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編號 本科生畢業(yè)設(shè)計 基于單片機的 XY 軸步進運動控制裝置設(shè)計 Based On Scm XY Axis Stepping Control Device 學 生 姓 名 專 業(yè) 機電一體化 學 號 指 導 教 師 分 院 機電工程分院 2011 年 月 摘 要 本文主要是關(guān)于兩維步進單片機控制工作臺的控制部分的研究。主要的任務(wù)就 是用單片機實現(xiàn)兩個步進電機的正反轉(zhuǎn)和速度的控制。 單片機控制的 X-Y 工作臺系統(tǒng)可以設(shè)計為開環(huán)，半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)三種。 本設(shè)計采用開環(huán)伺服系統(tǒng)，通過單片機控制步進電動機的驅(qū)動，經(jīng)傳動機構(gòu)動帶動 工作臺的運動。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計首先根據(jù)工作臺的最大載荷，選取導軌副，設(shè)計工作 臺，然后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，受力分析，轉(zhuǎn)矩計算，畫出工作臺的裝配草圖，再選擇步 進電動機的型號，進而設(shè)計滾珠絲杠，最后設(shè)計出 X-Y 工作臺，畫出其裝配圖。 關(guān)鍵詞 XY 工作臺 ； 步進電機； 脈沖當量； 裝配圖 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 II Abstract This paper studies the controlling table of the two-dimensional stepping SCM control part. The main task is to reverse two stepper motors and control speed using SCM. XY table, controlled by microprocessor system, can be designed as open-loop, semi closed-loop and closed loop servo system. This design uses the open-loop servo system. Stepper motor, driven by the SCM controlling system drives the motion table by the drive mechanism. For mechanical design, it is the first step to design the worktable and select the guide pairs by the maximum load under the table. Later for structural design、 stress analysis, and the torque calculation, draw the table assembly sketches. Then select the type stepping motor, and design the ball screw. Complete designing the XY table, and drawing the assembly drawing finally. Keywords: XY table stepper motor pulse equivalent assembly drawing 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 III 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................................II 1 緒論 ......................................................................................................................................1 1.1 序言 .............................................................................................................................1 1.2 該設(shè)計主要任務(wù) .........................................................................................................1 2 方案原理設(shè)計 ...................................................................................................................3 2.1 數(shù)控工作臺研究現(xiàn)狀 .................................................................................................3 2.1.1 數(shù)控工作臺的現(xiàn)狀與發(fā)展 ................................................................................3 2.1.2 步進電機的現(xiàn)狀與發(fā)展 ....................................................................................4 2.1.3 單片機的現(xiàn)狀與發(fā)展 ........................................................................................5 2.2 系統(tǒng)總體方案 ............................................................................................................6 2.2.1 機械系統(tǒng) ............................................................................................................7 2.2.2 控制系統(tǒng)方案 ...............................................................................................10 2.2.3 控制方案選擇 ...............................................................................................11 