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(shè)備的重要部件，廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械及自動(dòng)化領(lǐng)域。隨著制造業(yè)對(duì)精度和效率的要求越來(lái)越高，精密激光加工設(shè)備的工作平臺(tái)、電子元件貼片機(jī)等設(shè)備對(duì)二維位移系統(tǒng)提出了小型化無(wú)線終端化新需求。本課題設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的二維位移系統(tǒng)，通過(guò)藍(lán)牙UART串口通信實(shí)現(xiàn)無(wú)線終端控制。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示位移和插補(bǔ)類(lèi)型，具有限位和報(bào)警功能。測(cè)試驗(yàn)證該小型無(wú)線終端位移系統(tǒng)各項(xiàng)工作狀態(tài)良好、精度高成本低，可推廣至大部分終端設(shè)備上并實(shí)現(xiàn)控制，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和前景。

關(guān)鍵詞：位移系統(tǒng);單片機(jī);插補(bǔ);終端

中圖分類(lèi)號(hào)：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jié)構(gòu)形式主要包括：以壓電材料作為驅(qū)動(dòng)器的微動(dòng)工作臺(tái)，采用雙四桿移動(dòng)關(guān)節(jié)加位移放大機(jī)構(gòu)，主要側(cè)重于運(yùn)動(dòng)解耦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度研究。此類(lèi)平臺(tái)精度處于微納米級(jí)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(lèi)代表性位移系統(tǒng)，采用粗精兩級(jí)驅(qū)動(dòng)形式，粗級(jí)為交流伺服電機(jī)配合精密絲杠和直線導(dǎo)軌進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 精驅(qū)動(dòng)采用壓電陶瓷配合柔性鉸支進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 每個(gè)方向的兩級(jí)驅(qū)動(dòng)共用一個(gè)計(jì)量光柵。其解決了行程和精度限制問(wèn)題，但控制系統(tǒng)復(fù)雜和成本昂貴。這類(lèi)系統(tǒng)大部分采用PC端控制，位移系統(tǒng)工作臺(tái)面與過(guò)程監(jiān)測(cè)距離較遠(yuǎn)。綜上設(shè)計(jì)一種小型化無(wú)線終端化二維位移系統(tǒng)。

1?二維位移系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1?二維位移系統(tǒng)工作臺(tái)

二維位移系統(tǒng)的機(jī)械部分，主要由絲杠、支撐滑塊、直線導(dǎo)軌、工作平臺(tái)、底座及聯(lián)軸器等零部件構(gòu)成。底座支撐系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行;移動(dòng)滑塊連接直線導(dǎo)軌及精密絲杠;工作平臺(tái)放置待加工元器件，其行程200mm*200mm;絲杠將角位移量轉(zhuǎn)化為軸向進(jìn)給。聯(lián)軸器用于連接絲杠和伺服電機(jī)傳遞扭矩。位移工作臺(tái)如圖1所示。

1.2?控制設(shè)計(jì)及接口

本課題采用STC89C52RC單片機(jī)，運(yùn)行速度高，相比同系列產(chǎn)品功耗和資源占用更低，抗外部干擾能力強(qiáng)，其指令系統(tǒng)與傳統(tǒng)的 MCS-51 單片機(jī)一致。內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分為 Flash程序存儲(chǔ)器、RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 SFR 特殊功能寄存器。位移系統(tǒng)將單片機(jī)P0 口作為液晶顯示屏的數(shù)據(jù)口，連接外加排阻作為上拉，用于將要顯示的字符串寫(xiě)入液晶顯示中;P1、P2、 P3口分別用于驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的輸出連接，鍵盤(pán)控制口和雙向控制信號(hào)輸入輸出。其中P3.0 和 P3.1作為藍(lán)牙通信串口讀寫(xiě)引腳，接口電路圖如圖2所示。

位移系統(tǒng)采用無(wú)線終端控制微處理器，單片機(jī)通過(guò)光耦隔離板連接伺服電機(jī)位移控制，微動(dòng)開(kāi)關(guān)限制位移。系統(tǒng)方案如圖3所示，UART串口中斷與手機(jī)藍(lán)牙終端通信，設(shè)置終點(diǎn)坐標(biāo)插補(bǔ)類(lèi)型并顯示位移。外部中斷服務(wù)函數(shù)0/1和限位微動(dòng)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)極限位置的檢測(cè)，停止進(jìn)給與報(bào)警。液晶顯示屏顯示終端給定終點(diǎn)和位移過(guò)程等;光耦隔離板隔離控制信號(hào)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(shè)計(jì)

2.1?藍(lán)牙模塊選型

目前小型終端設(shè)備已集成較多的外接模塊，其中藍(lán)牙模塊廣泛地應(yīng)用與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸中，其信號(hào)傳輸穩(wěn)定，抗干擾能力較強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密。藍(lán)牙模塊指集成無(wú)線藍(lán)牙通信功能的電路集合元件。系統(tǒng)采用SPP-CA藍(lán)牙模塊。該藍(lán)牙模塊支持UART串口通信和終端藍(lán)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(dāng)藍(lán)牙模塊接收到上位機(jī)，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)并存入SBUF暫存，接收完后，通過(guò)判斷接收起始標(biāo)志位“#”，將接收字符存入藍(lán)牙暫存數(shù)組blue[i]，并開(kāi)始計(jì)數(shù)字符數(shù)，當(dāng)接收字符為9時(shí)，清零計(jì)數(shù)，并調(diào)用藍(lán)牙字符串拆字函數(shù)，接收字符串格式為“#（xx，yy）Z”，藍(lán)牙拆字函數(shù)chaizi（）中，將藍(lán)牙數(shù)組中的2，3，5，6位字符分別賦值給輸入數(shù)組shu_ru[]并顯示，判斷插補(bǔ)類(lèi)型并賦值給插補(bǔ)類(lèi)型暫存標(biāo)志位flag_g_value;清零X，Y軸進(jìn)給量x_jing，y_jing，并確認(rèn)實(shí)際插補(bǔ)類(lèi)型并賦值標(biāo)志位flag_g，將shu_ru[]數(shù)組值賦值給終點(diǎn)位置x_finish，y_finish;調(diào)用象限判斷函數(shù)，啟動(dòng)T0定時(shí)器中斷，調(diào)用進(jìn)給判斷函數(shù)，工作臺(tái)進(jìn)給，流程如圖4所示。

3?系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)論

該位移系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙UART串口通信實(shí)現(xiàn)無(wú)線終端控制，可實(shí)時(shí)顯示工作臺(tái)位移和實(shí)時(shí)插補(bǔ)類(lèi)型，具有限位和報(bào)警功能，如圖5（a）和（b）所示。按照位移系統(tǒng)的功能要求，測(cè)試工作臺(tái)的插補(bǔ)功能和位置精度。測(cè)試過(guò)程圖5（c）和（d）：工作臺(tái)由起點(diǎn)位置（0，0），經(jīng)直線插補(bǔ)（0，0）->（0，40），后進(jìn)行圓弧插補(bǔ)（0，40）->（40，0），直線插補(bǔ)（40，0）->（40，40），到對(duì)角線位置，最后由斜線插補(bǔ)（40，40）->（0，0），回到起點(diǎn)位置（0，0），開(kāi)環(huán)精度<1mm。位移系統(tǒng)上位機(jī)可擴(kuò)展至手機(jī)、平板等終端設(shè)備，二維位移系統(tǒng)功能完善，可用于小型精密儀器設(shè)備，在精密制造測(cè)量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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