1、課 程 設 計 說 明 書 原始數據：設計一臺微機控制XY兩坐標工作臺，采用MCS-51單片機控制，控制方式采用步進電動機開環控制。其他參數如下：脈沖當量mm/step定位進度 mm最大移動速度m/min工作臺尺寸mm進給抗力N工作臺行程mm臺面最大重量kgXY0.0050.045800*4001200600410550一、 系統總體設計方案 微型機人機接口機電接口驅動電路步進電機步進電機減速器減速器工作臺滾珠絲杠滾珠絲桿X方向傳動機構Y方向傳動機構由設計任務書知，本次設計可采用如下方案：（一） 機械系統1、 傳動機構采用滾珠絲杠副與齒輪或帶減速。2、 導出機構采用滾動直線導軌。3、 執行機構

2、采用步進電機。（二） 接口設計1、 人機接口（1） 采用鍵盤或BCD碼盤作為輸入。（2） 采用LED作為電源等指示標志。（3） 采用蜂鳴器或揚聲器作為警報裝置。（4） 采用數碼管作為顯示器。2、 機電接口采用光電耦合器作為微型機與步進電機驅動電路的接口，實現電氣隔離。（三） 伺服系統設計本次設計的系統精度要求不高，載荷不大，因此采用開環控制。（四）控制系統設計對整體設計方案的說明:機電一體化機械系統應具備良好的伺服性能（既高精度、快速響應性和穩定性好）從而要求本次設計傳動機構滿足一下幾方面：（1） 轉動慣量小 在不影響機械系統剛度的前提下，傳動機構的質量和轉動慣量應盡量減小。否則，轉動慣量大會

3、對系統造成不良影響，機械負載增大；系統響應速度降低，靈敏度下降；系統固有頻率減小，容易產生諧振。所以在設計傳動機構時應盡量減小轉動慣量。（2）剛度大 剛度是是彈性體產生單位變形量所需的作用力。大剛度對機械系統而言是有利的:伺服系統動力損失隨之減小。機構固有頻率高，超出機構的頻帶寬度，使之不易產生共振。增加閉環伺服系統的穩定性。所以在設計時應選用大的剛度的機構。（3）阻尼合適 機械系統產生共振時，系統的阻尼增大，其最大振幅就越小且衰減也快，但大阻尼也會使系統的穩定誤差增大，精度降低，所以設計時，傳動機構的阻尼要選擇適當。此外還要求摩擦小（提高機構的靈敏度）、共振性好（提高機構的穩定性）、間歇?。?/p>

4、保證機構的傳動精度），特別是其動態特性應與伺服電動機等其它環節的動態特性相匹配。CPU光偶驅動器步進電機人機接口顯示、報警速度位移開環控制原理圖1、控制部分方案選擇控制方案不外乎三種：開環控制、半閉環控制、閉環控制。上圖為“開環控制”，若在“機械傳動”機構中引出反饋給控制部分，在經過比較放大的則為“半閉環控制”。如若是在機械執行機構中引出反饋則為閉環控制。采用步進電機來實現驅動，一般情況下多采用開環控制，因為步進電機的輸出轉角與控制器提供的脈沖數有這正比關系，電機轉速與控制器提供的脈沖頻率成正比。因此通常在精確度要求不是很高時，采用步進電機是合理的。當然，由于步進電機具有高頻易失步，負載能力不

5、強的缺點。2、直線滾動導軌的選定滾動直線導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當的鋼球，使滑塊與導軌之間的滑動摩擦變為滾動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而獲得：動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高數控系統的響應速度和靈敏度。驅動功率大幅度下降，只相當于普通機床的十分之一。與V型十字交叉滾子導軌相比，摩擦阻力下降約40倍。適應高速直線運動，其瞬時速度比滑動導軌提高約10倍。能實現高定位精度和重復定位精度。能實現無間隙運動，提高機械系統的運動剛度。成對使用導軌副時，具有誤差均化效應，從而降低基礎件（導軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎件的機械制造成

6、本與難度。導軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點接觸時大大提高，滾動摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。導軌采用表面硬化處理，使導軌具有良好的可校度；心部保持良好的機械性能。簡化了機械結構的設計和制造，解決了運動靈敏度高定位精度高牽引力小、移動輕便精度保持性好潤滑系統簡單、維修方便摩擦系數小、動摩擦系數很接近、不產生爬行現象。3、滾動絲桿副的選用及其支承形式（1）滾動絲桿副有如下特點：傳動效率高系統剛性好傳動精度高使用壽命長運動具有可逆性不會自鎖可進行預緊和調隙（2）常用的雙螺母消除軸向間隙的結構形式有三種：墊片調隙式（該形式結構緊湊，工作可靠，調整方便，應用