2.2.4 伺服系統(tǒng)設(shè)計 ..................................................................................................11 3 XY 工作臺設(shè)計 ..............................................................................................................12 3.1 XY 工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計概述 ........................................................................................12 3.2 絲杠的選擇 ..............................................................................................................13 3.2.1 滾珠絲杠設(shè)計總述 .........................................................................................13 3.2.2 滾珠絲杠特點 .................................................................................................13 3.2.3 設(shè)計和使用滾珠絲杠應(yīng)注意以下問題 .........................................................14 3.3 滾動絲杠支承的選擇 ...............................................................................................14 3 .3 .1 支承方式的選擇 ............................................................................................15 3.3.2 軸承的選擇 ....................................................................................................15 3.3.3 軸承的選擇 ....................................................................................................15 3.3.4 軸承的潤滑與配合 .......................................................................................16 3.4 初選聯(lián)軸器類型 .....................................................................................................16 3.5 導軌材料的選擇及熱處理 ......................................................................................17 3.5.1 導軌材料選擇 ................................................................................................17 3 .5 .2 導軌的熱處理 ................................................................................................18 3.6 機座的設(shè)計 .............................................................................................................18 3.6.1 機座自身剛度 ...............................................................................................18 3.6.2 提高機座連接處的接觸剛度 .......................................................................18 4 控制系統(tǒng)設(shè)計 ...................................................................................................................19 4.1 硬件設(shè)計 ..................................................................................................................19 4.1.1 硬件結(jié)構(gòu) ..........................................................................................................19 4.1.2 步進電機 .......................................................................................................20 4.1.3 處理器選擇 .....................................................................................................26 4.1.4 鍵盤接口電路設(shè)計 .......................................................................................29 4.1.5 顯示部分設(shè)計 ...............................................................................................31 4.1.6 報警電路設(shè)計 ...............................................................................................35 4.1.7 單片機與 PC 機通信設(shè)計 ............................................................................36 4.