基于单片机的数控车床XY工作台与控制系统设计报告

湘潭大学兴湘学院 - 1 - 基于单片机的数控车床基于单片机的数控车床 XY 工作台与控制系统设计工作台与控制系统设计 摘摘 要要 了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺 序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的 优点很多,可以在同一机床上一次装 夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的 价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需 要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济 型数控改造。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光 杠与丝杠以及安装座,配上 滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾,不占据丝杠 空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,由步进电机带动。 关键词：运动信息，滚珠丝杠，步进电机 Single Chip Microcomputer-based XY table CNC lathe and Control System Design ABSTRACT Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automatically in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the tool movement: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. KEY WORDS: tool movement，conventional machines，Stepper motor 湘潭大学兴湘学院 - 2 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 数控机床的生产与发展数控机床的生产与发展 装备工业的技术水平和现代化程度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新 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。 科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来 越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。 他不仅能够提高产品的质量和生产效率、降低生产成本，还能够大大改善工人 的劳动条件。许多生产企业已经采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线。 采用这种高度自动化和高效率的设备，尽管需要很大的初始投资以及较长的生 产准备时间，但是在大批量的生产条件下，由于分摊在每一个工件上的费用很 少，经济效益仍然是非常显著的。 但是，在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件 和小批量生产的零件占机械加工总量的 80%以上。尤其是在造船、航空航天、 机床、重型机械以及国防部门，其生产特点是加工批量小、改型频繁、零件的 形状复杂而且精度要求很高，采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件 就显得很不合适，因为生产过程中需要经常改装与调整设备，对于专用生产线 来说，这种改装与调整甚至是不可能实现的。 为了解决这些问题，满足多品种、小批量的自动化生产，迫切需要一种灵 活的、通用的能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。数控机床就是在这样 的背景下产生与发展起来的。它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、 小批量生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。 1.2 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 随着计算机、微电子、信息、自动控制、精密检测及机械制造技术的高速 发 展，机床数控技术有了长足的进步。近几年一些相关技术的发展，如刀具及新 材料的发展，主轴伺服和进给伺服、超高速切削等技术的发展，以及对机械产 品质量的要求越来越高等，加速了数控机床的发展。目前数控机床正朝着高速 度、高精度、高工序集中度、高复合化和高可靠性等方向发展。世界数控技术 及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面： 湘潭大学兴湘学院 - 3 - （1） 高速高效高精度 （2） 柔性化 （3） 工艺复合化和多轴化 （4） 实时智能化 （5） 结构新型化 （6） 编程技术自动化 （7） 集成化 （8） 开放式闭环控制模式 1.3 数控机床在先进制造技术中的作用数控机床在先进制造技术中的作用 自从 20 世纪中期，人们将计算机技术引用到控制机床加工飞机机翼样板的 复杂曲线中以来，数控技术在机床控制方面取得了广泛、深入的发展，各种数 控机床成为了现代制造业的关键设备，是它们保证了现代制造业向高精度、高 速度、高效率、高柔性化的方向发展。 由于数控机床的出现，带动了 CAD/CAM 技术向实用化、工程化发展，特 别是计算机技术的迅速发展，推动 CAD/CAM 技术向更高层次和更高水平发展， 而且进一步发展了计算机辅助工艺设计(CAPP)数据库、集成制造生产系统相关 信息的自动生成、自动处理、自动传输。