机械设计课程设计_数控X_Y工作台及其控制系统设计

目录
第一章课程设计的内容和要求 (3)
第二章系统的总体方案设计 (4)
第三章机械部分设计 (5)
3.1 脉冲当量和传动比的确定 (5)
3.2工作台外形尺寸及重量初步估算 (5)
3.3 传动系统等效转矩惯量计算 (6)
3.4 工作载荷分析及计算 (6)
3.5 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (8)
3.6 导轨的选型和计算 (11)
3.7 驱动电机的选择 (11)
第四章数控系统设计 (15)
4.1 控制系统硬件的基本组成 (15)
4.2 接口程序初始化及步进电机控制程序 (17)
4.3 直线圆弧插补程序设计 (19)
参考文献 (25)
第一章课程设计的内容和要求
1.1 课程设计的内容
任务是：设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。

该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。

设计内容包括：
1.1.1数控装置总体方案的确定
(1) 确定系统组成方案（组成框图、功能、机械传动系统简图、主要的设计参数，及方案分析、比较、说明）。

1.1.2机械部分的设计
(1) 确定脉冲当量；
(2) 机械部件的总体尺寸及重量、转动惯量的初步估算；
(3) 传动元件及导向元件的设计，计算和选用；
(4) 伺服电机计算、选用；
(5) 绘制机械结构装配图；
1.1.3数控系统的设计
（1）确定数控系统装置方案（组成框图、功能、主要的设计参数，及方案分析、比较、说明）。

(2) 电气控制原理图设计（CPU、存储器、I/O接口电路及伺服驱动电路）
(3) 系统控制软件的结构设计（控制流程图）和部分功能控制软件设计（汇编程序及流程图）。

1.2 课程设计的要求
1.2.1图纸要求
（1）机械结构装配图，A0图纸一张。

要求视图基本完整、符合要求。

其中至少有一个坐标轴的完整剖视图。

（2）数控系统框图（附在说明书上）。

（3）数控电器图，A1图纸一张。

（4）软件框图（可附在说明书上）。

1.2.2编写设计说明书要求
说明书应当叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定、系统框图的分析、机械传动设计计算、电气部分的设计说明，选用元件及其具体参数的说明、软件设计及其说明等，说明书不少于8000字
第二章系统的总体方案确定
数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。

进行方案的分析、比较和论证。

2.1系统运动方式的确定
该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。

2.2伺服系统的选择
开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。

但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。

考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。

2.3计算机系统的选择
采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。

MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。

系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。

显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。

2.4X—Y工作台的传动方式
为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。

由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。

为了减少了零件的数目和中间环节的影响，精度高，效率高，电动机通过联轴器直接与滚珠丝杠相连。

但此种连接对安装、加工的要求较高，选用挠性联轴器，如膜片联轴器，电动机的额定转矩较大，等效转动惯量亦大，对系统的稳定性和快速性将产生不利影响。

系统总体框图如下:
微型机光
电
隔
离
光
电
隔
离
功
率
放
大
功
率
放
大
步进
电机
步进
电机
联轴器
联轴器
X向工作台
Y向工作台
第三章 机械部分设计
机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，机械部件的总体尺寸、质量、运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。

3.1脉冲当量和传动比的确定
脉冲当量δp 是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为±0.01mm 因此选择脉冲当量为0.01mm 。

根据脉冲当量和系统总体方案，传动比为1，直接用联轴器将电机和丝杠直接连接，有利于简化结构，提高精度。

初选导程 0L =5mm 滚珠丝杠，电动机步距角 b θ=0.75°。

传动比计算公式
101
.03605
75.03600=⨯⨯==
p b L i δθ
暂选130BF001型的步进电动机。

其具体参数如下：
3.2工作台外形尺寸及重量初步估算
根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X 向和Y 向工作台承载重量W X 和W Y 。

