机电一体化综合实验台设计

吴松芸机电一体化综合实验台设计华东交通大学理工学院毕业设计（论文）摘要机电一体化的概念提出已有一段时间，从上个世纪七十年代提出至今，其内容一直在不断扩展和更新。机电一体化技术涉及的课程很多，主要包括微机原理与接口、自动化、测试与控制、传感器、数控技术、精密机械设计。机电一体化技术的重要实质是应用系统工程的观点和方法来分析和研究机电一体化产品或者系统，综合运用各种现代高新技术进行产品的设计与开发，通过各种技术的有机结合，实现产品内部各组成部分的合理匹配和外部的整体效能最佳。要深入了解机电一体化研究与产品研开发，就必须了解并掌握这些技术。这些技术主要有机械技术、计算机及信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、检测与传感技术、系统总体技术。本文主要探讨以机电一体化系统为主体的机电一体化综合实验台的设计方案，该实验台是以X-Y运动平台为基础，设计内容主要有进给系统，包括伺服系统、机械结构和控制装置硬件电路。实验台系统的底层控制核心采用运动控制卡，主要包含的内容有插补原理、G代码编程、多轴协同控制技术、直流电机的驱动等。伺服系统主要由X轴向和Y轴向各一台步进电机组成，控制电路由单片机协调，控制X、Y轴向的步进电机，完成进给及插补；进给系统的主要部分是滚珠丝杠，X、Y轴向的滚珠丝杠通过联轴器，和X、Y轴向的步进电机联接。关键词：机电一体化；综合实验台；X-Y运动平台AbstractMechanicalandelectricalintegrationoftheconceptforsometime,sincetheseventiesofthelastcentury,itscontenthasbeenconstantlyexpandedandupdated.Themechatronicstechnologyinvolvedinmanycourses,includingMicrocomputerPrincipleandInterface,automation,testandcontrol,sensors,numericalcontroltechnology,precisionmechanicaldesign.Mechatronicstechnologyessenceistheapplicationofsystemsengineeringviewpointandmethodtoanalyzeandstudymechatronicsproductsorsystems,theintegrateduseofavarietyofmodernhigh-techproductdesignanddevelopment,organiccombinationthroughavarietyoftechniquestoachieveproductreasonablematchoftheinternalcomponentsandexternalbestoverallperformance.Tolearnmoreaboutmechatronicsresearchandproductresearchanddevelopment,wemustunderstandandmasterthesetechnologies.Thesetechnologiesincludemechanics,computerandinformationprocessingtechnology,servodrivetechnology,automaticcontroltechnology,detectionandsensingtechnology,theoverallsystemtechnology.Thispapermainlydiscussesthedesignofmechatronicsystemsasthemainmechatronicsbench,thebenchisbasedonXYmotionplatform-baseddesigncontentfeedsystem,servosystem,themechanicalstructureandcontroldevicehardwarecircuitry.Benchsystemunderlyingthecontrolofthecoremotioncontrolcard,containsthemaincontentinterpolationprinciple,theG-codeprogramming,multi-axiscoordinatedcontroltechnology,theDCmotordrive.TheservosystemismainlycomposedofasteppermotorbytheXaxisandYaxis,andcoordinatedbythemicrocontroller,thecontrolofX-,Y-axialdirectionofthesteppingmotor,andthecompletionofthefeedandinterpolationcontrolcircuit;feedthemainpartofthesystemistheballscrew,X,Yaxialdirectionoftheballscrewthroughthecoupling,andtheX-,Y-axialdirectionofthesteppermotorcoupling.Keyswords:Mechatronics;Comprehensivetest-bed;XYmotionplatform目录中文摘要 1英文摘要 2目录 3引言 51绪论 61.1选题的依据及意义 61.2设计的内容 71.3设计的方向 72设计方案 82.1设计任务 82.2设计方案 82.2.1伺服系统及机械结构方案 82.2.2数控插补方案 92.2.3计算机接口功能方案 93伺服系统的分类、要求与设计 103.1分类 103.2伺服系统的要求 113.2.1高精度 113.2.2快速响应，无超调 113.2.3调速范围宽 113.2.4低速，转矩大 113.3伺服系统的设计 123.4进给系统机械结构设计 143.4.1滚珠丝杠副的结构类型 143.4.2滚珠丝杠副的精度 153.4.3滚珠丝杠的支承结构形式 153.4.4滚珠丝杠副的选择计算 154数控插补设计 174.1插补原理概述 174.1.1脉冲增量插补 174.1.2数字增量插补 174.2逐点比较法 184.2.1逐点比较法直线插补 184.2.2逐点比较法圆弧插补 215计算机接口功能 245.1概述 245.2硬件结构 255.2.1单微处理器结构 255.2.2多微处理器结构 255.3控制系统硬件设计 255.3.1CPU板 255.3.2驱动系统 275.4人机界面与传感器 29结论 30参考文献 31附录 32附录1X-Y运动平台三维图 32附录2单片机程序清单 34后记 37引言机电一体化是一门面向应用的技术，代表了机械产品的柔性化和智能化发展方向。最早提出这个概念并用于实践的日本目前已成为世界制造强国。经过三十多年的发展，机电一体化产品早已遍布从航天航空到日常办公等领域，极大地推动了各个领域的技术发展。机电一体化技术得到世界各国政府和企业界的广泛支持，也是我国政府大力支持的重要研究方向和发展的重点。机电一体化不仅包含机电一体化产品的一体化特征，还包含机电一体化技术的内容。机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品（系统）得以实现、使用和发展的技术，所涉及的共性关键技术有：检测传感、信息处理、伺服驱动、自动控制、机械和系统总体技术等。机电一体化除了强调机与电的有机结合，还被赋予更深刻、更广泛的含义。由各种现代高新技术与机械和电子技术相互结合而形成的各种技术、产品（或系统）都应属于机电一体化范畴。机械产品的机电一体化可以在多个方面让产品的品质提高，如操作性能改善、体积减小、重量减轻、可靠性和加工精度提高及节能省力等，但机电一体化的最初目标，也是所产生的最大作用在于扩展功能、增强柔性和提高机器智能（自动化）程度。针对目前市面上一些传统实验台的精度不高、不便调试、维修麻烦等问题,设计一种面向机电专业大学生、研究生的高精确度、便于维护的机电一体化综合实验，保证其性能完善,使用效果好。1绪论1.1选题的依据及意义机电一体化是一门面向应用的技术，代表了机械产品的柔性化和智能化发展方向。最早提出这个概念并用于实践的日本目前已成为世界制造强国。经过三十多年的发展，机电一体化产品早已遍布从航天航空到日常办公等领域，极大地推动了各个领域的技术发展。机电一体化技术得到世界各国政府和企业界的广泛支持，也是我国政府大力支持的重要研究方向和发展的重点。机电一体化不仅包含机电一体化产品的一体化特征，还包含机电一体化技术的内容。机电一体化技术主要包括技术原理和使机电一体化产品（系统）得以实现、使用和发展的技术，所涉及的共性关键技术有：检测传感、信息处理、伺服驱动、自动控制、机械和系统总体技术等。机电一体化除了强调机与电的有机结合，还被赋予更深刻、更广泛的含义。由各种现代高新技术与机械和电子技术相互结合而形成的各种技术、产品（或系统）都应属于机电一体化范畴。机械产品的机电一体化可以在多个方面让产品的品质提高，如操作性能改善、体积减小、重量减轻、可靠性和加工精度提高及节能省力等，但机电一体化的最初目标，也是所产生的最大作用在于扩展功能、增强柔性和提高机器智能（自动化）程度。针对目前市面上一些传统实验台的精度不高、不便调试、维修麻烦等问题,设计一种面向机电专业大学生、研究生的高精确度、便于维护的机电一体化综合实验，保证其性能完善,使用效果好。