單片機(jī)的XY軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)【二維步進(jìn)單片機(jī)控制工作臺(tái)的控制部分】

單片機(jī)的XY軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)【二維步進(jìn)單片機(jī)控制工作臺(tái)的控制部分】,二維步進(jìn)單片機(jī)控制工作臺(tái)的控制部分,單片機(jī)的XY軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)【二維步進(jìn)單片機(jī)控制工作臺(tái)的控制部分】,單片機(jī),xy,步進(jìn),運(yùn)動(dòng),控制,節(jié)制,裝置,設(shè)計(jì),二維,工作臺(tái),部分,部份 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）登記表 分院 機(jī)電工程分院 專業(yè) 機(jī)電一體化 班級(jí) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 設(shè)計(jì)（論文）起止日期 教研室主任 題目名稱（包括主要技術(shù)參數(shù)）及要求 1. 題目名稱：基于單片機(jī)的XY軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì) 2. 要求：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是數(shù)控加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是數(shù)字控制的直接對(duì)象，被加工工件的最終坐標(biāo)位置精度和輪廓精度都與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。脈沖當(dāng)量是0.001mm，快進(jìn)速度是1000mm/min，X軸行程：200mm，Y軸行程： 230mm。其他參數(shù)自定。合理設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；完成進(jìn)給部件（包含滾珠絲杠螺母副、燕尾槽導(dǎo)軌、導(dǎo)軌防護(hù)罩等）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及總圖和零件圖；完成主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算；完成二萬字的畢業(yè)論文及5000字的譯文。合理設(shè)計(jì)XY軸進(jìn)給的結(jié)構(gòu)；完成XY軸進(jìn)給部件（包含齒形帶傳動(dòng)；滾珠絲杠螺母副、燕尾槽導(dǎo)軌、導(dǎo)軌防護(hù)罩等）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及總圖和零件圖；完成基于單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算。根據(jù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在充分論證的基礎(chǔ)上制定基于單片機(jī)XY軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制的控制部分后，根據(jù)所學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械電子領(lǐng)域的相關(guān)理論知識(shí)，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好、操作簡單、性價(jià)比高步進(jìn)控制裝置。 論文開題報(bào)告（設(shè)計(jì)方案論證） 應(yīng)包括以下幾方面的內(nèi)容： 1、 本課題研究的意義；2、調(diào)研（社會(huì)調(diào)查）情況總結(jié)；3、查閱文獻(xiàn)資料情況（列出主要文獻(xiàn)清單）；4、擬采取的研究路線；5、進(jìn)度安排。 1. 本課題研究的意義： 工作臺(tái)是機(jī)床上必不可少的部件，因此工作臺(tái)的設(shè)計(jì)具有重要意義，工作臺(tái)的自動(dòng)化能大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。X—Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便而且能保證一定的精度。降低成本，是微機(jī)控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用，它充分的利用了微機(jī)的軟硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制，使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大，精度和可靠性進(jìn)一步提高。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)械行業(yè)的許多普通機(jī)床和閑置設(shè)備，經(jīng)過數(shù)控改造以后，不但可以提高加工精度和勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且能有效的適應(yīng)多品種，小批量的市場經(jīng)濟(jì)的需要，使之更有效的發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 2. 調(diào)研情況總結(jié)： 為了更好的完成本設(shè)計(jì)，我們參觀了長春精誠機(jī)械制造廠，并在網(wǎng)上查閱了大量有關(guān)資料，對(duì)數(shù)控機(jī)床的功能、原理及結(jié)構(gòu)有了直觀的了解，對(duì)順利完成本設(shè)計(jì)起到了至關(guān)重要的作用。 3. 參考文獻(xiàn)： [1] 邱宣懷．機(jī)械設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [2]鄭堤，張建，王春海，陳廉清．?dāng)?shù)控機(jī)床與編程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 [3]沈紅衛(wèi)．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003 [4]李玉梅．基于MCS-51系列單片機(jī)原理的應(yīng)用設(shè)計(jì)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2006 [5]吳金戌，沈慶陽，郭庭吉．單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002 [6] 宋昭祥．機(jī)械制造基礎(chǔ), ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002 [7]余永權(quán)，汪明慧，黃英．單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003 [8]韓雁，徐煜明．微機(jī)原理與接口技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003 [9]楊金巖，鄭應(yīng)強(qiáng)，張振仁．8051單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [10]葉邦彥，陳統(tǒng)堅(jiān)．機(jī)械工程英語[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 [11] Maxim Inc.DS89C430 User Manual[Z].www.ma}m.com, 2008. [12] Intersil Inc.82C54 User Manual[Z].www.intersil.com,1999. 4.擬采取的研究路線： 指導(dǎo)老師下達(dá)任務(wù)→充分理解本課題要解決的問題→查閱文件和素材（圖書館、上網(wǎng)）→翻譯英文資料（吉林省圖書館，長春市圖書館，達(dá)新校區(qū)圖書館）→到長春精誠機(jī)械參觀→撰寫論文（吉林省圖書館，長春市圖書館，達(dá)新校區(qū)圖書館）→CAD繪圖→指導(dǎo)教師審查→修改、完善、定稿→準(zhǔn)備答辯。 5．進(jìn)度安排： 2月 28日— 3月 15日 查閱文件，書籍材料。 3月16日—3月 29日 翻譯英文材料。 3月30日—4月 26日 寫課題論文，寫初稿。 4月 27日—5月 17日 完善論文，定稿。 5月 18日—6月7日 繪制設(shè)計(jì)草圖、打印。 6月8日—6月 17日 整理，熟悉文件,準(zhǔn)備答辯 指導(dǎo)教師審閱意見： 年 月 日 記事： 指導(dǎo)教師審閱意見： 年 月 日 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目申報(bào)表 院 別 機(jī) 電 工 程 分 院 教 研 室 機(jī) 械 工 程 教 研 室 指導(dǎo)教師 職稱 講師 職稱 2010年11月1日 題目名稱 基于單片機(jī)的XY軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì) 題目類別 設(shè)計(jì)類 √ 題目性質(zhì) 結(jié)合實(shí)際 √ 專業(yè) 參加本題目學(xué)生人數(shù) 1人 論文類 虛擬題目 題目來源、教師準(zhǔn)備情況、主要培養(yǎng)學(xué)生哪些能力 1．本題目來源于指導(dǎo)教師的命題。 2．指導(dǎo)教師對(duì)此課題有較深的理論基礎(chǔ)及經(jīng)驗(yàn)，在師生共同努力下定能順利、按期完成該課題設(shè)計(jì)。 3．本課題主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)已有知識(shí)的運(yùn)用能力、查找資料和閱讀能力、英譯漢的能力、工程機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造能力。 題 目 內(nèi) 容 及 要 求 題目內(nèi)容： 基于單片機(jī)的XY軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制裝置就是用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度的控制。單片機(jī)控制的X-Y工作臺(tái)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為開環(huán)，半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)三種。本設(shè)計(jì)采用開環(huán)伺服系統(tǒng)，通過單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。 要求： 1.寫出1～1.5萬字的論文，繪制總裝圖和重要的零件圖。 論文內(nèi)容包括: （1）方案原理設(shè)計(jì)。 （2）XY工作臺(tái)設(shè)計(jì)。 （3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 2.將一篇與本課題有關(guān)的英文資料，翻譯成中文（約5000字）。 實(shí) 踐 環(huán) 節(jié) 安 排 實(shí)習(xí) 4周 實(shí)驗(yàn) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用 計(jì)算機(jī)繪圖4周 中、外文參考資料： [1] 邱宣懷．機(jī)械設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [2]鄭堤，張建，王春海，陳廉清．?dāng)?shù)控機(jī)床與編程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 [3]沈紅衛(wèi)．