《机电一体化系统设计》课程设计指导书双坐标十字滑台设计及控制.docx
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《机电一体化系统设计》课程设计指导书双坐标十字滑台设计及控制
《机电一体化系统设计》课
课程设计指导书
双坐标十字滑台设计及控制
前言
本课程设计指导书是根据长春工业大学机电工程学院2003年最新修订的专业课程教学大纲并结合本专业实际教学情况而编写的，根据《机电一体化系统设计》这门专业课，配套的本课程设计的基本要求、主要内容及相关技术资料。
本课程设计指导书包括课程设计内容、设计要求和有关设计步骤，尽可能使学生对于本课程设计有一个清晰的思路。
由于篇幅的限制，为避免重复，对于本课程相关教材中已有详细叙述的基本理论知识，本指导书仅做概要提示，具体内容请参考相关教材。
另外，本指导书后附有关设计资料，供同学参考。
希望同学们在课程设计之前，一定要通读本指导书，做好预习，避免设计中的盲目。
同时在课程设计过程中，提倡大家在独立思考的前提下，互相探讨，积极钻研，勇于提出创新的见解和方案。
对书中不足之处，敬请提出宝贵意见。
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学院教学院长（签字）：
年月日
系主任（签字）：
年月日
执笔人（签字）：
年月日
前言………………………………………………………………1
第一章绪论…………………………………………………3
§1-1课程设计的目的和要求………………………………3
§1-2课程设计的实施规则…………………………………3
§1-3课程设计过程及方式…………………………………5
§1-4时间安排及考核方法…………………………………7
第二章课程设计内容………………………………………10
§2-1设计方案的确定………………………………………10
§2-2本次设计的主要内容……………………………………11
§2-3设计步骤…………………………………………………11
§2-3-1总体设计方案的选择及确定…………………………12
§2-3-2硬件设计………………………………………………12
§2-3-3软件设计………………………………………………13
附录……………………………………………………………22
第一章绪论
§1--1课程设计的目的和要求
1、课程设计的目的
课程设计是重要的教学环节之一，是学生将课堂教学知识用于实践的有效途径。
本次课程设计的核心目的是：
通过对数控十字滑台控制部分的设计，使学生能够综合运用自己学过的微机原理及其接口技术、数控技术等专业课程知识，初步掌握单片机控制系统的设计原理、设计过程及应用，为后续的毕业设计与参加工作后的科研设计工作打下坚实基础。
2、本次设计的要求
1.加深理解和掌握《机电一体化系统设计》这门专业课程的基本知识，提高学生综合运用所学知识的能力。
2.培养学生根据设计课题的需要，选用参考书、查阅有关工程手册的技术数据、图表和文献资料的能力，提高学生独立解决工程实际问题的能力。
3.设计方案的分析和比较、设计计算、元器件选择及电路设计等环节，初步掌握对有一定应用价值的小规模电路的设计方法。
4.学会对简单实用电路的设计方法，提高学生的设计能力。
5.了解与课题有关的电路以及元器件的工程设计规范，整理相关资料，按设计任务书的要求编写设计说明书和设计报告，正确反映设计和设计报告，正确绘制电气原理图和编制程序等。
6.通过课程设计实践，帮助学生逐步建立正确的生产观点、经济观点、全局观点和安全用电和节约用电的观点。
7.初步掌握有关工程设计的方法、步骤，逐步熟悉开展技术设计的基本程序，为以后参与设计及研制新产品打下初步基础。
§1-2课程设计的实施规则
一、课程设计计划的制订
根据教学计划和本课程教学大纲的要求，结合具体情况提前制定本学期课程设计计划，完成与本课程设计有关的教学文件。
主要包括：
