单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台

1、黄石理工学院目 录第一章 课程设计的目的、意义及要求 第一节 课程设计的目的、意义 第二节课程设计的要求 第二章 课程设计的内容 第一节课程设计的内容 第二节 课程设计的内容 第三章数控系统总体方案的确定 第四章机械部分设计 第一节 确定系统脉冲当量 第二节工作台外形尺寸及重量初步估算 第三节滚动导轨副的计算、选择 第四节 滚珠丝杠计算、选择 第五节 齿轮计算、设计 第六节步进电机惯性负载的计算 第七节步进电机的计算选择 第五章机床数控系统硬件电路设计 第一节 设计内容 第二节设计步骤第三节机床数控系统硬件电路设计 第六章系统控制软件设计 第七章课程设计小结 参考文献 第一章课程设计的目的、意

2、义及要求第一节 课程设计的目的，意义1.第二节课程设计的要求：1.第二章 课程设计的内容第一节课程设计题目：单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。已知条件：定位精度：W.01mm,滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h,中等冲击工作台的有效行程为Lx 400mmLy 400mm快速进给速度vxmax 2000mm/min Vymax 2000mm/min 和工作载荷 FZ 2000N。第二节 课程设计的内容1 .数控装置总体方案的确定(1)数控装置设计参数的确定；(2)方案的分析，比较，论证。2 .机械部分的设计(1)确定脉冲当量；(2)机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；(3)传动元件及

3、导向元件的设计，计算和选用；(4)确定伺服电机；(5)绘制机械结构装配图；(6)系统等效惯量计算；(7)系统精度分析。3 .数控系统的设计(1) .微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；(2) .I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用；(3) .系统控制软件的设计4 .编写课程设计说明书(1) .说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确 定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数 的说明，软件设计及其说明；(2) .说明书不少于8000字。5.图纸(1).机械结构装配图。要求视图基本完整，符合标准。其中至少要有一个坐标轴的完

4、整剖视图；第三章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 .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。2 .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，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。3 .计算机

5、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。4 . XY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

6、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 ：1X向工作台光电隔离功率放大Y向工作台33第四章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。第一节 确定系统脉冲当量脉冲当量5p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 定位精度为土 0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。第二节 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Wyc取X向导轨支撑钢球的中心距为 410mm

7、,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工 作台简图如下：工作台简图X向拖板（上拖板）尺寸为：长* 宽* 高=420*410*50重量:按重量=体积*材料比重估算为：Wx= 420 410 50 10 3 7.8 10 2 671.58 NY向拖板（下拖板）尺寸为：420 400 50重量WY=420 400 50 10 3 7.8 10 2 655.2N上导轨（含电机）重量为（900 480 8 2 800 35 50） 7.8 10 2 10 3 487.97N夹具及工件重量：约155NX-Y工作台运动部分总重量为：W 487.97 655.2 671.58 155 2000N第三节滚

8、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(一般运彳T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fsL 4.0COf SLPX ,YPx,y0.5(FzWx,y)Fx=0.5(FZ +Wx)=0.5(2000+671.58)=1335.79NPY =0.5(F z+Wy )=0.5(2000+655.2)=1327.6NCOX=fSLFX=4 1335.79=5343.16NCOY

9、=fSLPY=4 1327.6=5310.4N根据计算额定静载荷初选导轨：选择汉机7T机床厂HJG-D系列滚动直线导轨，其型号为：HJG-D25 基本参数如下：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Ca静载荷CoTaTbTcKgKa / m gL (mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数Ml Sn40.64导轨的额定动载荷Ca 17500 N依据使用速度v (m/min)和初选导轨的基本动额定载荷 Ca (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命：fH fT fC 殳TS K (fWF )M2000450

10、0fT 1,fW 2,fC 0.81,fH 1,K f 50doTk( fH fT fC Ca)3 50(1 1 0.81 l7500)3 142409 58km1 S K( fW F )50( 2500 )I42409.50klmTs 103TH导轨的额定工作时间寿命2l°nTs 103210n142409.58 1032 0.6 4 60494477h T 15000h导轨的工作寿命足够第四节 滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860,导程：l0=5mm(1)强度计算丝杠轴向力：Fmax KFx,y f(Fz Wx,y)(N)其中：K=1.15,滚动导轨摩擦系