设计工作台简图如下
:
X 向拖板(上拖板)尺寸为:
长*宽*高=320*270*40 重量:按重量=体积*材料比重估算为:
x W = 2
3108.71040270320--⨯⨯⨯⨯⨯N=270N
Y 向拖板(下拖板)尺寸为: 40320320⨯⨯
重量Y W =23108.71040320320--⨯⨯⨯⨯⨯N=320N
上导轨(含电机)估算重量为：260N 夹具及工件重量:150N X-Y 工作台运动部分总重量为:
270N+320N+260N+150N=1000N
3.3传动系统等效转矩惯量计算
传动系统的转动惯量是一种惯性负载，选用电机时必须加以考虑。

由于传动系统的各传动部件并不都是与电机轴同轴线，还存在各转动部件转动惯量向电机轴的折算问题。

最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量
对于轴、轴承、齿轮、联轴器、丝杆等圆柱体的转动惯量计算公式为
8
2
D M J C =
3.3.1电机等效转动惯量
27.4cm kg J D ⋅=
3.3.2初选联轴器直径 cm D 3=，长度cm L 3=
联轴器等效转动惯量
)(1895.0103378.01078.023434cm Kg L D J L ⋅=⨯⨯⨯=⨯=--
3.3.3初选丝杠直径cm D 3=，初步估计丝杠长度cm L 35=。

滚珠丝杠等效转动惯量
)(2113.21035378.01078.023434cm Kg L D J s ⋅=⨯⨯⨯=⨯=--
3.3.4工作台等效转动惯量
)(6333.08
.91000
)25.0()2(
2220cm kg M L J G ⋅=⨯==ππ 3.3.5传动系统总的转动惯量
G S L D J J J J J +++=∑
6333.02113.21895.07.4+++=
).(64.72
cm kg =
3.4工作载荷分析及计算 3.
4.1铣削力的分析与计算
铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。

铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。

圆柱铣刀和端铣刀的且学部分都可看做车道到头的演变，铣刀的每一刀齿相当于一把车刀。

通常假定铣削时铣刀受到的铣削力是作用在刀尖的某点上。

设刀齿上受到切削力的合理为F ，将F 沿铣刀轴线、径向和切向经行分解，则分别为轴向铣削力 ，径向铣削力 和切向铣削力 。

其中切向铣削力 是沿铣刀主运动方向的分离，它消耗铣床电机功率（即铣削功率）最多。

根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》选铣刀。

根据最大铣刀直径Φ＝24mm ，最大铣削宽度mm a e 8=，最大铣削深度mm a p 5=选择莫氏锥柄立铣刀,铣刀材料为硬质合金，工件材料
为碳钢。

选取工进的最大速度为f V max =0.4mm/min ，选定铣刀转速min /400r n =，铣刀的齿数为 Z=5，则每齿进给量 f a =v/(zn)=400/(5*400)mm=0.2mm 。

因此铣削力z F 为：
13.013.073
.00
0.175.085.0605.1218.9∙∙∙∙∙∙∙∙=-n d Z a a a F p f e =13.013.073.00.175.085
.06040024552.08
5.1218.9⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯- =1958N
3.4.2进给工作台工作载荷计算
作用在工作台上的合力F '与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力F 大小相同，方向相反，合力F '就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷L F ，工作台横向进给方向载荷C F 和工作台垂直进给方向载荷V F 。

工作台工作载荷L F 、C F 和V F 与铣刀的切向铣削力z F 之间有一定的经验比值。

因此，求出z
F 后，即可计算出工作台的计算载荷L F 、C F 和V F 。

N F F z L 1664)90.080.0(=⨯-= N F F z C 695)40.035.0(=-= N F F z V 1478)80.075.0(=-=
z F z
F x
F y
F
3.5滚珠丝杠螺母副的选型和校核 3.5.1滚珠丝杠螺母副类型选择
G.GD 系列滚珠丝杠副
选用内循环，垫片式预紧方式的滚珠丝杠螺母副。

