450x450多用數(shù)控XY工作臺設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+說明書】

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X—Y工作臺的傳動方式 為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺的運(yùn)動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動平穩(wěn)性。 考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動。 系統(tǒng)總體框圖 三、機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算 1、工作臺的初步設(shè)計(jì)： （1）確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是個進(jìn)給指令時工作位移量，應(yīng)小于等于工作臺的位置精度。一般為0.01~0.005mm。 （2）工作臺外形尺寸及重量初步估算。 工作臺簡圖 載物臺的尺寸：長 寬 高 X向拖板（上拖板）尺寸：長 寬高= ； 重量：按重量=體積材料比重估算： Y向拖板（下拖板）尺寸：長 寬高=，重量為495N， X-Y工作臺運(yùn)動的總重量W=495N+495N=990N； (3) 滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 工作載荷P=0.5(Fz+W)= 又因?yàn)殪o安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動時受沖擊、振動）。此題中有沖擊所以取fSL=4; 則 根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌： 選取導(dǎo)軌的型號為：JSA-LG15，其額定靜載荷中，，符合設(shè)計(jì)要求。 因?yàn)橛行谐?，，且X方向載物臺的寬度為130mm,Y方向載物臺的長度為200mm.考慮到留有一定的余量。經(jīng)綜合考慮，取上拖板導(dǎo)軌的長度為850mm,下載物臺導(dǎo)軌的長度為850mm. 依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷C(kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln： (hour)= （4）滾珠絲杠計(jì)算、選擇 初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=6mm。 （1） 強(qiáng)度計(jì)算 絲杠軸向力：(N) 式中：K=1.15，滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。 所以： 壽命值： 其中絲杠轉(zhuǎn)速=（r/min) 最大動載荷： 式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時為1.0。在這里取， 所以最大動載荷： 根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號。 根據(jù)計(jì)算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表3-31選擇GD系列2006-3型滾珠絲杠副，公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為6mm，循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級取五級，額定動載荷為9366N，滿足要求。 傳動副的傳動效率：，其中是公稱直徑，帶入的= ，其中：φ=10’，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。 （4）穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。此題即采用止推軸承，否則，按教材32頁式（2.2）驗(yàn)算。 式中：Fk為絲杠實(shí)際承受載荷的能力；fk為壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)；E=2.1x1011Pa為鋼的彈性模量；為絲杠小徑d1的截面慣性矩；ls為絲杠長度；K=2.5~4為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)。 （5）剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)，其中（材料為鋼），，Y向受力最大，所以取F=834.8N。 ，絲杠因受扭矩所引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略，所以導(dǎo)程誤差， E級精度的絲杠允許誤差為。剛度足夠。 （5）齒輪設(shè)計(jì)，計(jì)算。 齒輪傳動比：，其中步距角α=1.5?/step。 根據(jù)計(jì)算的傳動比，由整體結(jié)構(gòu)要求初定大小齒輪齒數(shù)及模數(shù)m，從結(jié)構(gòu)上采取措施消除傳動間隙以提高傳動精度（如下圖所示）。齒輪1、2的分度圓直徑分別為：d1=mz1，d2=mz2；齒寬b=20mm，分度圓壓力角α=20?；齒頂圓直徑為：da1=(z1+2)m，da2=(z2+2)m；中心距a=0.5(d1+ d2)。 1、2--薄齒輪, 3—彈簧, 4、8—凸耳, 5—調(diào)節(jié)螺釘, 6、7—螺母 雙片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)圖 若取Z1=24，則Z2=50。因傳遞的扭矩較小，取模數(shù)m=1mm 齒輪尺寸： Z 24 50 24 50 26 52 21.5 49.5 37 （6）步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載計(jì)算 （1）等效轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算 折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為： (kg·cm2) 式中：Jw，Jz1，Jz2和Js分別為折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的工作臺、齒輪1、齒輪2和絲杠的等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·cm2。其中： ， 所以： (N·m2) 式中：d0為絲杠的名義直徑；Ls為絲杠的總長；ρs，ρz分別為絲杠和齒輪的材料密度，可取為7.85x10-3kg/cm3。 （2）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩： (N·m) 工作時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： (N·m) (N·m) 式中：η=0.8，為考慮絲杠預(yù)緊時的傳動效率。 （3）起動慣性阻轉(zhuǎn)矩計(jì)算 (N·m) 式中：電機(jī)轉(zhuǎn)速ωm=2πpnm/60，起動加速時間Δt=0.025s。 （4）步進(jìn)電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 =+0.0030.29+0.347 =0.64(N·m) （7）步進(jìn)電機(jī)的選擇 為使步進(jìn)電機(jī)正常起動（不失步），其起動力矩應(yīng)滿足：，取如選用三相六拍工作方式，，則 步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率為： 綜合考慮，確定步進(jìn)電機(jī)的型號為75BC380A。 說明：為便于設(shè)計(jì)和采購，X、Y軸的電機(jī)可選擇一樣。 （8）機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)裝配圖見附錄。 四、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 1、確定硬件電路總體方案: 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成： ① 主控制器：就是中央處理單元CPU。 ② 總線：包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）、控制總線（CB）。 ③ 存儲器：包括只讀可編程序存儲器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲器。 ④ 接口：即I/O輸入/輸出接口電路。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下： 控制系統(tǒng)硬件框圖 除此之外，還要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求配備一些外圍設(shè)備和信號變換電路。其中信號變換電路是A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大等，是實(shí)現(xiàn)微機(jī)與控制對象之間的信號匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路。它們可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求選取。 2、主控制器CPU的選擇： 在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素： （1） 時鐘頻率和字長（控制數(shù)據(jù)處理的速度）； （2） 可擴(kuò)展存儲器（ROM/RAM）的容量； （3） 指令系統(tǒng)功能是否強(qiáng)； （4） I/O口擴(kuò)展的能力； （5） 開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。 3、存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì): ①程序存儲器擴(kuò)展 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲器芯片大多采用EPROM。其型號分別是2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分別是2k、4k、8k、16k、32k。要注意8031所能讀取的時間必須大于EPROM所要求的讀取時間。 ②地址鎖存器74LS373 單片機(jī)規(guī)定P0口提供低8位地址線，同時又要作數(shù)據(jù)線，所以是分時輸出低8位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提供低8位地址信息，一般采用74LS373作為地址鎖存器，并由CPU發(fā)出地址允許鎖存信號ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。 ③有關(guān)程序存儲器和地址鎖存器的接線圖參見控制部分的電氣原理圖。 ④數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 因?yàn)?031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，需擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展電路一般采用6116和6264靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲器，其選用的規(guī)則與EPROM程序存儲器的要求相同。有關(guān)它的接線圖也參見控制部分的電氣原理圖。 ⑤譯碼電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機(jī)連接。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故要進(jìn)行片選控制。片內(nèi)有多個字節(jié)單元時，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選則。 由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，因此，單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼方法。 4、I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì): 8031單片機(jī)共有四個8位并行I/O口，但可提供給用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免的要進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。 其中通用可編程接口芯片8155與微機(jī)的接口較為簡單，是微機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用的接口芯片。 5、鍵盤、顯示接口電路: 鍵盤、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都用行列式鍵盤，即用I/O口線組成行、列接構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。 數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器），為了方便顯示圖形，也有用CRT接口顯示方式的系統(tǒng)。 