单片机与PC机连接步进电机毕业设计论文.docx
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单片机与PC机连接步进电机毕业设计论文
论文摘要
以单片机为基础，从最简单的数控到最先进的计算机数控，对数控作一系统地演示，完成简易数控绘图功能。
本系统单机运行实现基本的数控思想;系统与思想。
让学生对数控技术和数控知识有一系统的认识，彻底理解、掌握数控思想。
系统单机运行及与PC机联机运行。
按照从PC机上接收到的信息完成任务。
该系统配备了两套与PC机的通信接口，即并口和串口通信。
以实验条件和方便为宜选择其一。
在单机运行的情况下以十进制BCD拔盘作为输入设备，既符合人们的认知习惯又简捷直观。
并配有七段数码管显示器，以便在执行的过程中显示运行状况。
以软件实现插补，送出进给脉冲驱动步进电机运行，并经机械转换装置转换为X,Y两轴构成的平面绘图系统。
并探讨了一种均匀脉冲插补方法。
关键字:
数控单片机步进电机通信插补显示
Abstract
DisplayingtheNCbythenumbersbasedonSCMfromthesimplestNCto
theadvantestCNCtorealizetheNCplottingfunction.TheradicalNCthoughtrealizedbythissystemitselfrunning:
CNCthoughtrealizedbyitsrunninglikedwithPC.LetstudentshaveasystemiccongnitiontoNCtechnicianknowledgecompletelyunderstandandmasttheNCthought.
ThesystemrunssinglyalsoactsastheinformationgettingfromPCwhilelinkedwithPC.ThissystemwasequippedtwosetsofcommunicationinterfacewithPC,theserialandparallelinterface,selectoneofthemaccordingtotheexperimentconditionandconvenience.Thesystemrunsbyitself,itsinputtingdeviceisdecimalBCD（Binary-CodedDecimalnotation）codeturnplatebecausethedevicenotonlyaccordingwithpeople'scognitivehabitbutconciseandintuitionist.Thesystemequippedwithdisplay—sevenfragmentsLED（LowEmittingDiode），displayingtheworkingstatewhilesystemrunning.Thefeedingpulse，sendoutfromthesoftwareinterpolationtodrivestepelectricmotor，andtransformedthroughthemachinetransformdevicetomakeupoftwocoordinates（XandY）plane.plottingsystem.Inaddition，probingintoakindoftheevenpulseinterpolationmethod.
KeyWords:
numbercontrol（NC），singlechipmicroprocessor（SCM），step
electricmotor，communication,interpolation，display
1综述
1.1计算机数控系统的基本概念
1.1.1概述
（1）计算机数控的基本概念
数字控制（（NumericalControl）是近代发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信息去控制运动及生产过程的一种方法，简称数控（NC）。
数控机床就是采用了数控技术的机床，或者说装备了数控系统的机床。
国际信息处理联盟（IFIP）第五次技术委员会对数控机床作了如下定义：
数据机床是一个装有程序控制系统（数据系统）的机床。
该系统能逻辑地处理具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序。
随着计算机技术的发展，人们将微机应用于机床控制系统，出现了计算机数字控制（ComputerNumericalControl）机床，简称CNC机床。
CNC机床是集计算机技术、自动化控制、精密测量和机械学等方面的最新成就而发展起来的典型的机电一体化产品。
是计算机控制在机械中的具体应用，是机械自动化控制的飞跃。
