直线运动工作台.docx
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直线运动工作台
直线运动工作台
学号：
24113501538
南湖学院
毕业论文（设计）
题目：
直线运动工作台精确定位控制
作者：
龙罗坤届别：
2011级
系别：
南湖学院机电系专业：
机械与电子工程
指导老师：
余晓峰职称：
副教授
完成时间：
2015年5月4日
摘要
本设计是基于单片机控制的数控系统设计——直线运动工作台精确定位设计。
本控制系统采用闭环控制方式，以AT89C51单片机为控制器，并以显示、复位、时钟、限位等电路作为基础，通过键盘电路的给单片机输入指令，并以脉冲形式的控制信号来驱动步进电机，并且通过旋转编码器对运动进行实时检测，并及时反馈给执行机构是否进行，从而通过传动机构来实现直线运动工作台精确定位。
程序编写完成后，在Keil软件进行编译和调试，并在Proteus环境中实现程序及电路的仿真。
关键字：
数控工作台；直线运动；定位控制；步进电机；旋转编码器
ABSTRACT
Thisdesignisthenumericalcontrolsystemdesignbasedonsingle-chipmicrocomputercontrol,linearmotiontableprecisepositioningdesign.Thiscontrolsystemadoptstheclosedloopcontrolmode,AT89C51single-chipmicrocomputerasthecontroller,andtodisplayandreset,clock,limit,suchascircuitasthefoundation,throughthekeyboardcircuittoMCUinputinstruction,andintheformofpulsecontrolsignaltodrivethesteppermotor,andreal-timedetectionofmovementthroughrotaryencoder,andtimelyfeedbacktotheactuatorwhether,andthroughthedrivemechanismtoachievelinearmotiontableprecisepositioning.
Afterthecompletionoftheprogramwritten,intheKeilsoftwarecompilinganddebugging,andimplementationproceduresandthesimulationofthecircuitintheProteusenvironment.
Keywords:
CNCtable;linearmotion;positioningcontrol;steppermotor;rotaryencoder
第一章绪论
1.1课题设计研究背景
随着现代信息技术的进步，制造业得到了快速发展，促使机械加工技术发生深刻的变化，企业不仅追求高效率的生产模式，更追求高标准的质量要求，因此要求机械设备的功能越来越强大，其结构及功能随之也变得更复杂。
所以，能够设计出功能全面、效率高、耐压性强、加工精度高的机械加工设备是制造业中最重要的课题之一。
我们此次研究的课题—直线运动数控工作台属于高精密加工的核心部件，它的传动部件的定位精度直接影响系统的加工精度。
直线运动数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的直线运动工作台、激光加工设备的工作台等。
数控工作台的运动控制精度与加工零件的精度直接相关，传统的人工控制已无法满足要求，因而采用微机控制系统来实现精确的运动控制。
本设计采用单片机来实现程序化的运动控制，此为验证性设计，通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和人机接口软件的设计思路，并通过Proteus软件进行仿真实验。
1.2研究的内容
直线运动数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，通常由导轨座、滑动模块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及步进电机等部件构成。
控制系统可选用标准的工业控制计算机，也可设计专用的微机控制系统。
本设计用AT89C51组成专用单片机控制系统，来控制步进电机的正反转，进而控制直线运动数控工作台运动。
设计要求完成整个控制系统的硬件设计和完成整个控制系统的人机接口软件设计，通过Keil编译和调试程序，并最终在Proteus软件中仿真。
1.3毕业设计的目的、意义
毕业设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。
其目的是：
能够正确运用大学期间所学课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；
通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计
算、选型和结构设计方法和步骤；
通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、
工作原理，和软件编程思想；
通过毕业设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方而综合素质的提高。
第二章数控系统的总体方案
本次设计中，数控系统总体设计内容包括：
数控系统总体方案图、数控系统控制方式的确定，伺服系统的选择，微机控制系统的选择。
