一维精密加工台设计及计算选型

1、桂林电子科技大学课程设计报告用纸编号： 机电一体化课程设计说明书题 目： 一维精密工作台设计 学院： 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： * * * 学 号： * 校内导师单位： 机电工程学院 姓 名： 职 称： 教 授 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016年12月20日摘 要随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，光机电一体化技术也得到了前所未有的发展，成为了一门多学科交叉的系统技术。而数控工作台正是这一技术的典型应用。本文以一维数控工作台的设计为例，清晰阐述了此类工作台的一般设计方法。首先介绍了数控工作台的发展及目前的产业化应用现状。其次根据设计要

2、求对工作台总体方案进行了详细阐述。再次，依据设计初始条件及各主要部件的参数样本，对滚珠丝杠、滚动导轨、伺服电机等主要部件进行了选型和设计，同时对其各项指标进行了校核，然后对控制台的控制部分进行了软硬件设计，采用单片机作为核心芯片，实现本任务的控制要求。 关键词：数控工作台； 机械传动；控制台；单片机AbstractWith the rapid development and wide application of computer technology, opto mechatronics technology has also been an unprecedented developmen

3、t, has become a multidisciplinary system technology. The numerical control worktable is a typical application of this technology. In this paper, the design of one dimensional numerical control worktable is taken as an example to illustrate the general design method of this kind of worktable.Firstly,

4、 the development of numerical control worktable and the present situation of its application are introduced. Secondly, according to the design requirements, the overall scheme of the working table is described in detail. Again, based on the parameters of the sample design of the initial conditions a

5、nd the main components of the ball screw and rolling guide, servo motor and other major components are selected and designed, and the indexes were checked, and then the control part of the console for the hardware and software design, using MCU as the core chip, to achieve the task control requireme

6、nts.Key words: NC working platform; mechanical transmission; console; MCU目 录1 绪论11.1工作平台概述11.1.1数控工作台发展及其产业化现状11.1.2 数控工作台发展趋势及产业化现状21.2 一维数控工作台设计的意义及设计内容32 课程设计任务42.1设计任务介绍：42.2设计参数53 工作台的总体设计63.1 机械传动部件的选择63.1.1导轨的选用63.1.2丝杠螺母副的选用63.2 机械传动部件的设计63.2.1 直线滚动导轨副的计算与选型63.2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型83.2.3 步进电动机的计

7、算和选型113.2.4 联轴器的选用及校核143.2.5 轴承的选用及校核153.3 工作控制台的设计173.3.1控制台总体设计方案173.3.2 STC89C52单片机193.3.3 驱动器的选择203.3.4 液晶屏显示选择223.3.5 位移传感器的选择223.3.6 AD转换电路23结 论24致 谢2525桂林电子科技大学课程设计报告用纸1 绪论本设计所设计的一维工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过运动控制卡来控制伺服电机，使工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的数控工作台机电系统设计是一个闭环控制系统，其结构简

8、单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，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。本设计所设计的工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加工，所以其功能远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品本次专业课程设计要求我们掌握电子精密机械设计方面的基础知识，并能独立运营电子精密机械设计的基本理论、基本方法、进行有关电子精密机械方面的设计。通过本次专业课程设计使我们熟悉机械系统的方案论证过程，包括取得方式比较、传动形式的确定等；学会采用AUTOCAD进行机械设计，达到较熟悉程度；利用学过的基础理论，在设计实践中进行载荷

9、的分析计算、电机的选择、传感器的选择、传动链的分析计算、传动系统的精度、谐振分析；综合运用有关课程如机械制图、公差与技术测量、热处理、机械设计、机械原理传感器技术等所学的知识来解决工程实际问题。从而培养我们的自学能力、独立工作能力、协作精神和创新精神，为以后的毕业设计打好基础。1.1工作平台概述 数控工作台（numerical control table）又称数控精密工作台、数控运动平台、数控定位平台、电动平移台、数控工作台。设计上采用滚珠丝杠副和滚动导轨副传动结构，具有精度高、效率高、寿命长、磨损小、节能低耗、磨擦系数小、结构紧凑、通用性强等特点。数控工作台可广泛应用于激光焊接机、插线机、打