CNC机床与普通机床的主要区别在于，CNC机床采用专用或通用的计算机控制，系统软件常驻内存，系统加工程序可以输入到内存中。
只要改变计算机的控制软件就可以实现一种新的控制方式。
即是将零件加工过程的中的各种操作，以及刀具与工件之间的相对位移，由预先编制的程序输入到数控装置，数控装置发出各种控制指令控制机床，由机床自动加工出所需要的工件。
（2）数控技术的发展:
在市场竞争激烈的情况下，高质量，高效益和多品种小批量柔性生产方式已是现代企业生产与发展的必要条件。
传统的加工设备和制造方法已难以适应市场竞争的要求。
因此，自1952年第一台数控机床问世到如今的40多年中，以电子信息技术为基础，集传统的机械制造技术，计算机技术，成组技术与现代控制技术，传感检测技术,信息处理技术,网络通信技术，液压气动技术，光机电技术于一体的数控技术得到迅速发展和广泛应用，使得普通机械逐渐被高效率，高精度的数控机械所代替，从而形成了巨大的生产力，导致制造业发生了根本性的变化。
特别是相继出现的加工中心（MC,MachiningCenter），直接数字控（DNC,DirectNumericalControl）系统，柔性制造系统（FMS,FlexibleManufacturingSystem），计算机集成制造系统（CIMS,ComputerintegratedManufacturingSystem），智能制造系统（IMS,IntelligentManufacturingSystem）等，进一步说明，数控技术已成为现代制造技术的基础，其水平高低和拥有量多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。
数控技术的发展经历了两个大的阶段。
第一数控阶段（1952-1970年）由于早期计算机运算速度低，对于科学记数和数据处理的影响还不大，但不能适应车床实时控制的需要，人们不得不采用数字逻辑电路来搭一台数控专用计算机为形成数控系统，被称为硬件数控（HARDWARENC）简称数控。
随着元器件由晶体管发展到了小规模集成电路。
计算机数控发展到了它的第二阶段（1970--现在）也就是计算机数控阶段。
1970年以小型计算机批量生产为标志，进入了计算机数控阶段。
因为小型计算机的运算速度比以前有较大幅度的提高。
使用小型计算机比专用计算机成本低、可靠性高，于是将它成为数控系统的核心部件.随着计算机技术的发展计算机数控也可以分为三个阶段:
即1970年第四代--小型计算机;1974年第五代--微处理器;1990年第六代--基于PC。
纵观现代数控技术的发展，经历了直接数字控制（DNC）到如今的计算机数字控制（CNC）其主要朝着开放式、智能化、高速度、高精度的方向发展。
①开放式:
基于PC所具有的开放式、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控厂家会走这条路。
至少采用PC机作为前端机，来处理人机界面、编程、网络通讯等问题，而由原有的系统承担数控任务。
起初CNC在国外如SIEMENS和FANUC，它们的产品大多都是基于专用的计算机而不是基于通用的PC或IPC。
为了增加其产品的竞争能力，主要是增加其产品与其它厂家产品的兼容性，他们也逐渐向基于通用PC或IPC的方向靠拢。
目前日本、美国和欧盟等针对开放式的CNC,在进行前后台标准的研究。
因为有了开放式的基础，可供利用的软硬件资源极为丰富。
使得数控功能相应的得到扩充。
凡是在PC机上可以运行的软件如:
CAD,CAM,CAPP、工厂级、车间级生产调度管理软件等，在第六代数控系统中都可以运行。
凡在PC机上可以插入的硬件模块如:
网卡、软盘驱动器等和可以连上的外部设备如:
打印机、扫描仪等，在第六代数控系统中也都可以接入或接上。
同时还使得维修和维护非常容易，所有的备件在市场上都轻易可以买到而且价格也比较便宜。
开放式的体系结构使得CNC系统的升级换代比较容易。
②向高速化和高精度的方向发展。
要求数控系统高速处理并计算出伺服电机的位移量，并要求伺服电机能够高速地做出反应。
为使在极短的时间内达到高速度并能够在高速行程下保持高定位精度，必须具备高加、减速度高精度的位置检测系统和伺服品质。
并行计算机的出现为数控系统向着高速化的方向发展提供了硬件支持。
在并行计算机上可以通过对数控程序的预先处理，从而使得系统能够提前了解数控程序的未来走向，而能够提前调整当前的加工速度等参数，从而能够使得系统在整个加工过程达到一个最优状态。
为了提高机床的加工速度，必须提高测量元件和测量系统的精度，不同的机床对测量元件测量系统的精度不同，一般情况下，要求测量元件的分辨率在0.0001--0.0lmm之间，运动速度为24m/min。
由于位置测量系统的特殊工作环境，数控机床对测量系统有如下要求:
A:
受温度、湿度影响小，工作可靠、能长期保持测量精度，抗干扰能力强;
B:
在机床部件移动范围内、能满足测量精度和速度的要求;
C:
便于维护和使用;
D:
成本低。
③向智能的方向发展。
随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。
A:
应用自适应控制技术。
数控系统能够检测过程中一些重要的信息并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。
B:
引入专家系统指导加工。
将熟练工人和专家的经验，加工的一般和特殊规律存入系统，以工艺参数数据为职称，建立具有人工智能的专家系统。
当前已经开发出模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网络电火花加工数控系统。
C:
引入故障诊断专家系统。
现代通讯技术特别是网络技术的发展为数控系统远程诊断提供了强大的技术支持。
D:
智能化数控伺服驱动装置。
可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行状态。
E:
编程自动化，现代的CNC系统中大多采用自动编程而非手工。
所谓手工编程，意味着编程中的工艺处理、数学处理、程序单编写、纸带穿孔和程序校验都由人工完成。
而在现代的CNC系统中，自动编程在很大程度上将人工完成的工作交给计算机及其外部设备来完成。
这是提高编程效率和质量的重要手段，甚至是编制某些程序的唯一的手段。
目前，在编程的各项工作中除工艺处理仍由人工来完成外，其余的工作包括数学处理、编写程序单、纸带穿孔、程序校验等各项工作均已通过自动编程达到了较高的计算机处理程度。
相信随着自动编程语言、数控工艺技术的成熟，计算机在工艺处理阶段必将越来越多的发挥作用。
成功的工艺经验将大量的纳入自动编程系统，供用户选择甚至代替用户抉择，自动编程系统将越来越体现专家色彩。
目前，由于计算机技术在各个领域的渗透和广泛应用。
机械制造工业正经历着第三次历史性的技术改造。
这次改造的特征是“工厂自动化”。
本世纪七十年代中期，各先进工业国家开始广泛使用数控机床和可以自动换刀的加工中心。
揭开了第三次技术改造的序幕，这次技术改造包括三个阶段。
A:
数控机床与加工中心的广泛应用，目前已经基本结束。
B:
柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS）的应用。
C:
计算机集成制造系统（CIMS）的应用。
不难发现无论在第三次技术改造的这个阶段，数控机床都发挥着举足轻重的作用，特别是在它的后两个时期，要求机床有较高的自动化程度以满足“长时间无人看管”的需要，而具有以上各个特点CNC系统恰恰满足了数控技术改造的需要，同时CNC也是数控技术改造的产物。
可以预料随着第三次数控技术改造的不断深入和计算机技术、电子信息技术、网络技术等的发展所提供的强大支持，数控系统的自动化程度也将不断的提高，而使机械制造业的面貌发生更为深刻的变化。
（3）数控机床的优点:
数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它有效的解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能适应各种机械产品迅速更新换代的要求，经济效益显著，具体表现在以下几个方面:
①生产效益一般比普通机床提高3--5倍，多的可达8--10倍。
减少刀具和夹具的存储和花费，减少零件的库存和搬运次数。
减少工装，减少人为误差，提高加工精度，零件重复精度高，互换性好。
②缩短新产品的试制和生产周期（当零件设计改变时，只需改变零件程序），易于组织多品种生产，使企业能对市场需要迅速做出响应。
③能加工传统方法不能加工的大型复杂零件。
④有利于产品质量的控制，生产便于管理。
⑤减轻了劳动强度，改善了劳动条件，节省人力，降低了劳动花费。
（4）国外在开放性体系结构方面的研究进展
①美国的NGC和OAMC计划
下一代工作站机床控制器该项目由美国国防制造科学中心（NCMS）与空军共同领导。
由MartinMarietta公司为主承包公司，于1989年开始实施。
NGC是一个实时加工控制器和工作站控制器，要求适用于各种机床的CNC控制和周边装置的过程控制，包括切削加工、非切削加工、测量装配、复合加工等。
NGC于1994年完成了原型研究，并已转入工业开发应用。
例如美国的Ford,GM和Chrysler等公司在NGC计划的指导下，联合提出了OMAC（OpenModularArchitectureController）开发计划，定义了系统基石基础框架，信息库管理、任务调度、人机接口、运行控制、传感器接口等，构成完整体系结构。
