題目：數控迴轉工作台設計
專業： 機電一體化
班級： 本科09春機電專業
學生姓名： 高創
指導老師： 郭婷
學生學號
完成日期： 2023年04月20日
目錄1. 摘要3
2. 任務與分析1
3. 總體方案的設計2
3.1總體方案的設計2
3.2機械部分的設計4
3.2.1蝸桿蝸輪的配合5
3.2.2角接觸球軸承的選擇6
3.2.3步進電機的選擇7
3.3控制面板的布局及按鈕的功能設計8
3.4控制系統的設計
4. 結論
5. 感想與謝辭
6. 參考文獻
1.摘要
隨著數控技術的普及，現在越來越多的裝置都離不開這項技術了。本課程設計說明書圍繞數控技術展開了一系列的討論和說明。首先，為滿足課程設計的要求，控制系統採用的是mcs-51微控制器控制系統，該系統的效能較好，**也還算公道，比較適合完成此課程設計（即數控分度轉台的設計）的相關任務。
但由於mcs-51微控制器的驅動能力有限，不能直接帶動工作台旋轉，所以還必須外接乙個驅動器，所以驅動電路的設計在此說明書中占有比較大的比例，根據設計任務的要求，可採用開環控制的步進電機驅動電路。當然整個系統離不開機械部分的支援，所以機械部分的設計也尤為重要，此說明書主要針對步進電機、軸承的選擇，以及蝸桿蝸輪的配合等做了相應的闡述。
關鍵詞：數控技術 mcs-51微控制器驅動電路蝸桿蝸輪
2.任務與分析
為進一步鞏固與機電一體化相關的知識，特撰寫了這本關於利用mcs-51微控制器控制的數控分度轉台的設計說明書。該設計以數控技術為核心展開了一系列的討論，主要包括機械部分的設計和控制系統的設計兩大部分，此課程設計以「簡約而不簡單」的總原則，設計出了一套價效比高、勞動強度弱、操作簡單及可靠性好的數控分度轉台，該數控分度轉台所能達到的功能主要包括以下幾點：1.
迴轉角度為0~360°；2.最大迴轉半徑為200mm；3.所能承受的最大重量為20kg；4.
分度精度為100＇＇；5.由鍵盤輸入分度角度；6.分度角度顯示為5位；7.
迴轉的最大速度為20轉/分鐘。它所應用的領域比較廣泛，主要用於精密的機械加工裝置、各類醫療裝置、各類軍事裝置等。需要說明的是，該說明書上的許多東西都是理論上的，還缺乏足夠的實際應用，該裝置目前還未投產。
3．總體方案的設計
3.1數控分度轉台總體設計
數控分度轉台根據其特點，大致包括以下主要部件：
1. 完成最終功能的機械執行部件（即產品的機械裝置）；
2. 操作者操縱產品的工作以及了解產品的工作狀態的操作面板；
3. 處理操作指令的控制系統；
4. 對控制系統發出的控制訊號進行發大以及驅動相應裝置的驅動電路。
如圖（一）
步進電機接線
3.2 機械部分的設計
機械部分的總體設計如下圖：
3.2.1 步進電機的選擇
首先必須要明白步進電機的工作原理，它將是電脈衝訊號變為角位移或線位移的開環控制項，所以步進電機常用於開環系統的控制，這一點剛好能滿足課程設計中開環控制的要求。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決於脈衝訊號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響，即給電機加乙個脈衝訊號，電機則相應轉過乙個角度（這個角度叫做步矩角，是步進電機中乙個很重要的引數）。由於這一線性關係的存在，加上步進電機只有週期性的誤差而無累計誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變得非常很方便，其次，還要知道雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機並不能像普通的直流電機、交流電機在常規下使用，因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。
要正確地選擇步進電機，還必須清楚它的特性，主要有以下幾點：1. 步進電機必須加驅動才可以運轉，驅動訊號必須為脈衝訊號，沒有脈衝的時候，步進電機靜止，如果加入適當的脈衝訊號，就會以一定的角度轉動。
轉動的速度和脈衝的頻率成正比；2. 步進電機電機具有瞬間啟動和急速停止的優越特點；3.改變脈衝的順序，可以方便地對步進電機進行調整。
要根據轉矩和步矩角選擇合適的步進電機，綜上所述，可選擇型號為dm39系列的步進電機，步矩角為1.2度，保持轉矩為
步進最高轉速為900轉/分鐘。
3.2.2蝸桿蝸輪的配合
蝸桿蝸輪配合常用來傳遞兩交錯軸之間的運動和動力，它主要有以下的一些特點：1.可以得到很大的傳動比（i可達7~80），比交錯軸斜齒輪機構緊湊；2.
兩輪嚙合面為線接觸，其承載能力大大高於交錯軸斜齒輪機構；3.蝸桿傳動相當於螺旋傳動，故傳動平穩、噪音很小；4.具有自鎖性。
當蝸桿的導程角小於嚙合輪間的當量角時，機構具有自鎖性，可實現反向自鎖，即只能由蝸桿帶動蝸輪，而不能用蝸輪帶動蝸桿，如在重機械中使用的自鎖蝸桿機構，其反向自鎖性可起到安全保護作用；5.傳動效率低，磨損較嚴重；6.蝸桿軸向力較大；7.