7、廣，但不準確，并且當滾道磨損時不能隨意調整，除非更換墊圈）螺紋調隙式（該形式結構緊湊，工作可靠，調整方便，缺點是不很精確）齒差調隙式(該形式調整精度很高，工作可靠，但是結構復雜，加工和裝配工藝性能差)，其調整時，先取下兩端的內齒圈，使兩螺母產生相對角位移，相對地產生軸向的相對位移，從而兩螺母中的滾道中的滾珠分別貼在螺旋滾道的兩個相反側面上，然后將內齒圈復位固定，故而達到消除間隙，產生算緊的目的。調整間隙：S=kp/z1z2 在本設計中，我選用第種間隙調整方式，并且選外循環滾珠絲杠做為工作臺的傳動機構，因為這種循環方式結構簡單，工藝性好，承載能力強，成本低等優點。（3）支承形式：選用兩端固定形式

8、（F-F），特點：只要軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的4倍 絲桿一般不會受壓，無壓桿穩定問題，固有頻率比一端固定的高 可以預拉伸，預緊拉伸后可減小絲桿自重的下垂和熱補償膨脹。4、聯軸器的選擇由于要求設計的工作臺屬于輕載型工作臺，工作臺上的負載折算到電機上的轉動慣量不是很大，所以電機與絲桿的連接用聯軸器就可以滿足要求。這樣大大簡化了主軸的結構，縮短傳動鏈，提高了傳動精度。同時有效地提高了主軸部件的剛度。5、導軌支承座的選擇選HT150做為支承座材料，其優點耐磨，耐腐蝕，抗震性好，剛度高。6、軸承的選擇由于絲杠主要受軸向力的作用，為了保證其高速、高精度和可靠性。可選用前后支承均采用高精度的單

9、列向心推力軸承和一個深溝球軸承支承。這樣即保證了軸向載荷和徑向載荷。注：執行機構傳動方式的確定為保數控系統的傳動精度和工作平穩性。在滿載設計機構傳動裝配時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼的要求，所以設計時要遵守以下原則;(1) 縮短傳動鏈，這樣可以提高系統傳動的傳動剛度，減少傳動鏈誤差，同時可以通 過預緊方式提高傳動精度。(2) 工作臺與導軌的安裝要確保工作臺與導軌的垂直度和平行度達到規定的精度。(3) 控制好兩導軌的水平度和平行度，否則導致工作臺在移動過程中出現卡死現象。(4) 確保電機與絲杠連接時達到規定的同軸度及調節好電機的定位精度。(5) 軸承的安裝，確保

10、預緊，提高傳動精度。二、 機械系統的設計計算（一） 初選步進電動機（1） 根據脈沖當量，初選步進電機脈沖當量根據系統精度來確定，對于開環系統一般為0.005mm0.01mm。如取得太大，無法滿足系統精度 ；如取得太小，或者機械系統難以實現，或者對其精度和動態特性能提出跟高的要求，是經濟性的降低。根據已知條件：X、Y方向的脈沖當量x、y分別為：x=y=0.005。即脈沖當量較小，因此這里選用反應式步進電動機。其特點：步距角小，運行頻率高，價格較低，但功耗較大，由于是用聯軸器連接電機主軸和絲杠，所以傳動比i=1。根據公式初選步距角=360i/p=0.9試選電機90BF4-1.8型號。1、 步進電機

11、的脈沖頻率計算典型工況下，步進電機的脈沖頻率fx和fy分別為：fx = 1000vx /(60x) = 1000/(60*0.005) =3333.3p/s fx max =12000p/sfy = 1000vy /(60y) = 1000/(60*0.005) =3333.3p/sFx 進給抗力=1200N Fy = 2Ty y Z2 /（Sy Z1 ） = 2*2.8*0.83*32/(0.004* 18) =6480NFy 進給抗力=1200N驅動力遠大于進給抗力，所以所選步進電機滿足使用要求。(二) 計算減速器傳動比減速器傳動比：i=p/（360p） 步進電機步距角（） p絲杠導程（m

