二维步进单片机控制工作台机械系统设计 杨洲1.doc

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1、二维步进单片机控制工作台机械系统设计学 生：杨 洲指导老师：李 旭(湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128) 摘 要：本系统采用一级齿轮减速，带动丝杠传动，通过螺母的直线移动带动工作台运动。根据脉冲当量、步矩角、丝杠导程来确定齿轮的传动比，根据负载转矩的大小来校核丝杠传动的强度。 单片机控制二维工作台是众多控制机械传动方法的一种，它利用单片机发出指令控制步进电机的转角和转速，进而控制X-Y工作台两方向的移动，实现画线，移动物体等功能，常用于试验教学。单片机控制二维工作台主要由三部分组成：工作台及传动支撑部分，减速装置，控制部分及电机组成,设计主要内容包括了，方案原理的确定，步进电机的选择

2、与校核，减速器，轴承和联轴器，键以及丝杠，导轨的设计，最后是其支撑部分，也就是支座的选材,再出画出工作台的装配草图，再选择步进电动机的型号，进而设计选择滚珠丝杠，最后设计出X-Y工作台，画出其装配图。关键词：工作台；步进电机；脉冲当量；步距角The Design Of Two Step Control Table Mechanical System Author: Yang ZhouTutor: Li Xu(Orient Science & Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)A

3、bstract：The system uses a gear reducer, drives the lead screw drive,And nut straight through mobile workbench movement. I According to the pulse equivalent, step torque angle, screw gear ratio to determine, And load torque to check the screw drive strength.then SCM control of two-dimensional table i

4、s one of the many methods of control of a mechanical transmission, It issued a directive by SCM stepper motor control and the speed of rotation，To control the X-Y table two moving direction, realize painting lines, moving objects and other functions. Commonly used in the experimental teaching.SCM co

5、ntrol of two-dimensional table is mainly composed of three parts, The worktable and the driving and supporting part, reducer, a control part and a motor. Design content mainly includes step scheme determination, stepper motor selection and checking, reducer, bearing and coupling Then draw a table as

6、sembly sketch, then choose stepper motor model, And then design the choice of ball screw, finally design a X-Y table, draw the assembly drawings Key words: Table Stepper motor; Control; Microcontroller-driven pulse; Equivalentstep moment kok; 1 前言 1.1 研究意义当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的

7、发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 1.2 国内外研究现状及存在的问题在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业

8、的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。1.2.1 数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业化的象征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上

9、数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:(1) 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从EMO2001展会情况来看 ,高速加工中心进给速度可达80m/ min ,甚至更高,空运行速度可100m/ min左右。目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面 ,近10年来 ,普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m ,精密级加工中心则从 35m ,提 高到11.5m并且超精密加工精

10、度已开始进入纳米级 0.1m。为了实现高速、高精加工,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。(2) 5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因 ,其价格要比3轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现 ,使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床 含5面加

11、工机床的发展。(3) 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势。21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 ,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速

12、实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1.2.2 对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于1958年 ,近50年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从1958年到1979年 ,即封闭式发展阶段。

13、在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近50年的发展历程 ,特别是经过4个5年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。1.2.3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考(1) 战略考虑。我国是制造大

14、国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定;其次从国防安全看 ,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。(2) 发展策略。从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能够主导21世纪初期我国制造装备业

15、发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。2 方案原理的设计2.1 总体方案的选择和说明设计一台微机控制X-Y两坐标工作台，采用MCS-51

16、单片机控制，控制方式采用步进电机开环控制，其他参数如下：表1 设计参数Table1 Design parameters脉冲当量(mm/step)定位精度(mm) 最大移动速度(m/min) 工作台尺寸(mm) 进给抗力(N)0.005 0.04 1 100*150 500负载最大质量m=60Kg；台面尺寸CBH150mm100mm15mm；工作台最大快移速度为1m/min；工作台行程，在X轴方向为320mm，Y轴方向为225mm。（1）人机接口 采用键盘或BCD码盘作为输入。 采用LED作为电源等指示标志。 采用蜂鸣器或扬声器作为报警装置。 采用数码管作为显示器。（2）机电接口采用光电偶合器作

17、为微型机和步进电动机驱动电路的接口，实现电气隔离。（3） 伺服系统设计本次设计的系统精度要求不高，载荷不大，因此采用开环控制。（4） 控制系统设计：微型机-微型机-功放-执行元件-机械传动-执行机构控制部分方案的选择：控制方案不外乎三种：开环控制，半闭环控制，闭环控制。上面位最简单的“开环控制”，若在“机械传动”机构中引出反馈给控制部分，再经过比较放大的则为“半闭环控制”。若是在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控制”。采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精度要求不是很高时，采用步进电机是比较合理的。当然由于步进电机具有

18、高频易失步，负载能力不强的缺点。（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到定位精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。（2）计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。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）X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和

19、平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。2.2 总体方案实现的系统组成框图图1 总体方案设计Fig1 The overall scheme design3 零件设计3.1步进电机的设计3.1.1 步进电机的组成及工作原理步进电机又称脉冲电动机，它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其特点是输入一个电脉冲就转动一步

20、。即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步矩角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量，频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角，转速及转向。步进电动机具有以下特点：（1）步进电动机工作状态不易受各种干扰因素。（2）步进电动机的步矩角有误差，转子转过一定步数后也会出现累积误差，但转子转过一转后，其累积误差为0，不会长期积累。（3）控制性能好，在启动，停止，反转时不易丢步。步进电机的工作原理：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率

21、和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户

22、在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 感应子式步进电机工作原理 （1）反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。旋转： 步进电机转子每转一步，就转动一个步距角。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种

23、导电状态。 由于X，Y方向的脉冲当量分别为：即脉冲当量较小,这里选用反应式步进电机.其特点是:步矩角小,运行频率高,价格较低但功耗较大 。3.1.2 步进电机的选择选电机型号为75BF003,其机座号为75，相数是3，工作电压为30V，工作电流是4A 步矩角是1.5. 表2 步进电机Table2 stepper motor外形尺寸 转子转动惯量（10） 重量（Kg） 空载启动频率（Hz） 最大静转矩（N.m） 1.563 1.58 1250 0.882 33.1.3 步进电机的校核f=fx=fy=3333.3r/min图2 转矩图 Fig 2 Torque diagramTx=Ty=2.8N.