1.2设计的内容设计的主要内容包括：1、查阅相关资料，更多地了解机电一体化的内涵，确定系统方案；2、对进给系统（包括伺服系统和机械结构）、控制装置硬件电路进行设计；3、按要求画出实验台的主要部分；4、单片机控制X、Y轴向各一台步进电机，并对单片机编程。1.3设计的方向1、查阅相关资料，确定设计方案；2、进给系统设计；3、控制电路设计，单片机编程。2设计方案2.1设计任务设计以X-Y运动平台为基础，主要包括进给系统设计和控制装置硬件电路设计，使得该综合实验台具有伺服系统性能参数测试功能、数控插补功能和计算机接口实验功能。2.2设计方案本文围绕综合实验台的进给系统和控制装置硬件电路进行设计，设计一个具有伺服系统性能、数控插补、计算机接口实验的实验台。2.2.1伺服系统及机械结构方案以步进电机作为实验台的伺服系统，由于有X轴和Y轴两个方向的运动，故需要两台步进电机分别驱动X轴和Y轴。以滚珠丝杠作为运动副，因为其有可靠性高、运动平稳、传动的效率高等优点，结构也较为简单。2.2.2数控插补方案数控插补主要用逐点比较法，包括逐点比较法直线插补和逐点比较法圆弧插补。可以通过两台步进电机的旋转角度，控制丝杠的转动，最终达到以X轴丝杠和Y轴丝杠的精密配合进行插补的功能。2.2.3计算机接口功能方案计算机接口控制系统，以X-Y数控工作台控制系统硬件为主，包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。用单片机加以控制，实现计算机接口功能。如系统复杂，可以考虑使用16位单片机，用于伺服系统的一般是MCS-96系列单片机，它的扩展和运算能力强。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，这就增加了成本，而选用性能较好的16位单片机又浪费资源。因此，硬件CPU选用AT89S51可以兼顾成本和性能，较为合适。3伺服系统的分类、要求与设计3.1分类通常按照伺服系统调节理论，可以分为开环系统、闭环系统和半闭环系统。如按照驱动元件动作的原理分类，可以分为液压控制系统和气压控制系统。开环系统，即无反馈的系统，分为液压控制系统和气压控制系统。闭环系统可以分为液压伺服系统，电气的直流伺服、交流伺服系统。在初期的数控机床中，采用液压伺服系统驱动的比较多。直流伺服系统，在初期的数控机床上占了主要地位。由于交流伺服电机的材料、结构、控制理论和方法都有很大的发展，使交流驱动和伺服系统发展很迅速，有逐步取代直流伺服系统的趋势。交流伺服系统的最大优点是交流电机结构比较简单、几乎不需要维护、能够适应恶劣的环境。目前，交流伺服系统逐渐向数字化方向发展。在交流伺服系统中，位置环、电流环和速度环的反馈控制都实现了数字化，高速微处理器及其控制软件进行实时处理所有伺服系统的控制模型和动态补偿，采样周期很短。高速度和高精度通过前馈和反馈结合的复合控制来实现，因此满足了数控机床的高速度、高精度精密机械加工的要求。按控制对象不同可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。前者控制机床各坐标轴的切削进给运动，后者控制机床主轴的旋转运动。3.2伺服系统的要求进给伺服系统的主要要求可归纳为：3.2.1高精度要求伺服系统定位准确，即定位误差特别是重复定位误差要小，并且伺服系统的跟随精度高，即跟随误差小。一般定位精度要求达到级。3.2.2快速响应，无超调加工过程中，为了提高生产率和保证加工质量，要求加、减速度足够大，以便缩短伺服系统过渡过程时间。一般电机速度从零变到最高速度，或从最高速度降至零，时间在200ms以下。这就要求伺服系统快速响应好，但又不超调，否则将影响加工质量。另一方面，当负载突变时，要求速度的恢复时间短，且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。3.2.3调速范围宽在各种数控机床中，由于加工用刀具、被加工材料、以及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围（如1：1000），而且通常是无级调速。3.2.4低速，转矩大机床的加工特点，一般都是在低速的时候进行切削。为了满足以上四点要求，对伺服电机也提出了要具有精度高、反应快、调速宽和转矩大的特点，要求如下：1.电机在从最小的进给速度到最大的进给速度都要平顺；转矩的波动尽可能小，特别是在最低转速时，没有爬行现象出现。2.电机要有很大的、时间较长的过载能力，以达到工作要求。3.要达到响应快的要求，电机要有大加速度，才能保证电机在0.2s以内从静止起动到1500r/min。因此，电机的转动惯量和堵转转矩要求严格，而且时间常数和电压尽可能的小。4.电机能承受频繁的起动、制动和反转。3.3伺服系统的设计步进电动机的计算与选型

