基于单片机的XY轴步进运动控制装置设计（全套含CAD图纸）
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购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 书 分类号： 密 级： 毕业设计 (论文 ) 基于单片机的 步进运动控制装置 N Y 生姓名 学院名称 专业名称 指导教师 20*年 5 月 27 日 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 摘 要 本文主要是关于两维步进单片机控制工作台的控制部分的研究。主要的任务就是用单片机实现两个步进电机的正反转和速度的控制。 单片机控制的 作台系统可以设计为开环，半闭环和闭环伺服系统三种。本设计采用开环伺服系统， 通过单片机控制步进电动机的驱动，经传动机构动带动工作台的运动。机械结构设计首先根据工作台的最大载荷，选取导轨副，设计工作台，然后进行结构设计，受力分析，转矩计算，画出工作台的装配草图，再选择步进电动机的型号，进而设计滚珠丝杠，最后设计出 作台，画出其装配图。 关键词 ； 步进电机； 脉冲当量； 装配图 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I of CM is to XY by be as by CM by it is to by Y XY 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 录 摘 要 . 绪论 . 1 言 . 1 设计主要任务 . 2 2 方案原理设计 . 3 控工作台研究现状 . 5 控工作台的现状与发展 . 5 进电机的现状与发展 . 6 片机的现状与发展 . 7 统总体方案 . 8 械系统 . 9 控制系统方案 . 12 控制方案选择 . 13 服系统设计 . 14 3 作台设计 . 15 作台结构设计概述 . 15 杠的选择 . 15 珠丝杠设计总述 . 15 珠丝杠特点 . 15 计和使用滚珠丝杠应注意以下问题 . 16 动丝杠支承的选择 . 17 3 1 支承方式的选择 . 17 承的选择 . 17 承的选择 . 18 承的润滑与配合 . 18 选联轴器类型 . 19 轨材料的选择及热处理 . 20 轨材料选择 . 20 3 2 导轨的热处理 . 20 座的设计 . 21 座自身刚度 . 21 高机座连接处的接触刚度 . 21 4 控制系统设计 . 22 件设计 . 22 件结构 . 22 步进电机 . 23 理器选择 . 29 键盘接口电路设 计 . 32 显示部分设计 . 34 报警电路设计 . 38 单片机与 通信设计 . 39 件系统设计 . 42 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 V 件结构设计 . 43 统的程序流程 . 45 语言程序设计 . 53 结论 . 57 致谢 . 58 参考文献 . 59 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 绪论 言 随着科学技术不断的发展，数控工作台的越来越广泛的应用在各种加工场合，其中包括 用于焊接 、安装、 点胶 、 打孔 、 包装 、 取料等各类位置控制设备 和加工设备 的应用 等。同时，由于数控工作台的巨大的市场前景和应用价值，科技工作者对工作台的研究、开发从来没有间断过，并且新产品或性能改进的产品大量出现。为了满足不同工作场合和工作条件的要求，市场上已经出现了种类多样、性能先进的工作台。例如，广泛用于普通画线用的二维工作台、具有防 静电功能的防静电工作台、可用于分度回转工作台、用于高精度的加工的纳米微动工作台等等。 随着人类的进步，越来越多并且越来越好的工作台将会被制造出来，来满足生产发展的需求。装备制造业的技术水平和现代化设计、制造的程度决定着整个国民经济的水平和现代化进程的程度 ,尤其数控技术、高端精密加工技术、极端加工技术及装备制造是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。所谓的数控技术，就是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对 传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 没想到大学四年过的会如此轻快，载不知不觉中突然发现四年就这么过去了。我将披着母校赋予我的建设社会的使命，奋进在普普通通却有极其重要的工作岗位上。在充实的大学四年中，我学得了好多专业知，其中包括机械设计制造及其自动化的相关知识，机械电子方面的相关知识。通过四年刻苦努力、坚韧认真的学习，我对本专业的基本知识有了很扎实的掌握和系统深入的学习，尤其是机械测绘、数控机床及其技术、 机原理、机械原理、机械设计及机械制造工艺学等相关 的专业课的专业知识，我受益匪浅。在这里要特别提到的是机电产品的控制和设计与制造方面，尤其是机械制造工艺学单片机与 对机电产品的控制与设计制造方面具有了更深入的了解，该课程设计不但是对我所学课程最好的检验，同时也让我意识到自身的许多不足之处。