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003 [4]李玉梅．基于MCS-51系列單片機(jī)原理的應(yīng)用設(shè)計(jì)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2006 [5]吳金戌，沈慶陽，郭庭吉．單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002 [6] 宋昭祥．機(jī)械制造基礎(chǔ), ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002 [7]余永權(quán)，汪明慧，黃英．單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003 [8]韓雁，徐煜明．微機(jī)原理與接口技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003 [9]楊金巖，鄭應(yīng)強(qiáng)，張振仁．8051單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001 [10]葉邦彥，陳統(tǒng)堅(jiān)．機(jī)械工程英語[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005 [11] Maxim Inc.DS89C430 User Manual[Z].www.ma}m.com, 2008. [12] Intersil Inc.82C54 User Manual[Z].www.intersil.com,1999. 教研室主任 審 批 簽 字 分 院 院 長 審 批 簽 字 注：題目類別和題目性質(zhì)請(qǐng)用符號(hào)√填在相應(yīng)欄內(nèi)。 編號(hào) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的 XY 軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì) Based On Scm XY Axis Stepping Control Device 學(xué) 生 姓 名 專 業(yè) 機(jī)電一體化 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 分 院 機(jī)電工程分院 2011 年 月 摘 要 本文主要是關(guān)于兩維步進(jìn)單片機(jī)控制工作臺(tái)的控制部分的研究。主要的任務(wù)就 是用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度的控制。 單片機(jī)控制的 X-Y 工作臺(tái)系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為開環(huán)，半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)三種。 本設(shè)計(jì)采用開環(huán)伺服系統(tǒng)，通過單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)帶動(dòng) 工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先根據(jù)工作臺(tái)的最大載荷，選取導(dǎo)軌副，設(shè)計(jì)工作 臺(tái)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，受力分析，轉(zhuǎn)矩計(jì)算，畫出工作臺(tái)的裝配草圖，再選擇步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)，進(jìn)而設(shè)計(jì)滾珠絲杠，最后設(shè)計(jì)出 X-Y 工作臺(tái)，畫出其裝配圖。 關(guān)鍵詞 XY 工作臺(tái) ； 步進(jìn)電機(jī)； 脈沖當(dāng)量； 裝配圖 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) II 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 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) III 目 錄 摘 要 .I Abstract.II 1 緒論 .1 1.1 序言 .1 1.2 該設(shè)計(jì)主要任務(wù) .1 2 方案原理設(shè)計(jì) .3 2.1 數(shù)控工作臺(tái)研究現(xiàn)狀 .3 2.1.1 數(shù)控工作臺(tái)的現(xiàn)狀與發(fā)展 .3 2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展 .4 2.1.3 單片機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展 .5 2.2 系統(tǒng)總體方案 .6 2.2.1 機(jī)械系統(tǒng) .7 2.2.2 控制系統(tǒng)方案 .10 2.2.3 控制方案選擇 .11 2.2.4 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) .11 3 XY 工作臺(tái)設(shè)計(jì) .12 3.1 XY 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述 .12 3.2 絲杠的選擇 .13 3.2.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì)總述 .13 3.2.2 滾珠絲杠特點(diǎn) .13 3.2.3 設(shè)計(jì)和使用滾珠絲杠應(yīng)注意以下問題 .14 3.3 滾動(dòng)絲杠支承的選擇 .14 3 .3 .1 支承方式的選擇 .15 3.3.2 軸承的選擇 .15 3.3.3 軸承的選擇 .15 3.3.4 軸承的潤滑與配合 .16 3.4 初選聯(lián)軸器類型 .16 3.5 導(dǎo)軌材料的選擇及熱處理 .17 3.5.1 導(dǎo)軌材料選擇 .17 3 .5 .2 導(dǎo)軌的熱處理 .18 3.6 機(jī)座的設(shè)計(jì) .18 3.6.1 機(jī)座自身剛度 .18 3.6.2 提高機(jī)座連接處的接觸剛度 .18 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .19 4.1 硬件設(shè)計(jì) .19 4.1.1 硬件結(jié)構(gòu) .19 4.1.2 步進(jìn)電機(jī) .20 4.1.3 處理器選擇 .26 4.1.4 鍵盤接口電路設(shè)計(jì) .29 4.1.5 顯示部分設(shè)計(jì) .31 4.1.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì) .35 4.1.7 單片機(jī)與 PC 機(jī)通信設(shè)計(jì) .36 4.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) .39 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) IV 4.2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .39 4.2.2 系統(tǒng)的程序流程 .41 4.2.3 編語言程序設(shè)計(jì) .50 結(jié)論 .53 致謝 .54 參考文獻(xiàn) .55 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1.1 序言 隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，數(shù)控工作臺(tái)的越來越廣泛的應(yīng)用在各種加工場合， 其中包括用于焊接、安裝、點(diǎn)膠、打孔、包裝、取料等各類位置控制設(shè)備和加工設(shè) 備的應(yīng)用等。同時(shí)，由于數(shù)控工作臺(tái)的巨大的市場前景和應(yīng)用價(jià)值，科技工作者對(duì) 工作臺(tái)的研究、開發(fā)從來沒有間斷過，并且新產(chǎn)品或性能改進(jìn)的產(chǎn)品大量出現(xiàn)。為 了滿足不同工作場合和工作條件的要求，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了種類多樣、性能先進(jìn)的 工作臺(tái)。例如，廣泛用于普通畫線用的二維工作臺(tái)、具有防靜電功能的防靜電工作 臺(tái)、可用于分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、用于高精度的加工的納米微動(dòng)工作臺(tái)等等。 隨著人類的進(jìn)步，越來越多并且越來越好的工作臺(tái)將會(huì)被制造出來，來滿足生 產(chǎn)發(fā)展的需求。裝備制造業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化設(shè)計(jì)、制造的程度決定著整個(gè)國民 經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化進(jìn)程的程度,尤其數(shù)控技術(shù)、高端精密加工技術(shù)、極端加工技術(shù) 及裝備制造是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備,又是當(dāng) 今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。所謂的數(shù)控技術(shù)，就是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn) 動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù),而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造 產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 沒想到大學(xué)四年過的會(huì)如此輕快，載不知不覺中突然發(fā)現(xiàn)四年就這么過去了。 我將披著母校賦予我的建設(shè)社會(huì)的使命，奮進(jìn)在普普通通卻有極其重要的工作崗位 上。在充實(shí)的大學(xué)四年中，我學(xué)得了好多專業(yè)知，其中包括機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng) 化的相關(guān)知識(shí)，機(jī)械電子方面的相關(guān)知識(shí)。通過四年刻苦努力、堅(jiān)韌認(rèn)真的學(xué)習(xí)， 我對(duì)本專業(yè)的基本知識(shí)有了很扎實(shí)的掌握和系統(tǒng)深入的學(xué)習(xí)，尤其是機(jī)械測(cè)繪、數(shù) 控機(jī)床及其技術(shù)、PLC 編程、微機(jī)原理、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)械制造工藝學(xué)等相 關(guān)的專業(yè)課的專業(yè)知識(shí)，我受益匪淺。在這里要特別提到的是機(jī)電產(chǎn)品的控制和設(shè) 計(jì)與制造方面，尤其是機(jī)械制造工藝學(xué)單片機(jī)與 PLC 的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的 控制與設(shè)計(jì)制造方面具有了更深入的了解，該課程設(shè)計(jì)不但是對(duì)我所學(xué)課程最好的 檢驗(yàn)，同時(shí)也讓我意識(shí)到自身的許多不足之處。