桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告用紙編號(hào)：機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目：一維精密工作臺(tái)設(shè)計(jì)學(xué) 院：專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生姓名：* * * 學(xué)號(hào)：*校內(nèi)導(dǎo)師單位： 機(jī)電工程學(xué)院姓名：職稱：教授題 目 類 型 ： 理 論 研 究 實(shí) 驗(yàn) 研 究 工 程 設(shè) 計(jì) 工 程 技 術(shù) 研 究 軟 件 開(kāi) 發(fā)2016 年 12 月 20 日桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告用紙摘 要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，光機(jī)電一體化技術(shù)也得到了前所未有的發(fā)展，成為了一門多學(xué)科交叉的系統(tǒng)技術(shù)。而數(shù)控工作臺(tái)正是這一技術(shù)的典型應(yīng)用。本文以一維數(shù)控工作臺(tái)的設(shè)計(jì)為例，清晰闡述了此類工作臺(tái)的一般設(shè)計(jì)方法。首先介紹了數(shù)控工作臺(tái)的發(fā)展及目前的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀。其次根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)工作臺(tái)總體方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述。再次，依據(jù)設(shè)計(jì)初始條件及各主要部件的參數(shù)樣本，對(duì)滾珠絲杠、滾動(dòng)導(dǎo)軌、伺服電機(jī)等主要部件進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了校核，然后對(duì)控制臺(tái)的控制部分進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)作為核心芯片，實(shí)現(xiàn)本任務(wù)的控制要求。關(guān)鍵詞：數(shù)控工作臺(tái)；機(jī)械傳動(dòng)；控制臺(tái)；單片機(jī)桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告用紙AbstractWith the rapid development and wide application of computer technology, opto mechatronics technology has also been an unprecedented development, 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, 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 and 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 requirements.Key words: NC working platform; mechanical transmission; console; MCU桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告用紙目 錄1 緒論 .11.1工作平臺(tái)概述 .11.1.1數(shù)控工作臺(tái)發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀 .11.1.2數(shù)控工作臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀 .21.2一維數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)的意義及設(shè)計(jì)內(nèi)容 .32 課程設(shè)計(jì)任務(wù) .42.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹： .42.2設(shè)計(jì)參數(shù) .53 工作臺(tái)的總體設(shè)計(jì) .63.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 .63.1.1導(dǎo)軌的選用 .63.1.2絲杠螺母副的選用 .63.2 機(jī)械傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì) .63.2.1直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 .63.2.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 .83.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型 .113.2.4 聯(lián)軸器的選用及校核 .143.2.5 軸承的選用及校核 .153.3 工作控制臺(tái)的設(shè)計(jì) .173.3.1控制臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案 .173.3.2 STC89C52單片機(jī) .193.3.3 驅(qū)動(dòng)器的選擇 .203.3.4 液晶屏顯示選擇 .223.3.5 位移傳感器的選擇 .223.3.6 AD轉(zhuǎn)換電路 .23結(jié)論 .24致謝 .25桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告用紙 11 緒論本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的一維工作臺(tái)采用了低摩擦的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌和精密的絲杠，它的工作原理是通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)控制伺服電機(jī)，使工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控控制。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。本設(shè)計(jì)的數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便而且能保證一定的精度。通過(guò)微機(jī)控制技術(shù)的簡(jiǎn)單的應(yīng)用，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。