毕业设计（论文）-二维步进单片机控制工作台机械系统设计（含全套CAD图纸） .doc

由于部分原因，说明书已删除部分，完整版说明书，cad图纸，联系153893706二维步进单片机控制工作台机械系统设计 摘 要：本系统采用一级齿轮减速，带动丝杠传动，通过螺母的直线移动带动工作台运动。根据脉冲当量、步矩角、丝杠导程来确定齿轮的传动比，根据负载转矩的大小来校核丝杠传动的强度。 单片机控制二维工作台是众多控制机械传动方法的一种，它利用单片机发出指令控制步进电机的转角和转速，进而控制x-y工作台两方向的移动，实现画线，移动物体等功能，常用于试验教学。单片机控制二维工作台主要由三部分组成：工作台及传动支撑部分，减速装置，控制部分及电机组成,设计主要内容包括了，方案原理的确定，步进电机的选择与校核，减速器，轴承和联轴器，键以及丝杠，导轨的设计，最后是其支撑部分，也就是支座的选材,再出画出工作台的装配草图，再选择步进电动机的型号，进而设计选择滚珠丝杠，最后设计出x-y工作台，画出其装配图。关键词：工作台；步进电机；脉冲当量；步距角the design of two step control table mechanical system abstract：the system uses a gear reducer, drives the lead screw drive,and nut straight through mobile workbench movement. i according to the pulse equivalent, step torque angle, screw gear ratio to determine, and load torque to check the screw drive strength.then scm control of two-dimensional table is one of the many methods of control of a mechanical transmission, it issued a directive by scm stepper motor control and the speed of rotation，to control the x-y table two moving direction, realize painting lines, moving objects and other functions. commonly used in the experimental teaching.scm control of two-dimensional table is mainly composed of three parts, the worktable and the driving and supporting part, reducer, a control part and a motor. design content mainly includes step scheme determination, stepper motor selection and checking, reducer, bearing and coupling then draw a table assembly sketch, then choose stepper motor model, and then design the choice of ball screw, finally design a x-y table, draw the assembly drawings key words: table stepper motor; control; microcontroller-driven pulse; equivalentstep moment kok; 1 前言 1.1 研究意义当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的cnc系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 1.2 国内外研究现状及存在的问题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。1.2.1 数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业化的象征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 it、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:(1) 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从emo2001展会情况来看 ,高速加工中心进给速度可达80m/ min ,甚至更高,空运行速度可100m/ min左右。目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面 ,近10年来 ,普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m ,精密级加工中心则从 35m ,提 高到11.5m并且超精密加工精度已开始进入纳米级 0.1m。