预选G .GD 系列的2005-3丝杠。

3.5.2滚珠丝杠螺母副的校核 3.5.2.1最大工作载荷
滚珠丝杠上的工作载荷 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫
进给牵引力。

它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。

综合导轨的工作载荷)(G F f KF F V L m +'+=，式中：L F ，V F ，C F 分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N ）；G 为移动部件的重力（N ）；K 和'f 分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，随导轨形式的不同。

对于综合导轨15.1=K ，如果是滚动导轨时，005.0~0025.0='f ，现取004.0='f 因此有，
)(N F m
)
(51.1923)10001478(004.0166415.1)
(`N G F f KF F V L m =+⨯+⨯=++=
3.5.2.2 最大动负载C 的计算及主要尺寸初选
滚动丝杠最大动载荷C 可用下式计算：m m F f L C 3=，式中：L 为工作寿命，单位为r 610，
610/60nt L =；n 为丝杠转速min)/(r ，0/1000L v n =；v 为最大切削力条件下的进给速度
m in)
/(m ，0L 为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t 为额定使用寿命（h ），可取t=15000h ；m f 为运转状态系数，无冲击取1~1.2，一般情况取1.2~1.5，有冲击振动取1.5~2.5；m F 为滚珠丝杠工作载荷（N ）。

初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的个定动载荷a C 不得小于最大动载荷C ；C C a >。

其中：
0/1000L v n =，h t 15000=，min /4.0m v =
那么，
其中，1.1=m f
因为C KN C a >=117.9，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。

3.5.2.3传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率η为
%62.95)
01393(393)('0'
0='+=+=tg tg tg tg ϕλλη
3.5.2.4刚度验算
滚珠丝杠计算满载时拉压形量1δ
)
10(8.376r =15000
4260⨯⨯=6
10/60nt L =)
(245.9117N =51
.19231.1803⨯⨯=m
m F f L C 3=
mm EA L F m 00471.06562
.593106.20300
51.19234
1=⨯⨯⨯±=±
=δ 其中L 取300mm ，Mpa E 4106.20⨯=，22
26562.593)2
5.27(
14.3)2
(mm d
A =⨯==π 滚珠与螺纹滚道间的接触变形2δ
mm Z F D F YJ w m
0055.0681
43.65351
.19230013.00013
.02
3
3
22=⨯⨯⨯
==∑
δ
其中：kgf N F m 28.19651.1923==，5.2=w D ，
kgf N N F F m YJ 43.6517.64151.19233
1
31==⨯==
，4.283)3/3014.3(3)/(=-⨯=-=w m D d Z π，681)33(44.28≈+⨯⨯=⨯⨯=∑列数圈数Z Z
滚珠丝杠副刚度验算：
丝杠的总变形量21δδδ+=应小于允许的变形量。

一般δ不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。

或者，由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它晓。

否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。

机床的定位精度为0.04mm ，mm mm 01.00102.00055.000471.021≈=+=+=δδδ。

因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。

3.5.2.5压杆稳定性验算
滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。

失稳时的载荷载荷K F 为
其中，0.2=z f （丝杠承载方式系数，选用一端固定，一端简支方式），I 为截面惯量距，
mm mm d I 53.2805964/5.2764/44
1=⨯==ππ
临界载荷K F 与丝杠工作载荷m F 之比称为稳定性安全系数k n ，如果k n 大于需用稳定安全系数
[]k n ，则该滚珠丝杠就不会失稳。

因此，滚珠丝杠的压杆稳定条件为：
N
403334=2
430053.28059106.2014.32⨯⨯⨯⨯=
2
L EI
f F z K π=
[]k m K k n F F n >===
69.20951
.1923403334
因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。

3.6导轨的选型和计算
初选GDA20滚动导轨，额定动载荷KN C a 4.12=。

滚动导轨副的距离寿命L 的计算：
当导轨面的硬度为58~64HRC 时，0.1=H f ；当工作温度不超过100°C 时，1=T f ；c f 为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时81.0=c f ；w f 为载荷/速度系数，无冲击振动，5.1~1=w f ，取1.3；F 为每个滑块上的工作载荷，N G F F v 5.6194
1000
14784=+=+=
因此选用的导轨满足要求。

