双坐标十字滑台数控编程插补控制的实现-毕业设计(论文).docx

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1、 南湖学院毕业设计（论文）任务书课题名称：双坐标十字滑台数控编程插补控制的实现学生姓名： 系 别：机械与电子工程系专 业：机械电子工程指导教师： 2014 年 12 月 16 日摘要本设计的课题主要是基于单片机控制的双坐标十字滑台数控编程系统设计设计。在系统程序设计上运用逐点比较法使步进电机实现单坐标定位、两坐标直线插补和圆弧插补的基本功能；在此功能基础上通过建立象限判别程序，使十字滑台达到四象限的工作要求；并编写了代码处理指令，使CPU能够根据读入的指令信息（G代码与X轴和Y轴坐标），分别向X轴和Y轴步进电机输出执行指令所需的控制信号，从而完成指定的工序。该设计本设计主要采用计算机辅助设计完

2、成。采用单片机仿真开发平台Proteus进行硬件系统设计，包括原理图设计和PCB板设计，用Keil C平台进行程序设计和调试，系统联调在Proteus平台上完成。此次设计的程序均能在Proteus中的控制系统仿真电路图中仿真通过，仿真时，只需从键盘输入G代码后，步进电机就能通过直线插补和圆弧插补，完成平面轮廓加工。关键字：十字滑台；直线插补；圆弧插补；步进电机；数控编程ABSTRACTThis design research topic is mainly based on single-chip microcomputer control of double coordinates cros

3、s sliding platform nc programming system design，Using point by point comparison method on system program design make the stepper motor to achieve single coordinate positioning, two coordinates, the basic function of the linear interpolation and circular interpolation，Discriminant program on the basi

4、s of this capability by establishing the quadrant, make a cross slide meet four quadrant work requirements, and write the code processing instructions. CPU can according to read the instruction information (G code and the X and Y coordinates), respectively, to X axis and Y axis stepper motor output

5、control signal, necessary for the execution of instructions to complete the specified process.This design mainly adopts the design computer aided design is complete，Proteus simulation development platform by single chip microcomputer hardware system design, including schematic design and PCB board d

6、esign, programming and debugging, using Keil C platform system alignment on the Proteus platform.，This design program can control system in the Proteus simulation circuit diagram of the simulation, the simulation, only need to input from the keyboard G code, step motor can be through the linear inte

7、rpolation and circular interpolation, complete plane contour machining.Key words: Cross sliding table；Linear interpolation；The circular arc interpolation；Stepper motor；CNC programming目录摘 要IABSTRACTII前言11 双坐标十字滑台数控编程插补控制的实现设计简介21.1双坐标十字滑台总体方案分析21.2仿真开发环境Proteus简介21.3程序开发环境Keil C简介21.4设计内容要求2 双坐标十字滑台机

8、械部件4 2.1双坐标十字滑台性能与技术要求 2.2机械部件选取2.2.1滚珠丝杆螺母副的选型与计算2.2.2 导轨副的选型与计算2.2.3步进电动机的选型与计算4 2.2.3.1步进电动机的工作原理及工作方式3 数控部分63.1控制系统微控制器AT89C5263.1.1 AT89C52单片机的主要工作特性63.1.2 AT89C52单片机的内部结构63.1.3 AT89C52单片机的各引脚功能153.2可编程并行接口芯片8255A163.2.1 8255A的内部结构163.2.2 8255A的引脚功能173.2.3 8255A的工作方式183.2.4 8255A控制字193.2双坐标十字滑台

9、控制总体电路图213.3双坐标十字滑台控制系统硬件资源及其分配213.4 单片机外围电路设计3.4.1 程序存储器的扩展3.4.2 I/O接口电路设计3.4.3 串行口电路设计3.4.4 键盘电路设计3.4.5 D/A转换电路设计3.4.6 告警电路及限位设计4 步进电动机的控制系统设计4.1 X-Y向步进电机控制电路分析224.2 驱动电源选取4.3双坐标十字滑台控制系统仿真图4.4程序在仿真电路图中实现的功能255双坐标十字滑台总程序软件设计265.1程序总流程分析265.2Main 函数功能解释265.3逐点比较法的插补原理275.4逐点比较法插补的优点275.5插补总流程分析276双坐

