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1、撰写人：_日 期：_ 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
2、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ABSTRACTThis design is the numerical control system design based on single-chip microcomputercontrol, linear motion table precise positioning design. This control system adopts the closed loop control mode, AT
3、89C51 single-chip microcomputer as the controller, and to display and reset, clock, limit, such as circuit as the foundation, through the keyboard circuit to MCU input instruction, and in the form of pulse control signal to drive the stepper motor, and real-time detection of movement through rotary
4、encoder, and timely feedback to the actuator whether, and through the drive mechanism to achieve linear motion table precise positioning. After the completion of the program written, in the Keil software compiling and debugging, and implementation procedures and the simulation of the circuit in the
5、Proteus environment. Keywords: CNC table; linear motion; positioning control; stepper motor; rotary encoderII目 录第一章 绪论11.1 课题设计研究背景11.2 研究的内容11.3 毕业设计的目的、意义2第二章 数控系统的总体方案32.1 数控系统的设计总体方案图3 2.2 数控系统的控制方式. .32.3 伺服系统及电机的选择32.4 微机控制系统的选择32.5 直线运动工作台的传动方式5 2.6 控制系统的执行.6第三章 MCS-51单片机工作原理93.1 单片机内部组成及引脚功能
6、93.1.1 单片机的内部结构93.1.2 AT89C51单片机的主要特性：93.1.3 AT89C51单片机的引脚功能103.2 单片机的时钟电路123.3 单片机的工作方式14第四章 单片机系统的设计164.1 硬件配置与接口分配16存贮器空间分配164.1.2 I/O口地址分配164.2 硬件电路的设计174.2.1 主控制器CPU的选择174.2.2 步进电机驱动电路的设计184.3 其他辅助电路设计324.3.1 AT89C51的时钟电路单片机的时钟的产生方式324.3.2 AT89C51复位电路324.3.3 超程报警电路324.3.4 掉电保护电路334.3.5 光电隔离电路34
7、第五章 基于PROTEUS的直线运动平台运动仿真设计365.1 Proteus简介及仿真界面365.2 Keil简介375.3 Keil中的程序调试385.4 Proteus仿真系统硬件原理图395.5 运行调试39设计总结42致 谢43参考文献44附 录45附录A 步进电机驱动数控XY轴仿真原理图45附录B C语言程序设计46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
8、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
9、.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
10、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。4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
11、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AT89C51旋转编码器（检测电路）键盘复位时钟电路限位开关紧急停止显示驱动电路告警步进电动机机床工作台状态执行机构（滚珠丝杠螺母副）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
12、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
13、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。电 源脉冲发生器脉冲分配功率电路步进电动机工作机构图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2-1 90BF001型反应式步进电机的参数型号主要技术参数相数步距角/( )电压/V最大静转矩/(Nm)空载启动频率/(步/s)空载运行频率/(步/
14、s)分配方式90BF00140.9803.92200080004相八拍电感/(mH)外形尺寸（轴径）/mm质量/kg转子转动惯量/(10-5 kgm2)17.44.517.64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