课程设计的时间、场地、人员分组等的安排，课程设计的纪律要求及其他注意事项，课程设计指导书的编写，课程设计任务书的制定等，课程设计前要将课程设计指导书和课程设计任务书发给每个学生，要求学生提前做好预习。
二、课程设计指导教师的安排
1．各专业课程设计的指导教师，应有一名组长负责。
组长应该由对该课程理论和实践教学都十分熟悉的教师担任。
课程设计开始前，组长必须安排提前做好与本次课程设计的相关准备工作。
2．安排课程设计指导教师时，每班至少安排一名正在承担或己承担过该课程理论课教学的教师带学生的课程设计，不得安排与实习课程无关的教师进行指导。
在学生课程设计前，指导教师必须做课程设计的全面动员工作，并做好对学生进行课程设计的任务要求、时间场地安排及纪律方面的教育。
3．指导教师在指导课程设计的过程中，要认真向学生讲解课程设计的设计内容、要求、主要设计参数和设计过程，认真做好设计指导工作。
三、课程设计的纪律要求
1．课程设计一般不允许学生请假，确因特殊情况需要请假，须事先经指导教师和主管教学院长批准，报教务处备案，并安排补做。
2．课程设计期间，必须严格遵守作息制度，不得迟到、早退；有事必须向指导教师请假，不得擅自离开。
3．课程设计期间缺席三分之一者，不予评定实习成绩，视其具体情况，决定是否给予补做的机会。
四、课程设计成绩的评定
1．课程设计结束时，学生要按照课程设计任务书的要求，认真撰写课程设计报告。
2．课程设计的考核是课程设计报告的评阅、口试（答辩）和平时检查几方面的综合评定。
3．指导教师根据学生在课程设计过程中的综合表现（思想表现，学习态度，团结互助以及遵守纪律等）、实际动手能力及课程设计报告，按优秀、良好、中等、及格、不及格五级评分制评定实习成绩。
4．无故不按时交课程设计报告的学生，其成绩按不及格计。
课程设计成绩不及格者，按《长春工业大学本科生学籍管理办法》的有关规定处理。
五、课程设计的总结工作.
课程设计结束后，应该对课程设计全过程进行全面总结，组织指导教师和学生进行交流，并形成书面材料向学院汇报，不断总结课程设计工作经验，不断提高课程设计教学质量。
、
§1-3课程设计的过程及方式
一、课程设计的过程
本课程设计分指导教师讲解和同学们独立设计两个过程。
指导教师讲解内容包括：
（1）讲解本课程设计的目的及意义。
（2）讲解本课程设计的内容与要求。
（3）分组，布置设计任务书
（4）介绍设计步骤和重点设计环节。
（5）说明本课程设计时间安排、纪律要求及考核方法。
除了指导教师讲授以上的内容外，其它时间由学生自己按要求独立完成课程设计，指导教师进行有针对性的辅导，随时解答学生们的疑问，及时处理设计中遇到的问题。
二、课程设计方式
为了提高效率、讲求实效、取得预期的收获，课程设计按以下方式进行。
（一）设计前预习
预习是课程设计前的重要准备工作，是保证课程设计顺利进行的必要步骤，也是培养学生独立工作能力、提高课程设计质量与效率的重要环节，要求做到：
1．学习相关课程的内容，熟悉有关理论知识。
2．认真阅读本指导书，了解课程设计的内容、方法、步骤及要求。
3．查找和借阅有关设计资料和技术手册。
4．预习期间进行学生分组，每组6人，安排组长1人，组内明确任务、合理分工，预习需人人进行，组长负责检查。
设计前每组应就有关设计内容进行讨论，做到心中有数，同时上交预习报告一份
（二）设计进行
整个课程设计过程中必须严肃认真，集中精力按时完成工作。
1．预习检查、严格把关
本课程设计开始前应由指导教师检查预习质量（包括对本课程设计的理解、认识及预习报告），当确认已做好了课程设计前的准备工作方可开始设计，对于因没有预习而对本次设计的目的、内容、方法、要求了解很差的同学，应拒绝其参加设计。
2．独立设计，协调工作
本课程设计要求每名同学独立完成，同时也提倡同学之间积极讨论，大胆提出新思路、新见解，对于设计中采用创新的设计方法、设计电路及新型元器件的同学，在最后评定成绩时从优掌握。