常用於間歇工作的場合。 蝸桿傳動的這些特點剛好符合本課程設計的相關要求 。另外，還必須清楚蝸桿傳動的基本引數包括模數m，壓力角，蝸桿直徑係數，導程角，蝸桿頭數，蝸輪齒數，齒頂高係數以及頂隙係數。
其中，模數和壓力角是指蝸桿軸面的模數和壓力角，即蝸輪端麵的模數和壓力角，且均為標準值；蝸桿直徑係數q為蝸桿分度圓直徑與其模數的比值。
蝸桿傳動比i=蝸桿的轉速/蝸輪的轉速，蝸桿的轉速即是步進電機的轉速，蝸輪的轉速即是分度轉台的轉速。分度轉台的最高轉速；要求為20轉/分鐘，由於步進電機的最高轉速為900轉/分鐘，由此能計算出蝸桿傳動比為900/20=45。
3.2.3 角接觸球軸承的選擇
由於此機構主要承受軸向方向的載荷，以及部分的徑向載荷，在此部分選擇角接觸球軸承是最合適不過的了，因為角接觸球軸承可同時承受徑向載荷和軸向載荷。 要知道接觸角是角接觸球軸承中乙個很重要的引數，它直接決定了角接觸球軸承軸向方向的承載能力，接觸角越大，軸向承載能力越大，但精度會略微減小。單列的角接觸球軸承只能承受乙個方向的軸向負載，在承受徑向負荷時，將引起附加軸向力，並且只能限制軸或外殼在乙個方向的軸向位移，這不是我們想要的，若是成對雙聯安裝，使一對軸承的外圈相對，即寬端面對寬端麵，窄端面對窄端麵，這樣既可避免引起附加軸向力，而且可在兩個方向使軸或外殼限制在軸向遊隙範圍內。
課程設計要求能承載的最大載荷為20kg，分度精度為100』』，可選擇接觸角為25度的、7000ac型的角接觸球軸承，最好選擇進口的skf軸承（因為該軸承相對於其他軸承而言，效能更好），為避免產生附加的軸向力，採用成對雙聯安裝方式，保持架的材質可選擇性能優異，壽命相對較長的合成樹脂。
3.3控制系統的設計
3.3.1 操作控制面板的功能設計及按鈕的布局設計
布局如圖（三），包括lcd顯示器（用於顯示五位分度角度）、數字鍵0~9（用於輸入分度角度）、left和right鍵（用於左右移動游標）、up和down鍵（用於增加或減少每一位的數值）、回零按鈕（用於分度轉台的機械回零）、顯示器開關按鈕、報警指示燈、串列埠rs232指示燈以及enter鍵（完成輸入分度角度之後，按下此鍵分度轉台轉過相應的角度）。
序列通訊電路接線圖
序列通訊pcb接線圖
3.3.2 控制系統的設計
首先要明確控制系統的基本硬體包括：cpu、儲存器（程式儲存器rom和資料儲存器ram）、i/o介面電路等。由於微控制器具有以下的特點：
1.優異的價效比；2.整合度高、體積小、可靠性高。
微控制器把各功能部件整合在一塊晶元上，內部採用匯流排結構，減少了各晶元之間的連續，大大提高了計算機的可靠性與抗干擾能力，另外，其體積小，對於強磁環境，易於採取遮蔽措施，適合在惡劣環境下工作；3.控制功能強。為了滿足工業控制的要求，一般微控制器的指令系統中有豐富的轉移指令、i/o的邏輯操作以及位處理功能。
微控制器的邏輯控制功能及執行速度均高於同一檔次的微機；4.低功耗、低電壓，便於生產可攜式產品；5.微控制器的系統擴充套件和系統配置較典型、規範，容易構成各種規模的應用系統。
由於微控制器具有以上的特點，微處理可選擇mcs-51的微控制器。
mcs-51的微控制器共有四個8位的並行i/o口，分別記作p0、p1、p2、p3,也就是說一共有32個介面，由於課程設計所完成的功能比較簡單，32個介面足夠用了，不需要再進行擴充套件i/o的設計，但要知道這四個8位的並行i/o口都有相同的特殊功能暫存器，並且具有位元組定址和位定址的功能，每個口都包含乙個鎖存器，乙個輸出驅動器和輸入緩衝器，其中p0口的驅動能力最強，可驅動八個lsttl負載，其他口只能驅動四個，另外p3口具有第二功能（包括rxd、txd、int0、int1、t0、t1、wr、rd）。
mcs-51的微控制器與控制面板的鏈結設計如圖（四）：
3.3.3 驅動電路的設計
在步進電機已選擇好的情況下，再來對驅動電路進行設計，因為步進電機對驅動電路有如下的要求：1.驅動電路的通電數、通電方式、驅動電壓、驅動電流都必須能滿足步進電機的要求；2.
驅動電路的設計要滿足步進電機起動頻率和連續執行的要求；3.能最大限度抑制步進電機的振盪；4.工作可靠，抗干擾能力強，能承受一定的過載；5.
成本低，效率高，安裝和維護方便。
另外，還必須知道步進電機驅動電路的基本組成部分，主要包括：脈衝發生器、脈衝分配器和脈衝功率放大器三個部分，具體執**況如下：指令——脈衝發生器——脈衝分配器——脈衝功率放大器——步進電機。
在不同的機電應用系統中，步進電機各部分有所不同。根據課程設計任務的要求，選擇脈衝的產生和分配均由mcs-51微控制器來完成的方式，輸出脈衝訊號經功率放大器放大再進入步進電機。
經過多方綜合的考慮，選擇繼電器驅動方式（因為繼電器方式的開關量輸出是最常見的輸出方式，通過弱電控制外界的交流或直流的高電壓、大電流裝置，繼電器驅動電路的設計要根據所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，控制電流一定要大於繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作），具體的介面電路如圖（五）
繼電器的動作由微控制器的p0.0端控制，p0.0端輸出低電平時，繼電器j吸合；p0.
0端輸出高電平時，繼電器j釋放，採用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或微控制器受控復位時不吸合。
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