可以说数控技术既是联系 CAD/CAM 的纽带，也是进一步通向集成化 CAD/CAM 的桥梁。 1.4 对我国数控技术及其产业发展的基本估计对我国数控技术及其产业发展的基本估计 我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段： 第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技 术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家 的“六五” 、 “七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建 立 起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境 和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取 得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实 施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 , 特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。 1.5 毕业设计的目的、意义毕业设计的目的、意义 机电一体化系统设计毕业设计是培养学生设计能力的重要实践性教学 环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的 基本设计训练。其目的是： 湘潭大学兴湘学院 - 4 - 能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握 机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计 方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学 生具有机电一体化系统设计的初步能力； 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计 算、选型和结构设计方法和步骤； 通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、 工作原理，和软件编程思想； 通过毕业设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学 生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。 1.6 毕业设计的内容毕业设计的内容 毕业设计题目：基于单片机的数控车床 XY 工作台与控制系统设计 已知条件：定位精度：0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命为 T=16000h， 中等冲击，工作台的有效行程为,，快速进给速度mmLx400mmLy400 ，和工作载荷。min/2000 max mmvxmin/2000 max mmvyNFz1900 湘潭大学兴湘学院 - 5 - 第二章第二章 数控系统总体方案的确定数控系统总体方案的确定 数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传 动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行 方案的分析、比较和论证。 1.1 系统运动方式的确定系统运动方式的确定 该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制 方式。 1.2 伺服系统的选择伺服系统的选择 开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机。开环控制 系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构 简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。 考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机作为 开环伺服系统驱动。 1.3 计算机系统的选择计算机系统的选择 采用 MCS-51 系列中的 8031 单片机扩展控制系统。MCS-51 单片机的主要 特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部 分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统 的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和 工作状态等信息。 1.4 XY 工作台的传动方式工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动 副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。 由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从 而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。 考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及 考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图如下： 湘潭大学兴湘学院 - 6 - 图 2-1 计 算 机 光电隔离 功率放大 步进 电机 X 向工作台 光电隔离 功率放大 步进 电机 Y 向工作台 湘潭大学兴湘学院 - 7 - 第三章第三章 机械部分设计机械部分设计 机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择 步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。 