机电一体化课程设计

一、选题背景

机电一体化课程设计作为机械电子专业的实践教学环节,考察学生综合运用所学专业知识进行分析问题和解决问题的能力.科学合理地安排课程设计的内容.使学生即能在有限的时间内掌机电一体化设备的设计过程,培养学生的工程设计能力和解决实际问题能力,又能训练学生抓住问题的主要矛盾有针对性的加以深入的研究是课程设计成功与否的关键所在.本文针对课程设计教学过程中实际遇到的问题,探索机电一体化课程设计的内容设置,对于提高课程设计的教学质量具有重要意义.

二、设计要求

设计一电路板控制系统，检测液压油油、压油温检测系统，其中压力P〈=15 MPa，油温T〈=80℃，绘制电路原理图和电路板图。

三、选题目的

当代数学信号处理的发展趋势之一是在通用的硬件上借助软件实现复杂的功能，伴随对软件依赖性的增加，软件的开发成本也相应提高，甚至出现赶超硬件投入的趋势。

机电一体化是指机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进了电子技术，并将机械装备和电子设备以及软件等有机的结合起来所构成的系统的总称。也就是说机电一体化的连接机械和电子、气压、液压等相关的的关键技术，在微电子技术、计算机技术、及信息处理技术的高速发展，消费者对高性能、高自动化的机械化产品提出了更高的要求，也就是要求我们从事机械设计制造及自动化行业的技术人员掌握机电一体化技术的重要性所在。

机电一体化的关键技术有：（1）机械技术，（2）计算机及信息处理技术，（3）系统技术，（4）自动控制技术，（5）传感检测技术，（6）侍服传动技术。在新的历史背景下，同时因也是个知识爆炸的年代，不管是对祖国经济的发展，还是一个很现实的问题：对自己将来的发展，对于掌握、精通这门技术都尤为的显得重要。

而这次课程设计，一方面让我们从理论到实践的一个联系，另一方面也是温习和巩固所学的专业知识特别是单片机方面的知识，对于单片机系统能够从整体上认识和把握，能够从整体的高度上根据实际需求设计出有效的系统。接触和学习一种相当有效的电路设计软件PROTEL99，熟悉和了解基本的操作，能够根据设计需求独立设计和布局出合理的电路原理图（SCH）和电路板图（PCB）。系统化针对实际问题的解决和设计思路，掌握独立解决问题的方法，为即将面临的社会实践打好基础，都是非常必要的。

四、方案论证

1、 单片机控制的液压油温检测系统中，其要检测的指标有油压和油温两个。油压的检测要用压力传感器，而油温的检测要用温度传感器。传感器一般由敏感元件，转换元件和基本转换电路三部分组成。敏感元件直接感受被测量，并以确定的关系输出某一物理量。转换元件将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数量。基本转换电路将电路参数量转换成便于测量的电量。

2、 电量通过整流电路的输出电压不是理想的平滑直流，而是单方向的脉动直流，即除了直流分量以外还有许多交流分量。所以要针对电源的负载特性选择合适的滤波电路。滤波电路就是使单向脉动直流变成平滑直流的电路，常用电阻，电容和电感组合而成。

3、 由于传感器检测到的信号经整流，滤波放大电路后输出的是模拟信号，（如电压，电流，频率等）。这些信号计算机是识别不了的，所以要进行A/D转换。A/D转换电路的功能是将连续变化的模拟信号转换成数字信号，以适应计算机处理。

4、 通过A/D转换电路输出数字信号，该信号进入MCS-51单片机，通过单片机来实现检测和控制功能。本系统中要控制油温和油压，还要在油温和油压超过设定的额定值时，系统发出报警。所以要通过显示器，键盘和报警电路来实现。

其中：

1、 液压压力传感器采用油压传感器选型为应变式压力传感器

2、 油温传感器选型为AD590油温传感器。。

3、 A/D转换芯片采用ADC0809。

4、 单片机采用8031。

5、 I/0扩展采用8155。

6、 键盘、显示接口采用8279。

五、 电路分析

1、 变压电源：

由于电路电压为6v，故需把220V交流变成低压直流，由四个组成部分:降压—整流—滤波—稳压。

2、油压、油温感测及放大电路：

以油压检测及放大电路为例，插座J外接一应变式压力、检测传感器，插座上的1、2脚将控制板中的+6V及-6V电源引出向传感器供电，3、4脚为传感器输出的差动信号。三个运算放大器组成差动放大电路，对传感器输出信号进行放大，其中R36用于调节零点，R37用于调整放大倍数。油温检测系统采用相同系统，两套系统分别接在AD0809的p01和p06两个输口。

