32单片机控制滚珠丝杠步进电机课程设计

目录一、设计目的二、设计要求三、设计的内容和步骤（一）总体设计方案（二）机械部分改装设计①设计机构的性能要求②待改装钻床型号的确定③控制方式的确定④伺服系统的确定⑤工作台参数的初步选定⑥导轨的选型思路⑦滚珠丝杠选型思路⑧丝杠和电机连接零件的选取思路⑨支承座材料的选取⑩轴承类型的选取思路（三）计算部分①确定工作台的尺寸及其重量②支承座参数设计③滚珠丝杠参数设计④滚动导轨参数设计⑤电机参数设计⑥联轴器的选着（四）设计总结（五）参考文献一、设计的目的通过本次设计，使我们全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本内容和基本知识，初步掌握数控机床的设计方法，并学会运用手册标准等技术资料。

同时培养我们学生的创新意识、工程意识和动手能力。

二、设计要求1、改造后的钻床能够加工最大面积为180×1802mm，最大工件重量为200kg。

2、数控XY工作台要求孔的定位精度在±0.02mm内，工作台快进速度为3.6m/min，加速时间为：0.1秒。

三、设计的内容和步骤题目：钻床数控改装——数控XY工作台的设计设计一套简易数控XY工作台，固定在某一钻床的工作台上。

XY工作台的位置控制采用步进电机数控系统，通过上述方案将该普通钻床改装成简易的经济型数控钻床。

（一）、总体设计方案1、机电一体化机械系统应具备良好的伺服性能（即高精度、快速响应性和稳定性好）从而要求本次设计传动机构满足以下几方面：（1）转动惯量小在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。

否则，转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；系统响应速度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。

所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量。

（2）刚度大刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。

大刚度对机械系统而言是有利的：①伺服系统动力损失随之减小。

②机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振。

③增加闭环伺服系统的稳定性。

指导教师评定成绩：审定成绩：综合课程设计报告设计题目：纵向进给机构方案设计目录一、设计题目 (2)二、设计任务书 (2)三、总体方案设计 (2)四、机械系统设计 (3)1、计算切削力 (3)2、滚珠丝杠螺母副的选择计算 (3)（1）、最大工作载荷的计算 (3)（2）、最大动载荷F的计算 (5)Q（3）、滚珠丝杆螺母副的选型 (6)（4）、传动效率的计算 (6)（5）、刚度验算 (7)（6）、压杆稳定的校核 (7)（7）纵向滚珠丝杆副几何参数 (8)3、齿轮传动比计算 (9)4、步进电机的计算和选型 (10)（1）、初选步进电机 (10)（2）、校核步进电机转矩 (11)五、心得体会 (15)六、参考文献 (15)一、设计题目综合课程设计之横向传动方案设计二、设计任务书1．掌握机电产品设计的基本方法。

2．掌握根据零件的受力和功能进行结构设计的方法。

3．掌握零件尺寸公差和形位公差的设计方法。

4．选择传动机构实现进给机构的运动。

三、总体方案设计本次设计的总体方案选用前次设计的方案，具体如下：数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。

闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。

但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。

半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。

但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。

开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。

经过以上比较，由于所改造的微型车床的目标加工精度没有特殊要求，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。

在该系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的，输入装置把信号输给数控装置，经数控装置运算后分配出指令脉冲，通过步进电机驱动工作台移动。

机电一体化系统设计课程实验指导书(可编程控制器原理及工程应用)实验一步进电机控制实验一、实验目的1、掌握步进电机工作原理；2、熟悉对步进电机转向、速度、行程进行控制的方法。

二、实验要求1、通过实验，加深并验证学过的理论知识，掌握实验的基本方法和实验原理；2、正确使用仪器设备；3、认真观察仪器设备的运动方式，独立编写控制程序并进行操作。

4、学生在实验过程中，应学会独立思考，应用所学专业理论知识分析和解决实验中遇到的具体问题；三、实验原理1、步进电机工作原理步进电机按工作原理可分为电磁式、磁阻式、永磁式、混合式四类。