11、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, FZ 400 则：FX 0.5FZ 0.5 2000 1000NFY 0.6FZ 0.6 2000 1200NFXmax 1.15 1000 0.004(2000 671.58) 1045.686NFYmax 1.15 1200 0.004(2000 655.2) 1252.621N寿命化L 60n6T ,其中丝杠转速10615000hvmax 2000400r/minvmax ,(r/min) 10l0560 400 15

12、0001063601.21.5; fH为硬度系数,HRC258 时为 1.0o最大动载荷：Q 3 LfH fWF式中：fw为载荷系数，中等冲击时为查表得中等冲击时fw1.2, fH1则:QX 3 360 1.2 1 1045.686 7079.58NQY 3 360, 1.2 1 1252.621 10686.54 N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：7 of IB凝珠丝杠副详细参数说明舄列隶珠世虹 f油珠外把环捆篁埋入式反向尊单集鼻提a代孑基本寻衽住和卧把，斗鼓定餐餐、加鼻安

13、整尺寸由亚世Pk*n，a >>KDI.H1).M01hM1 M2HI4-Z.51041 95J7 KI2 5Ml 171H科|钟口bbJ9I4D5H(>6Mh-二2U4.口 9L5J7,MJ5打75二使内剧号64551405J5.HJU4Mb-1 TM2iil.Ifi ：1417b -瑞hTft痴IIJISFhC Mi'll?-小h-:心5城羽73QTO*14J?.H.10bMb-mx s&普耳/口Miil7irC'7扉*TO*1相%i R口口&狂CM2III115-5206J5.5值575IJI1T731:1574070b4045*务R |I

14、D'也Me>CM23U-U-.j15*24L522,XJ2.5隔舞的为3HQTiJ91505.HJ。右MfrI WMI4-B424-飘脸11mMi H111后Mbi精524-?l <7Mil：R1%1HL|l>_的_JV5J4J21 57晔、幻科77r加依J&8VO其额定动载荷为14205N> Qy足包用.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名称计算公式结果公称直径d020mm螺距t5 mm接触角450钢球直径db3.175mm螺纹滚道法向半径RR 0.52db1.651mm偏心距ee (R

15、db 2)sin0.04489mm螺纹开角arctg 0 '4 33螺杆外径dddo (0.20.25)db19.365mm螺杆内径d1d1 d0 2e 2R16.788mm螺杆接触直径d2d2 d0 db cos17.755mm螺母螺纹外径DD d0 2e 2R23.212mm螺母内径(外循环)D1D1 d0 (0.2 0.255)db20.7mm丝杠螺母副的传动效率为:_tg tg(式中：(|=10;为摩擦角；丫为丝杠螺旋升角tg tg (tg 4033)tg (4 033 10)g0.96(3)稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。(4)刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起

16、的导程变化量为:1iFl-0- (cm)ESY向所受牵引力大，故用Y向参数计算Fy 1252.621Nl0 0.5cmE 20.6 106(N/CM2)R2 3.14(嘤)2 2.14CM 21251.82 0.520.6 106 2.146.12 10 6CM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L1100 6.12 10丝杠允许的螺距误差A=15pm/m6 00 12.24 104 .12.24um e 级精度第五节齿轮计算、设计因步进电机步距角 b 1.5°滚珠丝杠螺距t=5mm,要实现脉冲当量 p 0.01mm/step,在传动系统中应加一对齿轮降速传动.

