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毕业设计（论文）数控钻床二维工作台设计姓名：学号：所在系部：专业班级：指导教师：日期：毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）学生开题报告课题类型：课题类型： A-理论探究型 B-实践应用型摘要伴随着各行业对机加工产品要求的不断提高和数控技术的飞速发展，数控机床以其高精度、高效率和低劳动强度等诸多普通机床无法比拟的优势，成为当今制造业的主流加工设备，大多数企业的生产机床为普通机床，生产设备陈旧落后，用这种设备加工出来的产品普遍存在质量差，精度低，成本高，供货周期长等问题，已经不能适合当今企业所面临的竞争需要。
数控机床设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术”课程后应用的，它是培养我们能力的重要步骤。
本设计是以机电一体化的典型课题---数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养我们初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。
AbstractWith the industry machining the continuous improvement of product requirements and rapid development of NC technology, CNC machine tools with high precision, high efficiency and low labor intensity, and many other general machine tools can not match advantage, become the mainstream of manufacturing and processing equipment, Most of the production machine for the general machine tools, production equipment, outdated, Use this equipment out of the prevailing poor quality products, low precision, high cost, long lead and other issues, can no longer suited to today's enterprises face the need for competition. CNC Mechatronics curriculum design is an important teaching practice link, Xueshengxuewan technical courses and specialized courses Especially the "numerical control technology," the application of course, it is to train students to integrate theory with practice, solving practical problems important step. The course design is based on a typical mechatronic system design topics --- CNC program development as the main line, numerical control system design by developing the overall program, into the mechanical design of the servo system Composite applications enable students to have learned the mechanical, electronic and computer knowledge, to conduct a mechanical and electrical integration of all aspects of training, which students have the computing power and the preliminary design analysis and process of production capacity of the problems encountered .Keywords：general Milling NC mechanical parts servo system design transformation目录摘要 (i)Abstract (ii)绪论 (1)1 概述 (2)1.1 数控铣床工作台（X-Y）轴参数 (2)1.2 总体方案设计 (2)2 设计计算 (5)2.1计算切削分力及其额定功率 (5)2.2导轨摩擦力的计算 (6)2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 (6)2.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 (6)2.4.1确定滚珠丝杠的导程 (6)2.4.2计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷 (6)2.4.3确定滚珠丝杠预期的额定功率 (7)2.4.4按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 (7)2.4.5初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 (8)2.4.6确定滚珠丝杠螺母副的预紧力 (8)2.4.7计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预紧伸力 (8)2.4.8确定滚珠丝杠螺母副支撑用的规格型号 (9)3 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 (10)3.1滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验 (10)3.2滚珠丝杠螺母副临界转速的校验 (10)3.3滚珠丝杠螺母副寿命的校验 (11)4 计算机械传动系统的刚度 (11)4.1机械传动系统的刚度计算 (11)4.2滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 (12)5 驱动电动机的选用与计算 (13)5.1计算折算到电动机轴上的负载惯量 (13)5.2计算折算到电动机轴上的负载力矩 (13)5.3计算坐标折算到电动机轴上的各种所需的力矩 (14)5.4.选择驱动电动机的型号 (15)6 机械传动系统的动态分析 (16)6.1计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率 (16)6.2计算扭转振动系统的最低固有频率 (16)7 机械传动系统的误差计算与分析 (17)7.1.