其中混合式步进电机从定子或转子的导磁体来看，它如反应式步进电机，所不同的是它的转子上置有磁钢，反应式转子则无磁钢。

从它的磁路内含有永久磁钢这一点来说，又可以说它是永磁式，但因其结构不同，使其作用原理及性能方面，都与永磁式步进电机有明显区别。

它好像是反应式和永磁式的结合，所以常称为混合式。

混合式步进电机具有驱动电流小，效率高，过载能力强、控制精度高等特点，是目前市面上应用最为广泛的一种步进电机。

左图是两相混合式步进电机的剖面示意图。

定子上有两个等分的磁极，相邻两个磁极间的夹角为90°。

磁极上面装有控制绕组且联成A、B两相，转子上均匀分布两个齿，齿间距为180°。

以A、B表示两相绕组正向电流工作，、表示反向电流工作，可实现：1、两相激励四拍整步运行方式，即AB→B→→A 或单相激励的四拍运行方式，即A→B→ → 。

2、八拍半步运行方式，即AB→B→ B→ →→→A→A。

两相混合式步进电机剖面示意图此外还有1/4步距的运行方式、微步距控制运行方式，这里不一一叙述。

本节以八拍半步运行方式为例，讲述其工作原理，从下图可看出，（a）图为当A、B两相同时正向通电时，转子受到两相转矩的矢量和而转至该位置，(b)图为B相通电瞬间时转子的受力情况，(c)图为A相接反向电流，而B相接正向电流时转子受到两相转矩的矢量和而转到该位置，依此类推，可得出八拍半步运行方式（图中只给出了前三拍运行方式）。

课程设计说明书课程名称：设计题专班姓名学号：指导教设计时间：2016年12月29日—2017年 1 月 6 日目录一、课程设计的题目及要求 (1)1、题目 (1)2、要求 (1)二、总体方案的确定 (2)三、XY二维工作台机械系统设计 (3)1、工作台的初步设计 (3)2、滚动导轨的参数确定 (3)3、滚珠丝杆计算、选择 (4)4、步进电机的选择 (7)5、齿轮计算、设计 (7)6、步进电机等效负载计算 (8)7、机械传动结构装配 (11)四、XY二维工作台控制系统硬件电路设计 (12)1、硬件电路总体方案设计 (12)2、主控制器的选择 (13)3、键盘、显示接口电路设计 (14)4、步进电机驱动电路设计 (15)5、其它辅助电路设计 (15)五、系统控制软件的设计 (16)1、开发环境和设计语言简介 (16)2、系统控制软件的主要内容 (18)3、键盘、显示子程序的设计 (19)4、步进电机控制子程序的设计 (20)六、课程设计的心得和体会 (22)参考文献 (23)一、课程设计的题目及要求1、题目：步进电机驱动的XY二维工作台设计已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击，各题目的有效行程、快速进给速度和工作载荷见下表：表1工作台运动要求表2、要求1.程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许互相抄袭。

2.认真阅读《课程设计指导书》，明确题目及具体要求；3.认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；4.大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；5.机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；6.微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；7.绘制机械系统零件图一张（A3）、装配图一张（A3），控制系统硬件电路原理图一张（A3），编写软件代码一份，图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰；8.课程设计说明书一份（不少于5000字），包括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。

基于单片机系统的步进电机驱动摘要本文介绍了基于80C52单片机的步进电机控制系统的设计。

分别概括的介绍了单片机和步进电机以及步进电机的各种驱动方案；对一款四相步进电机以及80C52单片机的功能参数和一种驱动方式的特点，以及选择其原因进行了必要的说明；对基于80C52单片机的步进电机控制系统的原理进行了介绍；根据80C52单片机和步进电机的原理以及特点和参数选择了其他元器件，结合驱动芯片ULN2003A，建立了相应的电路图；进行了必要的电路分析说明，并将这个电路图制作成型，使其工作，实现加速减速等功能。