6、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路: 步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號控制的電動機(jī)，在負(fù)載能力及動態(tài)特性范圍內(nèi)，電動機(jī)的角位移僅與控制脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速僅與控制脈沖頻率成正比。在多數(shù)情況下，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)中不需要A/D或D/A轉(zhuǎn)換，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床最主要的一種的伺服驅(qū)動單元。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路由圖5所示四部分組成。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 ①計(jì)算機(jī)接口 在數(shù)控系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)接口電路至關(guān)重要。沒有它將無法實(shí)現(xiàn)微機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制。如前所述，8031系列單片機(jī)含有4個并行輸入/輸出口，提供32根I/O線。其中P1口可供用戶使用，作為步進(jìn)電機(jī)及其他控制對象的接口。也可以采用8155或8255（8255功能與8155相似，可參看有關(guān)資料）等可編程并行輸入、輸出接口芯片設(shè)計(jì)擴(kuò)展接口電路，來控制步進(jìn)電機(jī)與其它外部設(shè)備。 ②脈沖分配器 脈沖分配器又叫環(huán)形分配器，是驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)比不可少的環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)的控制方式由環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。在數(shù)控系統(tǒng)中通常使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。 集成脈沖分配器，按其電路結(jié)構(gòu)不同分為TTL集成電路和CMOS集成電路。目前市場上提供的TTL產(chǎn)品有YB013、YB014、YB015及YB016，分別為三相、四相、五相和六相。它們都是18個管角的直插式封裝。 軟件環(huán)形分配器用軟件編程的方法來實(shí)現(xiàn)，在數(shù)控機(jī)床教學(xué)實(shí)驗(yàn)中已詳細(xì)地介紹了軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)方法，不在贅述。 ③隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏），電流也較大（幾安到幾十安），如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強(qiáng)電氣干擾。輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常進(jìn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和接口電路的破壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。 光電耦合器由發(fā)光器件和受光器件組成，聯(lián)結(jié)發(fā)光源的引線作為輸入端，聯(lián)接受光器件的引線為輸出端。通常發(fā)光器件是發(fā)光二極管，受光器件是光敏三極管。圖6是型號4N25光電耦合器的引腳與接線圖。圖（a）為共集電極輸出型，圖（b）為共發(fā)射極輸出型。當(dāng)輸入信號Vt加到輸入端時，發(fā)光二極管導(dǎo)通激發(fā)發(fā)出紅外光，受光三極管受光照射后，由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流，通過輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了以光為媒介的電信號傳輸。輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。 由于光電耦合器非線性失真大，不適合傳輸模擬信號，一般只用于進(jìn)行開關(guān)量的傳輸及電平轉(zhuǎn)換。 4N25型光電耦合器引腳與接線圖 ④功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，必須將其輸出的信號放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 功率放大器按其結(jié)構(gòu)不同分為單電源型和雙電源型。前者電路設(shè)計(jì)為單電壓供電，僅在步進(jìn)電機(jī)的繞組回路串聯(lián)一個小于10歐的電阻，以增大功率放大器負(fù)載回路的電阻，使步進(jìn)電機(jī)繞組中電流上升的時間常數(shù)減小，提高上升沿的陡度。（τ=L/R） 雙電源型采用高低壓供電電路，在功率放大器導(dǎo)通初始時，加上比額定電壓高幾倍的電源供電，使電動機(jī)繞組電流從零很快增大，當(dāng)電流升到接近額定值時切斷高電壓電源而由額定電壓為繞組提供正常工作電流。 單電源功率放大器線路簡單，但效率不高，只適用小功率的步進(jìn)電機(jī)。目前我國步進(jìn)電機(jī)的功率放大器以由生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出系列化產(chǎn)品，所以在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床控制電路時不必考慮其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，只需要根據(jù)選用的步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。 7、其它輔助電路設(shè)計(jì) ①8031的時鐘電路 單片機(jī)的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。 內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件。晶體可在1.2~12MHz之間任選，耦合電容在5~30pF之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部方式時，可以把XTAL1直接接地，XTAL2接外部時鐘源。 ②復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU就從0000H單元開始執(zhí)行程序。