相對(duì)應(yīng)現(xiàn)在的畢業(yè)設(shè)計(jì)，那時(shí)候的 課程設(shè)計(jì)太過于簡單，涉及的知識(shí)也不夠全面、不夠深入，所以這次的畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的 XY 軸步進(jìn)控制裝置設(shè)計(jì)對(duì)我及其重要，不但能夠使我更扎實(shí)深入的學(xué) 好相關(guān)專業(yè)的知識(shí)，更是對(duì)我將來工作及其發(fā)展具有及其重要的意義，我一定要努 力圓滿的完成該畢業(yè)設(shè)計(jì)。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 1.2 該設(shè)計(jì)主要任務(wù) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是數(shù)控加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是數(shù)字控制的直接對(duì)象，被加工工件的 最終坐標(biāo)位置精度和輪廓精度都與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。脈沖當(dāng)量是 0.001mm，快進(jìn)速度 是 1000mm/min，X 軸行程：200mm，Y 軸行程： 230mm。其他參數(shù)自定。合理設(shè) 計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；完成進(jìn)給部件（包含滾珠絲杠螺母副、燕尾槽導(dǎo)軌、導(dǎo)軌防護(hù) 罩等）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及總圖和零件圖；完成主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算；完成二萬字的畢 業(yè)論文及 5000 字的譯文。合理設(shè)計(jì) XY 軸進(jìn)給的結(jié)構(gòu)；完成 XY 軸進(jìn)給部件（包含 齒形帶傳動(dòng)；滾珠絲杠螺母副、燕尾槽導(dǎo)軌、導(dǎo)軌防護(hù)罩等）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及總圖和 零件圖；完成基于單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算。根據(jù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 在充分論證的基礎(chǔ)上制定基于單片機(jī) XY 軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制的控制部分后后，根據(jù)所 學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械電子領(lǐng)域的相關(guān)理論知識(shí)，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好、操作 簡單、性價(jià)比高步進(jìn)控制裝置。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 2 方案原理設(shè)計(jì) 2.1 數(shù)控工作臺(tái)研究現(xiàn)狀 2.1.1 數(shù)控工作臺(tái)的現(xiàn)狀與發(fā)展 （1）數(shù)控工作臺(tái)的研究現(xiàn)狀 在我國對(duì)外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制 造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性,并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國 數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度,數(shù) 控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備,又是 當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作 過程進(jìn)行控制的技術(shù),而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新 興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 （2） 數(shù)控工作臺(tái)的研究意義： 工作臺(tái)是機(jī)床上必不可少的部件，因此工作臺(tái)的設(shè)計(jì)具有重要意義，工作臺(tái)的 自動(dòng)化能大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。XY 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是 一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便而且能保證一定的精度。降低成本，是 微機(jī)控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用，它充分的利用了微機(jī)的軟硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的 控制，使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大，精度和可靠性進(jìn)一步提高。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)械 行業(yè)的許多普通機(jī)床和閑置設(shè)備，經(jīng)過數(shù)控改造以后，不但可以提高加工精度和勞 動(dòng)生產(chǎn)率，而且能有效的適應(yīng)多品種，小批量的市場經(jīng)濟(jì)的需要，使之更有效的發(fā) 揮經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 （3）數(shù)控工作臺(tái)的發(fā)展 一個(gè)國家的繁榮與其先進(jìn)制造業(yè)密切相關(guān)，然而制造是離不開先進(jìn)機(jī)器作為輔 助，機(jī)床包括床身、立柱、工作臺(tái)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。工作臺(tái)作為數(shù)控機(jī)床的 重要組成部分，也是影響加工精度的重要組成環(huán)節(jié)。從一開始為了滿足加工簡單的 零件而設(shè)計(jì)的直線運(yùn)動(dòng)的 XY 工作臺(tái)，到現(xiàn)在為了實(shí)現(xiàn)多工位加工而制造的分度工 作臺(tái)和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等。為了滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，也為了環(huán)境的要求，一作臺(tái)的 驅(qū)動(dòng)裝置從原來的機(jī)械驅(qū)動(dòng)變?yōu)橐郝抿?qū)動(dòng)，現(xiàn)在更多的采用了氣動(dòng)裝置，更好的保 護(hù)了環(huán)境，節(jié)約了資源。由于工作臺(tái)是一臺(tái)機(jī)床的關(guān)鍵配套部件，因此世界各國都 有對(duì)其進(jìn)行研究，我國在工作臺(tái)的研究開發(fā)方面也取得了長足的進(jìn)步。 目前工作臺(tái)的種類繁多，傳統(tǒng)的工作臺(tái)只能安裝在某一指定機(jī)床上，伴隨著科 技的與時(shí)俱進(jìn)，它們的功能也由傳統(tǒng)單一性向現(xiàn)代的多功能性方向發(fā)展，現(xiàn)在一些 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 工作臺(tái)，它不僅可以安裝在鉆床上，還可以安裝在銑床和鏜床等機(jī)床上。并且目前 部分工作臺(tái)還可以作為機(jī)床的第四回轉(zhuǎn)軸，大大提高了機(jī)床的性能。例如：我國生 產(chǎn)機(jī)床工作臺(tái)的公司之一的煙臺(tái)恒力數(shù)控機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的 HLTK14 系列數(shù)控 可傾回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，它可以實(shí)現(xiàn)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心機(jī)床上，可利用原機(jī)床的兩 個(gè)控制坐標(biāo)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)和傾斜，也可直接利用本轉(zhuǎn)臺(tái)配套的數(shù)控裝置與機(jī)床聯(lián) 接完成所需的工作循環(huán)。它可以完成任意角度的孔、槽、平面類機(jī)械加工，以及曲 線、凸輪等的加工，并可達(dá)到較高的精度。另外也可用于非數(shù)控鉆、銑、鏜類機(jī)床 上，獨(dú)立完成等分和不等分的角度分度工作。國外工作臺(tái)的功能與我國所生產(chǎn)的工 作臺(tái)功能基本相似，但是在其精度方面，國外的一些公司所生產(chǎn)的工作臺(tái)要略高于 我國所生產(chǎn)的工作臺(tái)。因此我國與國外相比，還是有一定的差距，因此我們要借助 時(shí)代的步伐，與時(shí)俱進(jìn)，開拓創(chuàng)新，使我國成為具有領(lǐng)先技術(shù)的綜合性強(qiáng)國。 2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展 步進(jìn)電機(jī)最早是在 20 年代由英國人所開發(fā)。20 年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng) 用在步進(jìn)電機(jī)上，對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經(jīng)過不斷改良，使得今日 步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制 性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很 容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng) 作的靈活控制性場合步進(jìn)電機(jī)用得最多。 （1）步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電機(jī)依其構(gòu)造上的差異可分為三大類： 可變磁阻式（VR 型）： 轉(zhuǎn)子以軟鐵加工成齒狀，當(dāng)定子線圈不加激磁電壓時(shí)，保持轉(zhuǎn)矩為零，故其轉(zhuǎn) 子慣性小、響應(yīng)性佳，但其容許負(fù)荷慣性并不大。其步進(jìn)角通常為 15。 永久磁鐵式（PM 型）： 轉(zhuǎn)子由永久磁鐵構(gòu)成，其磁化方向?yàn)檩椣虼呕?，無激磁時(shí)有保持轉(zhuǎn)矩。依轉(zhuǎn)子 材質(zhì)區(qū)分，其步進(jìn)角有 45、90及 7.5、11.25、15、18等幾種。 混和式（HB 型）： 轉(zhuǎn)子由軸向磁化的磁鐵制成，磁極做成復(fù)極的形式，兼有可變磁阻式步進(jìn)電機(jī) 及永久磁鐵式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，精確度高、轉(zhuǎn)矩大、步進(jìn)角度小。 （2）步進(jìn)電機(jī)的歷史 步進(jìn)電機(jī)在我國已有幾十余年的生產(chǎn)史，近幾年，大規(guī)模集成電路及計(jì)算機(jī)技 術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界步進(jìn)電 機(jī)的年產(chǎn)量已達(dá)一億多臺(tái)，市場銷售量占世界微電機(jī)銷售總量的%左右。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展依賴計(jì)算機(jī)外設(shè)和辦公自動(dòng)化機(jī)械的發(fā)展。我國計(jì)算機(jī)工業(yè)雖 然起步晚，但經(jīng)過三十年的努力，已經(jīng)初具規(guī)模。我國早在六十年代中期開始致力 于步進(jìn)電機(jī)的研究和開發(fā)，直到20 世紀(jì)80 年代，一直是磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)占統(tǒng)治 地位，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是8 0 年代后期才開始發(fā)展，至今仍然是二種結(jié)構(gòu)類型同時(shí) 并存。盡管新的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完全可能替代磁阻式電動(dòng)機(jī)，但磁阻式電動(dòng)機(jī)的 整機(jī)獲得了長期應(yīng)用，對(duì)于它的技術(shù)也較為熟悉，特別是典型的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 的步距角（ 0 .9/1.8） 與典型的磁阻式電動(dòng)機(jī)的步距角 （ 0.75/1.5） 不一樣，用戶 改變這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不是很容易的，這就使得兩種機(jī)型并存的局面難以在較短時(shí)間內(nèi) 改變。這種現(xiàn)狀對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展是不利的 。 （3）步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)： 小型化、高精度 計(jì)算機(jī)外部設(shè)備趨向小型，也就要求永磁式和混合式步進(jìn) 電機(jī)向小機(jī)座號(hào)發(fā)展，目前直徑為39、42的 7 步進(jìn)電機(jī)使用就較多。 電機(jī)與線路一體化 機(jī)電一體化的步進(jìn)電機(jī)更受到用戶的歡迎，雖然控制線 路的成本比較高，但與電機(jī)組成一體化產(chǎn)品后更便于整機(jī)使用。 多功能 新一代的磁盤與光盤需要具有兩個(gè)自由度的圓柱式步進(jìn)電機(jī)，直接 完成橫向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)功能，這種產(chǎn)品在日本電話電信公司已有產(chǎn)品。另外， 美國已推出帶電傳感器的步進(jìn)電機(jī)，能自檢位置和轉(zhuǎn)速。 直線小步距、高分辨率 據(jù)日本和歐美國家報(bào)道，此類步進(jìn)電機(jī)已制成步距 為 0.1 微米，在 40 英寸/秒的線速度下產(chǎn)生 50 磅推力，分辨率達(dá) 12500 步/ 英寸，定 位精度為 0.001 英寸。 新結(jié)構(gòu)、新材料、新技步進(jìn)電機(jī)總的發(fā)展趨向是增大出力、提高精度、改善 動(dòng)態(tài)特性，為此已出現(xiàn)一種盤式、軸向氣隙的新結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)，還在研究采 用如高磁能積的鐵氧體、稀土、壓電等新材料。 2.1.3 單片機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展 隨著目前微電子技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)工藝的不斷提高，單片機(jī)技術(shù)也有了長足的 進(jìn)步。 單片機(jī)在最近幾年中得到了極大的發(fā)展，目前世界范圍內(nèi)單片機(jī)發(fā)展的主要領(lǐng) 域有4個(gè)：一是歐美，最新開發(fā)產(chǎn)品及主要廠商有：NATIONAL SEMICUNDUT OR的cop8 系列單片機(jī)，美國的SCENIX 的八位單片機(jī)，荷蘭PHILLIPS的51系列單片 機(jī)，美國AMD公司186系列16位嵌入式微機(jī)控制器， MOTOROLA的各個(gè)系列單片機(jī)； 二是日本，TOSHIBA公司開發(fā)了從4位到64位多系列單片機(jī)，日立公司也有從4位到 32位多系列單片機(jī)，NEC公司的75X、78X系列微機(jī)；三是臺(tái)灣地區(qū)， 主要有 WINBOND的 W741/W516,W78/W77等系列產(chǎn)品微控制器；四是韓國，主要有 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 HYUNDAI MICROELECTRIONICS的GMS800、GMS30系列微控制器。另外還有LG 公司也生產(chǎn)單片機(jī)，可見單片機(jī)發(fā)展到今天可以說種類繁多、性能各異。但目前我 國的許多單片機(jī)應(yīng)用單位仍停留在采用片內(nèi)無ROM等低檔單片機(jī)狀態(tài)。 當(dāng)國內(nèi)從80 年代起開始了單片機(jī)的熱潮,二十多年過去了，單片機(jī)從研究所走出 來,成為日常生活中的一個(gè)不可缺少的部件。硬件方面日趨多樣化，4 位、8 位、16 位、32 位等型號(hào)共同并存,在不同的領(lǐng)域存在,如家電、玩具、工業(yè)設(shè)備、儀器、通 訊等。軟件方面發(fā)展主要為匯編語言、C 語言、嵌入式操作系統(tǒng)。速度、穩(wěn)定性特 別要求的場合較多采用匯編語言和C 語言。單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支, 應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。自單片機(jī)誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個(gè)機(jī)種。 目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著C M O S 化、低 功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。 2.2 系統(tǒng)總體方案 圖 2-1 總體設(shè)計(jì)圖 基于單片機(jī)的 XY 軸步進(jìn)控制運(yùn)動(dòng)裝置的整體設(shè)計(jì)方案如圖 2.1 所示，首先是該 設(shè)備與操作人員直接由一個(gè)工作交流界面，即人機(jī)接口。通過該人機(jī)接口，操作人 員可以將要進(jìn)行操作的命令輸入到微型機(jī)，即單片機(jī)中，單片機(jī)接到人機(jī)接口傳輸 過來的命令后會(huì)進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算，并判斷該命令要求進(jìn)行的相關(guān)操作，同時(shí)將該命 令傳輸?shù)綑C(jī)電接口中，使機(jī)電接口控制驅(qū)動(dòng)電器進(jìn)行控制命令的相關(guān)操作。驅(qū)動(dòng)電 路會(huì)同時(shí)判斷有操作人員輸入的命令是讓哪個(gè)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并驅(qū)使其運(yùn)動(dòng)，通過 減速箱的減速作用將運(yùn)動(dòng)以較低的速度傳遞到滾珠絲杠上，即使?jié)L軸絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)而使 工作臺(tái)向 X 軸或 Y 軸方向上前進(jìn)或后退。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 從上圖中，我們可以清楚的看到該設(shè)計(jì)的大致方案，該方案簡單實(shí)用，充分綜 合考慮了各方面的情況，包括機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容、機(jī)械制造工藝學(xué)知識(shí)、機(jī)電產(chǎn)品 的數(shù)字化控制知識(shí)已經(jīng)單片機(jī)控制系統(tǒng)等相關(guān)的各方面知識(shí)。該方案使用較少的機(jī) 械構(gòu)件，通過可靠的單片機(jī)控制整個(gè)程序的安全可靠的運(yùn)行，并充分考慮了產(chǎn)品的 社會(huì)化大生產(chǎn)的實(shí)用性和不同需求條件下的市場性，是比較理想的設(shè)計(jì)方案，同時(shí) 也是機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、控制的有機(jī)結(jié)合體。 2.2.1 機(jī)械系統(tǒng) 2.2.1.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 滾珠絲杠副傳動(dòng) 滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想 的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn) 動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng) 作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備 和精密儀器。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是 將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、 可逆性和高效率的特點(diǎn)。 常用的循環(huán)方式有兩種：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。滾珠在循環(huán)過程中有時(shí)與絲杠脫離 接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。滾珠每一個(gè)循環(huán)閉路稱為 列，每個(gè)滾珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個(gè)螺母有 2 列、3 列、4 列、5 列等幾種，每列只有一圈；外循環(huán)每列有 1.5 圈、2.5 圈和 3.5 圈等幾種。 外循環(huán)外循環(huán)是滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲 杠螺母間重新進(jìn)入循環(huán)，外循環(huán)滾珠絲杠螺母副按滾珠循環(huán)時(shí)的返回方式主要有端 蓋式、插管式和螺旋槽式。 常用外循環(huán)方式有端蓋式、插管式、螺旋槽式。外循環(huán) 滾珠絲杠外循環(huán)結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單，使用廣泛。其缺點(diǎn)是滾道接縫處很難做得平 滑，影響滾珠滾道的平穩(wěn)性。內(nèi)循環(huán)如圖 2-4 所示為內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠。內(nèi)循環(huán)均采 用反向器實(shí)現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類型。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的圓鍵 1 定位，以保證對(duì)準(zhǔn)螺紋滾道方向。兩種反向器比較，后者尺寸較小，從而減小了螺 母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的外輪廓和螺母上的切槽尺寸精度 要求較高。 