关键词：步进电机；AT89C52单片机；ULN2003A驱动。

目录第1章前言----------------------------------------------------------------------------1 1.1 课题的背景------------------------------------------------------------------------------------------1 1.2 发展概况---------------------------------------------------------------------------------------------1 1.3 课题主要内容---------------------------------------------------------------------------------------1 第2章步进电机的基本原理、分类和选择----------------------------------------1 2.1 步进电机的基本参数------------------------------------------------------------------------------2 2.2 步进电机的特点------------------------------------------------------------------------------------2 2.3 步进电机分类---------------------------------------------------------------------------------------2 2.4 四相混合式步进电机的工作原理及工作方式------------------------------------------------2 2.5 步进电机具体型号的选择------------------------------------------------------------------------3 第3章步进电机驱动系统及驱动接口选择----------------------------------------3 3.1 单电压功率驱动接口------------------------------------------------------------------------------4 3.2 双电压功率驱动接口------------------------------------------------------------------------------4 3.3 高低压功率驱动接口------------------------------------------------------------------------------4 3.4 斩波恒流功率驱动接口---------------------------------------------------------------------------5 3.5 集成功率驱动接口及驱动芯片的选择---------------------------------------------------------6 第4章驱动系统硬件组成及具体驱动方案分析---------------------------------------6 4.1 关于80C52单片机的介绍----------------------------------------------------------------------6 4.2 驱动系统总体结构--------------------------------------------------------------------------------8 4.3 驱动系统的驱动原理------------------------------------------------------------------------------94.3.1 步进电机的控制信号-----------------------------------------------------------------------94.3.2 控制信号功率的放大-----------------------------------------------------------------------94.3.3 单片机控制信号的输出--------------------------------------------------------------------10 第 5 章驱动系统硬件电路及总电路-----------------------------------------------105.1 单片机最小系统------------------------------------------------------------------------------------10 5.2 人机交互模块---------------------------------------------------------------------------------------11 5.3 按键开关部分---------------------------------------------------------------------------------------12 5.4 驱动芯片部分---------------------------------------------------------------------------------------12 5.5 总电路图---------------------------------------------------------------------------------------------13 第6章驱动系统程序流程图----------------------------------------------------------13第7章结论-------------------------------------------------------------------------------14附录----------------------------------------------------------------------------------------------------------14 参考文献----------------------------------------------------------------------------------------------------19第1章前言1.1课题的背景步进电机是现代数字控制技术中最早出现的执行部件，其特点是可以将数字脉冲控制信号直接转换为一定数值的机械角位移，并且能够自动产生定位转矩使转轴锁定。

目录目录 (1)1.1机床总体尺寸参数的选定 (3)1.2机床主要部件及其运动方式的选定 (3)1.2.1 主运动的实现 (3)1.2.2 进给运动的实现 (3)1.2.3 数字控制的实现 (3)1.2.4 机床其它零部件的选择 (3)1.3机床总体布局的确定 (3)第2章主传动的设计 (5)2.1定转速图 (5)2.1.1 确定结构式和结构网式 (5)2.1.2 拟定转速图 (6)2.1.3 确定各齿轮的齿数 (8)2.1.4 传动系统图的拟定 (9)2.2主传动主要零件的强度计算 (10)2.2.1电动机的选择 (10)2.2.2齿轮传动的设计计算 (11)2.3轴的设计计算 (14)2.3.1 各传动轴轴径的估算 (14)2.3.2 各轴段长度值的确定 (16)2.3.3 轴的刚度与强度校核 (16)第3章进给系统的设计计算 (30)3.1垂直进给系统的设计计算 (30)3.1.1 脉冲当量和传动比的确定 (30)3.1.2滚珠丝杠设计计算 (31)3.1.3 步进电机的选择 (35)3.1.4 滚珠丝杆副的预紧方式 (36)3.2横向进给系统的设计计算 (37)3.2.1 脉冲当量和传动比的确定 (37)3.2.2 滚珠丝杠设计计算 (39)第4章控制系统的设计 (42)4.1控制系统总体方案的拟定 (42)4.2总控制系统硬件电路设计 (42)4.2.1 单片机的设计 (42)4.2.2 系统的扩展 (45)4.2.3 键盘、显示器接口设计 (50)4.2.5 光电隔离电路设计 (55)4.2.6 其它接口电路设计 (56)4.3部分控制程序 (56)4.3.1 直线圆弧插补程序设计 (56)4.3.2 直线插补程序 (56)4.3.3 圆弧插补程序设计 (57)4.4控制系统的软件设计 (61)4.4.1步进电机控制程序设计 (61)4.4.2 LED动态显示接口程序设计 (63)结论 (66)致谢 (67)参考文献 (68)第1章机床总体布局设计1.1 机床总体尺寸参数的选定根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：工作台宽度³长度 400³1600mm主轴锥孔 7∶24工作台最大纵向行程 300mm工作台最大横向行程 375mm主轴箱最大垂直行程 400mm主轴转速级数 12级主轴转速范围 30~1500r/minX、Y轴步进电机 130BF001（反应式步进电动机）Z轴步进电动机 130BF001（反应式步进电动机）主电动机的功率 4.0KW主轴电动机转速 1440r/min机床外形尺寸（长³宽³高） 150³1200³2300mm机床净重 500Kg1.2 机床主要部件及其运动方式的选定1.2.1 主运动的实现因所设计的机床要求能进行立式的钻和铣，垂直方向的行程比较大,因而采用工作台不动,而主轴箱各轴向摆放为立式的结构布局；为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳，工作更可靠，主轴箱主要采用液压系统控制滑移齿轮和离合器变换齿轮的有级变速。