3．认真负责、按时完成
（三）设计报告
设计报告是课程设计工作的最后成果和总结提高，是课程设计的重要环节，也是对学生分析、归纳等工作能力的进一步培养和锻炼，因此必须独立书写，每人一份，应按照设计任务书的要求和相关设计步骤，完成详细设计设计过程，包括方案论证、参数计算及元器件选择等，最后写出心得体会，以便积累一定的实际设计经验。
撰写设计报告应具有严肃认真的态度，报告要求条理清楚、简明扼要，字迹端正、图表规范，分析认真、结论明确。
课程设计报告内容应主要包括以下几方面：
1．课程设计名称、专业、班级、组别、姓名、学号、设计日期。
2．设计目的和要求。
3．根据设计任务书，进行方案论证。
4．写出详细的设计过程，包括相关参数计算及元器件选择等。
5．按照工程绘图标准，绘制系统的电气原理图，列出元器件明细表。
6．分析讨论设计过程中遇到的问题，写出心得体会以及合理化建议和改进措施。
§1-4课程设计的时间安排及考核方法
一、课程设计的时间安排
根据本机电专业的教学计划，其课程设计的时间为二周。
整个课程设计过程可分为四个阶段：
1．设计、计算阶段（约占设计学时的40%）
2．制图阶段（约占设计学时的40%）
3．总结报告阶段（约占设计学时的15%）
4．考核阶段（约占设计学时的5%）
具体时间安排如下：
时间
内容安排
周一
上午
课程设计动员、讲解设计内容、步骤、
要求及注意事项，并进行学生分组
下午
熟悉设计题目，查找资料，方案论证
周二～周四
根据课程设计任务书的要求，按步
骤认真完成课程设计的各部分内容
周五
上午
设计总结，完成设计报告
下午
考核（答辩）
二、课程设计的考核
在课程设计进行期间，指导教师每天都要对学生的出勤情况、学习态度及工作完成情况进行检查督促，并做好记录。
课程设计结束后，指导教师要组织对学生进行考核，根据学生在整个课程设计期间的纪律情况、工作态度，设计报告及图纸的质量并结合其基础知识掌握的情况（口试），综合确定学生的课程设计成绩（按五级评分制——优，良，中，及格，不及格计），无课程设计报告或无故不参加课程设计者成绩按不及格计，有缺勤、迟到、早退、违纪等情况酌情降低成绩。
每项考核内容占总成绩的分数如下：
考核内容
评分标准（100满分）
备注
设计方案的正确与合理性
10
90～100分为优
80～89分为良
70～79分为中
60～69分为及格
60分以下为不及格
系统参数计算的准确性
10
元器件选择的合理性
10
设计报告及图纸的完成质量
20
基础知识掌握情况（答辩）
20
出勤情况、学习态度
20
创新
10
§1--5本次设计的验收方式
设计验收采用答辩为主、设计说明书及代码清单评审为辅的方式进行。
学生首先进行答辩，自述设计情况（5分钟左右），指导教师根据学生的设计情况进行提问（5分钟左右），并结合学生的设计说明书和程序代码清单综合评定学生的最终成绩。
第二章设计任务及内容
§2--1本次设计的主要任务
1、单片机控制系统电路图一张，0号图纸；
2、G00功能实现程序代码一份，并根据分组情况实现G01或G02功能程序代码，要求完成程序代码清单及程序代码注释；
3、设计说明书一份，详细说明设计理论基础、实现方法及控制系统各个关键参数。
单片机应用系统的设计包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线调试、产品化等几个阶段，这几个阶段并不都是绝对划分的，有时也是交叉进行的。
图1描述了单片机应用程序的一般过程。
图1单片机应用系统研制过程
由图1所示的流程来看，单片机应用系统的研制过程是比较复杂的，在具体的设计运作过程中，主要涉及了总体设计、硬件设计、可靠性设计、保密性设计、软件设计等内容。
根据本次设计的具体情况，重点是主总体设计、硬件设计与软件设计的相关内容。
§2-2本次设计的主要内容
本次设计的核心内容为数控十字滑台设计数控编程及运动控制系统，具体有三个主要设计内容：
1、控制系统设计
