基于单片机控制步进电机的简易数控平台

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3.1.2 Y 向导轨选用
导轨数目为 2， 一边为三角形导轨， Y 向导轨为根据机床设计手册自行设计， 另一边为矩形导轨。 三角形导轨的特点是导向精度高， 无间隙， 可自动补偿磨损； 矩形导轨的特点为制造简单，承载能力大，不易变形，需调整间隙，不能补偿磨
损，导向精度低。将两者相结合，既能够保证精度，又能降低制造成本。 导轨的具体设计参数见零件图。
滚珠丝杠中的钢球在丝杠轴与螺母间滚动,因此能获得高效率。与过去的滑动丝 。从而,不仅可以将 杠相比,所需驱动扭矩仅为前者的三分之一（参照图 3 和图 4） 旋转运动变为直线运动,也易将直线运动变为旋转运动。
图 3. 正效率（旋转→直线）
图 4. 反效率（直线→旋转）
2）保证高精度
滚珠丝杠在温度控制极为严格的工厂里,用最高水平的机器设备进行研磨,直到组 装、检查,都实行彻底的质量管理,以保证其精度。
一、设计任务书
一维水平数控滑台
1、设计内容：随着近年来机械工业的发展，在原有的机械滑台基础上，演变
出数控机械滑台，即在原来机械滑台的基础上。把普通丝杠更换成滚珠丝杠，在 铸铁的导轨面上镶嵌直线导轨。把变速箱电机更换成伺服电机，使滑台可以快速 进退。利用滚珠丝杠和线轨，它具有的特点有精度高、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。
同一种电路实现了多相步进电机的控制和驱动， 大大提高了接口电路的灵活性和 通用性；(3)单片机的强大功能使显示电路、键盘电路、复位电路等外围电路有 机的组合，大大提高系统的交互性。 基于以上优点，本次设计采用基于单片机的控制方案。选用用单片机、步进 电机驱动芯片、数码管 LED 和键盘阵列，构建了集步进电机控制器和驱动器为一 体的步进电机控制系统。 二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在 X/Y 轴方向联动。
《机电系统课程设计》 设计说明书
设计题目：
源自文库
一维水平数控滑台
班
级：机械设计制造及其自动化 2007 级
指定教师： 完成时间： 二零一一年三月十号
目录 《机电系统课程设计》 ............................................................................1
它的特点有①摩擦系数小、运动灵便，不易出现爬行现象；②定位精度高；③磨 损较小，寿命长，润滑方便；④结构较为复杂，加工较困难，成本较高；⑤对脏 物及导轨面的误差比较敏感。 3.1.1X 向导轨选用 为了达到较高的精度，X 向导轨选用滚动导轨，参照 MISUMI 公司的产品， 下面确定导轨的型号。 1）导轨的工作条件 静载荷：中心负载 m1 15kg 安装方向：水平安装 导轨数目：2 滑块数目：2 使用环境：工作环境为一般环境，必须进行润滑，无需对导轨进行防锈、防 锈处理。 2）导轨受力分析 静态载荷： P 1 P 2 m1 g 2 73.5 N 根据所受静态载荷，选定导轨的型号为：SSEL2BLZ。 基本静额定载荷 Coa 13.5kN ，基本动额定载荷 C 7.2kN 。 3）导轨的额定寿命计算
3）能微量进给
滚珠丝杠由于钢球做滚动运动,起动扭矩极小,不会产生类似滑动运动中易出现的 粘滞滑动现象,所以能进行正确的微量进给。
4）没有无效行程、高刚性
由于滚珠丝杠能够接受予压,轴向间隙能降为零以下,从而因予压而获得高刚性。 在图 5 中,如往正（＋）方向上施加轴向负荷,工作台向（＋）侧位移。反之,往负 （－）方向上施加轴向负荷,工作台向（－）侧位移。轴向负荷与轴向变位量的 关系如图 6 所示。由图 6 可知,如果改变轴向负荷的方向,轴向间隙就会以位移量 的形式表现出来。另外,如果轴向间隙为零时对滚珠丝杠施加予压,则刚性变大, 轴向变位量变小。
设计说明书.................................................................................................1
一、设计任务书............................................................................................................ 3 1、设计内容........................................................................................................... 3 2 、 设计要求 ...................................................................................................... 3 3 、 设计任务 ...................................................................................................... 3 二、设计说明书............................................................................................................ 4 1、引言................................................................................................................... 4 2、总体方案设计................................................................................................... 5 3、机械系统设计................................................................................................... 6 4、控制部分设计................................................................................................. 15 5、控制部分设计................................................................................................. 25 6、设计总结......................................................................................................... 26 7、参考文献......................................................................................................... 26