计算公式T=9550*P*η/n最高计算公式TL=为克服其重力产生的轴向阻力所须的力矩TL=轴向（重力）阻力值*（一圆周上的升角）距离值（即力*力臂）/机械效率及统一单位系数值=（m*g）*（Ph/2π）/(1000*η）举例为：m=157KG 举例为：Ph=5mm 举例为：V匀=5米/分世界通用值0.00065公斤.米²公斤.米²Kg.m²J值可由solidworks三维图直接查得。

该值举例为杠总长1.8米，直径25mm;由solidworks三维图直接查J1=5.4/10000公斤.米²；同时本例中：联轴器及电机本身的转动惯量值忽略不计。

初选滚珠丝杠轴规格d 32.00毫米mm滚珠丝杠回转轴的转动惯量J1初选滚珠丝杠轴长度L 800.00毫米mm水平移动的80KG重的工作台，通过丝杠转换为等效旋转，转动惯量的J2值J20.00040J2值可下图直接查得其计算公式为：通过丝杠转换²/(4*π²*i²)------本例传动比i=1水平及垂直安装的滚珠丝杠副计算项目2-1、垂直安装进给丝杠时进给电机功率值的确定：方法为：依据现场实际需求扭矩值来求步进电机的扭矩值：基本公式为：常取0.7-0.95电主轴最大扭矩时允许的主轴最高转速：Ph 10.00毫米mm 0.109米²/秒g Kg.m²1、电主轴计算：说明单位牛.米电主轴功率： P 千瓦KWN.M 参照洛轴厂样本5.5KW铣削电主轴值得。

单位符号66N.M值，参照洛轴厂样本5.5KW铣削电主轴的输出得。

电主轴扭矩： T 66数值符号机械效率：η0.955.5匀速运动速度该值举例为：m=157KG重的Z轴上升重量；采用导程丝杠或其他螺旋螺纹5mm螺距，带动其按5米/分的速匀速移动：则通用计算公式为：为克服其重力产生的阻力所须的力矩TL=轴向（重力）阻力值*（一圆周上角）距离值（即力*力臂）/机械效率及统一单位系数（m*g）*（Ph/2π）/(1000*η）工作台重量N.m2.722牛顿.米N.m米/分公斤Kg n最高按其上公式计算得756转/分r/min157.00导程10mm滚珠丝杠或其他螺旋螺纹10mm螺距T=3*[TL（力学相关的阻力力矩）+Ts（牛顿惯性运动学相关的从静止到动态的惯性阻力力矩）]------具体见下：(其中:蓝色底为根据实际取值的可变黄色底为公式套算所得的不变的数据)项目符号数值单位单位符号说明力学相关的阻力力矩TL TL m 通常取值0.7～0.95；滚珠丝杠值取0.9V匀 5.00机械传动效率值η牛顿.米Ts值是指：负荷及电机从静止启动，加速至工作台动速度为：V匀=5米/分。