17、齿轮传动比：i 360 p ,初选步进电机步距角：后1.57step。l 0360 p - pi l°i力Z2360 0.01 0.481.5 5(2)传动效率计算取小齿轮齿数乙24则大齿轮齿数Z2 50因传递的扭距较小，取模数m=1mm则:分度圆直径：d1 mz1 1 24 24mmd2 mz2 1 50 50 mm齿顶圆直径：da1(z12)m(242) 126mmda2(z22)m(502) 152mm齿根圆直径：df1(z1 2.5)m (24 2.5) 1 21.5mmdf2 (z1 2.5)m (50 2.5) 1 47.5mm齿宽：b dd1 1 24 24mm取 b1

18、 25 b2 30中心距：a 0.5(d1 d2) 0.5(24 50) 37mm分度圆压力角：200大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙.双片齿轮错齿消隙结构图如下1、2-薄齿轮，3一弹簧，4、8凸耳，5一调节螺钉，6、7一螺母双片齿轮错齿消隙结构图第六节 步进电机惯性负载的计算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:Jq J0 J1(3) (J2J3) M ()b180Z2式中：Jq为折算到电机轴上的惯性负载；J0为步进电机轴的转动惯量；Ji为齿轮1的转动 惯量；J2为齿轮2的转动惯量；J3为滚珠丝杠

19、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：J 0.78 10 3 D4 L式中D为圆柱零件直径，L为圆柱零件的长度。所以有：J10.7810 32.442.56.47 10 2kg.cm2J20.7810 35.043.0146.25 10 2kg.cm2J30.7810 32.043037.44 10 2kg.cm2电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有:224 2Jd 6.47 10 2 ()2(146.25 37.44) 102 200( ；01 )2 0.7793kg.cm234 1.5180第七节 步进电机的选用（1）步进电机启动力矩的计算设步进电机的等

20、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：T Ps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b,则S= p ,且 P Ps(G Pz)o 所以:36 pPs2(GPz)b式中：Ps为移动部件负载（N）, G为移动部件质量（N）, Pz为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）,为导轨摩擦系数，b为步进电机的步距角（rad）万为电机轴负载力矩（N.cm）。=0.3 （淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），=0 .8, PS = Ph =279.23N。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此G= 1200N,所以有:65.25n.c

21、m36 0.011251.82 0.03 (2000 1800)2 3.14 1.5 0.8考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩:T0.3 0.565.25取系数为 0 .3,则：Tq 163.12 n.cm0.4对于工作方式为三相6拍的步进电机：Tq_163.12Tjmax0.8660.866188.36n.em（2 ）步进电机的最高工作频率maxvmax60 p100060 0.011667为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率fmax ,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.电机有关参数如下：型号主要技术参数相数步距 角电压（V）相电

22、 流 （A）最大静转 矩TjJ max(n.m)空载启 动频率空载 运行 频率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸（mm）重量 kg转子转动惯量Kg.m外直径长度轴直径9014594.51764第五章数控系统硬件电路设计第一节设计内容1 .按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控 制的结构框图；2 .选择计算机或中央处理单元的类型；3 .根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；4 .根据控制对象以及系统工作要求设计扩展I/O接口电路，检测电路，转换电路以 及驱动电路等；5 .选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；6

23、 .绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数；7 .说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。第二节设计步骤1 .确定硬件电路的总体方案。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 CPU2 .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：2 .主控制器c PU的选择MCS51系列单片机是集中CPU, I/O端口及部分RAM等为一体的功能性 很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并

24、且开发手 段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用8 0 3 1芯片作为 主控芯片。3 .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E P ROM芯片。其型号有：2716, 2732, 2764, 27128, 27258,其容量分别为 2 k,4k,8k,16k32k。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。止匕外，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 2

25、 7 6 4芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。单片机规定P 0 口提供8为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位 地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低8位的地 址信息，一般采用7 4 L S 3 7 3芯片作为地址锁存器，并由C P U发出允许锁存信号 ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。由以上分析，采用2 7 6 4 EPROM芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示：扩展2764电路框图(2 )数据存储器的扩展由于8 0 3 1内部RAM只有1 2 8字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展

26、电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用6 2 6 4芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示：扩展6264电路框图(3 )译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时 的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统 一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用 线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址 线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线， 它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯

27、片之间的地址不连续。对于RAM和I/O 容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址 译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的 地址选择线用作片选线。本设计采用全地址译码法的电路分别如下图所示：(4)存储器扩展电路设计8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路， 单片机外存储器扩展电路如下：(5) I/O扩展电路设计(a) .通用可编程接口芯片8 1 5 58 0 3 1单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用