12、m） （mm） p-工作臺運動的脈沖當量(mm)初取滾動絲杠：公稱直徑（mm） 導程（mm） 16 5此時： 30 i=p/（360p）=0.9*5/（360*0.005）=2.520JG/JP101級2級3級74級532 30 501001052 傳動級數選擇曲線按圖選一級齒輪傳動。（三）齒輪機構設計 傳動功率=工作臺進給抗力*工作臺移動速度/傳動鏈效率 機械傳動效率概略值（供參考） 類型 V帶傳動聯軸器傳動圓柱齒輪傳動一對滾動軸承絲桿螺母副符號vegbx 效率0.940.970.970.9950.960.990.980.9950.900.95 初選效率為0.85 傳遞功率=1200（5*0

13、.85）/550=9.2727 w可見，系統傳遞的功率很小，在要求不高時，以后各步的計算可省略。并采用經驗法來設計各元部件。1、 齒輪傳動機構的基本參數傳遞功率 （w）小齒輪轉速n1（r/min）傳動比一天運轉時間（h）工作壽命（年）傳動效率 轉向工 況9.27275002.5850.975無穩定 其中小齒輪轉速： n= i*v工作臺*1000/p=500r/min2、 選擇材料及確定許用應力小齒輪材料選擇45鋼(表面淬火)，硬度為45HRC大齒輪材料為45鋼（調質），硬度為220HBS小齒輪的接觸疲勞強度極限Hlim 1=1130MPa（淬火處理） 大齒輪的接觸疲勞強度極限Hlim 2=55

14、0MPa 安全系數SH和SF安全系數軟齒面硬齒面重要的傳動、滲碳淬火齒輪或鑄造齒輪 SH 1.01.1 1.11.2 1.3 SF 1.31.4 1.41.6 1.62.2取安全系數SH=1.1 H1 = Hlim 1/SH = 1130/1.1 = 1027.27MPa H2 = Hlim 2/SH = 550/1.1 = 500MPa小齒輪的彎曲疲勞強度極限F lim 1=240MPa 大齒輪的彎曲疲勞強度極限F lim 2=190MPa取SF =1.3 F 1 = Flim 1/SF = 240/1.3 = 184.62MPa F 1 = Flim 1/SF = 190/1.3 = 14

15、6.15Mpa3、 按齒面接觸強度設計設齒輪按7級精度制造。取載荷系數1.1，齒寬系數a=0.3，T = 9550 p/n =9550*9.25/（500*1000）=0.177Nm取Z1 =18；大齒輪齒數：Z2 = i*Z1 =49模數m= 2a/(Z1+Z2) = 1.3；取標準值 m=1.5確定中心距a=50mm齒寬：b=a=15mm取b1=15mm；b2=20mm4、 驗算齒輪彎曲強度齒型系數YF1=3.02；YF2=2.18校驗結果：安全。5、 齒輪圓周速度選用7級精度是安全的。（四） 滾珠絲杠選擇1、 滾珠絲杠工作長度計算l=l工作臺+l行程+l余量X方向絲杠工作長度：ly=41

16、0+450+40=900mmX方向絲杠工作載荷：FX=500N令兩方向絲杠的工況均為：每天開機6小時；每年300個工作日；工作8年以上。絲杠材料：CrWMn鋼；滾道硬度為5862HRC；絲杠傳動精度為0.04mm。平均轉速為n=100r/min2、 計算載荷FC求解FC = FF FH FA Fm =1.1*1.0*1.0*1200N=1320N查機電一體化設計基礎表2-6；2-7；2-8的，查表2-4取C級精度。 表2-6載荷系數載荷性質無沖擊平穩運動一般運轉有沖擊和振動運轉KF11.21.21.51.52.5表2-7硬度系數滾到實際運動5855504540KH1.01.111.562.43

17、.85 表2-8精度系數精度等級C、DE、FGHKA1.01.11.251.433、 額定動載荷計算Ca 計算假設滾動絲杠能工作6年，每年為300天，每天工作8小時 Lh= 6*300*8 = 14400hCa = 4、 滾珠絲杠副選擇根據Ca選著滾珠絲杠副，按滾珠絲杠副的額定運動載荷Ca等于稍大于Ca的原則。在互聯網上查得：選型號：GW1505DS-0600A.Ca=4280N，其參數如下：絲杠軸尺寸：名義外徑d=16mm 導程：P=5mm 螺紋長度l=600mm 總長=640mm 螺紋尺寸：外徑D=34mm 總長 螺母總長F=30mm 滾珠直徑： 圈數*回路數 =2.5*1 滾道半徑R=0

