1、桂林电子科技大学课程设计报告用纸 编号： 机电一体化 课程设计 说明书 题目： 一维精密 工作台设计 学 院： 专业： 机械 设计制造 及其自动化 学生姓名： * * * 学号： * 校内导师 单位： 机电工程学院 姓名： 职称： 教授 题目类型 ： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016 年 12 月 20 日 桂林电子科技大学课程设计报告用纸 摘 要 随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，光机电一体化技术也得到了前所未有的发展，成为了一门多学科交叉的系统技术。而数控工作台正是这一技术的典型应用。本文以一维数控工作台的设计为例，清晰阐述了此类工作台的一般设计方法 。 首
2、先介绍了数控工作台的发展及目前的产业化应用现状。其次根据设计要求对工作台总体方案进行 了详细阐述 。再次，依据设计初始条件及各主要部件的参数样本，对滚珠丝杠、滚动导轨、伺服电机等主要部件进行了 选型和设计，同时对其各项指标进行了校核， 然后 对控制台的控制部分进行了软硬件设计 ， 采用单片机作为核心芯片，实现本任务 的 控制要求。 关键词 ： 数控工作 台； 机械传动； 控制台；单片机 桂林电子科技大学课程设计报告用纸 Abstract With the rapid development and wide application of computer technology, opto me
3、chatronics technology has also been an unprecedented development, has become a multidisciplinary system technology. The numerical control worktable is a typical application of this technology. In this paper, the design of one dimensional numerical control worktable is taken as an example to illustra
4、te the general design method of this kind of worktable. Firstly, the development of numerical control worktable and the present situation of its application are introduced. Secondly, according to the design requirements, the overall scheme of the working table is described in detail. Again, based on
5、 the parameters of the sample design of the initial conditions and the main components of the ball screw and rolling guide, servo motor and other major components are selected and designed, and the indexes were checked, and then the control part of the console for the hardware and software design, u
6、sing MCU as the core chip, to achieve the task control requirements. Key words: NC working platform; mechanical transmission; console; MCU 桂林电子科技大学课程设计报告用纸 目 录 1 绪论 . 1 1.1 工作平台概述 . 1 1.1.1 数控工作台发展及其产业化现状 . 1 1.1.2 数控工作台发展趋势及产业化现状 . 2 1.2 一维数控工作台设计的意义及设计内容 . 3 2 课程设计任 务 . 4 2.1 设计任务介绍： . 4 2.2 设计参数
7、. 5 3 工作台的总体设计 . 6 3.1 机械传动部件的选择 . 6 3.1.1 导轨的选用 . 6 3.1.2 丝杠螺母副的选用 . 6 3.2 机械传动部件的设计 . 6 3.2.1 直线滚动导轨副的计算与选型 . 6 3.2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 . 8 3.2.3 步进电动机 的计算和选型 .11 3.2.4 联轴器的选用及校核 .14 3.2.5 轴承的选用及校核 .15 3.3 工作控制台的设计 .17 3.3.1 控制台总体设计方案 .17 3.3.2 STC89C52 单片机 .19 3.3.3 驱动器的选择 .20 3.3.4 液晶屏显示选择 . 22 3.3.
8、5 位移传感器的选择 . 22 3.3.6 AD 转换电路 . 23 结论 .24 致谢 .25 桂林电子科技大学课程设计报告用纸 1 1 绪论 本设计所设计的一维工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过运动控制卡来控制伺服电机，使工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的数控工作台机电系统设计是一个闭环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。本设计所设计的工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加
9、工，所以其功能远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典 型产品 本次专业课程设计要求我们掌握电子精密机械设计方面的基础知识，并能独立运营电子精密机械设计的基本理论、基本方法、进行有关电子精密机械方面的设计。通过本次专业课程设计使我们熟悉机械系统的方案论证过程，包括取得方式比较、传动形式的确定等；学会采用 AUTOCAD 进行机械设计，达到较熟悉程度；利用学过的基础理论，在设计实践中进行载荷的分析计算、电机的选择、传感器的选择、传动链的分析计算、传动系统的精度、谐振分析；综合运用有关课程如机械制图、公差与技术测量、热处理、机械设计、机械原理传感器技术等所学的知识来解决 工程实际问题。从而培养
10、我们的自学能力、独立工作能力、协作精神和创新精神，为以后的毕业设计打好基础。 1.1 工作平台概述 数控工作台（ numerical control table）又称数控精密工作台、数控运动平台、数控定位平台、电动平移台、数控工作台。设计上采用滚珠丝杠副和滚动导轨副传动结构，具有精度高、效率高、寿命长、磨损小、节能低耗、磨擦系数小、结构紧凑、通用性强等特点。数控工作台可广泛应用于激光焊接机、插线机、打孔机、涂胶机、机械手、搬运、检测装置、断层射线扫描、小型数控机床及实用教学领域。数控精密工作台系列可选择步进电机驱动，直流伺服电机驱动，交流伺服电机驱动。本次设计选用直流伺服电机驱动。 数控工作台
