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课程设计报告
光机电一体化课程设计 仪器科学与光电工程学院 光信07-2
李梓霂 陶晓杰 张腾达 2010 年 12 月 5日
一． 总体方案设计
1.1 设计任务
一维数控工作台是许多机电一体化系统的基本组成部分，如车、铣、钻、激光加工等各种数控设备。因此一维数控工作台对机电一体化专业的教学和科研都具有普遍的意义。
设计一个一维数控工作台及其控制系统，定位精度为
承受载荷 Pz = 12Kg , Px = 15Kg ,Py = 6Kg 最大移动距离 300mm 最大移动速度 2.5mmin
采用联轴器传动
1.2 总体方案确定
1、系统总体基本思想：
系统基本原理如上图所示，由单片机来控制步进电机的转角，电机连着丝杠，电机转动带动丝杠转动，从而使工作台移动，由单片机测的编码器的脉冲数，从而计算步进电机的转角对应的工作台移动距离。 综上，设计基本思想如下: （1）机械设计
通过给定的参数，计算确定系统脉冲当量，计算运动部件惯性，确定步进电机，滚动丝杠螺母计算和选型，滚珠丝杆副的计算和选型，联轴器的计算与选型，在此基础上，绘制机械系统装配图。 （2）电学设计
本设计采用了与MCS-51系列兼容的SST89E58RD 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MCU 部分、存储器扩展部分、键盘与LED 显示部分、IO 接口、光电耦合电路控制、步进电机、测速部分。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）光学设计
系统的测速部分是由光学设计部分完成，光学设计部分要求利用光栅设计一个光电传感器，利用此传感器可以测量步进电机转动的角度、线度等信息，为数控系统的闭环或半闭环控制提供参数。主要设计参数是：步进电机每转动一步（一个步距角）至少输出5个脉冲当量。
二．机械系统设计
2.1脉冲当量的选定
我们所设计的是半闭环式数控机床，目前在此种机床上常用的脉冲编码器兼做位置和速度反馈。伺服电机每转1转，传感器发出一定数量的脉冲，每个脉冲代表电机一定的转角。步进电机是一种电脉冲控制的特种电机，对于每一个电脉冲步进电机都会产生一个恒定的步进角位移，每一个脉冲或每步的转角称谓步进电机的步距角。
因此，每脉冲代表电机一定的转角，这个转角经联轴器和滚珠丝杠使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件的距离，称谓脉冲当量或分辨率。
应根据机床或工作台进给系统要求的定位精度来确定脉冲当量。考虑机械传动系统误差的存在，脉冲当量要小于定位精度。
根据以上确定我的脉冲当量为0.01.
2.2工作台外形尺寸及重量估算
X 向拖板尺寸：
长宽高 150³200³50 重量：按重量=体积³材料比重估算
150⨯200⨯50⨯10-3⨯7.8⨯10-2≈117N
工作台运动部分的总重量：约117N 。 工作台最大承重：120N 工作台总承重：237N
2.3滚动导轨的参数确定
⑴、导轨型式：滚动直线导轨副 ⑵、导轨长度 ①导轨（X 向）
工作台长 最大移动距离 余量 取导轨长度 ⑶、滚动副选择 导轨
查表初定导轨副型号为GTA20，额定动载荷，由计算公式：
式中：L 为滚动导轨副的距离额定寿命（km ）；C a 为额定动载荷）（N ）；F 为每个滑块的工作载荷（N ）；f H 为硬度系数，58~64HRC时，f H =1.0,为55HRC 时，f H =0.8,为50HRC 时f H =0.53；f T 为温度系数，当工作温度不超过10O C 时，f T =1;fC 为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时f C =0.81,装三个时f C =0.72，装四个时f C =0.66；fW 为载荷速度系数，无冲击振动或V ≤15mmin 时，f W =1~1.5,轻冲击振动或15mmin ＜V ≤60mmin 时，f W =1.5~2，有冲击振动或V ＞60mmin 时，f W =2~3.5。
一般导轨的距离期望寿命定为50km ，若距离额定寿命L 大于滚动导轨的期望寿命，则满足设计要求，初选的滚动导轨副可以采用，此处我们取f H =1.0，f T =1，f C =0.81，f W =1.5，以导轨计算F=237N，代入计算得L=98.40km，充分满足要求。
⑷、滚动导轨刚度及预紧方法
当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。
o
2.4滚珠丝杠的设计计算
滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。
⑴、最大动负载Q 的计算 查表得系数，，寿命值
查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速
