基于单片机二维数控实验平台设计与实现-开题报告

毕 业 论 文 设 计 开 题 报 告题 目 基于单片机二维数控实验平台设计与实现一、选题的目的及研究意义此次毕业设计所选题目为：基于单片机二维数控实验平台设计与实现。选其主要目的是为了通过毕业设计进一步加深对数控系统试验平台的认识和理解，以及对单片机的学习和研究，对大学所学知识系统的系统的总结回顾，对以后工作打下一定的基础。培养综合运用四年大学所学知识去分析问题和解决实际问题的能力。在实践中检验所学知识,从而加强理论与实践的相结合。 体验一个科研项目开发的全过程，学会单片机开发应用方法,锻炼应用能力,动手能力。本课题设计是具有一定难度的基于单片机的应用系统开发项目，培养学生创新精神和创新能力。通过这次毕业设计，检验综合素质和专业教育的培养效果，并且使学会阅读、利用英文文献资料，阅读并翻译外文资料的能力，学会设计报告和论文。研究意义：数控技术是综合应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测等现代科学技术成就而发展起来的，目前在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。数控系统按其控制方式划分有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。采用单板机或单片机控制，这种方法除了要进行软件开发外，还要设计硬件电路、接口电路、驱动电路，特别是要考虑工业现场中的抗干扰问题。基于单片机的控制系统，具有硬件电路结构简单，精确度高，抗干扰性强等优点。基于单片机二维数控系统是以单片机为主体，二维数控实验平台为核心的系统。主要应用单片机作为控制核心，LED 点阵显示芯片与数控系统相结合的系统。充分发挥了单片机的性能。其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。 二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等数控技术和数控机床是制造业现代化的基础，是一个国家综合国力的重要体现。近几年来，在引进消化国外数控技术的基础上，我国已生产出自主版权的数控系统和数控机床，但是中、高档以上的数控系统仍然是以进口产品为主。研究数控系统及技术的现状与未来发展方向，将对开发中高档的数控产品，扩大数控机床市场份额起到重要作用。 11 数控系统的硬件技术发展迅速 随着集成电路及计算机技术的迅猛发展，给数控硬件技术更新换代注入新的活力，现代数控系统普遍采用超大规模集成电路(VLSI)、专用芯片（ASIC）及数字信号处理(DSP)技术。在电气装联上广泛采用表面安装(SMT)、三维高密度（three dimensional high density）技术。极大的提高系统可靠性。高速高性能存储技术，比如闪烁存储(flash memory)，移动存储 (PCMCIA card)等极大的方便用户。 TFT LCD 技术使显示装置趋于平板化，更便于机电一体化安装并改善人机界面。作为数控系统核心的处理器广泛采用 64 位以上的高速 RISC CPU，保证高速、高精度的数控加工。 2 体系结构向开放式发展 开放式数控的讨论已有好些年了，但是应该看到，对于“开放式结构”至今没有一致性的定义。某些用户认为开放式表示能够接受当地使用的通信协议；而另一些用户认为开放式意味着所有控制器操作界面完全一致；对机床应用工程师而言，开放式意味着对刀架移动，传感器和逻辑控制有标准的输入/输出接口；对大公司和大学的研究工程师来说，开放式意味着以上这些均来自随即拿来就用的积木块。由于来自最终用户和集成商(机床厂)的压力，开放式结构的开发工作正在向前发展并将持续下去。目前的一个积极成果即是基于 PC 的 CAC，即 PCbased。 3 实时操作系统进入 CNC 严格意义上说，数控控制软件中包含着实时操作系统的思想，例如任务调度、存储器管理、中断处理等。但这种技术是隐含的。是和数控应用程序比如插补，伺服、译码等混合的。每一个数控系统都是独特的，不透明的。这种情况对于最终用户和系统集成商而言带来诸多不便。在“开放式数控”呼声日益高涨的今天研究实时操作系统在 CNC 软件中的应用是顺理成章的事。特别是最近嵌入式实时操作系统的技术发展迅猛，这对于数控控制软件的开发将产生革命性的影响。选择一个合适的商用嵌入式实时操作系统，将插补、伺服、译码、数据处理等数控应用软件往上“挂” ，最终移植到一个硬件环境中去，形成最终用户“中意”的数控系统，也就是“个性化的”CNC 系统，这恐怕是“开放式”数控的主要方向。 4 现场总线技术开始广泛使用 ：现场总线(field bus)实质上是工控网络中的低档产品。因为底层设备通信有以下特点： 通信环境恶劣，可能受到温度、湿度变化、尘埃、电压波动、机械振动、电磁场干扰等因素影响； 信息传递主要是设备与设备之间，故对通信可靠性要求高； 2通信内容和时间一般可以预先设定，随机、自发产生的信息相对较少，这可使通信协议大大简化； 由于有较多的监控信息，实时性要求高； 要求有一定有故障诊断和容错能力，以防止不必要的系统故障； 距离短，频度高。 基于上述特点，底层设备互连网络通常采用协议简单、响应迅速、可靠性高的主一从通信方式，使用工控网络中的低档产品例如现场总线。 数控技术的发展趋势：从 1952 年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了五十多年的历程。近 10 年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。