10、标十字滑台快速进给软件设计286.1快速进给程序分析287双坐标十字滑台直线插补软件设计307.1逐点比较法的直线插补的数学原理307.1.1逐点比较法的直线查补的偏差判别机制307.1.2直线插补中的终点判别机制317.1.3直线插补计算过程317.1.4直线插补中的进给判别机制317.2直线插补程序分析328双坐标十字滑台圆弧插补软件设计348.1逐点比较法的圆弧插补的数学原理348.1.1逐点比较法的圆弧查补的偏差判别机制348.1.2圆弧插补中的终点判别机制358.1.3圆弧插补计算过程358.1.44个象限的圆弧插补358.2顺圆插补程序分析378.3逆圆插补程序分析399双坐标十字

11、滑台代码处理软件设计4110.1代码处理程序分析4110双坐标十字滑台象限判别软件设计4311.1象限判断总程序分析4311.2G0与G1情况象限判断程序分析4311.3G2情况 象限判断程序分析4511.4G3情况象限判断程序分析4512中断程序设计方法4712.1定时器中断程序解释4712.2外部中断程序解释47结论与展望48参考文献49附录A 总程序:50附录B 文献翻译原文75附录C 文献翻译译文83谢 辞90南湖学院毕业设计（论文）1双坐标十字滑台数控编程插补控制的实现设计简介1.1总体方案分析双坐标十字滑台是实现平面X、Y坐标运动的典型关键部件，能够分别沿X向和Y向移动。本次设计的

12、双坐标十字滑台数控编程的实现选用的是以AT89C52单片机为控制系统，以各种电路的设计和外围接口设备为基础，运用程序编程将控制信号，并以脉冲形式驱动步进电动机，从而通过机械传动机构（滚珠丝杆螺母副结构），带动机械执行机构（工作台）做X向和Y向的运动；实现四象限单坐标快速定位，双坐标直线、圆弧插补等功能；最终选择通过Proteus与Keil联机对设计的电路以及程序进行仿真，如下图：键 盘告警 理理显 示限位开关步进电机 理理单片机X驱动Y驱动步进电机 理理图1 双坐标十字滑台数控编程插补控制的实现设计总体方案图1.2仿真开发环境Proteus简介Proteus软件是英国Lab Center El

13、ectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处

14、理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。其功能特点：拥有原理布图、PCB自动或人工布线、SPICE电路仿真、互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件、仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。同时还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境，其软件还拥有丰富的器件库，其中超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智

15、能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。protues还拥有完善的电路仿真功能，其仿真功能如下：ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件

16、；多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；高级图形仿真功能（ASF）：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、

17、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析；编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。1.3程序开发环境KeilC简介Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（Vision）将这些部分组

18、合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。采用Keil C51开发AT89C52单片机应用程序一般需要以下步骤： 在Vision2集成开发环境中创建一个新项目文件（Project），并为该项目选定合适的单片机CPU器件。 利用Vision2的文件编辑器编写C语言（或汇编语言）源程序文件，并将文件添加到项目中去。一个项目可以包含多个文件，除源程序文件外还可以有库文件或文本说明文件。 通过Vision2

19、的各种选项，配置51编译器、A51宏编译器、BL51连接定位器以及Debug调试器的功能。 利用Vision2的构造（Build）工功能对项目中的源程序文件进行编译连接，生成绝对目标代码和可选的HEX文件。如果出现编译连接错误则返回第2步，修改源程序中的错误后重新构造整个项目。 将没有错误的绝对目标代码装入Vision2调试器进行仿真调试，调试成功后将HEX文件写入到单片机应用系统的EPROM中2 周润景,张丽娜,刘映群.PROTEUS入门使用教程M.北京:机械工业出版社,2007,第82页.。1.4设计内容要求设有一双坐标十字滑台，X轴和Y轴均采用步进电机直接驱动滚珠丝杆螺母结构，实现直线运

