CNC数控平面绘图仪

1、CNC数控平面绘图仪一、 设计题目 数控平面绘图仪一、 设计要求1、 输入参数由24位键盘录入（LED显示）；2、 绘制给定300mm直线和三角形；3、 根据系统的功能要求设计直线插补程序；4、 根据系统的功能要求设计单片机硬件及接口电路；三、设计目的1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其相关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法；2、 通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式；3、 培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想；4、 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力；四.设计

2、原理 1 系统工作原理X-Y绘图仪的机械特性主要包括平台、XY坐标尺h 和Ly、XY传动丝杠驱动坐标步进电动机MxMy、绘图笔、控制器和微型计算机接口等，如图3.1所示：图3.1 XY绘图仪机械原理图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，XY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

3、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。2 插补原理组成零件基本线型的是直线和圆弧，一些复杂的曲线、曲面经过适当加工后，也可以用直线和圆弧去逼近、拟合。数控加工中，数控系统实时地计算出轮廓起点和终点之间的一系列中间点的坐标值。所谓插补就是根据零件轮廓尺寸，结合精度和工艺等方面的要求，在已知的这些特征点之间插入一些中间

4、点的过程。（1）直线插补逐点比较法直线插补工作流程图，见图3-8.基本方法是加工诡计与理想直线相比较，以便确定下一步加工方向，使得误差最小.如下图所示，以直线的起点为坐标原点，己知当前坐标为，终点坐标为, X, Y为直线上任一点的A的坐标，则直线方程为:X /Y=.（2）圆弧插补圆弧插补与直线插补类似，只是多一个过象限的问题。它同样根据F, C(顺/逆)，动点坐标F i (Xi, Yi)的符号确定加工方向。图3-11是逆时针工作，图3-12是顺时针工作。圆外的箭头表示F=0时的运动方向，圆内的箭头表示F 0是时的运动方向。五.系统设计步进电机的选用步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压

5、降低时，其输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此按最大等效负载M考虑一定的安全系数，选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。（1）硬件电路设计根据要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能：（1） 接受操作面板的开关与按钮信息；（2） 接受限位开关信号；

6、（3） 控制X，Y向步进电动机的驱动器； 硬件电路设计主要包括：8051单片机系统、步进电动机驱动电路、键盘输入以及显示电路、输入键盘MCS8952显示单元驱动单元功率放大单元光电隔离单元步进电机 8051单片机系统80c是一个高度集成化的控制芯片，能进行逻辑自动控制，它是本设计的控制中心，其包括最重要的cpu，存储器（rom,ram）,I/O接口，定时器和计数器。以下为80c51的外部电路：1 复位电路 采用外部复位电路，处部复位电路中，当按下按钮时，电源对外接电容充电，使用RST端为高电平时，复位按钮松开后，电容通过内部下拉电阻放电，逐渐使RST端恢复低电平。2 ，晶振电路采用上电复位电路

7、。3，I/O口连接通过P0口接收来自键盘的信号，再通过单片机的控制和处理形成的脉冲，经P1口输出来到外部处理电路中。2 芯片74LS138 74LS138为三线-8线译码器，其工作原理为当一个选通端午节（G1）为高电平，另两个端（/（G2A）和/（G2B）为低电平是，可将地址端（A，B，C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。3 芯片8279 373为三态输出的八 D 透明锁存器。 当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。步进电动机驱动电

8、路步进电动机的控制信号由8051的P1口提供，其中P10P12分别控制步进电动机Mx的顺时针和逆时针旋转，P13P15分别控制步进电动机My的顺时针和逆时针旋转。斩波恒流驱动是性能较好，目前使用较多的一种驱动方式。起基本思想：无论电机式锁定状态还是低频或高频运行时，均使导通相的电流保持额定值。图326斩波恒流驱动电路的原理图。相绕组的通断有开关vt1和vt2共同控制，vt2的发射极的接一只小电阻r，电动机绕组的电流经这个电阻到底，电阻的压降与电动机绕组电流成正比，所以这个电阻是采样电阻。 当输入电压为高电压时，vt1和vt22个开关均导通，电源向绕组供电。由于绕组电感的作用，r上的电压逐渐升高

9、，当超过给定电压的值式，比较器输出低电平，使与门输出低电平，vt1截止电源被切断，绕组电流经vt2、r、vt2续流，采样电阻r的电压随之下降。当采样电阻r上的 小于给定电压时，比较器输出高电平，郁闷也输出高电平，vt1重新导通，电源有开始向绕组供电。如此反复，绕组的电流就稳定在给定电压所决定的数值。 当控制脉冲变为电平，vt1和vt2两开关均截止，绕组中的电流经二极管vd1、电源和vd2放电，电流迅速下降。这种驱动电路的有优点能够有效抑制共振，因为电机共振的基本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动的能量式随绕组电流变化调节，可以有效抑制能量聚集。但是由于电流波形为锯齿波，这种驱动方式会长生较大的电磁

10、噪声。键盘输入以及显示电路通过对键盘/显示方式命令字的设置，可置为双键互锁方式和N键巡回方式。双键锁定是为两键同时按下提供的保护方法。若有两键或多个键同时按下，则无论这些键是以什么次序按下的，它只识别最后一个释放的键，把该键值送入FIFO/传感器RAM中。N键巡回是为N个键同时按下时提供的保护方法。若有多个键同时按下时，键盘扫描能按按键先后顺序依次将键值送入FIFO/传感器RAM中。利用键盘、显示专用芯片8279能够以较简单的硬件电路和较少的软件开销实现单片机与键盘、LED显示器的接口。采用8279与8051接口，在CPU对8279进行初始化后，只需向8279传输待显示数据（送数），再就是在8

11、279键盘中断申请发出后，取键盘数据识别按键（取数），即可实现按键识别和动态显示。至于要花费CPU大量时间的键盘扫描程序和动态显示程序，全由8279硬件自动完成。，CPU再也不必像实训7那样不断调用动态显示子程序，不断查询是否有按键按下，大大提高了CPU的工作效率。六、研究工作进度序号时间内容13月10号至3月20号搜集资料，做设计地提前准备23月20号至3月31号了解设计对象，确定设计内容33月31号至4月10号开始设计电气原理图44月10号至4月15号解决设计电气原理图中存在的问题4月15号至4月20号把程序放进软件模拟出效果44月20号至5月1号根据电气原理图焊出硬件电路板放入芯片实现设

12、计的音乐播放功能54月15号至5月1号撰写论文（草稿）65月15号至6月1号撰写论文（定 稿）76月1号至6月5号整理文档、准备答辩8910五、主要参考文献1 张鑫.单片机原理及应用M 北京：电子工业出版社,20052 高鹏.Protel入门与提高M 北京：人民邮电出版社，20003 广弟.单片机基础M 北京：北京航空航天大学出版社，20014 何宏.单片机原理与接口技术M 北京：国防工业出版社，20065 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计M 北京：北京航空航天大学出版社，20036 李玉梅.基于MCS-51系列单片机原理的应用设计M 北京：国防工业出版社，20067 童诗白.模拟电子技术基

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