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計 ..........................................................................................................39 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 IV 4.2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 .................................................................................................39 4.2.2 系統(tǒng)的程序流程 ..............................................................................................41 4.2.3 編語言程序設(shè)計 ..............................................................................................50 結(jié)論 .......................................................................................................................................53 致謝 .......................................................................................................................................54 參考文獻 ...............................................................................................................................55 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 1 1 緒論 1.1 序言 隨著科學技術(shù)不斷的發(fā)展，數(shù)控工作臺的越來越廣泛的應(yīng)用在各種加工場合， 其中包括用于焊接、安裝、點膠、打孔、包裝、取料等各類位置控制設(shè)備和加工設(shè) 備的應(yīng)用等。同時，由于數(shù)控工作臺的巨大的市場前景和應(yīng)用價值，科技工作者對 工作臺的研究、開發(fā)從來沒有間斷過，并且新產(chǎn)品或性能改進的產(chǎn)品大量出現(xiàn)。為 了滿足不同工作場合和工作條件的要求，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了種類多樣、性能先進的 工作臺。例如，廣泛用于普通畫線用的二維工作臺、具有防靜電功能的防靜電工作 臺、可用于分度回轉(zhuǎn)工作臺、用于高精度的加工的納米微動工作臺等等。 隨著人類的進步，越來越多并且越來越好的工作臺將會被制造出來，來滿足生 產(chǎn)發(fā)展的需求。裝備制造業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化設(shè)計、制造的程度決定著整個國民 經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化進程的程度,尤其數(shù)控技術(shù)、高端精密加工技術(shù)、極端加工技術(shù) 及裝備制造是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備,又是當 今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。所謂的數(shù)控技術(shù)，就是用數(shù)字信息對機械運 動和工作過程進行控制的技術(shù),而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造 產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 沒想到大學四年過的會如此輕快，載不知不覺中突然發(fā)現(xiàn)四年就這么過去了。 我將披著母校賦予我的建設(shè)社會的使命，奮進在普普通通卻有極其重要的工作崗位 上。在充實的大學四年中，我學得了好多專業(yè)知，其中包括機械設(shè)計制造及其自動 化的相關(guān)知識，機械電子方面的相關(guān)知識。通過四年刻苦努力、堅韌認真的學習， 我對本專業(yè)的基本知識有了很扎實的掌握和系統(tǒng)深入的學習，尤其是機械測繪、數(shù) 控機床及其技術(shù)、PLC 編程、微機原理、機械原理、機械設(shè)計及機械制造工藝學等相 關(guān)的專業(yè)課的專業(yè)知識，我受益匪淺。在這里要特別提到的是機電產(chǎn)品的控制和設(shè) 計與制造方面，尤其是機械制造工藝學單片機與 PLC 的課程設(shè)計，我對機電產(chǎn)品的 控制與設(shè)計制造方面具有了更深入的了解，該課程設(shè)計不但是對我所學課程最好的 檢驗，同時也讓我意識到自身的許多不足之處。相對應(yīng)現(xiàn)在的畢業(yè)設(shè)計，那時候的 課程設(shè)計太過于簡單，涉及的知識也不夠全面、不夠深入，所以這次的畢業(yè)設(shè)計— 基于單片機的 XY 軸步進控制裝置設(shè)計對我及其重要，不但能夠使我更扎實深入的學 好相關(guān)專業(yè)的知識，更是對我將來工作及其發(fā)展具有及其重要的意義，我一定要努 力圓滿的完成該畢業(yè)設(shè)計。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 2 1.2 該設(shè)計主要任務(wù) 運動控制系統(tǒng)是數(shù)控加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是數(shù)字控制的直接對象，被加工工件的 最終坐標位置精度和輪廓精度都與傳動結(jié)構(gòu)有關(guān)。脈沖當量是 0.001mm，快進速度 是 1000mm/min，X 軸行程：200mm，Y 軸行程： 230mm。其他參數(shù)自定。合理設(shè) 計進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；完成進給部件（包含滾珠絲杠螺母副、燕尾槽導軌、導軌防護 罩等）的結(jié)構(gòu)設(shè)計及總圖和零件圖；完成主傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算；完成二萬字的畢 業(yè)論文及 5000 字的譯文。合理設(shè)計 XY 軸進給的結(jié)構(gòu)；完成 XY 軸進給部件（包含 齒形帶傳動；滾珠絲杠螺母副、燕尾槽導軌、導軌防護罩等）的結(jié)構(gòu)設(shè)計及總圖和 零件圖；完成基于單片機控制系統(tǒng)設(shè)計與計算。