n =
所以
1000V max 1000⨯2.5
==625(r /min) t 4
丝杠牵引力
=1.414⨯0.01⨯237+150=153.35(N )
所以最大动负荷
X 向
Q x 1.5⨯1⨯153.35=1966.7(N )
查表，取滚珠丝杠公称直径，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 CDM20³4-2.5-E ，其额定动载荷为4900N ，足够用。 ⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算
表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数
见表2-1。 ⑶、传动效率计算
tg γtg 3.39
η===0.952
tg (γ+ϕ) tg (3.39+0.17)
式中：——摩擦角；——丝杠螺纹升角。
⑷、刚度验算
滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程的变化量
⎛1.679⎫2
F =πR 2=3.14 ⎪=2.21(cm )
⎝2⎭
所以 L 1=±
2
153.35⨯0.4
=±1.35⨯10-6(cm ) 6
20.6⨯10⨯2.21
丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。 所以导程总误差
= L
100100
=1.35⨯10-6=3.375(μm /m ) L 00.4
查表知E 级精度的丝杠允许误差，故刚度足够。 ⑸、稳定性验算
由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。
2.5步进电机的选用
⑴、步进电机的步距角
取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。 ⑵、步进电机启动力矩的计算
设步进电机等效负载力矩为T ，负载力为P ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系
式中： ——电机转角； ——移动部件的相应位移； ——机械传动效率。
若取，则，且，所以
式中： ——移动部件负载（N ）；G ——移动部件重量（N ）；——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N ）； ——导轨摩擦系数；——步进电机步距角，（rad ）；T ——电机轴负载力矩（）
本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），，为丝杠牵引力，。，所以
T =
36⨯0.01[28.6+0.03⨯237]
2π⨯0.9⨯0.96
=2.37(N cm )
若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩 取安全系数为0.3，则
对于工作方式为二相八拍的三相步进电机
⑶、步进电机的最高工作频率
f max =
1000V max 1000⨯2.5
==4167(Hz )
60δp 60⨯0.01
4、步进电机惯性负载的计算 根据等效转动惯量的计算公式，得 J d 折算到电机轴上的惯性负载（Kg ²cm ） J 步进电机转轴的转动惯量（Kg ²cm ） J 滚珠丝杠的转动惯量（Kg ²cm ） M 移动部件的质量（Kg ） 转动惯量 算得J d =7.08
查表选用110BYG250型步进电机。电机的有关参数见表2-2。
表2-2 步进电机参数
2
2
2
2.6确定传动比
因为联轴器传动，所以传动比为1。
因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距，脉冲当量，系统传动比
Z 1δp ⨯3600.01⨯360i ====1
Z 2θb t 0.9⨯4
2.7联轴器选型
由转动惯量、丝杠公称直径等参数，选择HL2型弹性柱销联轴器。
三．电学部分硬件设计
一维数控工作台采用单片机控制，单片机系统包括：两路步进电机速度控制，测量头电
机控制，32KROM ，32KRAM ，6位LED 显示， 4³4键盘，2路编码器输入，4路模拟开关。
3.1 CPU板
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，他们具有功能强大，上手容易，使用方便，且均为8位，数据处理方便等优点。
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SST89E58RD 。
SST89E58RD 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128 B 、14位的计数器WDT 、IO 口共有32个。
