桂林電子科技大學課程設計報告用紙編號：機電一體化課程設計說明書題目：一維精密工作臺設計學 院：專業(yè)：機械設計制造及其自動化學生姓名：* * * 學號：*校內(nèi)導師單位： 機電工程學院姓名：職稱：教授題 目 類 型 ： 理 論 研 究 實 驗 研 究 工 程 設 計 工 程 技 術 研 究 軟 件 開 發(fā)2016 年 12 月 20 日桂林電子科技大學課程設計報告用紙摘 要隨著計算機技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用，光機電一體化技術也得到了前所未有的發(fā)展，成為了一門多學科交叉的系統(tǒng)技術。而數(shù)控工作臺正是這一技術的典型應用。本文以一維數(shù)控工作臺的設計為例，清晰闡述了此類工作臺的一般設計方法。首先介紹了數(shù)控工作臺的發(fā)展及目前的產(chǎn)業(yè)化應用現(xiàn)狀。其次根據(jù)設計要求對工作臺總體方案進行了詳細闡述。再次，依據(jù)設計初始條件及各主要部件的參數(shù)樣本，對滾珠絲杠、滾動導軌、伺服電機等主要部件進行了選型和設計，同時對其各項指標進行了校核，然后對控制臺的控制部分進行了軟硬件設計，采用單片機作為核心芯片，實現(xiàn)本任務的控制要求。關鍵詞：數(shù)控工作臺；機械傳動；控制臺；單片機桂林電子科技大學課程設計報告用紙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桂林電子科技大學課程設計報告用紙目 錄1 緒論 .11.1工作平臺概述 .11.1.1數(shù)控工作臺發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀 .11.1.2數(shù)控工作臺發(fā)展趨勢及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀 .21.2一維數(shù)控工作臺設計的意義及設計內(nèi)容 .32 課程設計任務 .42.1設計任務介紹： .42.2設計參數(shù) .53 工作臺的總體設計 .63.1 機械傳動部件的選擇 .63.1.1導軌的選用 .63.1.2絲杠螺母副的選用 .63.2 機械傳動部件的設計 .63.2.1直線滾動導軌副的計算與選型 .63.2.2滾珠絲杠螺母副的計算與選型 .83.2.3步進電動機的計算和選型 .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 工作控制臺的設計 .173.3.1控制臺總體設計方案 .173.3.2 STC89C52單片機 .193.3.3 驅(qū)動器的選擇 .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桂林電子科技大學課程設計報告用紙 11 緒論本設計所設計的一維工作臺采用了低摩擦的直線滾動導軌和精密的絲杠，它的工作原理是通過運動控制卡來控制伺服電機，使工作臺實現(xiàn)了數(shù)控控制。工作臺的自動化能大大減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)效率。本設計的數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構簡單，實現(xiàn)方便而且能保證一定的精度。通過微機控制技術的簡單的應用，實現(xiàn)對機床的控制，使機床的加工范圍擴大，精度和可靠性進一步提高。本設計所設計的工作臺不僅可用于銑床上進行數(shù)控銑削加工，而且還能夠用于鉆床上數(shù)控鉆削加工，所以其功能遠高于傳統(tǒng)的普通工作臺是新一代機電一體化的典型產(chǎn)品本次專業(yè)課程設計要求我們掌握電子精密機械設計方面的基礎知識，并能獨立運營電子精密機械設計的基本理論、基本方法、進行有關電子精密機械方面的設計。通過本次專業(yè)課程設計使我們熟悉機械系統(tǒng)的方案論證過程，包括取得方式比較、傳動形式的確定等；學會采用 AUTOCAD 進行機械設計，達到較熟悉程度；利用學過的基礎理論，在設計實踐中進行載荷的分析計算、電機的選擇、傳感器的選擇、傳動鏈的分析計算、傳動系統(tǒng)的精度、諧振分析；綜合運用有關課程如機械制圖、公差與技術測量、熱處理、機械設計、機械原理傳感器技術等所學的知識來解決工程實際問題。從而培養(yǎng)我們的自學能力、獨立工作能力、協(xié)作精神和創(chuàng)新精神，為以后的畢業(yè)設計打好基礎。