2、 A/D转换：

ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺，可实现8路模数信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码器电路，其转换时间为100us左右。IN-7~IN-0是模数输入通道，ADC0809对输入信号的电压要求是0~5V，若信号过小还需要进行放大。另外，模拟输入量在A/D转换过程中其值不应该有变化，对变化快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路，本课题中的油压及油温的变化不会很快，所以不必采用采样保持电路。A、B、C是地址线，设置P0.1~P0.3口经过地址锁存后接A、B、C地址线。ALE地址锁存允许信号，A、B、C地址状态进入地址锁存器中，由P2.0及WR控制地址锁存。START转换启动信号，上跳沿时，所有内部寄存器清零，下跳沿时，开始进行A/D转换，在转换过程中应保持低电平，由P2.0及WR控制转换信号。D7~D0数据输出线，和单片机的P0口直接连接。EOC输出允许信号，用于控制三态门。

4、单片机：

单片机采用型号为89cs51，89S51单片机的内部4KB片内程序存储器，128字节片内数据存储器，2个定时器和1个全双工异步串通讯接口。其外部电路包括时钟电路和复位电路。

5、外接键盘：

为了减少键盘和单片机接口时所占用I/O口线的数目，此系统采用了串行口控制的键盘接口，扩展了4×4的行列式键盘，用以输入油压、油温的报警设定值。采用8255可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能。

RESET:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

CS:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8155与CPU进行通讯。

RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8155通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。

wR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写入。

6、并行I/0的扩展：

单片机内部的硬件电路已基本上构成具有基本形式的微机系统，可以满足许多控制场合的需要。这些电路包括定时器、中断、串行接口、内部数据存储器、外部程序存储器等。但为了在应用中硬件电路还不够用，需要在单片机外增加新的电路（芯片），也就是所谓的扩展。本设计采用的扩展芯片是8155.

7、 报警系统：

单片机的PB4、PB5、PB6引脚通过限流电阻、容与三极管基极相连，三极管的集电极接有报警器。

六、LED显示电路

系统扩展八位共阳极LED静态显示电路，分时显示油压及油温检测值。

七、电路原理图转化PCB板

课程设计心得体会

经过两周的机电一体化课程设计，我觉得我收获相当大，在这个实践环节中学到了很多知识，同时也提高了自身的实践能力。

在这次机电一体化课程设计中我发现了很多问题，对于出现的问题，我们就的去翻阅以前的专业书籍来复习，以前学的大多是理论性极强的东西，而这次却遇到了一个实际的应用问题。在课程设计开始之前，我就从图书馆找相关参考资料，当在课程设计中遇到难以解决的问题的时候，我会晚上回宿舍上网查阅问题的解决办法。在课堂上，我遇到不懂的问题，我会主动和同学一起探讨或请教老师，所有的渠道都在想办法解决疑问，为的是把问题尽快的解决。实习过程中，我深刻地认识到，在运用四年所学的专业知识来解决实际问题时，却很难找到突破口。原因就在于我们用在实践上的时间太少了，还不能熟练地将所学的理论知识应用于实际中，还有就是缺乏一个完整的知识体系，以前所学的知识没有在学完之后进行归纳总结，对机械类和电子类的知识分别进行总结，只有这样才能形成自己的知识体系，在面对像机电一体化这样的综合性问题时才能有步骤地进行解决。此外，我学会了电子电路设计软件PROTEL 99SE，从电路原理图的设计，到PCB板的设计等等，初步掌握了该软件的使用及实际的应用，为以后从事相关的工作打下了良好的基础。