2.1数控系统设计总体方案图
图2-1系统总体方案图
2.2数控系统的控制方式
本数控系统要求直线运动工作台沿坐标轴方向同时具有连续的精确的运动，两坐标直线插补的基本功能，能够完成平面轮廓的加工，因而采用连续控制的方式。
该方式可对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制系统。
它不仅能控制移动部件从某一点准确地移动到另一点，而且还能控制整个加工过程中的每一点的速度和位移量，进而将零件加工成一定的轮廓形状。
2.3伺服系统及电机的选择
1．伺服系统的选择
本次设计选用开环伺服系统。
在开环控制系统中，无反馈部件，不存在由输出端到输入端的反馈通路，无法反馈信息，故而不能及时纠正系统传动误差。
但是，同闭环控制系统相比，开环控制系统的结构要简单得多，调整维修方便，同时也比较经济。
在速度和精度要求都不太高，而又要求降低成本的场合得到广泛应用。
2．步进电机的选择
考虑到经济性，也不需太高的运动精度，为简化结构，降低成本，采用步进电机作为开环伺服系统的驱动装置。
步进电机是由电脉冲控制的特种电动机。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，对应于每一个电脉冲，电动机将产生一个恒定量的步进运动，即产生一个恒定量的角位移或线位移。
步进电机运动步数由脉冲数来决定，运动方向由脉冲相序来决定，在一定时间内转过的角度或平移的距离由脉冲数决定，借助步进电机可以实现数字信号的变换。
步进电机控制系统的原理框图如图2-1所示。
图2-2步进电动机系统简图
根据控制需要，本次设计选择两个90BF001型4相8拍的反应式步进电机。
步进电机有关参数如表2-1：
表2-190BF001型反应式步进电机的参数
型号
主要技术参数
相数
步距角
/（º）
电压
/V
最大静转矩
/（N·m）
空载启动
频率/（步/s）
空载运行
频率/（步/s）
分配
方式
90BF001
4
0.9
80
3.92
2000
8000
4相八拍
电感/（mH）
外形尺寸（轴径）
/mm
质量/kg
转子转动惯量
/（10-5kg·m2）
17.4
4.5
17.64
步进电机原理图如图2-2所示：
图2-3步进电动机原理图
2.4微机控制系统的选择
（1）对于步进电动机的开环控制系统，选用8位单片机AT89C51作为控制系统的控制器。
该单片机具有集成度高，可靠性好，功能强大，处理速度快，可扩展性强，性价比较高等优点，能够很好的满足任务书给定的相关控制要求。
（2）要设计一个完整的控制系统，在选择CPU之后，还要设计步进电机机的驱动电路，通过运行程序，单片机与驱动电路一起工作，进而驱动X轴步进电机的正反转。
（3）合理设计电源及开关电路，与步进电动机配套使用。
2.5直线运动工作台的传动方式
为了保证直线运动工作台具有一定的传动精度和平稳性，并考虑总体结构的紧凑性要求，采用滚珠丝杠螺母作为传动副。
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，提高其运动的可靠性和平稳性。
由于步进电机的步距角和滚珠丝杠的导程是按标准选取的，为达到传动要求，并综合考虑步进电机负载匹配，决定采用齿轮减速传动。
数控系统总体框图如图2-3所示：
图2-4数控系统总体框图
2.6控制系统的执行
2.6.1I/O分配表
表4-2输入输出地址分配表
代号
地址
说明
输入（I）
SQ1
X1
左限位
SQ2
X2
原点
SQ3
X5
右限位
SB1
X10
暂停
SB2
X11
停止
SB3
X12
启动
输出（O）
Y0
脉冲输出地址
Y2
脉冲输出方向
SB1
2.6.2控制流程图
图4-3-2控制流程图
第三章AT89C51单片机工作原理
3.1单片机内部组成及引脚功能
3.1.1单片机的内部结构
AT89C51单片机的组成：
CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储器）、ROM（程序存储器）、I/O口（串口、并口）、内部总线和中断系统等。
组成框图如下：
图3-1MSC-51单片机结构框图
3.1.2AT89C51单片机的主要特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·寿命：
1000次擦/写循环
·数据的保留时间可达10年
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·三级程序存储器锁定
·可编程的串行通道
·两个16位计数器/定时器
·闲置和掉电模式低功耗
·5个中断源
3.1.3AT89C51单片机的引脚功能
本次选用的AT89C51单片机采用40引脚双列直插式封装（DIP）形式。
引脚排列及逻辑符号如图3-2所示，其中Vcc和Vss引脚由于分别默认接电源和地而被隐藏。
下面分别说明这些引脚的意义和功能。
图3-2AT89C51单片机引脚图
1．电源线
VCC：
接+5V电源。
VSS：
接电源地。
2．端口线
P0～P3口：
4×8=32条。
（1）P0口（P0.0～P0.7）
P0口是一个8位双向I/O口，它的每跟管脚都可吸收8TTL的门电流。
当P1口首次写1的时候，P0口将被定义为高阻态输入。
P0可用于外部程序数据存储器，此时它作为数据/地址的第八位。
当FIASH进行编程时，P0口将作为原码输入口；FIASH校验时，P0口作为原码输出口，此时P0口必须拉高的外部。
（2）P1口（P1.0～P1.7）
P1口是一个由单片机内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
