综合课程设计。
说明书。第2组）
课程性质：专业课(必修)
适用专业：机械电子工程。
所用时间：两周。
设计人 ：邓海燕。
同组人 ：甘浦泓、姜志凌。
指导老师：重庆交通大学机电与汽车工程学院。
目录。一、课程设计的题目及要求 2
一）题目 2
二）要求： 2
二、总体方案的确定 2
三、机械部分的设计和计算 3
1、工作台的初步设计： 3
2、滚动导轨的参数确定： 5
3、滚珠丝杆计算、选择。 6
4、步进电机的选择 8
5、齿轮计算、设计 10
6、步进电机等效负载计算 10
7、机械传动结构装配图见附录。 11
8、三维图纸如下： 11
四、机床数控系统硬件电路设计 11
1、确定硬件电路总体方案： 11
2、主控制器cpu的选择： 12
3、i/o口扩展电路设计： 12
4、键盘、显示接口电路： 12
5、步进电机驱动电路 12
6、其它辅助电路设计 14
五、系统控制软件的设计 16
1、系统控制软件的主要内容 16
2、程序设计技术 17
3、步进电机控制子程序的设计 17
4、汇编语言程序设计 19
六、课程设计的心得和体会 20
七、参考资料 21
一）题目：单片机控制步进电机驱动的多用xy工作台。
已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：t=15000h，中等冲击，各题目的有效行程、快速进给速度和工作载荷见下表：
1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；
2. 认真阅读《课程设计指导书》，明确题目及具体要求；
3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；
4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；
5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；
6. 微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；
7. 手工或电脑绘制机械系统装配图一张（a1），控制系统电气原理一张（a1），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰；
8. 课程设计说明书一份（不少于），包括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。
9. 该课程设计由三人共同完成。其中，邓海燕完成机械部分的设计，甘浦泓和姜志凌完成电气部分的设计。
根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案：进行系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。
1. 系统运动方式与伺服系统。
采用连续控制系统。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。
2. 计算机系统。
采用mcs-51系列中的8051单片机扩展控制系统。mcs-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、i/o接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。
3. x—y工作台的传动方式。
为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。
由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。
考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。
系统总体框图。
1）确定系统脉冲当量。
脉冲当量是个进给指令时工作位移量，应小于等于工作台的位置精度。一般为0.01~0.005mm。
2）工作台外形尺寸及重量初步估算。
取x向导轨支承钢球的中心距为130mm ,y向导轨支承钢球的中心距为180mm，设计工作简图。
工作台简图。
工作台的尺寸： ；
重量：按重量=体积材料比重估算：
x向拖板（上拖板）尺寸：长宽高：；
重量：按重量=体积材料比重估算：
y向拖板尺寸：；
重量：；上导轨座重量：；
夹具及工件重量：约160n
则x—y工作台运动部分的总重量约： 1100n
1）导轨型式：双v型滚珠导轨。
2）导轨长度：
上导轨（x向） 取动导轨长度； 动导轨行程；
支承导轨长度； 保持器长度；
下导轨（y向） 取动导轨长度； 动导轨行程；
支承导轨长度； 保持器长度；
3）滚动体尺寸与参数的确定：
滚珠直径取d=6mm 数目根据决定。上导轨， 所以；
x向动导轨长度； 则，两滚珠之间的间距。
下导轨 g=740n所以。
因为， 取， 滚珠之间的间距。
4）许用负载验算：
平均每个滚珠上最大负载而。
式中为导轨的预加负荷，按最大工作负荷的二分之一计算
x向导轨最大负荷。
y向导轨最大负荷。
许用负荷查表得则。
故导轨可用。
初选丝杆材质钢，hrc 58~60导程。
1） 强度计算。
丝杆轴向力：（n）
式中：k=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0.005；在车床车削外圆时：
可取。计算得，
寿命值：，丝杠转速：，则。
最大动载荷
x向丝杠牵引力：（n）
y向丝杠牵引力：（n）
所以最大动负载 y向（n）
x向（n）查表，可取滚珠丝杠公称直径，采用外患循环式的螺母，支承方式为双推--简支式，选用滚珠螺母型的型号为（两只），其额定动载荷8630，足够用。
2）滚珠丝杠螺母几何参数：
公称直径，螺距t=10，接触角。
钢球直径， 螺纹升角。
螺杆外径d=29 ， 内径；
螺母螺纹外径d=33.21， 内径。
3）传动效率计算：
丝杆螺母副的传动效率为式中。如摩擦角：为丝杆螺旋开角。
4）稳定性验算。
滚珠丝杆受工作负载引起的导程变化是。
y向所受牵引力大，故应用y向参数计算。
p=263n
材料为钢）所以：
丝杆因受扭矩所引起的导程变化量很小，可忽略，所以导程总误差。
查表知e级精度的丝杆允许误差，故刚度足够。
1） 步进电机的步距角取系统脉冲当量初步选步进电机步距角。
2） 步进电机启动力距的计算。
设步进电机等效负载力矩为p，根据能量守恒定理，电机所做功率与负载的功有如下关系 ：
式中：为——电机转角 s——移动部件的相应位移机械传动效率。
若取则且（n/ m）
式中——移动部件负载（w） g——移动部件重量（n）
—与重力方向一致的作用，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（）
本题中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数）
为丝杆牵引力，考虑到动影响，y向电机负载较大，因此取。
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；
对于三相六拍的步进电机有： n*m；
由于资料有限改用步距角为0.9度的四相八拍则。
步进电机的最高工作频率：
查表选用两个90bf001型步进电机，其性能参数如下：
根据本部分的第一步所初选的电机步距角和脉冲当量，又已知滚珠丝杠螺距t=6mm，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比：
若取z1=24，则z2=60。模数m=1mm
齿轮尺寸：1）等效转动惯量的计算。
折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：
kg·cm2)
式中：jw，jz1，jz2和js分别为折算到步进电机轴上的工作台、齿轮1、齿轮2和丝杠的等效转动惯量，kg·cm2。其中：
n·m2)， n·m2)
(n·m2)， n·m2)
式中：d0为丝杠的名义直径；ls为丝杠的总长；ρs，ρz分别为丝杠和齿轮的材料密度，可取为7.85x10-3kg/cm3。
2）等效负载转矩计算。
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