3象限直线插补和回原点运动改善.doc

报告用纸目录一课程设计任务书 2二数控车床前景 4三 插补意义 6四插补算法概述 6五脉冲增量插补算法 6六数据采样插补算法 7七逐点比较法的简介 7八直线插补原理 8九第三象限逐点插补流程图10十AT89C51单片机硬件结构及硬件原理图11十一.逐点比较法插补程序15十二收获和体会 15十三.参考文献16数控技术课程设计任务书(一)题目：3象限直线插补和回原点运动1、课程设计任务本课题根据步进电机工作原理，运用单片机系统，设计基于步进电机的从低到高直线运动功能和回原点功能的单片机控制实现。该系统以AT89C51为核心，结合相关的输入和输出接口电路，通过步进驱动器驱动步进电机转动并带动机械传动机构推动二维平台按照设计的要求运动。2、课程设计目的通过本次课程设计使学生掌握：1）步进电机的工作原理。2）步进电机驱动器使用方法。3）微机接口技术与I/O通道电路的设计及实现方法；4）控制程序的设计及实现方法；5）微机控制系统的实际调试技巧。从而提高学生对微机实时控制系统的设计和调试能力。3、课程设计要求1、运行所设计的程序，步进电机带动二维平台进行3象限直线运动。2、运行所设计的程序，步进电机带动二维平台运动自动测量平台的一个轴从一个极点运动到另一个极点，从而找出中点位置。4、课程设计内容1、系统硬件接线图，包括相应的输入和输出接口电路；2、软件程序清单；5、课程设计报告要求报告中提供如下内容：1、目录2、正文（1）课程设计任务书；（2）总体设计方案；（3）硬件原理图，以便厂家生成产（可手画也可用protel软件）；（4）程序流程图及清单（程序必须加注释）；（5）调试、运行及其结果；3、收获、体会4、参考文献附录：元件清单（符号，型号，名称，数量）6、课程设计进度安排周次工作日工作内容第一周1布置课程设计任务，学习和研究相关资料2掌握与课程设计相关器件的使用方法3完成总体设计方案4画出硬件原理图及程序流程图5完成硬件拆线及重新接线组装的任务，编写程序并调试第二周1编写程序并调试2编写程序并调试3编写程序并调试及准备课程设计报告4完成课程设计报告并于下午两点之前上交5答辩7、课程设计考核办法本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。二数控车床前景数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。 现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。 数控机床是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备,是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密.加工精度高,质量容易保证,发展前景十分广阔,因此掌握数控车床的加工编程技术尤为重要 。我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50，配国产数控系统（普及型）也达到了10。 纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。 a.奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。 b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。 c.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。 虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下。 a.技术水平上，与国外先进水平大约落后1015年，在高精尖技术方面则更大。 b.产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。 c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。 分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。 a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及能力分析不够。 b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。 c.机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。 d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。 我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。 我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。 从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。 强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。 在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。 在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。 三 插补意义插补是整个数控系统软件中极其重要的功能模块之一，其算法的选择将直接影响到系统精度、速度及加工能力等。