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1、 课程设计报告 名 称： 光机电一体化课程设计 院 系： 仪器科学与光电工程学院 班 级： 光信07-2 学 号： 20070239 学生姓名： 李梓霂 指导教师： 陶晓杰 张腾达 2010 年 12 月 5日一 总体方案设计1.1 设计任务一维数控工作台是许多机电一体化系统的基本组成部分，如车、铣、钻、激光加工等各种数控设备。因此一维数控工作台对机电一体化专业的教学和科研都具有普遍的意义。设计一个一维数控工作台及其控制系统，定位精度为=0.01mm，其他设计参数如下：工作台面板150200 承受载荷 Pz = 12Kg , Px = 15Kg ,Py = 6Kg 最大移动距离 300mm 最
2、大移动速度 2.5m/min采用联轴器传动1.2 总体方案确定 1、系统总体基本思想： 系统基本原理如上图所示，由单片机来控制步进电机的转角，电机连着丝杠，电机转动带动丝杠转动，从而使工作台移动，由单片机测的编码器的脉冲数，从而计算步进电机的转角对应的工作台移动距离。综上，设计基本思想如下:（1）机械设计通过给定的参数，计算确定系统脉冲当量，计算运动部件惯性，确定步进电机，滚动丝杠螺母计算和选型，滚珠丝杆副的计算和选型，联轴器的计算与选型，在此基础上，绘制机械系统装配图。（2）电学设计本设计采用了与MCS-51系列兼容的SST89E58RD单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能
3、强，速度快，有较高的性价比。控制系统由MCU部分、存储器扩展部分、键盘与LED显示部分、I/O接口、光电耦合电路控制、步进电机、测速部分。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。（3）光学设计系统的测速部分是由光学设计部分完成，光学设计部分要求利用光栅设计一个光电传感器，利用此传感器可以测量步进电机转动的角度、线度等信息，为数控系统的闭环或半闭环控制提供参数。主要设计参数是：步进电机每转动一步（一个步距角）至少输出5个脉冲当量。二机械系统设计2.1脉冲当量的选定我们所设计的是半闭环式数控机床，目前在此种机床上常用的脉冲编码器兼做位置和速度反馈。伺服电机每转1转，传
4、感器发出一定数量的脉冲，每个脉冲代表电机一定的转角。步进电机是一种电脉冲控制的特种电机，对于每一个电脉冲步进电机都会产生一个恒定的步进角位移，每一个脉冲或每步的转角称谓步进电机的步距角。因此，每脉冲代表电机一定的转角，这个转角经联轴器和滚珠丝杠使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件的距离，称谓脉冲当量或分辨率。应根据机床或工作台进给系统要求的定位精度来确定脉冲当量。考虑机械传动系统误差的存在，脉冲当量要小于定位精度。根据以上确定我的脉冲当量为0.01.2.2工作台外形尺寸及重量估算X向拖板尺寸：长宽高 15020050重量：按重量=体积材料比重估算N工作台运动部分的总重量：约117N。
5、工作台最大承重：120N工作台总承重：237N2.3滚动导轨的参数确定、导轨型式：滚动直线导轨副、导轨长度导轨（X向）工作台长 最大移动距离 余量 取导轨长度 、滚动副选择导轨查表初定导轨副型号为GTA20，额定动载荷，由计算公式：式中：L为滚动导轨副的距离额定寿命（km）；Ca为额定动载荷）（N）；F为每个滑块的工作载荷（N）；fH为硬度系数，5864HRC时，fH=1.0,为55HRC时，fH=0.8,为50HRC时fH=0.53；fT为温度系数，当工作温度不超过10OoC时，fT=1;fC为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时fC=0.81,装三个时fC=0.72，装四个时fC=0.66；
6、fW为载荷/速度系数，无冲击振动或V15m/min时，fW=11.5,轻冲击振动或15m/minV60m/min时，fW=1.52，有冲击振动或V60m/min时，fW=23.5。一般导轨的距离期望寿命定为50km，若距离额定寿命L大于滚动导轨的期望寿命，则满足设计要求，初选的滚动导轨副可以采用，此处我们取fH=1.0，fT=1，fC=0.81，fW=1.5，以导轨计算F=237N，代入计算得L=98.40km，充分满足要求。、滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，工作
7、台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。 2.4滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。、最大动负载Q的计算查表得系数，寿命值查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速所以 丝杠牵引力 所以最大动负荷X向 查表，取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 CDM204-2.5-E，其额定动载荷为4900N，足够用。、
8、滚珠丝杠螺母副几何参数计算表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数名 称符 号计算公式和结果螺纹滚道公称直径20螺距接触角钢球直径螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杆螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）见表2-1。、传动效率计算式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量 所以 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。所以导程总误差查表知E级精度的丝杠允许误差，故刚度足够。、稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。2.5步进电机的选用、步进电机的步距角取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效
9、负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取 ，则，且，所以式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； 导轨摩擦系数；步进电机步距角，（rad）；T电机轴负载力矩（）本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），为丝杠牵引力，。，所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3，则 对于工作方式为二相八拍的三相步进电机 、步进电机的最高工作频率4、步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，得Jd-折算到电机轴上的惯性负载（K
10、gcm2）J0-步进电机转轴的转动惯量（Kgcm2）J1-滚珠丝杠的转动惯量（Kgcm2）M-移动部件的质量（Kg）转动惯量算得Jd=7.08查表选用110BYG250型步进电机。电机的有关参数见表2-2。表2-2 步进电机参数型 号主要技术数据外形尺寸重量步距角转动惯量空载运行频率()相数电压电流外径长度轴径110BYG25009152021203105.0110112166.52.6确定传动比因为联轴器传动，所以传动比为1。因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距 ，脉冲当量，系统传动比2.7联轴器选型由转动惯量、丝杠公称直径等参数，选择HL2型弹性柱销联轴器。型号公称转矩Nm许用转速轴孔直径*d1
11、、d2、dz轴孔长度D质量m/kg转动惯量Kg/m2许用补偿量铁钢Y型J、J1、Z型径向轴向角向LL1LHL23155600560020，22,2452385212050.2530.1510.5三电学部分硬件设计一维数控工作台采用单片机控制，单片机系统包括：两路步进电机速度控制，测量头电机控制，32KROM，32KRAM，6位LED显示，44键盘，2路编码器输入，4路模拟开关。3.1 CPU板3.1.1 CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，他们具有功能强大，上手容易，使用方便，且均为
12、8位，数据处理方便等优点。在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件CPU选用SST89E58RD。SST89E58RD的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128 B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。3.1.2 CPU接口设计CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：（行程开关）前向通道传动驱动（电磁铁）（步进电机）人机界面编码器SST89E58RD（键盘、LED）