28、的只有P 1 口及部分P 3 口线。因此要进行I/O口的扩展。8 1 5 5与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的 接口芯片。8155Y与8031的连接方式如下图所示(b) .键盘，显示器接口电路键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机 状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用I/O口线组成行，列结 构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD。下图所示为采用8 1 5 5接口管理的键盘，显示器电路。它有4X8键和6位LED显示器组成。为了简化秒电路，键盘的 列线及LED显示器的字位控制共用一个口，即共用8 1 5 5

29、的PA口进行控制，键盘的行线由8 15 5c 口担任，显示器的字形控制由8155的PB 口担任。键盘显示器接口电路如下所示：4 .步进电机驱动电路设计(1)脉冲分配器步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，具作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲 按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。 本设计采用集成脉冲分配器 YB013。采用YB013 硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：(2)光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。 如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。

30、因此在接口电路与功率放大 器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下：(3)功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进 电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。5 .其它辅助电路设计(1 ) 8 0 3 1的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在 XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如下 图所示。晶体可以在1 . 21 2之间任意选择，耦合电容在53 0 pF之间，对时钟有 微调作用

31、。采用外部时钟方式时，可将 XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。8031XTAL1时钟电路(2 )复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在RE S ET引脚上出现1 0 ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后C P U便从0 0 0 0 H单元开始执行 程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与8 0 3 1复位要求一致时，可以 直接相连。当晶振频率选用6MH z时，复位电路中C取2 2F, R>2 0 0 , Rk取1 0 0 0 o实用复位电路图如下所示：（3 ）越界报警电路为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，

32、将行 程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至8 0 3 1的I /O 口 P 1.0。当任何 一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电 平。8 0 3 1可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极 管的集电极输出接至8 0 3 1的外部中断引脚（INTO或INT1） ,采用中断方式检 查越界信号。越界报警电路如下图所示第三节机床数控系统硬件电路设计该系统选用MC S-5 1系列的8 0 3 1作为主控制器。扩展存储电路为一片 2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为4 K,数据存储器扩展为8 K。2 7 3

33、 2的片选控制端CE直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端CE由译码器（74LS138）的Y2输出提供。所以6264的空间地址为40005 F F F H。系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选端CE接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及 PA, PB, PC口的地址号分别为 8000H 及 8001H,8002H,8003H08155RAM 区的地址为 8000H80FFH。8155的A 口为控制工作抬X,Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不

34、 步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示器设计在一起，8155的PC 口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB 口 的PB0 PB3为键盘的行线。8031的P1 口为显示器的字形输出口。 该系统采用4X6共24 个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和 字位口加74LS07进行驱动。PB 口剩余的I/O线PB4 PB7分别作为工作台+X, +Y, -X, -Y四个方向的行程限位 控制信号。在软件设计上8155的PAD, PC 口设置为输出，PB 口设置为输入。计算机随 时巡回检测PB4-PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X, Y向

35、电机的驱动，并 发出报警信号。另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805三端集成稳压器设 计。数控系统总的电气原理图以及图中各元件的参数和型号见附（二），附（三）。第六章系统控制软件的设计(1) .系统控制软件的主要内容数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的 控制软件分为以下几个部分：1、系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要 是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节， 使系统处于新的等待操作状态。2、零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序 的

36、任务。3、插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。4、伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角 以及方向。诊断程序。包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等 功能。6、机床的自动加工及手动加工控制程序。7、键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、 操作命令等信息。(2) .软件设计1 .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)、

37、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。2 .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：3 .自

38、动加工程序设计(1)机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位一刀具快速进给一加工一退刀一工作台运动到下 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：入口返回4 .步进电机控制子程序设计步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过程。通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。(1)时间常数的确定在步进电机控制程序中， 利用单片机的定时器中断，延时产生进给脉冲的时间间隔。此间隔由送入定时器的时间常数决定。时间常