滾珠絲杠副有很多特點(diǎn)： 與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為 1/3：由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有 很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng) 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 力矩達(dá)到 1/3 以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的 1/3。在省 電方面很有幫助。 具有高精度的保證：滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫 生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度、濕度進(jìn)行 了嚴(yán)格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 具有微進(jìn)給可能：滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出 現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。 無側(cè)隙、剛性高：滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值, 進(jìn)而得到較高的剛性。 高速進(jìn)給可能：滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 由整體設(shè)計(jì)方案可知，最終將運(yùn)動(dòng)傳遞給工作臺(tái)并使其運(yùn)動(dòng)的設(shè)備是滾珠絲桿副， 因?yàn)榇颂幰髠鲃?dòng)的運(yùn)動(dòng)安全可靠，運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)小且傳動(dòng)過程平穩(wěn)準(zhǔn)確?；谝陨?的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)條件，選擇滾珠絲杠副作為最終把運(yùn)動(dòng)傳遞給工作臺(tái)的機(jī)械 傳動(dòng)設(shè)備是比較理想的傳動(dòng)設(shè)備。所以，在次畢業(yè)設(shè)計(jì)中選擇滾珠絲杠副傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。按齒輪軸 線的相對(duì)位置分平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸 螺 旋齒 輪傳動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長等特點(diǎn)。齒輪傳動(dòng)是指用主、從動(dòng)輪輪齒 直接、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的裝置。在所有的機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)應(yīng)用最廣，可用來 傳遞相對(duì)位置不遠(yuǎn)的兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是：齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳 動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳 遞功率可以從很小至幾十萬千瓦；速度最高可達(dá) 300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至 二十多米。但是制造齒輪需要有專門的設(shè)備，嚙合傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲。 由整體設(shè)計(jì)方案可知，將運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)傳遞給滾珠絲桿副的是齒輪減速傳動(dòng)， 因?yàn)榇颂幰髠鲃?dòng)的運(yùn)動(dòng)安全可靠，減速比大，運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)小且傳動(dòng)過程平穩(wěn)準(zhǔn)確。 基于以上的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)條件，選擇齒輪副把運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)傳遞給滾珠絲 桿副設(shè)備是比較理想的傳動(dòng)設(shè)備。所以，在次畢業(yè)設(shè)計(jì)中選擇齒輪副作為傳動(dòng)設(shè)備。 2.2.1.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 直線導(dǎo)軌又稱滑軌、線性導(dǎo)軌、線性滑軌，用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)場合，擁有比直 線軸承更高的額定負(fù)載， 同時(shí)可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精 度的直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的作用是用來支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件，按給定的方向做 往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。依按摩擦性質(zhì)而定，直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌可以分為滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、滾動(dòng)摩 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、流體摩擦導(dǎo)軌等種類。直線軸承主要用在自動(dòng)化機(jī)械上比 較多,當(dāng)然直線軸承和直線軸是配套用的. 直線導(dǎo)軌的移動(dòng)元件和固定元件之間不用 中間介質(zhì)，而用滾動(dòng)鋼球。因?yàn)闈L動(dòng)鋼球適應(yīng)于高速運(yùn)動(dòng)、摩擦系數(shù)小、靈敏度高， 滿足運(yùn)動(dòng)部件的工作要求，如機(jī)床的刀架，拖板等。直線導(dǎo)軌系統(tǒng)的固定元件(導(dǎo)軌)的 基本功能如同軸承環(huán)，安裝鋼球的支架，形狀為 V 字形。支架包裹著導(dǎo)軌的頂部和 兩側(cè)面。為了支撐機(jī)床的工作部件，一套直線導(dǎo)軌至少有四個(gè)支架。用于支撐大型 的工作部件，支架的數(shù)量可以多于四個(gè)。 直線導(dǎo)軌的特點(diǎn)： 自動(dòng)調(diào)心能力：來自圓弧溝槽的 DF(45-45)組合，在安裝的時(shí)候，藉由鋼珠 的彈性變形及接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，即使安裝面多少有些偏差，也能被線軌滑塊內(nèi)部吸收， 產(chǎn)生自動(dòng)調(diào)心能力之效果而而得到高精度穩(wěn)定的平滑運(yùn)動(dòng)。 具有互換性：由于對(duì)生產(chǎn)制造精度嚴(yán)格管控，直線導(dǎo)軌尺寸能維持在一定的水 準(zhǔn)內(nèi)，且滑塊有保持器的設(shè)計(jì)以防止鋼珠脫落，因此部份系列精度具可互換性，客 戶可依需要訂購導(dǎo)軌或滑塊，亦可分開儲(chǔ)存導(dǎo)軌及滑塊，以減少儲(chǔ)存空間。 所有方向皆具有高剛：運(yùn)用四列式圓弧溝槽，配合四列鋼珠等 45 度之接觸角度， 讓鋼珠達(dá)到理想的兩點(diǎn)接觸構(gòu)造，能承受來自上下和左右方向的負(fù)荷；在必要時(shí)更 可施加預(yù)壓以提高剛性。 由整體設(shè)計(jì)方案可知，工作臺(tái)要求傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)安全可靠，運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)小且傳動(dòng) 過程平穩(wěn)準(zhǔn)確?；谝陨系母黜?xiàng)優(yōu)點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)條件，選擇直線導(dǎo)軌設(shè)備是比較理 想的傳動(dòng)設(shè)備。 2.2.1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超 載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受 負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的 方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角” ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。 可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過 控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)： 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3-5%，且不累積。 步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度：步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退 磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電 機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚 至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 80-90 度完全正常。 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的 電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨 頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲： 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng) 的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。 在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該 有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從 低速升到高速） 。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不 同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)在更多的領(lǐng)域得到 應(yīng)用。由整體設(shè)計(jì)方案可知，工作臺(tái)要求傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)安全可靠，運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)小且傳 動(dòng)過程平穩(wěn)準(zhǔn)確?