优秀设计基于单片机的二维数控实验台的设计与实现摘要本设计结合机电一体化课程教学环节需要，设计用单片机作为控制系统的X-Y工作台。
通过论述X-Y工作台机械结构设计和控制电路接口设计,阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术.基于单片机二维数控系统是以单片机为主体，二维数控实验平台为核心的系统。
主要应用单片机作为控制核心，LED点阵显示芯片与数控系统相结合的系统。
充分发挥了单片机的性能。
其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。
该系统设计是一个开环控制系统,其结构简单.实现方便而且能够保证一定的精度.降低成本,是控制技术的最简单的应用.它充分的利用了单片机软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高.系统设计是利用AT89S51单片机,及27128,6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能.其基本思想是:通过单片机控制使电机运动从而实现工作台的移动。
关键词：X—Y工作台；单片机；机电一体化设计NC-based single-chip two-dimensional test-bed designand implementationAbstractThe combination of mechanical and electrical design aspects of the integration of teaching needs, the design of control systems with single-chip microcomputer as the XY table. XY table through on the design of mechanical structure and control interface circuit design, mechanical-electrical integration on the design of the common and key technologies.Two-dimensional numerical control system based on single-chip based on single-chip microcomputer as the main body, the experimental two-dimensional numerical control system as the core platform. The main application of single-chip microcomputer as control core, LED dot matrix display system chips with a combination of CNC system. Give full play to the single-chip performance. Advantage of simple hardware circuit, software functions, the control system reliable and cost-effective features such as high, with a certain degree of use and reference value.The system design is an open-loop control system, its simple structure, convenient and can realize. Sure. Reduce cost, is the most simple control technology application. It fully utilize the MCU software and hardware function to realize the control of machine tools, Machine processing expanded, accuracy and reliability is further improved.System design is to use 27128,6264，AT89S51 and memory and 8155 chips, hardware composition in the control system of the hardware written procedures to achieve certain processing function. The basic idea is: through the single-chip microcomputer control make motor sports so as to realize the worktable moving.Key words: X-Y table; singlechip; mechatronics design目录第1章绪论………………………………………………………………………… .11.1课题意义 (1)1.2课题研究主要内容 (1)第2章机械系统设计 (2)2.1设计参数的确定 (2)2.2 总体方案设计 (2)2.2.1传动部件的选择 (3)2.2.2控制系统的设计 (3)2.2.3步进电机的选用 (4)2.2.4滚珠丝杠的设计计算 (5)2.2.5滚动导轨的参数确定 (7)2.2.6 滚动轴承选型…………………………………………………… .82.2.7 滚动导轨刚度及预紧 (9)2.2.8步进电机惯性负载的计算 (9)第3章控制系统设计 (11)3.1 硬件配置 (11)3.2 总体接口设计 (17)3.2.1键盘设计 (17)3.2.2 显示器设计............................................................... .19 3.3 步进电机驱动电路和工作原理 (22)3.4总体程序控制 (23)第4章基于单片机的二维数控实验台的实现 (26)4.1 搭建单片机电路 (26)4.2 调试程序 (27)4.3 单片机控制完成，实现功能要求 (28)总结 (29)致谢 (30)参考文献 (31)第1章绪论1.1课题意义二维数控实验平台系统设计是一个开环控制系统,其结构简单.实现方便而且能够保证一定的精度.降低成本,是控制技术的最简单的应用.它充分的利用了单片机软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高.1.2课题研究主要内容二维数控实验平台系统设计是利用AT89S51单片机,及27128,6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能.其基本思想是:通过单片机控制使电机运动从而实现工作台的移动。
经济型数控机床驱动电机采用步进电机，多数采用开环控制，需要选择和计算主要机械传动部件，如滚珠丝杠，螺母副和步进电机等，绘制机床进给传动机构装配图，绘制单片机控制系统的硬件线路图。
第2章 机械系统设计2.1 设计参数的确定系统分辨率 （即脉冲当量） p δ＝0.01mm由静止到最大快进速度过度时间P t 0.1s ～0.3s工作台行程 纵向 350mm横向 300mm最大快进速度 纵向和横向 5m/min2.2 总体方案设计进给伺服系统总体方案 ：脉冲当量p δ即系统分辨率。
本设计中，p δ＝0.01mm当i ＝1时，可使步进电机直接与丝杠联接，有利于简化结构，提高精度。
因此本设计中取i ＝1。
2.2.1传动部件的选择1导轨副的选用要设计的二维工作台式用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不已爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
2丝杠螺母副的选用伺服电机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.01mm的脉冲当量和01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，.0只有选用滚珠丝杠副才能达到。
滚珠丝杠副的传动精度高、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。
3伺服电动机的选用因本设计的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级。
因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，可以选用性能好一些的步进电机，如混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。
考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置，以及伺服电机拟采用相同的型号与规格。
2.2.2控制系统的设计设计的二位数控工作台，其控制系统应该有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。
因本设计所选的精度对于步进电机来说不算高，电机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制。
要设计一台完整的控制系统，在选择控制器后，还需要扩展存储器，键盘与显示电路、I/O接口电路等。
选择合适的驱动，与步进电动机配套使用2.2.3 步进电机的选用步进电动机又称脉冲电动机或为阶跃电动机，目前，随着电子技术，控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越模糊；步进电动机的传动定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角落，若不改变励磁状态则保持一定的状态而静止；广义的定义为，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电动机。
步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。
在20世纪60年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用型的步进电动机应运而生，半导体的发展使得步进电动机得到了广泛的应用。
我国的步进电动机开始于21世纪50年代后期，其发展过程大致经历了四个阶段：第一阶段从50年代后期到60年代后期主要是高等院校和科研机构开发并使用少量的步进电机，以多段结构三相反应式步进电动机为主；第二阶段，70年代初期反映在步进电机的生产和研究发展到了一个水平；第三阶段，70年代中期至80年代后期新产品种高性能电动机层出不穷，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品得到广泛应用。
步进电动机的特点步进电机有三大部分组成：步进电动机本体，步进电动机控制器及步进电动机驱动器。
其特点如下：用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。