【導(dǎo)讀】2021屆機械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）。如需圖紙開題報告，PPT答辯，QQ153893706

　　

【正文】 設(shè)計 數(shù)控機床控制系統(tǒng)的作用是使機械傳動系統(tǒng)在程序的控制下自動完成規(guī)定的工作，是數(shù)控機床的主要組成部分，主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件連線圖見附錄 5 主控制器 CPU 的選擇 目前市場上應(yīng)用 MCS51 芯片及其派生的兼容芯片比較多，如應(yīng)用最廣的 8位單片機 89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中多使用 16位單片機，它具有較強的運算和擴展能力，如 MCS96 系列單片機廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)。定位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。從要設(shè)計的系統(tǒng)來看，選用較老的 8051 單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，而選用高性能的 16位 MCS96又顯得過于浪費。 ATMEL 公司的 AT89 系列單片機內(nèi)含 Flash 存儲器，結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進行程序修改，同 時掉電也不影響信息的保存；尤其是它和 MCS51芯片，并且采用靜態(tài)時鐘方式可以節(jié)省電能。 因此 CPU選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51， AT表示 ATMEL 公司， 9 表示內(nèi)含 Flash存儲器， S 表示含有串行下載 Flash 存儲器。 AT89C51 的性能參數(shù)為： Flash 存儲器容量為 4KB、 16位定時器 2個、中斷源 6個（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷 0、外部中斷 定時器 0和定時器 1 中斷）、 RAM為 128B、14 位的計數(shù)器 WDT、 I/O 口共有 32 個。 一 、 AT89C51 單片機的引腳功能 （ 1） VCC（ 40）：電源 +5V。 （ 2） VSS（ 20）：接地端，即 GND。 （ 3） XTL1（ 19）和 XTL2（ 18）：振蕩電路。單片機是一種時序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是2021屆機械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時，需在 XTL2 上加外部時鐘信號。 （ 4） PSEN（ 29）：片外 ROM 選通信號，低電平有效。 （ 5） ALE/PROG（ 30）：地址鎖存信號輸出端 /EPROM 編程脈沖輸入端。 （ 6） RST/VPD（ 9）：復(fù)位信號輸入端 /備用電源輸入端。 （ 7） EA/VPP（ 31）：內(nèi) /外部 ROM 選擇端 （ 8） P0 口（ 3932）：雙向 I/O 口。 （ 9） P1 口（ 18）：準(zhǔn)雙向通用 I/0 口。 （ 10） P2 口（ 2128）：準(zhǔn)雙向 I/0口。 二 、主要特性： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定、 128*8 位內(nèi)部 RAM、 32可編程 I/O 線、兩個 16 位定時器 /計數(shù)器、 5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。 ⑴ 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。時鐘是單片機的心臟，單片機的各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)的。時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機的穩(wěn)定性。常用電路有內(nèi)部時鐘和外部時鐘兩種方式，本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，如圖 所示。 圖 42 ⑵ 芯片擦除： 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合， 并保持 ALE管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “ 1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM 定時器，計數(shù)器，串口和中兩軸微機伺服工作臺的設(shè)計 22 斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 ⑵ 復(fù)位電路 如圖 。 