；谝陨系母黜?xiàng)優(yōu)點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)條件，選擇步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力設(shè) 備是比較理想的傳動(dòng)設(shè)備。 2.2.2 控制系統(tǒng)方案 2.2.2.1 控制方案 圖 2-2 開環(huán)控制流程圖 基于單片機(jī)的 XY 軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制裝置的控制部分原理如圖 2-2。通過上圖我們 可以清楚的看到，本系統(tǒng)選用的單片機(jī)型號(hào)是 8051 單片機(jī)。綜合各方面的因素和現(xiàn) 實(shí)生產(chǎn)條件以及實(shí)際工作的需求，對(duì)與基于單片機(jī)的 XY 軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制裝置的控 制部分采用開環(huán)的控制方式，由微型機(jī)通過其自身的控制計(jì)算功能將采集到的信號(hào) 進(jìn)行處理后經(jīng)過放大作用域執(zhí)行元件上，進(jìn)而機(jī)械傳動(dòng)部分開始運(yùn)動(dòng)并最終作用為 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使整個(gè)系統(tǒng)完成操作者需要的動(dòng)作?；趩纹瑱C(jī)的 XY 軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制 裝置的控制部分采用三相六拍步進(jìn)電機(jī)。 2.2.2.2 接口設(shè)計(jì) （1）人機(jī)接口 采用鍵盤作為輸入。采用矩陣式鍵盤，用 20 個(gè)鍵來控制步進(jìn)電機(jī)。 采用蜂鳴器作為警報(bào)裝置。 采用數(shù)碼管作為顯示器。采用八段數(shù)碼管作為步數(shù)的顯示。 （2）機(jī)電接口 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 采用光電偶合器作為微型機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的接口，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以保 護(hù)單片機(jī)。 2.2.3 控制方案選擇 一般的控制的方案只有三種：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制。圖 2-2 采用開 環(huán)控制方法，如果機(jī)械傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)中引進(jìn)反饋給控制部分，在經(jīng)過比較放大的則為 半閉環(huán)控制。如果是在機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)中引出反饋則為閉環(huán)控制。 開環(huán)控制：特點(diǎn)是簡單，控制精度低?？刂频木韧耆Q于所用元件的精度 和校準(zhǔn)的精度，且抗干擾的能力差。但由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低。在精度要求不高 的情況下，有一定的使用價(jià)值。 閉環(huán)控制：特點(diǎn)是控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是使用的元件多，線路復(fù) 雜，系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。 半閉環(huán)：特點(diǎn)是控制的精度介于閉環(huán)和開環(huán)之間。 采用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，一般情況下多采用開環(huán)控制。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的輸出 轉(zhuǎn)角與控制器提供的脈沖數(shù)有正比的關(guān)系，電機(jī)轉(zhuǎn)速與控制器提供的脈沖頻率成正 比。因此通常在精度要求不是很高時(shí)，負(fù)載不是很大的情況下采用步進(jìn)電機(jī)是合理 的。 下圖為開環(huán)控制的框圖 計(jì)算 執(zhí)行 受控對(duì)象 給定值 干 擾 + 被控量 圖 2-3 開環(huán)控制框圖 2.2.4 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 伺服系統(tǒng)(servomechanism) 是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨 輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的 要求、對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置 控制的非常靈活方便。伺服系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。 又稱隨動(dòng)系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位 移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn) 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角） 。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒 有原則上的區(qū)別。 3 XY 工作臺(tái)設(shè)計(jì) 3.1 XY 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述 X-Y 工作臺(tái)是指能分別沿著 X 向和 Y 向移動(dòng)的工作臺(tái)。它是本課題中傳動(dòng)部分 的終點(diǎn)，也是與交流伺服電機(jī)直聯(lián)機(jī)械部件。而 X-Y 工作臺(tái)設(shè)計(jì)的好壞，將直接影 響到傳動(dòng)的可行性和傳動(dòng)精度。 X-Y 工作臺(tái)的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)主要包括絲杠設(shè)計(jì)，導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，軸承選型，聯(lián)軸 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 器選型等。工作臺(tái)的 X 軸有效行程為 200mm，Y 軸的有效行程為 230mm。在兩軸的 行程極限位置設(shè)置有行程開關(guān)，連接到控制系統(tǒng)。由此可見，工作臺(tái)本身的機(jī)械結(jié) 構(gòu)并不復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件的組合關(guān)系明確清晰。可以說，在保證工作臺(tái)零件 尺寸的前提下，裝配高精度工作臺(tái)難度并不是很大。 絲杠和導(dǎo)軌需要參考設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，軸承和聯(lián)軸器為標(biāo)準(zhǔn)件，可以按照設(shè) 計(jì)要求進(jìn)行選取。在設(shè)計(jì)絲杠和導(dǎo)軌的時(shí)候，為了達(dá)到控制精度高和傳動(dòng)效率高的 要求，可以從以下兩方面入手： 1）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺 母傳動(dòng)副。絲杠的轉(zhuǎn)速為中轉(zhuǎn)速，精度要求為高精度。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙， 采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。采用滾珠絲杠副，滾珠絲杠直接與聯(lián)軸器連接。 2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副動(dòng)靜摩擦力之差很小，摩擦阻 力小，隨動(dòng)性極好。導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度要求高。 3.2 絲杠的選擇 3.2.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì)總述 滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)， 這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滑動(dòng)動(dòng)作變 成滾動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精 密儀器。滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)以滾珠作為滾動(dòng)媒介的滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的體系。以 傳動(dòng)形式可分為兩種：一是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，二是將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 3.2.2 滾珠絲杠特點(diǎn) 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)作為一個(gè)以滾珠作為滾動(dòng)媒介的滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的體系，其優(yōu) 點(diǎn)如下： （1）傳動(dòng)效率高 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率高達(dá) 90%98%，為傳統(tǒng)的滑動(dòng)絲杠系統(tǒng)的 24 倍，能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)可逆） 。 （2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)為點(diǎn)接觸滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動(dòng)時(shí) 無顫動(dòng)、低速時(shí)無爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進(jìn)給。 （3）高精度 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中溫升較小，并可預(yù)緊消除軸向間隙和對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉 伸以補(bǔ)償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 （4）高耐用性 鋼球滾動(dòng)接觸處均經(jīng)硬化（HRC5863）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程 純屬滾動(dòng)，相對(duì)對(duì)磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。 （5）同步性好 由于運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng) 同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 （6）高可靠性 與其它傳動(dòng)機(jī)械，液壓傳動(dòng)相比，滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也 較簡單，只需進(jìn)行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。 （7）無背隙與預(yù)緊 采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀、軸向間隙可調(diào)整得很小，也能輕便地傳動(dòng)。 若加入適當(dāng)?shù)念A(yù)緊載荷，消除軸向間隙，可使絲杠具有更佳的剛性，在承載時(shí)減少 滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達(dá)到更高的精度。 3.2.3 設(shè)計(jì)和使用滾珠絲杠應(yīng)注意以下問題 1）為提高滾珠絲杠副的使用壽命和精度，應(yīng)使作用在螺母上的合力通過絲杠軸 心，以保證滾珠受力均勻，避免傾覆力。 2）放逆轉(zhuǎn)：滾珠絲杠副傳動(dòng)逆效率高，應(yīng)考慮在電機(jī)停電后，因部件自重而產(chǎn) 生螺旋副的逆?zhèn)鲃?dòng)（特別是在垂直方向上傳動(dòng)時(shí)） ，防止逆?zhèn)鲃?dòng)的方法可采用：停電 自鎖的電機(jī)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、離合器等方式。 3）滾珠絲杠副在行程兩端應(yīng)有行程保護(hù)裝置，以防止越程后滾珠絲杠副受撞擊 而影響精度、使用壽命甚至損壞。 4）防止熱變形：熱變形對(duì)精密螺旋傳動(dòng)的定位精度有著重要的影響。其熱源不 單是螺旋副的摩擦熱，還有其他機(jī)械部件工作時(shí)產(chǎn)生的熱，致使絲杠熱膨脹而伸長。 為此必須分析熱源的各因素，采用措施控制熱源，還可以采用預(yù)拉伸、強(qiáng)制冷卻等 減少熱變形對(duì)絲杠的伸長的影響。 5）細(xì)長而又水平放置的絲杠，因自重使軸線產(chǎn)生彎曲變形，是影響導(dǎo)程累積誤 差的因素之一，還會(huì)使螺母受載不均。設(shè)計(jì)細(xì)長絲杠時(shí)，應(yīng)考慮防止或減小自重彎 曲變形的措施。 6）防護(hù)與密封：塵埃和雜質(zhì)進(jìn)入滾道會(huì)妨礙滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)流暢，會(huì)加速滾動(dòng)體與 滾道的磨損，使?jié)L動(dòng)螺旋副喪失精度。為此需要防塵措施。滾珠絲杠副在螺母兩端 已安裝防塵圈，為避免絲杠外露，用戶還需要為絲杠選擇防護(hù)裝置。 7）合理潤滑是減小驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、提高傳動(dòng)效率、延長螺旋副使用壽命的重要環(huán)節(jié)。 接觸表面的油膜還有吸振、減小傳動(dòng)噪聲和沖洗絲杠上的粉塵等雜物的作用。因此 要注入潤滑脂。在螺母上還有油孔，用戶可旋入油嘴，再采用其他合適的潤滑方式。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 8）用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副，必須使絲杠螺紋兩端中至少有一端的滾珠螺紋是通牙， 并該端所有外圓尺寸均小于絲杠螺紋底徑 d2,否則無法裝配螺母。 3.3 滾動(dòng)絲杠支承的選擇 3 .3 .1 支承方式的選擇 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷來自于絲杠的自重。因此，滾珠絲 杠的軸向剛度和位移精度要求很高。滾珠絲杠的支承方式有以下幾種： 1固定固定，適用于高轉(zhuǎn)速、高精度的絲杠； 2固定游動(dòng)，適用于中轉(zhuǎn)速、高精度的絲杠； 3固定自由適用于低轉(zhuǎn)速、中精度、短軸向的絲杠。 考慮到設(shè)計(jì)要求中轉(zhuǎn)速、高精度，這里我們選擇固定游動(dòng)的支承方式。固定斷采 用軸承連接。 3.3.2 軸承的選擇 軸承可以分為標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承、非標(biāo)滾動(dòng)軸承、靜壓軸承和磁懸浮軸承。滾珠絲 杠一般配用標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承。 滾動(dòng)軸承已標(biāo)準(zhǔn)化系列化，有向心軸承、向心推力軸承和推力軸承，共十種類 型。滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架（俗稱四大件）組成。在軸承設(shè) 計(jì)中應(yīng)根據(jù)承載的大小、旋轉(zhuǎn)精度、剛度、轉(zhuǎn)速等要求選用合適的軸承類型。舉例 如下： 1.深溝球軸承。軸系用球軸承有單列向心球軸承和角接觸軸承。前者一般不能 承受軸向力，且間隙不能調(diào)整，常用于旋轉(zhuǎn)精度和剛度要求不夠的場合。后者既能 承受徑向載荷也能承受軸向載荷；并可以通過內(nèi)外圍之間的相對(duì)位移來調(diào)整其大小。 因此在輕載時(shí)應(yīng)用廣泛。 2.雙列向心短圓柱滾子軸承。此類軸承一般分為兩種一種是滾道開在內(nèi)圈上， 一種是滾道開在外圈上。這兩種軸承的圓柱滾子數(shù)目多、密度大，分兩列交叉排列， 旋轉(zhuǎn)時(shí)支承剛度變化小，內(nèi)圈上均有 1:12 的錐孔與帶錐度 的軸頸配合，內(nèi)圈相對(duì) 于軸頸作軸向移動(dòng)時(shí)，內(nèi)圈被漲大，從而可調(diào)整軸承的徑向間隙或?qū)崿F(xiàn)預(yù)緊；因此， 其承載能力大、支承剛度高，但只能承受徑向載荷，與其他推力軸承組合使用，可 用于較大載荷、較高轉(zhuǎn)速場合。 3.圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承由內(nèi)圈、外圈、格圈和圓錐滾子組成。該軸承 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 能承受較大載荷，用其代替短圓柱滾子軸承和推力軸承，則剛度提高，雖極限轉(zhuǎn)速 有所降低，但仍能達(dá)到高精度的要求。 4.推力軸承。推力軸承一般軸向承載能力很強(qiáng)，支承剛度很大，但極限轉(zhuǎn)速較 低，運(yùn)動(dòng)造勢(shì)較大。 3.3.3 軸承的選擇 考慮到輕載初選 接觸角推力角接觸軸承代號(hào) 7202AC 型數(shù)據(jù)見下表：。60 表 3-1 角接觸軸承的數(shù)據(jù) d(mm) D(mm) B(mm) mina d (mm) axD (mm) mar (mm) 2d (mm) 2D (mm) minr (mm) rC (kN) or (kN) 15 32 9 18.4 29.6 0.3 20.4 26.6 0.3 6.25 3.42 該軸承是與滾珠絲杠專配的軸承其主要特點(diǎn)是：既能承受軸向載荷又能承受徑向載 荷，接觸角大、鋼球多、剛度高。 3.3.4 軸承的潤滑與配合 滾動(dòng)軸承的潤滑目的是減少軸承內(nèi)部摩擦及摩損，防止燒粘、其潤滑效用如下： 1.減少摩擦及摩損。在構(gòu)成軸承的套圈、滾動(dòng)體及保持器的相互接觸部分，防止 金屬接觸，減少摩擦、磨損。 2.延長疲勞壽命。軸承的滾動(dòng)疲勞壽命，在旋轉(zhuǎn)中，滾動(dòng)接觸面潤滑良好，則延 長。相反地，油粘度低，潤滑油膜厚度不好，則縮短。 3.排出摩擦熱、冷卻。循環(huán)給油法等可以用油排出由摩擦發(fā)生的熱，或由外部傳 來的熱，冷卻。防止軸承過熱，防止?jié)櫥妥陨砝匣?4.其他。也有防止異物侵入軸承內(nèi)部，或防止生銹、腐蝕之效果。 軸承的潤滑方法，分為脂潤滑和油潤滑。為了使軸承很好地發(fā)揮機(jī)能，首先， 要選擇適合使用條件、使用目的的潤滑方法。若只考慮潤滑，油潤滑的潤滑性占優(yōu) 勢(shì)。但是，脂潤滑有可以簡化軸承周圍結(jié)構(gòu)的特長，將脂潤滑和油潤滑的利弊比較。 滾動(dòng)軸承的套圈與軸和座孔之間應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)呐浜?，以保證軸的旋轉(zhuǎn)精度和 軸 承的周向固定。滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)零件，因此，軸承內(nèi)圈與軸頸的配合采用基孔制， 軸承外圈與座孔的配合采用基軸制。為了防止軸頸與內(nèi)圈在旋轉(zhuǎn)時(shí)有相對(duì)運(yùn) 動(dòng)，軸 承內(nèi)圈與軸頸一般選用 m5、m6、n6、p6、r6、js5 等較緊的配合。軸承外圈 與座孔 一般選用 J7、K7、M7、H7 等較松的配合。配合選擇取決于載荷大小、方向和性質(zhì)； 軸承類型、尺寸和精度；軸承游隙以及其他因素。具體選用可參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 3.4 初選聯(lián)軸器類型 根據(jù)傳遞載荷的大小，軸轉(zhuǎn)速的高低，被聯(lián)接兩部件的安裝精度等，參考各類 聯(lián)軸器特性，選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。具體選擇時(shí)可考慮以下幾點(diǎn)： 1所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對(duì)緩沖減振功能的要求。例如，對(duì)大功率的 重載傳動(dòng)，可選用齒式聯(lián)軸器；對(duì)嚴(yán)重沖擊載荷或要求消除軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的傳動(dòng)， 可選用輪胎式聯(lián)軸器等具有高彈性的聯(lián)軸器。 2聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大小。對(duì)于高速傳動(dòng)軸，應(yīng)選用平衡 精度高的聯(lián)軸器，例如膜片聯(lián)軸器等，而不宜選用存在偏心的滑塊聯(lián)軸器等。 3兩軸相對(duì)位移的大小和方向。當(dāng)安裝調(diào)整后，難以保持兩軸嚴(yán)格精確對(duì)中， 或工作過程中兩軸將產(chǎn)生較大的附加相對(duì)位移時(shí)，應(yīng)選用撓性聯(lián)軸器。例如當(dāng)徑向 位移較大時(shí)，可選滑塊聯(lián)軸器，角位移較大或相交兩軸的聯(lián)接可選用萬向聯(lián)軸器等。 4聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境。通常由金屬元件制成的不需潤滑的聯(lián)軸器此較 可靠；需要潤滑的聯(lián)軸器，其性能易受潤滑完善程度的影響，且可能污染環(huán)境。含 有橡膠等非金屬元件的聯(lián)軸器對(duì)溫度、腐蝕性介質(zhì)及強(qiáng)光等比較敏感，而且容易老 化。 5聯(lián)軸器的制造、安裝、維護(hù)和成本。在滿足便用性能的前提下，應(yīng)選用裝拆 方便、維護(hù)簡單、成本低的聯(lián)軸器。例如剛性聯(lián)軸器不但結(jié)構(gòu)簡單，而且裝拆方便， 可用于低速、剛性大的傳動(dòng)軸。一般的非金屬彈性元件聯(lián)軸器(例如彈性套柱銷聯(lián)軸 器、彈性柱銷聯(lián)軸器、梅花形彈性聯(lián)軸器等)，由于具有良好的綜合能力，廣泛適用 于一般的中、小功率傳動(dòng)。 3.5 導(dǎo)軌材料的選擇及熱處理 3.5.1 導(dǎo)軌材料選擇 導(dǎo)軌常用的材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等。常使用鑄鐵鑄鐵、鑄鐵 剛的導(dǎo)軌。 1）鑄鐵。鑄鐵具有耐磨性和減震性好，熱穩(wěn)定性高，易于鑄造和切削加工，成 本低等特點(diǎn)，因此在滑動(dòng)導(dǎo)軌中被廣泛應(yīng)用。