相对应现在的毕业设计，那时候的课程设计太过于简单，涉及的知识也不够全面、不够深入，所以这次的毕业设计 基于单片机的 步进控制装置设计对我及其重要，不但能够使我更扎实深入的学好相关专业的知识，更是对我将来工作及其发展具有及其重要的意义，我一定要努力圆满 的完成该毕业设计。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 设计主要任务 运动控制系统是数控加工的关键环节，是数字控制的直接对象，被加工工件的最终坐标位置精度和轮廓精度都与传动结构有关。脉冲当量是 进速度是 1000mm/X 轴行程： 200Y 轴行程： 230他参数自定。合理设计进给系统的结构；完成进给部件（包含滚珠丝杠螺母副、燕尾槽导轨、导轨防护罩等）的结构设计及总图和零件图；完成主传动系统的设计计算；完成二万字的毕业论文及 5000 字的译文。合理设计 进给的结构；完成 进给部件（包含齿形带传动；滚 珠丝杠螺母副、燕尾槽导轨、导轨防护罩等）的结构设计及总图和零件图；完成基于单片机控制系统设计与计算。根据步进运动控制装置的结构特点，在充分论证的基础上制定基于单片机 步进运动控制的控制部分后后，根据所学的机械设计和机械电子领域的相关理论知识，设计出结构紧凑、性能良好、操作简单、性价比高步进控制装置。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 方案原理设计 控工作台研究现状 控工作台的现状与发展 （ 1）数控工作台的研究现状 在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国 数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 （ 2） 数控工作台的研究意义： 工作台是机床上必不可少的部件，因此工作台的设计具有重要意义，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。 X Y 数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。降低成本，是微机控制技术的最简单的应用，它充分的利用了微机的软硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和劳动生产率，而且能有效的适应多品种，小批量的市场经济的需要，使之更有效的发挥经济效益 和社会效益。 （ 3）数控工作台的发展 一个国家的繁荣与其先进制造业密切相关，然而制造是离不开先进机器作为辅助，机床包括床身、立柱、工作台、进给机构等机械部件。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的 X Y 工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液旅驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的 关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国 在 工作台 的研究开发方面 也 取得了长足的进步 。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。例如：我国生产机床工作台的公司之一的烟台恒力数控机床附件有限公司生产的它可以实现 用于数控机床和加工中心机床上，可 利用原机床的两个控制坐标控制转台的回转和倾斜，也可 直接利用本转台配套的数控装置与机床联接完成所需的工作循环。它可以完成任意角度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并可达到较高的精度。另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上，独立完成等分和不等分的角度分度工作 。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国 。 进电机的现状与发展 步进电机最早是在 20 年代由英国人所开发。 20 年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。 （ 1）步进电机的分类 步进电机依其构造上的差异可分为三大类： 可变磁 阻式（ ）： 转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为 15。 永久磁铁式（ ）： 转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转子材质区分，其步进角有 45、 90及 15、 18等几种。 混和式（ ）： 转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，兼有可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。 （ 2）步进电机的历史 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 步进电机在我国已有几十余年的生产史，近几年，大规模集成电路及计算机技术的发展，进一步推动了步进电机的技术进步和广泛应用，据统计，全世界步进电机的年产量已达一亿多台，市场销售量占世界微电机销售总量的 %左右。 步进电机的发展依赖计算机外设和办公自动化机械的发展。我国计算机工业虽然起步晚，但经过三十年的努力，已经初具规模。我国早在六十年代中期开始致力于步进电机的研究和开发， 直到 20 世纪 80 年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是 8 0 年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存 。尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角 （ 0 ） 与典型的磁阻式电动机的步距角 （ 不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。这种现状对步进电动机的发展是不利的 。 （ 3）步进电机的发展趋势 ： 小型化、高精度 计算机外部设备趋向小型，也就要求永磁式和混合式步进电机向小机座号发展，目前直径为 39、 42的 7 步进电 机使用就较多。 电机与线路一体化 机电一体化的步进电机更受到用户的欢迎，虽然控制线路的成本比较高，但与电机组成一体化产品后更便于整机使用。 多功能 新一代的磁盘与光盘需要具有两个自由度的圆柱式步进电机，直接完成横向运动和旋转运动两个功能，这种产品在日本电话电信公司已有产品。另外，美国已推出带电传感器的步进电机，能自检位置和转速。 直线小步距、高分辨率 据日本和欧美国家报道，此类步进电机已制成步距为 米，在 40 英寸 /秒的线速度下产生 50 磅推力，分辨率达 12500 步 /英寸，定位精度为 寸。 新结构、新材料、新技步进电机总的发展趋向是增大出力、提高精度、改善动态特性，为此已出现一种盘式、轴向气隙的新结构步进电机。同时，还在研究采用如高磁能积的铁氧体、稀土、压电等新材料。 片机的现状与发展 随着目前微电子技术的发展，技术工艺的不断提高，单片机技术也有了长足的进步。 单片机在最近几年中得到了极大的发展，目前世界范围内单片机发展的主要领域有 4个：一是欧美，最新开发产品及主要厂商有： 国的 八位单片机，荷兰 1系列购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 单片机，美国 86系列 16位嵌入式微机控制器， 是日本， 位到 64位多系列单片机，日立公司也有从 4位到 32位多系列单片机， 5X、 78是台湾地区， 主要有 741/78/是韩国，主要有 外还有 见单片机发展 到今天可以说种类繁多、性能各异。但目前我国的许多单片机应用单位仍停留在采用片内无 当国内从 80 年代起开始了单片机的热潮 ,二十多年过去了，单片机从研究所走出来 ,成为日常生活中的一个不可缺少的部件。硬件方面日趋多样化， 4 位、 8 位、 16 位、 32 位等型号共同并存 ,在不同的领域存在 ,如家电、玩具、工业设备、仪器、通讯等。软件方面发展主要为汇编语言、 C 语言、嵌入式操作系统。速度、稳定性特别要求的场合较多采用汇编语言和 C 语言。单片机作为微型计算机的一个重要分支 ,应用面很广，发展很快。 自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 C M O S 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。 统总体方案 图 2体设计图 基于单片机的 步进控制运动装置的整体设计方案如图 示，首先是该设备与操作人员直接由一个工作交流界面，即人机接口。通过该人机接口，购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 操作人员可以将要进行操作的命令输入到微型机，即单片机中，单片机接到人机接口传输过来的命令后会进行相关的运算，并判断该命令要求 进行的相关操作，同时将该命令传输到机电接口中，使机电接口控制驱动电器进行控制命令的相关操作。驱动电路会同时判断有操作人员输入的命令是让哪个步进电机运动，并驱使其运动，通过减速箱的减速作用将运动以较低的速度传递到滚珠丝杠上，即使滚轴丝杠转动而使工作台向 X 轴或 Y 轴方向上前进或后退。 从上图中，我们可以清楚的看到该设计的大致方案，该方案简单实用，充分综合考虑了各方面的情况，包括机械优化设计内容、机械制造工艺学知识、机电产品的数字化控制知识已经单片机控制系统等相关的各方面知识。该方案使用较少的机械构件，通过可靠的单 片机控制整个程序的安全可靠的运行，并充分考虑了产品的社会化大生产的实用性和不同需求条件下的市场性，是比较理想的设计方案，同时也是机械设计、制造、控制的有机结合体。 