该计划的实现将使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、降低开发费用、便于系统集成和二次开发、监护系统使用和维护等方面受益。
又如DELTA,TAU公司利用NGC和OMAC协议，采用PC机和PMAC控制卡构成的PMAC开放式CNC系统，获得了良好的应用效果。
PMAC卡与PC卡之间有双端口、总线、串口等信息交换方法,PMAC卡还提供丰富的人机接口、电机控制口，能进行交、直流电机的闭环控制。
②欧共体的OSACA计划
自动化系统中开放式体系结构OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystem）是1990年由德国、法国、西班牙、意大利、瑞士等欧共体国家系统制造厂、机床制造厂和科研单位联合发起的。
该计划是针对欧盟的机床正从量大的通用机床向量小的专用机床发展，而CNC通用系统的大部分功能对专用机床冗余、却不具备专用机床的特殊功能之一现实提出的。
其目标是开发出开放性的CNC系统，允许机床厂对机床修改、补充、扩展、裁减以适应不同用户的需要。
OSACA计划提出由一系列逻辑上相互独立的控制模块组成开放式数控系统，这一模块之间以及它们与数控平台之间有良好的接口协议。
OSACA一期工程已于1995年结束，并进入实用阶段，目前OSACA计划的第二期已经启动。
③日本的OSEC计划
OSEC（OpenSystemEnvironmentforController）计划是日本国际机器人和工厂自动化研究中心建立的开放式数控委员会的倡导下，由3个机床厂、1个系统厂和2个信息公司发起的。
其目的是开发基于PC平台的、具有高性能价格比的开放式体系结构的新一代数控机床
（5）发展前景:
由于机床能和计算机相连，使加工机床具有了真正的柔性，只有操作人员编出相应的程序，计算机发出指令，机床便可加工出不同类型的零件，完成以前需要几台机床完成的工作。
而且整个加工过程可通过软件在计算机上显示出来，可大大提高加工的正确性和精确度，所以CNC机床具有广泛的应用前景，随着计算机技术的日新月异，CNC机床将显示出无可比拟的优越性，成为机械加工的主流。
（6）选题的意义:
针对当今计算机数控技术的发展，为了进一步缩小我国在数控方面与当今先进水平的差距，改善数控教学的现有实验环境，填补我院在CNC系统的空白，结合我系的实际情况提出了对我系的现有数控实验系统进行改造的想法，以最简洁的方式解释数控概念，以最直观的操作、演示实现数控思想。
并通过单片机与微机的通信，实现计算机数控。
让学生理解并掌握数控方法，为进一步学习数控知识和数控系统开发打下坚实的基础。
（7）研究方法
本系统是一个由单片机组成的步进电机控制系统，能分别控制两个步进电机，实现平面绘图功能。
开机检查功能;十进制键盘输入，十进制数码管显示;升降速及快速定位;限位保护;十种速度等级设定;本系统采用模块设计方法，扩展性和移植性好，操作很方便。
可构成一个简易数控系统，适用于各类定长（步）及X,Y的定点（位）控制等的控制。
如数控钻，车床进给，X,Y机器人，定长器等。
不需编写电脑程序，只须几个简单的输入步骤即可完成各种动作。
控制器性能:
1、可输入大约80段直线信息或50段圆弧信息;2:
步数（65536步），正/反转:
3、速度达10级控制。
4、绘制直线和圆弧:
5限位保护。
硬件部分:
系统单机运行以及与PC机通信。
按照从PC机上接收到的信息完成任务。
该系统配备了两套与PC机的通信接口，即并口和串口通信。
以实验条件和方便为宜选择其一。
在单机运行的情况下以十进制BCD拔盘作为输入设备，既符合人们的认知习惯又简捷直观。
并配有七段数码管显示，以便在执行的过程中显示运行情况。
利用计算机的打印机端口进行并行通信。
这种方法与传统的利用串行口和利用计算机扩展槽的方法有较大的优点:
电路简单、数据传输速度高等优点，但传输距离短。
软件部分:
以软件实现插补，送出进给脉冲驱动步进电机运行，并经机械转换装置转换为X,Y两轴的平面直线、圆弧运动，绘出所要求的图形。
探讨了一种脉冲均匀插补方法。
另外还有系统检查部分，以检查电机是否正常。
1.2数控系统的组成
1.2.1计算机数控系统的组成（如图1-1）
CNC机床一般由输入/输出设备，CNC装置（或称CNC单元），伺服电机，驱动装置（或称执行机构），可编程控制器PLC及电器装置，辅助装置，机床本体及测量装置组成。
①输入/输出设备:
CNC机床在进行加工前，必须接收由操作人员输入的加工程序，然后才能根据输入的加工程序进才加工控制，从而加工出所需的零件。
CNC系统中必须具备必要的交互设备，即输入/输出设备，除键盘，磁盘，磁带和穿孔带外，还可以用串行通信的方式输入。
②CNC装置:
CNC装置是CNC系统的核心，这一部分主要包括微处理器CPU、存储器、局部总线，外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口等。