为了实现高速、高精加工,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。(2) 5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因 ,其价格要比3轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现 ,使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床 含5面加工机床的发展。(3) 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势。21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 ,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1.2.2 对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于1958年 ,近50年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从1958年到1979年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近50年的发展历程 ,特别是经过4个5年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。1.2.3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考(1) 战略考虑。我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定;其次从国防安全看 ,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。(2) 发展策略。从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。2 方案原理的设计2.1 总体方案的选择和说明设计一台微机控制x-y两坐标工作台，采用mcs-51单片机控制，控制方式采用步进电机开环控制，其他参数如下：表1 设计参数table1 design parameters脉冲当量(mm/step)定位精度(mm) 最大移动速度(m/min) 工作台尺寸(mm) 进给抗力(n)0.005 0.04 1 100*150 500负载最大质量m=60kg；台面尺寸cbh150mm100mm15mm；工作台最大快移速度为1m/min；工作台行程，在x轴方向为320mm，y轴方向为225mm。（1）人机接口 采用键盘或bcd码盘作为输入。 采用led作为电源等指示标志。 采用蜂鸣器或扬声器作为报警装置。 采用数码管作为显示器。（2）机电接口采用光电偶合器作为微型机和步进电动机驱动电路的接口，实现电气隔离。（3） 伺服系统设计本次设计的系统精度要求不高，载荷不大，因此采用开环控制。（4） 控制系统设计：微型机-微型机-功放-执行元件-机械传动-执行机构控制部分方案的选择：控制方案不外乎三种：开环控制，半闭环控制，闭环控制。上面位最简单的“开环控制”，若在“机械传动”机构中引出反馈给控制部分，再经过比较放大的则为“半闭环控制”。若是在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控制”。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频率成正比。因此通常在精度要求不是很高时，采用步进电机是比较合理的。当然由于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到定位精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动x-y工作台。（2）计算机系统本设计采用了与mcs-51系列兼容的at89s51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、led、i/o接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。led显示数控工作台的状态。（3）x-y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双v形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。2.2 总体方案实现的系统组成框图图1 总体方案设计fig1 the overall scheme design3 零件设计3.1步进电机的设计3.1.1 步进电机的组成及工作原理步进电机又称脉冲电动机，它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其特点是输入一个电脉冲就转动一步。即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步矩角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量，频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角，转速及转向。