圖 43 可編程 RAM/IO 芯片 8155H 系統(tǒng)中采用鍵 盤實現(xiàn)輸入，并采用 LED 顯示器，控制兩個步進電動機的運行，所以該系統(tǒng)需要進行系統(tǒng)擴展，采用可編程RAM/IO 芯片 8155H。 Intel 8155H 芯片內(nèi)包含有 256 個字節(jié)的 RAM 存儲器（靜態(tài)），RAM 的存取時間為 400ns。兩個可編程的 8 位并行口 PA和 PB，一個可編程的 6位并行口 PC，以及一個 14位減法定時器 /計數(shù)器。PA 和 PB 口可工作于基本輸入輸出方式或選通輸入輸出方式。8155HH 可直接和 AT89C51 單片機相連，不需要增加任何硬件邏輯，是單片機系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一。 8155H 的引腳如圖 ： 圖 44 鍵盤與顯示電路設(shè)計 下圖 是 AT89C51 單片機用擴展的 I/O接口芯片 8155HH 實現(xiàn)的 5位 LED 顯示和 20 鍵的鍵盤 /顯示器的接口電路。 8155HH 的 PA 口為輸出口，控制鍵盤的列線 Y0~Y4 的鍵位，PA 口作為鍵掃描口，同時又是 5位共陰極顯示器的位掃描口。 PB口作為顯示器的段碼輸出口， 8155HH 的 PC 口作為輸入口， PC0~3 接行線 X0~X3,成為簡輸入口。圖中， 74LS04為反相驅(qū)動器， 7407 為同相驅(qū)動器，其中，從左邊開始，第一個數(shù)碼管顯示當(dāng)前工作2021屆機械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 臺運動坐標(biāo)，第二位數(shù)碼管顯示當(dāng)前工作太運動方向，另外三位數(shù)碼管 顯示當(dāng)前工作臺運行速度。 圖 45 鍵盤與顯示電路 I/O 口的分配 ⑴ P0:接 8155HH 的 AD0~AD7，做低 8位數(shù)據(jù)總線和地址總線。 ⑵ ~：接步進電動機的驅(qū)動器。 接蜂鳴器， 懸空。 ⑶ ~：接五個發(fā)光二極管，用于顯示當(dāng)前步進電動機的狀態(tài)。 ⑷ ：連接上位機 PC。 剩余的 I/O 口用于在擴展控制系統(tǒng)功能時擴展用。 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 傳動驅(qū)動部分主要是步進電機的驅(qū)動，步進電機須滿足快速急停、定位和退刀時兩軸微機伺服工作臺的設(shè)計 24 能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。 因為步進電機工作時的驅(qū)動電流比單片機端口所能提供的要大得多．單片機要控制電機的運動就不能直接將端口與電機各相相連，必須使用一定的接口電路和驅(qū) 動電路。 驅(qū)動電路集成化已成為一種趨勢，目前，已有多種步進電動機驅(qū)動集成電路芯片，他們大多接驅(qū)動和保護于一身，方便簡單，節(jié)約空間。選擇集成驅(qū)動器一定要選擇配套產(chǎn)品，因為對于不同的電動機步距角的積累誤差不完全一樣，選擇的驅(qū)動器不配套，可能會造成步距角積累誤差增加，進而振蕩和失步加劇。本設(shè)計中 X、 Y向步進電機均為 90BYG2602 型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團。查表 4141，選擇與之配套的驅(qū)動電源為BD28Nb，輸入電壓 100VAC，相電流 4A，分配方式為二相八拍。該驅(qū)動電源與控制器的接線方式如圖 圖 46步 進電機驅(qū)動電路圖 BD28Nb 驅(qū) 動器驅(qū)動二相混合式步進電機，該驅(qū)動器采用原裝進口模塊，內(nèi)部自帶脈沖分配器，實現(xiàn)高頻斬波，恒流驅(qū)動，具有很強的抗干擾性、高頻性能好、起動頻率高、控制信號與內(nèi)部信號實現(xiàn)光電隔離、電流可選、結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)、可靠性好、噪聲小，帶動 以下所有的 90BYG 系列電機三相混合式步進電機。 為了使控制系統(tǒng)和驅(qū)動器能夠正常通信，避免相互干擾，我們在驅(qū)動器內(nèi)部采用光耦器件對輸入信號進行隔離，三路信號的內(nèi)部接口電路相同，常用的方式為 1）共陽 1尹志強 .機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書 .北京 : 機械工業(yè)出版社 ,2021， 84 頁 2021屆機械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 方式：把 CP+、 DIR+和 EN+接在一起作為共陽 端接外部系統(tǒng)的 +5V，脈沖信號接入 CP端，方向信號接入 DIR端，使能信號接入 EN端； 2）共陰方式：把 CP、 DIR和 EN接在一起作為共陰端接外部系統(tǒng)的 GND，脈沖信號接入 CP+端，方向信號接入 DIR+端，使能信號接入 EN+端； 3）差動方式：直接連接。 