20、动或者平面运动。设计十字滑台的控制系统，采用开环控制，并具有三种简易数控编程命令。即要求：具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能。通过键盘输入单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补等三种控制命令，控制工作台的运动。研究直线插补与圆弧插补的算法，编写有三种命令的执行程序。设计以单片机为核心的字滑台的控制系统，进行单片机的选型、程序存储器的扩展，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口等电路设计。选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。2双坐标十字滑台机械部分2.1双坐标十字滑台性能与技术要求2.1.1设计基本参数 *X轴电机：0.5KW； *Y轴电机： 1KW；*X、

21、Y方向的脉冲当量0.01mm;*X坐标行程 300mm; *Y坐标行程 120mm;2.1.2导轨上部件的重量估算滑台面材料选择铸钢，密度为。滑台面的体积估算为：滑台重量估算为：上导轨（含电机，丝杠）的重量估计为：300N滑台面以上重量带夹具估计为：550N则可得：部件的总重量为：因此估算下导轨中丝杆支撑的重量G为：1300N2.1.3铣削力的计算本设计双坐标十字滑台数控，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。查下表3-1可得立铣时的铣削力计算公式为：（1）表1硬质合金铣刀铣削力的计算公式（单位N）铣刀类型工件材料铣削力计算公式面铣刀碳素钢灰铸铁可锻铸铁圆柱铣刀碳素钢灰铸铁三面刃铣刀碳素钢两面

22、刃铣刀立铣刀查数控技术课程设计指导书P13、14页，取铣刀每齿进给量=0.1；铣刀转速=300r/min,取其他参数，数值如下： 立铣刀最大直径：D=15mm立铣刀齿数：Z=3最大铣削宽度：最大背吃刀量：所以最大铣削力：采用立铣刀进行圆柱逆铣时，各铣削力之间的比值查数控技术课程设计指导书P13页可得出：=(1.01.2) (2) /=(0.20.3) (3) /=（0.350.4） (4) 分别计算出三个方向铣削力为：滑台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杆轴线方向），则X向铣削力,Y向铣削力。2.2机械部件选取2.2.1

23、滚珠丝杆螺母副的选型与计算2.2.1.1丝杆螺母副的选用步进电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.01mm的脉冲当量，而滑动丝杆副不能达到这种效果，而选用滚珠丝杆副能达到设计的目的。滚珠丝杆副具有传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙，而且滚珠丝杆已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。在设计选用滚珠丝杆副时，必须对其进行承载能力计算。承载能力计算的内容包括强度计算、刚度校核、稳定性校核及临界转速校核。2.2.1.2滚珠丝杆副设计计算及型号选取（1）最大工作载荷的计算 工作台受到进给方向的载荷，受到横向的载荷，受到垂直方向的载荷。已知

24、移动部件总重量G=1300，按矩形导轨进行计算，查实用机床设计手册颠覆力影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为： (5)表2 参考公式导轨类型实验公式K矩型导轨1.1燕尾导轨1.4三角形或综合导轨1.15（2)当量动载荷的计算 本次设计工作台最快进给速度拟为：，初选丝杠导程，则此时丝杠转速；表3滚珠丝杆螺母副的尺寸系列名称 尺寸系列备注公称直径6、8、10、12、16、20、25、32、40、50、53、80、100、120、125、160、200导程1.2、2.5、3、4、5、6、8、10、12、16、20、25、32、40尽量选用2.5、5、10、20、4

25、0一般情况下，滚珠丝杠副的强度条件是当量动载荷（工作中滚珠丝杠副的最大动载荷）。滚珠丝杠副的当量动载荷为： （6） 式中：轴向平均载荷，N,一般取 (7)；、丝杠的最大、最小工作载荷，N; L工作寿命（以r为单位）， （8）；平均转速，r/min， （9）；丝杠最高、最低转速，r/min； T使用寿命，h，一般机床可取T=10000h，数控机床可取T=15000h； 精度系数，1、2、3级丝杠， =1、4、5、6级丝杠，=0.9； 运转状态系数，无冲击取11.2一般情况取1.21.5；有冲击振动取1.22.5， =1.1；由以上数据代入（1）式得：丝杠寿命系数()， （3）初选型号根据以上所计