计算机械传动系统的反向死区 (17)7.2.计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 (17)7.3.计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 (17)8 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 (18)8.1.确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 (18)8.2确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 (19)9 数控系统 (19)9.1 硬件设计 (19)9.2 步进电机开环伺服原理 (20)9.3 步进电机控制框图 (21)9.4 软件程序设计 (22)结论 (24)参考文献 (25)致谢 (26)绪论进入21世纪，我国机床制造业即面临提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机，也遭受到进入WTO后激烈的市场竞争的压力，从技术层面上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。
优秀设计基于单片机的二维数控实验台的设计与实现摘要本设计结合机电一体化课程教学环节需要，设计用单片机作为控制系统的X-Y工作台。
通过论述X-Y工作台机械结构设计和控制电路接口设计,阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术.基于单片机二维数控系统是以单片机为主体，二维数控实验平台为核心的系统。
主要应用单片机作为控制核心，LED点阵显示芯片与数控系统相结合的系统。
充分发挥了单片机的性能。
其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。
该系统设计是一个开环控制系统,其结构简单.实现方便而且能够保证一定的精度.降低成本,是控制技术的最简单的应用.它充分的利用了单片机软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高.系统设计是利用AT89S51单片机,及27128,6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能.其基本思想是:通过单片机控制使电机运动从而实现工作台的移动。
关键词：X—Y工作台；单片机；机电一体化设计NC-based single-chip two-dimensional test-bed designand implementationAbstractThe combination of mechanical and electrical design aspects of the integration of teaching needs, the design of control systems with single-chip microcomputer as the XY table. XY table through on the design of mechanical structure and control interface circuit design, mechanical-electrical integration on the design of the common and key technologies.Two-dimensional numerical control system based on single-chip based on single-chip microcomputer as the main body, the experimental two-dimensional numerical control system as the core platform. The main application of single-chip microcomputer as control core, LED dot matrix display system chips with a combination of CNC system. Give full play to the single-chip performance. Advantage of simple hardware circuit, software functions, the control system reliable and cost-effective features such as high, with a certain degree of use and reference value.The system design is an open-loop control system, its simple structure, convenient and can realize. Sure. Reduce cost, is the most simple control technology application. It fully utilize the MCU software and hardware function to realize the control of machine tools, Machine processing expanded, accuracy and reliability is further improved.System design is to use 27128,6264，AT89S51 and memory and 8155 chips, hardware composition in the control system of the hardware written procedures to achieve certain processing function. The basic idea is: through the single-chip microcomputer control make motor sports so as to realize the worktable moving.Key words: X-Y table; singlechip; mechatronics design目录第1章绪论………………………………………………………………………… .11.1课题意义 (1)1.2课题研究主要内容 (1)第2章机械系统设计 (2)2.1设计参数的确定 (2)2.2 总体方案设计 (2)2.2.1传动部件的选择 (3)2.2.2控制系统的设计 (3)2.2.3步进电机的选用 (4)2.2.4滚珠丝杠的设计计算 (5)2.2.5滚动导轨的参数确定 (7)2.2.6 滚动轴承选型…………………………………………………… .82.2.7 滚动导轨刚度及预紧 (9)2.2.8步进电机惯性负载的计算 (9)第3章控制系统设计 (11)3.1 硬件配置 (11)3.2 总体接口设计 (17)3.2.1键盘设计 (17)3.2.2 显示器设计............................................................... .19 3.3 步进电机驱动电路和工作原理 (22)3.4总体程序控制 (23)第4章基于单片机的二维数控实验台的实现 (26)4.1 搭建单片机电路 (26)4.2 调试程序 (27)4.3 单片机控制完成，实现功能要求 (28)总结 (29)致谢 (30)参考文献 (31)第1章绪论1.1课题意义二维数控实验平台系统设计是一个开环控制系统,其结构简单.