3.1.2 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：
图3-1 CPU 外部接口示意图
SST89E58RD 要完成的任务：
（1）将行程开关的状态读入CPU ，通过中断进行处理，它的优先级别最高。 （2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。
（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED 上，实现人机交互作用。
由于SST89E58RD 只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且
在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行IO 扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8255，所以SST89E58RD 的IO 口线分配如下：
（1）P0口、P1口用于外扩两个8255来扩展IO 口； （2）P2.7、P2.6用于外扩8255; （3）P2.0用于电机控制; （4）P2.4用于编码器输入; （5）P2.5用于外扩EEPROM; 控制系统部分原理图： 外扩RAM 和
ROM:
3.2 驱动系统
传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。
3.2.1 步进电机驱动电路和工作原理
步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm ，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm 。
步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU 的
作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU 上使其烧坏。
图3-4 步进电机驱动电路图
该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A 相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D 起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W 串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。
3.2.2 电磁铁驱动电路
该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。
3.3 传感器和人机界面
人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简洁明了。此系统中共有6个LED ，4³4矩阵键盘。 设计原理如图：
图3-8 人机界面图
此部分数码管采用段点亮，此种方法设计虽然软件上写起来有些困难，但比起使用ZLG7289节约成本且对于初学者书本上讲的也是段点亮，因此考虑实用和应用层面，所以采用此种方法。
四．电学部分软件设计
系统初始化后通过键盘输入工作台要移动的距离，输入完毕后由单片机控制步进电机转动，同时采用数码管显示电机的转角，并将相应的值存到RAM 中，同时测量工作台移动距离由此确定电机转角控制的工作台移动距离。
中断1累加器计数关联移动距离，将累加器的值存在RAM 中不同于上述的单元中，以方便后续比较。
中断2将存储到的不同单元即电机控制工作台移动距离和工作台实际移动距离拿出来做比较，相同则说明工作台移动距离与设定相同所以不作处理，不同则说明工作台移动距离与输入值不符，则通过单片机进行控制来做矫正处理。
五．光学部分设计
5.1 总体方案
光学系统设计的目的是采用光栅副测量丝杠转角，该部分设计涉及到光源设计、准直镜设计、光栅副设计、光电探测器设计。
光源设计包括一般选取点光源，需要去定光源类型、型号，准直镜的作用就是叫光源的光变成平行光。
光栅副设计包括主光栅的栅距、缝长、缝宽设计，指示光栅结构、参数确定，零位光栅的选取，光栅间距的确定。
光电探测器类型，一般就采用光电三极管加比较电路处理，输出为矩形脉冲型号，可以很好的与数字电路驳接。
5.2 参数计算
设计要求：检测丝杠转角，步进电机走一步，编码器输出不小于5个脉冲信号，确定主要参数。
5.2.1 光源的类型型号确定
光源我们采用LED ，LED 的特点非常明显：寿命长、光效高、无辐射、低功耗。LED
的光谱几乎全部集中在可见光频段。这是采用普通光源不具有的优势。采用普通灯泡光源，为了使后续光电探测器的输出信号足够大，足够分辨，灯泡是需要有一定的功率。然而这样就带来两个问题：一是温升问题，二是灯泡寿命问题。对于高精度测量来说，光栅的温升会引起测量误差；灯泡的寿命太短要经常更换，也太麻烦。采用LED 类型光源就可以避免这种问题的出现。
