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基于单片机的XY轴步进运动控制装置设计说明书.doc

基于单片机的XY轴步进运动控制装置设计【优秀课程毕业设计+7张CAD图纸+61页加正文3万字】-jxsj13

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关键词：: 基于单片机 xy 步进运动控制节制装置设计步进控制

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基于单片机的XY轴步进运动控制装置设计【优秀课程毕业设计+7张CAD图纸+61页加正文3万字】-jxsj13

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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X-Y工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X-Y工作台，画出其装配图。

关键词 XY工作台；步进电机；脉冲当量；装配图

Abstract

This paper studies the controlling table of the two-dimensional stepping SCM control part.?The main task is to reverse two stepper motors and control speed using SCM.?

XY table, controlled by microprocessor system, can be designed as open-loop, semi closed-loop and closed loop servo system.?This design uses the open-loop servo system.?Stepper motor, driven by the SCM controlling system drives the motion table by the drive mechanism.?For mechanical design, it is the first step to design the worktable and select the guide pairs by the maximum load under the table.?Later for structural design、stress analysis, and the torque calculation, draw the table assembly sketches.?Then select the type stepping motor, and design the ball screw.? Complete designing the XY table, and drawing the assembly drawing finally.?

Keywords: XY table stepper motor pulse equivalent assembly drawing?

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1序言 1

1.2该设计主要任务 2

2 方案原理设计 3

2.1数控工作台研究现状 3

2.1.1数控工作台的现状与发展 3

2.1.2步进电机的现状与发展 4

2.1.3单片机的现状与发展 5

2.2 系统总体方案 6

2.2.1机械系统 7

2.2.2 控制系统方案 10

2.2.3 控制方案选择 11

2.2.4伺服系统设计 12

3 XY工作台设计 13

3.1 XY工作台结构设计概述 13

3.2 丝杠的选择 13

3.2.1 滚珠丝杠设计总述 13

3.2.2 滚珠丝杠特点 13

3.2.3 设计和使用滚珠丝杠应注意以下问题 14

3.3滚动丝杠支承的选择 15

3 .3 .1支承方式的选择 15

3.3.2轴承的选择 15

3.3.3轴承的选择 16

3.3.4 轴承的润滑与配合 16

3.4 初选联轴器类型 17

3.5导轨材料的选择及热处理 18

3.5.1导轨材料选择 18

3 .5 .2导轨的热处理 18

3.6 机座的设计 19

3.6.1 机座自身刚度 19

3.6.2 提高机座连接处的接触刚度 19

4 控制系统设计 20

4.1 硬件设计 20

4.1.1硬件结构 20

4.1.2 步进电机 20

4.1.3 处理器选择 27

4.1.4 键盘接口电路设计 30

4.1.5 显示部分设计 32

4.1.6 报警电路设计 36

4.1.7 单片机与PC机通信设计 37

4.2 软件系统设计 40

4.2.1 软件结构设计 41

4.2.2系统的程序流程 43

4.2.3编语言程序设计 51

结论 55

致谢 56

参考文献 57

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端盖零件图(A3).gif

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内容简介：: 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 图书分类号：密级：毕业设计 (论文 ) 基于单片机的步进运动控制装置 N Y 生姓名周佩学院名称机电工程学院专业名称机械设计制造及其自动化指导教师马西良 2011 年 5 月 27 日徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：年月日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 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；装配图徐州工程学院毕业设计 (论文 ) of CM is to XY by be as by CM by it is to by Y XY 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 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 . 3 控工作台的现状与发展 . 3 进电机的现状与发展 . 4 片机的现状与发展 . 5 统总体方案 . 6 械系统 . 7 控制系统方案 . 10 控制方案选择 . 11 服系统设计 . 12 3 作台设计 . 13 作台结构设计概述 . 13 杠的选择 . 13 珠丝杠设计总述 . 13 珠丝杠特点 . 13 计和使用滚珠丝杠应注意以下问题 . 14 动丝杠支承的选择 . 15 3 1 支承方式的选择 . 15 承的选择 . 15 承的选择 . 16 承的润滑与配合 . 16 选联轴器类型 . 17 轨材料的选择及热处理 . 18 轨材料选择 . 18 3 2 导轨的热处理 . 18 座的设计 . 19 座自身刚度 . 19 高机座连接处的接触刚度 . 19 4 控制系统设计 . 20 件设计 . 20 件结构 . 20 步进电机 . 21 理器选择 . 27 键盘接口电路设计 . 30 显示部分设计 . 32 报警电路设计 . 36 单片机与通信设计 . 37 件系统设计 . 40 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 软件结构设计 . 41 统的程序流程 . 43 语言程序设计 . 51 结论 . 55 致谢 . 56 参考文献 . 57 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 1 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。徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 2 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。徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 3 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。徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 4 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）步进电机的历史徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 5 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系列徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 6 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，徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 7 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。反向槽靠圆柱外圆徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 8 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徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 9 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徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 10 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徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 11 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环控制框图徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 12 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。徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 13 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

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