根據(jù)步進運動控制裝置的結(jié)構(gòu)特點， 在充分論證的基礎(chǔ)上制定基于單片機 XY 軸步進運動控制的控制部分后后，根據(jù)所 學的機械設(shè)計和機械電子領(lǐng)域的相關(guān)理論知識，設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好、操作 簡單、性價比高步進控制裝置。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 3 2 方案原理設(shè)計 2.1 數(shù)控工作臺研究現(xiàn)狀 2.1.1 數(shù)控工作臺的現(xiàn)狀與發(fā)展 （1）數(shù)控工作臺的研究現(xiàn)狀 在我國對外開放進一步深化的新環(huán)境下,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制 造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性,并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國 數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點看法。 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度,數(shù) 控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備,又是 當今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作 過程進行控制的技術(shù),而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新 興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 （2） 數(shù)控工作臺的研究意義： 工作臺是機床上必不可少的部件，因此工作臺的設(shè)計具有重要意義，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。X—Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是 一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便而且能保證一定的精度。降低成本，是 微機控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用，它充分的利用了微機的軟硬件功能以實現(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。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，機械 行業(yè)的許多普通機床和閑置設(shè)備，經(jīng)過數(shù)控改造以后，不但可以提高加工精度和勞 動生產(chǎn)率，而且能有效的適應(yīng)多品種，小批量的市場經(jīng)濟的需要，使之更有效的發(fā) 揮經(jīng)濟效益和社會效益。 （3）數(shù)控工作臺的發(fā)展 一個國家的繁榮與其先進制造業(yè)密切相關(guān)，然而制造是離不開先進機器作為輔 助，機床包括床身、立柱、工作臺、進給機構(gòu)等機械部件。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(shè)計的直線運動的 X—Y 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)橐郝抿?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(guān)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 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 4 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。例如：我國生 產(chǎn)機床工作臺的公司之一的煙臺恒力數(shù)控機床附件有限公司生產(chǎn)的 HLTK14 系列數(shù)控 可傾回轉(zhuǎn)工作臺，它可以實現(xiàn)用于數(shù)控機床和加工中心機床上，可利用原機床的兩 個控制坐標控制轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)和傾斜，也可直接利用本轉(zhuǎn)臺配套的數(shù)控裝置與機床聯(lián) 接完成所需的工作循環(huán)。它可以完成任意角度的孔、槽、平面類機械加工，以及曲 線、凸輪等的加工，并可達到較高的精度。另外也可用于非數(shù)控鉆、銑、鏜類機床 上，獨立完成等分和不等分的角度分度工作。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(lǐng)先技術(shù)的綜合性強國。 2.1.2 步進電機的現(xiàn)狀與發(fā)展 步進電機最早是在 20 年代由英國人所開發(fā)。20 年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng) 用在步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經(jīng)過不斷改良，使得今日 步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制 性高的機械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很 容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動 作的靈活控制性場合步進電機用得最多。 （1）步進電機的分類 步進電機依其構(gòu)造上的差異可分為三大類： ① 可變磁阻式（VR 型）： 轉(zhuǎn)子以軟鐵加工成齒狀，當定子線圈不加激磁電壓時，保持轉(zhuǎn)矩為零，故其轉(zhuǎn) 子慣性小、響應(yīng)性佳，但其容許負荷慣性并不大。其步進角通常為 15°。 ② 永久磁鐵式（PM 型）： 轉(zhuǎn)子由永久磁鐵構(gòu)成，其磁化方向為輻向磁化，無激磁時有保持轉(zhuǎn)矩。依轉(zhuǎn)子 材質(zhì)區(qū)分，其步進角有 45°、90°及 7.5°、11.25°、15°、18°等幾種。 ③ 混和式（HB 型）： 轉(zhuǎn)子由軸向磁化的磁鐵制成，磁極做成復極的形式，兼有可變磁阻式步進電機 及永久磁鐵式步進電機的優(yōu)點，精確度高、轉(zhuǎn)矩大、步進角度小。 （2）步進電機的歷史 步進電機在我國已有幾十余年的生產(chǎn)史，近幾年，大規(guī)模集成電路及計算機技 術(shù)的發(fā)展，進一步推動了步進電機的技術(shù)進步和廣泛應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計，全世界步進電 機的年產(chǎn)量已達一億多臺，市場銷售量占世界微電機銷售總量的５～８%左右。