其本质是根据输入的数据段插补出连续的运动轨迹，然后输出到执行部件（伺服单元，驱动装置和机床），加工出需要的零件。
因此，输入、轨迹插补和位置控制是CNC装置的3个基本部分（即一般计算机的输入--决策--输出3个方面）。
而所有这些工作是CNC装置内的系统程序（亦称控制程序）进行合理的组织，使整个系统有条不紊的进行工作。
③伺服单元:
伺服单元接收来自CNC装置的进给指令，经变换和放大后通过驱动装置转变成机床工作台的位移和速度。
因此伺服单元是CNC和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。
根据接收指令的不同伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。
④驱动装置:
驱动装置把放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床工作台，使工作台精确定位或规定轨迹作严格的相对运动，最后加工出符号图纸要求的零件。
和伺服单元相对应，伺服装置有步进电机，直流伺服电机和交流伺服电机等几种。
伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的主要组成部分。
从某种意义上说，如数控机床功能的强弱主要取决于CNC装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。
⑤可编程控制器（PLC）:
可编程控制器是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。
它采用可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器都应易于构成一个工业系统，易于扩展其功能的原则设计。
CNC和PLC谐调配合共同完成数控机床的控制，其中CNC主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑。
插补运算，译码，位置伺服控制等，PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受CNC的控制代码:
M（辅助功能），S（主轴转速），T（选刀，换刀）等顺序动作信息，它还接受机床操作面板的拾令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC用于加工过程的控制。
⑥机床本体:
CNC机床中除了由于切削用量大，连续加工发热多等影响加工精度外，并且由于是自动控制，在加工中不像普通机床上那样能由人工进行补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密。
⑦测量装置:
测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令值比较产生误差信号以控制机床向消除该误差的方向移动。
1.3计算机数控系统的硬件
1.3.1NC装置的硬件构成
CNC系统由程序输入与输出设备、通信设备、CNC装置、PLC、伺服驱动装置、测量装置、辅助装置等组成。
其中CNC装置是数控系统的核心部分、它由硬件和软件两部分构成，软件在硬件的支持下工作，离开了硬件，软件便无法工作，因而硬件的构成在很大程度上决定了CNC系统的性能。
反之，硬件构成数控对象所需的CNC功能决定，因而在设计CNC硬件时必须从CNC功能出发。
下面结合本系统的功能要求给出其硬件结构，如图1-2所示:
（1）计算机部分
计算机是CNC装置的核心，主要包括微处理器和总线、存储器、外围逻辑电路等。
这部分硬件主要是对数据进行算数和逻辑运算、存储系统程序、零件程序和运算的中间变量以及管理定时和中断信号等。
CPU主要完成信息处理，包括控制和运算两部分。
控制任务根据系统要实现的功能而进行协调、组织和指挥工作，既获取信息，处理信息和发出命令。
包括对零件加工程序输入输出的控制，对机床加工现场状态信息的记忆控制，保证CNC系统内部工作的协调。
（2）通信电路
在整个CNC系统中计算机与单片机的关系是上、下位机的关系。
主要的数据处理包括数控代码的编译、插补处理、刀位计算,计算等功能都是由计算机完成的。
单片机完成的主要功能是控制步进电机的运动和各种开关量的控制。
当计算机完成数据处理后，必须将处理后的数据传送给单片机。
而单片机也要及时将当前的加工信息回传给计算机以便计算机更好协调整个系统的运行。
使整个系统工作在一个最优状态。
这样就必须为数据在两者之间的传送提供一个信息通道。
CNC系统中的通信电路就是为完成这一功能而设计的，充当了
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