10、孔机、涂胶机、机械手、搬运、检测装置、断层射线扫描、小型数控机床及实用教学领域。数控精密工作台系列可选择步进电机驱动，直流伺服电机驱动，交流伺服电机驱动。本次设计选用直流伺服电机驱动。数控工作台产品基础构件可以采用优质铝合金、铸铁、钢材及大理石等材料，传动结构可以采用直线导轨、直线圆导轨、滚珠丝杠、同步带及气缸等多种组合形式，满足各种行业、不同场合的需要。1.1.1数控工作台发展及其产业化现状 数控工作台按其移动自由度可分为一维数控工作台、二维数控工作台以及三维数控工作台。（1）一维数控工作台。如图1.1所示。图1.1 一维数控工作台（2） 二维数控工作台双坐标工作台分别是由两台型号一致、工作

11、行程相同或不同的单坐标工作台叠加组合而成。双坐标工作台组成原则是上层工作台行程一定要小于等于下层工作台行程。如图1.2所示。图1.2 二维数控工作台（3）三维数控工作台三坐标数控工作台按照使用方式的差异分为小型数控工作台、大型数控工作台、专用数控工作台。1.1.2数控工作台发展趋势及产业化现状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

12、、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。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XY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压驱动，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

13、进步。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。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，因此工作台的设计具有重要意义，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。1.2 一维数控工作台设计的意义及设计内容本设计所设

14、计的一维工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过运动控制卡来控制伺服电机，使工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的数控工作台机电系统设计是一个闭环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，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。本设计所设计的工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加工，所以其功能远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品。通过对工作台的设计，能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识，学会设备数控化改造

15、方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过课程设计，初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。在本设计中着重介绍了如何对工作台进行总体设计以及对导轨、丝杠、电机的选用计算。2 课程设计任务2.1设计任务介绍：一、 题目要求： （1） 工作台的基本组成 1）能一个方向移动的平面工作台。 2）传动机构一般包括齿轮减速和滚珠丝杠传动，具体传动机构根据所选电机确定。 （2

16、） 工作台的控制要求 1） 能用键盘输入命令，控制工作台移动。 2）能实时显示工作台的当前运动位置。 3）当工作台超越边界时，能以指示灯报警，并停止运动。 （3） 工作台的软件要求 系统软件的主要部分流程图。包括： 1）主模块，用于系统初始化和监控。 2）主要功能键子模块。 3）越界报警、急停处理子模块。二、设计内容及安排： （1）熟悉任务，查阅资料。 （2）进给系统和传动系统的设计计算，包括驱动力矩的计算、丝杠的选型、电机和减速器的选型等，写出详细计算过程。 （3）画出工作台装配图，2号图纸。 （4）在论文中画出系统控制部分工作框图。 （5）软件主要部分流程图（附在说明书正文中）。 （6）整

17、理设计说明书，答辩。 图2.1 一维伺服移动工作台整体结构三、 要求： （1）上述工作要求扎扎实实完成,绝不走过场。 （2）培养独立思考,独立动手,独立查阅资料,严谨治学,一丝不苟的工作作风,培养会检索查阅资料,使用资料的能力,严禁抄悉,不求甚解。 （3）培养形成独立分析问题,解决问题的能力，为毕业后工作打好基础。2.2 设计参数 （1）工作台重量22kg； （2）进给抗力：X:250N,Y:150N； （3）工作台进给速度：X:1.5m/min,Y: 2m/min, （4）工作台最大移动速度： 6m/min （5）加工对象重量约8kg （6）系统控制类型：交流驱动 （7）进给轴：Y轴 （8）

18、行程范围：1200mm （9）控制方式：单片机工作台的详细设计参数见表2.1。表2.1工作台设计参数工作台重量进给抗力进给速度最大移动速度加工对象重量系统控制类型进给轴.行程范围22kgX=250NX=1.5m/min6m/min8kg交流驱动X轴1200mm3 工作台的总体设计3.1 机械传动部件的选择3.1.1 导轨的选用要设计的工作台是用来配套轻型的数控机床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小(0.005mm/p)，定位精度高（0.01mm），因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。本设计选择直线滚动导轨副。3.1.2 丝杠螺母副