设计以8051单片机系列芯片为扩展核心的控制系统设计，它是系统的整个控制核心，负责接收操作指令，并根据输入的指令控制步进电机的运动，是本次设计核心内容。
设计要求以8031芯片为核心，扩展程序存储器、数控存储器、键盘及显器示接口及其它并行控制接口，形成完整控制系统。
2、G00，G01，G02功能程序实现
G指令准备性工艺指令，是在数控系统中插补运算之前需要预先规定，为插补运算做好准备的工艺指令。
G功能指令代码从G00至G99共100种，本次设计着重完成前三种，即G00，G01和G02。
其中，G00为定点位、G01为直线插补、G02为顺时针方向圆弧插补。
设计要求使用MCS-51系列单片机汇编语言实现以直线与圆弧线补为核心的G功能。
3、步进电机驱动电路设计
步进电机驱动需要很大的电流控制，而由计算机及环形分配器送来的控制脉冲信号，一般为弱电信号，因此步进电机需要有功率放大电路以得到控制电机绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。
本次设计要求设计一种控制方便、调试容易、开关速度快及元件损耗小等优点的步进电机驱动电路。
§2-3设计步骤
1、总体设计方案的选择及确定。
2、设计方案论证后查阅资料。
3、对硬件系统的设计。
4、对软件系统的设计。
5、步进电机伺服系统设计。
6、插补原理及程序设计。
§2-3-1总体设计方案的选择及确定
单片机应用系统的研制是从确定的目标任务在开始的，在进行系统设计之前，必须根据系统的应用场合、工作环境、具体用途提出合理的、详尽的功能技术指标，对产品的可靠性、通用性、可维护性、先进性以及成本等进行综合考虑，使确定的技术指标合理，并符合国际标准。
在总体设计阶段，除了要确定功能技术指标这一关键性的内容外，还根据市场货源情况、印机、显示器等器件和设备、在总体设计阶段，应该对器件的选择提出具体规定。
总体设阶段最后的任务是权衡利弊，仔细划分出硬件和软件功能。
单片机应用系统的硬件配置与软件设计是紧密相关的，硬件与软件在功能上具有一定的互换性，如步进电机驱动所必须的环形分配器，即可以由数字逻辑电路硬件实现，也可以由软件来实现。
多使用硬件完成功能，可以增加工作速度、降低软件工作量，但是提高了硬件成本；多使用软件完成功能，不但可以降低硬件开支，还可心简化硬件结构，但增加了软件的复杂性。
因此在总体设计阶段，硬件与软件的功能划分是十分得要的。
§2-3-2硬件设计
MCS-51系列单片机应用系统硬件设计方案主要讨论程序存储器、数据存储与I/O接口、地址分配及总线驱动等内容。
1.程序存储器
一般情况下，片内不带有EPROM程序存储的单片机型（如8031等）比较适用于国内单内机应用系统开发，这种芯片的价格与内有EPROM（如8715等）的价格要低很多，只需要一片EPROM电路作为程序存储器，使用灵活，仍然可保持单生机的各种优点。
当前市场上，容易不同的EPROM芯片的价格相差不大，因此选用速度高、容量大的芯片（如27256）比较经济，并且还为软件的扩展留有余地。
2.数据存储器及I/O接口
应用系统应用场合的不同，对RAM需求差异比较大，对于常规量和控制器，可能需要较少容量的数据存储器，但对于数据采集系统，则需要大容量的RAM。
大容量的RAM不但体积小，而且性能价格比较高，一片62256芯片比16片6116芯片的性能比要高得多。
单片机应用系统一般都要扩展I/O接口，选择I/O接口时应该从体积、价格、负载、功能等几个方面来考虑。
选用标准的可编程的I/O接口电路（如8255），则接口简单、使用方便，对总线的负载小，但应用于简单应用场合时，其I/O线与接口功能没有被充分利用，造成浪费；使用三态门电路或锁存器作I/O接口，灵活性高、口线利用率高、负载能力强、可靠性高，但对总线负载大，接口复杂。
因此必须根据系统总的输入输出要求来选择接口电路。
3.地址分配