最后衷心地感谢老师们的热心指导！

第二篇：机电一体化专业课程设计报告

机电一体化系统设计

课程设计报告

设计题目： CNC二维工作平台的设计

学 院： 机电工程学院

姓 名： 福利

学 号： XXXXXXXXXXXX

指导老师： XXXX XXX XXX XXXX

时 间： 20##年9月2日

一、总体方案设计………………………………………………………1

1.1、设计任务………………………………………………………1

1.2、总体方案确定…………………………………………………1

二、工作台的尺寸及其重量的初步确定………………………………4

2.1、 工作台（X向托板）…………………………………………4

2.2、 工作台（Y向托板）…………………………………………4

2.3、上导轨座（连电机）重量……………………………………4

三、滚动导轨的计算与选择……………………………………………5

3.1、滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取……………5

3.2、导轨的寿命计算………………………………………………5

3.3、导轨额定动负载的核算………………………………………6

四、滚珠丝杠的设计计算及选择………………………………………6

4.1、滚珠丝杠最大工作载荷的计算…………………………6

4.2、滚珠丝杠静载荷的计算……………………………………7

4.3、滚珠丝杠动载荷的计算……………………………………7

4.4、丝杠型号的确定………………………………………………8

4.5、丝杠压杆稳定性核算…………………………………………8

4.6、丝杠刚度的验算………………………………………………9

五、电机的计算与选择…………………………………………………10

5.1、电机步距角的计算……………………………………………10

5.2、负载惯量的计算………………………………………………10

5.3、负载转矩的计算………………………………………………11

5.4、步进电动机最大静转矩的计算………………………………

六、联轴器的选择………………………………………………………14

6.1、联轴器的介绍…………………………………………………14

6.2、联轴器的选择………………………………………………14

七、轴承的选择…………………………………………………………15

八、控制系统硬件设计…………………………………………………15

九、控制系统的设计……………………………………………………21

十、参考文献……………………………………………………………28

一、设计任务

设计一个用于在水平面内（XOY平面）进行切割的CNC二维工作平台。切割刀位于Y方向工作台上面，其受力点（X、Y方向的轴向载荷）到Y方向丝杠轴心线的距离为100mm。

二、总体方案设计

2.1、设计思路

该工作台设计主要分为机械系统部件和控制系统部件，其中机械系统部件主要包括导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机和检测装置等，控制系统部件则包括CPU控制电路、电源设计电路、输入信号电路、输出信号电路、步进电机驱动控制电路等。

考虑在满足设计要求的前提下，应尽可能采用简洁轻便的结构设计和廉价实用的可选材料，符合绿色环保的现代机械设计理念，由此来确定最终方案。

因X向和Y向机械结构基本相同，故只绘制X向机械系统部分的结构简图，如下

2.2、方案设计

2.2.1 螺旋传动机构设计

CNC二维工作平台传动方案有两类：

传动方案可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动两种：

（1）滑动丝杠螺母机构（滑动螺旋传动）

滑动丝杠螺母机构具有结构简单，运动平稳，传动精度高，螺纹导程小，降速比大，牵引力大等优点。其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，螺纹中有侧向间隙，故反向有空行程。由于动静摩擦差别大，低速时可能出现爬行现象。

（2）滚珠丝杠螺母机构（滚动螺旋传动）

滚珠丝杠就是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间充满滚珠。这些滚珠作为中间传动件，在螺母闭合的回路中循环滚动，使丝杠螺母副的运动由滑动变成滚动，以减小摩擦。滚珠丝杠的传动效率很高，当双螺母预紧后，轴向刚度好，传动副爬行小，具有较高的定位精度，启动转矩小，传动灵敏，同步性好。其缺点是结构复杂，制造较困难，价格昂贵，以及不能自锁。

根据CNC二维工作平台的要求，参看两种传动的特点，对于卧式CNC我们设计选择滚珠丝杠螺母传动。由于滚珠丝杠螺母机构不具有自锁性，故应增加电磁制动装置，以达到精确定位的目的。