19、的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和0.01mm的定位精度，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。 图3.1 丝杆螺母副3.2 机械传动部件的设计3.2.1直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取按照导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工作平台、滑块（60N/个）等，估计重量约为460N。工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。工作台采用水平布置，利用双导轨、四

20、滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： (3-1)其中，移动部件重量G=460N，外加载荷F=FZ=80N，代入式3-1得最大工作载荷 根据工作载荷Fmax=195N，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=8.71kN，额定静载荷C0a=14.5kN。查表3-1，按标准系列，选取导轨长度为1500mm.表3-1 JSA型导轨长度系列导轨型号导轨长度系JSA-LG152803404004605205806407007608201500JSA-LG2034040052058064076082

21、0940100011203000JSA-LG254604080010001240136014801600184019603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000 (2) 距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为

22、60HRC，工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表表3-2 硬度系数滚道硬度（HRC）50555864fH0.530.81.0表3-3 温度系数工作温度/100100150150200200250fT1.000.900.730.60表3-4 接触系数每根导轨上滑块数12345fC1.000.810.720.660.61表3-5精度系数精度等级2345fR1.1.00.90.9表3-6 载荷系数工况无外部冲击或震动的低速场合，速度小于15m/min无明显冲击或振动的中速场合，速度为1560m/min有外部冲击或振动的高速场合，速度大于60m/min

23、fW11.51.5223.5分别取硬度系数fH =1.0、温度系数fT =1.00、接触系数fC =0.81、精度系数fR =0.9、载荷系数fW =1.5，代入式3-2，得所选丝杠的距离寿命为42600km。 （3-2） 即因此所选导轨的距离寿命远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。3.2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷Fm的计算工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=Fy=150N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=80N。已知移动部件总重量G=540N，按矩形导轨进行计算，查表3-7，表3-7 最大工作载荷Fm实验计算公式及参考系数导轨类型实验公

24、式K矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2三角形或综合导轨1.150.150.8注：表中摩擦因数均为滑动导轨。对于贴塑导轨=0.030.05，滚动导轨=0.0030.005。表中，Fx为进给方向载荷，Fy为横向载荷，Fz为垂直载荷，单位均为N；G为移动部件总重力，单位为N；K为颠覆力矩影响系数；为导轨的摩擦系数。取移动部件总重量G=460N，按矩形导轨进行计算，查表3-7，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因素=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： （2）最大动载荷FQ的计算工作台的最快进给速度v=6000mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm，则此时丝杠转速n=v/Ph

25、=1200r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/，得丝杠寿命系数L0=1080（单位为：r）。查表3-8，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，代入式3-3，可以得到： （3-3） 即：式中：L0滚珠丝杠副的寿命，单位（r）。L0=60nT/，（其中T为使用寿命，普通机械取T=500010000h，数控机床及一般机电设备取T=15000h；n为 丝杠每分钟转速）； fW载荷系数 fH硬度系数（58HRC时，取1.0；等于55HRC时，取1.11；等于52.5HRC时， 取1.35；等于50HRC时，取1.56；等于45HRC时，

26、取2.40）； Fm滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。表3-8 滚珠丝杠载荷系数运转状态载荷系数fW平稳或轻度冲击1.01.2中等冲击1.21.5较大冲击或振动1.52.5（3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD系列1604-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母式，其公称直径为16mm，导程为5 mm，循环滚珠为4圈2列，精度等级取4级，额定动载荷为5339N，大于FQ，满足要求。（4）传动效率的计算将公称直径d0=16mm，导程Ph=5mm，代入，得丝杠螺旋升角。将摩擦角，代入，得传动效率。效率要求大于90%，该丝杠副合格。（5）

27、刚度的验算工作台滚珠丝杠副的支承均采用“双推-简支”的方式。丝杠的一端用深沟球轴承，另一端用深沟球与推力球轴承的组合，左、右支承的中心距离约为a=1350mm；钢的弹性模量E=2.1105MPa；得滚珠直径DW=2.381mm，丝杠底径d2=13.1mm，丝杠截面积。丝杠的拉伸或压缩变形量1在总变形量中的比重较大，可按下式计算： (3-4)式中：Fm丝杠的最大工作载荷，单位为N a丝杠两端支承间的距离，单位为mm E丝杠材料的弹性模量，钢的E=2.1105MPa S丝杠按底径d2确定的截面积，单位为mm2 M转矩，单位为Nmm I丝杠按底径d2确定的截面积惯性矩（），单位为mm4 滚珠与螺纹滚