3.7驱动电机的选择
3.7.1步距角的选择
查表初选步距角步/75.0︒=b θ
3.7.2步进电机输出转矩的选择 3.7.2.1空载启动力矩
（1） 加速度力矩
min /625360
01.075
.03000360max max r v n p b =⨯⨯==
δθ
)(64.72cm kg J ⋅=∑
运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间s t 2.0=
2max
10602-∑
⨯=t
n J M ka π 2102
.060625
14.3264.7-⨯⨯⨯⨯⨯
=
cm N ⋅=99.24
km
km 5097>=3
33.181.0115.619104.1250⎪⎪⎭⎫
⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯=3
50⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=W C T H a f f f f F C L
(2) 空载摩擦力矩
)(40.01
8.014.325
.0004.0100020cm N i L f G M Kf
⋅=⨯⨯⨯⨯⨯='=πη 式中，G 为移动部件的总重量（N ）；f '为导轨摩擦系数；i 为齿轮传动降速比；η为传动系数总效率；0L 为滚珠丝杠的基本导程（cm ）。

（3） 附加摩擦力距
)N (22.6)95.01(1
8.014.325.017.641)1(222
000cm i L F M YJ ⋅=-⨯⨯⨯⨯=-=
ηπη 式中，YJ F 为滚珠丝杠预加载荷，即预紧力，一般取的m F 的31；m F 为进给牵引力（N ）；0η为滚珠丝杠未预紧时的传动效率。

（4） 空载启动转矩计算
)(61.3122.640.099.240cm N M M M M kf ka kq ⋅=++=++=
按照计算出的空载启动转矩，查表2-17得出最大静转矩
)(24.33951
.061
.31707
.01max cm N M M kq j ⋅==
=
3.7.2.2 带负载启动时的总负载转矩fq M
（1） 加速度力矩
min /3.83360
01.075
.0400360max max r v n p b =⨯⨯==
δθ
)(64.72cm kg J ⋅=∑
运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间s t 5.0=
2max
10602-∑
⨯=t
n J M ka π 2105
.0603
.8314.3264.7-⨯⨯⨯⨯⨯
=
cm N ⋅=34.1
（2） 空载摩擦力矩 )(40.0cm N M Kf ⋅= （3） 附加摩擦力距 )N (22.60cm M ⋅=
（4） 作用在工作台的合理折算到电机上的转矩F M '
)(43.1911
8.025
.051.192320cm N i L F M F ⋅=⨯⨯⨯⨯='='
ππη （5） 带负载启动时的总负载转矩
)(39.19943.19122.640.034.10cm N M M M M M F kf ka fq ⋅=+++=+++='
运动部件正常运行时所需的最大静转矩)(78.3985
.039
.1995
.02max cm N M M fq j ⋅==
=
3.7.2.3按照1m a x j M 和2max j M 中的较大者选取步进电机的最大静转矩m a x j M ，并要求
{})(9878.3)(78.398,max 2max 2max 1max max m N cm N M M M M j j j j ⋅=⋅==≥， 2max max 31.9j j M m N M >>⋅=，因此选用130BF001步进电机可以符合要求。

3.7.3距频特性校核 3.7.3.1启动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量
∑⋅=2
64.7cm
kg J ，电动机转子的转动惯量
27.4cm kg J m ⋅=，
电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率Z q H f 3000=。

由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：
Z m
q
L H J J f f 85.18517
.4/64.713000/1=+=
+=
∑
说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于Z H 85.1851。