查找资料，选取一款来自深圳的LED 光源，型号：SST-RC-12。名称：12V DC
Non-waterproof rigid 3528 LED light bar (105LEDs85cm)。
下面为该款电源的参数：
5.2.2 准直镜参数
1．透镜的通光口径的确定
以硅光电池直接接收式光路为例，为了提高莫尔条纹的反差，减少广源发散的影响，一般都采用平行光垂直照射光栅面，为此必须有准直透镜。
透镜的通光尺寸在平行于栅线方向上为，在垂直于栅线方向上为，则
、为灯丝的长度和宽度；L 为与传感器有关的值；、式中，和为灯丝发散角；为准直透镜焦距；分别为硅光电池的长度与宽度。 由上式的准直透镜的通光口径为 2 透镜的型式和焦距
在上述光路中，若栅距较大而两光栅之间间隙较小时，常采用单片平凸透镜，并使平面朝向灯丝以减小象差；在大间隙使用时，为了减小象差，特别是色差，提高莫尔条纹的反差，应采用双片平凸透镜，相对孔径不宜大于0.8，双片平凸透镜不宜大于1。两光栅间隙较大时，上述数据可适当减小。适当的缩短焦距，可使传感器结构紧凑，并能提高光电池上的照度。
准直镜的主要作用就是将光源的光束变成平行光，因此准直镜采用一般透镜即可，考虑
到安装长度，采用小焦距的透镜比较合适。采用焦距，直径为25mm 的透镜可以很好的将光源的光线变成平行光。25mm 的选择是考虑到丝杠直径为20mm 。
5.2.3 光栅副设计
光栅副包括主光栅以及指示光栅，零位光栅在实现原理很复杂：零位光栅测量系统是在
增量式光栅测量系统的基础上发展起来的一种新型测量系统。增量式测量方法是采用“置0”来选择工作原点的，它可以依据操作要求选在任一位置。零位光栅与普通光栅不同，它是一线红复杂的栅线序列，是一种非等间隔和非等宽度的明暗相间的光栅。所以设计中就没有设计零位光栅功能。
主光栅安装在齿轮一端，因此选择圆光栅。同时设计要求步进电机每走一步编码器至少
输出5个脉冲，步进电机的步距角为。从工程角度考虑，步进电机走一步，编码器输出6个脉冲。那么主光栅的栅距角为0.15°，光栅直径取20mm ，栅距0.026mm ，缝长为2mm ，缝宽默认为栅距的一半。采用2500线周的圆形光栅即可。而只是光栅采用直光栅即可，一般情况下指示光栅的参数与主光栅相同，即：栅距0.026mm ，缝长为2mm ，缝宽为1mm 。
5.2.4 光电探测器的选择
光栅传感器常用的光电接收元件主要有：①硅光电池②光电二极管③光电三极管。 ⑴硅光电池
硅光电池使用的特点是：工作面积大，不需外加电源，受光照面为整机，背光照面为负极，其结构为一薄片状，体积不大，外形有方形和圆形两种。也有做成多极的硅光电池。四极硅光电池其面积为10X10mm 2，这是光栅传感器经常使用的。
硅光电池的性能稳定，但响应时间长，约为，灵敏度较低，一般输出幅值为20~100mV。 ⑵光电二极管
光电二极管在电路中是反向工作的。它的响应时间短，为，灵敏度较高，输出幅值为100~200mV, 但在弱光下灵敏度较低，需要使用聚光镜。
光电二极管的峰值波长为，即输入光的波长在此范围内时，输出电流最大。
光电二极管有方形的，壳体面积为，圆形的壳体直径为，也有光电二极管组合件，它是将几个二极管做成一体。 ⑶光电三极管
光电三极管的电流灵敏度高，输出幅值达，响应时间为，其为定度也不如光电二极管，光电三极管峰值波长为，它也有组合件。
光电探测器包括光电传感器和调理电路，光电传感器我们采用光电三极管，后续调理电
路采用比较电路即可判别光栅移动以及产生矩形脉冲，脉冲可以直接连接单片机进行计数，
从而换算出转动角度。
下面原理图为光电探测器实现的基本思路：
光路图如下所示：
六、附录
参 考 文 献
[1] 王洪，刘扬. 机械设计课程设计. 北京交通大学出版社，2010
[2] 李广弟, 朱月秀，王秀山. 单片机基础. 北京航空航天大学出版社,2001 [3] 房小翠. 单片微型计算机与机电接口技术. 国防工业出版社,2002 [4] 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,2002 [5] 机械设计手册委员会. 机械设计手册. 机械工业出版社，2007
[6] 郑堤，唐可洪. 机电一体化设计基础. 机械工业出版社，2002 [7] 单成祥. 传感器的理论与设计基础及其应用. 国防工业出版社,1999 [8] 祝绍箕等. 光栅数字显示技术及其应用. 机械工业出版社,1992 [9] 李殿奎. 光栅计量技术. 中国计量出版社,1987 [10] 胡玉喜等. 应用光学. 中国科技出版社,1996
[11].王庆有. 光电传感器应用技术. 北京:机械工业出版社,2007 [12].何勇, 王生泽. 光电传感器及其应用. 北京:化学工业出版社,2004 [13].何希才. 传感器技术及其应用. 北京. 北京航空航天大学出版社,2000