1.1 确定系统脉冲当量确定系统脉冲当量 脉冲当量 p 是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置 精度，由于定位精度为0.01mm 因此选择脉冲当量为 0.01mm。 1.2 工作台外形尺寸及重量初步估算工作台外形尺寸及重量初步估算 根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算 X 向和 Y 向工作台承载重量 WX 和 WY。 取 X 向导轨支撑钢球的中心距为 410mm,Y 向导轨支撑钢球的中心距为 400mm,设计工作台简图如下： X 向拖板(上拖板)尺寸为: 50410420 重量: NWx58.671108 . 71050410420 23 Y 向拖板(下拖板)尺寸为: 50400420 重量: NWx 2 . 655108 . 71050400420 23 上导轨(含电机)重量: N97.487108 . 710)503580028480900( 23 夹具及工件重量:约 155N X-Y 工作台运动部分总重量为: 图 3-1 湘潭大学兴湘学院 - 8 - NW200015597.487 2 . 65558.671 1.3 滚动导轨副的计算、选择滚动导轨副的计算、选择 根据给定的工作载荷 Fz 和估算的 Wx 和 Wy 计算导轨的静安全系数 fSL=C0/P，式中：C0 为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷 P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动） 。根据计算结果查 有关资料初选导轨： 因系统受中等冲击,因此取0 . 4 SL f YXSLo PfC , )(5 . 0 ,YXZYX WFP NWFP XZX 79.1285)58.6711900(5 . 0)(5 . 0 NWFP YZY 6 . 1277) 2 . 6551900(5 . 0)(5 . 0 NPfC XSLOX 16.514379.12854 NPfC YSLOY 4 . 5110 6 . 12774 根据计算额定静载荷初选导轨,其型号为：HJG-D25。基本参数如下： 表 3-1 额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重 量 导轨重 量 导轨长度 动载荷 a C 静载荷 o C A T B T C T g K/ g Km L (mm) 17500260001981982880.603.1760 滑座个数单向行程长度每分钟往复次数 M S ln 40.64 导轨的额定动载荷NCa17500 依据使用速度 v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷验算导轨的工)(KNCo 作寿命 T： 额定行程长度寿命: 3 )( F C f fff KT a W CTH S 475 4 1900 M F F Z 湘潭大学兴湘学院 - 9 - 1 T f 2 W f 81. 0 C f 1 H f 50 O d R K km F C f fff KT a W CTH S 53.166099) 475 17500 2 81 . 0 11 (50)( 33 导轨的额定工作时间寿命: nl T T S S H 2 103 hTh nl T T S S H 16000576734 6046 . 02 1053.166099 2 10 33 导轨的工作寿命足够。 1.4 滚珠丝杠计算、选择滚珠丝杠计算、选择 初选丝杠材质：CrWMn 钢，HRC5860，导程：mml5 0 强度计算： 丝杠轴向力：)( ,max NWFfKFF yxzyx 其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数 f=0.0030005；在车床车削外圆时： Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取 Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz 计算。 取 f=0.004,则:400 z F NFF ZX 95019005 . 05 . 0 NFF ZY 114019006 . 06 . 0 NFX786.1102)58.6711900(004 . 0 95015 . 1 max NFY221.1321) 2 . 6551900(004 . 0 114015 . 1 max 寿命值：，其中丝杠转速 6 10 60nT L min)/( max r l v n o hT16000 min/400 5 2000 max r l v n o 384 10 1600040060 6 L 湘潭大学兴湘学院 - 10 - 最大动载荷：FffLQ WH 3 式中：fW 为载荷系数，中等冲击时为 1.21.5；fH 为硬度系数，HRC58 时为 1.0。 查表得中等冲击时,则：2 . 1 W f1 H f NQX70.9618786.110212 . 1384 3 NQY93.11523221.132112 . 1384 3 根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择 滚珠丝杠的型号为:：CM 系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。其基本参数 如下： 表 3-2 公称直径基本导程丝杠外径丝杠底径循环圈数丝杠代号 D0PhD1D3n CM2005-520519.516.765 额定载荷 刚度螺母安装尺寸 动载荷 静载荷KDLB 1420538244730706211 螺母安装尺寸 油杯孔 D1D4 12 hM 45565.8106M6 其额定动载荷为 14205NQy 足够用。滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预 紧方式采用双螺母螺纹预紧形式。 滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表 湘潭大学兴湘学院 - 11 - 表 3-3 名称计算公式结果 公称直径 0 d 20mm 螺距t 5mm 接触角 0 45 钢球直径 b d 3.175mm 螺纹滚道法向半径R 0.52 b Rd 1.651mm 偏心距e (2)sin b eRd 0.04489mm 螺纹升角 0 t arctg d 0 4 33 螺杆外径d 0 (0.2 0.25) b ddd 19.365mm 螺杆内径 1 d 10 22ddeR 16.788mm 螺杆接触直径 2 d 20 cos b ddd 17.755mm 螺母螺纹外径D 0 22DdeR 23.212mm 螺母内径（外循环） 1 D 10 (0.2 0.255) b Ddd 20.7mm 传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率为： )( g g t t 式中：为摩擦角；为丝杠螺旋升角。 100o 334o 96 . 0 )10334( 334 )( o g o g g g t t t t 稳定性验算 丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。 刚度验算 湘潭大学兴湘学院 - 12 - 滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为： ES Fl L 0 1 Y 向所受牵引力大,故用 Y 向参数计算 NFY221.1321 cml5 . 0 0 )/(10 6 . 20 26 cmNE cmRS14. 2) 2 651 . 1 (14 . 3 22 cmL 6 6 1 1099.14 14 . 2 10 6 . 20 5 . 0221.1321 丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差 为 /99 . 2 5 . 0 100 1 mmL E 级精度丝杠允许的螺距误差。mm/15 1.5 齿轮计算、设计齿轮计算、设计 因步进电机步距角滚珠丝杠螺距 t=5mm,要实现脉冲当量 o b 5 . 1 ,在传动系统中应加一对齿轮降速传动。stepmm p /01 . 0 齿轮传动比：，步进电机步距角： p bl i 360 0 step o b /5 . 1 083 . 2 01 . 0 360 55 . 1 360 0 p bl i 1 2 Z Z i 取小齿轮齿数 ,则大齿轮齿数24 1 Z50 2 Z 大小齿轮材料均为 45 钢 由于软齿面齿轮工艺简单、生产率高，故选择软齿面齿轮。 因传递的扭距较小,取模数 m=1mm 则: 分度圆直径: 11 1 2424dmzmm 22 1 5050dmzmm 齿顶圆直径: 11 (2)(242) 126 a dzmmm 22 (2)(502) 152 a dzmmm 齿根圆直径: 11 (2.5)(242.5) 121.5 f dzmmm 21 (2.5)(502.5) 147.5 f dzmmm 湘潭大学兴湘学院 - 13 - 齿宽: 1 1 2424 d bdmm 取 1 25b 2 30b 中心距: 12 0.5()0.5(2450)37addmm 分度圆压力角: 0 20 大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮 1.6 步进电机惯性负载的计算步进电机惯性负载的计算以及步进电机的选用以及步进电机的选用 根据等效转动惯量的计算公式，有： (1)等效转动惯量的计算 折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为： 2 32 2 2 1 10 ) 180 ()()( b p q MJJ Z Z JJJ 式中： q J 为折算到电机轴上的惯性负载； 0 J 为步进电机轴的转动惯量； 1 J 为齿 轮 1 的转动惯量； 2 J 为齿轮 2 的转动惯量； 3 J 为滚珠丝杠的转动惯量；M 为移动部件的质量。 对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算： LDJ 43 1078 . 0 式中D为圆柱零件直径，L为圆柱零件的长度。 所以有： 2243 1 /1047 . 6 5 . 24 . 21078 . 0 cmkgJ 2243 2 /1025.146351078 . 0 cmkgJ 2243 3 /1044.373021078 . 0 cmkgJ 电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有： 22222 /779 . 0 ) 5 . 1 180 14 . 3 01 . 0 (20010)44.3725.146() 50 24 (1047 . 6 cmkgJd (2)步进电机启动力矩的计算 设步进电机的等效负载力矩为 T，负载力为 P，根据能量守恒原理，电机 所做的功与负载力所做的功有如下的关系： PST 式中为电机转角，S 为移动部件的相应位移， 为机械传动的效率。若取 ，则，且。所以： b p S)( zs PGPP b zsp PGP T 2 )(36 湘潭大学兴湘学院 - 14 - 式中：为移动部件负载（N） ，G 为移动部件质量（N） ，为与重力方向一 s P z P 致的作用在移动部件上的负载力（N） ，为导轨摩擦系数，为步进电机的步 b 距角（rad）,T 为电机轴负载力矩（N.cm） 。 取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数） ，。考3 . 08 . 0NPP Hs 221.1321 虑到重力影响，Y 向电机负载较大，所以有： cmNT 56.68 8 . 