（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径=20mm，总长l=500mm，导程＝5mm，材料密度；移动部件总重量G=800N;小齿轮宽度＝20mm，直径=36mm;大齿轮宽度＝20mm，直径=75mm；i=25/12。参照表，可得：滚珠丝杠=0.617，拖板折算到丝杠上=0.517，小齿轮=0.259，大齿轮=4.877。初选90BYG2602为步进电动机型号，两相混合式，二相四拍驱动时步距角为0.75º，则总转动惯量为=++(++)/=30.35（3-1）

（2）计算快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。

1）快速空载起动时负载转矩包括三部分：一部分是最大加速转矩；一部分是摩擦转矩；还有一部分是附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，相对于和很小，可以忽略不计。则有：=+(3-2）考虑总效率η，计算最大加速转矩：(3-3）式中——对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；

——步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。

其中：(3-4）式中——空载时，最快的速度，任务书指定为3000mm/min；

α——步距角，预选电动机为；

δ——脉冲当量，本例δ=0.005mm/脉冲。

将以上各值代入式（5），算得nm=1250r/min。

设步进（伺服）电动机由0加速至1250r/mn转速所需时间=0.4s，传动链总效率η=0.7。则由式（4）求得：1.42（N·m）(3-5）当移动部件运动时，电动机转轴上的摩擦转矩为：(3-6）

则由式（6），得：0.002（N·m）

最后由式（3），可以得到快速空载起动时，电动机转轴所承受的负载转矩：

=+=1.422N(3-7）2）最大工作负载状态情况下，电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是最大工作负载转矩Tt；一部分是摩擦转矩Tf；还有一部分是附加摩擦转矩T0，T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有：=Tt+Tf(3-8）

本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=1609N，则电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt有：0.88（N·m）