机床数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹的过程。也可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也称为“数据点的密化”。数控装置根据输入的零件程序的信息，将程序段所描述的曲线的起点、终点之间的空间进行数据密化，从而形成要求的轮廓轨迹，这种“数据密化”机能就称为“插补”。插补计算就是数控装置根据输入的基本数据，通过计算，把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出进给脉冲，对应每个脉冲，机 床在响应的坐标方向上移动一个脉冲当量的距离，从而将工件加工出所需要轮廓的形状。四插补算法概述随着相关学科特别是计算机领域的迅速发展，插补算法也在不断的完善和更新。由于插补的速度直接影响到数控系统的速度，而插补的精度又直接影响整个数控系统的精度，因此，人们一直在努力探求一种计算速度快并且精度又高的查补算法。但不幸的是，插补速度与查补精度是互相制约、互相矛盾的，这时必须进行折衷的选择。到目前为止，已涌现出了大量的查补算法。其中主要包括：脉冲增量查补算法和数据采样查补算法。五脉冲增量插补算法 脉冲增量查补（又称行程标量插补）算法是通过向各个运动轴分配脉冲，控制机床坐标轴相互协调运动，从而加工出一定轮廓形状的算法。这类插补算法的特点是每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量，以单位脉冲的形式输出给步进电机。因此，这类插补被称为脉冲增量插补。脉冲增量插补是行程标量插补，每次插补结束产生一个行程增量，以脉冲的方式输出。这种插补算法主要应用在开环数控系统中，在插补计算过程中不断向各坐标轴发出互相协调的进给脉冲，驱动电机运动。一个脉冲所产生的坐标轴移动量叫做脉冲当量。脉冲当量是脉冲分配的基本单位该插补运算比较简单，仅仅通过几次的加法和移位操作就可以完成插补运算。处理速度比较快。该插补一般常见的具体算法有：数字脉冲乘法器法、逐点比较法、最小偏差法、数字积分法、比较积分法、目标点比较法、但不追踪法等。本次的课程设计我主要分析这其中的一种算法逐点比较法，用以概括和了解算法的基本运算和对其的了解。而在进一步的重点分析中，本次的算法分析我则是分析其第一象限的直线插补运算。六数据采样插补算法 数据采样插补（又称时间标量插补）算法是根据数控加工程序编写的进给速度，先将零件轮廓曲线按插补周期分割为一系列首尾相连的微小直线段，然后输入这些微小直线段对应的位置增量数据，用以控制伺服系统实现坐标轴进给。与上一插补算法相比，其结果不再是单个脉冲，而是位置增量的数字量。这类插补算法适用于以直流或交流伺服电动机作为执行软件的闭环或半闭环数控系统。根据编程进给速度将零件轮廓曲线按插补周期将其分割为一系列微小直线段,然后将这些微小直线段对应的位置增量数据进行输出,用以控制伺服系统实现坐标轴的进给。七逐点比较法的简介所谓逐点比较法，就是每走一步都要和给定轨迹比较一次，根据比较结果来决定下一步的进给方向，使刀具向减小偏差的方向并趋向终点移动，刀具所走的轨迹应该和给定轨迹非常相“象”。逐点比较法具有运算简单直观，插补过程的最大误差不超过一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲速度变化小，调节方便。其缺点是不易实现两坐标以上的联动插补能满足要求。由于计算机有较强的计算功能和灵活性，采用软件插补时，上述缺点易于克服。与给定轨迹之间的偏差，作为下一步判别依据。逐点比较法插补过程中每进给一步都要经过以下四个节拍：偏差判别；坐标进给；偏差计算；终点判别。（1） 偏差判别 根据偏差值确定刀具位置是在直线的上方（或线上），还是在直线的下方。（2） 坐标进给 根据判别的结果，决定控制哪个坐标（X或Y） 移动一步。（3） 偏差运算 计算出刀具移动后的新偏差，提供给下一步作判别依据。根据上二式来计算新加工点的偏差，使运算大大简化。但是每一新加工点的偏差是由前一点偏差Fi推算出来的，并且一直递推下去，这样就要知道开始加工时那一点的偏差是多少。当开始加工时，我们是以人工方式将刀具移到加工起点，即所谓“对刀”，这一点当然没有偏差，所以开始加工点的 F0=0。（4） 终点判别 在计算偏差的同时，还要进行一次终点比较，以确定是否到达了终点。若已经到达，就不再进行运算，并发出停机或转换新程序段的信号。八直线插补原理图1所示第三象限直线OE，起点O为坐标原点，用户编程时，给出直线的终点坐标E（Xe，Ye），直线方程为 XeYXYe0 (式1)线OE 为给定轨迹，P（X，Y）为动点坐标，动点与直线的位置关系有三种情况：动点在直线上方、直线上、直线下方。（1）若P1点在直线上方，则有 XeYXYe0 （2） 若P点在直线上，则有 XeYXYe0 （3）若P2点在直线下方，则有 XeYXYe0时，表示动点在OE下方，如点P1，应向X向进给。F0的情况一同考虑。 插补工作从起点开始，走一步，算一步, 判别一次，再走一步，当沿两个坐标方向走的步数分别等于Xe和Ye时，停止插补。下面将F的运算采用递推算法予以简化，动点Pi(Xi，Yi)的Fi值为若Fi0，表明Pi(Xi，Yi)点在OE直线下方或在直线上，应沿X向走一步，假设坐标值的单位为脉冲当量，走步后新的坐标值为（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi , 新点偏差为即 若Fi0，表明Pi（Xi，Yi）点在OE 的上方，应向Y方向进给一步，新点坐标值为(Xi+1，Yi+1)，且Xi+1=Xi ,Yi+1Yi1，新点的偏差为即 开始加工时，将刀具移到起点，刀具正好处于直线上，偏差为零，即F0，根据这一点偏差可求出新一点偏差，随着加工的进行，每一新加工点的偏差都可由前一点偏差和终点坐标相加或相减得到。