名 称：院 系：班 级：学 号：学生姓名：指导教师：
课程设计报告
光机电一体化课程设计 仪器科学与光电工程学院 光信07-2
李梓霂 陶晓杰 张腾达 2010 年 12 月 5日
一． 总体方案设计
1.1 设计任务
一维数控工作台是许多机电一体化系统的基本组成部分，如车、铣、钻、激光加工等各种数控设备。因此一维数控工作台对机电一体化专业的教学和科研都具有普遍的意义。
设计一个一维数控工作台及其控制系统，定位精度为
承受载荷 Pz = 12Kg , Px = 15Kg ,Py = 6Kg 最大移动距离 300mm 最大移动速度 2.5mmin
采用联轴器传动
1.2 总体方案确定
1、系统总体基本思想：
系统基本原理如上图所示，由单片机来控制步进电机的转角，电机连着丝杠，电机转动带动丝杠转动，从而使工作台移动，由单片机测的编码器的脉冲数，从而计算步进电机的转角对应的工作台移动距离。 综上，设计基本思想如下: （1）机械设计
通过给定的参数，计算确定系统脉冲当量，计算运动部件惯性，确定步进电机，滚动丝杠螺母计算和选型，滚珠丝杆副的计算和选型，联轴器的计算与选型，在此基础上，绘制机械系统装配图。 （2）电学设计
本设计采用了与MCS-51系列兼容的SST89E58RD 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MCU 部分、存储器扩展部分、键盘与LED 显示部分、IO 接口、光电耦合电路控制、步进电机、测速部分。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）光学设计
系统的测速部分是由光学设计部分完成，光学设计部分要求利用光栅设计一个光电传感器，利用此传感器可以测量步进电机转动的角度、线度等信息，为数控系统的闭环或半闭环控制提供参数。主要设计参数是：步进电机每转动一步（一个步距角）至少输出5个脉冲当量。
二．机械系统设计
2.1脉冲当量的选定
我们所设计的是半闭环式数控机床，目前在此种机床上常用的脉冲编码器兼做位置和速度反馈。伺服电机每转1转，传感器发出一定数量的脉冲，每个脉冲代表电机一定的转角。步进电机是一种电脉冲控制的特种电机，对于每一个电脉冲步进电机都会产生一个恒定的步进角位移，每一个脉冲或每步的转角称谓步进电机的步距角。
因此，每脉冲代表电机一定的转角，这个转角经联轴器和滚珠丝杠使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件的距离，称谓脉冲当量或分辨率。
应根据机床或工作台进给系统要求的定位精度来确定脉冲当量。考虑机械传动系统误差的存在，脉冲当量要小于定位精度。
根据以上确定我的脉冲当量为0.01.
2.2工作台外形尺寸及重量估算
X 向拖板尺寸：
长宽高 150³200³50 重量：按重量=体积³材料比重估算
150⨯200⨯50⨯10-3⨯7.8⨯10-2≈117N
工作台运动部分的总重量：约117N 。 工作台最大承重：120N 工作台总承重：237N
2.3滚动导轨的参数确定
⑴、导轨型式：滚动直线导轨副 ⑵、导轨长度 ①导轨（X 向）
工作台长 最大移动距离 余量 取导轨长度 ⑶、滚动副选择 导轨
查表初定导轨副型号为GTA20，额定动载荷，由计算公式：
式中：L 为滚动导轨副的距离额定寿命（km ）；C a 为额定动载荷）（N ）；F 为每个滑块的工作载荷（N ）；f H 为硬度系数，58~64HRC时，f H =1.0,为55HRC 时，f H =0.8,为50HRC 时f H =0.53；f T 为温度系数，当工作温度不超过10O C 时，f T =1;fC 为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时f C =0.81,装三个时f C =0.72，装四个时f C =0.66；fW 为载荷速度系数，无冲击振动或V ≤15mmin 时，f W =1~1.5,轻冲击振动或15mmin ＜V ≤60mmin 时，f W =1.5~2，有冲击振动或V ＞60mmin 时，f W =2~3.5。
一般导轨的距离期望寿命定为50km ，若距离额定寿命L 大于滚动导轨的期望寿命，则满足设计要求，初选的滚动导轨副可以采用，此处我们取f H =1.0，f T =1，f C =0.81，f W =1.5，以导轨计算F=237N，代入计算得L=98.40km，充分满足要求。
⑷、滚动导轨刚度及预紧方法
当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。
o
2.4滚珠丝杠的设计计算
滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。
⑴、最大动负载Q 的计算 查表得系数，，寿命值
查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速