再计算垂直方向承受最大工作载荷（Fz=556N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：

=0.004（N·m）

最后由式（8），求得电动机转轴所承受的负载转矩为：

=Tt+Tf=0.884N·m(3-9）经过以上计算，求得最大等效负载转矩应为：

=max{，}=1.422N·m(3-10）

（3）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动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，选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：Tjmax≥4×1.422N·m=5.688N·m。上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，查表得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=6N·m。可见，满足（3-10）式的要求。3.4进给系统机械结构设计滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入一定数量的滚珠，使螺纹间产生的摩擦为滚动摩擦。丝杠转动工作时，滚珠就会沿着螺纹轨道滚动；螺母上装有返向器，与螺纹滚道组合，就可以构成滚珠循环的通道。设置预紧装置，可以使滚珠与滚道之间形成无间隙配合，甚至还会有过盈配合。设置密封件和润滑件，可以延长其工作寿命。滚珠螺旋传动与其它传动形式相比较，有以下特点：（1）传动效率高滚珠丝杠副的传动效率一般为90%左右%，为滑动丝杠副的3到4倍。（2）运动平稳滚动摩擦系数接近常数，启动时与工作时的摩擦力矩差别很小，启动时几乎无冲击，低速时无爬行。（3）能够预紧预紧后能够抵消间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度，同时增加的摩擦力矩相对不大。（4）工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高精度、高硬度，具有较长的工作寿命和精度保持性，寿命一般为滑动丝杠副的4到10倍以上。（5）重复定位精度和定位精度高由于滚珠丝杠副摩擦小、温升少、无间隙、无爬行，通过预紧进行预拉伸的热膨胀补偿，可以达到较高的重复定位精度和定位精度。（6）同步性好用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。（7）不自锁用于竖立运动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。（8）成本较高由于滚珠丝杠副的结构复杂，故制造成本较高，因此价格往往以长度mm为单位计算。（9）可靠性高润滑密封装置结构简单，维修方便。3.4.1滚珠丝杠副的结构类型（1）螺纹滚道法向截面形状螺纹滚道法向截面形状有单圆弧和双圆弧两种。（2）滚珠循环方式1.内循环。所谓内循环，即滚珠在循环过程中始终与丝杠的表面接触。2.外循环。所谓外循环，即滚珠在循环过程中，有一段离开丝杠表面。3.4.2滚珠丝杠副的精度滚珠丝杠副根据使用范围及要求分为六个精度等级，即C、D、E、F、G、H，C级最高，H级最低。根据使用范围，滚珠丝杠副可分传动T类和定位P类。3.4.3滚珠丝杠的支承结构形式滚珠丝杠的支承作用主要是约束丝杠的轴向窜动，其次才是径向约束。（1）单支承形式1.双向推力固定可供双向圆锥滚子轴承或两个单向圆锥滚子轴承反向成组使用；可供双向推力角接触轴承或两个单向推力角接触轴承反向成组使用；可供双向推力球轴承或两个单向推力球轴承反向成组使用；可用于滚针和推力滚子轴承组合或60度接触角的推力角接触轴承组合。2.轴向游动简支可用于深沟球轴承、圆柱滚子轴承等。3.单向推力可用于单向圆锥滚子轴承、单向推力角接触球轴承。4.自由端对轴向和径向都无约束。（2）两端支承方式1.两端固定这种形式轴向刚度最高，预拉伸安装时，须加载荷较小，轴承寿命较高，适宜高速、高刚度、高精度的工作条件。但是这种形式的结构很复杂，工艺难度较大，因此成本较高。2.一端固定、一端游动这种形式轴向刚度不高，与螺母位置有关，双推端可预拉伸安装，适宜中速、精度较高的长丝杠。3.两端均为单向推力这种形式轴向刚度较高，预拉伸安装时，须加载荷较大，轴承寿命比采用双推-双推形式的低，适宜中速、精度高，并可用双推-单推组合。4.一端固定、一端自由这种形式轴向刚度低，双推端可预拉伸安装，适宜中小载荷与低速，更适宜竖直安装，短丝杠。3.4.4滚珠丝杠副的选择计算设计滚珠丝杠副的已知条件是：工作载荷F（N）或工作时的平均载荷（N），使用寿命（h），丝杠工作时的工作长度（或螺母的有效行程）l（m）,丝杠的转速n（平均转速或最大转速）（r/min），以及滚道硬度情况和运转情况。设计步骤及方法如下。（1）载荷（N）的计算。