械系统 传动机构 滚珠丝杠副传动 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将 轴承 从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的 摩擦阻力 ，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将 扭矩 转换成轴 向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点 。 常用的循环方式有两种：外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有 2列、 3列、 4 列、 5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有 外循环外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环 ， 外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和 螺旋槽式。 常用外循环方式 有 端盖式 、 插管式 、 螺旋槽式 。 外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单，使用广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道的平稳性。内循环如图 2循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。反向槽靠圆柱外圆购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 面及其上端的圆键 1定位，以保证对准螺纹滚道方向。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。 滚珠丝杠副有很多特点： 与滑动 丝杠 副相比驱动力矩为 1/3： 由于 滚珠丝杠副 的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动 ,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3以下 ,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。 具有 高精度的保证 ： 滚珠丝杠副是用 日本 制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面 ,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 具有 微进给可能 ： 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动 ,所以启动力矩极小 ,不会出现滑动运动那样的爬行现象 ,能保证实现精确的微进给。 无侧隙、刚性高 ： 滚珠丝杠副可以加予压 ,由于予压力可使 轴向间隙 达到负值 ,进而得到较高的刚性。 高速进给可能 ： 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给运动。 由整体设计方案可知，最终将运动传递给工作台并使其运动的设备是滚珠丝杆副，因为此处要求传动的运动安全可靠，运动的波动小且传动过程平稳准确。基于以上的各项优点和现实生产条件，选择滚珠丝杠副作为最终把运动传递给工作台的机械传动设备是比较理想的传动设备。所以，在次毕业设计中选择滚珠丝杠副传动 齿轮传动 齿轮传动是利用两齿轮的 轮齿相互啮合传递动力和运动的 机械传动 。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴 螺 旋齿轮传动 。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。齿轮传动是指用主、从动轮 轮齿 直接、传递运动和动力的装置。在所有的机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递相对位置不 远的 两轴之间的运动和动力 齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳， 传动比 精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达 300m/s；齿轮直径可以从 几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备， 啮合传动会产生噪声。 由整体设计方案可知，将运动由步进电机传递给滚珠丝杆副的是齿轮减速传动，因为此处要求传动的运动安全可靠，减速比大，运动的波动小且传动过程平购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 稳准确。基于以上的各项优点和现实生产条件，选择齿轮副把运动由步进电机传递给滚珠丝杆副设备是比较理想的传动设备。所以，在次毕业设计中选择齿轮副作为传动设备。 