牙刷植毛控制器设计的背景东汉金丹全书记载：“饮食之毒，积于牙缝，于当夜晚洗刷，则垢污尽去，齿自不坏”。“故晨漱不如夜漱，此善于养齿者”。西汉名医谆于意认为龋齿是：“食而不漱”所致，说明我国古人已认识到刷牙对口腔卫生重要性，这也符合现代口腔卫生概念。有关刷牙习俗始于印度，随佛教传入中国，根据敦煌莫高窟壁画刷牙图可以分为两类：一类是揩齿图，另一类是齿木刷牙图（牙刷的发展见图1.1）。现代社会牙齿已成为健康美丽的标志，牙刷的需求也在逐渐增加。目前，全球牙刷年需求量已经超过90亿支，并以每年10%的速度递增。中国人口众多，牙刷作为现代生活必需品需求相当的大。牙刷虽小却是一个消费巨大市场成熟的大商品，并且伴随着生活质量的提高，对于牙刷的质量同样提高，优质的保健牙刷设备的生产效率以及生产质量需求促进了高速牙刷植毛机设备的开发。现代高科技的电动牙刷现代工业设计的普通牙刷1498年世界上第一支牙刷诞生明清的牙刷图1.1 牙刷的发展一只普通的牙刷一般由刷头、手柄和牙刷毛三部分组成。传统牙刷制作工艺是采用以下方法制作的：先通过模具得到塑胶刷柄，该过程被称为“注塑”；然后是植毛，通过植毛机将刷毛植入到塑胶刷柄上去；植毛后通过打磨机把毛切成各种需要的形状；第四步是拉应力检测，将生产出来的牙刷进行测试，检验其质量是否符合标准；最后，将经检测合格的产品进行包装，就得到了我们在超市里看到的牙刷。制作过程如图1.2所示。一把牙刷的好坏，消费者更看重的是刷头部分，因此，第二步植毛在整个生产过程中起到了至关重要的作用。注塑植毛打磨拉应力检测包装图1.2 牙刷制作过程1.1.2 牙刷机设计的意义目前，牙刷作为一种日常用品在国内外的需求都是非常大的，因此需要适应大批量、高效率、多样式的制刷机械。国外产品的可靠性和效率都很高，但是其结构比较复杂，价格昂贵。国内机器由于简单仿造传统植毛机构造和早期低速运动的工作台，不适合大负荷高速工作，故可靠性和效率都比较低。进入20世纪80年代，电路的集成度越来越高，对运动控制系统产生了很重要的影响，运动控制系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件控制转向软件控制，智能化的软件控制将成为运动控制系统的一个发展趋势。运动系统控制器的实现方式也在向硬件方式发展，针对不同行业，市面上已经出现了各种各样的运动控制器，其标准化、开放程度已经给广大的用户带来极大的便利。随着工业自动化改革的不断深入，运动控制器的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制，如机器人控制、电子机械、木工机械、包装机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。作为传统工业的制刷机械行业，实现生产自动化是目前提高生产效率和产品质量的唯一途径；也是提高国内制刷生产能力和生产水平的迫切要求。因此，在国内对制刷机械自动化改造的探索和研究开发有着十分重要的意义。1.2 牙刷植毛机的研究内容 经调查研究发现，目前我国多数制刷业所采用的牙刷植毛机为半自动化设备，即在植毛前植毛针与刷柄的第一个植入孔对位时需人工进行，如图1.3所示。随着劳动力成本的提高，牙刷的生产成本也相继提高，由于采用人工对位，就容易出现对位不准的时候，这样，最终进行质量检测的时候，其良率也就成为了一个令人头疼的问题。从管理学角度出发，流水线作业的方式是一个可以提高生产效率和良率的好方法。针对以上问题，我本次所设计的牙刷植毛设备控制器主要为适用于大批量生产的自动化流水线作业。图1.3 传统植毛方式在牙刷植毛设备控制器的设计中，本文中通过采用模块化、层次化的结构思想设计出了一种基于单片机和PLC控制结构的数控牙刷植毛机系统，具备了人机对话、检测、控制等一系列的功能，控制系统采用了高性能的单片机芯片、使用了高精度的步进电机及其驱动程序、可编程控制器PLC、位置检测反馈等部件，构成了一个使用高效的闭环驱动系统。可实现每分钟植毛400600孔，日完成量达60007000支牙刷的大批量生产，充分满足了市场的需求，为企业带来良好的经济效益。2 设计方案2.1 牙刷制造总体设计方案鉴于上一部分的分析，本次所设计的牙刷植毛设备控制器主要为适用于大批量生产的机械流水线作业，以降低生产成本，提高生产质量及生产效率。主要生产流程为：首先，将得到的同一型号的刷柄（手柄朝外）按顺序插入刷柄槽（即装牙刷刷柄的槽子，大概一个刷柄槽可以装1010个刷柄）中；然后，转盘朝向刷柄槽的那一侧取出刷柄后，归位，并逆时针旋转90度，植毛机进行植毛；植毛结束，转盘逆时针旋转90度，打磨机把毛刷尖磨成所需的形状，以防因刷毛太过尖锐而造成伤害；最后，转盘继续逆时针旋转90度，此时，一支完整的牙刷制造完毕，被送到传送带上等待质量检测和最后的包装；接下来，转盘再次逆时针旋转90度，来进行下一次刷柄的取出，这样连续反复的进行生产。流水线作业过程设计简图见图2.1所示。