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 5 步進電機的發(fā)展依賴計算機外設(shè)和辦公自動化機械的發(fā)展。我國計算機工業(yè)雖 然起步晚，但經(jīng)過三十年的努力，已經(jīng)初具規(guī)模。我國早在六十年代中期開始致力 于步進電機的研究和開發(fā)，直到20 世紀80 年代，一直是磁阻式步進電動機占統(tǒng)治 地位，混合式步進電動機是8 0 年代后期才開始發(fā)展，至今仍然是二種結(jié)構(gòu)類型同時 并存。盡管新的混合式步進電動機完全可能替代磁阻式電動機，但磁阻式電動機的 整機獲得了長期應(yīng)用，對于它的技術(shù)也較為熟悉，特別是典型的混合式步進電動機 的步距角（ 0 .9°/1.8°） 與典型的磁阻式電動機的步距角 （ 0.75°/1.5°） 不一樣，用戶 改變這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不是很容易的，這就使得兩種機型并存的局面難以在較短時間內(nèi) 改變。這種現(xiàn)狀對步進電動機的發(fā)展是不利的 。 （3）步進電機的發(fā)展趨勢： ① 小型化、高精度 計算機外部設(shè)備趨向小型，也就要求永磁式和混合式步進 電機向小機座號發(fā)展，目前直徑為39、42的 7 步進電機使用就較多。 ② 電機與線路一體化 機電一體化的步進電機更受到用戶的歡迎，雖然控制線 路的成本比較高，但與電機組成一體化產(chǎn)品后更便于整機使用。 ③ 多功能 新一代的磁盤與光盤需要具有兩個自由度的圓柱式步進電機，直接 完成橫向運動和旋轉(zhuǎn)運動兩個功能，這種產(chǎn)品在日本電話電信公司已有產(chǎn)品。另外， 美國已推出帶電傳感器的步進電機，能自檢位置和轉(zhuǎn)速。 ④ 直線小步距、高分辨率 據(jù)日本和歐美國家報道，此類步進電機已制成步距 為 0.1 微米，在 40 英寸/秒的線速度下產(chǎn)生 50 磅推力，分辨率達 12500 步/ 英寸，定 位精度為 0.001 英寸。 ⑤ 新結(jié)構(gòu)、新材料、新技步進電機總的發(fā)展趨向是增大出力、提高精度、改善 動態(tài)特性，為此已出現(xiàn)一種盤式、軸向氣隙的新結(jié)構(gòu)步進電機。同時，還在研究采 用如高磁能積的鐵氧體、稀土、壓電等新材料。 2.1.3 單片機的現(xiàn)狀與發(fā)展 隨著目前微電子技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)工藝的不斷提高，單片機技術(shù)也有了長足的 進步。 單片機在最近幾年中得到了極大的發(fā)展，目前世界范圍內(nèi)單片機發(fā)展的主要領(lǐng) 域有4個：一是歐美，最新開發(fā)產(chǎn)品及主要廠商有：NATIONAL SEMICUNDUT OR的cop8 系列單片機，美國的SCENIX 的八位單片機，荷蘭PHILLIPS的51系列單片 機，美國AMD公司186系列16位嵌入式微機控制器， MOTOROLA的各個系列單片機； 二是日本，TOSHIBA公司開發(fā)了從4位到64位多系列單片機，日立公司也有從4位到 32位多系列單片機，NEC公司的75X、78X系列微機；三是臺灣地區(qū)， 主要有 WINBOND的 W741/W516,W78/W77等系列產(chǎn)品微控制器；四是韓國，主要有 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 6 HYUNDAI MICROELECTRIONICS的GMS800、GMS30系列微控制器。另外還有LG 公司也生產(chǎn)單片機，可見單片機發(fā)展到今天可以說種類繁多、性能各異。但目前我 國的許多單片機應(yīng)用單位仍停留在采用片內(nèi)無ROM等低檔單片機狀態(tài)。 當國內(nèi)從80 年代起開始了單片機的熱潮,二十多年過去了，單片機從研究所走出 來,成為日常生活中的一個不可缺少的部件。硬件方面日趨多樣化，4 位、8 位、16 位、32 位等型號共同并存,在不同的領(lǐng)域存在,如家電、玩具、工業(yè)設(shè)備、儀器、通 訊等。軟件方面發(fā)展主要為匯編語言、C 語言、嵌入式操作系統(tǒng)。速度、穩(wěn)定性特 別要求的場合較多采用匯編語言和C 語言。單片機作為微型計算機的一個重要分支, 應(yīng)用面很廣，發(fā)展很快。自單片機誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個機種。 目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著C M O S 化、低 功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。 2.2 系統(tǒng)總體方案 圖 2-1 總體設(shè)計圖 基于單片機的 XY 軸步進控制運動裝置的整體設(shè)計方案如圖 2.1 所示，首先是該 設(shè)備與操作人員直接由一個工作交流界面，即人機接口。通過該人機接口，操作人 員可以將要進行操作的命令輸入到微型機，即單片機中，單片機接到人機接口傳輸 過來的命令后會進行相關(guān)的運算，并判斷該命令要求進行的相關(guān)操作，同時將該命 令傳輸?shù)綑C電接口中，使機電接口控制驅(qū)動電器進行控制命令的相關(guān)操作。驅(qū)動電 路會同時判斷有操作人員輸入的命令是讓哪個步進電機運動，并驅(qū)使其運動，通過 減速箱的減速作用將運動以較低的速度傳遞到滾珠絲杠上，即使?jié)L軸絲杠轉(zhuǎn)動而使 工作臺向 X 軸或 Y 軸方向上前進或后退。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 7 從上圖中，我們可以清楚的看到該設(shè)計的大致方案，該方案簡單實用，充分綜 合考慮了各方面的情況，包括機械優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容、機械制造工藝學知識、機電產(chǎn)品 的數(shù)字化控制知識已經(jīng)單片機控制系統(tǒng)等相關(guān)的各方面知識。該方案使用較少的機 械構(gòu)件，通過可靠的單片機控制整個程序的安全可靠的運行，并充分考慮了產(chǎn)品的 社會化大生產(chǎn)的實用性和不同需求條件下的市場性，是比較理想的設(shè)計方案，同時 也是機械設(shè)計、制造、控制的有機結(jié)合體。 2.2.1 機械系統(tǒng) 2.2.1.1 傳動機構(gòu) ①滾珠絲杠副傳動 滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想 的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運 動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動 作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備 和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是 將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、 可逆性和高效率的特點。 