实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低， 3.7.3.2 运行矩频特性校核 (1) 快进运行距频特性校核
最高运行频率Hz v f p 500001
.0603
1000601000max max =⨯⨯==
δ
快进力矩)(62.622.640.00cm N M M M Kf KJ ⋅=+=+= 查130BF001的运行距频特性，KJ M 所对应的运行距频大于5000Hz
(2) 工进运行距频特性校核
工进时步进电机的运行频率Hz v f p G GJ 66601
.06040
.010********=⨯⨯==
δ
摩擦力矩)(986.01
8.014.325
.0)10001478(004.02)(0cm N i L G F f M v f ⋅=⨯⨯⨯⨯+⨯=+'=
πη
工作负载力矩折算到电机上的力矩)(605.1658
.014.325
.0166420cm N i L F M t t ⋅=⨯⨯⨯==
πη 工进时电机运行力矩)(81.172605.165986.022.60cm N M M M M t f G J ⋅=++=++= 查130BF001的运行距频特性，Hz f G Y 666= <yGT f (允许工进频率)。

3.7.4验算惯量匹配
电动机轴上的总当量负载转矩惯量与电机轴自身转动惯量的比值应该控制在一定的范围内，既不应太大，也不应太少，即伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件的变化而引起的负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。

如果该比值太小，说明电动机选择或传动比设计不太合理，经济性较差。

为使该系统惯量达到较合理的匹配，一般应将比值控制在
1~4
1
之间。

)(7.42cm Kg J m ⋅=
)(034.36333.01895.02113.22cm Kg J J J J G L s d ⋅=++=++=
6455.07
.4034.3==m d J J 由此可见，
141<<m
d
J J ，符合惯量匹配要求。

经过以上讨论，选用130BF001步进电动机可以满足要求。

由于Y 方向与X 方向的要求相差不多，可以选用同样的丝杠，导轨，电机
第四章数控系统设计
4.1控制系统硬件的基本组成
4.1.1数控系统的硬件框图如下所示：
4.1.2微处理器选择
在以单片机为核心的控制系统中，大多数采用MCS-51系列单片机的8031芯片，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统。

8031内部包含一个8位CPU，128字节的RAM，两个16位的定时器，四个8位并行口，一个全双工串行口，可扩展的程序和数据存储器各64K，有5个中断源。

4.1.3系统扩展
系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示器，它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统需要进行系统扩展。

可编程并行接口8155A是一种应用广泛的并行接口扩展器件。

它具有三个8位并行口PA、PB、PC，由此提供了24条口线。

U 1 8031
U 7 8155
P0.4P0.5P0.7P0.6P0.2P0.3P0.1P0.0ALE AD 4AD 5AD 7AD 6AD 2AD 3AD 1ALE RD WR
AD 0P3.7RD
P3.6WR
IO/M
P2.8
图4-1 扩展连线
4.1.4显示模块与键盘连接
如图3-2，通过P1口及译码器的键盘和显示接口电路。

这里由P1口的准双向口功能可以实现一口多用。

首先，使P1口的低4位输出字形代码；P1口的高4位输出一个位扫描字，经3—8译码器后显示某一位，并持续1ms 。

各位扫描一遍之后，关掉显示。

其次，使P1口的高4位转为输入方式，使P1口的低4位输出键扫描信号，有键按下时，转入键译码和处理程序。

图3—2 通过P1口及译码器的键盘和显示接口电路
4.1.5步进电机驱动电路设计 (1）脉冲分配器
步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。

数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。

本设计的脉冲分配由软件完成。

（2）光电隔离电路
在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。

如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。

因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。

（3）功率放大器
脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。

因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。

本设计选用功率放大器。

4.2接口程序初始化及步进电机控制程序
4.2.1 8255A初始化程序
INTT: MOV DX, 8155A控制端口
MOV AL, 86H
OUT DX, AL
MOV AL, 05H
OUT DX, AL
4.2.2 40H类型中断服务程序
MOV DX, 8155A
IN AL, DX
IRET
4.2.3 步进电机驱动程序
4.2.4.1 电机的控制电路原理及控制字
设电机总的运行步数放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1（D5）中，当F1为0时，电机正转，为1时则反转。