n =
所以
1000V max 1000⨯2.5
==625(r /min) t 4
丝杠牵引力
=1.414⨯0.01⨯237+150=153.35(N )
所以最大动负荷
X 向
Q x 1.5⨯1⨯153.35=1966.7(N )
查表，取滚珠丝杠公称直径，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 CDM20³4-2.5-E ，其额定动载荷为4900N ，足够用。 ⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算
表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数
见表2-1。 ⑶、传动效率计算
tg γtg 3.39
η===0.952
tg (γ+ϕ) tg (3.39+0.17)
式中：——摩擦角；——丝杠螺纹升角。
⑷、刚度验算
滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程的变化量
⎛1.679⎫2
F =πR 2=3.14 ⎪=2.21(cm )
⎝2⎭
所以 L 1=±
2
153.35⨯0.4
=±1.35⨯10-6(cm ) 6
20.6⨯10⨯2.21
丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。 所以导程总误差
= L
100100
=1.35⨯10-6=3.375(μm /m ) L 00.4
查表知E 级精度的丝杠允许误差，故刚度足够。 ⑸、稳定性验算
由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。
2.5步进电机的选用
⑴、步进电机的步距角
取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。 ⑵、步进电机启动力矩的计算
设步进电机等效负载力矩为T ，负载力为P ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系
式中： ——电机转角； ——移动部件的相应位移； ——机械传动效率。
若取，则，且，所以
式中： ——移动部件负载（N ）；G ——移动部件重量（N ）；——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N ）； ——导轨摩擦系数；——步进电机步距角，（rad ）；T ——电机轴负载力矩（）
本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），，为丝杠牵引力，。，所以
T =
36⨯0.01[28.6+0.03⨯237]
2π⨯0.9⨯0.96
=2.37(N cm )
若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩 取安全系数为0.3，则
对于工作方式为二相八拍的三相步进电机
⑶、步进电机的最高工作频率
f max =
1000V max 1000⨯2.5
==4167(Hz )
60δp 60⨯0.01
4、步进电机惯性负载的计算 根据等效转动惯量的计算公式，得 J d 折算到电机轴上的惯性负载（Kg ²cm ） J 步进电机转轴的转动惯量（Kg ²cm ） J 滚珠丝杠的转动惯量（Kg ²cm ） M 移动部件的质量（Kg ） 转动惯量 算得J d =7.08
查表选用110BYG250型步进电机。电机的有关参数见表2-2。
表2-2 步进电机参数
2
2
2
2.6确定传动比
因为联轴器传动，所以传动比为1。
因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距，脉冲当量，系统传动比
Z 1δp ⨯3600.01⨯360i ====1
Z 2θb t 0.9⨯4
2.7联轴器选型
由转动惯量、丝杠公称直径等参数，选择HL2型弹性柱销联轴器。
三．电学部分硬件设计
一维数控工作台采用单片机控制，单片机系统包括：两路步进电机速度控制，测量头电
机控制，32KROM ，32KRAM ，6位LED 显示， 4³4键盘，2路编码器输入，4路模拟开关。
3.1 CPU板
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，他们具有功能强大，上手容易，使用方便，且均为8位，数据处理方便等优点。
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SST89E58RD 。
SST89E58RD 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128 B 、14位的计数器WDT 、IO 口共有32个。