常用的循環(huán)方式有兩種：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離 接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。滾珠每一個循環(huán)閉路稱為 列，每個滾珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個螺母有 2 列、3 列、4 列、5 列等幾種，每列只有一圈；外循環(huán)每列有 1.5 圈、2.5 圈和 3.5 圈等幾種。 外循環(huán)外循環(huán)是滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲 杠螺母間重新進入循環(huán)，外循環(huán)滾珠絲杠螺母副按滾珠循環(huán)時的返回方式主要有端 蓋式、插管式和螺旋槽式。 常用外循環(huán)方式有端蓋式、插管式、螺旋槽式。外循環(huán) 滾珠絲杠外循環(huán)結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單，使用廣泛。其缺點是滾道接縫處很難做得平 滑，影響滾珠滾道的平穩(wěn)性。內(nèi)循環(huán)如圖 2-4 所示為內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠。內(nèi)循環(huán)均采 用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類型。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的圓鍵 1 定位，以保證對準螺紋滾道方向。兩種反向器比較，后者尺寸較小，從而減小了螺 母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的外輪廓和螺母上的切槽尺寸精度 要求較高。 滾珠絲杠副有很多特點： 與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為 1/3：由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有 很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 8 力矩達到 1/3 以下,即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的 1/3。在省 電方面很有幫助。 具有高精度的保證：滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設(shè)備連貫 生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度、濕度進行 了嚴格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 具有微進給可能：滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出 現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。 無側(cè)隙、剛性高：滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值, 進而得到較高的剛性。 高速進給可能：滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給運動。 由整體設(shè)計方案可知，最終將運動傳遞給工作臺并使其運動的設(shè)備是滾珠絲桿副， 因為此處要求傳動的運動安全可靠，運動的波動小且傳動過程平穩(wěn)準確。基于以上 的各項優(yōu)點和現(xiàn)實生產(chǎn)條件，選擇滾珠絲杠副作為最終把運動傳遞給工作臺的機械 傳動設(shè)備是比較理想的傳動設(shè)備。所以，在次畢業(yè)設(shè)計中選擇滾珠絲杠副傳動 ②齒輪傳動 齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動。按齒輪軸 線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸 螺 旋齒 輪傳動。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長等特點。齒輪傳動是指用主、從動輪輪齒 直接、傳遞運動和動力的裝置。在所有的機械傳動中，齒輪傳動應(yīng)用最廣，可用來 傳遞相對位置不遠的兩軸之間的運動和動力齒輪傳動的特點是：齒輪傳動平穩(wěn)，傳 動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳 遞功率可以從很小至幾十萬千瓦；速度最高可達 300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至 二十多米。但是制造齒輪需要有專門的設(shè)備，嚙合傳動會產(chǎn)生噪聲。 由整體設(shè)計方案可知，將運動由步進電機傳遞給滾珠絲桿副的是齒輪減速傳動， 因為此處要求傳動的運動安全可靠，減速比大，運動的波動小且傳動過程平穩(wěn)準確。 基于以上的各項優(yōu)點和現(xiàn)實生產(chǎn)條件，選擇齒輪副把運動由步進電機傳遞給滾珠絲 桿副設(shè)備是比較理想的傳動設(shè)備。所以，在次畢業(yè)設(shè)計中選擇齒輪副作為傳動設(shè)備。 2.2.1.2 導向機構(gòu) 直線導軌又稱滑軌、線性導軌、線性滑軌，用于直線往復運動場合，擁有比直 線軸承更高的額定負載， 同時可以承擔一定的扭矩，可在高負載的情況下實現(xiàn)高精 度的直線運動。直線運動導軌的作用是用來支撐和引導運動部件，按給定的方向做 往復直線運動。依按摩擦性質(zhì)而定，直線運動導軌可以分為滑動摩擦導軌、滾動摩 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 9 擦導軌、彈性摩擦導軌、流體摩擦導軌等種類。直線軸承主要用在自動化機械上比 較多,當然直線軸承和直線軸是配套用的. 直線導軌的移動元件和固定元件之間不用 中間介質(zhì)，而用滾動鋼球。因為滾動鋼球適應(yīng)于高速運動、摩擦系數(shù)小、靈敏度高， 滿足運動部件的工作要求，如機床的刀架，拖板等。直線導軌系統(tǒng)的固定元件(導軌)的 基本功能如同軸承環(huán)，安裝鋼球的支架，形狀為 V 字形。支架包裹著導軌的頂部和 兩側(cè)面。為了支撐機床的工作部件，一套直線導軌至少有四個支架。用于支撐大型 的工作部件，支架的數(shù)量可以多于四個。 直線導軌的特點： 自動調(diào)心能力：來自圓弧溝槽的 DF(45°-45°)組合，在安裝的時候，藉由鋼珠 的彈性變形及接觸點的轉(zhuǎn)移，即使安裝面多少有些偏差，也能被線軌滑塊內(nèi)部吸收， 產(chǎn)生自動調(diào)心能力之效果而而得到高精度穩(wěn)定的平滑運動。 