目前正朝着标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为以下四种类型： 传统数控系统； “PC 嵌入 NC”结构的开放式数控系统； “NC 嵌入 PC”结构的开放式数控系统； s0Fr 型开放式数控系统。目前国外数控系统技术发展的总体趋势： 新一代数控系统向 Pc 化和开放式体系结构方向发展。 驱动装置向交流、数字化方向发展。 增强通信功能，向网络化发展。 数控系统在控制性能上向智能化发展。 进入 21 世纪，人类社会将逐步进入知识经济时代，知识将成为科技和生产发展的资本与动力，而机床工业，作为机器制造业、工业以至整个国民经济发展的装备部门，其战略 l 生地位、受重视程度也将更加鲜明突出。智能化、开放性、网络化、信息化将成为未来数控系统和数控机床发展的主要趋势： 向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展。 向模块化、智能化、柔性化、网络化和集成化方向发展。 向 PCbased 化和开放性方向发展。 出现新一代数控加工工艺与装备，机械加工向虚拟制造的方向发展。 信息技术(IT)与机床的结合，机电一体化先进机床将得到发展。 纳米技术将形成新发展潮流，并将有新的突破。 节能环保机床将加速发展，占领广大市场。3三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲本次设计介绍 CNC 系统引用中、高档数控机床系统中软、硬件相结合的插补运算分配给软件和硬件插补器。用软件完成粗插补，用微小直线段逼近。用硬件插补器完成精插补,进一步进行数据点的密化。这种方法可以降低对计算机运行速度的要求，可大幅度提高步进电机的运行频率。该系统能够提供的步进电机驱动控制脉冲的极限频率达 1MHZ，能够很容易地满足步进电机驱动细分控制的控制。该系统采用 CRT 显示器，用全屏幕编辑方式，使得零件程序、机床参数的输入变的十分方便，且在加工过程中能够实时、完整地显示机床的当前状态，便于操作者对加工过程的监视，解决了传统控制系统的一些弊端。主要思路：1.系统硬件结构 数控系统采用 AT89S52 单片机作为 CPU，通过接口芯片外接 LED 和键盘以实现人机对话管理，输入输出接口芯片主要采用了可编程 I/O接口芯片，为满足实际要求，采用两排六位 LED 数码管分别现实 X 向，Y 向数据，在控制面板上设置方式转换开关，运行键，暂停键等。由 DAC0832 数模转换模块输出电压，经过由高精度运算放大器 OP07 组成的电压放大模块进行电压放大，引入由功率三极管 TIP41C 组成的扩流模块进行电流扩大，采用 7107 进行电压测量式输出显示。2系统软件设计 系统软件设计是一系列能完成各种功能的程序的集合，在设计中，根据所需要完成的功能的要求，系统软件采用模块化和结构化设计方法，将实际执行模块安排在不同优先级别的中断服务程序中，而监控程序则以背景程序的形式出现。单片机汇编语言对各个模块分别编程来实现数控设计。 4四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明参考文献 1许海燕 付炎.嵌入式系统技术和应用M.北京:机械工业出版社,2002. 2林琳.消息驱动在单片机编程中的应用J.单片机与嵌入式系统应用,:. 3 MCS51 单片机原理、系统设计与应用 出版社：清华大学出版社 4 数控应用技术 出版社：化学工业出版社 作者：张志义5 单片机原理与接口技术 作者：肖金球 编著 出版社：清华大学出版社6 .机床的数字控制技术M. 王永章 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 ,1995.215-2197 现代计算机数控系统M. 冯勇. 北京:机械工业出版社,1996.327-3328 .MCS-51 单片机应用设计M(第二版)M 张毅刚 .哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,1997.9 .MCS51 单片机在普通机床数控改造中的应用J. 聂学俊10 单片机接口技术(C51 版) 作者: 张道德 出版社: 中国水利水电出版社出版年: 2007-3-1、. 11 机械原理教程 邹慧君 ； 机械工业出版社； 2001 年 10 月 12 机械设计教程 作者：刘向锋； 出版社：清华大学 13 机械制造技术基础 作 者 ：杨宗德 主编；出 版 社 ：国 防 工 业 出 版 社 ； 出 版 日 期 ： 2006-8-1 14 自动控制原理教程 作者 陈丽兰 主编 ；出版日期：2006-05 15 吴祖育. 秦鹏飞主编数控机床3.上海：上海科学技术出版社 16沈红卫. 单片机应用系统设计实例与分析.北京：航空航天大学出版社17 N. C. Singer and W. P. Seering, “Preshaping command inputs to reduce system vibration,” J.Dyn. Syst., Meas. Control, vol. 112, pp. 7682,1990.18 C. Hsieh, R. E. Skelton, and F. M. Damra, “Minimum energy con- trollers for linear discrete-time systems,” Optimal Control: Appl. Methods, vol. 10, no. 4, pp. 347366, 1989.5五、毕业论文（设计）进程安排3.123.30：领取毕业设计题目，查阅资料，完成开题报告。3.304.10：数控实验平台总体设计，对实验装置总体方案和布局进行研究。绘制总体布局图 1 张。4.104.20：二维数控实验