一般數(shù)控系統(tǒng)都采用上電與按鈕復(fù)位組合，如圖7所示。上電瞬間，RC電路允許，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上的高電平，單片機(jī)就有效復(fù)位。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中若有些需要復(fù)位的芯片其復(fù)位電平與8031復(fù)位要求一致，就可直接相連。當(dāng)晶振頻率選用6MHz時，復(fù)位電路中C取22μF，R取200Ω，Rk取1kΩ。為了保證復(fù)位可靠，通常采用如圖8所示的實(shí)用復(fù)位電路。 復(fù)位電路 ③越界報警電路 為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。如是兩坐標(biāo)聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)，則有4個方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，應(yīng)立即停止工作臺移動，可通過光電耦合器的輸入隔離電路如圖9所示。行程開關(guān)接到發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接到8031的I/O口P1.0。當(dāng)任何一個方向的行程開關(guān)被壓下，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變?yōu)楦唠娖健?031可用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時檢測有無越界信號。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接到8031的外部中斷引腳（INT0或INT1），采用中斷方式檢測越界信號。（為了報警，可以設(shè)置發(fā)光二極管，工作時不亮，有越界信號時，紅燈亮，指示工作臺越過極限位置。） 8、電氣原理見附錄 五、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 1、系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾部分內(nèi)容。 ①、系統(tǒng)管理程序 它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其主要功能是：（1）接收操作者的命令；（2）執(zhí)行命令；（3）從命令處理程序返回到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。 ②、零件加工源程序的輸入處理程序 該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。 ③、插補(bǔ)程序 插補(bǔ)程序根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，分配進(jìn)給脈沖。 ④、伺服控制程序 伺服控制程序根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)角及方向。 ⑤、診斷程序 診斷程序包括移動部件移動越界處理、緊急停機(jī)處理、系統(tǒng)故障診斷、查錯等功能。 ⑥、機(jī)床的自動加工與手動控制程序 在調(diào)整機(jī)床時往往需要機(jī)床的手動控制。 ⑦、鍵盤操作和顯示處理程序 鍵盤操作和顯示處理程序的功能包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。 2、程序設(shè)計(jì)技術(shù) 系統(tǒng)控制軟件根據(jù)系統(tǒng)功能的要求而設(shè)計(jì)，應(yīng)可靠的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時必須詳盡而細(xì)致地分析系統(tǒng)控制對象的特點(diǎn)及對控制功能的要求。在確定好控制方式、計(jì)算方法和控制順序后，將其處理順序用框圖描述出。系統(tǒng)控制軟件通常用匯編語言編寫。 程序設(shè)計(jì)的方法通常有：模塊化程序設(shè)計(jì)和自頂向下程序設(shè)計(jì)。 3、步進(jìn)電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度、轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動或停止時，由于負(fù)載和慣性，會使電機(jī)失步，所以步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時應(yīng)有一個加、減速過程。 通過確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。 經(jīng)過計(jì)算知加、減速脈沖個數(shù)都為27個。 因?yàn)?，所? 計(jì)算時要根據(jù)脈沖時刻tn查時間常數(shù)表，得脈沖時間間隔T， 再由Te=T×10-3/（te×10-6）求出時間常數(shù)Te， 式中：T——脈沖時間間隔（ms）；te——單片機(jī)機(jī)器周期（μs），在時鐘為6MHz時，te≈2μs。 在EPROM存儲器中，時間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲單元中，每個時間常數(shù)占兩個字節(jié)，低位地址存放時間常數(shù)低8位，高位地址存放時間常數(shù)高8位。 在程序中，設(shè)置加速、恒速、減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0、N1、N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程（加速、恒速或減速）是否結(jié)束的標(biāo)志。 步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖見圖10。 步進(jìn)電機(jī)控制子程序（后臺程序）流程圖 （b）步進(jìn)電機(jī)控制中斷服務(wù)程序流程圖 4、匯編語言程序設(shè)計(jì) （1）內(nèi)存地址分配 加速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0地址設(shè)為20H。 恒速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N1低8位字節(jié)NIL地址21H，高8位字節(jié)地址22H。 減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N2地址23H。 加速、恒速、減速脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)NL地址為24H，高位字節(jié)NH地址為25H。 