导向机构 直线 导轨 又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承 更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动 。 直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、 流体摩擦 导轨等种类。直线 轴承 主要用在自动化机械上比较多 ,当然直线轴承和直线轴是配套用的 . 直线导轨的移动元件和固定元件之间不用中间介质，而用滚动钢球。因为滚动钢球适应于高速运动、摩擦系数小、灵敏度高，满足运动部件的工作要求，如机床的刀架，拖板等。直线导轨系统的固定元件 (导轨 )的基本功能如同轴承环，安装钢球 的支架，形状为 架包裹着导轨的顶部和两侧面。为了支撑机床的工作部件，一套直线导轨至少有四个支架。用于支撑大型的工作部件，支架的数量可以多于四个。 直线导轨的特点： 自动调心能力 ： 来自圆弧沟槽的 5组合，在安装的时候，藉由钢珠的弹性变形及接触点的转移，即使安装面多少有些偏差，也能被线轨滑块内部吸收，产生自动调心能力之效果而而得到高精度稳定的平滑运动。 具有互换性 ： 由于对生产制造精度严格管控，直线导轨尺寸能维持在一定的水准内，且滑块有保持器的设计以防止钢珠脱落，因此部份系列精度具可 互换性，客户可依需要订购导轨或滑块，亦可分开储存导轨及滑块，以减少储存空间。 所有方向皆具有高刚 ： 运用四列式圆弧沟槽，配合四列钢珠等 45 度之接触角度，让钢珠达到理想的两点接触构造，能承受来自上下和左右方向的负荷；在必要时更可施加预压以提高刚性。 由整体设计方案可知，工作台要求传动的运动安全可靠，运动的波动小且传动过程平稳准确。基于以上的各项优点和现实生产条件，选择直线导轨设备是比较理想的传动设备。 执行机构 步进 电机 是将电 脉冲 信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的 频率 和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱 动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为 “步距角 ”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的 目购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 的 ；同时可以通过控制 脉冲频率 来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机特 点： 一般步进电机的精度为步进角的 3且不累积。 步进电机外表允许的最高温度 ： 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130度以上，有的甚至高达摄氏 200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 ： 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大 而相电流减小，从而导致力矩下降。 步进电机低速时可以正常运转 ,但若高于一定速度就无法启动 ,并伴有啸叫声 ： 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电动机 以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机在更多的领域得到应用。 由整体设计方案可知，工作台要求传动的运动安全可靠，运动的波动小且传动过程平稳准确。基于以上的各项优点和现实生产条件，选择步进电机作为动力设备是比较理想的传动设备。 控制系统方案 控制方案 图 2环控制流程图 基于单片机的 步进运动控制装置的控制部分原理如图 2过上图我们可以清 楚的看到，本系统选用的单片机型号是 8051 单片机。综合各方面的因素和现实生产条件以及实际工作的需求，对与基于单片机的 步进运动控制装置的控制部分采用开环的控制方式，由微型机通过其自身的控制计算功能将购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3 采集到的信号进行处理后经过放大作用域执行元件上，进而机械传动部分开始运动并最终作用为执行机构，使整个系统完成操作者需要的动作。基于单片机的步进运动控制装置的控制部分采用三相六拍步进电机。 接口设计 （ 1）人机接口 采用键盘作为输入。采用矩阵式键盘，用 20 个键来控制步进电机。 采用蜂 鸣器作为警报装置。 采用数码管作为显示器。采用八段数码管作为步数的显示。 （ 2）机电接口 采用光电偶合器作为微型机与步进电机驱动电路的接口，实现电气隔离，以保护单片机。 控制方案选择 一般的控制的方案只有三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。图 2用开环控制方法，如果机械传动的机构中引进反馈给控制部分，在经过比较放大的则为半闭环控制。