2.2.2 导轨的选择与设计

导轨副类型的选择

常用的导轨副组合形式有以下几种：

（1）双三角形导轨 ：导向性和精度保持性高，接触刚度好。但工艺性差。用于精度要求较高的机床设备。

（2）矩形和矩形组合: 制造调整简单。

（3）三角形和矩形组合：导向性好，制造方便，刚性好，但是磨损不均匀。

（4）三角形和平面导轨组合：摩擦阻力不一致，容易产生力矩，造成三角形导轨对角接触，影响运动的导向精度，不能克服颠覆力矩。

（5）燕尾形导轨及其组合：

A、整体式燕尾导轨：

B、装配式燕尾导轨：制造调试方便。

C、燕尾与矩形组合式导轨：调整方便、承受力矩大。

根据CNC二维工作平台的要求以及设计思路，参看多种导轨副组合的特点，对于卧式CNC我们设计选择三角形和矩形组合的导轨副。

导轨副材料的选择

根据设计思路以及工作情况，对于卧式CNC我们设计选择导轨副的材料为铸铁，因为铸铁具有耐磨性和减振性好，热稳定性高，易于铸造和切削加工，成本低等特点。

2.2.3 机架的设计

根据设计思路，选用廉价实用的材料，降低成本，满足要求即可，故我们选用机架的材料是45刚。

2.2.4 伺服系统的选用

根据任务书规定参数以及设计思路。只需要选用性能较好的步进电动机即可满足要求，故在本设计中选用励磁式步进电动机，以降低成本，提高性价比。

2.2.5 检测装置的选用

选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。

2.2.6 减速装置的设计

选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。但本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此不使用减速箱。

考虑到X、Y两个方向的加工范围相差不大，承受的工作载荷也相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。

2.3、方案确定

综合考虑设计任务和设计思路，因系统定位精度和最快移动速度相对并不是很高，故选用性能较好而性价比较高的混合式步进电动机已经足够，下层电机固定在机座上，上层电动机固定在工作台滑板上；为了避免爬行现象，同时节约生产成本，且因该设计载荷较低，故选用直线滚动导轨副；滑动丝杠副在低速或微调时可能产生爬行显现，且为了能够满足定位精度，故选用滚珠丝杠副；控制系统选用AT89C51单片机，足以满足设计要求且较为廉价；由于本设计中要求系统结构紧凑，且依靠步进电动机和滚珠丝杠副已经可以达到所需的脉冲当量，因此可以不使用减速箱。

三、滚珠丝杠副与控制电机的设计与计算

3. 1 X和Y方向丝杠的具体设计

3.1.1 Y方向的丝杠螺母副及其步进电机

由CNC题目（卧式）可知：Y方向的轴向工作载荷；理论定位精度δ≤20μm ；丝杠转速＝120r/min；y方向工作台滑板及其组件重量＝400 N ；参考同类型的设备，选择电机和丝杠通过联轴器直接相连，则i=1（步进电机到丝杠间的传动比）。这样选取的好处是不要中间件，减少了传动件，有利于提高精度，安装等较为方便

1、Y方向丝杠受力分析及丝杠轴向力计算

Y方向工作台滑板及其组件重量以及X方向的轴向工作载荷主要由导轨承担，而丝杠主要承受Y方向的轴向力F。Y方向丝杠所受的总轴向力F由两部分组成：一是刀具所受的Y方向轴向工作载荷；二是Y方向工作台滑板及其组件重量和X方向的轴向载荷在导轨上产生的合成摩擦力两部分组成：式中 F――丝杠所受的总轴向力 N ；

――导轨与工作台滑板之间的摩擦力 N ；

――Y方向轴向工作载荷 N

μ――导轨与工作台滑板之间的摩擦系数，由于导轨与工作台滑板处于边界润滑状态（脂润滑或油润滑），可取μ＝0.05～0.2 ；

――Y方向工作台滑板及组件重量 N ；

――X方向的轴向工作载荷 N

将＝400N、＝2500N、＝3500N、取＝0.1 带入上式得Y方向丝杠所受的总轴向力F（卧式CNC）：2、丝杠设计计算及尺寸选择

由于丝杠为低速传动，所以应按寿命和额定静载荷两种方法确定其尺寸，然后选择其中较大的。

（1）按额定静载荷选择：

因为Y方向丝杠所受的总轴向力 F＝2852.3N，按Coa≥F的原则查附表1选择丝杠尺寸。这里选外循环滚珠丝杠,公称直径do＝16mm、导程L0＝4mm ，2.5圈×1列，Coa=14100N；

（2）按疲劳寿命选择：

式中 —运转系数，查表4－5（平稳或轻度冲击时为1.0~1.2，取载荷系数=1.2）

—硬度系数，查表4－6（滚道硬度为60HRC时，取硬度系数=1.0）

—轴向工作载荷（N）

—最大（基本）额定动载荷（N），其值可查书末附表1、2

C’a――计算额定动载荷

――预期使用寿命

式中 n—滚珠丝杠副的转速（r/min）；

T—预期使用寿命时间（h）

取滚珠丝杠的使用寿命取滚珠丝杠副转速n=120r/min

得 : 查附表1滚珠丝杠副的设计表，并参考同类型设备的实际情况，设计选用： 外循环滚珠丝杠，公称直径d0＝25mm，导程L0＝6mm，3.5圈×1列，Ca=18950 N，钢球直径（db）Dw=3.969mm,ψ=4.36666 ,精度等级为E，基本导程极限偏差为±6μm。显然，最后应选择d0＝25的丝杠。