式中：——载荷系数——硬度系数——精度系数——工作时的平均载荷（N）（2）额定的动载荷计算值（N）的计算。（3）根据值可从滚珠丝杠副全部的系列中选出能够满足要求的规格，使能够满足要求规格的丝杠副的额定动载荷值等于或者大于，并列出其主要参数值。（4）验算刚度、工作平稳性及传动效率是否满足要求，如不能，则应另选其他规格并重新验算。对于低速传动，只需按照额定的静载荷计算就可以。4数控插补设计4.1插补原理概述在数控机床中，刀具（或机床的运动部件）的最小移动量是一个脉冲当量。刀具的运动轨迹是折线，而不是光滑的曲线。刀具不能严格地沿着要求加工的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所要加工的曲线。机床数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹的的过程叫做插补。数控系统中完成插补工作的装置叫插补器。根据插补器的不同结构，可把它分为硬件插补器和软件插补器两类。硬件插补器由分立元件或集成电路组成，它的特点是运算速度快，但灵活性差，不易更改。软件插补器利用微处理器通过编程就可完成各种插补功能，这种插补器的特点是灵活易变，但速度较慢。现代数控系统大多采用软件插补或软、硬件插补相结合的方法。目前插补算法有两类，即数字增量插补和脉冲增量插补。4.1.1脉冲增量插补脉冲增量插补算法的是每次插补的结束仅仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输送给进给电机。脉冲增量插补的实现方法比较简单，通常仅用加法和位移就可完成插补。这种方法既可以用硬件来实现，也可以用软件来实现。4.1.2数字增量插补数字增量插补也称数据采样插补，其计算的特点是插补运算分两步进行。第一步为粗插补，它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，即用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度相等，且与给定进给速度有关。粗插补在每个插补运算周期中计算一次，因此每一微小直线段的长度与进给速度指令F和插补周期T有关，即=FT。第二步为精插补，它是在粗插补算出的每一条微小直线段上再做“数据点的密化”工作，这一步是对直线进行脉冲增量插补。根据插补采用计算方法的不同，有许多种插补方法，各适用于不同场合，本设计的数控插补采用逐点比较法。4.2逐点比较法逐点比较法的思路是被控制对象在数控装置的控制下，按要求的轨迹运动时，每走一步，都要和预定的轨迹比较，比较的结果再决定下一步移动的方向。逐点比较法既可以作直线插补，亦可以作圆弧插补。4.2.1逐点比较法直线插补如图4-1所示，在X-Y平面第一象限内，设待加工零件轮廓为直线，若该加工零件加工起点的坐标为坐标原点O，终点A为（）。设P（）为任一加工点，若P点刚好在OA直线上，则即加工点P（）在OA直线与Y轴所成夹角区域内，则下列公式成立即加工点P（）在OA直线与X轴所成夹角区域内，则下列公式成立即图4-1逐点比较法直线插补假设偏差函数F，则(4-1)可得：当F=0时，点P（）在直线上；当F>0时，点P（）在OA直线与Y轴所成夹角区域内；当F<0时，点P（）在OA直线与X轴所成夹角区域内。式（4-1）称为“偏差判别函数”，将偏差判别函数的值称为“偏差”；依据偏差，就可判别点与OA直线的相对位置。从图4-2可知，起点在坐标原点，终点为A（5，3）的第一象限OA直线来说，当点P在OA直线与Y轴所成夹角区域内（即F>0）时，则向X轴正方向发送一脉冲，机床刀具向X轴正方向前进一步；当点P在OA直线与X轴所成夹角区域内（即F<0）时，则向Y轴正方向发送一脉冲，机床刀具向Y轴正方向前进一步。当点P正好在直线上（F=0）时，既可向X轴正方向，又可向Y轴正方向发一脉冲，但通常将F>0和F=0归于一类，即时向X轴正方向发一脉冲。这样从原点坐标开始，判别F，逐点接近OA直线。当两个方向所走的步数和终点坐标A（）值相等时，发出到达信号，停止插补。图4-2逐点比较法直线插补轨迹按照以上公式进行偏差计算时，要作乘法和减法运算。通常采用的方法是递推法。下面分两种情况导出递推公式。当偏差值时，应向X轴正方向发出一个脉冲，刀具从现加工点（）向X轴正方向前进一步，到达新加工点（），则即（4-2）当偏差值时，应向Y轴正方向发出一个脉冲，刀具从现加工点（）向Y轴正方向前进一步，到达新加工点（），则即（4-3）综上所述，逐点比较法直线插补，每一步都有四个步骤，其工作循环如图4-3所示。（1）偏差判别由F确定刀具的位置。（2）坐标进给根绝偏差判别结果，再看向X轴或Y轴移动一步。（3）偏差计算新的加工点计算出新偏差，为下一步的判别提供根据。（4）终点判别在计算F的同时，还要进行终点判别，判定到达终点与否。如果已经达到终点，就不再进行运算，并发出停机或转换程序段的信号；如果未到终点，则返回步骤（1）继续插补。图4-3逐点比较法工作循环图图4-4逐点比较法直线插补程序流程图4.2.2逐点比较法圆弧插补假设要加工（插补）图4-5所示逆时针的圆弧，半径为R，以原点为圆心，起点A（），该圆弧上的任一点P为（），P点和该圆弧的圆心距离的平方为。