如果是在机械执行机构中引出反馈则为闭环控制。 开环控制：特点是简单，控制精度低。控制的精度完全取决于所用元件的精度和校准的精度，且抗干扰的能力差。但由于其结 构简单、成本低。在精度要求不高的情况下，有一定的使用价值。 闭环控制：特点是控制精度高，抗干扰能力强。缺点是使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦。 半闭环：特点是控制的精度介于闭环和开环之间。 采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有正比的关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精度要求不是很高时，负载不是很大的情况下采用步进电机是合理的。 下图为开环控制的框图 计 算 执 行 受 控 对 象给 定 值干扰+被 控 量图 2环控制框图 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 4 服系统设计 伺服系统 (使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使 驱动装置 输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的 反馈控制系统 。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 5 3 作台设计 Y 工作台结构设计概述 作台是指能分别沿着 X 向和 Y 向移动的工作台。它是本课题 中传动部分的终点，也是与交流伺服电机直联机械部件。而 作台设计的好坏，将直接影响到传动的可行性和传动精度。 作台的机械部分的设计主要包括丝杠设计，导轨设计，轴承选型，联轴器选型等。工作台的 X 轴有效行程为 200Y 轴的有效行程为 230两轴的行程极限位置设置有行程开关，连接到控制系统。由此可见，工作台本身的机械结构并不复杂，标准件和非标准件的组合关系明确清晰。可以说，在保证工作台零件尺寸的前提下，装配高精度工作台难度并不是很大。 丝杠和导轨需要参考设计要求进行设计，轴承和联轴器为标准件 ，可以按照设计要求进行选取。在设计丝杠和导轨的时候，为了达到控制精度高和传动效率高的要求，可以从以下两方面入手： 1）传动机构为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。丝杠的转速为中转速，精度要求为高精度。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。采用滚珠丝杠副，滚珠丝杠直接与联轴器连接。 2）导向机构采用滚动直线导轨。滚动直线导轨副动静摩擦力之差很小，摩擦阻力小，随动性极好。导轨的导向精度要求高。 杠的选择 珠丝杠设计总述 滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚 珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将 轴承 从滑动动作变成滚动动作。由于具有很小的 摩擦阻力 ，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠 传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传 动的体系。以传动形式 可 分为两种： 一是 将回转运动转化成直线运动 ，二是 将直线运动转化成回转运动。 珠丝杠特点 滚珠丝杠 传动系统 作为 一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系 ，其优点如下： （ 1） 传动效率高 滚珠丝杠传动系统的传动效率高达 90% 98%，为传统的滑动丝杠系统的购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 6 2 4 倍，能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。 （ 2） 运动平稳 滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。 （ 3） 高精度 滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。 （ 4） 高耐用性 钢球滚动接触处均经硬化（ 63）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。 （ 5） 同步性好 由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。 （ 6） 高可靠性 与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低， 维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。 （ 7） 无背隙与预紧 采用歌德式（ 槽形状、轴向间隙可调整得很小，也能轻便地传动。若加入适当的预紧载荷，消除轴向间隙，可使丝杠具有更佳的刚性，在承载时减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。 计和使用滚珠丝杠应注意以下问题 1）为提高滚珠丝杠副的使用寿命和精度，应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心，以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力。 2）放逆转：滚珠丝杠副传动逆效率高，应考虑在 电机停电后，因部件自重而产生螺旋副的逆传动（特别是在垂直方向上传动时），防止逆传动的方法可采用：停电自锁的电机、蜗轮蜗杆机构、离合器等方式。 3）滚珠丝杠副在行程两端应有行程保护装置，以防止越程后滚珠丝杠副受撞击而影响精度、使用寿命甚至损坏。 4）防止热变形：热变形对精密螺旋传动的定位精度有着重要的影响。其热源不单是螺旋副的摩擦热，还有其他机械部件工作时产生的热，致使丝杠热膨胀而伸长。为此必须分析热源的各因素，采用措施控制热源，还可以采用预拉伸、强制冷却等减少热变形对丝杠的伸长的影响。 5）细长而又水平放置的丝杠，因自重使轴线产生弯曲变形，是影响导程累购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 7 积误差的因素之一，还会使螺母受载不均。设计细长丝杠时，应考虑防止或减小自重弯曲变形的措施。 6）防护与密封：尘埃和杂质进入滚道会妨碍滚动体运动流畅，会加速滚动体与滚道的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。为此需要防尘措施。滚珠丝杠副在螺母两端已安装防尘圈，为避免丝杠外露，用户还需要为丝杠选择防护装置。 7）合理润滑是减小驱动转矩、提高传动效率、延长螺旋副使用寿命的重要环节。接触表面的油膜还有吸振、减小传动噪声和冲洗丝杠上的粉尘等杂 物的作用。因此要注入润滑脂。在螺母上还有油孔，用户可旋入油嘴，再采用其他合适的润滑方式。 8）用内循环滚珠丝杠副，必须使丝杠螺纹两端中至少有一端的滚珠螺纹是通牙，并该端所有外圆尺寸均小于丝杠螺纹底径 d2 翻译 摘要 这项工作用 了一个演示 研究了微米及亚微米结构聚合物的注射成型特点 ，这项演示即是镶件上带有高长宽比的微米及亚微米通道。注射成型的影响参数在可达到的长宽比的微米及亚微米墙上进行了试验研究。此外，对于多种多样的聚合物而言独特的注模方式和产生的缺陷将被密切关注， 如有机玻璃 (聚丙烯(高密度聚乙烯 (实验结果显示 模具温度决定了微米及亚微米墙注射成型的成功。微 注射成型的适宜模具温度显著的超过了传统注射成型的模具温度。此外，主要的注模压力和注模时间相当大的影响了微米及亚微米墙能够达到的长宽比。此外，当聚丙烯和高密度聚乙烯被用于微米注射成型时，将得到不寻常的流动的发生和不好的成型结果。 介绍 微米及亚微米结构化的组件有很多可行的应用。最常见的就是这些组件被用来制造聚合物，所以微米及亚微米结构的聚合物的制造技术是十分重要的。经济的制造出高质量的微米及亚微米结构的聚合物是一个挑战，它必须满足的条件是微米及亚微米结构的组件被越来越广泛的应用。注射成型工艺 在大规模的制服生产中有望保持巨大的潜力，这种制服就是高质量的微米及亚微米结构的聚合物。然而，用现存的关于制造聚合物的注射成型设备和技术很难得到 令人满意的微米及亚微米结构聚合物的成型结果，这种聚合物的长宽比是超过 2的。最基本的原因是镶件表面上的微型 腔 对于制作 微米结构的聚合物比一般的注塑模具上的型腔要窄的多。这不仅增加了聚合物成型的填充抵抗力，而且促进了对塑造聚合物的模具的冷却效果。因此，在小型注射成型过程中，型腔的填充和注射成型机的功耗 对 模具温度 及 注射成型压力的变化 是十分敏感的。小型模塑聚合物的均匀性也是一个重要的要被考虑在内的因素。因此，聚合物形态的发展是否影响微米及亚微米结构的注射成型特点需要被准确处理。在这项研究中，注射成型试验被实施在了微米 及亚微米结构的聚合物上，用了有高长宽比的微米及亚微米通道的镶件来演示。这样做的目的是为了确定参数，这些参数决定着注射成型的成功与否。这些参数变化的效果已经被研究，参数即为已成型的微米及亚微米结构可达到的长宽比的能力。在微型腔内的注模材料的注模方式也需要被检验。 微 注射成型实验 表面有高长宽比的微米及亚微米通道的镶件的演示被用于进行注射成型实验。这里的目的就是检测成型能力和微米及亚微米结构聚合物的注射成型特点。所有的镶件都被做成了 8平方厘米的硅片。不均匀的水分的蚀刻和硅片被用于制 作有微型通道表面的镶件，通道宽 于 1微米， 宽度有 20， 10和 2微米的，长宽比超过 的亚微米通道表面的镶件。所制作的镶件被连续抽吸的尖端的喷射器针头固定着 ，在模具中这是被加工来使沿销轴方向有一个吸气孔。对应于微米结构注模成型产品的基准的型腔厚度是 注射成型循环的 期间 ， 在它们充满注射成型材料前， 整个模具型腔和浇注系统被连续不断的用真空吸成器清扫来保持 压力小于 1毫巴。