1.1工作平臺概述數(shù)控工作臺（numerical control table）又稱數(shù)控精密工作臺、數(shù)控運動平臺、數(shù)控定位平臺、電動平移臺、數(shù)控工作臺。設計上采用滾珠絲杠副和滾動導軌副傳動結(jié)構，具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結(jié)構緊湊、通用性強等特點。數(shù)控工作臺可廣泛應用于激光焊接機、插線機、打孔機、涂膠機、機械手、搬運、檢測裝置、斷層射線掃描、小型數(shù)控機床及實用教學領域。數(shù)控精密工作臺系列可選擇步進電機驅(qū)動，直流伺服電機驅(qū)動，交流伺服電機驅(qū)動。本次設計選用直流伺服電機驅(qū)動。數(shù)控工作臺產(chǎn)品基礎構件可以采用優(yōu)質(zhì)鋁合金、鑄鐵、鋼材及大理石等材料，傳動結(jié)構可以采用直線導軌、直線圓導軌、滾珠絲杠、同步帶及氣缸等多種組合形式，滿足各種行業(yè)、不同場合的需要。桂林電子科技大學課程設計報告用紙 21.1.1 數(shù)控工作臺發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀數(shù)控工作臺按其移動自由度可分為一維數(shù)控工作臺、二維數(shù)控工作臺以及三維數(shù)控工作臺。（1）一維數(shù)控工作臺。如圖 1.1 所示。圖 1.1 一維數(shù)控工作臺（2）二維數(shù)控工作臺雙坐標工作臺分別是由兩臺型號一致、工作行程相同或不同的單坐標工作臺疊加組合而成。雙坐標工作臺組成原則是上層工作臺行程一定要小于等于下層工作臺行程。如圖 1.2 所示。圖 1.2 二維數(shù)控工作臺（3）三維數(shù)控工作臺三坐標數(shù)控工作臺按照使用方式的差異分為小型數(shù)控工作臺、大型數(shù)控工作臺、專用數(shù)控工作臺。1.1.2 數(shù)控工作臺發(fā)展趨勢及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀當今世界電子技術迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術領域得到了廣泛應用，對各領域技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控桂林電子科技大學課程設計報告用紙 3制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和機械技術等多學科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程。新一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機電一體化產(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。工作臺作為數(shù)控機床的重要組成部分，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計的直線運動的 XY 工作臺，到現(xiàn)在為了實現(xiàn)多工位加工而制造的分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺等。為了滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，也為了環(huán)境的要求，一作臺的驅(qū)動裝置從原來的機械驅(qū)動變?yōu)橐簤候?qū)動，現(xiàn)在更多的采用了氣動裝置，更好的保護了環(huán)境，節(jié)約了資源。由于工作臺是一臺機床的關鍵配套部件，因此世界各國都有對其進行研究，我國在工作臺的研究開發(fā)方面也取得了長足的進步。目前工作臺的種類繁多，傳統(tǒng)的工作臺只能安裝在某一指定機床上，伴隨著科技的與時俱進，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，它不僅可以安裝在鉆床上，還可以安裝在銑床和鏜床等機床上。并且目前部分工作臺還可以作為機床的第四回轉(zhuǎn)軸，大大提高了機床的性能。國外工作臺的功能與我國所生產(chǎn)的工作臺功能基本相似，但是在其精度方面，國外的一些公司所生產(chǎn)的工作臺要略高于我國所生產(chǎn)的工作臺。因此我國與國外相比，還是有一定的差距，因此工作臺的設計具有重要意義，我們要借助時代的步伐，與時俱進，開拓創(chuàng)新，使我國成為具有領先技術的綜合性強國。