05 . 114 . 3 2 )18002000(03 . 0 221.132101 . 0 36 考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩： 5 . 03 . 0 T Tq 取系数为 0.4，则：cmNTq 4 . 171 4 . 0 56.68 对于工作方式为三相 6 拍的步进电机： cmN T T q j 92.197 866 . 0 max (3)步进电机的最高工作频率 1667 01 . 0 60 1000 60 max max p v f 空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表 max f 选择两个 90BF001 型步进电机。电机有关参数如下： 表 3-4 主要技术参数 型号 相数 步距 角 电压 (V) 相电 流 (A) 最大静 转矩 max j T (n.m) 空载启 动频率 空载 运行 频率 分配方式 90BF00140.98073.9220008000 4 相 8 拍 外形尺寸(mm) 外直径长度轴直径 重量 kg 转子转动惯量 Kg.m 9014594.51764 湘潭大学兴湘学院 - 15 - 第四章第四章 数控系统硬件电路设计数控系统硬件电路设计 1.1 数控系统的硬件电路由以下几部分组成：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下所示： 图 4-1 1.2 主控制器主控制器 CPU 的选择的选择 MCS-51 系列单片机是集中 CPU，它有如下特点： 1、可靠性高。 因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于 PC 机。系 中央处理单 元 CPU 存储器 RAM ROM 输入/输出 I/O 接口 信号变换 控制对象 外设： 键盘，显示器，打印 机，磁盘机，通讯接 口等 湘潭大学兴湘学院 - 16 - 统软件(如：程序指令，常数，表格)固化在 ROM 中，不易受病毒破坏。许多信 号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。 2、便于扩展。 片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并 行和串行的输入/输出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。 3、控制功能强。 具有丰富的控制指令，如：条件分支转移指令，I/O 口的逻辑操作指令，位 处理指令。 4、实用性好。 体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。 由于上述原因，选用 8031 作为主控芯片。 1.3 存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计 1、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。 于 8031 芯片的 P0 口是分时传送低 8 位地址线和数据线的，故 8031 扩展系 统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是 74LS373。 2、数据存储器的扩展 由于 8031 芯片内部 RAM 只有 128 字节供用户使用，远不能满足系统需要， 因此需要扩展片外的数据存储器（RAM） 。常用的数据存储器有 6116、6264、62128 等，这里选用 6264。 3、I/O 扩展电路设计 8031 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 为多功能的可编程接口芯片，内 部包含有 256 字节 RAM，两个可编程 8 位并行口、一个 6 位并行口和一个 14 位的计数器。8155 是 8051 单片机应用系统中最适用的外围器件。数据存贮器 是 256x8 位静态 RAM。I/O 由三个通用口组成，其中的 6 位口可编程为状态控 制信号。可编程的 14 位计数器/定时器用于给单片机系统提供方波或计数脉冲。 8155 与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。 湘潭大学兴湘学院 - 17 - 第五章第五章 系统控制软件的设计系统控制软件的设计 1.1 系统控制功能分析系统控制功能分析 数控 X-Y 工作台的控制功能包括： 1、系统初始化。如对 I/O 接口 8155，8255A 进行必要的初始化工作，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，亦可手动复位。 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、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台 的运动，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。 1.2 系统管理程序控制系统管理程序控制 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，应确定接收命令的形式，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 理程序流程图如下所示： 湘潭大学兴湘学院 - 18 - 加工程序输 入键按下 机床复位 开始 系统初始化 自动加工键 按下 手动加工键 按下 加工数据输 入 自动加工 手动调整 N N N Y Y Y 图 5-1 1.3 自动加工程序设计自动加工程序设计 （1）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； （2）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； （3）由以上分析，设计自动加工程序框图如下所示： 湘潭大学兴湘学院 - 19 - 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一 零件加工完成 N Y 返回 图 5-2 1.4 汇编语言程序设计汇编语言程序设计 1、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 位字节地址位 22H；减速脉冲数计数器 N2 地址位 23H。