目 次
1 绪论 ………………………………………………………………………………… 1
1.1 机电一体化概述 …………………………………………………………… 1
1.1.1 机电一体化基本概念 ……………………………………………… 1
1.1.2 机电一体化的基本组成要素 ……………………………………… 1
1.1.3 机电一体化产品的特点 …………………………………………… 3
1.1.4机电一体化技术的发展趋势 ………………………………………… 4
1.2 机床数控化的意义及特点 ………………………………………………… 5
1.2.1 数控机床的基本概念 ……………………………………………… 5
1.2.2 数控机床的组成 …………………………………………………… 5
1.2.3 数控机床的特点 …………………………………………………… 6
1.2.4 机床数控化的意义 ………………………………………………… 7
2 机械系统设计 ……………………………………………………………………… 7
2.1概述 …………………………………………………………………………… 7
2.2 滚珠丝杠螺母副 ……………………………………………………………… 8
2.2.1 滚珠丝杠副的特点 ………………………………………………… 8
2.2.2 滚珠丝杠副的结构类型 ……………………………………………… 9
2.2.3 滚珠丝杠的计算与选用 …………………………………………… 10
2.3 导向支撑机构设计 ………………………………………………………… 10
2.3.1导轨 …………………………………………………………………… 10
2.3.2滚动直线导轨的承载能力计算 ……………………………………… 12
3 进给伺服系统设计 ……………………………………………………………… 14
3.1 伺服系统概述 ……………………………………………………………… 14
3.1.1伺服系统基本概念 …………………………………………………… 14
3.1.2伺服系统基本类型 …………………………………………………… 14
3.1.3伺服系统的基本组成 ………………………………………………… 14
3.1.4伺服系统的基本要求 ………………………………………………… 15
3.2 伺服系统中的执行元件 …………………………………………………… 15
3.2.1执行元件的种类及特点 ……………………………………………… 15
3.3 步进电机 …………………………………………………………………… 16
3.3.1步进电机原理 ………………………………………………………… 16
3.3.2步进电机特性 ………………………………………………………… 17
3.3.3步进电机的选型计算 ………………………………………………… 18
3.4步进电机的驱动控制 ………………………………………………………… 20
3.4.1脉冲分配器 …………………………………………………………… 21
3.4.2光电隔离电路 ………………………………………………………… 21
3.4.3功率放大电路 ………………………………………………………… 22
4 控制系统硬件电路设计 ………………………………………………………… 22
4.1 概述 ………………………………………………………………………… 22
4.2 MCS-51单片机简介 ………………………………………………………… 23
4.2.1 8031管脚功能 ………………………………………………………… 24
4.2.2 8031芯片的存储器结构及地址分配 ………………………………… 26
4.3 8031应用系统中存储器扩展 ………………………………………………… 27
4.3.1程序存储器的扩展 …………………………………………………… 27
4.3.2数据存储器的扩展 …………………………………………………… 27
4.3.3地址锁存器 …………………………………………………………… 28
4.3.4译码电路 ……………………………………………………………… 29
4.4 8031应用系统中I/O口扩展 ……………………………………………… 29
4.4.1 I/O口扩展性能 ……………………………………………………… 29
4.4.2 I/O口扩展方法 ……………………………………………………… 29
4.4.3 I/O口扩展用芯片 …………………………………………………… 29
4.4.4 8155 可编程并行接口 ……………………………………………… 30
4.5 键盘输入与LED显示 ……………………………………………………… 31
4.5.1行列式键盘 …………………………………………………………… 31
4.5.2 LED显示电路 ………………………………………………………… 31
4.6 辅助电路 …………………………………………………………………… 31
4.6.1 8031时钟电路 ………………………………………………………… 31
4.6.2 8031复位电路 ………………………………………………………… 32
4.6.3 8031越界报警电路 …………………………………………………… 32
4.6.4 8031掉电保护电路 …………………………………………………… 33