实现方便而且能够保证一定的精度.降低成本,是控制技术的最简单的应用.它充分的利用了单片机软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高.1.2课题研究主要内容二维数控实验平台系统设计是利用AT89S51单片机,及27128,6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能.其基本思想是:通过单片机控制使电机运动从而实现工作台的移动。
⼆维精密⼯作台设计⽬录第⼀节《测控仪器课程设计》要求 (1)第⼆节国内外现状 (2)第三节⽅案设计 (5)第四节测量控制⽅法设计 (13)第五节未来展望与总结 (18)参考⽂献 (20)第⼀节《测控仪器课程设计》要求⼀课程设计⽬的：测控仪器课程设计是⼀次⽐较完整的仪器设计，它是理论联系实际、培养初步设计能⼒的重要教学环节，完成课程设计的⽬的有⼀下⼏点：（1）培养学⽣综合地考虑使⽤、经济、⼯艺、安全性等⽅⾯的设计要求，确定合理的设计⽅案。
（2）测控仪器设计是综合光学，电学，机械学，控制等多门课程的⼀个系统⼯程，培养学⽣从全局出发，体会各个学科融合的⼀次实战演练。
（3）培养学⽣仔细阅读本课程指导书和随时查阅有关教材。
（4）通过分析⽐较吸取现有结构中的优点，并在此基础上发挥⾃⼰的创造性，⽽不是简单抄袭或没有根据在臆造；（5）培养学⽣制图功底，训练学⽣通过计算参数，最后完成设计制图的能⼒，（6）了解国内外的技术前沿，以及现有企业可以提供的各种封装产品技术参数。
⼆课程设计技术要求课题名称：基于CCD边缘检测的⼆维测量系统设计要求：1. ⼆维精密⼯作台系统X轴⾏程范围10mm，分辨率0.1um，精度要求0.5um；Y轴⾏程范围10mm，分辨率0.1um，精度要求0.5um；2. CCD测量系统边缘识别，精度要求1um；三设计说明书要求1．根据设计任务要求，确定设计⽅案。
2. 详细讨论系统各部分的实现⽅法和原理。
3．按照技术指标要求计算相应的机械结构参数，有国家标准的零部件，过计算选取。
4．完成设计说明书⼀份，仪器⼯作原理图⼀张，总装配图⼀张（0号），零件图5张以上。
5．提交设计报告书。
要求打印，并列出参考⽂献。
设计说明书要求5000字。
第⼆节国内外现状⼀⼆维精密⼯作台系统随着微电⼦⼯程、计量科学与技术、精密加⼯、纳⽶科学与技术等领域的发展，使微纳⽶定位机构得到了越来越⼴泛的应⽤，各国不断发展微动定位的⼯作，不仅要求有⾼的定位精度，⽽且要求在⽐较⼤的范围内做测量。
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。
单片机控制的X-Y工作台系统可以设计为开环，半闭环和闭环伺服系统三种。
本设计采用开环伺服系统，通过单片机控制步进电动机的驱动，经传动机构动带动工作台的运动。
系统没有检测装置。
机械结构设计首先根据工作台的最大载荷，选取导轨副，设计工作台，然后进行结构设计，受力分析，转矩计算，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AbstractSCM control of the XY table system can be designed for the open-loop, semi-closed-loop system and closed-loop servo three. I design is open-loop servo systems using the stepper motor driven by the stepper motor control microcontroller-driven, driven by the transmission mechanism dynamic table of the campaign. System is not detecting device. Mechanical structural design of the first table under the maximum load, select the rails of the design table, and then the structural design, mechanical analysis, torque, the assembly table to draw the draft, then select the type stepper motor, thereby Design choices ball screw, the final design XY table, draw their assembly.The system uses a gear to reduce speed transmission driven screw, nut straight through mobile workstation driven campaign. According to pulse equivalent, step moment Kok, screw lead to determine the gear transmission ratio, according to the size of load torque than the strength of the screw drive. SCM control of two-dimensional table of the many methods of control of a mechanical transmission, it issued a directive by SCM stepper motor control and the speed of rotation, thereby control the direction of the two XY table movement, and drawing a line, moving objects , And other functions, commonly used in the trial of teaching.SCM control of two-dimensional table mainly consists of three parts: transmission and support of the table, deceleration devices, motor control parts and components.Keywords table stepper motor control microcontroller-driven pulse