常用的鑄鐵有： 灰鑄鐵，常用的是 HT200（一級(jí)鑄鐵） ，硬度以 180200HB 較為適合。適當(dāng)增 加鑄鐵中含碳量和含磷量，減少含硅量，可以提高導(dǎo)軌的耐磨性。 高磷鑄鐵，他是指含磷量為 0.3%0.65%的灰口鑄鐵，其硬度為 180220HB，耐 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 磨性比灰鑄鐵 HT200 約高一倍。 低合金鑄鐵，這類鑄鐵具有較好的耐磨性，且鑄造性能優(yōu)于高磷系鑄鐵。 稀土鑄鐵，它具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)，耐磨性與高磷鑄鐵相近。但鑄造性 能和減震性較差，成本也較高。 2）鋼。為了提高導(dǎo)軌的耐磨性，可以采用淬硬的鋼導(dǎo)軌。淬火的鋼導(dǎo)軌都是鑲 裝或焊接上去的。淬硬的鋼導(dǎo)軌的耐磨性比不淬硬的鑄鐵導(dǎo)軌高 510 倍。常用的鋼 有 45 鋼、40Cr、T8A、T10A、GCr15 等。 3）有色金屬。常用的有色金屬有黃銅 HPb59-1，鋁青銅 ZQA19-2，超硬鋁 LC4，鑄鋁 Z16 等，其中以鋁青銅較好。 4）塑料。鑲裝塑料導(dǎo)軌具有較好的耐磨性，抗震性能好，工作適應(yīng)范圍廣，抗 撕傷能力強(qiáng)，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運(yùn)動(dòng)的臨界速度，加工性和 化學(xué)穩(wěn)定性好，工藝簡單，成本低等等特點(diǎn)。 綜上所訴，本課題中我們選用灰鑄鐵 HT200 一般重要的導(dǎo)軌，鑄件粗加工后進(jìn)行一次時(shí)效處理，高精度導(dǎo)軌鑄件半精加工 后還需進(jìn)行第二次時(shí)效處理。 常用導(dǎo)軌淬火方法有: 1)中頻淬火，淬硬層深度(12)mm。硬度(45 50)HRC。 2)接觸加熱自冷表面淬火，淬硬深度(0.20.25)mm,顯微硬度 600HM 左右。這種淬火 方法主要用于大型鑄件導(dǎo)軌。 3 .5 .2 導(dǎo)軌的熱處理 導(dǎo)軌熱處理:一般重要的導(dǎo)軌，鑄件粗加工后進(jìn)行一次時(shí)效處理，高精度導(dǎo)軌鑄 件半精加工后還需進(jìn)行第二次時(shí)效處理。 常用導(dǎo)軌淬火方法有: 1中頻淬火，淬硬層深度(12)mm。硬度(4550)HRC。 2接觸加熱自冷表面淬火，淬硬深度(0.20.25)mm,顯微硬度 600HM 左右。這 種淬火方法主要用于大型鑄件導(dǎo)軌。 3.6 機(jī)座的設(shè)計(jì) 3.6.1 機(jī)座自身剛度 保證自身剛度度可以從以下幾點(diǎn)來做： 1. 合理選擇截面形狀和尺寸。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 2. 合理布置筋板和加強(qiáng)筋。 3. 合理的開孔和加蓋。 3.6.2 提高機(jī)座連接處的接觸剛度 在兩個(gè)平面接觸處，由于微觀的不平度，實(shí)際接觸只是凸起部分。當(dāng)受外力作 用時(shí)，接觸點(diǎn)的壓力增大，產(chǎn)生一定的變形，這種變形稱為接觸變形。 為提高連接處的接觸剛度，固定接觸表面的表面粗糙度應(yīng)小于 2.5um，以便aR 增加實(shí)際接觸面積；固定螺釘應(yīng)在接觸面上造成一個(gè)預(yù)壓力，壓強(qiáng)一般為 2.5MPa， 并據(jù)此設(shè)計(jì)固定螺釘?shù)闹睆胶蛿?shù)量，以及擰緊螺母的扭矩，在安裝螺釘處加厚凸緣 來增加局部剛度，并提高連接剛度。 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 硬件設(shè)計(jì) 4.1.1 硬件結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)的硬件和軟件是相互結(jié)合而工作的，有些任務(wù)必須由硬件來實(shí)現(xiàn)，另外 有些任務(wù)必須由軟件來實(shí)現(xiàn)。但是也有一些任務(wù)可以由軟件來完成，也可由硬件來 完成。一般來說，增加硬件會(huì)提高成本，但能簡化設(shè)計(jì)程序，且實(shí)時(shí)性好。反之， 加重軟件任務(wù)，會(huì)增加編程調(diào)試工作量，但能降低硬件成本。所以要合理的安排軟、 硬件的結(jié)構(gòu)。 本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)速度的控制是由改變發(fā)出脈沖的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)的，用定時(shí)器 來控制發(fā)出脈沖的時(shí)間間隔，這樣更能發(fā)揮硬件實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠減輕軟件 的任務(wù)。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 由于本工作臺(tái)控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為核心部件，利用單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)應(yīng)從元 件級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)任務(wù)需要，選擇合理的單片機(jī)并配置必須的存儲(chǔ)器、接口 和外圍設(shè)備來構(gòu)成系統(tǒng)。 在進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以下原則 （1）盡可能的選擇典型電路，并符合單片機(jī)的常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 （2）系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能的要求，并留 有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以便進(jìn)行二次開發(fā)。 （3）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互 影響?？紤]的原則是，軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能的由軟件來實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件電路。 但是由軟件實(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)的時(shí)間要比直接用硬件實(shí)現(xiàn)的時(shí)間長，而且占 用 CPU 時(shí)間。 （4）整個(gè)系統(tǒng)中的相關(guān)的器件要盡可能的做到性能匹配。 （5）單片機(jī)外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力，增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器或者減少芯 片功耗，降低總線負(fù)載。 根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則及結(jié)構(gòu)框圖，逐一設(shè)計(jì)出每個(gè)單元電路，最后組合起來，成 為完整的硬件系統(tǒng)。 4.1.2 步進(jìn)電機(jī) 圖 4-1 為三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖，其定子上有六個(gè)極，每個(gè)極上裝有 控制繞組，每相對(duì)的兩極組成一相。轉(zhuǎn)子上有四個(gè)均勻分布的齒，其上沒有繞組， 當(dāng) A 相控制繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子在磁場力的作用下與定子齒對(duì)齊，即轉(zhuǎn)子齒 1、3 和定 子齒 A、A對(duì)齊，如圖 3-1（a ）所示。若切斷 A 相，同時(shí)接通 B 相，在磁場力作用 下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30，轉(zhuǎn)子齒 2、4 和定子齒 B、B對(duì)齊，如圖 3-1（b）所示，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 一個(gè)步距角。如再使 B 相斷電，同時(shí) C 相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過 30，使轉(zhuǎn)子 齒 1、3 和定子齒 C、C對(duì)齊，如圖 3-1（c）所示。如此循環(huán)往復(fù)，并按 AB CA 順序通電，步進(jìn)電機(jī)按一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于控制繞組接 通和斷開的變化頻率。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 （a ） （b） （c ） 圖 4-1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)單三拍工作時(shí)工作原理圖 實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心和定子磁極上均有小齒，齒距相等。定子和轉(zhuǎn)子的 齒數(shù)要有一定比例的配合，即要求在某一相的一對(duì)極下，定子和轉(zhuǎn)子的齒一一對(duì)齊， 而此時(shí)在其它兩相的磁極下，定子和轉(zhuǎn)子的齒要分別錯(cuò)開一定的角度。這樣，如果 步進(jìn)電機(jī)的三相繞組按一定的方式通電，那么它就以一定的步矩角進(jìn)行走步。步進(jìn) 電機(jī)的步距角的大小是由轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、控制繞組的相數(shù)和通電方式?jīng)Q定，它們之間 存在以下關(guān)系： 式（4.1）z360rmZC。 式中， 為步距角；C 為通電狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)采用單相或雙相通電方式時(shí)，C=1； s 而采用單、雙相輪流通電方式時(shí)，C=2；m 為步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)； Zr 為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子 齒數(shù)。 控制繞組通電狀態(tài)的改變，是由外加輸入脈沖驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)的。每當(dāng)外電路 送入一個(gè)脈沖，控制繞組的通電狀態(tài)即改變一次，與此對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)將轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步 距角。因此步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的步距角數(shù)等于外加脈沖數(shù)，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： n = 式（4.2）CmZfr60 式中 f 為步進(jìn)電機(jī)通電的脈沖頻率，單位為 Hz；n 為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速用步矩角表示為： n = = = 式（4.3）360Zfr fZr360f s 由式（4.1）和（4.2）可知，電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)越多，則步距角就越小， 電機(jī)