5 零件图数控加工的编程 ………………………………………………………… 33
结论 ………………………………………………………………………………… 36
致谢 ………………………………………………………………………………… 37
参考文献 …………………………………………………………………………… 38
图1 X-Y数控工作台总体方案 …………………………………………………… 39
图2 电气控制原理图 ……………………………………………………………… 40
图3 X-Y工作台装配图 …………………………………………………………… 41
随着机电一体化技术的迅速发展，新的机电一体化产品竞相出现。面对国际市场日益激烈的竞争，以及对知识产权的高度重视，单纯靠引进和仿制国外产品将使企业失去竞争力。
只有通过产品创新，才能从根本上解决的生存和发展问题。机电一体化系统的设计理论、方法和应用，是适应技术新潮流的需要，是自主创新的需要，关系到我国能否开发更多的具有自主知识产权的产品，由机械制造大国转变为世界机械制造大国。
本论文主要论述了由单片机控制的钻孔用x-y工作台，首先在绪论中介绍了机电一体化的一些概念及特点，数控机床组特点成及其发展趋势；第二章介绍了机械系统传动件和支撑机构的设计与计算；第三章伺服系统的组成及步进电机的选型计算和驱动控制；第四章主要是控制系统硬件电路的设计；最后是对论文的总结。
关键词 X-Y工作台 单片机 步进电机
1 绪论
1.1 机电一体化概述
1.1.1 机电一体化基本概念
机电一体化是微电子技术在向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是机械和微电子两种技术相互融合的产物，如图1-1所示。机电一体化打破了传统的机械工程、电子工程、信息工程、化学工程、建筑工程等旧模块的划分，形成了融机械技术、微电子技术、传感器技术、自动控制技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术为一体的一门新兴的交叉学科。
图1-1 机电一体化技术的形成
“机电一体化”的英文是“mechatronics”,它是机械（mechanics）和电子(electronics)两个字的合成词，本词在20世纪70年代中期由日本首先开始使用，现在已得到很多国家的普遍认同，并得到广泛使用。从广义上可以概括为“机械工程与电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置”。
“机电一体化”具有“技术”与“产品”两方面的内容。机电一体化技术主要是指其技术原理和机电一体化系统得以实现、使用和发展的技术。机电一体化产品主要
是指机械系统和微电子系统的有机结合，从而赋予了新功能和性能的新一代产品。
1.1.2 机电一体化的基本组成要素
一个较完善的机电一体化系统由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算
机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）五个系统组成，如图1-2所示，各组成要素和环节之间通过接口相联系。
图1-2机电一体化系统的五大要素
（1）机械系统
用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成一个有机整体。机械系统是机电一体化系统必要的组成部分，没有它，系统的各个部分就会支离破碎，无法构成具有特定功能的机电一体化产品或系统。例如，工业机器人和数控机床的本体就是机身和床身；指针式电子表的本体是表壳。
（2）计算机信息处理和控制系统
机电一体化系统的基本特征是给“机械“添加了头脑，根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理与控制系统接收传感和检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对系统的运行施以控制，实现预定的控制功能。机电一体
化产品中，信息处理与控制系统主要由计算机硬件和软件以及相应的接口电路组成。硬件一般包括输入输出设备、显示器、可编程控制器和数字控制。软件一般包括系统软件和应用软件。机电一体化产品要求信息处理速度快，A/D和D/A转换及分时处理
时的输入输出可靠，系统的抗干扰能力强。
（3）动力系统
按照机电一体花系统的控制要求，为机电一体化产品或系统提供能量和动力，去驱动执行机构工作，以完成预定的功能。动力系统包括电、液、气等多种动力源。
（4）传感检测系统
机电一体化产品在运行过程中自身和外界环境的各种参数及状态按一定精度要求转化成测定的物理量，为机电一体化产品的运行控制提供所需要的各种信息。传感与检测系统的功能一般由传感器或仪表来实现，对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰能力强等。
（5）执行元件
在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行元件一般是运动部件，常采用电液、机械、气动等。执行机构因机电一体化产品的类型和作业对象不同而有较大差异。执行机构是实现产品木的功能的直接执行者，其性能好坏决定着整个产品的性能，因而是机电一体化产品中重要的组成部分。
川公网安备: 51019002004831号