基于單片機的小型終端二維位移系統(tǒng)設計

劉曉偉 鄒春龍 鄧小雯 何松濤

摘?要：二維位移系統(tǒng)是許多精密設備的重要部件，廣泛應用于精密機械及自動化領域。隨著制造業(yè)對精度和效率的要求越來越高，精密激光加工設備的工作平臺、電子元件貼片機等設備對二維位移系統(tǒng)提出了小型化無線終端化新需求。本課題設計了基于單片機的二維位移系統(tǒng)，通過藍牙UART串口通信實現(xiàn)無線終端控制。系統(tǒng)可實時顯示位移和插補類型，具有限位和報警功能。測試驗證該小型無線終端位移系統(tǒng)各項工作狀態(tài)良好、精度高成本低，可推廣至大部分終端設備上并實現(xiàn)控制，具有很高的應用價值和前景。

關鍵詞：位移系統(tǒng);單片機;插補;終端

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.36.069

近幾年精密位移系統(tǒng)發(fā)展較快，其結構形式主要包括：以壓電材料作為驅動器的微動工作臺，采用雙四桿移動關節(jié)加位移放大機構，主要側重于運動解耦，動態(tài)響應速度研究。此類平臺精度處于微納米級別，但工作空間小，材料和制造成本較高，精度余量較多。另一類代表性位移系統(tǒng)，采用粗精兩級驅動形式，粗級為交流伺服電機配合精密絲杠和直線導軌進行驅動， 精驅動采用壓電陶瓷配合柔性鉸支進行驅動， 每個方向的兩級驅動共用一個計量光柵。其解決了行程和精度限制問題，但控制系統(tǒng)復雜和成本昂貴。這類系統(tǒng)大部分采用PC端控制，位移系統(tǒng)工作臺面與過程監(jiān)測距離較遠。綜上設計一種小型化無線終端化二維位移系統(tǒng)。

1?二維位移系統(tǒng)總體設計

1.1?二維位移系統(tǒng)工作臺

二維位移系統(tǒng)的機械部分，主要由絲杠、支撐滑塊、直線導軌、工作平臺、底座及聯(lián)軸器等零部件構成。底座支撐系統(tǒng)的平穩(wěn)運行;移動滑塊連接直線導軌及精密絲杠;工作平臺放置待加工元器件，其行程200mm*200mm;絲杠將角位移量轉化為軸向進給。聯(lián)軸器用于連接絲杠和伺服電機傳遞扭矩。位移工作臺如圖1所示。

1.2?控制設計及接口

本課題采用STC89C52RC單片機，運行速度高，相比同系列產品功耗和資源占用更低，抗外部干擾能力強，其指令系統(tǒng)與傳統(tǒng)的 MCS-51 單片機一致。內部結構主要分為 Flash程序存儲器、RAM 數據存儲器和 SFR 特殊功能寄存器。位移系統(tǒng)將單片機P0 口作為液晶顯示屏的數據口，連接外加排阻作為上拉，用于將要顯示的字符串寫入液晶顯示中;P1、P2、 P3口分別用于驅動控制信號的輸出連接，鍵盤控制口和雙向控制信號輸入輸出。其中P3.0 和 P3.1作為藍牙通信串口讀寫引腳，接口電路圖如圖2所示。

位移系統(tǒng)采用無線終端控制微處理器，單片機通過光耦隔離板連接伺服電機位移控制，微動開關限制位移。系統(tǒng)方案如圖3所示，UART串口中斷與手機藍牙終端通信，設置終點坐標插補類型并顯示位移。外部中斷服務函數0/1和限位微動開關，實現(xiàn)極限位置的檢測，停止進給與報警。液晶顯示屏顯示終端給定終點和位移過程等;光耦隔離板隔離控制信號防止電磁干擾，伺服系統(tǒng)連接精密絲杠控制位移。

2?終端通信設計

2.1?藍牙模塊選型

目前小型終端設備已集成較多的外接模塊，其中藍牙模塊廣泛地應用與無線數據傳輸中，其信號傳輸穩(wěn)定，抗干擾能力較強，易實現(xiàn)數據加密。藍牙模塊指集成無線藍牙通信功能的電路集合元件。系統(tǒng)采用SPP-CA藍牙模塊。該藍牙模塊支持UART串口通信和終端藍牙串口協(xié)議，其中UART-TX引腳連接RXD引腳;UART-RX引腳連接TXD引腳。

2.2?UART串口中斷控制

當藍牙模塊接收到上位機，單片機接收數據并存入SBUF暫存，接收完后，通過判斷接收起始標志位“#”，將接收字符存入藍牙暫存數組blue[i]，并開始計數字符數，當接收字符為9時，清零計數，并調用藍牙字符串拆字函數，接收字符串格式為“#（xx，yy）Z”，藍牙拆字函數chaizi（）中，將藍牙數組中的2，3，5，6位字符分別賦值給輸入數組shu_ru[]并顯示，判斷插補類型并賦值給插補類型暫存標志位flag_g_value;清零X，Y軸進給量x_jing，y_jing，并確認實際插補類型并賦值標志位flag_g，將shu_ru[]數組值賦值給終點位置x_finish，y_finish;調用象限判斷函數，啟動T0定時器中斷，調用進給判斷函數，工作臺進給，流程如圖4所示。

3?系統(tǒng)測試驗證與結論

該位移系統(tǒng)通過藍牙UART串口通信實現(xiàn)無線終端控制，可實時顯示工作臺位移和實時插補類型，具有限位和報警功能，如圖5（a）和（b）所示。按照位移系統(tǒng)的功能要求，測試工作臺的插補功能和位置精度。測試過程圖5（c）和（d）：工作臺由起點位置（0，0），經直線插補（0，0）->（0，40），后進行圓弧插補（0，40）->（40，0），直線插補（40，0）->（40，40），到對角線位置，最后由斜線插補（40，40）->（0，0），回到起點位置（0，0），開環(huán)精度<1mm。位移系統(tǒng)上位機可擴展至手機、平板等終端設備，二維位移系統(tǒng)功能完善，可用于小型精密儀器設備，在精密制造測量等領域具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]曹瑞珉，郝麗娜，高金海，等.一種大工作空間密度的壓電微動二維工作臺設計[J].中國機械工程，2017，28（09）：1016-1020+1028.

[2]吳從焰，潘效龍，張曉峰，等.二維解耦微位移工作臺的設計與有限元分析[J].機械設計與制造，2014，（10）：67-68+72.

[3]王生懷，謝鐵邦，王選擇，等.大行程納米級二維位移工作臺[J].機械設計與制造，2008，（08）：133-135.

[4]胡冰梅. 高剛度大載荷精密二維定位工作臺關鍵技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013.

[5]丁明亮，唐前輝.51單片機應用設計與仿真：基于Keil C與Proteus[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009-05-07.

[6]王生懷，徐風華，陳育榮，等.一種表面結構多尺度融合測量系統(tǒng)[J].中國機械工程，2018，29（06）：705-711+719.

[7]張山，王雷，呂英俊，等.工作臺各速度段激光直寫二元圖案[J].光學精密工程，2018，26（03）：531-540.

[8]張耀娟，楊克，郭興杰，等.五軸聯(lián)動數控磨床直線進給機構靜力學分析[J].機床與液壓，2017，45（01）：142-145.