在插补计算、进给的同时还要进行终点判别。常用终点判别方法，常用的终点判别方法有以下三种：（1） 总步长法 在插补计算之前，先设置一个总步长计数器，求出被插补直线轮廓在各个坐标轴方向上应该走的总步数，加在一起存入计数器中，即： 然后每插补计算一次，无论向那个坐标轴进给一步，计算器都做减一修正。这样当总步数减到零时，则表明刀具已经达到直线轮廓终点。 （2） 投影法 与总步长法相似，求出被插补直线轮廓终点坐标值中较大的那一个轴的总步数，并存入计数器中，即： 然后在插补过程中，每当坐标值较大的那个轴进给一步，相应计数器就做减一修正，直至为零，则表示刀具到达直线轮廓的终点。 （3） 终点坐标法 在插补运算之前，先设置两个步长计数器，分别记录被插补直线轮廓的两个坐标轴方向上应走的总步数，并存入各自的计数器中，即： 然后在插补过程中，每当+X方向进给一步，计数器1就做一次减一修正；每当+Y方向进给一步，计数器2就做一次减一修正,。只有当两个步长计数器均为零时，则表示刀具到达直线轮廓的终点。九第三象限逐点插补流程图十AT89C51单片机硬件结构及硬件原理图AT89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、并行I/O口(4个8位I/O口)、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是微处理器（CPU）加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式，以实现不同的功能。AT89C51单片机如图3所示。图3 AT89C51单片机引脚功能介绍Vcc(40引脚)： 接+5V电源。Vss(20引脚)： 接地。XTAL1(19引脚)： 片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。XTAL2(18引脚)： 片内震荡器反相放大器的输出端。RST： 复位引脚，高电平有效。EA： 外部程序存储器访问允许控制端。ALE： 低8位地址锁存允许信号端。PSEN：读外部程序存储器的选通信号端。 P0口：8位，漏极开路的双向I/O口。P1口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。P2口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。P3口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。内部结构功能介绍微处理器（CPU）AT89C51单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以位变量的处理。数据存储器(RAM)数据存储器空间分为片内与片外两部分。当AT89C51单片机的片内RAM不够用时，又给用户提供了在片外可扩展至64KB RAM的能力，以供用户的需求。片内为128个字节，字节地址为00H7FH。片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。程序存储器(ROM)AT89C51单片机的片内程序存储器为4KB的FLASH存储器，地址范围为0000H0FFFH。有16位地址线，可外扩的程序存储器空间最大为64KB，地址范围为0000HFFFFH。由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式（方式0、方式1、方式2、方式3）。串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。特殊功能寄存器（SFR）AT89C51单片机共有21个特殊功能寄存器，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见，AT89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个1位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处，得以在实际生活中得到了广泛的应用。主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 硬件原理图图4十一.逐点比较法插补程序 #include #include int main()int Xe, Ye, F = 0, ; /初始化Xe Ye F 和E的值/ int Xi=0, Yi=0; /定义动点坐标的中间变量Xi，Yi/ scanf(%d %d, &Xe, &Ye); /输入终点坐标值/ F=abs（Xe）*Yi-abs（Xi）*Yi； /偏差函数F递推 /=abs(Xe)+abs(Ye); /定义累加次数 /For(i=0,i=0) /判别F的正负以确定进给方向/ Xi= Xi -1; /向X轴负向进给一个-X / else Yi=Yi+1 ; /向Y轴正向进给一个+Y/ printf(Xi= %d,Yi=%dn, Xi,Yi); /输出各动点坐标Xi，Yi的值/ 十二收获和体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关数控技术方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获龋最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能