1、刷柄槽4、传送带转盘2、植毛机3、打磨机dabc图2.1 流水线作业过程设计其中，转盘的a、b、c、d四只“手”向前伸和上下移动互不干扰，转盘的“手”靠重力感应传感器取刷柄，转盘通过步进电机的控制来旋转；刷柄槽中放置刷柄的位置是等间隔的；植毛机在植毛的过程中是靠植针的运动来完成工作的，这一部分将是本文研究的重点。2.2 牙刷植毛控制器的设计方案牙刷植毛设备控制器的功能是把牙刷毛植入牙刷孔，加工过程主要完成牙刷坯料拾取、植毛头自动定原位、数控工作台 X，Y方向孔位定圆心、分色植毛等一系列动作。牙刷坯料由注塑而成、不同规格的牙刷坯料头部孔位尺寸、位置等参数不同,植毛过程前需要获得牙刷坯料孔位置等几何参数，然后编写出数控加工程序。本设计中，牙刷植毛控制器的植毛过程大致为：首先，启动主机，使工作台回零；然后，取牙刷板，若取到，则夹紧刷板，工作台找到第一孔坐标。此时启动主轴电机，带动主轴旋转，安装在主轴上的3只互成一定角度的凸轮启动，开始植毛。第一凸轮驱动一换向装置，带动拉毛梭芯在梭壳中来回拉丝。从而不断将牙刷丝送人植毛嘴中；同时另一凸轮带动送铁片机构。将铁片送人切片刀盒；此时连杆机构带动刀片切出的薄片。并与梭芯拉人的刷丝一起送人植毛嘴中，由步进电机驱动的装有刷板的工作台移到植毛嘴下，将一束刷丝连同铁片植入当前刷板孔中，这样就完成一次循环。如果在植毛过程中出现机器故障、植毛孔对不准等情况，步进电机会自动停机等待处理，这时候人工进行处理问题，然后机器会重新返回到主轴电机启动重新开始植毛。在植毛过程中，电磁阀控制着毛色的更换，如果需要更换毛色电磁阀开启，植毛机会自动更换毛色，重复上一步则毛色会更换回来，然后电磁阀释放，继续植毛。植毛过程中步进电机会自动计算剩余毛孔数量，如果为零本支牙刷就植毛完毕，主轴电机会自动停转，然后循环第一步更换新的一直牙刷继续植毛。牙刷植毛控制器工作流程图见图2.2所示。主机启动工作台回零取牙刷版取到吗？夹紧刷版，工作台定第一孔坐标主轴电机启动，刹车松，开始植毛重毛吗？继续植毛更换毛色吗？为零吗？剩余孔倒计数牙刷弹出板仓，工作台回零停机，等待处理毛色控制、电磁阀释放本只牙刷植完，主轴停转更换毛色恢复原色吗？日产量、总产量+1处理完吗？N N N N N N N Y Y Y Y Y Y Y 图2.2 牙刷植毛控制器工作流程图3 系统设计3.1 系统功能设计本设计中的牙刷植毛设备控制器主要由3部分组成：植毛机构，高精度X、Y方向运动平台和单片机控制系统。3.1.1 植毛机构主要完成刷丝传送、铁片传送、铁片剪切、尉丝与铁片合成、植入刷板等动作。其工作原理是：启动主轴电机，带动主轴旋转，安装在主轴上的3只互成一定角度的凸轮启动。第一凸轮驱动一换向装置，带动拉毛梭芯在梭壳中来回拉丝。从而不断将牙刷丝送人植毛嘴中；同时另一凸轮带动送铁片机构。将铁片送入切片刀盒；此时连杆机构带动刀片切出1.6mm1mm0.4rnrn的薄片。并与梭芯拉入的刷丝一起送入植毛嘴中，由步进电机驱动的装有刷板的工作台移到植毛嘴下，将一束刷丝连同铁片植入当前刷板孔中，完成一次循环。如此反复，机器将不停地生产出牙刷，平均每支牙刷植毛时间为57s。3.1.2 高精度X、Y运动平台这是一套精度较高的两轴定位系统，主要完成牙刷取板，刷板定位，X、Y方向移位，牙刷出板等一系列动作。因此这部分精度如何影响到整机性能及牙刷植毛质量，要求运动平稳、移位速度快、到位精度高。通常刷板孔径在1.6nm左右，要能准确地将毛丝及铁片植入刷板每孔中心，给运动平台提出了较高要求。其设计原理是：由微电脑控制步进电机，来驱动X轴与Y轴，而X轴和Y轴采用定制精密滚珠丝杠丝杠导程为9.6rnrn，步距为0.04 mm。工作台的平移运动，由X、Y轴运动基座加装导杆，并在导杆上安装立线轴承以消除晃动及步距误差。夹板装置安装固定在运动平台上，由电磁气动阙完成刷板的夹紧及弹出。3.1.3 单片机控制系统该部分是全自动牙刷植毛机的心脏。它所完成的工作主要包括4个方面：(1)协调整机工作状态，检测各个控制环节，包括X轴零位、Y轴零位、板仓空、毛色、重毛、移位等的检测。(2)控制各支路动作，包括X、Y轴步进电机正、反向运动控制，移位步距控制，主轴驱动电机启、停控制，刹车、换毛、出板气泵的工作时序。(3)故障报警指示，包括重毛故障，电源故障，X、Y轴不能回零，毛色不能变换，移位计数等指示。(4)人机对话功能，包括是否紧急停机，故障清除恢复，主轴电磁刹车是否释放，是否启动工作，新牙刷品种的程序编制，日产量计数，总产量计数，工作台移位速度的设定，毛色设定，出板位置的设定，X、Y轴偏移量的修正。3.2 系统结构设计牙刷植毛设备控制器是以单片机及PLC为整个系统的控制核心, 驱动X、Y两轴做插补运动的数控机床系统。在牙刷植毛机数控系统设计中, 我们采用的是模块化设计方法, 把整个系统分解为若干个具有相对独立功能的子系统, 形成不同的功能模块, 以提高产品的开发速度, 快速响应市场需求; 同时希望提高产品的质量、性能并降低成本。