24、m 计算减速器的传动比:减速器传动比 (1) 初取滚珠丝杠：表3 丝杠 Table 3 screw 公称直径（d） 导程（p） 20 4此时 由于减速器的传动比i= 所以初取 Z1=24 Z2=80 步进电机的驱动力计算:典型工况下,步进电机的驱动力和分别为:1172.267N500N (2).1172.267N500N 套筒联轴器的传动效率,取0.98滚动轴承副的传动效率,取0.99一级圆柱直齿轮的传动效率,取0.95滚珠丝杠的传动效率,取0.9滚动导轨副的传动效率,取0.98驱动力远大于进给抗力,所以所选步进电机满足要求 由于步进电动机的负载力矩Ml= (3) 式中F：进给方向的切削力（N

25、）m：工件和工作台的总质量（Kg）u：导轨的摩擦系数，滚动导轨取u=0.003Z1：小齿轮齿数Z2：大齿轮齿数珠丝杠螺距（mm） h=4mm(螺距等于导程,单级)Ml=0.12N.m 步进电动机转矩M=0.4 N.m 步进电动机最大静转矩Mst=0.47N.m 小于0.882N.m所选步进电动机满足要求3。 3.2 减速器设计3.2.1 主动齿轮的选择与计算考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。齿轮的选择及计算（1）初步计算转矩T=2.8N.m=2.8N.mm 齿宽系数 取接触疲劳极限, =710Mpa , =580Mpa 初步计算的许用接触应力=0.

26、9=639Mpa =0.9 =522Mpa 取Ad=110计算小齿轮直径 d1Ad110=33mm (4) 取小齿轮直径为90mm初步齿宽 =45mm （2）较核计算 圆周速度V=3.925m/s (5) 精度等级选择选8级精度齿数Z和模数m由于齿数Z1=24，Z2=80模数 使用系数 取=1.5动载系数， =1.1齿间载荷分配系数由表 先求：=62.22N (6) M=2.07N.mm100N.mm (7) =1.88-3.2(=1.71 由此得 (8) 齿向载荷分布系数， (9) 载荷系数= (10) 弹性系数 取=189.8Mpa节点区域系数， 接触最小安全系数 =10.5总工作时间 令

27、两方向的工况均为：每天开机六小时，每年三百个工作日，工作八年以 应力循环次数 由表估计 ，则指数 m=7.08 =60 (11) 原估计应力循环次数正确， 接触寿命系数 , =0.94许用接触应力 ： (12)验算： =94.07Mpa8mm（步进电动机输出轴直径）Tn=7.5NmTc=2.8N.m得套筒外径D0=22mm，套筒长度L=40mm两轴间距C=2mm，销至套筒边距l=8mm ，圆锥销：322销的抗剪强度计算：=80 100MPa =N.mm=33N.mm 上式成立，销材料为45号钢。圆锥销直径 d1=0.25d=3mm. 3.4.2 大齿轮轴和滚珠丝杠间联轴器的选择和计算联轴器的选

28、择图8 套筒联轴器Fig 8 Sleeve coupling初取d=16mm的圆锥销套筒联轴器联轴器的校核计算较核： 取 k=1.2 计算转矩 ： 所选联轴器合适。销的抗剪强度计算： (20) 成立，销材料为45号钢8 。3.5 键的设计键的结构选取为平键取键宽 b=3mm 键与轮毂的接触高度 K= 键的工作长度：l=12mm较核计算： 键或键槽工作表面的抗压和键的剪力分别为 (21) (22)所选键满足要求9。3.6丝杠的设计3.6.1丝杠的特点滚珠丝杠副的组成及特点滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件滚珠。滚珠丝杠螺母机构由丝杠，螺母，滚珠，和反向

29、器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，除上述优点外，还具有轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用做升降传动机构时，需要采取制动等措施。滚珠丝杠副设计使用中应注意的问题 （1）为提高滚珠丝杠副的使用寿命和精度，应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心，以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力。（2）放逆转：滚珠丝杠副传动逆效率高，应考虑在电机停电后，因部件自重而产生螺旋副的逆传动（特别是在垂直方向上传动时），防止逆传动的方法可采用：停电自锁的电机、蜗轮蜗杆机构、离合器等方式。（3）滚珠丝杠副在行程两端应有行程保护装置，以防止越程后滚珠丝杠副受撞击而影响精度、使用寿命甚至损坏。（4）防止热变形：热变形对精密螺旋传动的定位精度有着重要的影响。其热源不单是螺旋副的摩擦热，还有其他机械部件工作时产生的热，致使丝杠热膨胀而伸长。为此必须分析热源的各因素，采用措施控制热源，还可以采用预拉伸、强制冷却等减少热变形对丝杠的伸长的影响。（5）细长而又水平放置的丝杠，因自重使轴线产生弯曲变形，是影响导程累积误差的因素之一，还会使螺母受载