如何利用步进电机实现高精度的位置控制在现代工业自动化和精密控制系统中，实现高精度的位置控制是至关重要的。

步进电机以其独特的工作原理和性能特点，成为了实现这一目标的常用选择。

那么，究竟如何利用步进电机来达到高精度的位置控制呢？首先，我们需要对步进电机有一个基本的了解。

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制电机。

它的工作原理基于电磁铁的原理，通过依次给电机的不同相绕组通电，使得电机转子按照固定的步距角转动。

要实现高精度的位置控制，选择合适的步进电机是第一步。

在选择时，需要考虑电机的步距角、保持转矩、矩频特性等参数。

较小的步距角通常意味着更高的位置控制精度，但同时也可能会增加成本和控制的复杂性。

接下来是驱动电路的设计。

一个良好的驱动电路能够为步进电机提供稳定、精确的电流和电压，从而保证电机的正常运行和高精度控制。

常见的驱动方式有恒压驱动、恒流驱动等。

恒流驱动能够更好地控制电机的转矩和速度，因此在高精度控制中更为常用。

控制信号的生成是实现高精度位置控制的关键环节之一。

控制信号通常由控制器（如单片机、PLC 等）产生。

控制器根据设定的位置目标和反馈的实际位置信息，计算出需要发送的脉冲数量和频率，从而驱动步进电机转动到指定位置。

在实际应用中，为了提高位置控制的精度，常常采用细分驱动技术。

细分驱动技术是通过在相邻的两个整步之间插入若干个中间状态，使得电机的步距角变小，从而提高位置控制的分辨率和精度。

例如，原本步距角为 18 度的电机，经过 16 细分后，步距角可以减小到 01125 度，大大提高了位置控制的精度。

此外，还需要考虑机械传动系统对位置控制精度的影响。

机械传动系统中的间隙、摩擦、弹性变形等因素都会导致位置误差。

因此，在设计机械传动系统时，应尽量选择精度高、间隙小、摩擦小的传动部件，如滚珠丝杠、直线导轨等。

为了实现更精确的位置控制，还需要采用闭环控制策略。

通过安装位置传感器（如编码器、光栅尺等），实时反馈电机的实际位置信息，与设定位置进行比较，然后根据误差调整控制信号，从而实现更精确的位置控制。

机电一体化系统课程设计X-Y数控工作台设计说明书学校名称：班级学号：学生姓名：班级：2016年4月一、总体方案设计1.1 设计任务设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。

该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。

设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。

1.2 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。

定位方式采用增量坐标控制。

为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。

（2）计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。

它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。

控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。

系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。

LED显示数控工作台的状态。

（3）X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。

采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。

图1-1 系统总体框图二、机械系统设计2.1、工作台外形尺寸及重量估算X 向拖板（上拖板）尺寸：长⨯宽⨯高 145×160×50 重量：按重量=体积×材料比重估算3214516050107.81090--⨯⨯⨯⨯⨯≈NY 向拖板（下拖板）尺寸： 14516050⨯⨯ 重量：约90N 。

目录——机械工程及自动化专业课程设计说明书错误！未定义书签。

1、设计任务 (2)1.1设计任务介绍及意义 (2)1.2设计任务明细 (2)2、总体方案设计 (3)2.1设计的基本依据 (3)2.2可行性方案的比较 (5)2.3总体方案的确定 (6)3、机械传动系统设计 (7)3.1机械传动装置的组成及原理 (7)3.2主要部件的结构设计计算 (7)4、电器控制系统设计 (23)4.1控制系统基本组成 (24)4.2电器元件的选型计算 (26)4.3电气控制电路的设计 (29)4.4控制程序的设计及说明 (33)5、结论 (48)参考书目 (49)1、设计任务1.1设计任务介绍及意义（1）课程设计题目：机电传动单向数控平台设计（2）主要设计内容：机械传动结构设计和电气控制系统片微机控制、PLC⑤主要设计参数单向工作行程——1800、1500、1200 mm移动负载质量——100、50 kg负载移动阻力——100、50 N移动速度控制——3、6 m/min（3）课程设计意义：通过课程设计，培养综合运用所学知识和能力，提高分析和解决实际问题的能力。

专业课程设计是建立在专业基础课程和专业方向课的基础之上，根据所学课程进行工程基本训练。

1.2设计任务明细（1）方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析评价，进行方案选优；（2）总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（A2 图纸一张）；（3）电气控制线路图：根据控制功能的要求，完成电气控制设计，给出电气控制电路原理图（A3 图纸一张）；（4）成果展示：课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，应保证独立完成课程设计说明书一份，字数为3000 字以上，设计图纸不少于两张；（5）绘图及说明书：用计算机绘图，打印说明书；（6）设计分组：设计选题分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成。