X-Y数控工作台机电系统设计
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广东岭南职业技术学院毕业论文
I
09级毕业设计
说明书
设计课题名称： X-Y数控工作台机电系统设计
专 业 班 级： 机电一体化
设 计 人：
学 号：
指 导 教 师：
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II
目录
前言……………………………………………………………..（1）
第一章 绪论………………………………………… .（2）
1-1 设计任务和设计内容………………………………… （3）
1-2 设计的目的和意义…………………………………… （4）
1-3 设计项目发展情况…………………………………… （5）
1-4 设计原理……………………………………………… （6）
第二章 机械设计部分……………………………… （7）
2-1 工作台外形结构………………………………………...（8）
2-2 滚动导轨副的选择…………………………………….（9）
2-3 滚珠丝杠副的选择……………………………………（10）
2-4 滚动轴承的选用………………………………………（11）
2-5 传动原理........................................................................（12）
2-6 单片机控制系统设计……………………………..........（13）
3-1硬件部分设计........................................................................（14）
3-2 软件部分设计.......................................................................（15）
第三章 步进电机驱动电路设计…………………… （16）
第四章 设计小结…………………………………… （17） 广东岭南职业技术学院毕业论文
III 第五章 参考文献…………………………………… （18）
第六章 总结体会和致谢……………………………… （19）
摘 要
X-Y数控工作台机电系统设计 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,是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的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。X-Y数控工作台机电系统设计是利用AT89C51单片机,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。X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。本题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用。
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IV 关键词： X-Y数控工作台；机电系统；AT89C51单片机
5 前言
机电一体化系统是综合多个学科的系统,包括机械技术,传感器技术,测试 技术,电子技术和控制技术,信息与计算机技术。它极大推动了机械工业,兵器行 业及其他行业的发展。其技术结构,产品结构,技术功能与构成,生产方式和管理 体系均发生了巨大的变化。 使工业生产由机械电气化迈进到机电一体化为特征的 数字化,自动化,高精度,微型化,多功能化,智能化的时代。 结合精密机械控制是现代机械的一个重要方向，它能使机械加工的精度又 提高一个层次，主要技术是用微机、单片机等现代高科技仪器来控制步进电机， 再通过步进电机来实现精密的工作台控制。这个由微机或单片机、或者运动控制 卡、步进电机、机械工作机构组成的十字滑台运动控制系统就是一个很简单的机 电一体化的系统。 让我们由这样简单的机电一体化系统重新复习学过的知识, 接 触机电一体化系统, 了解 X-Y 运动平台的工作原理及机械结构组成， 画出运动控 制平台的结构简图；
本次课程设计指导书包括课程设计任务、设计目的和意义、设计项目的发展情况等方面。以学生为主体，老师为的辅助，通过同学们相互合作、研究，运用所学的知识和查阅的资料完成课程设计。
1-3 设计项目发展情况
设计项目发展情况：1.通过这次双坐标十字滑台的设计其核心在于单片机的运用；
2.单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
3.单片机系统的使用，不仅大大缩小了空间位置、操作简捷，也给我们带来了更加精密的加工精度等。
1-4 设计原理
设计原理——以8051单片机系列芯片为扩展核心的控制系统，它是整个系统的控制核心，负责接收各种操作命令，以驱动步进电机来完成加速、减速、停止、、正转、反转等功能。
6 第二章 机械设计部分
2-1 工作台外形结构
工作台外形结构——如图1-1所示工作台主要由滚珠丝杠副、滚动导轨副、螺母支座、轴承支座、电机支座、滑块、联轴器等构成。
图1-1
2-2 滚动导轨副的选择
滚动导轨副的选择——如图1-2所示由导轨、滑块、钢珠、反向器、保持架、密封盖及挡板组成的。当导轨与钢珠做相对运动时，钢珠就沿着导轨上的滚道滚动，同时导轨副需要承受的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，所以在选择导轨副的时候，应该考虑具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧凑，安装方便等优点。
图1-2
2-3 滚珠丝杆副的选择
7 滚珠丝杠副的选择——如图1-3所示由丝杠、螺母、滚珠、返向器、防尘器等部件组成。其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。所以滚动丝杆副因选用传动精度高、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。
图1-3
我们实验课室见到的滚珠丝杠副的型号为：SFU1605-3
滚珠丝杠副规格表：
8
2-4 滚动轴承的选用
滚动轴承的选用——滚动轴承类型多种多样，如球轴承适于承受轻载荷，滚子轴承适于承受重载荷及冲击载荷。当滚动轴承受纯轴向载荷时，一般选用推力轴承；当滚动轴承受纯径向载荷时，一般选用深沟球轴承或短圆柱滚子轴承；当滚动轴滚子轴承；当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承承受纯径向载荷，所以滚动轴承的选用应该考虑载荷的大小、方向和性质这个方面。
其滚动轴承型号：6201-RZZ
2-5 传动原理
传动原理——在十字滑台的X轴方向，步进电机与联轴器联接，联轴器再与滚珠丝杠联接。这样，当步进电机以较高转速运转时，经过联轴器降低为滚珠丝杠要求的转速，再将滚珠丝杠的转速转换为X轴工作台的进给运动，从而实现工作台的的低速平稳运动。类似地，十字滑台的Y轴方向的传动与X轴的传动是一样的原理。
基本步骤：步进电机
联轴器
滚珠丝杠副 滑块 工作台
第三章 单片机控制系统设计
3.1控制要求
在双坐标十字滑台设计中运用硬件系统和软件系统两大部分组成的控制系统来实现步进电动机的加速、减速、正转、反转的功能。
F推力
丝杠与螺母力的变换关系 M
9 3、1控制系统硬件设计
X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。
硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。
3.1.1 CPU的选择
随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。
在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。
从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。
因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。
AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。