正转时P1端口的输出控制字00H,01H,03H,02H,06H,07H,05H,04H,0CH,0DH存放在片内数据存储单元20H~29H中，2AH中存放结束标志00H，在2BH~36H的存储单元内反转时P1端口的输出控制字00H,0DH,0CH,04H,05H,07H,06H,02H,03H,01H,00H存放在37H单元内存放结束标志00H。

4.2.4.2电机正反转及转速控制程序
PUSH A ；保护现场
MOV R4, #N ；设步长计数器
CLR C；
ORL C, D5H ；转向标志为1转移
JC ROTE；
MOV R0, #20 ；正转控制字首址指针
AJMP LOOP；
ROTE: MOV R0, #2BH ；反转控制字首地址
LOOP: MOV A, @R0 ；
MOV P1, A ；输出控制字
ACALL DELAY ；延时
INC R0 ；指针加1
MOV A, #00H ；
ORL A, @R0 ；
JZ TRL；
LOOP1: DJNZ R4, LOOP ；步数步为0转移
POP A ；恢复现场
RET；；返回
TPL: MOV A, R0 ；
CLR A；
SUBB A, #06H；
MOV R0, A ；恢复控制字首指针
AJMP LOOP1；
DELAY: MOV R2, #M ；
DELAY1: MOV A, #M1 ；
LOOP: DEC A；
JNZ LOOP；
DJNZ R2, DELAY1；
RET；
4.3直线圆弧插补程序设计
在机电设备中，执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。

在数控机床中，这是由X 、Y 两个方向运动的工作台，按照插补控制原理实现的。

4.3.1直线插补程序的设计
4.3.1.1用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步，都需要以下四个步骤：
偏差判别：判别偏差0≥m F 或0<m F ，从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算公式。

坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X 、+Y 、-X 、-Y 的哪个方向进给。

偏差计算：进给一步后，计算新的加工偏差。

终点判别：进给一步后，终点计算器减1.若为0，表示到达终点停止插补；不为0，则返回到第一步继续插补。

终点计算判别可用两个方向坐标值来判断，也可由一个方向的坐标值来判断。

当
e e Y X >，可用X 方向走的总步数e X 作为终点判别的依据，如动点X 等于终点e X 则停止。

当e e Y X <，则用Y 方向走的总步数e Y 作为终点判别的依据。

由此，第一象限直线插补程序的算法如图：
4.3.1.2程序设计
设计程序时，在RAM 数据区分别存放终点坐标值e X 、e Y ，动点坐标值X,Y ，偏差m F 。

对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求。

此外，所有的数据区必须进行初始化，如设置初始值、X 、Y 向步进电机初态（控制字）。

插补程序所用的内存单元如下：
电机正反转控制字为：
D1D0为X向电机控制位。

D0=1运行，D0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。

D2D3为Y向电机控制位。

D2=1运行，D2=0停止；D3=1正转，D3=0反转。

第一象限直线插补的程序如下：
ORG 2000H
MIAN: MOV SP, #60H;
X
LP4: MOV 28H,#0C8H;
e
Y
MOV 29H,#0C8H;
e
MOV 2AH,#00H; X
MOV 2BH,#00H; Y
MOV 2EH,#00H; F
MOV 70H,#0AH;
LP3: MOV A,2EH;
JB ACC.7,LP1
MOV A,70H
SETB ACC.0
CLR ACC.2
MOV 70H,A;
LCALL MOTR;
LCALL DELAY;
MOV A,2EH;
SUBB A,29;
INC 2AH;
AJMP LP2;
LP1: MOV A,70H
STEB ACC.2
CLR ACC.0
LCALL MOTR
LCALL DELAY
MOV A,2EH
ADD A,28H
LP2: MOV 2EH,A
MOV A,28H
CJME A,2AH,LP3
RET
程序中MOTR为步进电机的控制子程序。