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的工作臺(tái)不僅可用于銑床上進(jìn)行數(shù)控銑削加工，而且還能夠用于鉆床上數(shù)控鉆削加工，所以其功能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的普通工作臺(tái)是新一代機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品本次專業(yè)課程設(shè)計(jì)要求我們掌握電子精密機(jī)械設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)知識(shí)，并能獨(dú)立運(yùn)營(yíng)電子精密機(jī)械設(shè)計(jì)的基本理論、基本方法、進(jìn)行有關(guān)電子精密機(jī)械方面的設(shè)計(jì)。通過(guò)本次專業(yè)課程設(shè)計(jì)使我們熟悉機(jī)械系統(tǒng)的方案論證過(guò)程，包括取得方式比較、傳動(dòng)形式的確定等；學(xué)會(huì)采用 AUTOCAD 進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，達(dá)到較熟悉程度；利用學(xué)過(guò)的基礎(chǔ)理論，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中進(jìn)行載荷的分析計(jì)算、電機(jī)的選擇、傳感器的選擇、傳動(dòng)鏈的分析計(jì)算、傳動(dòng)系統(tǒng)的精度、諧振分析；綜合運(yùn)用有關(guān)課程如機(jī)械制圖、公差與技術(shù)測(cè)量、熱處理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理傳感器技術(shù)等所學(xué)的知識(shí)來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題。從而培養(yǎng)我們的自學(xué)能力、獨(dú)立工作能力、協(xié)作精神和創(chuàng)新精神，為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。1.1工作平臺(tái)概述數(shù)控工作臺(tái)（numerical control table）又稱數(shù)控精密工作臺(tái)、數(shù)控運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、數(shù)控定位平臺(tái)、電動(dòng)平移臺(tái)、數(shù)控工作臺(tái)。設(shè)計(jì)上采用滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有精度高、效率高、壽命長(zhǎng)、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。數(shù)控工作臺(tái)可廣泛應(yīng)用于激光焊接機(jī)、插線機(jī)、打孔機(jī)、涂膠機(jī)、機(jī)械手、搬運(yùn)、檢測(cè)裝置、斷層射線掃描、小型數(shù)控機(jī)床及實(shí)用教學(xué)領(lǐng)域。數(shù)控精密工作臺(tái)系列可選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。數(shù)控工作臺(tái)產(chǎn)品基礎(chǔ)構(gòu)件可以采用優(yōu)質(zhì)鋁合金、鑄鐵、鋼材及大理石等材料，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可以采用直線導(dǎo)軌、直線圓導(dǎo)軌、滾珠絲杠、同步帶及氣缸等多種組合形式，滿足各種行業(yè)、不同場(chǎng)合的需要。桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告用紙 21.1.1 數(shù)控工作臺(tái)發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀數(shù)控工作臺(tái)按其移動(dòng)自由度可分為一維數(shù)控工作臺(tái)、二維數(shù)控工作臺(tái)以及三維數(shù)控工作臺(tái)。（1）一維數(shù)控工作臺(tái)。如圖 1.1 所示。圖 1.1 一維數(shù)控工作臺(tái)（2）二維數(shù)控工作臺(tái)雙坐標(biāo)工作臺(tái)分別是由兩臺(tái)型號(hào)一致、工作行程相同或不同的單坐標(biāo)工作臺(tái)疊加組合而成。雙坐標(biāo)工作臺(tái)組成原則是上層工作臺(tái)行程一定要小于等于下層工作臺(tái)行程。如圖 1.2 所示。圖 1.2 二維數(shù)控工作臺(tái)（3）三維數(shù)控工作臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)按照使用方式的差異分為小型數(shù)控工作臺(tái)、大型數(shù)控工作臺(tái)、專用數(shù)控工作臺(tái)。1.1.2 數(shù)控工作臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告用紙 3制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。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(kāi)始為了滿足加工簡(jiǎn)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(lái)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)變?yōu)橐簤候?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(guó)都有對(duì)其進(jìn)行研究，我國(guó)在工作臺(tái)的研究開(kāi)發(fā)方面也取得了長(zhǎng)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。國(guó)外工作臺(tái)的功能與我國(guó)所生產(chǎn)的工作臺(tái)功能基本相似，但是在其精度方面，國(guó)外的一些公司所生產(chǎn)的工作臺(tái)要略高于我國(guó)所生產(chǎn)的工作臺(tái)。因此我國(guó)與國(guó)外相比，還是有一定的差距，因此工作臺(tái)的設(shè)計(jì)具有重要意義，我們要借助時(shí)代的步伐，與時(shí)俱進(jìn)，開(kāi)拓創(chuàng)新，使我國(guó)成為具有領(lǐng)先技術(shù)的綜合性強(qiáng)國(guó)。1.2一維數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)的意義及設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的一維工作臺(tái)采用了低摩擦的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌和精密的絲杠，它的工作原理是通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)控制伺服電機(jī)，使工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控控制。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。本設(shè)計(jì)的數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便而且能保證一定的精度。通過(guò)微機(jī)控制技術(shù)的簡(jiǎn)單的應(yīng)用，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。