11、产品基础构件可以采用优质铝合金、铸铁、钢材及大理石等材料，传动结构可以采 用直线导轨、直线圆导轨、滚珠丝杠、同步带及气缸等多种组合形式，满足各种行业、不同场合的需要。 1.1.1 数控工作台发展及其产业化现状 数控工作台按其移动自由度可分为一维数控工作台、二维数控工作台以及三维数控工作台。 桂林电子科技大学课程设计报告用纸 2 （ 1）一维数控工作台。如图 1.1 所示。 图 1.1 一维 数控 工作台 （ 2） 二维数控工作台 双坐标工作台分别是由两台型号一致、工作行程相同或不同的单坐标工作台叠加组合而成。双坐标工作台组成原则是上层工作台行程一定要小于等于下层工作台行程。如图 1.2 所示。
12、 图 1.2 二维数控工作台 （ 3） 三维数控工作 台 三坐标数控工作台按照使用方式的差异分为小型数控工作台、大型数控工作台、专用数控工作台。 1.1.2 数控工作台发展趋势及产业化现状 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
13、电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微桂林电子科技大学课程设计报告用纸 3 型化方向发展。 工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的 X Y 工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液压驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究， 我国 在 工作台 的研究开发方面 也 取得了长足的进步 。目前工作台的种类繁多，传统的工作
14、台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此工作台的设计具有重要意义，我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。 1.2 一维数控工作台设计的意义及设计内容 本设计所设计的一维工作台采用了低摩擦的直线滚
15、动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过运动控制卡来控制伺服电机，使工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的数控工作台机电系统设计是一个闭环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。本设计所设计的工作台不 仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加工，所以其功能远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品。 通过对工作台的设计，能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必
16、要的计算；通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过课程设计，初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。 在本设计中着重介绍了如何对工作台进行总体设计以及对导轨、丝杠、电机的选用桂林电子科技大学课程设计报告用纸 4 计算。 2 课程设 计任务 2.1 设计任务介绍： 一、题目要求： （ 1）工作台的基本组成 1）能一个方向移动的平面工作台。 2）传动机构 一般包括齿轮减速和滚珠丝杠传动，具体传动机构根据
17、所选电机确定。 （ 2）工作台的控制要求 1）能用键盘输入命令，控制工作台移动。 2）能实时显示工作台的当前运动位置。 3）当工作台超越边界时，能以指示灯报警，并停止运动。 （ 3）工作台的软件要求系统软件的主要部分流程图。包括： 1）主模块，用于系统初始化和监控。 2）主要功能键子模块。 3）越界报警、急停处理子模块。 二、设计内容及安排： （ 1）熟悉任务，查阅资料。 （ 2）进给系统和传动系统的设计计算，包括驱动力矩的计算、丝杠的选型、电机和减速器的选型等，写出详细计算过程。 （ 3）画出工作台装配图， 2 号图纸。 （ 4）在论文中画出系统控制部分工作框图。 （ 5）软件主要部分流程图
18、（附在说明书正文中）。 （ 6）整理设计说明书，答辩。 桂林电子科技大学课程设计报告用纸 5 三、要求： （ 1）上述工作要求扎扎实实完成 ,绝不走过场。 （ 2）培养独立思考 ,独立动手 ,独立查阅资料 ,严谨治学 ,一丝不苟的工作作风 ,培养会检索查阅资料 ,使用资料的能力 ,严禁抄悉 ,不求甚解。 （ 3）培养形成独立分析问题 ,解决问题的能力，为毕业后工作打好基础。 2.2 设计参数 （ 1）工作台重量 22kg； （ 2）进给抗力： X:250N,Y:150N； （ 3）工作台进给速度： X:1.5m/min,Y: 2m/min, （ 4）工作台最大移动速度： 6m/min （ 5）
19、加工对象重量约 8kg （ 6）系统控制类型：交流驱动 （ 7）进给轴： Y 轴 （ 8）行程范围： 1200mm （ 9）控制方式： 单片机 工作台的详细设计参数见表 2.1。 表 2.1 工作台设计参数 工作台重量 进给抗力 进给速度 最大移动速度 加工对象重量 系统控制 类型 进给轴 .行程范围 22kg X=250N X=1.5m/min 6m/min 8kg 交流驱动 X轴 1200mm 图 2.1 一维伺服移动工作台整体结构 桂林电子科技大学课程设计报告用纸 6 3 工作台的总体设计 3.1 机械传动部件的选择 3.1.1 导轨的选用 要设计的工作台是用来配套轻型的数控机床，需要承
20、载的载荷不大，但脉冲当量小(0.005mm/p)，定位精度高（ 0.01mm），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。本设计选择直线滚动导轨副。 3.1.2 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 0.005mm 的脉冲当量和 0.01mm 的定位精度，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，而且滚 珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率 。 图 3.1 丝杆螺母副 3.2 机械传动部件的 设计 3.2.1 直线滚动导轨副的计算与选型 （ 1） 滑块承受工作载荷 Fmax 的计算及导轨型号的选取 按照导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工作平台、滑块（ 60N/个）等，估计重量约为 460N。 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。工作台采用水平布置，利用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：