4.3.2 圆弧插补程序的设计
4.3.2.1逐点比较法
逐点比较法的圆弧的插补计算过程和直线插补过程基本相同，也分为偏差判别、坐标进给、偏
差计算和终点判别四个步骤。

不同点在于：（1）偏差计算公式步进与前一点偏差有关，还与前一点的坐标有关，在计算偏差的同时要进行坐标计算。

（2）终点的判别是以一个方向的坐标值与终点坐标值相比较判断其是否相等为判据。

若e e Y X <，则以X 是否等于e X 作为终点判据；若e e Y X ≥，则以Y 是否等于e Y 作为终点判据。

第一象限逆圆弧插补程序算法如图：
4.3.2.2 程序设计
和直线插补程序设计一样，也在内存中开辟存储单元用以存放有关数据。

在RAM 数据区分别存放懂点坐标X 和Y ，其初始值为起点坐标值，其后依据坐标计算结果而变化，存放终点坐标值e X ，
e Y 以及存放偏差m F 飞存储单元。

第一象限逆圆弧插补程序如下：
XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H e X L EQU 1AH e X H EQU 1BH e Y L EQU 2AH e Y H EQU 2BH
FL EQU 2CH
FH EQU 2DH
ORG 2400H
MAIN: MOV SP ,#60H;
MOV 70H,#08H;
MOV XL,#80H;XL
MOV XH,#0CH;XH
MOV e Y L,#80H; e Y L
MOV e Y H,#0CH; e Y H
MOV e X L,#00H; e X L
MOV e X H,#00H; e X H
MOV YL,#00H; YL
MOV YH,#00H; YH
MOV FL,#00H; FL
MOV FH,#00H; FH
LP3: MOV A,FH
JNB ACC.7,LP1
MOV A,70H
SETB ACC.2
CLR ACC.0
LCALL MOTR
MOV R1,#28H
MOV R0,#1CH
MOV R7,#02H
LCALL MULT2
ADD: CLR C
MOV A,FL
ADDC A,1CH
MOV FL,A
MOV A,FH
ADDC A,1DH
MOV FH,A
CLR C
MOV A,YL
ADD A,#01H
MOV 28H,A
MOV A,YH
ADDC A,#OOH
MOV YH,A
CLR C
MOV A,FL
ADD A,#01H
MOV FL,A
MOV A,FL
ADDC A,#00H
MOV FH,A
AJMP LP2
LP1: MOV A,70H
SETB ACC.0
MOV 70H,A
LCALL MOTR
MOV R1,#18H
MOV R0,#1CH
MOV R7,#02H
LCALL MULT2 SUB: CLR C
MOV A,FL
SUBB A,1CH
MOV FL,A
MOV A,FL
SUBB A,1DH
MOV FH,A
CLR C
MOV A,XL
SUBB A,#01H
MOV XL,A
MOV A,XH
SUBB A,#00H
MOV XH,A
CLR C
MOV A,FL
ADD A,#01H
MOV FL,A
MOV A,FL
ADDC A,#00H
MOV FH,A
LP2: MOV A,YH
Y H, LP3A
CJNE A,
e
MOV A,YL
Y L, LP3A
CJNE A,
e
LP3A: AJMP LP3
ORG 2500H MULT2:PUSH PSW
PUSH A
PUSH B
CLR C
MOV R2,#00H SH1: MOV A,@R1
MOV B,#02H
MUL AB
POP PSW
ADDC A,R2
MOV @R0,A
INC R0
INC R1
DJNZ R7,SH1
POP B
POP PSW
RET
参考文献
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[2] 机械制造技术基础吉林大学于骏一邹青
[3] 机械制造装备设计（第二版）大连理工大学冯辛安
[4] 画法几何与机械制图机械类近机类冯开平左宗义
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[6] 机械制造技术基础课程设计指导教程邹青
[7] 单片机中级教程——原理与应用北京航空航天大学出版社张俊谟
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[9] 实用机床设计手册
[10] 机械设计手册
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