26、算出的当量动载荷以及最大工作载荷和初选的丝杆导程Ph，通过查数控技术课程设计指导书P219页选FFZD3205-3型滚珠丝杆副，其公称直径为32mm，丝杠外径为31.5mm,丝杆底径为28.9mm，导程为5mm，滚珠直径为3.5mm，螺母的安装尺寸L=85mm，精度等级取5级，基本额定动载荷为11.7KN，大于计算的滚珠丝杆副的当量动载荷，所以选择适合。确定滚珠丝杆副的螺纹长度： （10）上式中，为有效行程，则=行程+螺母长度=300+85=385mm；为安全行程，=5=25mm；为余程，=2=10mm。由以上数据则计算得：2.2.1.3滚珠丝杆螺母副刚度的验算（1）滚珠丝杆刚度校核由于滚珠丝

27、杆在轴向力的作用下，会产生一定的伸长或压缩，并且在有切向力的情况下会产生扭转和弯曲的效应，从而会导致丝杠导程发生改变，继而会影响到丝杠的传动效果及定位精度，最终影响设计要求。本设计中双坐标十字滑台滚珠丝杆副采用“两端固定(F-F)”的方式。由于这种安装丝杠一般不会受压、无压杆稳定问题、适合于高精度，高刚度的丝杠。查资料可知FFZD3205-3的滚珠直径，丝杠底径。滚珠丝杆总变形中所占比重最大主要集中在拉伸或压缩方面，可按下式计算 （11）式中:是丝杆的最大工作载荷；为钢的弹性模量，为2.1MPa；为丝杠的最小截面积，即丝杠底径截面积；为丝杠两端支承间的距离=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支

28、承长度1.4行程+30=1.4300+305=570mm，则滚珠丝杠滚道间的接触变形量在有预紧时的计算公式如下： （12）FFZD3205-3型滚珠丝杠螺母副单圈滚珠数；为滚珠总数，。丝杆预紧时，取轴向预紧力。因此，总变形量，当有效行程315mm到400mm时，5级精度的允许行程变量为0.021mm，总变形量满足设计要求。（2）滚珠丝杆螺母副的刚度验算滚珠丝杆螺母副在工作负载F和转矩共同作用下引起每个导程的变形量为： (13)式中：A-丝杠截面积； (14) -丝杠的极惯性矩， (15) G-丝杠切变模量，对刚G=83.3Gpa； T-转矩，转矩的计算公式： (16) 式中：摩擦角，其正切函数

29、值为摩擦系数； 平均工作载荷； 丝杠螺旋角。丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： (17)通常要求丝杆的导程误差应小于其传动精度1/2，即 将已知数据代入公式得，其，刚度满足要求。2.2.1.4滚珠丝杆螺母承载能力校核滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验查数控技术课程设计指导，按下列公式计算 （18）式中：为丝杆螺母副的螺纹底径；为丝杆螺母副最大受压长度为435mm；为安全系数，丝杠垂直安装时丝杆,水品安装取；为安全系数，与支承方式有关。滚珠丝杠副支承方式选择双推-双推，这种方式适合于高刚度、高转速、高精度的丝杠传动，与本次设计符合，则=4。将以上数据代入得：经过比较：远大于，因此丝杆稳

30、定性满足设计要求。表4与支承方式有关的系数支承方式二端固定（F-F）44.7321.92.2.1.5滚珠丝杠螺母副临界转速的校核表5稳定性系数支承方式有关系数 一端固定一端自由（F-O）一端固定一端游动（F-S）两端固定（F-F）S342.53.3 22/31.8753.927 4.730注长度系数；临界转速系数。滚珠丝杆螺母副转动时可能发生共振，因此需验算其不产生共振的最高转速临界转速。其计算公式为： （19）上式中，为临界转速系数；为丝杆内径； 则通过将已知数据代入得：2.2.1.6滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验滚珠丝杠螺母副的寿命，主要是指疲劳寿命，滚珠丝杠螺母副的疲劳寿命和时间寿命按一下