牙刷植毛机数控系统总模块设计如图3.1所示。牙刷植毛机控制系统硬件系统软件系统单片机控制模块通讯模块传动驱动模块PLC控制模块液晶显示模块键盘输入模块电气工作模块 图3.1 设计方案框图整个数控牙刷机控制系统由硬件系统和软件系统两个部分组成。硬件系统包括了四个模块，单片机控制模块、输入输出模块、PLC控制模块和伺服控制模块。输入输出模块由键盘输入模块和液晶显示模块构成。在软件系统中包括了单片机控制程序模块和PLC控制程序模块。单片机控制程序模块由各功能子程序模块和主程序控制模块构成。各功能模块子程序包括加工程序编辑子程序、液晶显示子程序、通信子程序、差补运算子程序和伺服控制子程序。数控牙刷机控制系统的软件系统主要是单片机控制。3.3 硬件系统3.3.1 CPU模块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89S51，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AT89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AT89S51，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。AT89S51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。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：（行程开关）前向通道传动驱动（电磁铁）（步进电机）人机界面传感器AT89S51（键盘、LED）后向通道 图3.2 CPU外部接口示意图AT89S51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AT89S51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AT89S51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。P1.0-P1.2驱动1X步进电机驱动2Y步进电机P1.3-P1.5P1.6驱动3P3.2外部中断1P3.3外部中断2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51键盘电磁铁8155 图3.3 AT89S51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。PA/PC口-与非门INT0/INT1中断源0中断源1图3.4 多中断源中断触发图3.3.2 通讯模块3.3.2.1 单片机与PLC的通信控制板上的高速单片机(AT89S51) 负责整个系统的协调运作, 包括接收键盘输入、显示输出、检测各个控制环节、控制各支路动作、报警提示、人机对话、接收PLC反馈信息等; PLC部分负责监测机床的安全开关、缺丝开关、急停、自动/ 手动、停止/ 启动、刹车按钮等各个部位电磁阀、开关的状态并作出相应的处理, 同时将机床的各部分信息反馈给单片机; 单片机与PLC之间采用并行口通信, 相互协调,共同完成牙刷植毛动作。在本系统中, PLC既要与单片机进行通信, 又要对机床上各传感器的信号作出响应。PLC与单片机的通信可以通过串行接口或并行接口来实现。串行通信所需PLC点数少, 但速度慢, 且需专门编写通信协议程序。鉴于本数控系统的单片机控制模块有足够的I/O接口( 片外扩展两片8155芯片) , 我们采用并行接口的方式来实现PLC与单片机的通信, 将8155芯片的PA、PB口作为PLC与单片机的输入输出通道,PA、PB口各八位( 可表示机床的28= 256种状态) 。机床上的传感器主要包括X、Y轴导轨限位开关及换毛机构传感器等。通信的框图如图3.5所示。单片机控制板PA8155PBXPLCYXYX轴导轨限位开关Y轴导轨限位开关主电机A色毛B色毛 换毛机构C色毛机床图3.5 单片机与PLC的接口 3.3.2.2 键盘与单片机的通信本电路的键盘输入设计为44的键盘矩阵，又称为行列式键盘，如下图3.6所示：图3.6 键盘输入电路图3.6中，4个10K的电阻为上拉电阻。键盘矩阵通过P1口与单片机连接，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上，设置一个按键，形成44个按键。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。单片机工作时，首先，先从P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P1口的低四位读取键盘状态。再从P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P1口的高四位读取键盘状态。