3.1.2 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：
图3-1 CPU 外部接口示意图
SST89E58RD 要完成的任务：
（1）将行程开关的状态读入CPU ，通过中断进行处理，它的优先级别最高。 （2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。
（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED 上，实现人机交互作用。
由于SST89E58RD 只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且
在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行IO 扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8255，所以SST89E58RD 的IO 口线分配如下：
（1）P0口、P1口用于外扩两个8255来扩展IO 口； （2）P2.7、P2.6用于外扩8255; （3）P2.0用于电机控制; （4）P2.4用于编码器输入; （5）P2.5用于外扩EEPROM; 控制系统部分原理图： 外扩RAM 和
ROM:
3.2 驱动系统
传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。
3.2.1 步进电机驱动电路和工作原理
步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm ，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm 。
步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU 的
作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU 上使其烧坏。
图3-4 步进电机驱动电路图
该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A 相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D 起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W 串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。
3.2.2 电磁铁驱动电路
该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。
3.3 传感器和人机界面
人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简洁明了。此系统中共有6个LED ，4³4矩阵键盘。 设计原理如图：
图3-8 人机界面图
此部分数码管采用段点亮，此种方法设计虽然软件上写起来有些困难，但比起使用ZLG7289节约成本且对于初学者书本上讲的也是段点亮，因此考虑实用和应用层面，所以采用此种方法。
四．电学部分软件设计
系统初始化后通过键盘输入工作台要移动的距离，输入完毕后由单片机控制步进电机转动，同时采用数码管显示电机的转角，并将相应的值存到RAM 中，同时测量工作台移动距离由此确定电机转角控制的工作台移动距离。
中断1累加器计数关联移动距离，将累加器的值存在RAM 中不同于上述的单元中，以方便后续比较。
中断2将存储到的不同单元即电机控制工作台移动距离和工作台实际移动距离拿出来做比较，相同则说明工作台移动距离与设定相同所以不作处理，不同则说明工作台移动距离与输入值不符，则通过单片机进行控制来做矫正处理。
五．光学部分设计
5.1 总体方案
光学系统设计的目的是采用光栅副测量丝杠转角，该部分设计涉及到光源设计、准直镜设计、光栅副设计、光电探测器设计。
光源设计包括一般选取点光源，需要去定光源类型、型号，准直镜的作用就是叫光源的光变成平行光。
光栅副设计包括主光栅的栅距、缝长、缝宽设计，指示光栅结构、参数确定，零位光栅的选取，光栅间距的确定。
光电探测器类型，一般就采用光电三极管加比较电路处理，输出为矩形脉冲型号，可以很好的与数字电路驳接。
5.2 参数计算
设计要求：检测丝杠转角，步进电机走一步，编码器输出不小于5个脉冲信号，确定主要参数。
5.2.1 光源的类型型号确定
光源我们采用LED ，LED 的特点非常明显：寿命长、光效高、无辐射、低功耗。LED
的光谱几乎全部集中在可见光频段。这是采用普通光源不具有的优势。采用普通灯泡光源，为了使后续光电探测器的输出信号足够大，足够分辨，灯泡是需要有一定的功率。然而这样就带来两个问题：一是温升问题，二是灯泡寿命问题。对于高精度测量来说，光栅的温升会引起测量误差；灯泡的寿命太短要经常更换，也太麻烦。采用LED 类型光源就可以避免这种问题的出现。