18、.52d0=1.65mm 偏心距e=0.707*（R-d0/2）=0.044mm 絲杠內徑d1=D0+2e-2R=12.79mm 基本動載荷 基本靜載荷 軸向跳動：0.03max因為 ，所以GW1505DS-0600A合格型號名義外徑名義導程絲杠軸尺寸 螺母尺寸螺紋長度總長袍徑軸端長度外徑總長螺母總長法蘭尺寸外徑安裝孔dLltd12DLtFD1TWPMEGW1505DS-HULR-0600A15 5540600（12，5）34403054103444M45L120011401200GW1510DS-HULR-0600A155406006034404257103445M5512001140120

19、0GW1520DS-HULR-0600A2054060034404957103445M551200114012005、 穩定性驗算1） 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發生失穩，所以在設計時應驗算其安全系數S，其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數S（見表2-10）絲杠不會發生失穩的最大載荷稱為臨界載荷crF （N）按下式計算： Fcr = EIa /（l） 式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼，E=206GPa；l為絲杠工作長度(m)；Ia為絲杠危險截面的軸慣性矩（m4）；為長度系數，見表2-10.依題意，取=2/3，則安全系數2） 高速長絲杠工作時可能發生共振，因此需驗算其不會發生共振

20、的最高轉速crn。要求絲杠的最大轉速nmncr臨界轉速ncr=（r/min）:3） 滾珠絲杠副還受D n o值的限制，通常D on 7*10000mm r/min D on =16*100=1600 L,該絲杠滿足剛度要求。7、 效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率為 要求在90%95%之間，所以該絲杠副合格。（五） 滾動直線導軌選擇1、 已知參數滾座上載荷F滾座個數M單向行程長度 L 每分鐘往復次數每天工作一年工作日壽命4900N2個410mm4次8小時300日5年F = m g =500*9.8 = 4900N2、 導軌額定壽命計算T = 6*300*5 = 9000 h由公式 T導軌額定行程長度

21、壽命(km) Ls工作單形成長度（m0 n每小時往復次數（次/h）得：T = 2Tln/10 = 2*9000*0.41*4*60/10 = 因滑座數M = 4，所以每根導軌上使用2個滑座，由表2-152-18確定 接觸系數：fc=0.81 負荷系數：fh=1 溫度系數：ft=1 硬度系數：fw=1.5由式 K壽命系數，一般取50km F滑座工作載荷N Ca額定動載荷N得：經查相關資料知其基本額定載荷為：C N = 1740 ，能滿足使用要求。（六） 計算系統轉動慣量1、 電動機軸上總當量負載轉動慣量計算小齒輪轉動慣量大齒輪轉動慣量絲杠轉動慣量將各傳動件轉動慣量及工作臺質量折算到電動機軸上，得

22、總當量負載轉動慣量：2、 慣量匹配驗算滿足 1 的要求，慣量匹配比較合理。3、 步進電動機負載能力校驗（1） 步進電動機軸上的總慣量（2） 空載啟動時，電動機軸上的慣性轉矩（3） 電動機軸上的當量摩擦轉矩其中伺服進給傳動鏈的總效率取為 =0.85（4） 設滾動絲杠螺母副的預緊力為最大軸向載荷的1/3，則因預緊力而引起的折算到電動機軸上的附加摩擦轉矩為（5） 工作臺上的最大軸向載荷折算電動機軸上的負載轉矩為（6） 空載啟動時電動機軸上的總負載轉矩為（7） 在最大工作載荷下電動機軸上的總負載轉矩為（8） 按表查得空載啟動時所需電動機最大靜轉矩為（9） 按式5-39可求得在最大外載荷下工作時所需要電

23、動機最大靜轉矩為結論：所選步進電動機啟動轉矩T = 3.30N.m 遠大于所需要的啟動轉矩T，因此選擇的步進電動機的功能不能充分發揮。4、 系統剛度計算（1） 按式5-8所列公式可求得絲杠最大、最小拉壓剛度為（2） 假定絲杠軸向支承軸承經過預緊并忽略軸承和螺母座剛度的影響，按表5-9所列公式可求得絲杠螺母機構的綜合拉壓剛度 （3） 按式5-45可計算出絲杠最低扭轉剛度為5、 固有頻率計算（1） 絲杠質量為（2） 絲杠-工作臺縱振系統的最低固有頻率為（3） 折算到絲杠軸上系統的總當量轉動慣量為（4） 如果忽略電動機軸及減速器中的扭轉變形，則系統的最低扭振固有頻率為與均較高，說明系統動態特性好。6