将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。使用上述方法我们得到16个键的特征编码。然后，将得到的16个按键的特征编码按图中按键排列排成一张特征编码与顺序编码的对应关系表，然后用当前读得的特征编码来查表，当表中有该特征编码时，它的所在位置就是对应的顺序编码。判断是否有键按下的方法分下面几步：(1)向所有的列线I/O口输出低电平后，将行线的电平状态读入累加器A中。若无键按下，行线任保持高电平状态，若有键按下，行线至少应有一条为低电平。 (2)确定有键按下后，求键码。求键码的方法是：依次从一条列线上输出低电平，然后检查各行线的状态，若全为高电平，说明该闭合键不在该列，若不全为1，则说明闭合键在该列，且在变为低电平的行的交点上。值得注意的是，在键盘处理程序中，每个键都被赋予了一个键号，由从列线I/O口输出的数据和从行线I/O读入的数据可以求出闭合键的键号。3.3.2.3 液晶显示屏与单片机的通信液晶显示器(LCD)比起数码管来说具有显示信息多、体积小、功耗低等特点。本数控系统选用深圳研安佳电子有限公司的可视化编程LCD液晶显示模块作为显示终端，以简化系统操作，改善人机对话环境，使显示内容丰富，图文并茂，提高可视化程度。为提高LCD的响应速度，可先把控制系统要用到的图标和字库预装入LCD自带的存贮系统中，然后系统单片机控制模块通过串口给LCD显示屏发送相应命令控制需要生成的界面和信息。接口方式如图3.7所示。VCCRXDTXDVSSPIN PIN2PINPINPIN320240模块（LCD背光）AT89S51PIN1（SIO）+5V+5V图3.7 单片机AT89S51与320240模块的接口在编写单片机AT89S51的显示控制软件时需注意以下事项:串行口模式设为模式1 (1个起始位, 8个数据位, 1个停止位) ;波特率设为9600bps(TH1= TL1= 0FDH, SMOD= 0; TH1= TL1= 0FAH,SMOD= 1) ; 在发送命令之前需检测模块为闲态(PIN7=1) , 否则所发的命令可能失效; 串口发送的必须是完整命令的ASCII码( 汉字为其机内码,ASCII字符为其ASCII码) ; 在每条命令末尾还要加上命令结束码/ 0D0, 以表明命令结束; 模块SIO接口中PIN6的作用是当模块内MCU由于干扰死机时, 用户控制电路可强行复位, 使模块脱离死机状态, 判断模块是否死机可通过向其发送正确的控制命令后, PIN7电平是否有变化来得知, 实际上模块在完成每条内部命令操作后立刻进入睡眠状态, 死机的机率是极低的, 所以系统未使用。3.3.3传动驱动模块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植针压下。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3.8 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，限制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3.9 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）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。图3.10 电磁铁驱动电路系统要求植毛机的植毛速度为300500孔min，在这种高速运转的情况下，步进电机很容易产生失步现象，造成植毛精度不准，影响加工效率和产品质量，因此有必要采取措施解决步进电机的失步问题。我们采用高精度增量式光电编码器来作为其位置检测元件，以提高系统加工精度和可靠性。步进电机伺服系统原理框图如图3.9所示。进给脉冲指令位置误差计数器交流伺服电机编码器工作台丝杠位置反馈信号+图3.11 步进电机伺服系统框图进给脉冲指令由单片机控制系统发出，步进电机上的光电编码器检测其位置信号，并将其反馈给位置误差计数器，当位置误差为零，即步进电机已走到指定位置时，停止发送运动脉冲，因而能够准确控制步进电机的走步距离，彻底消除失步现象。 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。此系统中共有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3.12 人机界面图3.3.4电气工作模块设计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3.13 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。3.4 软件系统对于AT89S51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。