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1、目录摘要IABSTRACTII第1章绪论11.1前言11.2机电一体化系统综述1机电一体化系统的基本构成1机电一体化系统的核心技术3机电一体化的发展趋势3第2章总体方案设计52.1确定主要参数52.2机械传动部件的选择5导轨副的选用5丝杠螺母副的选用5减速装置的选用6伺服电动机的选用6控制系统的选用62.3控制系统的设计62.4系统总体框图6第3章机械设计部分83.1工作台的外形尺寸及重量初步估算83.2钻削力和铣削力的计算9钻削力（轴向）的计算9铣削力的计算93.3滚动导轨的选用10导轨工作负载计算10块承受工作载荷的计算11距离额定寿命L的计算113.4滚珠丝杠的计算和选择12最大工作载荷
2、Fm的计算12最大动工作载荷FQ的计算123.5型号的选择与校核12规格型号的初选12传动效率的计算13刚度的验算13压杆稳定性校核143.6步进电动机减速箱的选用143.7步进电动机的计算与选型15计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq15计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq16步进电动机最大静转矩的选定17步进电动机的性能校核18第4章控制系统硬件设计204.1主控制器CPU的选择204.2可编程RAM/IO芯片8155H224.3键盘与显示电路设计224.4I/O口的分配234.5驱动系统设计234.6传感器和控制面板设计25第5章控制系统软件设计275.1主流程图275.2
3、步进电动机位置控制275.3步进电动机的加减速控制285.4绘制图弧程序流程图29第6章系统误差分析316.1误差的来源316.2控制系统误差31步进电机失步原因和解决办法31步进电机越步原因和解决办法32本设计中采用的方法326.3进给系统的误差32齿轮传动间隙32滚柱丝杠轴向间隙的消除33全文总结35致谢36参考资料37附录38摘要两轴数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度，降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。开环控制能充分的利用微机的软件、硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大, 进一步提高机床的精度和可靠性。本文机械部分采用步
4、进电动机通过齿轮减速器带动滚珠丝杠拖动工作台在直线滚动导轨副上运动，其中，步进电动机选用90BYG22602型号。工作台控制部分以AT89C51单片机为核心，作为主控器；利用8155H芯片实现与键盘/显示器的连接；选择步进电机配套驱动器BD28Nb驱动步进电动机实现加、 减速、急停等操作，从而实现对工作台的控制。关键词：步进电动机，单片机，8155H芯片，工作台ABSTRACTSummary two-axis CNC Workbench is an open-loop control system for mechanical and electrical systems design, it
5、s structure is simple, easy and can guarantee a certain degree of accuracy, reduce costs, is the simplest application of microcomputer control technology. Open-loop control can make full use of computer software and hardware capabilities for control of the machine tool, machine tool machining range
6、of expanded, further improve the accuracy and reliability of machine tools. Machinery section of this article adopts stepping motor by dragging the table in gear-driven ball screw linear rolling guide on movement, of which, step motor selection 90BYG22602 model. Table control section AT89C51 microco
7、ntroller as the core, as master; leverage 8,155H chip for connection to the keyboard/monitor; select stepping motor drive BD28Nb-drive stepper motors for operations such as addition, deceleration and emergency stop, enabling control over the table.KEY WORDS:Stepper motors, Microcontroller, 8155H chi
8、ps, Workbenc第1章 绪论1.1 前言机电一体化技术是指建立在机械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术基础上的一种综合性技术，通过对机械、电子与信息技术的有机结合，来实现工业产品和生产过程最优化。在机械领域，由于微电子技术和微机技术的迅速发展，发展形成的机电一体化技术，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。 在传统的机械设备通常需要采用比较复杂的机械传动系统来连接各个相关的执行构件，以保证各执行构件动作的同步性和协调性。机械传动部件之间的机械磨损、间隙配合等所引起