2、 设计要求：
A ．机械系统设计要求 1 ）结构轻巧合理 2 ）技术指标 行程 mm 150×200 脉冲当量 mm 0．005 中心负载 15kg 最大速度 40mm/s 重复定位精度 ＜0.005mm
B ．控制系统设计要求 1 ）电机的点动控制：电机正转、反转、停止等功能 2 ）电机的轮廓控制：直线插补功能，圆弧插补功能 3 ）电机的启停时的加减速控制
图 1. EUROMA 精密直线滑台
图 2. 数控滑台 UA14CNC
2、总体方案设计
2.1 设计任务 设计一个数控 X-Y 工作台及其控制系统。 设计参数如下：中心负载 M=15kg；工作台行程 X=150，Y=200；工作台最大速 度 V=2.4m/min；脉冲当量 S=0.005mm；传动方式：丝杠直连。 2.2 总体方案确定 此系统要求实现两个电机的协调运动，以及一定的正转反转停止等控制功 能，采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件 代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接 去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电 路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能， 采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控 制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实 现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。 本方案有以下优点：(1)整个机构简单可靠，能实现较高精度运动； (1)单 片机软件编程可以使复杂的控制过程实现自动控制和精确控制，避免了失步、振 荡等对控制精度的影响；(2)用软件代替环形分配器，通过对单片机的设定，用
f f f C 额定寿命的计算公式： L H T C 50 PC fw
其中， L ：额定寿命（km） ； C ：基本动额定载荷（N） ； PC ：负荷计算值 ； f H ：硬度系数，取值为 1； fT ：温度系数，取值为 1； fC ：接触系数， （N） 取值为 1； f w ：取值为 1。 则， L 4.7 107 km
3、 设计任务：
A． 总体方案设计，收集资料，明确设计任务、方案的设计及选择 B．机械部分设计，具体任务包括结构设计、设计计算、零件图绘制、装配图绘 制 C．电气部分设计，包括驱动电路设计或选择，控制器软硬件设计或选择，强电 部分设计，电器原理图绘制
二、设计说明书
1、引言
随着近年来机械工业的发展，在原有的机械滑台基础上，演变出数控机械滑 台，即在原来机械滑台的基础上。把普通丝杠更换成滚珠丝杠，在铸铁的导轨面 上镶嵌直线导轨。把变速箱电机更换成伺服电机，使滑台可以快速进退。利用滚 珠丝杠和线轨，它具有的特点有精度高、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。 X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件， 如数控车床的纵—横向进刀 机构、数控铣床和数控钻床的 X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件 表面贴装设备等。 模块化的 X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副， 以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚 珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、Y 方向的直线 移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产， 设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作 控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。
3.2 滚珠丝杠的选择（以 THK 公司产品为例）
滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这 是滚珠螺丝的进一步延伸和发展， 这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变 成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和 精密仪器。
3.2.1 滚珠丝杠的特点 1)驱动扭矩仅为滑动丝杠的三分之一
图3
3、机械系统设计
3.1 导轨的选择或设计 导轨是用金属或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引导移动装置或设 备并减少其摩擦的一种装置。导轨表面上的纵向槽或脊，用于导引、固定机器部 件、专用设备、仪器等。导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运 动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高 负载的情况下实现高精度的直线运动。 导轨按摩擦性质分为滑动摩擦导轨和滚动摩擦导轨。 滑动导轨运动件与承导件直线接触。它的优点是结构简单、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。 滚动导轨在运动件和承导件之间放置滚动体（滚珠、滚柱、滚动轴承等） 。