equivalent step moment kok目录1绪论 (1)1.1课题研究的背景 (1)1.2工作台的分类 (1)1.3本设计工作台的作用和特点 (3)1.4步进电机的发展现状 (3)1.5单片机的发展现状 (5)2方案原理的设计 (6)2.1总体方案的选择和说明 (6)2.2总体方案实现的系统组成框图 (7)3各零件的设计 (8)3.1步进电机的设计 (8)3.1.1步进电机的组成及工作原理 (8)3.1.2步进电机的选择 (9)3.1.3 步进电机的校核 (9)3.2减速器设计 (10)3.2.1主动齿轮的选择与计算 (10)3.2.2从动齿轮的选择与校核 (13)3.2.3轴的设计 (13)3.3轴承的设计 (16)3.3.1小轴两端轴承的选择和计算 (17)3.3.2大轴两端轴承的选择和计算 (18)3.4联轴器的设计 (19)3.4.1步进电机输出轴与小轴之间联轴器的选择与计算 (19)3.4.2大轴和滚珠丝杠间联轴器的选择和计算 (20)3.5键的设计 (21)3.6丝杠的设计 (22)3.6.1丝杠的特点 (22)3.6.2丝杠的选择 (23)3.6.3丝杠的校核计算 (23)3.7 导轨的设计 (25)3.7.1直线滚动导轨的选型 (26)3.7.2直线滚动导轨的校核计算 (27)3.8支座的特点及材料组成 (29)结论 (32)致谢 (32)参考文献 (34)附录............................................................................................................... 错误！未定义书签。
X-Y数控工作平台设计摘要机电一体化系统以微电子装置取代人对机械的绝大部分的控制功能的特点，以及节省能源和降低材料消耗的特点，实现了机电一体化系统的高附加值化：性能更高、价格更低、可靠性高、智能化、省能化、短小轻薄化。
本设计研究的课题是X-Y数控工作平台。
CNC二维工作平台结构简单，利用微机控制系统对机床进行控制，扩大了机床的加工范围，提高了加工精度以及可靠性。
CNC 二维工作平台的设计主要分为机械系统的设计和控制系统的设计。
机械系统包括工作台的结构尺寸设计，导轨的选择与参数确定，滚珠丝杠副的选择计算，轴承的选用与计算，机架的设计等；控制系统的设计包括步进电机的选用，计算机的选用，控制电路的设计，软件的设计等。
本设计侧重于机械系统的设计以及步进电机的选择。
根据工作平台的参数：行程，X、Y丝杠的转速，理论定位精度，X、Y方向的轴向载荷等，完成整个产品的设计计算。
按照输入的加工程序进行插补运算，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列的脉冲，经功率放大驱动纵轴，横轴运动的步进电机来实现对机床的控制，使工作台实现在水平面内的工件切割。
关键词： X-Y数控工作平台；机械系统；步进电机；计算机X-Y CNC Worktable DesignAbstractThe mechanical and electrical integration system takes the micro electronic device to replace the human to machine the majority control function characteristic,saves the energy and reduces the material consumption.These characteristic make parts processing realizing the mechanical and electrical integration system's high added value including the higher performance, the lower price, the intelligence, the province energy.The design and research of the subject is the X-Y numerical control platform. CNC two dimensional work platform is simple. Using of computer control system to control the machine tool expanding the range of machine tools improve the machining accuracy. The design of CNC two dimensional work platform is mainly divided into mechanical system design and control system design. The mechanical system includes the design of the structure size of the working table, selection of the guide rail, the choice of the ball screw pair, the selection and calculation of the bearing, the design of the frame. And the control systemincluding the selection of the stepping motor and the computer, the design of the control circuit and the software. This design focuses on the design of mechanical system and the selection of stepping motor. According to the parameters of the working platform, the speed of the stroke, the Y, the X screw speed, the accuracy of the theoretical position, the axial load of the X and the Y direction, we can complete the design calculation of the whole product. In accordance with the processing procedure of the input of interpolation,software or hardware implement pulse distribution driving vertical axis and horizontal movement of the stepper motor to realize the control of machine tool. Finally, cutting in the horizontal plane can be achieved on the two-dimensional numerical control platform.Keywords:X-Y CNC Worktable;Mechanical system; Stepping motor; Computer目录X-Y数控工作平台设计 (I)摘要 (I)Abstract (I)1 绪论 (1)1.1 论文研究背景与意义 (1)1.2 设计任务 (1)2 总体方案设计 (1)2.1 总体方案设计 (1)2.2 设计方案的对比分析与确定 (2)2.3 总体设计方案系统组成 (2)3 机械系统的设计 (2)3.1 工作台结构尺寸设计 (2)3.2 导轨的选择与参数确定 (3)3.3 滚珠丝杠副的选择与计算及其步进电机的选用 (3)3.3.1 设计Y方向的丝杠螺母副及其步进电机 (3)3.3.2 设计X方向的丝杠螺母副 (6)3.3.2 设计X方向的丝杠螺母副............................................. 错误!未定义书签。