（3）P2口（P2.0～P2.7）
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
（4）P3口（P3.0～P3.7）
P3口的管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口使用，各位的作用如下表3-1所示所示：
表3-1P3各口线的第二功能表
端口
第二功能
信号名称
P3.0
RXD
串行数据接收口
P3.1
TXD
串行数据发送口
P3.2
外部中断0请求输入
P3.3
外部中断1请求输入
P3.4
T0
定时器/计数器0的外部输入口
P3.5
T1
定时器/计数器1的外部输入口
P3.6
外部RAM写选通信号
P3.7
外部RAM读选通信号
3．控制信号引脚
RST：
复位输入引脚。
当器件被振荡器复位时，必须保持RST引脚有两个机器周期时间的高电平。
ALE/PROG：
当单片机访问外部存储器时，地址锁存所允许的输出电平将用来锁存地址的地位字节。
在FLASH进行编程时，编程脉冲由此引脚输入。
一般情况下，ALE引脚端以恒定的频率周期来输出正向脉冲信号，此时的振荡频率是振荡器振荡频率的1/6。
因此，它可作为向外部输出脉冲或用来定时的引脚。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
：
当
保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，
将内部锁定为RESET；当
端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出
3.2单片机的时钟电路
AT89C51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成时钟振荡电路，XTAL1为该放大器的输入端、XTAL2为该放大器的输出端，由该放大器构成的振荡电路与和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。
根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式又可分为内部时钟方式和外部时钟方式。
内部时钟方式如图3-3所示，外部时钟方式如图3-4所示。
图3-3内部时钟方式
图3-4外部时钟方式
3.3单片机的工作方式
MCS-51系列单片机的工作方式可分为：
复位方式、程序执行方式、单片执行方式、掉电保护方式、节电工作方式和EPROM编程/校验方式。
复位方式：
系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，这种工作方式为复位方式。
复位电路有两种：
上电自动复位如图3-5所示，上电/按键手动复位如图3-6所示。
图3-5上电自动复位
图3-6上电/手动按键复位
程序执行方式：
单片机基本工作方式，可分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。
连续执行工作方式：
所有单片机都需要的工作方式。
单片机复位后，PC值为0000H，因此单片机复位后立即转到0000H处执行程序。
单片机按照程序事先编排的任务，自动连续地执行下去。
单步执行工作方式：
用户调试程序的一种工作方式，在单片机开发系统上有一专用的单步按键（或软件调试环境）。
按一次，单片机就执行一条指令（仅仅执行一条），这样就可以逐条检查程序，发现问题进行修改。
单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。
节电方式：
一种低功耗的工作方式，分为空闲（等待）方式和掉电（停机）方式。
是针对CHMOS类芯片而设计的，HMOS型单片机不能工作在节电方式，但它有一种掉电保护功能。
HMOS单片机的掉电保护：
当VCC突然掉电时，单片机通过中断将必须保护的数据送入内部RAM，备用电源VPD可以维持内部RAM中的数据不丢失。
CHMOS单片机的节电方式：
CHMOS型单片机是一种低功耗器件，正常工作时电流为11～22mA，空闲状态时为1.7～5mA，掉电方式为5～50μA。
它适用于低功耗应用场合，它的空闲方式和掉电方式都是由电源控制寄存器PCON中相应的位来控制。
编程和校验方式：
用于内部含有EPROM的单片机芯片，一般的单片机开发系统都提供实现这种方式的设备和功能。
第四章单片机系统的设计
4.1硬件配置与接口分配
4.1.1存贮器空间分配
单板机可寻址范围是64K字节，板上提供的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以备扩展使用。
其存贮空间分配如下。
0000H~07FFH2KBEPROM存储监控程序
0800H~0FFFH2KBEPROM存储零件加工程序
1000H~17FFH2KBRAM调试程序
2000H~27FFH2KBRAM测试程序等
4.1.2I/O口地址分配
单板机设置I/O口地址为80～9FH共32个口地址，分配如下。
80H～83HMCS—518031
84H～87H字形锁存
88H～8BH字位锁存
8CH～8FH读键值
90H～9FH用户使用
4.2硬件电路的设计
数控系统硬件电路由以下几部分组成：
1、主控制器。
即中央处理单元（CPU）
2、总线。
包括数据总线，地址总线，控制总线。
3、存储器。
包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。
本次选用的AT89C51芯片内部自带有4K字节可编程的闪烁存储器，故不需再扩展存储器。
4、接口。
即I/O输入输出接口。