39、数由下式计算：TeT 103te 10 6es),在时钟为6MHz时，te =2 so式中：T为脉冲时间间隔(ms); te为单片机机器周期(2)步进电机加，减速进给脉冲及脉冲时间间隔的确定设步进电机加，减速方式为直线加，减速。要使步进电机不失步，应满足：TmTgTi式中：Tm为步进电机启动力矩；Tg为负载力矩；TI为惯性力矩。由步进电机Tjmax=3.92N.m,取步进电机的加速启动力矩TmT 0.866 0.3 392 0.866 0.3 101.84Mjmax则使步进电机不失不的惯性力矩TiTm步进电机角加速度TJd5.27 1020.779310 4676.25(rad /s2)dtd

40、fb dtfmaxb t um式中：tm为上升到步进电机最高频率所需时间，所以有:tmfmax1.5 1667360 64.5(ms)676.25加速脉冲个数：nm确定加减脉冲个数都为254个f maxt131667 64.5 10 3 53.762又因为：n 0.5 ftn 0.5(宁3)3 tm所以脉冲时刻tn2tmnm fmaxT 101.84 96.57 5.27N.cmgT T 10 3结合Te t一66可以算出对应各脉冲时刻的计数器时间常数。EPROM存储器中，时间常数依次安排在首地址为1000H的存储单元中，每个时间常数占据两个字节，低位地址存放时间常数低8位，高位地址存放时间常

41、数高 8位。在程序中，设置加速，恒速，减速脉冲计数器N0, N1, N2。以计数器的值是否为 0作为相应过程是否结束的标志。步进电机控制程序框图如下所示： 步进电机控制子程序：步进电机控制中断服务程序:中断服务程序入口送时间常数中断返回5.编语言程序设计(1)内存地址分配加速脉冲数计数器恒速脉冲数计数器减速脉冲数计数器N0地址设为20H ;N1低8位字节地址为21H,高8位字节地址位22H ;N2地址位23H。加速，减速，恒速脉冲总数寄存器步进电机进给控制子程序 FEEDN低位字节地址位 24H ,高位字节地址位 25H ;首地址位0E80H。每调用一次该程序，步进电机按规定方向进给(2)程序

42、清单N0 EQU 20HNIL EQU 21HN1H EQU 22HN2 EQU 23HNL EQU 24HNH EQU 25HDS EQU 26H；加速；恒速；减速；脉冲总数寄存器;地址指针偏移量FEED EQU 0E80HORG 0E00H0E00758160START:MOV P , #60H0E03758901MOV TMOD , #01H ;设计数器工作方式为1, 16位定时器0E0675201BMOV N0 , #01A4H;设N0为3200E0975231BMOV N2 , #1A4H0E0CE520MOV A , N0;计算2XN00E0E23RL A0E0FF8MOV R0

43、, A0E10C3CLR C;计算 N1=N-2N00E11E524MOVA , NL0E1398SUBB A , R00E14F521MOV N1L , A0E16E525MOVA , NH0E189400SUBB A , #00H0E1AF522MOV N1H , A0E1C901000MOV DPTR , #1000H;设时间常数指针初值为1000H0E1F752600MOV DS , #00H;设地址偏移量初值为00H0E2293MOVC A, A+DPTR;从EPROM中读时间常数0E23F58AMOV TL0 , A;送时间常数至定时器0中0E250526INC DS0E27E52

44、6MOVA , DS0E293MOVC A , A+DPTR0E2AF58CMOVTH0 , A0E2C0526INC DS0E2ED2AFSETB EA;开中断允许0E30D2A9SETB ET0;允许定时器0中断0E32D28CSETB TR0;启动定时器0开始计算0E3420AFFDWAIT : JB EA , WAIT;中断允许返回0E3722RET中断服务程序：ORG 000BH000B02F00LJMP 0F00H0F0093MOVC A , A+DPTR0F03F58AMOV TL0 , A0F050526INC DS0F07E526MOVA , DS0F0993MOVC A , A+DPTR0F0AF58CMOV TH0 , A0F0C0526INC DS;修改地址偏