步进电动机具有以下特点：已删除=14400h 丝杠的转速： 丝杠的工作载荷：f=500n 根据工作条件查得： (23)初选丝杠，选外插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副。型号：cmd3210-2.5, 螺母长度72mm, , ， 余程为 10mmx方向螺纹长度 取支撑跨矩 丝杠全长最大为480mm ff 支撑方式的丝杠不受压缩力作用，不较核压杆稳定性丝杠弯曲振动临界转速： (24)查表 ， =400mm=0.4m 预拉深量：取温升螺纹深长量：丝杠的全长深长量：取预拉伸量：预拉伸力：所选丝杠预拉伸力满足要求。系统刚度刚度计算：求得丝杠最大，最小拉，压刚度分别为：死区误差计算： (25) 可得丝杠最大，最小拉压刚度： 假定丝杠轴向支承轴承经过预紧并忽略轴承座和螺母刚度的 影响。由公式 (26) 得丝杠螺母机构的 综合拉压刚度： 设齿轮传动和丝杠螺母机构分别采取了消隙和预紧措施，则可求得由摩擦力引起的最大反向死区误差为 (27) 0.005mm满足单脉冲进给。7 由系统刚度引起的定位误差计算由公式 求得由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化引起的最大定位误差由于系统要求的 定位精度为，即允许定位误差为。 因而系统刚度满足要求。3.7 导轨的设计导轨副的组成，种类及其应满足的要求：导向支撑部件的作用是支撑和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动，这样的部件通常被称为导轨副。导轨副主要由支撑导件和运动件两大部分组成。导轨副应满足的基本要求：导向精度高，刚性好，运动轻便平稳，耐磨性好，温度变化影响小以及结构工艺性好等。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双v形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。选着各种导轨时，滑动导轨结构简单，使用维修方便。未形成完全液体摩擦时低速易爬行。磨损大，寿命低，运动精度不稳定普通机床，冶金设备上应用普遍。滚动导轨运动灵敏度高，低速运动平稳性号。磨损少，寿命长。刚性和抗振性差广泛应用于各类机床及精密机械。塑料导轨1，动导轨表面贴塑料软带与铸铁或钢导轨搭配，摩擦 系数小。2，刚度较低，耐热性差，容易蠕变主要应用于中大型机床。动压导轨速度高90m/min600m/min，形成液体摩擦。阻尼大，抗振性号。低速重载易出现导轨面接触主要用于速度高，精度要求一般的机床3.7.1直线滚动导轨的选型初选四方向等载荷窄型:结构：滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（向器）进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。图9 导轨副图fig 9 the vice guide map3.7.2直线滚动导轨的校核计算取工作台高h=15mm则工作台重：1.8kg（1）额定寿命计算滚动直线导轨副额定寿命的计算与滚动轴承基本相同。 (28)式中 l额定寿命（km） -额定动载荷(kn) p当量动载荷(kn)-受力最大的滑块所受的载荷（kn），工作台上物体的重心偏离工作台的中心的条件下滚动直线载荷的计算：对于x方向：由于只有两个滑块，则= (29) -工作台的重量 -台面上物体的质量a-滑块长度 b-物体重心至滑块近的一边的距离c-物体重心至滑块远的一边的距离d-两导轨之间距离n-物体重心至与之近的导轨的距离h-物体重心至与之远的导轨的距离质量均匀分布，重心在中心。g为重量，取g=10n/kg取b=10mm c=60mm n=40mm h=80mm则= =9+300+1.05600=940n=0.94kn -指数，当滚动体为滚珠时，=3；当滚柱时，=10/3；k额定寿命单位（km），滚珠时k=50；滚柱时k=100-硬度系数由于产品技术要求规定，滚道硬度不得低于58hrc，故通常可取=1。-温度系数 ，查表5得=1表5 温度系数table 5 temperature coefficient工作温度/ 100 100150 150200 200250 1 0.90 0.73 0.60-接触系数，查表6得=1 表6 接触系数table 6 the contact coefficient每根导轨上的滑块数 1 2 3 4 5 1.00 0.81 0.72 0.66 0.61-精度系数，查表7取3级精度，得=1 表7 精度系数table 7 accuracy coefficient 等级精度 1 2 3 4 5 1.0 1.0 0.9 0.9 1.0.-载荷系数，查表8，取=1.5表8 载荷系数table 8 load coefficient 工作条件 无外部冲击或振动的低速运动的场合，速度小于15m/min 11.5 无明显冲击或振动的场合，速度为1560m/min 1.52有外部冲击或高速运动的场合，速度大于60m/min 23.5则工作台：= （2）寿命时间的计算 (30)式中：l额定寿命(km) -寿命时间(h) -行程长度(m) -每分钟往复次数。h大于14400h满足使用要求。对于y方向：有四个滑块，取减速机构的重 下面台及支架的重之和取，其中下面工作台重2总重=131.8kg =1331n=1.331kn 同理可得：y方向工作台 寿命时间的计算：=114633h 大于14400h满足要求。