具有互換性：由于對生產(chǎn)制造精度嚴格管控，直線導軌尺寸能維持在一定的水 準內(nèi)，且滑塊有保持器的設(shè)計以防止鋼珠脫落，因此部份系列精度具可互換性，客 戶可依需要訂購導軌或滑塊，亦可分開儲存導軌及滑塊，以減少儲存空間。 所有方向皆具有高剛：運用四列式圓弧溝槽，配合四列鋼珠等 45 度之接觸角度， 讓鋼珠達到理想的兩點接觸構(gòu)造，能承受來自上下和左右方向的負荷；在必要時更 可施加預壓以提高剛性。 由整體設(shè)計方案可知，工作臺要求傳動的運動安全可靠，運動的波動小且傳動 過程平穩(wěn)準確?；谝陨系母黜梼?yōu)點和現(xiàn)實生產(chǎn)條件，選擇直線導軌設(shè)備是比較理 想的傳動設(shè)備。 2.2.1.3 執(zhí)行機構(gòu) 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超 載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受 負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的 方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角” ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。 可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過 控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機特點： 一般步進電機的精度為步進角的 3-5%，且不累積。 步進電機外表允許的最高溫度：步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退 磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電 機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚 至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 80-90 度完全正常。 步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的 電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨 頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 10 步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲： 步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動 的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。 在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該 有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從 低速升到高速） 。 步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不 同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機在更多的領(lǐng)域得到 應(yīng)用。由整體設(shè)計方案可知，工作臺要求傳動的運動安全可靠，運動的波動小且傳 動過程平穩(wěn)準確?；谝陨系母黜梼?yōu)點和現(xiàn)實生產(chǎn)條件，選擇步進電機作為動力設(shè) 備是比較理想的傳動設(shè)備。 2.2.2 控制系統(tǒng)方案 2.2.2.1 控制方案 圖 2-2 開環(huán)控制流程圖 基于單片機的 XY 軸步進運動控制裝置的控制部分原理如圖 2-2。通過上圖我們 可以清楚的看到，本系統(tǒng)選用的單片機型號是 8051 單片機。綜合各方面的因素和現(xiàn) 實生產(chǎn)條件以及實際工作的需求，對與基于單片機的 XY 軸步進運動控制裝置的控 制部分采用開環(huán)的控制方式，由微型機通過其自身的控制計算功能將采集到的信號 進行處理后經(jīng)過放大作用域執(zhí)行元件上，進而機械傳動部分開始運動并最終作用為 執(zhí)行機構(gòu)，使整個系統(tǒng)完成操作者需要的動作?；趩纹瑱C的 XY 軸步進運動控制 裝置的控制部分采用三相六拍步進電機。 2.2.2.2 接口設(shè)計 （1）人機接口 ①采用鍵盤作為輸入。采用矩陣式鍵盤，用 20 個鍵來控制步進電機。 ②采用蜂鳴器作為警報裝置。 ③采用數(shù)碼管作為顯示器。采用八段數(shù)碼管作為步數(shù)的顯示。 （2）機電接口 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 11 采用光電偶合器作為微型機與步進電機驅(qū)動電路的接口，實現(xiàn)電氣隔離，以保 護單片機。 2.2.3 控制方案選擇 一般的控制的方案只有三種：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制。圖 2-2 采用開 環(huán)控制方法，如果機械傳動的機構(gòu)中引進反饋給控制部分，在經(jīng)過比較放大的則為 半閉環(huán)控制。如果是在機械執(zhí)行機構(gòu)中引出反饋則為閉環(huán)控制。 開環(huán)控制：特點是簡單，控制精度低。控制的精度完全取決于所用元件的精度 和校準的精度，且抗干擾的能力差。但由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低。在精度要求不高 的情況下，有一定的使用價值。 閉環(huán)控制：特點是控制精度高，抗干擾能力強。缺點是使用的元件多，線路復 雜，系統(tǒng)的分析和設(shè)計都比較麻煩。 半閉環(huán)：特點是控制的精度介于閉環(huán)和開環(huán)之間。 采用步進電機來實現(xiàn)驅(qū)動，一般情況下多采用開環(huán)控制。因為步進電機的輸出 轉(zhuǎn)角與控制器提供的脈沖數(shù)有正比的關(guān)系，電機轉(zhuǎn)速與控制器提供的脈沖頻率成正 比。因此通常在精度要求不是很高時，負載不是很大的情況下采用步進電機是合理 的。 下圖為開環(huán)控制的框圖 計算 執(zhí)行 受控對象 給定值 干 擾 + 被控量 圖 2-3 開環(huán)控制框圖 2.2.4 伺服系統(tǒng)設(shè)計 伺服系統(tǒng)(servomechanism) 是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨 輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的 要求、對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置 控制的非常靈活方便。伺服系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。 