28、道间的接触变形量2 无预紧时 (3-5) 有预紧时 (3-6)式中 DW滚珠直径，mm Z滚珠总数量，Z=Z圈数列数 Z单圈滚珠数，（外循环），（内循环） FYJ预紧力，单位N由于转矩M一般较小，可以忽略式2-5中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量 根据公式，求得单圈滚珠数Z=18；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为42，代入公式：Z=Z圈数列数，得滚珠总数量Z=144。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=674N。则由式2-7，滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2 因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，实际变形量可减小一半，2=0.00017mm。将以上算出的1和

29、2代入。丝杠的有效行程为1240mm，由表3-27知，4级精度滚珠丝杠有效行程在12401300mm时，行程偏差允许达到27m，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷Fk应满足：（3-7） 式中 Fk临界载荷，单位N fk丝杠支承系数，如表所示 K压杆稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取小值； A滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。表3-9 丝杠支承系数方式双推-自由双推-简支双推-双推单推-单推fk0.25241查表3-9，取fk=0.25；由丝杠底径d2=13.1mm，求得截面惯性矩： ； 压杆稳

30、定系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值800mm。代入式3-7即:临界载荷Fk15630N，远大于工作载荷Fm=170N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。3.2.3 步进电动机的计算和选型 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=16mm； 总长l=1500mm， 导程Ph=5mm； 材料密度=7.8510-3kg/cm3 ，移动部件总重力G=540N；计算加在直流电动机转轴上的等效负载转矩，分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 (1）快速空载启动时电机转轴所受的负载转矩： （3-8） 移动部件运动时折算到电机轴上的摩擦转矩，单位。

31、滚珠丝杠预紧后折算到电机轴上的附加摩擦转矩，单位。 （3-9） 导轨的摩擦力 N； 滚珠丝杠导程单位m； 传动效率， 取=0.95； 总传动比 =1； 导轨的摩擦系数（滚动导轨取0.003到0.005，这里选取0.005）； 垂直方向工作载荷，空载时=0 由式（3-9）得： （3-10） 滚珠丝杠预紧力，一般取工作载荷的1/3,单位为N； 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 由于滚珠丝杠的传动效率高，所以 值一般很小，与 比起，通常可以忽略不计。 最终计算得 (2) 最大工作负载下电机转轴所受负载转矩 （3-11） 式中Tf和T0分别按上计算；Tt折算到电机轴上的最大工作负载转矩。 （3-12

32、） 式中 为进给方向最大工作载荷，单位N，在前面滚珠丝杠的选型计算 时，已知沿丝杠轴线方向最大进给载荷Fm=168N。 因此可得 （3）在垂直方向承受的最大工作载荷（Fz=80N）情况下，移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩 综上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： 因此Teq约为0.14N.m。（4）直流电机静转矩的确定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 步进电机最大静转矩要大于1

33、.84N.m。（5）计算加在直流电机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=16mm；总长l=1500mm； 导程Ph=5mm； 材料密度=7.8510-3kg/cm3；移动部件总重力G=420N；传动比为1。滚珠丝杠折算到电机轴上的转动惯量： 拖板折算到电机轴上转动惯量： 总等效惯量： 最终得（6）电机型号选取 综上计算可知， ， ，一般要求 得; 综合考虑上面静转矩 ，我们选用的步进电机为76BL-3014H1-LK-A无刷直流电机，其参数见下图：图3.2 无刷直流电机规格图3.2.4 联轴器的选用及校核 经过对十字滑台设计结构的分析，我们选用了结构比较紧凑的波纹管联轴器，其结构