3.8支座的特点及材料组成机座工作台传动系统中的主要功能是支撑固定联接或作相对运动的部件或零件，以保证零部件之间的相互位置或相对运动精度。为完成以上功能，支撑件一方面不仅尺寸和自身重量较大，而且不论是静载荷还是交变载荷，最后往往都传到支撑件上，从而使支撑件受力复杂；另一方面，在上支座有很多安装零部件的加工面和运动部件的导向面，这些面本身的精度和相互位置精度要求都较高。为此，在设计支座时，需要满足静刚度，抗振性，热稳定性和工艺性等方面的技术要求。（1） 静刚度 支座承受静载荷后产生静变形，二者之比称为静刚度。其倒数称为静柔度，设计时要保证受到零支座部件和工件的重力，惯性力，工作力，夹紧力等静载荷后，只产生机械的功能所允许的静变形。支座的静刚度包括：自身刚度，局部刚度和接触刚度。自身刚度指的是本支座身受拉，压，扭，弯等载荷后产生的变形，其中扭转变形和弯曲变形一般是主要的。局部刚度指的是载荷集中的局部范围产生的变形。如在支座上由于结构需要局部突出的导轨，这样刚度较弱的局部，受力后产生较大的局部变形。接触刚度是指在两个接触面之间的变形。两接触面微观不平，真正接触到的只是一些高点。压强小时，接触的高点少，接触刚度较低。压强变大，实际接触面积增大，接触刚度提高。因此，接触刚度一般是非线性的。在近代机械中，接触刚度的影响往往大于自身刚度和局部刚度的影响，有时要占总刚度的80%。进行工作台支撑结构设计时，应尽量减少接触面的数量，提高接触面的接触刚度。确定支撑件的刚度，有计算法和实验法两种。计算法是在设计图纸的过程中，根据零件尺寸和预定的工作载荷，计算支座的刚度。常规的方法是：将支撑件作适当的简化，引入实验所得的各项系数，按材料力学，结构力学和弹性力学的计算公式，算出支座的变形大小。实验法是在机械已试制出来后，在实际工作条件下进行实验。在满足支座刚度要求的同时，应注意支座的刚度重量比和性能价格比。（2）抗振性支座受交变载荷的作用，除了注意载荷的变化幅值的影响外，更应注意载荷变化频率的影响。载荷变化的 频率若与支座的某阶固有频率重合或接近，将发生共振，产生机械功能不允许的动变形，严重影响机械的正常工作。支座的抗阵性，往往直接影响整机的振动（3）热稳定性传动系统开始运行后，各部分特别是摩擦运动副产生的温升使机械产生相应的变形即为热变形。传动系统运行到一定时间，若产生的热量与发散的热量基本平衡，使整个传动系统的温度场保持稳定，从而使热变形保持恒定，即为热稳定性好。 一般温差产生的原因，除机械中的摩擦运动副外，电动机，液压气动系统也产生热量，局部阳光照射和风冷也产生温差。甚至人体也相当于23.6w的热量，能使光栅刻线机产生0.0025mm的热变形。（4）工艺性支座设计要保证良好的制造装配工艺性。铸件毛坯要设计的便于成型。浇注，清沙，吊装，避免铸造缺陷。焊接毛坯要设计的便于下料，拼焊，减少焊接变形。各种毛坯要设计的便于加工，装配，维修。支座材料的选择选择支座材料，除应满足上述要求外，还应保证足够的强度。冲击韧性和耐磨性等，目前常用材料为铸铁，钢板，型钢。铸铁：铸造时铁水有流动性，可以铸出形状复杂的支座。铸铁中的片状或球状石墨在孔中振动时形成阻尼，抗振性比钢高三倍，但生产铸铁支座需要制作木模，芯盒等，制造周期长，成本高，较适于成批生产。一级灰口铸铁 ht200抗拉，弯性较好，可用作带导轨的支撑尖。但流动性稍差，不宜制作结构太复杂的支座。二级灰口铸铁ht150铸造性能好，但机械性能较差。用于制作形状复杂，但受载不大的支座。合金铸铁，需要支座带导轨时耐磨性好，多采用高磷铸铁，磷铜钛铸铁，钴钼铸铁等，耐磨性比灰口铸铁 高三倍，但成本较高。在此设计中选用一级灰口铸铁ht200。铸造支座不可避免有内应力，引起蠕变，必须进行时效处理。目前，常用的处理方法有：将铸件的毛坯经粗加工后的 半成品置放在露天场地，经过数月数年甚至数十年的风吹日晒，使内应力通过变形逐渐消除，形状趋于稳定后再加工或者加工与时效反复轮流进行。自然时效的时间取决于支撑件的尺寸大小，结构形状，铸造条件和机械精度要求等因素。自然时效方法简单，效果好 ，但占地面积大，周期长，影响资金周转。5 结论本次设计采用步进电动机通过减速机构带动滚珠丝杠转动，进而通过丝杠螺母将转动转变为工作台的直线运动。根据脉冲当量、步矩角、丝杠导程来确定齿轮的传动比，根据负载转矩的大小来校核丝杠传动的强度。设计中遇到了一些问题比如步进电机选择时考虑到选择最佳负载转矩的问题，速器传动效率问题，轴承选择及滚珠丝杠的选择时应考虑选择滚动轴承及滚珠丝杠以提高整个系统的传递效率。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。系统没有检测装置。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，进而设计选择滚珠丝杠，最后设计出x-y工作台，画出其装配图。参考文献1吴祖育, 秦鹏飞.数控机床m.上海:上海科学技术出版社,2000:50-60.2徐灏等.机械设计手册m.北京:机械工业出版社,2000:112-120.3郑提,唐可洪.机电一体化设计基础m.北京:机械工业出版社,1997：26-30.4张建中. 机械设计基础课程设计. 中国矿业大学出版社, 2005.25龚湘义.哈尔滨工业大学. 机械设计课程设计图册.第三版. 高等教育出版社, 2004.1 6龚湘义. 机械设计课程设计指导书. 第二版.高等教育出版社,2004.47孙昭文，杨惠兰.画法几何及机械制图习