本科生专业课程设计
（届）
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目录
专业课程设计计算说明书 (3)
原始数据 (3)
一、系统总体方案设计 (3)
二、机械系统的设计计算 (4)
三、控制系统设计 (19)
专业课程设计计算说明书
原始数据
设计一台微机控制XY两坐标工作台，采用MCS-51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：
一、系统总体方案设计
由设计任务书知，本次设计可采用如下方案：
（一）机械系统
1、传动机构采用滚珠丝杠副与齿轮或带减速。
2、导向机构采用滚动直线导轨。
3、执行机构采用步进电机。
（二）接口设计
1、人机接口
（1）采用键盘或BCD 码盘作为输入。 （2）采用LED 作为电源等指示标志。 （3）采用蜂鸣器或扬声器作为警报装置。 （4）采用数码管作为显示器。 2、机电接口
采用光电偶合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口，实现电气隔离。 （三）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。 （四）控制系统设计
1、控制部分方案选择
控制方案不外乎三种：开环控制、半闭环控制、闭环控制。 上图为最简单的“开环控制”，若在“机械传动”机构中引出反馈控制部分，再经过比较放大的则为“半闭环控制”。如若是在“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数有着正比关
系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精确度要求不是很高时，
采用步进电机是合理的。当然，由于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。
二、机械系统的设计计算
（本次设计若未作特殊说明，其中的表与图均来自：由郑堤主编的《机电一体化设计基础》） （一）初选步进电动机
根据已知条件：X 、Y 方向的脉冲当量y x δδ、分别为：
开环控制流程图
开环控制原理图
step mm y x
/005.0==δδ
即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。其特点是：步距角小，运行频率高，价格较低，但功耗较大。
结论：初选步进电机型号为：，其相关参数如下： 机座号 型号 相数 电压V 电流A 步距角°
90 5 60/12
5
步距角误差’ 空载运行频
率 转子转动惯
量
重量kg 空载启动频率Hz 最大静转矩
10
约12000
2500
并采用单双相通电方式，因此步距角?=8.0α。 1、步进电动机的脉冲频率计算
典型工况下，步进电动机的脉冲频率y x f f 和分别为：
s
p f s p v f s p f s p v f y y
y y x x x x /12000/3.333310005
.0601
1060/12000/3.333310005.0601
1060max 33max 33=<=??=
?=
=<=??=?=δδ
2、步进电动机的驱动转矩计算
典型工况下，步进电动机的驱动转矩y x T T 和分别为：
按图5-7查得：m N T T y x ?==8.2
3、步进电动机的驱动力计算
典型工况下，步进电动机的驱动力y x F F 和分别为：
N F N Z S Z T F x x x x x 500648018
004.032
)83.0(8.22212=>=????==
进给抗力πηπ
N F N Z S Z T F y y y y y 500648018
004.032
)83.0(8.2221
2
=>=????=
=
进给抗力πηπ
驱动力远大于进给抗力，所以所选步进电动机满足使用要求。 （二）计算减速器传动比
减速器传动比：
p
p
i δα360=
()
()
()
mm mm p p 工作台运动的脉冲当量丝杠导程步进电机步距角--?-δα
初取滚珠丝杠：
此时：
78.19
16
005.036048.0360≈=??==
p p i δα