9、的运动误差和传动链较长等常常影响设备传动精度和效率。而且，由于人机的直接接触，事故发生率较高，后果较严重。采用机电一体化技术后，可以用电子器件、微型计算机来控制和实现各执行构件的动作及功能关系协调，实现机械产品操作的全部自动化。通过微机控制系统可以精确地按照预先给定量，同时可使相应的机械动作、各种干扰因素造成的误差，进行执行校正、补偿，从而可以达到单纯机械方法所实现不了的加工工艺精度。本文重点是二维工作台的机电系统控制的设计，即通过对小型机械设备的机械和机电控制相结合来加深自己对机电一体化系统的基本原理和简单设计过程的了解。1.2 机电一体化系统综述高安邦.机电一体化系统设计实例精解.北京:
10、机械工业出版社，150.1.2.1 机电一体化系统的基本构成一、机电一体化系统的基本构成要素一个机电一体化系统一般包括一下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感与检测部分、信息处理与控制单元各要素和环节之间相联系接口。具体系统中，要素的构成不太一样，例如，开环控制系统当中，不需要检测元件。机电一体化系统组成如图1-1所示。图1-1机电一体化系统的组成从机电一体化系统的功能来看，与人体有着完美的相似性，如表1-1所示。表11给出了机电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系机电一体化系统要素功能人体构成要素控制器（计算机等）控制（信息存储、处理、传送）头脑传感器检测（信息收集与
11、变换）感官执行部件驱动（操作）四肢动力源提供动力（能量）内脏机械本体支撑与连接躯干二、 机电一体化系统的构成要素的连接机电一体化系统的基本要素内部及各要素之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换，有机的融合，集成一个完整系统。各要素之间必须遵循接口耦合、物质流动、信息控制、能量转换的四大原则，完成以下内容：变换。两个需要进行信息交换和传输的要素之间，由于信息的模式不同（数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等），无法直接实现信息或能量的交流，必须通过接口完成信息或能量的统一。涉及的接口包括传感器接口、计算机接口。放大。在两个信息强度相差悬殊的要素之间，经接口放大，
12、达到能量的匹配。耦合。变换和放大后的信号在要素之间能可靠、快速、准确地交换，不需符合时序要求、信号格式和逻辑规范。接口应该具有信息逻辑控制的功能，使信息按规定模式传递。能量转换。能量转换包括执行器、驱动器，各要素之间的不同类型能量的转换，应该满足最优转换方法与原理。信息控制。智能组成要素的系统控制单元，在软硬件的保证下，要完成数据采集、分析、判断、决策，已达到信息控制的目的。对于智能化程度高的系统，还包含了知识的获取、推理机制及知识学习等以知识驱动为主的信息控制。运动传递。运动传递是指各组成要素之间不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。1.2.2 机电一体化系统的核心技术（1）
13、机械技术。在当代的机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。 （2） 计算机与信息技术。其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。 （3） 系统总体技术。系统总体技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，实现系统各部分有机连接的保证。 （4） 自动控制技术。其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、
14、补偿、再现、检索等。 （5） 传感检测技术。传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。 （6） 伺服传动技术。包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。1.2.3 机电一体化的发展趋势机电一体化系统是具有机电一体化技术的新型机电系统。其发展依赖于机械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术，它的发展主要体现在以下几个方面：模块化
15、。融合机械、电子和软件三大部分的机电一体化模块代表了未来产品的发展方向，具有高度自主性、良好的协调性和自组织性的特点。微型化 。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活, 可进入一般机械无法进入的空间，并易于进行精细操作，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。 绿色化。21世纪，机电一体化技术的使命是要能提供一种高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、环境舒适和可回收的智能化机械产品，即提供一种能满足可持续性发展的绿色产品。智能化。目前, 专家系统、模糊系统、神经网络以及遗传算法, 是机电一体化产品(系统) 实现智能化的4种主要技术，随着制造自动化程度的不断提高, 将会出现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动, 并会对制造中出现的问题进行分析、判断、推理、构思和决策。网络化。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势, 利用家庭网络(homenet) 将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliancesystem, CIAS) ,因此机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。第2章 总