基于PC的二维数控实验台的设计与实现摘要本论文课题是基于PC机的二维数控实验台的设计与实现，目的是为了了解二维数控实验台的设计方法和特点，以及如何用PC机控制数控实验台的动作，将所学到的理论知识运用到实际设计之中，理论和实践相结合。
本文首先通过对怎样用PC机控制数控实验台的介绍加深人们对PC机控制的了解。
然后对实验台进行分析，最终确定PC机对数控实验台的速度与位移的控制。
在对实验台机械结构进行设计的过程中，主要对滚珠丝杠螺母副和电机进行了计算、选型、校核，确保了机械传动部件的精度和刚度，使之满足系统的要求：通过计算，选择了步进电机驱动。
本设计结合机电一体化课程教学环节需要，设计用微型计算机作为控制系统的X-Y 工作台。
通过论述X-Y工作台机械结构设计和控制电路接口设计,阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术.并用VB软件设计了一个实验系统的控制界面，使操作更简便。
关键词：X—Y工作台；微型计算机；机电一体化设计。
PC-based two-dimensional test-bed CNC Design andImplementationAbstract：In this paper, the subject is based on the PC of the two-dimensional test-bed CNC Design and Implementation, In order to understand the purpose of test-bed two-dimensional numerical control design method and characteristics of, PC control, as well as how to test the action of NC, Learned to use the theoretical knowledge to practical design, combination of theory and practice.In this paper, through the PC to control how the introduction of NC test-bed to deepen people's understanding of PLC control. And then an analysis of the test-bed, CNC PC to finalize the test-bed for the speed and displacement control.In the mechanical structure of the experimental design process, Vice-principal of the ball screw and motor calculated, selection, checking to ensure the accuracy of mechanical transmission components and stiffness, So as to meet the system requirements: through the calculation, select the stepper motor driver.Originally design combining electromechanics' integrated course teaching link to need , design the X-Y workstable which use microcomputer as the control system.. Through expounding the design of the of the X-Y workstable’s mechanical structural and the interface of the control circuit, have explained the generality and the key technology in the electromechanical integrated design. And design one control interface of the experimental systenm with the VB sofeware, which make operating more simple and more convenient.Key words：The X-Y workstable；Microcomputer；electromechanical integrated design目录1前言 (1)1.1设计课题的意义 (1)1.2设计任务的介绍 (1)1.3基于PC机实验台的组成 (1)2总体方案的确定 (3)2.1设计参数 (3)2.2机械传动部件的选择 (3)2.3控制系统的设计 (4)3机械传动部分的设计计算与选型 (6)3.1导轨上移动部件的重量估算 (6)3.2直线滚动导轨副的计算与选型 (6)3.2.1滑块承受工作载荷F的计算及导轨型号的选取 (6)max3.2.2额定寿命的计算 (6)3.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (7)3.3.1最大工作载荷F的计算 (7)m3.3.2最大动载荷F的计算 (7)Q3.3.3初选型号 (7)3.3.4传动效率的计算 (7)3.3.5刚度的校验 (8)3.3.6压杆稳定性校验 (8)3.4步进电动机的计算与选型 (7)3.4.1计算加在步进电机转轴上的总转动惯量J (8)eq3.4.2计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩T (9)eq4 X-Y工作台与PC的接口设计 (13)4.1 接口设计 (13)4.1.1 8255A与步进电机的连接 (13)4.1.2 ADC与微机的连接和传感器的选用 (13)4.1.3 编写接口的初始化程序 (15)4.1.4 8255A初始化程序 (15)4.1.5 8259A初始化程序 (15)4.1.6 从端口A输出8位数据并启动ADC0809 (15)4.1.7 40H类型中断服务程序 (15)4.2步进电机驱动程序 (15)4.2.1步进电机的控制电路原理及控制字 (16)4.2.2步进电机正反转及转速控制程序 (16)5 插补程序设计 (17)5.1 逐点比较法的插补原理 (18)5.1.1 偏差判别 (18)5.1.2 坐标进给 (18)5.1.3 重新计算偏差 (18)5.1.4 终点判别 (18)5.2直线的逐点比较法插补 (18)5.2.1 偏差计算公式 (18)5.2.2 终点判断方法 (19)5.2.3 直线插补程序 (20)5.3 圆弧的逐点比较法插补 (22)5.3.1 偏差计算公式 (22)5.3.2 终点判断方法 (23)5.3.3 圆弧插补程序 (24)6 实验系统的控制程式和界面 ........................... . (32)总结 (40)致谢 (41)参考文献 (42)第一章前言1.1设计课题的意义机电一体化毕业设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它关系到学生知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力。
精密机械与仪器设计课程设计说明书二维数控精密工作台学院：机电与信息工程学院班级：测控技术与仪器08级学号：0811350121姓名：吴桥摘要数控机床是一种高度自动化的机床，随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改型频繁。
机械加工中，多品种、小批量加工约占80%。
这样，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，而且还要具备“柔性”，即灵活通用，能迅速适应加工零件的变更。
数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，具有适应性强、加工精度高、工质量稳定和生产效率高等优点，是一种灵活而高效的自动化机床。
精密数控工作台可广泛应用于激光焊接、层射线扫描、械手检测装置及实用教学领域。
随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术的发展，数控机床在机械制造业中的地位将更加重要，而X-Y作台是这些设备实现高精密加工的核心部件，对于提高产品的加工质量起着尤为重要作用。
关键字：数控工作台步进电机控制滚珠导轨目录一、二维数控精密工作台的原理 (1)二、传动方案的确定 (2)三、机械系统设计的整体方案 (2)(一)工作台总体结构的确定 (2)（1）丝杆螺母副的选用 (2)（2）导轨副的选用 (3)（3）联轴器的选用 (3)（4）电动机的选用 (3)(二)绘制总体方案图 (3)(三)工作台质量计算 (4)(四)滚珠丝杆选择 (4)（1）滚珠丝杆工作长度计算 (5)（2）滚珠丝杠副载荷及转速计算 (5)（3）确定预期额定动载额 (6)（4）传动形式和支承方式的选择 (7)（5）滚珠丝杆副稳定性校核 (9)（6）滚珠丝杆副的刚度计算 (10)(五)直线滚动导轨选择计算 (10)（1）导轨型式选择 (10)（2）导轨额定寿命计算 (11)(六)步进电机的计算与选型 (12)(七)联轴器的选定 (14)(八)轴承选择 (15)四、控制系统设计 (15)(一)控制系统总体方案 (15)(二)控制系统具体方案 (16)(三)光栅传感器 (17)五、结论 (18)六、参考资料 (19)一、二维数控精密工作台的原理如图2.1.1所示为二维数控平台实验原理样机原理图，图2.1.2为二维数控平台实物照片。
精密机械与仪器设计课程设计说明书二维数控精密工作台设计题目：二维数控工作台精密工作台班级：测控08-3班姓名：徐斌指导教师：闫勇刚摘要数控机床是一种高度自动化的机床，随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改型频繁。
机械加工中，多品种、小批量加工约占80%。
这样，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，而且还要具备“柔性”，即灵活通用，能迅速适应加工零件的变更。
数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，具有适应性强、加工精度高、工质量稳定和生产效率高等优点，是一种灵活而高效的自动化机床。
二维数控精密工作台采用滚珠丝杠和直线导轨副传动,具有精度高,效率高,寿命长,磨损小,节能降耗,结构紧凑,通用性较强.工作台材料一般为HT400,也可以根据用户要求,设计加工,铝合金,钢板,大理石均可以加工；数控工作台系列产品可以配置步进电机或伺服电机.数控精密工作台可广泛应用于激光焊接机,激光切割机,插线机,打孔机,涂胶机,机械手,搬运或运输生产线上,检测装置,射线探伤分析,应力分析等数控机床和实验设备上。
随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术的发展，数控机床在机械制造业中的地位将更加重要，二维数控工作台是设备实现高精密加工的核心部件，对于提高产品的加工质量起着尤为重要作用。
关键字：数控工作台步进电机控制滚珠导轨丝杠目录绪论 (4)课程设计的设计要求 (4)本课题设计的背景 (5)本课题设计内容 (5)1.1. 本课题设计的目的和意义 (5)1.2. 总体方案 (6)机械系统设计 (8)2.1工作台外形尺寸及重量估算 (8)滚动导轨的参数确定 (9)滚珠丝杠的设计计算 (12)步进电机的选用 (17)联轴器的选用 (20)步进电机惯性负载的计算 (21)二维数控精密工作台的误差来源与分析 (25)丝杠误差分析与补偿： (25)结论 (26)致谢 (28)参考文献： (29)绪论引言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。
摘要如今，由于工作台操作简单，精度高，能够满足一般生产需求。
正因为如此，所以它广泛应。
本文主要研究的是两维步进单片机控制工作台的控制部分。
主要的任务就是用单片机实现两个步进电机的正反转和速度的控制。
本控制系统可以由键盘输入运行的步数，由LED 管显示，信号经单片机转换，采用软件对信号进行环形分配，利用光电隔离器进行光电隔离，经功率放大器进行信号的放大，用放大的信号来驱动步进电机的运行。
由各个功能键控制系统的运行，按启动键后，步进电机按照输入的步数进行走步；如在运行期间按停止键，则步进电机停止运行。
工作台的两头都有行程开关，如果超出了极限位置，行程开关闭合，步进电机停止转动，并且蜂鸣器报警。