下面以第一象限所在的逆圆弧为实例，导出F。图4-5逐点比较法圆弧插补加工点P（）正好在圆弧上，则下列公式成立加工点P（）在圆弧的外侧，则即加工点P（）在圆弧的内侧，则即将上面各式分别改写成下列形式（在圆弧上）（在圆弧外）（在圆弧内）由此可见F=若点P（）在圆弧外或圆弧上，既满足的条件时，则向X轴发出一负方向运动的进给脉冲（），向圆内走一步；若点P（）在圆弧内侧，既满足的条件时，则向Y轴发出一正方向运动的进给脉冲（），向圆外走一步。为简化偏差判别式的运算，仍用递推法算出下一步新的加工偏差。加工点P（）在圆弧外或圆弧上，则，刀具需向X轴负方向走一步，移到P（）。新F为即（4-4）加工点P（）在圆弧内，则加工偏差，刀具需向Y轴的正方向走一步，移到P（）。新F为即（4-5）综上所述：当时，应走，新偏差；当时，应走，新偏差。由偏差递推公式（4-4）和（4-5）可知，除加、减运算外，只有乘2运算，算法比较简单。但在计算偏差的同时，还要对加工点的坐标（）进行加1或减1运算，为下一点的偏差计算作好准备。圆弧插补和直线插补一样，也要进行终点判别。逐点比较法第一象限逆圆弧插补流程图如图4-6所示。图4-6逐点比较法第一象限逆圆弧插补程序流程图5计算机接口功能5.1概述由于军工生产的需要，美国的帕森斯公司在麻省理工学院伺服机构实验室的协助下，经过三年的研究，于1952年试制成功世界上第一台可控制三轴的铣床数控系统。至此，数控技术一直保持着迅速发展的势头，数控设备很快从军工生产推广到机械制造工业，硬接线方式数控（NC）系统很快就被计算机数控（CNC）系统所代替。随着计算机技术的迅速发展，微型计算机取代了小型计算机，出现了微机数控（MNC）系统。现代数控机床所配的控制系统都为MNC系统。CNC系统的核心是CNC装置，CNC装置主要用于控制机床的运动，进行插补计算和位置伺服控制。5.2硬件结构CNC装置是在硬件的支持下，执行软件来进行工作的。其控制功能在相当大的程度上取决于硬件结构。当控制功能不十分复杂时，多采用单微处理器结构。单微处理器结构的CNC装置多采用以下两种结构形式。（1）专用型。专用型的CNC装置，其硬件是由制造厂专门设计和制造的，因此不具有通用性。模块化结构的CNC装置，将整个CNC装置，按照功能的不同划分为不同的模块，不同功能模块都制成尺寸相同的电路板（印刷式），然后将电路板全部插到母板的插槽中。（2）通用型。通用型的CNC装置指的是由工业标准计算机构成的装置。只要装入的控制软件不相同，就可以构成不同种类的CNC装置，硬件不需要设计，通用性大大提高，即使硬件发生了故障，维修也十分方便。5.2.1单微处理器结构单微处理器结构的CNC装置，由于只有一个微处理器，因此多采用集中控制，分时处理的方式完成数控的各项任务。5.2.2多微处理器结构多微处理器CNC装置一般采用两种结构形式，即紧耦合结构和松耦合结构。在前一种结构中，由各微处理器构成处理部件，处理部件之间采用紧耦合方式，有集中的操作系统，共享资源。在后一种结构中，由各微处理器构成功能模块，功能模块之间采用松耦合方式，有多重操作系统，可以有效的实现并行处理。5.3控制系统硬件设计X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。5.3.1CPU板CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片机有了很大的发展。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89C51，价格低廉，而性能优良。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。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。CPU接口设计CPU接口有以下三部分：传感器、传动驱动、人机交互界面。图5-1CPU外部接口示意图AT89S51的任务：（1）CPU读取行程开关的状态，通过进行中断处理，它的优先级别最高。（2）电机和电磁铁的运行由程序来实时控制。（3）中断指令被键盘接受，并且响应指令，在LED上现实当前行程开关和键盘状态，这样就可以实现人机交换。AT89S51的P1口和P3口是准双向口，其中又以P3口主要以第二功能为主，而在系统中第二功能的终端口要被用到，所以必须要进行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-P1.2P1.0-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-P0.7AD0~AD7P2.7CEP2.6IO/MPB口PA口PC口AT89S51键盘电磁铁8155图5-2AT89S51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。