1.2一維數(shù)控工作臺設計的意義及設計內(nèi)容本設計所設計的一維工作臺采用了低摩擦的直線滾動導軌和精密的絲杠，它的工作原理是通過運動控制卡來控制伺服電機，使工作臺實現(xiàn)了數(shù)控控制。工作臺的自動化能大大減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)效率。本設計的數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構簡單，實現(xiàn)方便而且能保證一定的精度。通過微機控制技術的簡單的應用，實現(xiàn)對機床的控制，使機床的加工范圍擴大，精度和可靠性進一步提高。本設計所設計的工作臺不僅可用于銑床上進行數(shù)控銑削加工，而且還能夠用于鉆床上數(shù)控鉆削加工，所以其功能遠高于傳統(tǒng)的普通工作臺是新一代機電一體化的典型產(chǎn)品。通過對工作臺的設計，能夠正確運用機床數(shù)控系統(tǒng)等課程的基本理論個有關知識，學會設備數(shù)控化改造方案的擬定、比較、分析及進行必要的計算；通過對設備改造的桂林電子科技大學課程設計報告用紙 4機械部分設計，掌握數(shù)控設備典型零件的計算方法和步驟以及正確的結(jié)構設計方法；通過設備的數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設計，掌握簡單的數(shù)控系統(tǒng)硬件及軟件設計的基本方法；通過課程設計，初步樹立正確的設計思想，培養(yǎng)自己分析問題和解決問題的能力；提高自己應用手冊、標準以及編寫文件等資料的能力。在本設計中著重介紹了如何對工作臺進行總體設計以及對導軌、絲杠、電機的選用計算。2 課程設計任務2.1設計任務介紹：一、題目要求：（1）工作臺的基本組成1）能一個方向移動的平面工作臺。2）傳動機構一般包括齒輪減速和滾珠絲杠傳動，具體傳動機構根據(jù)所選電機確定。（2）工作臺的控制要求1）能用鍵盤輸入命令，控制工作臺移動。2）能實時顯示工作臺的當前運動位置。3）當工作臺超越邊界時，能以指示燈報警，并停止運動。（3）工作臺的軟件要求系統(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）越界報警、急停處理子模塊。二、設計內(nèi)容及安排：（1）熟悉任務，查閱資料。（2）進給系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的設計計算，包括驅(qū)動力矩的計算、絲杠的選型、電機和減速器的選型等，寫出詳細計算過程。（3）畫出工作臺裝配圖，2 號圖紙。（4）在論文中畫出系統(tǒng)控制部分工作框圖。（5）軟件主要部分流程圖（附在說明書正文中） 。（6）整理設計說明書，答辯。桂林電子科技大學課程設計報告用紙 5圖 2.1 一維伺服移動工作臺整體結(jié)構三、要求：（1）上述工作要求扎扎實實完成,絕不走過場。（2）培養(yǎng)獨立思考, 獨立動手 ,獨立查閱資料, 嚴謹治學, 一絲不茍的工作作風,培養(yǎng)會檢索查閱資料,使用資料的能力,嚴禁抄悉, 不求甚解。（3）培養(yǎng)形成獨立分析問題,解決問題的能力，為畢業(yè)后工作打好基礎。2.2設計參數(shù)（1）工作臺重量 22kg；（2）進給抗力：X:250N,Y:150N；（3）工作臺進給速度：X:1.5m/min,Y: 2m/min,（4）工作臺最大移動速度：6m/min （5）加工對象重量約 8kg（6）系統(tǒng)控制類型：交流驅(qū)動（7）進給軸：Y 軸（8）行程范圍：1200mm（9）控制方式：單片機工作臺的詳細設計參數(shù)見表 2.1。表 2.1 工作臺設計參數(shù)工作臺重量進給抗力進給速度 最大移動速度加工對象重量系統(tǒng)控制類型進給軸 .行程范圍22kg X=250N X=1.5m/min 6m/min 8kg 交流驅(qū)動X軸 1200mm桂林電子科技大學課程設計報告用紙 63 工作臺的總體設計3.1 機械傳動部件的選擇3.1.1導軌的選用要設計的工作臺是用來配套輕型的數(shù)控機床，需要承載的載荷不大，但脈沖當量小(0.005mm/p)，定位精度高（0.01mm） ，因此，決定選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構緊湊、安裝預緊方便等優(yōu)點。本設計選擇直線滾動導軌副。3.1.2絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，要滿足 0.005mm 的脈沖當量和0.01mm 的定位精度，只