24、、 死區誤差計算設齒輪傳動和絲杠螺母機構分別采取了消隙和預緊措施，則按式5-59可求得由摩擦力引起的最大反向死區誤差為： 脈沖當量，因此系統能滿足單脈沖進給。7、 由系統的剛度變化引起的定位誤差計算按式5-60可求得由絲杠螺母機構綜合拉壓剛度的變化所引起的最大定位誤差。由于系統要求的定位精度為0.04mm，即允許定位誤差為 = 0.08mm 因而，系統剛度滿足定位精度要求（七） 聯軸器的選擇彈性套柱銷聯軸器結構比較簡單，制造容易，不用潤滑，不需要與金屬硫化粘結，更換彈性套方便，不用移動半聯軸器，具有一定補償兩軸相對偏移和減震緩沖性能。彈性套工作是受壓縮變形，由于彈性套的厚度較薄，體積小，彈性變

25、形有限，所以，彈性套柱銷聯軸器雖可補償軸線位移和彈性。彈性套柱銷聯軸器是依靠柱銷組的鎖緊力而產生于接觸面的摩擦力矩，并壓縮橡膠彈性套來傳遞轉矩。適用于安裝底座剛性好、對中精度較高、沖擊載荷不大、對減震要求不高的中小功率軸系傳動。根據選出的電機和絲杠的參數，選出下面的彈性套柱銷聯軸三、 控制系統設計（一）微處理器的選擇根據設計要求，系統控制的主要功能是對步進電機的脈沖頻率及其分配的控制。同時在實現這一主功能的基礎上，附帶若干協助功能，如顯示、預置、時間、鍵盤等。結論：1、 系統對內存要求不高。2、 系統處理的運算不是很復雜，對CPU的計算速度要求不高。3、 為擴展鍵盤、顯示、掉電保護等功能，要求

26、系統提供較多的口線盒完善的中斷系統。考慮到上面的原因，這里可以采用市面供應充分，性能價格比較好的AT89C52作為系統的微處理器。其參數見下表： AT89C52參數表型號 ROM串行口晶振頻率封裝RAM 說明AT89C52 8KUARK12MHz40DIP256與intel80C32兼存（二） 系統擴展系統中采用鍵盤實現輸入，并采用LED顯示器，它們均需要占用較多芯片口線，所以該系統是需要進行系統擴展的。可編程并行接口8255A是一種應用廣泛的并行接口擴展器件。它具有三個8位并行口PA、PB、PC由此提供了24條口線。CPUWRRDD0D7csA1 WRA2 RDP00 39 AD0P07AD

27、7P27 32P26P25 圖3-1擴展連接（三） 鍵盤連接VCC鍵盤采用機械式按鈕組成。它屬于常開類型，按圖（3-2）的接線，當鍵K按下時P口電位拉低。相反，K未按時，P口一直保持高電位。其中電路中電阻起限流作用，避免CPU被過大的電流燒毀。鍵盤采用軟件消抖。圖3-2單鍵接線圖4008255（四） 時鐘芯片的選擇P為實現時間的顯示，這里引入了時鐘芯片DS12C887。KGnd（五） 可靠性設計為提高系統的可靠性，在這里采用了MAX813L。這是因為AT89C52芯片內部未帶WATCHDOG（系統正常工作監視器），因此若不加外部WATCHDOG，便會造成在工作電壓過低時，系統出現不正常運行，產

28、生不良的現實后果。（六） 掉電保護設計VCC掉電保護設計的目的是在斷電或復位后，待系統恢復正常時，系統能夠恢復到原先狀態，實現繼續運轉的功能。這樣就要求將運行時的重要參數得到保存。保存的數據包括，預置時的“位移值”、“速度值”、“運行過程中已經走過的位移量”。為實現這一目的，需要在系統中引入芯片AT24C01(E2PROM)。P（七） 報警設計9012CPU報警裝置可以是“報警燈”、“聲音報警”、“聲音和1K燈光共用”等形式，在實驗室等安靜的環境中，聲音報SPK警是比較理想的方法。因此，根據實際情況，在該系統GND中采用“聲音”報警。（八） 顯示模塊設計系統所需顯示任務是數字顯示，且顯示數據量不大， 圖3-4顯示模塊88TD/P因此在系統中采用數碼管作為顯示器是能夠TD/P滿足任務的。系統中采用靜態顯示較為合理。74LS16474LS1641、2在靜態顯示方式中，采用4LS164作為顯示接口是比較通用的方法，而且這種接口價格133便宜，使用方便，CPU只要提供兩條口線便400可以實現穩定、高度的顯示。4001、2 LED（九） 步進電機驅動