31、公式计算： （20） （21）式中为额定动载荷，查表得11700N；为轴向载荷，前面计算为1609N；为滚珠丝杠螺母副的转速；为运转条件系数，无冲击运转取1.01.2.一般运转取1.21.5，有冲击运转取1.53.0。则经计算得大于20000h，因此丝杠螺母副的寿命满足要求。4范围内，即0.01mm之内，以上计算值满足条件2.2.1.7双坐标十字滑台数控进给系统的死区误差的校验机床执行部件反向时的最大反向死区误差可按下式计算：=2= （22） 上式中为由机床执行部件重量引起的静摩擦力。=2= 已知脉冲当量为0.01mm，因此满足条件。2.2.2导轨副的计算与选型2.2.2.1导轨副的选用要设计

32、的双坐标十字滑台，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小(0.01mm)，因此，决定选用滚动直线导轨副，由于它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点，并且广泛应用于精密机床、数控机床和测量仪，选择直线导轨副能满足设计要求。2.2.2.2滚动直线导轨副的计算与选型（1）滚动直线导轨的选择程序在设计选用滚动直线导轨时，除应对其使用条件，包括其工作载荷、精度要求、速度工作行程、预期工作寿命进行研究外，还要对其刚度、摩擦特性及误差平均作用、阻尼特征等进行综合考虑。（2）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取本毕业设计中双坐标十字滑台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最

33、坏的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，查机械设计手册 第二卷P9127页得则单滑块所受的最大垂直方向载荷为，其中，G为双坐标十字滑台移动部件重量。根据以上所计算出的工作载荷，初步选择符合要求的直线滚动导轨副的型号。 查机械设计手册 第二卷P9132页到133页，根据选取原则，选择南京工艺装备制造厂的GGB20BA四方向等载荷窄型滚动直线导轨副。表6滚动直线导轨副型号名称特征应用举例GGBAA GGBAALGGBAB GGBBAL四方向等载荷滚动直线导轨副1、一体型 ；2、上下左右四方额定载相等，用途较广；3、额定载荷大、刚度高、适合重载；1、 机械加工中心2、 NC/NCN车床3

34、、 重型切削车床4、 精密车床GGBBA、GGBBAL窄型四方向等载荷滚动直线导轨副GGC微型直线滚动导轨副1、 一体积薄型、尺寸小；2、 钢球直径大、寿命；3、 可取代滚柱交叉导轨1、IC/LS1制造机械2、办公自动化机器3、检测装置4、医疗器械GGF分离型滚动直线导轨副1、 上下左右等载荷；2、 可调整预加载荷；3、 可取代滚柱交叉导轨1、 精密平台2、NC车床3、运送机械4、印刷线路板组装机械5、各种自动装配机械等等表7滚动直线导轨副型号型 号导轨副尺寸滑块尺油杯尺寸KTGNGGB16RA2893442623.463840.5262.59GGB20BAGGB20BAL3012446322

35、48705036115866630GGB25BAGGB25BAL4012.5486.53533.1879.558351110.298.57850GGB30BAGGB30BAL451660104038895.270401110117.29260由以上表的数据可知:其额定动载荷，额定静载荷。之前拟定的工作台尺寸为250mm250mm，设计要求加工范围为300mm120mm，因此初选导轨长度为800mm。（3）距离额定寿命和时间额定寿命的计算 1）距离额定寿命的计算上述选取的GGB20BA 型导轨每根导轨上配有两个滑块，精度为4 级，其双坐标十字滑台工作速度较低，载荷不大，一般把直线 轨的距离.定寿

36、命定为50km，查数控技术课程设计指导书，则有公式： （23）其中为导轨额定动载荷；为硬度系数，取=1.0；为计算载荷；查数控技术课程设计指导书P35页各表可得：为温度系数，=1，为接触系数，取=0.66，为精度系数，取=0.9，为载荷系数，取=1.5，则 远大于期望值50km，设计符合要求。2） 时间额定寿命的计算预计导轨的工作五年，每天工作八小时，取导轨副的使用寿命为T=15000h，时间额定寿命可按下式进行计算 （24）其中为行程长度，XY工作台行程为300mm120mm，取350mm计算；为每分钟移动部件往返次数取5次，则满足设计要求。2.2.3步进电动机的计算与选型2.2.3.1步进