3.4.1 主流程图上电复位P1.6=0，吸合电磁铁，植针抬起外部中断，8155初始化开外部中断，开总中断等待中断图3.14CTL EQU 3FF8HPA EQU 3FF9HPB EQU 3FFAHPC EQU 3FFBHCMD EQU 02HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INT0IS ；外部中断0入口ORG 000BHAJMP TM0IS ；定时器0中断入口 ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中断1入口ORG 001BHAJMP TM1IS ；定时器1中断入口ORG 0100HMAIN：ANL P1，0EFH SETB IT0；外中断负跳沿触发 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。3.4.2 INT0中断服务流程图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 P1.2TM2C： MOV A，R2 CPL A ANL A，#0CH JZ A，RETIN SETB P1.3图3.15 SETB P1.4 SETB P1.5 RETIN：POP PSW POP DPTH POP DPTL POP ACC RETI3.4.3 INT1中断服务流程图图3.16 INT1终端服务流程图INT1IS：CLR EX1 MOV A，DPTRPUSH ACC JNB ACC.4，RSTPUSH PSW JNB ACC.0，X+ENPUSH DPTL JNB ACC.1，X-ENPUSH DPTH JNB ACC.2，Y+ENCLR P1.6 JNB ACC.3，Y-ENMOV A，PC JNB ACC.5，ARCMOV DPTR，A LOOP1：POP DPTHMOVX A，DPTR；读PC口内容 POP DPTLMOV R1，A POP PSWANL R1，#0FH POP ACCMOV A，PB SETB EX1MOV DPTR，A RETIMOV A，DPTR；读PB口内容ANL A，#0FHSWAP AORL A，R1MOV R2，AMOV A，PBMOV DPTR，AMOVX DPTR，R2；数据输入PB口INC DPTL3.4.4 复位程序流程图 NP1.6=0，抬起植针读PA口内容ACC.0=0？ACC.2=0？X轴电机反转一步Y轴电机反转一步跳转LOOP1Y图3.17 复位程序流程图 DIRX EQU 30H DIRY EQU 31HRST： CLR P1.6RPA： 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 RPALOOP0：AJMP LOOP13.4.5 X轴电机点动正转程序流程图YNP1.6=0，抬起植针读PA口内容ACC.0=0？PC0=0？X轴电机反转一步跳转LOOP1图3.18 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，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： 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。3.4.6 绘制圆弧程序流程图 图3.19 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F0，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F0，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。3.4.7 步进电机步进一步程序流程图 图3.20 步进电机步进一步程序流程图DEF EQU 12H SJMP LP3MOV DEF，#00H TAB： DB FEHXMOTOR1：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 FAHLP3： MOV DPTR，#TAB MOVC A，A+DPTR ANL P1，A ACALL DELAY RETXMOTOR0：JNE DEF，#00H，LP4 MOV A，#05H MOV DEF，ALP4： MOV A，DEF DEC DEF4 结论近年来, 国内经济型数控系统发展很快。这些系统多用单片机作为控制核心, 利用步进电机作为执行部件, 构成开环控制系统, 有较好的性能价格比, 受到不少用户的欢迎。本系统初始样机也是采用常规的开环系统,但据实验和用户反应, 开环系统样机存在快进速度较低、长期运行易产生丢步现象等问题。为此, 设计了改进的闭环数控牙刷植毛机系统, 使工作台的X向和Z向驱动电机均采用直流步进电机加光电编