模具温度被一个循环水温度控制系统和一个建立在模具中的电热器严格控制着。非晶体聚合物有机玻璃和结晶聚合物、聚丙烯 (高密度 聚乙烯 (是实验的材料。 每个都在适当的温度烘烤了 6个小时，这是为了在它被用于注模成型前去除掉它的水分。在这项工作中， 一个成型周期内注模阶段的规定压力被分为两个部分，第一个值就是填充型腔的成型压力，它对应于生产微米结构模具的基准。第二个成型压力，叫做“主要注射压力”，它是用来填充微型腔的。在型腔中的模具材料的压力和型腔的温度被用一个压力传感器和一个电热偶 测量着，它们分别的被镶嵌在与镶件相反方向的空腔内。经过包装和冷却后，模具工作部分被驱逐出模具连同镶件一起。一台 。然后， 件是被作为一种牺牲的模具使用的。最后，注射成型的微米及亚微米结构产品通过液态氮的冷却分离出来， 并且被扫描在电子显微镜下观察。 注射成型参数对于微米及亚微米结构聚合物的成型能力的影响 在微注射成型中，在镶件表面上的微米通道或者亚微米通道的厚度约比常见产品的模具型腔小 3个数量级。 用速率 合物的 平均剪切比率 来表示 把聚合物填充到一个空腔后的厚度 h，即 (h/2) 和它的剪切应力，也就是变形阻力，可以表示为 = 是聚合物的 粘度，并且是温 度的函数。这些方程显示在微注射成型中聚合物的平均剪切应变比率是其在普通注射成型中的成千上万倍，以达到童颜的聚合物填充速率。此外，在微注模成型的聚合物填充阻力是显著上升的。因此，注塑机必须提供更多的能量来确保微注射成型的成功。然而，注入微型空腔内的聚合物的変抗阻力必须被减少，只有这样才能在有限的 机械力作用下进行微注射成型。其中最直接的方法就是在一个很高的温度下一直填充聚合物，从而可以通过增加注塑机的滚筒温度和模具温度来获得相对低的聚合物粘度。后者，更迅速和强烈的影响着那些被注入狭窄的模具空腔内的聚合物的温度， 它在微注射成型 中是尤其重要的。事实上，为了成功地填满微米和亚微米通道，模具在一般情况下必须高于被用聚合物的玻璃化温度。 图 (1) a,b。扫描电镜显微组织 塑在一个桶 (成型温度 250C)(252C,和主要注塑压力为 140 帕 30 年代 )b 壁厚 20m(在模具成型温度120C,注射压力和主要的 30 秒 90 帕 ) 图 2。扫描电镜显微 60 摄氏度 (塑造一个桶温 250 C,和主要注射压力为 120 0多 度 的 ) 图 1给出了两种不同模具温度的微注射成型结果。 在模具温度为 92度时，从基底里以壁厚 25微米突出的有机玻璃微米墙的可达到的长宽比值是仅有的一个值，即使主要应用的注射压力超过 140兆帕，就像图 1显示的那样。然而，随着模具温度被提高到 120度，厚度为 20微米 、 长宽比为 6的薄微米墙可以在一个较低的主要成型压力下被完美的注射成型 ，就像图 1事实表明，模具温度很大的影响了微结构的注射成型能力。 然而，过高的模具温度将会一些负面影响。图 2显示了电子显微镜下被注射 成型的微米墙的横断面在模具温度 160度时的情况。剩余的空腔可以在微米墙内和基底里被观察到，并在这些地方造成局部突起。显然，除了由于聚合物的收缩而产生的真空腔，这些空腔 可以认为 是由剩余气体在高压下形成的。 剩余气体可以被认为是由一些成型聚合物的气化而产生的，因为使用的聚合物在实验开始之前已经被完全干燥而且在注射成型工艺过程中空气在模具型腔内被不断的疏散。成型聚合物的气化是由于聚合物温度过渡的增长而引起的。 聚合物温度过度的增长可以解释为低的额外热量的排放，这些热量是由于成型聚合物流经大门时的发生严重的剪断而产生的，因为模具温度太高了。此外， 作为模具冷却的包装操作引起了剩余气体的压力变高。因此，在镶件被移除后，压缩气体扩张并且使微米墙变形。在这项工作中，在模具温度 160度或者更高时的模具形成的情况被显示在了图 2上。这种现象在模具温度变高时更为严重。 图 3。模具温度的影响可达到长宽比 (在一个桶 50C,和主要注液的热原检查压力为 120 0多 年代 的 ) 图 3显示了 模具温度对微米墙可达到的长宽比的影响。对于一个壁厚为 10微米的微米墙来说，在模具温度 105至 130度之间，可达到的长宽比将会较大的增长。当模具温度超过 130度时，微米墙可达到的长宽比增长的速率将会下降并且可达到的长宽比将会趋于恒定数值 12。对于薄于 2微米的微米墙来说，然而，可达到的长宽比在模具温度 120至 145度之间将迅速增长。温度的范围比 10微米厚的微米墙的温度高出 15度并且展示出 可达到长宽比的快速增长。另外，对于 2微米厚度的微米墙来说，模具温度对可达到的长宽比的影响弱于对 10微米厚的微米墙的影响 ，最大的可达到的长宽比大约是 10。这些结果显示随着壁厚的减少，微米墙的注射成型将变的更加困难。而且，如果墙的厚度减少一个数量级，那么模具温度必须被升高 15度，从而 能够用同样的高的长宽比来使注射成型的微米墙屈服。图 4显示了电子显微镜下高长宽比的亚微米墙注射成型实例图。通过提高模具温度至 150摄氏度同时亚微米墙的厚度约为 这种情况下微注射成型最终被获得。 图 4。扫描电镜显微图的例子的 ”塑料 (在一个
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