傳感器和控制面板設(shè)計 ⑴ 由于步進電機步進電機的速度與所傳遞的位移和角度由單片機發(fā)送的脈沖頻率和脈沖數(shù)來決定，可實現(xiàn)精確定位，不需要反饋電路，但工作臺的移動不能超過最大行程，因此，應(yīng)該在 X、 Y 軸的方向各加上兩個光電開關(guān)作為 行程開關(guān)，當(dāng)工作臺越位時，開啟光電開關(guān)，然后用蜂鳴器報警，報告給操作人員按下急停按鈕。蜂鳴器的工作原理如圖 413。這里行程開關(guān)作用有兩個：首先防止意外情況發(fā)生，使工作臺超過最大行程，造成事故，這是主要原因；另外可以用與定位機械部分安裝定位。所以這 4個行程開關(guān)就充當(dāng)了傳感器。 圖 47 使用 7406 做驅(qū)動的蜂鳴音報警電路 在圖 413 中，驅(qū)動器 7406 的輸入端接 AT89C51 的 。當(dāng) 輸出高電平“ 1”時， 7406 的輸出為低電平“ 0”，使壓電蜂鳴器引線獲得將近 5V 的直流電壓，而產(chǎn)生蜂鳴音。當(dāng) 輸出端為低電平“ 0”使， 7406 的輸出端升高約為 +5V，壓電蜂鳴器的兩引線間的直流電壓降至接近于 0V，發(fā)音停止。 ⑵ 微機控制系統(tǒng)必須便于人機聯(lián)系，所以設(shè)置了一下按鍵，鍵盤如圖 414。 1．在本設(shè)計面板中，使用開關(guān)和復(fù)位按鈕，用于啟動、停止系統(tǒng)。 2．采用了五位數(shù)碼管用來顯示工作臺當(dāng)前的運動方向和運行速度，其中速度的單位為 mm/min；在面板最下方中間是急停按鈕； LED1\LED2\LED3\LED4 分別用于指示工作臺在指示燈對應(yīng)的方向禁止通行。 3．本設(shè)計中 X+\X\Y+\Y按鈕分別表示手動使工作臺相對應(yīng)的方向運動；圖形兩軸微機伺服工作臺的設(shè)計 26 表示加速， 表示減速且分別在 X 軸和 Y 軸各設(shè)立了一對加減速鍵用于調(diào)整工作臺運行速度。 X + 0. 4 8X+ 禁止X 禁止Y+ 禁止 Y 禁止X+Y+復(fù)位急停開關(guān)Y X L E D 1 L E D 2L E D 3L E D 4L E D 5圓弧 圖 48 控制面板 2021屆機械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 第 5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 數(shù)控系統(tǒng)軟件是一系列能完成各種功能的程序的集合。軟件和硬件的結(jié)合，形成一個具有特定功能的計算機數(shù)控系統(tǒng)，使該系統(tǒng)能夠完成零件程序的輸入、編輯、譯碼、數(shù)據(jù)計算和伺服控制等工作。本次設(shè)計的系統(tǒng)軟件主要是步進電機控制軟件。 對于 AT89C51 的程序設(shè)計，由于所需實現(xiàn)的功能較簡單，采用匯編的形式。 主流程圖 在等待中斷的過 程中，如果有中斷到來，先檢查中斷 0的狀態(tài)，是中斷 0 則進入中斷 0 的中斷服務(wù) INT0IS，是中斷 1則進入中斷 1 的中斷服務(wù) INT1IS。 中斷服務(wù) 0是由 4 個行程開關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機讀取 PA 口內(nèi)容，然后將結(jié)果反饋到 PB 口的 LED 上。 中斷服務(wù) 1 有 10 個中斷源，這六個中斷源分別是手動 X正方向運行，手動 X 負(fù)方向運行，手動 Y 正方向運行，手動Y 負(fù)方向運行，復(fù)位和繪制圓弧， X 方向的加減速和 Y 方向的加減速。程序見附錄 1。 連續(xù)鳴音 30ms 的控制子程序清單： SND ： SETB MOV R7, 1EH DL ： MOV R6, 0F9H DL1 ： DJNZ R6, DL1 DJNZ R6, DL1 CLR RET 步進電動機位置控制 步進電動機的位置控制，指的是步進電動機帶動執(zhí)行機構(gòu)從一個位置精確的運行到另一個位置。步進電動機的位置控制是步進電動機的一大優(yōu)點，他可以不用借助位兩軸微機伺服工作臺的設(shè)計 28 置傳感器而只需要簡單的開環(huán)控制就能達到足夠的位置精度，應(yīng)用很廣泛。 步進電動機的位置控制需要兩個參數(shù)。第一個是步進電動機控制的執(zhí)行機構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù) ，即絕對位置，這個絕對位置是有極限的，他就是執(zhí)行機構(gòu)運動的最大范圍，所以我們在導(dǎo)軌旁設(shè)立兩個限位開關(guān)作報警用。另一個位置參數(shù)是從當(dāng)前的位置移動到目標(biāo)位置的距離，可以折算成步進電動機的步數(shù)，這個參數(shù)通過鍵盤輸入。位置控制程序框圖如圖 419。 步進電動機的正反轉(zhuǎn)控制在主程序中實現(xiàn)。對于 X 軸步進電動機，如果正轉(zhuǎn)，使=1；反轉(zhuǎn)，使 =0。對于 Y 軸步進電動機，如果正轉(zhuǎn)，使 =1；反轉(zhuǎn)，使 =0。所以，不管在正轉(zhuǎn)情況下，還是在反轉(zhuǎn)情況下，上面程序都能使用。程序見附錄 2。 圖