3、控制电机的选择

(1)、计算电机所需要的最小转矩由Y方向的总轴向力F和丝杠的公称直径d0，及ψ=4.3666°计算电机所需要的最小转矩：

式中 d――为丝杠螺纹大径，由表4-1公式计算得 d＝24.11

d1――为丝杠螺纹小径 ，由表4-1公式计算得 d1＝21

d2――为丝杠中径 ，d2＝22.55

ρ为当量摩擦角， 这里取ρ＝0。

按照电机额定输出转矩T≥电机所需的最小转矩的原则，在网上查看步进电机类型及参数有两种型号可选，转矩为2.5N.m的电机在以后的校核中被淘汰，故选择型号110BYGH2501永磁感应子式二相四拍步进电机。在网上查得：其转矩是9.8N·m，步进电机的步距角为0.9°。当取脉冲发生频率为800个/秒时，步进电机的转数为：

n＝60×800/(360/0.9)=120r/min。与题目要求相符合，可行。

4、计算理论定位精度δ、丝杠步距角β和丝杠轴向移动速度V：

计算出理论定位精度δ（即直线脉冲当量）和丝杠的步距角β2 。

β2=360δ/ L0＝β1 / i （°）

δ——理论定位精度（即为直线脉冲当量），是指一个脉冲，螺母相对于丝杠的直线位移量 mm。

β1――电机步距角（°）

β2――丝杠步距角（当传动比i≠1时，丝杠与电机的步距角不相等）（°）

L0——丝杠基本导程（mm）

i――电机到丝杠之间的传动比，这里因为电机与丝杠是直接联接，故传动比为1。

将参数代入理论定位精度公式计算可得，δ=15μm。

因为丝杠的步距角β2＝0.9°，则由800脉冲/秒和δ=0.015mm得丝杠的轴向移动速度：

V=1000/(360/步距角)×L0=12mm/s（属于低速运动）。

由以上参数可知，满足设计题目要求。

3.1.2 设计X方向的滚珠丝杠螺母机构及其步进电机

由CNC题目（卧式）可知：X方向的轴向工作载荷；理论定位精度δ≤20μm ；丝杠转速＝120r/min；y方向工作台滑板及其组件重量＝700 N ；参考同类型的设备，选择电机和丝杠通过联轴器直接相连，则i=1（步进电机到丝杠间的传动比）。这样选取的好处是不要中间件，减少了传动件，有利于提高精度，安装等较为方便

1、X方向丝杠受力分析及丝杠轴向力计算

X方向工作台滑板及其组件重量以及Y方向的轴向工作载荷主要由导轨承担，而丝杠主要承受X方向的轴向力F。X方向丝杠所受的总轴向力F由两部分组成：一是刀具所受的X方向轴向工作载荷；二是X方向工作台滑板及其组件重量和Y方向的轴向载荷在导轨上产生的合成摩擦力两部分组成：式中 F――丝杠所受的总轴向力 N ；

――导轨与工作台滑板之间的摩擦力 N ；

――Y方向轴向工作载荷 N

μ――导轨与工作台滑板之间的摩擦系数，由于导轨与工作台滑板处于边界润滑状态（脂润滑或油润滑），可取μ＝0.05～0.2 ；

――X方向工作台滑板及组件重量 N ；

――X方向的轴向工作载荷 N

将＝700N、＝2500N、＝3500N、取＝0.1 带入上式得X方向丝杠所受的总轴向力F（卧式CNC）：2、丝杠设计计算及尺寸选择

由于丝杠为低速传动，所以应按寿命和额定静载荷两种方法确定其尺寸，然后选择其中较大的。

（1）按额定静载荷选择：

因为X方向丝杠所受的总轴向力 F＝6096.15N，按Coa≥F的原则查附表1选择丝杠尺寸。这里选外循环滚珠丝杠,公称直径do＝25mm、导程L0＝4mm ，2.5圈×1列，Coa=14100N；