加速， 减速，恒速脉冲总数寄存器 N 低位字节地址位 24H，高位字节地址位 25H；步 湘潭大学兴湘学院 - 20 - 进电机进给控制子程序 FEED 首地址位 0E80H。每调用一次该程序，步进电机 按规定方向进给一步。 2、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 0E80H ORG 0E00H 0E00 START： MOV P，#60H 0E03 MOV TMOD，#01H ；设计数器工作方式为 1，16 位定时器 0E06 MOV N0，#01A4H ；设 N0 为 320 0E09 MOV N2， #1A4H 0E0C MOV A ， N0 ；计算 2XN0 0E0E RL A 0E0F MOV R0， A 0E10 CLR C ；计算 N1=N-2N0 0E11 MOV A， NL 0E13 SUBB A， R0 0E14 MOV N1L， A 0E16 MOV A， NH 0E18 SUBB A，#00H 0E1A MOV N1H，A 0E1C MOV DPTR， #1000H ；设时间常数指针初值为 1000H 0E1F MOV DS， #00H ；设地址偏移量初值为 00H 0E22 MOVC A, A+DPTR ；从 EPROM 中读时间常数 0E23 MOV TL0， A ；送时间常数至定时器 0 中 0E25 INC DS 0E27 MOV A，DS 湘潭大学兴湘学院 - 21 - 0E2 MOVC A，A+DPTR 0E2A MOV TH0，A 0E2C INC DS 0E2E SETB EA ；开中断允许 0E30 SETB ET0 ；允许定时器 0 中断 0E32 SETB TR0 ；启动定时器 0 开始计算 0E34 WAIT：JB EA，WAIT ；中断允许返回 0E37 RET 中断服务程序： ORG 000BH 000B LJMP 0F00H 0F00 MOVC A，A+DPTR 0F03 MOV TL0， A 0F05 INC DS 0F07 MOV A，DS 0F09 MOVC A，A+DPTR 0F0A MOV TH0， A 0F0C INC DS ；修改地址偏移量指针 0F0E ACALL FEED ；调 FEED 子程序 0F10 MOV A， N0 ；判断 N0 是否为 0 0F12 CJNE A， #00H， LOOP1 0F15 MOV A， N1H ；判断 N1 是否为 0 0F17 CJNE A，#00H， LOOP2 0F1A MOV A，N1H 0F1C CJNE A，#00H，LOOP2 0F1F MOV A，N2 ；判断 N2 是否为 0 0F21 CJNE A，#00H，LOOP3 0F24 CLR EA ；N2 为 0 ，减速结束，关中断 0F26 RETI 0F27 LOOP1：DEC N0 ；N0 不为 0，则 N0N0-1 0F29 RETI 0F2A LOOP2：MOV A，N1L ；N1 不为 0，则 N1N1-1 0F2C CLR C 0F2D SUBB A， #01H 0F2F MOV N1L， A 湘潭大学兴湘学院 - 22 - 0F31 MOV A， N1H 0F33 SUBB A，#00H 0F35 MOV N1H，A 0F37 RETI 0F38 LOOP3：DEC N2 ；N2 不为 0，则 N2N2-1 0F3A RETI 逐点比较法插补程序： RP：MOV SP，#60H MOV 4AH，#00H ；F 单元清零 MOV 49H，#00H MOV 48H，#01H ；X 电动机初始化 MOV 47H，#02H ；Y 电动机初始化 MOV DPTR，#0030H MOV A ，#03H ；XY 电动机上电 MOVX DPTR，A CLR C ；计算终判值 MOV A，52H ；低位 X、Xe 相减，得 a SUBB A，4EH MOV 54H，A ；保存结果于终判值单元低位字 节 MOV A ，51H ；高位 X、Xe 相减，得 b SUBB A，4DH MOV 53H，A ；保存结果于终判值单元高位字 节 CLR C ；低位 Ye、Y 相减，得 c MOV A，4CH SUBB A，50H MOV 20H，C ；暂存 Ye、Y 低位相减产生的借 位位 ADD A，54H ；计算 d=a+c，d 为低位终判值 MOV 54H，A ；保存 d 于终判值单元低位字节 MOV 21H，C ；暂存 d=a+c 产生的进位位 MOV A，4BH 湘潭大学兴湘学院 - 23 - MOV C，20H ；恢复 Ye、Y 低位相减产生的 借位位 SUBB A，4FH ；高位 Ye、Y 相减，得 e MOV C，21H ；恢复 d=a+c 产生的进位位 ADDC A，53H ；计算 f=b+e，f 为高位终判值 MOV 53H，A ；保存 f 于终判值单元高位字节 PR2：ACALL DL0 ；延时子程序 MOV A，49H ；取 F 高位字节 JB ACC.7，RP6 ；高位1，F0，去 RP6 ACALL XMM ；高位0，F0，X 反转一步 CLR C ；计算新偏差 FF2X1 MOV A，4AH ；计算 gFX 低位 SUBB A，52H XCH A，B ；g 存入 B 寄存器 MOV A，49H ；计算 hFX 高位 SUBB A，51H XCH A，B ；低位存 A，高位存 B。BA 内 容为 FX CLR C ；计算 igXF2X 低位 SUBB A，52H XCH A，B ；B 内容为 F2X 低位，A 内 容为 FX 高位 SUBB A，51H ；A 内容为 F2X 高位 X