图5-3多中断源中断触发图5.3.2驱动系统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笔尖压下。步进电机驱动电路和工作原理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5-4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。图5-5三相六拍工作方式时相电压波形（正转）电磁铁驱动电路该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。达林顿管应用在光电耦合部分，驱动电磁铁的电流很大是采用达林顿管的主要原因。图5-6电磁铁驱动电路电源设计两电机一起工作，同时控制系统也需要用电，因此需选择较大容量的电源。该系统里用到的电源的电压为5V、12V、27V。综合考虑，采用27V的电源作为标准，5V各12V的电压可以通过转换得到。图5-7电源转换电路图在电路中，有两个电容在转换芯片前后，前者的作用是防止自激，后者的作用是滤波。另外，在实际中，LM7805还要加上散热片帮助其散热。5.4人机界面与传感器步进电机不需要反馈电路，但是要需要特别注意的是工作台的行程不要超过最大值。因此，一定要在X、Y轴的方向都要加上行程开关加以控制。这里行程开关作用有两个：防止工作台超过它的最大行程，使电机损坏；（2）可以用来定位。因此，这4个行程开关就是传感器，无需再加其他传感器。人机界面的基本原则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面一目了然。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5-8人机界面图结论本设计是以X-Y工作平台为基础，主要设计了进给系统和控制装置硬件电路设计；同时，在做毕业设计的过程中，巩固了我在大学四年里学习过的知识，尤其对单片机、电路设计、机械结构、伺服系统等有了更深刻的理解和认识。经过这几个月，我的体会颇多。从最开始拿到题目，很盲目、没有目标，到渐渐理解这个课题，尽可能多的去查阅参考书籍，在网上搜集更多相关的内容，最后想办法解决困难。通过这个过程，我懂得了做任何事情，都要首先想着如何去做好这件事，不能漫无目的，否则只能事倍功半，甚至一事无成；不明白的地方，还应该及时的询问老师、和同学探讨，不能墨守成规，要灵活地运用所学的知识来解决当前的问题；也正是经历了这个过程，才会让我成长起来，更加成熟。不久之后，就即将告别大学生活步入社会。在以后漫漫的人生路上，困难、坎坷肯定远远比本次毕业设计的难度大，但是我相信我有能力去克服它，只要努力、勤奋，就可以成功。参考文献[1]任玉田等.机床计算机数控技术.北京理工大学出版社，1996年5月[2]北京有色冶金设计研究院编.机械设计手册(第二卷).化工出版社，1993年1月[3]陈绍廉.数控机床技术改造.航空工业出版社，1993年5月[4]flashcutCo.steppercontrolsystem./[5]flashcutCo..steppermotor./[6]冯浩，汪建新.机电一体化系统设计.华中科技大学出版社.2006年1月[7]刘乐善.微型计算机接口技术及应用.华中科技大学出版社.2011年7月[8]赵景波，陈松柏.电路设计与制版-Protel2004.人民邮电出版社.2009年10月[9]魏斯亮.机床数控技术.大连理工大学出版社.2006年8月[10]王宏，唐炜等.单片微型计算机原理与应用.华东科技大学出版社.2006年1月[11]李丽娟.C语言程序设计教程（第2版）.人民邮电出版社.2009年3月[12]钟约先.机械系统计算机控制.清华大学出版社.2008年9月附录附录1X-Y运动平台三维图附录2单片机程序清单1、主程序CTLEQU3FF8HPAEQU3FF9HPBEQU3FFAHPCEQU3FFBHCMDEQU02HORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPINT0IS；外部中断0入口ORG000BHAJMPTM0IS；定时器0中断入口ORG0013HAJMPINT1IS；外部中断1入口ORG001BHAJMPTM1IS；定时器1中断入口ORG0100HMAIN：ANLP1，0EFHSETBIT0；外中断负跳沿触SETBIT1MOVA，CTLMOVDPTR，AMOVX@DPTR，CMD；A口输入，B口输出，C口输入SETBEX0；允许外中断0SETBEX1；允许外中断1SETBPX0SETBPX1；设置优先级SETBEA；开总中断LOOP：AJMPLOOP；等待中断2、INT1中断程序INT1IS：CLREX1MOVA，@DPTRPUSHACCJNBACC.4，RSTPUSHPSWJNBACC.0，X+ENPUSHDPTLJNBACC.1，X-ENPUSHDPTHJNBACC.2，Y+ENCLRP1.6JNBACC.3，Y-ENMOVA，PCJNBACC.5，ARCMOVDPTR，ALOO