（2）按疲劳寿命选择：

式中 —运转系数，查表4－5（平稳或轻度冲击时为1.0~1.2，取载荷系数=1.2）

—硬度系数，查表4－6（滚道硬度为60HRC时，取硬度系数=1.0）

—轴向工作载荷（N）

—最大（基本）额定动载荷（N），其值可查书末附表1、2

C’a――计算额定动载荷

――预期使用寿命

式中 n—滚珠丝杠副的转速（r/min）；

T—预期使用寿命时间（h）

取滚珠丝杠的使用寿命取滚珠丝杠副转速n=120r/min

得 : 查附表1滚珠丝杠副的设计表，并参考同类型设备的实际情况，设计选用： 外循环滚珠丝杠，公称直径d0＝63mm，导程L0＝8mm，3.5圈×1列，Ca=37900 N，钢球直径（db）Dw=4.763mm,ψ=2.32 ,精度等级为E，基本导程极限偏差为±6μm。显然，最后应选择d0＝25的丝杠。

3、控制电机的选择

(1)、计算电机所需要的最小转矩由Y方向的总轴向力F和丝杠的公称直径d0，及ψ=2.32°计算电机所需要的最小转矩： 7.42Nm

式中 d――为丝杠螺纹大径，由表4-1公式计算得 d＝62.05mm

d1――为丝杠螺纹小径 ，由表4-1公式计算得 d1＝58.18mm

d2――为丝杠中径 ，d2＝60.12mm

ρ为当量摩擦角， 这里取ρ＝0。

按照电机额定输出转矩T≥电机所需的最小转矩的原则，在网上查看步进电机类型及参数有两种型号可选，转矩为7.5Nm的电机在以后的校核中被淘汰，故选择型号110BYGH2501永磁感应子式二相四拍步进电机。在网上查得：其转矩是9.8N·m，步进电机的步距角为0.9°。当取脉冲发生频率为800个/秒时，步进电机的转数为：

n＝60×800/(360/0.9)=120r/min。与题目要求相符合，可行。

4、计算理论定位精度δ、丝杠步距角β和丝杠轴向移动速度V：

计算出理论定位精度δ（即直线脉冲当量）和丝杠的步距角β2 。

β2=360δ/ L0＝β1 / i （°）

δ——理论定位精度（即为直线脉冲当量），是指一个脉冲，螺母相对于丝杠的直线位移量 mm。

β1――电机步距角（°）

β2――丝杠步距角（当传动比i≠1时，丝杠与电机的步距角不相等）（°）

L0——丝杠基本导程（mm）

i――电机到丝杠之间的传动比，这里因为电机与丝杠是直接联接，故传动比为1。

将参数代入理论定位精度公式计算可得，δ=15μm。

因为丝杠的步距角β2＝0.9°，则由800脉冲/秒和δ=0.015mm得丝杠的轴向移动速度：

V=800/(360/步距角)×L0=12mm/s（属于低速运动）。

由以上参数可知，满足设计题目要求。

故X方向和Y方向选择相同的电动机，有关参数见下表

四、导轨的设计

根据任务书要求XY方向行程为500×300mm，故初步取导轨座的长600mm，宽为400mm，采用三角形和矩形组合的导轨副，材料为铸铁，因为铸铁具有耐磨性和减振性好，热稳定性高，易于铸造和切削加工，成本低等特点，

五、轴承的设计与选用

5.1 X方向的轴承选用

根据滚珠丝杆的公称直径 63mm，额定动载荷Ca=37900N和额定静载荷F＝6096.15以及轴承所承受的最大载荷700N，查《机械零件设计手册》，以确定所选轴承的型号。所选的轴承为深沟球轴承6013，有关参数见下表：

5.2 Y方向的轴承选用

根据滚珠丝杆的公称直径 25mm，额定动载荷Ca=17697.8N和额定静载荷F＝2782N以及轴承所承受的最大载荷400N，查《机械零件设计手册》，以确定所选轴承的型号。所选的轴承为深沟球轴承6206，有关参数见下表：

六、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。

6.1 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AT89C51，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。

AT89C51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。

6.2 CPU接口设计

CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：

七、控制系统软件设计

7.1、总体方案

对于AT89S51的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。编译器采用Keil 7.02b。该编译器是51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持C语言编译。同时具有完善的调试功能。

八、参考文献

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