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址為0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給一步。 （2）程序清單 N0 EQU 20H ；加速 NIL EQU 21H ；恒速 NIH EQU 22H ；恒速 N2 EQU 23H ；減速 NL EQU 24H ；脈沖總數(shù)寄存器 NH EQU 25H DS EQU 26H ；地址指針偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H 0E00 758160 START：MOV SP，#60H ；程序開始 0E03 758901 MOV TMOD，#01H ；設(shè)計(jì)數(shù)器是工作方式1，16位定時器 0E06 75201B MOV N0，#1BH ；設(shè)N0初值為27 0E09 75231B MOV N2，#1BH ；設(shè)N2初值為27 0E0C E520 MOV A，N0 ；計(jì)算2×N0 0E0E 23 RL A 0E0F F8 MOV R0，A 0E10 C3 CLR C ；計(jì)算N1=N-2N0 0E11 E524 MOV A，NL 0E13 98 SUBB A，R0 0E14 F521 MOV NIL，A ；恒速計(jì)數(shù)器賦值（低位） 0E16 E525 MOV A，NH 0E18 9400 SUBB A，#00H 0E1A F522 MOV NIH，A ；恒速計(jì)數(shù)器賦值（高位） 0E1C 901000 MOV DPTR，#1000H ；設(shè)時間常數(shù)地址指針初值1000H 0E1F 752600 MOV DS，#00H ；設(shè)地址偏移量初值為00H 0E22 93 MOVC A，＠A+DPTR ；從EPROM中讀取時間常數(shù) 0E23 F58A MOV TL0，A ；送時間常數(shù)至定時器0中 0E25 0526 INC DS 0E27 E526 MOV A，DS 0E29 93 MOVC A，＠A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A 0E2C 0526 INC DS 0E2E D2AF SETB EA ；置中斷使能控制器IE的EA位（即開中斷允許） 0E30 D2A9 SETB ET0 ；允許定時器0中斷 0E32 D28C SETB TR0 ；啟動定時器0開始計(jì)數(shù) 0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回 0E37 22 RET 中斷服務(wù)程序： ORG 000BH ；定時器0中斷入口地址 000B 020F00 LJMP 0F0CH ORG 0F00H 0F00 E526 INT：MOV A，DS ；送時間常數(shù)至定時器0中 0F02 93 MOVC A，＠A+DPTR 0F03 F58A MOV TL0，A 0F05 0526 INC DS 0F07 E526 MOV A，DS 0F09 93 MOVC A，＠A+DPTR 0F0A F58C MOV TH0，A 0F0C 0526 INC DS ；修改地址便移量指針 0F0E D180 ACALL FEED ；調(diào)FEED子程序，使電機(jī)進(jìn)給一步 0F10 E520 MOV A，N0 ；判斷N0是否為0，為0則轉(zhuǎn)入恒速 0F12 B40012 CJNE A，#00H，LOOP1 0F15 E522 MOV A，NIL ；判斷N1是否為0，為0則轉(zhuǎn)入減速 0F17 B40010 CJNE A，#00H，LOOP2 0F1A E522 MOV A，NIH 0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP2 0F1F E523 MOV A，N2 ；判斷N2是否為0 0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP3 0F24 C2AF CLR EA ；N2為0，減速結(jié)束，關(guān)中斷 0F26 32 RETI ；中斷返回 0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0不為0，則N0=N0-1 0F29 32 RETI 0F2A E521 LOOP2：MOV A，NIL ；N1不為0，則N1=N1-1 0F2C C3 CLR C 0F2D 9401 SUBB A，#01H 0F2F F521 MOV NIL，A 0F31 E522 MOV A，NIH 0F33 9400 SUBB A，#00H 0F35 F522 MOV NIH，A 0F37 32 RETI 0F38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不為0，則N2=N2-1 0F3A 32 RETI 六、課程設(shè)計(jì)的心得和體會 這次的課程設(shè)計(jì)是跟我們所學(xué)專業(yè)密切相關(guān)的，就是用我們所學(xué)的知識去設(shè)計(jì)一個機(jī)電一體化的產(chǎn)品—數(shù)控機(jī)床，從剛開始的不知從何入手到慢慢的開始找到方法，體會到了要學(xué)會查資料文獻(xiàn)來解決問題的方法，在畫圖過程中也遇到了諸多的問題，整體的布局，局部的表達(dá)，不知道該如何在圖上表達(dá)工件，最后經(jīng)問同學(xué)問老師，慢慢的解決了，但是我相信這個圖里還有很多不正確不合理的地方，不過我想隨著實(shí)踐的增多閱歷的增加，以后的設(shè)計(jì)會逐漸的更具有實(shí)踐性。對于圖中的錯誤，懇請老師指出，也希望老師多多包涵，我會盡力去改正！ 七、參考資料 [1] 傅曉林，機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，重慶交通大學(xué)，2005 [2] 張建民, 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì), 高等教育出版社, 2001. [3] 成大先, 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊, 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002. [4] 機(jī)電一體化技術(shù)手冊編委會, 機(jī)電一體化手冊, 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991. [5] 張新義, 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì), 機(jī)械工業(yè)出版社, 1994. [6] 王巍，機(jī)械制圖，機(jī)械工業(yè)出版社, 2000 [7] 尹勇，Protel DXP電路設(shè)計(jì)入門與進(jìn)階，高等教育出版社, 2001.