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机电一体化系统综合课程设计
课题名称：Ｘ－Ｙ数控工作台设计说明书 学 院： 专 业： 设计成员：
指导老师：季国顺 日 期：
设计组号：.
机械工程学院
机械设计制造及其自动化
金成柱 聂欣
2013年1月7日 7 课题号： 14
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目 录
1、总体方案设计…………3 1.1 设计任务…………4
1.2 总体方案确定……………4 2、机械系统设计…………5
2.1 工作台外形尺寸及重量估算…………6 2.2 导轨参数确定…………7
2.3 滚珠丝杆的设计计算…………8 2.4 步进电机的选型与计算………… 10 2.5 机械系统结构设计…………12 3、控制系统硬件设计……… 13 3.1 控制系统硬件组成……………13 3.2 控制系统硬件选型………15
3.3 控制系统硬件接口电路设计…………17 3.4 驱动系统设计………18
4、控制系统软件设计…………19
4.1 控制系统软件总体方案设计…………21 4.2 主流程设计…………22
4.3 中断服务流程设计…………23 4.4 软件调试…………25 5、总结…………26 参考文献…………27
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1、总体方案设计 1.1 设计任务
题目：两坐标X-Y数控工作台设计
任务：设计两轴联动的数控X-Y运动平台，完成机械系统设计、控制系统设计与相应软件编程，根据试验条件进行调试，完成整个开发系统；每组一题，分别由3～4位同学合作完成。其主要技术指标如下：
1）工作台型号为HXY-4030； 2）行程要求X=400mm，Y=300mm；
3）工作台面尺寸为C×B×H＝240mm×254mm×15mm； 4）底座外形尺寸为C1×B1×H1＝650mm×550mm×184mm； 5）工作台最大长度L=778mm； 6）工作台负载重量N=500N；
7）工作台最快移动速度vxmax=vymax=1m/min 8）X,Y方向的重复定位精度为±0.02mm； 9）X,Y方向的定位精度为0.04mm；
10）工作台切削负载小、运动灵敏度高、低速无爬行； 11）定位精度高；
12）结构轻便，建议机座和滑台采用铝合金； 13）标准组件，独立产品； 14）可直接应用于小型钻、铣床。
1.2 总体方案确定
1.2.1 方案确定思想
该工作台设计主要分为机械系统部件和控制系统部件，其中机械系统部件主要包括导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包括CPU控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。
因X向和Y向机械结构基本相同，故只绘制X向机械系统部分的结构简图，
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如下：
考虑在满足设计要求的前提下，应尽可能采用简洁轻便的结构设计和廉价实用的可选材料，符合绿色环保的现代机械设计理念，由此来确定最终方案。
1.2.2 方案对比分析与确定
（1）方案对比 1）方案一
动力源：采用标准工业电源；
执行元件：选用混合式步进电机，其特点为输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高；
导向支承部件：选用直线滚动导轨副，其特点是摩擦因数小，不易爬行，便于安装和预紧，结构紧凑；
传动部件：选用滚珠丝杠副，其特点是传动效率高，运动平稳，使用寿命长，运用广泛；
减速装置：不使用减速箱，在满足脉冲当量的需求时，可以有效简化系统结构，缩小机械尺寸，节约生产成本；
检测装置：增量式旋转编码器；
系统微控制器：选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52； 2）方案二
动力源：采用标准工业电源；
执行元件：选用永磁式步进电机，其特点为不需要太大电流，绕组断电时具有自锁能力，优点是动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动机不易发热，但制造成本高，步距角较大，配套的驱动电源要具有细分功能；
导向支承部件：选用滚柱交叉导轨副，其特点是具有较高的承载能力和较高的刚性，可以获得较高灵敏度和高性能的平面直线运动，导向性好，自动定心，滚动摩擦阻力低；
传动部件：选用滚珠丝杠副；
减速装置：选用无间隙齿轮传动减速箱； 检测装置：增量式旋转编码器；
系统微控制器：选用可编程程序控制器（PLC）； 3）方案三
动力源：采用标准工业电源；
执行元件：选用反应式步进电动机，其特点为步矩角可达1°~15°，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低；
导向支承部件：选用静压导轨副，其特点是需要将一定压力的油或气体介质
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通入导轨的运动件和导向支撑部件之间，使运动件浮在压力油或气体薄膜上，摩擦阻力很小；
传动部件：选用滑动丝杠副，其特点是结构简单，容易制造，减速传动比大，摩擦力大，具有自锁性，但低速或微调时可能出现爬行现象；
减速装置：选用无间隙齿轮传动减速箱； 系统微控制器：选用AVR系列的Atmega16； （2）选择分析
对比以上三个方案，其主要区别在于步进电动机、导轨副、丝杠螺母副、系统微控制器的选择和是否有必要使用减速箱。综合考虑设计任务和方案确定思想，因系统定位精度和最快移动速度相对并不是很高，故选用性能较好而性价比较高的混合式步进电动机已经足够；为了避免爬行现象，同时节约生产成本，且因该设计载荷较低，故选用直线滚动导轨副；滑动丝杠副在低速或微调时可能产生爬行显现，且为了能够满足±0.02mm的重复定位精度和0.04mm的定位精度，故选用滚珠丝杠副；控制系统选用AT89C52单片机，足以满足设计要求且较为廉价；由于本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此可以不使用减速箱。
综上所述，本设计选用方案一作为合理的总体方案。
1.2.3 总体方案系统组成
（1）机械系统组成 1）导轨副的选用
该设计课题中所要求的X-Y工作台要求可直接应用于小型钻、铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
2）丝杠螺母副的选用
伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足±0.02mm的重复定位精度和0.04mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。
3）减速装置的选用
选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。但本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此不使用减速箱。
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