数控系统的硬件框图如图4-1所示：
图4-1数控系统的硬件框图
4.2.1主控制器CPU的选择
AT89C51系列单片机是集中CPU,它有如下特点：
1．可靠性高。
AT89C51能很好的适应工业生产环境，与PC机相比，它具有更强的抗外界干扰能力。
并且，它的系统软件（如：
程序指令，常数，表格等）均固化于ROM中，不易受到病毒的破坏。
信号通道基本上都位于同一个芯片里，运行时，系统可靠且稳定。
2．便于扩展。
此系列单片机片内有微机正常运行必需具备的部件，其片外还有许多供用户扩展用的（总线，串行和并行输入/输出）管脚，很容易就能组成一定规模且适应要求的微机系统。
3．控制功能较强。
AT89C51单片机具有丰富控制指令，如：
I/O口逻辑操作指令，位处理指令，条件分支转移指令等。
4．实用性好。
体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。
综上所述，由于它具有以上优点，所以本设计选用AT89C51单片机作为主控制芯片。
其引脚图如图3-2所示。
4.2.2步进电机驱动电路的设计
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制步进电机元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转一个步距角。
脉冲数越多，电机转动的角度越大。
脉冲的频率越高，电机转速越快，但不能超过最高频率，否则电机的力矩迅速减小，电机不转。
所以PLC在控制步进电机中起到的作用就是发出可控脉冲，通过调节脉冲频率控制步进电机速度，通过调节脉冲数量控制步进电机转动的角度。
步进电机在构造上主要分为三种类型：
反应式、永磁式和混合式。
图3-3-2两相步进电机的工作原理示意图
如上图3-3-2所示，该两相电机有两个绕组。
当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。
若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按A_A—B_B—_AA—_BB—A_A四个状态周而复始进行变化，电机顺时转动；通电时序为A_A—_BB—_AA—B_B—A_A时，电机逆时针转动。
控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，此图所示只要4个脉冲，电机就转动一圈。
脉冲频率越高，电机转动越快。
通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。
该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。
当定子的矢量磁场旋转一个角度。
转子也随着该磁场转一个角度。
每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。
它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。
改变绕组通电的顺序，电机就会反转。
所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
1、步进电机的驱动电路如图4-3所示。
图4-3步进电机驱动电路
4.2.3键盘
键盘是单片机应用系统中不可缺少的输入设备。
通过键盘可向单片机应用系统输入数据和控制命令，键盘是操作人员控制干预单片机应用系统的主要手段。
根据键盘组成形式可分为独立式键盘、矩阵式键盘及拨码式键盘几种。
键盘可工作于循环扫描方式、定时扫描方式或中断方式。
键盘一般是由一组机械按键按照一定的规律组合而成，通过按键的通、断作用输入开关电压信号。
按键由断开到闭合及由闭合到断开时，由于机械触点的弹性作用，按键的动作不是立刻完成的，在闭合及打开的瞬间有机械抖动的发生，抖动时间一般为5～10ms，表现在输入电压信号上为输入信号是抖动的不稳定的电平信号，其信号波形见图4-8。
键被按下
闭合稳态
按下抖动释放抖动
图4-8按键抖动波形
按键闭合稳态时间由操作人员的按键时间决定，一般为零点几秒到几秒之间。
为了躲开键抖动的影响，保证在按键闭合稳定状态下读取键值，需要对键盘进行削抖处理。
常用的削抖措施有硬件削抖和软件削抖两种。
硬件削抖是采用硬件电路的方法对键盘的按下抖动及释放抖动进行削抖，经过削抖电路后使按键的电平信号只有两种稳定的状态。
常用的削抖电路有触发器削抖电路、滤波削抖电路两种。
硬件削抖电路见图4-9。
图4-9硬件削抖电路
硬件削抖电路解决了键抖动问题，但当应用系统所需按键比较多时，硬件削抖电路将变得复杂，成本也比较高，因此硬件削抖一般只适用于按键比较少的应用系统中。
当系统中需要键盘数量比较多时可采用软件削抖方法对键盘抖动进行消除。
软件削抖的基本原理是当第一次检测到有键按下时，根据键抖动时间的统计规律先采用软件延时的方法延时一段时间（一般可取10ms），然后再确认键是否仍保持闭合状态，如仍保持闭合状态则键真正被按下，此时可读取键值，否则可视为干扰，对其不予理睬。
采用软件削抖方法可省去硬件削抖电路，但键盘的工作速度将被降低。
1独立式键盘
图4-10是通过AT89C51单片机P1口组成的具有8个按键的独立式键盘。
从图中可看出，独立式键盘的各个按键之间彼此是相互独立的，每一个按键连接一根I/O口线。
独立式键盘电路简单，软件设计也比较方便，但由于每一个按键均需要一根I/O口线，当键盘按键数量比较多时，需要的I/O口线也较多，因此独立式键盘只适合于按键较少的应用场合。
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