34、和选型表见下面：根据前面电机选型时计算可得电机轴上最大负载转矩T=1.71N.m考虑工作过程中的动载荷和在运转过程中的过载现象，计算转矩： （3-13） 其中为工作情况系数。因十字滑台无冲击或轻微冲击，且工作情况比较好，因此取 经计算可得 根据，由选型表中参数，综合考虑，选用KB1/100,其具体参数见选型表中。经筛选，本设计选型的联轴器选用波纹管联轴器 KB1/100。图3.3 联轴器规格图3.2.5 轴承的选用及校核 在前面滚珠丝杠的设计中，我们采用的是滚珠丝杠“双推简支式”式支撑，从而我们选用的轴承就是两对角接触轴承相对安装，能同时承受两个方向的轴向力和径向力，然后根据前面选用的滚珠丝杠

35、的轴径，我们选用的轴承是“深沟球轴承6302和推力球轴承51102。下面我们对其进行寿命校核。（1）轴承受力分析根据前面滚珠丝杠的设计，我们画出了滚珠丝杠的受力示意图，我们取最极端情况，即滑台刚好走到最右边或最左边，且单边的力由一个轴承承担。(2)计算当量动载荷采用了一组深沟球轴承，径向载荷,轴向载荷，转速1200R/MIN,装轴承处的轴颈范围19-25： （3-14） 查表得e最大为0.44，最小为0.22,=1.2, x=1,y=1。 所以 当量动载荷 （3-15）轴承的基本额定动载荷：查表得轴承选用6302，其C为15.8KN，内径为15，外径为42，宽为13.（3）寿命校核计算： （3

36、-16） 式中为单位为 ；对于深沟球轴承 ， C为轴承基本额定动载荷 。 因此 （3-17）根据前面计算，以最大工进速度运动时，转速n=600r/min,可以计算再次条件下计 算用小时表示的基本额定寿命Lh： （3-18）所以 （4) 综合分析以上计算，我们取得是最大载荷，受力是在最恶劣的情况下，且以空载最快运动速度下校核寿命为12308.6h，能达到要求。（5）当采用了一个推力球轴承：轴向载荷为181.32N，径向载荷可忽略不计。 （3-19） （3-20）查表初选型号为51102，C为14.20KN,内径为15，外径为28，宽度为9。 （6）寿命校核计算： （3-21） 式中为单位为 ；对

37、于推力球轴承 ， C为轴承基本额定动载荷 。 因此 （3-22）根据前面计算，以最大工进速度运动时，转速n=600r/min,可以计算再次条件下计 算用小时表示的基本额定寿命Lh： （3-23） 所以 （3-24） 综合分析以上计算，我们取得是最大载荷，且以空载最快运动速度下校核寿命为10308.6h，能达到要求。 3.3 工作控制台的设计3.3.1控制台总体设计方案 （1）整体硬件结构图： 图3.4 控制台硬件设计图本硬件设计实现对工作台的控制要求：1）能用键盘输入命令，控制工作台移动，2）能实时显示工作台的当前运动位置，3）当工作台超越边界时，能以指示灯报警，并停止运动。其控制策略如下：本

38、设计采用STC89C52单片机作为主控制器，通过按键（分别为a前进、b后退、c暂停）对工作台运行状态进行控制，位移传感器可以采集到工作台的位移信号，由A/D转换器转换为对应的数字量输入微控制器。微控制器对它进行信号处理、存储，获得较高精度的测量结果，同时微控制器将测量结果打印在液晶屏上，实时显示出工作台的位置。 本设计设计有运行状态指示灯和报警器，当工作台正常运动时，指示灯显示绿色，当工作台静止时，指示灯显示红色，当工作台超越边界时，报警器会发出报警声，给工作人员以提示，同时微控制器通过控制继电器对电机进行断电处理，以停止运动。电机的运行状态是通过单片机输出PWM脉冲控制驱动器以驱动电机运转的

39、，可以利用PID算法有效的提高对电机的控制效率。（2）整体软件流程图图3.5 控制台软件流程图系统上电后，首先进行系统的初始化，然后进行按键扫描，若按键按下为前进键/后退键，单片机输出PWM波，通过驱动器来控制电机的转动，在驱动器中有dir信号线来控制电机的正反转，同时指示灯会亮起绿灯，以显示工作台在工作，若按键按下为停止键，单片机通过控制继电器，使得对电机停止供电，工作台停止工作，指示灯亮起红灯。位移传感器可以采集工作台的运行位置，经ADC0809转换为数字信号后，若ADC0809未转换完毕，则进行等待处理，单片机读取到数字信号后，进行存储与处理后，显示到液晶屏上，实时显示工作台的运行位置。