查找资料，选取一款来自深圳的LED 光源，型号：SST-RC-12。名称：12V DC
Non-waterproof rigid 3528 LED light bar (105LEDs85cm)。
下面为该款电源的参数：
5.2.2 准直镜参数
1．透镜的通光口径的确定
以硅光电池直接接收式光路为例，为了提高莫尔条纹的反差，减少广源发散的影响，一般都采用平行光垂直照射光栅面，为此必须有准直透镜。
透镜的通光尺寸在平行于栅线方向上为，在垂直于栅线方向上为，则
、为灯丝的长度和宽度；L 为与传感器有关的值；、式中，和为灯丝发散角；为准直透镜焦距；分别为硅光电池的长度与宽度。 由上式的准直透镜的通光口径为 2 透镜的型式和焦距
在上述光路中，若栅距较大而两光栅之间间隙较小时，常采用单片平凸透镜，并使平面朝向灯丝以减小象差；在大间隙使用时，为了减小象差，特别是色差，提高莫尔条纹的反差，应采用双片平凸透镜，相对孔径不宜大于0.8，双片平凸透镜不宜大于1。两光栅间隙较大时，上述数据可适当减小。适当的缩短焦距，可使传感器结构紧凑，并能提高光电池上的照度。
准直镜的主要作用就是将光源的光束变成平行光，因此准直镜采用一般透镜即可，考虑
到安装长度，采用小焦距的透镜比较合适。采用焦距，直径为25mm 的透镜可以很好的将光源的光线变成平行光。25mm 的选择是考虑到丝杠直径为20mm 。
5.2.3 光栅副设计
光栅副包括主光栅以及指示光栅，零位光栅在实现原理很复杂：零位光栅测量系统是在
增量式光栅测量系统的基础上发展起来的一种新型测量系统。增量式测量方法是采用“置0”来选择工作原点的，它可以依据操作要求选在任一位置。零位光栅与普通光栅不同，它是一线红复杂的栅线序列，是一种非等间隔和非等宽度的明暗相间的光栅。所以设计中就没有设计零位光栅功能。
主光栅安装在齿轮一端，因此选择圆光栅。同时设计要求步进电机每走一步编码器至少
输出5个脉冲，步进电机的步距角为。从工程角度考虑，步进电机走一步，编码器输出6个脉冲。那么主光栅的栅距角为0.15°，光栅直径取20mm ，栅距0.026mm ，缝长为2mm ，缝宽默认为栅距的一半。采用2500线周的圆形光栅即可。而只是光栅采用直光栅即可，一般情况下指示光栅的参数与主光栅相同，即：栅距0.026mm ，缝长为2mm ，缝宽为1mm 。
5.2.4 光电探测器的选择
光栅传感器常用的光电接收元件主要有：①硅光电池②光电二极管③光电三极管。 ⑴硅光电池
硅光电池使用的特点是：工作面积大，不需外加电源，受光照面为整机，背光照面为负极，其结构为一薄片状，体积不大，外形有方形和圆形两种。也有做成多极的硅光电池。四极硅光电池其面积为10X10mm 2，这是光栅传感器经常使用的。
硅光电池的性能稳定，但响应时间长，约为，灵敏度较低，一般输出幅值为20~100mV。 ⑵光电二极管
光电二极管在电路中是反向工作的。它的响应时间短，为，灵敏度较高，输出幅值为100~200mV, 但在弱光下灵敏度较低，需要使用聚光镜。
光电二极管的峰值波长为，即输入光的波长在此范围内时，输出电流最大。
光电二极管有方形的，壳体面积为，圆形的壳体直径为，也有光电二极管组合件，它是将几个二极管做成一体。 ⑶光电三极管
光电三极管的电流灵敏度高，输出幅值达，响应时间为，其为定度也不如光电二极管，光电三极管峰值波长为，它也有组合件。
光电探测器包括光电传感器和调理电路，光电传感器我们采用光电三极管，后续调理电
路采用比较电路即可判别光栅移动以及产生矩形脉冲，脉冲可以直接连接单片机进行计数，
从而换算出转动角度。
下面原理图为光电探测器实现的基本思路：
光路图如下所示：
六、附录
参 考 文 献
[1] 王洪，刘扬. 机械设计课程设计. 北京交通大学出版社，2010
[2] 李广弟, 朱月秀，王秀山. 单片机基础. 北京航空航天大学出版社,2001 [3] 房小翠. 单片微型计算机与机电接口技术. 国防工业出版社,2002 [4] 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,2002 [5] 机械设计手册委员会. 机械设计手册. 机械工业出版社，2007
[6] 郑堤，唐可洪. 机电一体化设计基础. 机械工业出版社，2002 [7] 单成祥. 传感器的理论与设计基础及其应用. 国防工业出版社,1999 [8] 祝绍箕等. 光栅数字显示技术及其应用. 机械工业出版社,1992 [9] 李殿奎. 光栅计量技术. 中国计量出版社,1987 [10] 胡玉喜等. 应用光学. 中国科技出版社,1996
[11].王庆有. 光电传感器应用技术. 北京:机械工业出版社,2007 [12].何勇, 王生泽. 光电传感器及其应用. 北京:化学工业出版社,2004 [13].何希才. 传感器技术及其应用. 北京. 北京航空航天大学出版社,2000