外部程序存储一般由单片机的ERPOM组成，独占64K字节的地址空间，因此一般不必进行地址译码，只需将其片选端接地即可。
由于扩展的数据存储器与I/O接口电路一般由多片芯片组成，而且数据区与I/O接口为统一编址，共占64K字节的数据存储空间，因此必须进行地址译码。
一般常采用地址译码器或线选法进行地址分配。
线选法与地址译码原理具体见本大纲的“数据存储器扩展”一节。
4．总线驱动
MCS-51生活经验统单片机扩展功能比较强，但扩展总线的负载超过了总线负载的能力，系统便不能可靠地工作。
这时必须在总纯度上加装驱动器。
常用的总线驱动器为74LS245T74LS244。
§2-3-3软件设计
根据程序设计的需要，本部分重点描述软件的结构设计。
软件系统结构设计的主要原则是，根据问题的定义，将系统的整个工作分解为几个相对独立的操作部分，并由这几个部分的相互关系，设计合理的软件结构，使CPU可以有条不紊地工作。
1．程序结构设计
程序结构设计主要有顺序设计和实时多任务操作系统设计。
对于简单的单片机应用系统，通常采用顺序设计方法。
顺序程序设计方法通常由主程序和若干个中断服务程序所构成，设计者根据问题的定义和操作功能的划分，指定各个中断服务程序对事件请求作出必要的处理，包括现场保护、中断服务、现场恢复、中断返回等四个部分。
需要注意的，中断的发生常常是随机的，可能在主程序的任意地方打断，在设计阶段通常无法预料这时主程序的执行状态，因此在执行中断服务程序地，必须对原有的程序状态进行现场保护。
现场保护的内容是中断服务程骗子所需要使用的资源（中断服务程序使用这些资源时，这些资源的主程序数据将被覆盖），如PSW、ACC、DPTR等。
而主程序通常是一个顺序执行的无限循环程序，不停地查询各种软件标志进行日常事务处理。
图2描述的中断服务程序与主程序的结构。
图2中断服务程序结构与主程序结构
顺序程序设计方法容易理解，能够满足大多数应用系统的功能要求。
其主要缺点软件结构不清晰、软件的修改扩充比较困难，实时性差。
2．程序设计技术
（1）模块程序设计
模块化程序是常用的程序设计技术，其核心思想是将一个功能具有完整功能的大的程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块，各个程序模块分别进行设计和调试，通过对各个模块的调用实现系统的整体功能。
模块化设计能够有效地降低软件系统的复杂性和难度，大大提高系统的可靠性，同时也提高了程序代码的可复用性。
进行模块化程序设计时一般遵循以下几条原则；
•每个模块不宜太大；
•各个模块间在逻辑相对独立；
•对简单的任务不必采用模块化；
•尽量使用已有的模块。
（2）自上而下地程序设计
进行软件设计时，先从主程序开始设计，从属的程序或
子程序用府号代替。
主程序编好后再编制各个从属程序和子程序，最后完成整个系统软件的设计工作。
进行软件调试时也按这个次序进行。
3.程序设计过程
选择好软件结构和采用的程序设计技主后，便可进行具体的程序设计工作了。
具体设计过程有以下4部分。
（1）建立数学模型
（2）绘制程序流程图
（3）编写程序
（4）程序的汇编、调试和固化
§2-3-4步进电机伺服控制系统设计
XY双向十字滑台的运动由X向和Y向步进电机来控制，通过电机驱动滑台的各个运动部件，从而准确地控制它们的速度和位置。
一般地，数控伺服系统可分为开环及闭环两大类，其中闭环伺服还可以根据检测位置的不同进一步细分为半闭环伺服和闭环伺服。
由于开环伺服系统具有结构简单、调试维修方便、成本低的特点，因此虽然这种伺服的误差没有补偿和校正，精度较低，但广泛应用于中小型经济型数控机床。
鉴于开环伺服系统的特点，本次设计的总体设计方案似采用开环伺服，并为XY两个运动方向加上极限位置检测及原点定位检测以实现基本运动位置的控制。
下面以典型的开环伺服系统结构（如图3所示）为例，详细介绍本次设计的过程。
图3开环伺服系统结构
一、数控系统及环形分配器的设计
数控十字没滑台数控系统是以MCS-51系列单片机