关键词：工作台；步进电机；单片机AbstractNowadays, The workbench is easy to operate, the precision is high, and it can meet the generally production demand . Just because of this,so it is widely used.Main research of this paper is that the part of control of the two-dimension stepping single-chip microcomputer control workbench. The main task is to realize two stepping motor’s rotating positive and negatively and control of pace with single-chip microcomputer. The running steps are input by keyboard in this control system, displayed by the LED tube. The signal is transformed by single-chip microcomputer . The signal Loop allotter is achieved by software. The photoelectricity seclusion is achieved by Electro-optical disconnector. The signal is enlarged by power Amplifier. Then the signal can run the stepping motor. The system’s run is controlled by functional keys. Stepping motor will run to the given steps if the “start”key is pressed. Meanwhile, stepping motor will stop if the “stop”key is pressed. There are limit switches on the two heads of the workbench, if the workbench go beyond the terminal position, the limit switch is off, the stepping motor will be stop at once, and the buzzer scream.Keywords workbench stepping motor single-chip microcomputer1 绪论 (1)1.1课题研究的背景 (1)1.2工作台的发展现状与方向 (1)1.3本课题研究的范围和意义 (3)1.4步进电机的发展现状 (3)1.5单片机的发展现状 (4)2 控制系统的总体设计 (6)2.1系统总体方案 (6)2.2机械系统 (6)2.3 控制系统设计 (6)2.3.1接口设计 (6)2.3.2控制方案的选择 (7)2.3.3伺服系统设计 (7)3 控制系统的设计方案 (8)3.1 硬件系统设计 (8)3.1.1系统的硬件结构 (8)3.1.2步进电机 (8)3.1.3微处理器的选择 (15)3.1.4键盘操作的接口电路设计 (17)3.1.5显示部分操作的接口和电路设计 (21)3.1.6 报警电路的设计 (24)3.1.7 单片机与PC机的通信 (25)3.1.8系统的抗干扰设计 (26)3.2 软件系统设计 (28)3.2.1 软件结构设计 (28)3.2.2系统的程序流程 (29)结论 (40)致谢 (41)参考文献 (42)附录............................................................................................................... 错误！未定义书签。
目录第一节 《测控仪器课程设计》要求 (1)第二节 国内外现状 (2)第三节 方案设计 (5)第四节 测量控制方法设计 (13)第五节 未来展望与总结 (18)参考文献 (20)第一节 《测控仪器课程设计》要求一课程设计目的：测控仪器课程设计是一次比较完整的仪器设计，它是理论联系实际、培养初步设计能力的重要教学环节，完成课程设计的目的有一下几点：（1） 培养学生综合地考虑使用、经济、工艺、安全性等方面的设计要求，确定合理的设计方案。
（2） 测控仪器设计是综合光学，电学，机械学，控制等多门课程的一个系统工程，培养学生从全局出发，体会各个学科融合的一次实战演练。
（3） 培养学生仔细阅读本课程指导书和随时查阅有关教材。
（4） 通过分析比较吸取现有结构中的优点，并在此基础上发挥自己的创造性，而不是简单抄袭或没有根据在臆造；（5） 培养学生制图功底，训练学生通过计算参数，最后完成设计制图的能力，（6） 了解国内外的技术前沿，以及现有企业可以提供的各种封装产品技术参数。
二 课程设计技术要求课题名称：基于CCD边缘检测的二维测量系统设计要求：1. 二维精密工作台系统X轴行程范围10mm，分辨率0.1um，精度要求0.5um；Y轴行程范围10mm，分辨率0.1um，精度要求0.5um；2. CCD测量系统边缘识别，精度要求1um；三 设计说明书要求1．根据设计任务要求，确定设计方案。
2. 详细讨论系统各部分的实现方法和原理。
3．按照技术指标要求计算相应的机械结构参数，有国家标准的零部件，过计算选取。
4．完成设计说明书一份，仪器工作原理图一张，总装配图一张（0号），零件图5张以上。
5．提交设计报告书。
要求打印，并列出参考文献。
设计说明书要求5000字。
第二节 国内外现状一二维精密工作台系统随着微电子工程、计量科学与技术、精密加工、纳米科学与技术等领域的发展，使微纳米定位机构得到了越来越广泛的应用，各国不断发展微动定位的工作，不仅要求有高的定位精度，而且要求在比较大的范围内做测量。
在半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域,需要十分精确地定位和非常精细地运动,因此高性能的超精密定位工作台成为这些领域的技术支持。
国外(美国、日本等)在微位移工作台方面的研究比较多,技术已经比较成熟,已研制出工作范围为50 mm×50 mm、定位精度达±0. 01μm的精密工作台。
国内许多单位(如清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等) 也在从事这方面的工作,已研制出行程在50mm以下的一维精密工作台,定位精度达到±0. 1μm。
但目前国内研制的行程在几十mm的二维精密工作台还比较少。
目前，大部分的微纳米定位系统，基本有一下几种定位方式：1.步进电机和精密丝杆配合，可以达到分辨力达2.5um的定位系统，还可以通过步进电机细分，分辨力更好的系统。
2.纳米定位机构通常是以柔性铰链作为导轨，以压电陶瓷作为驱动器，这种工作平台的定位精度可以达到纳米级，但是由于压电陶瓷的行程较小，往往只能用于精密度很高，但是行程要求不高的场合。
3.直线电机驱动下的二维工作台，直线电机的理论早在20世纪40年代中期就出现了，不过真正用于工程实践也就是最近的三十多年。
在精密控制领域，直线电机是最近十年内异军突起，由于没有中间传动链，直线电机号称是“零传动”机构，配上光栅传感器，定位精度可达到0.1um—0.01um。
二测量系统本次课程设计面向的对象是10mm*10mm的被测件。
该测量属于常见尺寸测量。
常见测量系统的测量步骤一般分为定位、瞄准、读数、数据处理。
得出测量结果。
根据测量系统瞄准的方式分类，目前大致分为接触式测量和非接触式测量。
