二维步进单片机控制工作台控制系统设计Word文件下载.docx

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关键词：

工作台；

步进电机；

单片机

Abstract

Nowadays,Theworkbenchiseasytooperate,theprecisionishigh,anditcanmeetthegenerallyproductiondemand.Justbecauseofthis,soitiswidelyused.

Mainresearchofthispaperisthatthepartofcontrolofthetwo-dimensionsteppingsingle-chipmicrocomputercontrolworkbench.Themaintaskistorealizetwosteppingmotor’srotatingpositiveandnegativelyandcontrolofpacewithsingle-chipmicrocomputer.Therunningstepsareinputbykeyboardinthiscontrolsystem,displayedbytheLEDtube.Thesignalistransformedbysingle-chipmicrocomputer.ThesignalLoopallotterisachievedbysoftware.ThephotoelectricityseclusionisachievedbyElectro-opticaldisconnector.Thesignalisenlargedbypower 

Amplifier.Thenthesignalcanrunthesteppingmotor.Thesystem’sruniscontrolledbyfunctionalkeys.Steppingmotorwillruntothegivenstepsifthe“start”keyispressed.Meanwhile,steppingmotorwillstopifthe“stop”keyispressed.Therearelimitswitchesonthetwoheadsoftheworkbench,iftheworkbenchgobeyondtheterminalposition,thelimitswitchisoff,thesteppingmotorwillbestopatonce,andthebuzzerscream.

Keywordsworkbenchsteppingmotorsingle-chipmicrocomputer

1绪论

1.1课题研究的背景

当今社会，随着科技的发展，工作台的应用越来越广泛。

现在的工作台广泛用于焊接，点胶，打孔，包装，取料等各类精密位置控制设备的应用等。

人们对工作台的研究从来没有停止过。

为了满足不同的要求，出现了各式各样的工作台。

例如，用于普通画线用的二维工作台，具有防静电功能的防静电工作台，还有回转工作台可用于分度，用于高精度的加工的纳米微动工作台等。

随着人类的进步，越来越多并且越来越好的工作台将会被制造出来，来满足生产发展的需求。

1.2工作台的发展现状与方向

（1）纳米级微动工作台的研究现状及发展趋势

纳米级微动工作台为从事纳米科学技术研究提供一维、二维或三维的纳米级微运动，是纳米科学技术研究应必备的关键仪器设备。

现代纳米科学技术的快速发展对微动工作台提出了迫切的更高要求，即在提供大范围运动的前提下，还应具有纳米级的运动精度。

在为纳米科学技术研究提供小范围纳米级精度的微运动时，最常见的是以压电陶瓷PZT作为驱动部件的柔性铰链机构微动工作台，要为纳米科学技术研究提供大范围纳米级精度的微运动时，柔性铰链机构、压电堆、丝杆滑动机构和气浮微动工作台等却都不能满足要求，它们不能同时实现纳米级运动精度和大运动范围。

磁悬浮微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触的磁悬浮驱动技术，因此，易于实现大范围纳米级微运动，并且消除了摩擦、磨损对运动精度造成的影响。

①纳米级微动工作台的研究现状：

I.柔性铰链式微动工作台

柔性铰链微动机构是近年来发展起来的一种新型的微位移机构。

它的特点是结构紧凑、体积很小，可以做到无机械摩擦、无间隙，具有较高的位移分辨率，可达1nm。

使用压电或电致伸缩器件驱动，可以实现亚微米甚至是纳米级的精度，同时不产生噪音和发热，可适于各种介质环境工作，是精密机械中理想的微位移机构。

已在航空、宇航、微电子工业部门、精密测量和生物工程领域获得重要的应用。

由于它的出现,开创了精度进入纳米的新时代。

II.滚动导轨式微动工作台

滚动导轨也是微动工作台中一种常见的导轨形式，它具有行程大,运动灵活、结构简单、工艺性好、容易实现较高的定位精度的优点，采用滚珠导轨作为微动工作台的支承和导向元件，直流伺服电机传动、实现了对自动分步重复光刻机的微定位控制。

III.磁悬浮式微动工作台

磁悬浮式微动工作台由于运动平台和驱动机构采用非接触式的磁悬浮驱动技术，因此没有摩擦力和机械部件的磨损，易于实现高精度、大范围的要求。

②纳米级微动工作台发展趋势及需要解决的问题

大范围、高精度是纳米科技对微动工作台提出的新要求，然而大行程和高精度是微动技术中的一对矛盾。

因此微动工作台的未来研究方向应围绕如何解决这一对矛盾展开。

I.多种微运动相结合技术:

结合多种微动方法以弥补各自的不足仍然是解决以上问题的主要办法，比如在现有研究已经成熟的各种微动工作台基础上，妥善解决好其中两种或者多种微动工作台间的兼容性，解决好机械结构间的装配误差、多种平台间的定位误差，采用粗动和微动相结合的方法，粗动台用以完成快速大范围，微动工作台实现高精度，也就是说通过微动工作台对粗动工作台由于运动所带来的误差进行精度补偿，以此实现大范围、高精度的要求。

II.新型纳米级微动工作台的研究：

运动方向间的交叉耦合严重影响纳米微动工作台的定位精度，因此需进一步研究运动导向结构，从运动原理上有效地消除运动方向间的交叉耦合产生的定位误差，提高纳米级微动工作台的定位精度。

III.改进控制策略，如采用建立迟滞和蠕变数学模型进行开环控制来避免因反馈而可能引起的不稳定问题,采用自适应控制消除建模的误差和参数的不确定性及系统环境的变化等因数对系统精度的影响，提高系统的鲁棒性。

采用模糊控制、神经元网络控制等方法改善系统的非线性和不确定性。

IV.磁悬浮微动工作台性能的进一步提高：

在现有磁悬浮微动工作台基础上，充分考虑磁滞非线性、磁饱和以及高次谐波对系统精度的影响，解决运动控制和定位技术，从而实现纳米级精度的大范围运动。

随着微米、纳米科学技术的不断发展，纳米级微动工作台的研究正日益受到国内外的重视。

但因受到机械加工精度、控制精度和机构复杂性等技术水平的制约，其精度和运动范围还受到一定影响，随着对微动工作台的深入研究,结构合理、高精度和高分辨率的微动工作台必将不断问世。

（2）旋转升降式工作台的发展趋势

多种多样的升降工作台有着广泛的应用领域。

许多工业企业除了在生产线上或生产线外使用升降工作台以外，往往还利用升降工作台来运送较大的工件。

例如在物资入库的时候，人们可以利用升降工作台首先将成批的钢材运送到指定的货架处，然后再存放到货架的不同规格格层中或者在室外，将工作台升降到合适的工作高度或者将单臂吊之类的起重设备运送到室外让它在室外工作等等。

在2002年的汉诺威博览会上，BolzoniAuramo有限责任公司推出他们开发生产的移动式升降工作台。

该公司的设计师们设计的升降工作台带有运动装置使升降的物体重通过运动设备的轮子传递到地面，从而可以使升降工作台在任何器要它的地点发挥作用。

这种移动式的结构设计也可“移植”到超薄型升降工作台的设计中。

尤其是在汽车制造业中使用更为频繁。

这种升降工作台不需要液压驱动系统，几乎不需要维护保养。

早在20年前,Flexlift公司就研制开发出了机械式升降工作台。

但是在今天机电一体化驱动技术取得了重大进步之后,才使机械式升降工作台也有了较大的发展。

1.3本课题研究的范围和意义

本课题研究的是X-Y工作台的控制部分，主要的任务就是通过单片机实现对两个步进电机的控制。

包括速度，转向等的控制。

采用并行控制方式。

通过键盘可以输入控制的运行步数，电机的正反转，运行出错时候可以急停键停止，还有其他的一些操作等都可以通过键盘实现。

本系统的显示功能是利用8位的数码管实现运行步数的显示，在工作台运行超过极限位置时候，安装在工作台两端的行程开关会被按下，产生电流信号，通过光电转换装置，向单片机发出信号，经单片机发出信号，蜂鸣器报警，报警的同时，电机停止转动。

通过本课题的学习与研究，使我了解工作台的工作原理，知道了单片机的发展与简单的应用，对步进电机的结构，工作原理有了更进一步的理解。

使我认识了很多的电子元件，懂得了许多的控制方面的知识。

1.4步进电机的发展现状

步进电机最早是在20年代由英国人所开发。

20年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。

往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。

在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

（1）步进电机的分类

步进电机依其构造上的差异可分为三大类：

①可变磁阻式（VR型）：

转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。

其步进角通常为15°

。

②永久磁铁式（PM型）：

转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。

依转子材质区分，其步进角有45°

、90°

及7.5°

、11.25°

、15°

、18°

等几种。

③混和式（HB型）：

转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，兼有可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。

（2）步进电机的历史

步进电机在我国已有几十余年的生产史，近几年，大规模集成电路及计算机技术的发展，进一步推动了步进电机的技术进步和广泛应用，据统计，全世界步进电机的年产量已达一亿多台，市场销售量占世界微电机销售总量的５～８%左右。

步进电机的发展依赖计算机外设和办公自动化机械的发展。

我国计算机工业虽然起步晚，但经过三十年的努力，已经初具规模。

我国早在六十年代中期开始致力于步进电机的研究和开发，直到20世纪80年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是80年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存