又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位 移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 12 確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角） 。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒 有原則上的區(qū)別。 3 XY 工作臺設(shè)計 3.1 XY 工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計概述 X-Y 工作臺是指能分別沿著 X 向和 Y 向移動的工作臺。它是本課題中傳動部分 的終點，也是與交流伺服電機直聯(lián)機械部件。而 X-Y 工作臺設(shè)計的好壞，將直接影 響到傳動的可行性和傳動精度。 X-Y 工作臺的機械部分的設(shè)計主要包括絲杠設(shè)計，導軌設(shè)計，軸承選型，聯(lián)軸 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 13 器選型等。工作臺的 X 軸有效行程為 200mm，Y 軸的有效行程為 230mm。在兩軸的 行程極限位置設(shè)置有行程開關(guān)，連接到控制系統(tǒng)。由此可見，工作臺本身的機械結(jié) 構(gòu)并不復雜，標準件和非標準件的組合關(guān)系明確清晰。可以說，在保證工作臺零件 尺寸的前提下，裝配高精度工作臺難度并不是很大。 絲杠和導軌需要參考設(shè)計要求進行設(shè)計，軸承和聯(lián)軸器為標準件，可以按照設(shè) 計要求進行選取。在設(shè)計絲杠和導軌的時候，為了達到控制精度高和傳動效率高的 要求，可以從以下兩方面入手： 1）傳動機構(gòu)為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺 母傳動副。絲杠的轉(zhuǎn)速為中轉(zhuǎn)速，精度要求為高精度。為提高傳動剛度和消除間隙， 采用有預加載荷的結(jié)構(gòu)。采用滾珠絲杠副，滾珠絲杠直接與聯(lián)軸器連接。 2）導向機構(gòu)采用滾動直線導軌。滾動直線導軌副動靜摩擦力之差很小，摩擦阻 力小，隨動性極好。導軌的導向精度要求高。 3.2 絲杠的選擇 3.2.1 滾珠絲杠設(shè)計總述 滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動， 這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滑動動作變 成滾動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精 密儀器。滾珠絲杠傳動系統(tǒng)是一個以滾珠作為滾動媒介的滾動螺旋傳動的體系。以 傳動形式可分為兩種：一是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，二是將直線運動轉(zhuǎn)化成回 轉(zhuǎn)運動。 3.2.2 滾珠絲杠特點 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)作為一個以滾珠作為滾動媒介的滾動螺旋傳動的體系，其優(yōu) 點如下： （1）傳動效率高 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率高達 90%～98%，為傳統(tǒng)的滑動絲杠系統(tǒng)的 2～4 倍，能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運動（運動可逆） 。 （2）運動平穩(wěn) 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動時 無顫動、低速時無爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進給。 （3）高精度 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)運動中溫升較小，并可預緊消除軸向間隙和對絲杠進行預拉 伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復定位精度。 長春理工大學光電信息學院畢業(yè)設(shè)計 14 （4）高耐用性 鋼球滾動接觸處均經(jīng)硬化（HRC58～63）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程 純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。 （5）同步性好 由于運動平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統(tǒng) 同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 （6）高可靠性 與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也 較簡單，只需進行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。 （7）無背隙與預緊 采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀、軸向間隙可調(diào)整得很小，也能輕便地傳動。 若加入適當?shù)念A緊載荷，消除軸向間隙，可使絲杠具有更佳的剛性，在承載時減少 滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達到更高的精度。 3.2.3 設(shè)計和使用滾珠絲杠應(yīng)注意以下問題 1）為提高滾珠絲杠副的使用壽命和精度，應(yīng)使作用在螺母上的合力通過絲杠軸 心，以保證滾珠受力均勻，避免傾覆力。 2）放逆轉(zhuǎn)：滾珠絲杠副傳動逆效率高，應(yīng)考慮在電機停電后，因部件自重而產(chǎn) 生螺旋副的逆?zhèn)鲃樱ㄌ貏e是在垂直方向上傳動時） ，防止逆?zhèn)鲃拥姆椒刹捎茫和ｋ?自鎖的電機、蝸輪蝸桿機構(gòu)、離合器等方式。 3）滾珠絲杠副在行程兩端應(yīng)有行程保護裝置，以防止越程后滾珠絲杠副受撞擊 而影響精度、使用壽命甚至損壞。 4）防止熱變形：熱變形對精密螺旋傳動的定位精度有著重要的影響。其熱源不 單是螺旋副的摩擦熱，還有其他機械部件工作時產(chǎn)生的熱，致使絲杠熱膨脹而伸長。 為此必須分析熱源的各因素，采用措施控制熱源，還可以采用預拉伸、強制冷卻等 減少熱變形對絲杠的伸長的影響。 5）細長而又水平放置的絲杠，因自重使軸線產(chǎn)生彎曲變形，是影響導程累積誤 差的因素之一，還會使螺母受載不均。設(shè)計細長絲杠時，應(yīng)考慮防止或減小自重彎 曲變形的措施。 6）防護與密封：塵埃和雜質(zhì)進入滾道會妨礙滾動體運動流暢，會加速滾動體與 滾道的磨損，使?jié)L動螺旋副喪失精度。為此需要防塵措施。滾珠絲杠副在螺母兩端 已安裝防塵圈，為避免絲杠外露，用戶還需要為絲杠選擇防護裝置。 7）合理潤滑是減小驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、提高