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的工作臺(tái)不僅可用于銑床上進(jìn)行數(shù)控銑削加工，而且還能夠用于鉆床上數(shù)控鉆削加工，所以其功能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的普通工作臺(tái)是新一代機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)，能夠正確運(yùn)用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)等課程的基本理論個(gè)有關(guān)知識(shí)，學(xué)會(huì)設(shè)備數(shù)控化改造方案的擬定、比較、分析及進(jìn)行必要的計(jì)算；通過(guò)對(duì)設(shè)備改造的桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告用紙 4機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握數(shù)控設(shè)備典型零件的計(jì)算方法和步驟以及正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；通過(guò)設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，掌握簡(jiǎn)單的數(shù)控系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)的基本方法；通過(guò)課程設(shè)計(jì)，初步樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)自己分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；提高自己應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)以及編寫文件等資料的能力。在本設(shè)計(jì)中著重介紹了如何對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)以及對(duì)導(dǎo)軌、絲杠、電機(jī)的選用計(jì)算。2 課程設(shè)計(jì)任務(wù)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹：一、題目要求：（1）工作臺(tái)的基本組成1）能一個(gè)方向移動(dòng)的平面工作臺(tái)。2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般包括齒輪減速和滾珠絲杠傳動(dòng)，具體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)所選電機(jī)確定。（2）工作臺(tái)的控制要求1）能用鍵盤輸入命令，控制工作臺(tái)移動(dòng)。2）能實(shí)時(shí)顯示工作臺(tái)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置。3）當(dāng)工作臺(tái)超越邊界時(shí)，能以指示燈報(bào)警，并停止運(yùn)動(dòng)。（3）工作臺(tái)的軟件要求系統(tǒng)軟件的主要部分流程圖。包括：1）主模塊，用于系統(tǒng)初始化和監(jiān)控。2）主要功能鍵子模塊。3）越界報(bào)警、急停處理子模塊。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及安排：（1）熟悉任務(wù)，查閱資料。（2）進(jìn)給系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算、絲杠的選型、電機(jī)和減速器的選型等，寫出詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。（3）畫(huà)出工作臺(tái)裝配圖，2 號(hào)圖紙。（4）在論文中畫(huà)出系統(tǒng)控制部分工作框圖。（5）軟件主要部分流程圖（附在說(shuō)明書(shū)正文中） 。（6）整理設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，答辯。桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告用紙 5圖 2.1 一維伺服移動(dòng)工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)三、要求：（1）上述工作要求扎扎實(shí)實(shí)完成,絕不走過(guò)場(chǎng)。（2）培養(yǎng)獨(dú)立思考, 獨(dú)立動(dòng)手 ,獨(dú)立查閱資料, 嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué), 一絲不茍的工作作風(fēng),培養(yǎng)會(huì)檢索查閱資料,使用資料的能力,嚴(yán)禁抄悉, 不求甚解。（3）培養(yǎng)形成獨(dú)立分析問(wèn)題,解決問(wèn)題的能力，為畢業(yè)后工作打好基礎(chǔ)。2.2設(shè)計(jì)參數(shù)（1）工作臺(tái)重量 22kg；（2）進(jìn)給抗力：X:250N,Y:150N；（3）工作臺(tái)進(jìn)給速度：X:1.5m/min,Y: 2m/min,（4）工作臺(tái)最大移動(dòng)速度：6m/min （5）加工對(duì)象重量約 8kg（6）系統(tǒng)控制類型：交流驅(qū)動(dòng)（7）進(jìn)給軸：Y 軸（8）行程范圍：1200mm（9）控制方式：?jiǎn)纹瑱C(jī)工作臺(tái)的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表 2.1。表 2.1 工作臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)工作臺(tái)重量進(jìn)給抗力進(jìn)給速度 最大移動(dòng)速度加工對(duì)象重量系統(tǒng)控制類型進(jìn)給軸 .行程范圍22kg X=250N X=1.5m/min 6m/min 8kg 交流驅(qū)動(dòng)X軸 1200mm桂林電子科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告用紙 63 工作臺(tái)的總體設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇3.1.1導(dǎo)軌的選用要設(shè)計(jì)的工作臺(tái)是用來(lái)配套輕型的數(shù)控機(jī)床，需要承載的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小(0.005mm/p)，定位精度高（0.01mm） ，因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選擇直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。3.1.2絲杠螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足 0.005mm 的脈沖當(dāng)量和0.01mm 的定位精度，只