1.接触式测量：1)光栅尺光栅测量位移主要利用光栅莫尔条纹原理来实现．计量光栅传感器的输入量是机械位移，输出量一般是与莫尔信号周期对应的脉冲信号．计量光栅传感器也可以直接输出模拟的莫尔信号．光栅传感器输出的两路正交莫尔信号包含了位移的全部信息，所以通过对两路正交莫尔信号的直接测量．可以获得所需要的位移值．光栅传感器的精度一般可以做到0.1um—10um，是常见的接触式测量方式。
2)编码器编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。
前者成为码盘，后者称码尺．按照工作原理，编码器可以分为增量式和绝对式两类。
增量式编码器是将位移信号转换成周期性信号，再对电信号进行计数脉冲，用脉冲的个数表示位移大小。
绝对是编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只能与测量的起始位置和终止位置有关，而与测量的过程无关。
编码器的测长精确度可达3um/1000mm。
3)电感式传感器，电容式传感器等等2.非接触式测量：1)CCD成像测量技术CCD作为一种新型的光电检测器件，在精密测量及自动检测领域得到了广泛的应用，CCD与传统的测量器件相比，有着许多优点，它体积小，可靠性好，响应速度快，动态范围大，可以作为非接触式测量器件。
CCD根据光敏元件的排列结构不同，可以分为线阵和面阵。
现有的CCD测量系统，大部分是通过光学方法，直接对被测件成像，然后经过边缘检测等手段，对所得到的外形轮廓进行处理，这种方法可以在不接触工件的前提下，得到工件的外形尺寸，归属于无损测量范畴。
有着广泛的应用前景。
2)涡流传感器电涡流传感器是在涡流效应的基础上建立起来的一种非接触式测量传感器，通常的应用方法有高频反射法和低频透视法两种，这两种测量传感器，针对不同的被测件，一种是测量位移，一种测量工件厚度。
由于涡流传感器，必须要产生涡流才能够进行测量，所有对被测件的材质要求比较严格，均为可以导电的金属材料，这样就限制了许多的应用场合。
涡流传感器的精度比较高，在小量程范围内的高精度测量，由于材质对测量对测量有影响，所以也有仪器，将工件的外表形貌通过侧头传递到测头尾部的金属片上，这样也可以完成测量，不过这种方法，就属于接触式测量范畴，测头必须对工件进行扫描测量。
3)激光干涉传感器激光干涉传感器是以激光为光源，测量精度高，分辨力高，可测出10ψ 纳米以下的长度变化，量程大，可长达十几米，便于实现自动化。
激光干涉传感器可用作普通干涉系统（迈克尔逊干涉系统）来测长，也可以用作全息干涉系统，用来检测复杂表面等。
4)三角法测量转置该测量方法，所运用的也是激光光源，是通过透镜将激光聚焦成很小的斑点，使传感器不仅仅具有很高的纵向灵敏度，也具有很高的横向分辨力。
三角法测头是一种利用几何三角关系实现的位移测量的传感器。
如图1 半导体激光器发出的激光束被聚焦成一个小斑点，光斑经过反射，打到光电探测器上，只要得到结束器上的位移偏移量，就可以通过三角关系，算出位移x的数据大小。
如果选用线阵电荷耦合器件（CCD）或者位置敏感器件（PSD）作为光电器件，可以直接测得偏移量δ图一的值5)激光扫描传感器这种测量方法是利用扫描光束周期性的照明被测物体，在物体边缘上形成强对比度随时间周期性变化的光分布。
该测量系统，结构复杂，精度较高。
第三节 方案设计接到该课题名称时，我们是从二维精密工作台开始考虑，先设计二维精密工作台，然后再在工作台上设计相应的传感器，以达到相应的测量效果，下面我分别从二维工作台的导轨系统、驱动系统、控制系统、测量系统、结构设计等方面来说明方案设计。
一、 导轨系统1.导轨系统总体介绍直线运动导轨的作用是用来支承和引导运动部件按给定方向做往复直线运动。
目前导轨导轨系统主要有滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨（气体静压导轨和液体静压导轨）等。
1)滑动摩擦导轨滑动摩擦导轨的运动件与承导件直接接触。
其优点是结构简单、接触刚度大；缺点是摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。
滑动摩擦导轨，是通过滑块和导轨之间的滑动摩擦来支撑工作台，可以做到载荷很大。
但是由于滑动摩擦，其导向精度在所有导轨中，是最差的，由于我们的所选用的导轨必须是导向精度要求非常高的，所以对于直线滑动摩擦导轨，不予讨论。
2)滚动摩擦导轨滚动摩擦导轨是在运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等），使导轨运动时处于滚动摩擦状态。
滚动摩擦导轨按滚动体的形状可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚动轴承导轨等。
与滑动摩擦导轨比较，滚动导轨的特点是：①摩擦系数小，并且静、动摩擦系数之差很小，故运动灵便，不易出现爬行现象；②定位精度高，一般滚动导轨的重复定位误差约为0.1～0.2μm，而滑动导轨的定位误差一般为10～20μm。
因此，当要求运动件产生精确微量的移动时，通常采用滚动导轨；③磨损较小，寿命长，润滑简便；④结构较为复杂，加工比较困难，成本较高；⑤对脏物及导轨面的误差比较敏感。
3)弹性摩擦导轨这种导轨的主要代表就是平行片簧和弹性铰链。
如图2所示弹性导轨的优点是：①摩擦力极小；②没有磨损，不需要润滑；图2 平行片簧原理图③运动灵便性高；④当运动件的位移足够小时，精度很高，可以达到极高的分辨率。
但是弹性导轨的一个非常大的缺点是运动行程很小，这个限制了它的使用范围。
还有就是载荷比较小，不能够承载质量大的工作台或者工件。
4)流体摩擦导轨静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油或压缩空气，使运动件浮起，以保证两导轨面间处于液体或气体摩擦状态下工作。
液体静压导轨的优点是：①摩擦系数很小（起动摩擦系数可小至0.0005），可使驱动功率大大降低，运动轻便灵活，低速时无爬行现象；②导轨工作表面不直接接触，基本上没有磨损，能长期保持原始精度，寿命长；③承载能力大，刚度好；④摩擦发热小，导轨温升小；⑤油液具有吸振作用，抗振性好。
静压导轨的缺点是：结构较复杂，需要一套供油设备，油膜厚度不易掌握，调整较困难，这些都影响静压导轨的广泛使用。
气体静压导轨是由外界供压设备供给一定压力的气体将运动件与承导件分开，运动件运动时只存在很小的气体层之间的摩擦，摩擦系数极小，适用于精密、轻载、高速的场合，在精密机械中的应用愈来愈广。
同时，气浮导轨有平均效应，可以使得导向精度变得更好。
2.选定方案：经过分析该课题的精度要求，我们最终选用气浮导轨作为二维精密工作台的导轨系统，在网上对比多家公司生产的气浮导轨后，我们选用北京航星联合科技有限公司生产的矩形气浮导轨，该气浮导轨采用了不堵塞设计，出厂前调整到最佳状态，不出现气振、适应国内气源、运动可靠、可维修。
在节流孔不易堵塞的情况下，承载能力和导轨刚度非常好。
重复定位指标选用A级（C级1~2μ；B级0.5~0.8μ；A级0.2~0.5μ）。
二、 驱动系统1.驱动系统总体介绍1)步进电机与精密丝杆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步进电机件。
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和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