为核心部件，外部扩展程序存储器、数据存储器、键盘/显示器接口和其它并行接口而实现的。
键盘/显示接口扩展（见附录2），键盘是由若干按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备。
单片机使用显示器主要有七段数码管或点阵式显示器，是最基本的输出设备。
限于大纲篇幅，键盘和显示器的工作原理在这里就不进行详细描述了，请学生参考《微机接口技术》课程教材或其它参考资料。
在附录2里主要讨论使用Intel8279可编程键盘/显示器接口器件进行键盘与显示的扩展。
二、步进电机驱动电路设计
步进电机驱动电路实际上是一个功率开关电路，其功能是将环分配器或微处理器送来的弱电信号变为强电信号，以得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形。
因此步进电机有m相，就应有m路功率放大电路。
步进电机驱动放大电路种类很多，按其主电路的结构分有单电压驱动和高低电压驱动和高低电压驱动两种，其具体驱动电路说见《数控机床》课程教材，在本次设计中就不详细描述了。
三、插补原理及程序设计
插补计算就是数控系统根据输入的基本数据，如直线终点坐标值、圆弧起点、圆心、进给速度等，通过计算，将工件轮廓的形状描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标发送进给指令。
数控机床的常用插补计算方法有逐点比较插补计算法（简称逐点比较法）、数学积分插补计算方法（简称数字积分法）、时间分割插补计算方法和样条插补计算方法等，在本次课程设计中，我们使用逐点比较法进行插补计算。
逐点比较法每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行一次比较，视该点在给定轨迹的上方还是下方，或在给定轨迹的里面还是外面，从而决定下一步的进给方向，使之趋近加工轨迹。
逐点比较法是以折线来逼近直线或圆弧线的，它与规定的直线或圆弧之间最大误差不超过一个脉冲当量，因此只要将脉冲当量取得足够小，就可达到加工精度的要求。
（一）直线插补计算原理
1．偏差计算公式
假定加工如图所示的第一象限直线OA。
取直线的起点为坐标原点，直线终点坐标（Xe,Ye）是已知的。
M（Xm,Ym）为加工点（动点），若m在OA直线上，则根据相似三角形的关系可得。
取Fm=YmXeYe作为插补的偏差判别式。
若Fm=0，表明m点在OA直线上；
若Fm>0，表明m点在OA直线上方m处；
若Fm<0，表明m点在OA直线下方m处。
对于第一象限直线，从起点（即原点坐标）出发，当Fm>>0时，沿+X轴方向走一步；当Fm<0时，沿+Y轴方向走一步。
当两方向所走的步数与终点坐标（Xe,Ye）相等时，发出到达终点信号，停止插补。
设在加工点处，有Fm>>0时，沿+X方向进给一步，走一步后新的坐标值为：
Xm+1，Ym+1=Ym
新的偏差为Fm+1=Fm+Xe-Xm+1Ye=Fm-Ye
若Fm<0，应向+Y方向进给一步，走一步后的新坐标值为：
Fm+1=Fm+X
由此得到了偏差计算公式，在公式中只有加、减运算，只要将前一点的偏差与等于常数的终点坐标值Xe,Ye相加减，即可得到新的坐标点的偏差值。
加工的起点是坐标原点，起点的偏差是已知的，即F0=0，这样随着加工点的前进，新的加工点的偏差Fm+1都可以由前一点Fm和终点坐标相加或相减得到。
2．终点判别算法
逐点比较法的终点判别有多处方法，下面介绍两种常用方法。
第一种：
设X、Y两个减法计数器，加工开始前，在X、Y计数器中分别存入终点坐标值Xe,Ye，在X坐标（或Y坐标）方向上第进给一步时，就在X计数器（Y计数器）中减去1，直至这两个计数器的数都减到0，此时达到终点。
第二种：
用一个终点
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