37、电动机的工作原理及工作方式（1）步进电动机的工作原理步进电动机又叫脉冲电动机，是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移和直线位移的机电执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转动一个固定的角度。脉冲一个接一个地输入，转子就一步一步的转动，故称之为步进电动机。步进电动机的角位移与输入电脉冲的个数成正比，旋转速度与输入电脉冲的频率成正比，即控制输入电脉冲的个数、频率和定子绕组的通电方式，就可以控制步进电动机转子的角位移量、旋转速度和旋转方向。步进电动机的工作就是步进转动。在一般的步进电动机工作中，其电源都是采用单极性的直流电源。要使步进电动机转动，就必须对步进电动机定子的各项绕组以适当的时序进行通电。步

38、进电动机具有快速启停、高精度、能够直接接收数字信号和不需要位移传感器就可以到达到较精确定位等特点，因而在需要精确定位的场合，如软盘驱动系统、绘图机、打印机、经济型数控系统等得到广泛应用。（2）步进电动机的工作方式步进电动机可工作于单相轮流通电，双相轮流通电和单相、双相交叉轮流通电方式。“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电，“双”就是指每次有两相绕组通电。定子控制绕组每改变一次通电状态，称为一拍。选用不同的工作方式，可使步进电动机具有不同的工作性能，如减小步距、提高定位精度和工作稳定性等。2.2.3.2步进电动机计算及选型（1）传动比的确定及步矩角的计算 本次设计，X轴和Y轴均采用步进电机直接

39、驱动滚珠丝杆螺母结构，实现直线运动，因此可知传动比为=1；已知脉冲当量为0.01mm/pluse；丝杠导程ph=5，则由步矩角的计算公式: （25）则计算得：（2）折算到电动机轴上的负载惯量的计算1）由滚珠丝杠的转动惯量计算公式： （26）式中：为丝杠公称直径，=32mm； 为丝杠长度=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）=710mm。则计算得:2） 滚珠丝杠上一级移动部件折算到电动机轴上的转动惯量，沿直线轴移动物体的惯量为：= （27） 式中：为丝杠导程；M为移动部件总质量。数据都为已知，

40、则计算得=3）总转动惯量=+2.2.3.3折算到电动机轴上负载转矩的计算 （1）切削负载力矩，如下式： （28）式中：为丝杠导程=0.005m；为进给系统的总效率，其值为=0.90；又有之前计算结果知=1779N；则计算得：(2)摩擦负载力矩，其公式如下： （29）式中：为空载时导轨摩擦力，=5.2N；则计算得：(3)滚珠丝杠副的预紧而产生的附加负载力矩 （30）式中：为滚珠丝杠副的预紧力=593N；为丝杠基本导程=0.005m；为滚珠丝杠副效率，其值为=0.94；则计算得：（4）各坐标轴部分折算到电机轴上负载力矩的计算步进电动机电机空载时：步进电动机切削时：2.2.3.4步进电动机的选取通过

41、以上各项计算可知，再通过查找相关步进电机数据资料，最后综合考虑选择北京和利时机电技术有限公司的110BYG550B-030混合式步进电机，具体参数如下： 表8 110BYG550B-030混合式步进电机参数型号步矩角相数驱动电压相电流额定转矩空载运行频率转动惯量110BYG550B-0300.72580V3A8N.m2200由以上数据可知：该电动机的额定力矩为8Nm，大于空载及切削时电动机轴的负载力矩，因此本电动机满足驱动要求为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载总惯量与步进电动机的转动惯量之比一般应满足：上面已经计算出=，因此，满足匹配要求。3数控部分3.1微控制器-AT89C

42、52 3.1.1 单片机AT89C52的介绍以及其工作原理（1）AT89C52单片机简介AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51，片内置指令系统通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C

43、52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。（2）AT89C52的工作原理AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。其引脚图如下：图1AT89C52单片机引脚的含义如下：P0口：P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写