40、若检测到工作台超越边界，报警器会响起，以提醒工作人员。3.3.2 STC89C52单片机MCS-51系列单片机是一种高性能的8位机系列，广泛应用于各种小型控制系统中，其引脚图如图所示。本设计采用的单片机是STC89C52，与MCS-51指令系统兼容，系统结构相同，CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器。全部支持12时钟和6时钟操作。STC89C52包含128字节RAM、32条I/O 口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O 口（可用于多机通信I/O扩展或全双工UART以及片内振荡器和时钟电路）。图3.6 单片机I/O图STC89C52具有如下特点：4

41、0个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。接口电路是微机必不可少的组成部分，并行输入确出接口是CPU和外部进行信息交换的主要通道。MSC51系列单片有4个8位并行双向I/O口P0P3，共32根I/O线。每一根线能独立用作输入或输出。单片机可以外接键盘、显示器等外围设备还可以进行系统扩展，以解决硬件资源不足问题。4个并行口都是双向口，既可以输入又可以输出。P0、P2口经常作外部扩

42、展存储器时的数据、地址线，P3口除作I/O口外，每一根都有第二功能。这4个I/O口结构基本相同，但仍存在差别。根据设计要求和计算简便的原则，我们选择12M的石英晶振、30PF的电容、+5V电源，最小系统如下：图3.7 单片机最小系统图3.3.3 驱动器的选择根据前面选用的无刷直流电机型号，我们选用的驱动器是BL-2203C，其有如下特点：220V 交流供电，输入、输出信号光电隔离，起停及转向控制， 过流、过压、过载及堵转保护等。其有以下三种调速方式，用户可任选一种：内部电位器调速：逆时针旋转驱动器面板上的电位器，电机转速减小，顺时针则转速增大；由于测速需要响应时间，速度显示会有滞后；用户使用其

43、他两种转速控制方式时必须将电位器设于最小状态。外部输入调速：将外接电位器的两个固定端分别接于驱动器的“+12”和“COM”端上，将调节端接于“AVI”上即可使用外接电位器调速，也可以通过其他的控制单元（如PLC、单片机等）输入模拟电平信号到“AVI”端实现调速（相对于COM），“AVI”的接受范围为DC0V10V，对应电机转速为03000转/分；端子内接电阻200K 到COM 端，因此悬空不接将被解释为0 输入。端子内也含有简单的RC 滤波电路，因此可以接受PWM 信号进行调速控制。多段速度选择： 通过控制驱动器上的CH13 三个端子的状态可以选择内部预先设定的几种速度，如下图所示。）；用户在

44、使用时可与厂家协商确定各段速度。在使用其他调速方式时请不要接线或者全接为“1”。本设计采用第二种方式，采用单片机产生PWM脉冲进行速度控制。其接线端子具体说明，具体典型接线图，如下图所示图3.8 典型接线图3.3.4 液晶屏显示选择字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。1602液晶，从它的名字我们就可以看出它的显示容量，就是可以显示2行，每行16个字符的液晶。它的工作电压是4.5V5.5V，对于这点我们设计电路的时候，直接按照5V系统设计，但是保证我们的5V系统最低不能低于4.5V。在5V工作电压下测量它的工作电流是2mA，大家注意，这个2mA仅仅是指液晶，而它的黄绿背光都是用LED做的，所以功耗不会太小的，一二十毫安还是有的。实物如下图所示：图3.9 液晶屏实物图 其引脚图如下图所示：图3.10 液晶屏引脚图3.3.5 位移传感器的选择位移传感器主要有以下几种：电容式位移传达室感器、差动式电感受式位移传感器和电阻应变式位移传感器一般用于小位移的测量（几微米至毫米）差动。变压器用于中等位移的测量，这种传感器在工业测量中应用得最多；电阻电位器式传感器适用于较大范围位移的测