精密数控转台设计文档格式.docx
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2.任务与分析……………………………………………………………...1
3.总体方案的设计…………………………………………………………2
3.1总体方案的设计………………………………………………………2
3.2机械部分的设计………………………………………………………4
3.2.1蜗杆蜗轮的配合……………………………………………………5
3.2.2角接触球轴承的选择………………………………………………6
3.2.3步进电机的选择……………………………………………………7
3.3控制面板的布局及按钮的功能设计…………………………………..8
3.4控制系统的设计………………………………………………………..
4.结论…………………………………………………………………………
5.感想与谢辞…………………………………………………………………
6.参考文献……………………………………………………………………..
1.摘要
随着数控技术的普及，现在越来越多的设备都离不开这项技术了。
本课程设计说明书围绕数控技术展开了一系列的讨论和说明。
首先，为满足课程设计的要求，控制系统采用的是MCS-51单片机控制系统，该系统的性能较好，价格也还算公道，比较适合完成此课程设计（即数控分度转台的设计）的相关任务。
但由于MCS-51单片机的驱动能力有限，不能直接带动工作台旋转，所以还必须外接一个驱动器，所以驱动电路的设计在此说明书中占有比较大的比例，根据设计任务的要求，可采用开环控制的步进电机驱动电路。
当然整个系统离不开机械部分的支持，所以机械部分的设计也尤为重要，此说明书主要针对步进电机、轴承的选择，以及蜗杆蜗轮的配合等做了相应的阐述。
关键词：
数控技术MCS-51单片机驱动电路蜗杆蜗轮
2.任务与分析
为进一步巩固与机电一体化相关的知识，特撰写了这本关于利用MCS-51单片机控制的数控分度转台的设计说明书。
该设计以数控技术为核心展开了一系列的讨论，主要包括机械部分的设计和控制系统的设计两大部分，此课程设计以“简约而不简单”的总原则，设计出了一套性价比高、劳动强度弱、操作简单及可靠性好的数控分度转台，该数控分度转台所能达到的功能主要包括以下几点：
1.回转角度为0~360°
；
2.最大回转半径为200mm；
3.所能承受的最大重量为20Kg；
4.分度精度为100＇＇；
5.由键盘输入分度角度；
6.分度角度显示为5位；
7.回转的最大速度为20转/分钟。
它所应用的领域比较广泛，主要用于精密的机械加工设备、各类医疗设备、各类军事设备等。
需要说明的是，该说明书上的许多东西都是理论上的，还缺乏足够的实际应用，该设备目前还未投产。
3．总体方案的设计
3.1数控分度转台总体设计
数控分度转台根据其特点，大致包括以下主要部件：
1.完成最终功能的机械执行部件（即产品的机械装置）；
2.操作者操纵产品的工作以及了解产品的工作状态的操作面板；
3.处理操作指令的控制系统；
4.对控制系统发出的控制信号进行发大以及驱动相应设备的驱动电路。
如图
（一）
相数
三相
步距角
1.2º
步距角精度
±
5％（整步，空载，无累积误差）
电阻精度
10％
电感精度
20％
温升
80º
CMax（额定电流）
环境温度
-20º
C～50º
C
绝缘电阻
100MΩMin，500VDC
介电强度
500VAC，1分钟
径向间隙
0.06Max（450g负载）
轴向间隙
0.08Max（450g负载）
径向最大负载
220N（距法兰面20mm）
轴向最大负载
60N
电气规格（ElectricalSpecification）
型号
Model
额定电压
RatedVoltage
（V）
电流/相
（峰值）
Current/Phase
（A）
保持转矩
HoldingTorque
（N·
m）
转动惯量
RotorInertia
（g·
cm2）
轴径
ShaftDiameter
ΦD
（mm）
键
Key
重量
Weight
（Kg）
机身长度
ShaftLength
适配驱动器
DM397H
325
1.75
2.0
1320
12
4×
20
69
DMDT68
DM397L
40
5.8
DM3910H
4.0
2400
3.0
97
DM3910L
DM3913H
2.25
6.0
3800
14
125
DM3913L
3480
外型尺寸（MechanicalDimensions）（单位mm）
步进电机接线
3.2机械部分的设计
机械部分的总体设计如下图：
分度转台
步进电机
3.2.1步进电机的选择
首先必须要明白步进电机的工作原理，它将是电脉冲信号变为角位移或线位移的开环控制元件，所以步进电机常用于开环系统的控制，这一点刚好能满足课程设计中开环控制的要求。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则相应转过一个角度（这个角度叫做步矩角，是步进电机中一个很重要的参数）。
由于这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常方便，其次，还要知道虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用，因此用好步进电机并非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
要正确地选择步进电机，还必须清楚它的特性，主要有以下几点：
1.步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度转动。
转动的速度和脉冲的频率成正比；
2.步进电机电机具有瞬间启动和急速停止的优越特点；
3.改变脉冲的顺序，可以方便地对步进电机进行调整。
要根据转矩和步矩角选择合适的步进电机，综上所述，可选择型号为DM39系列的步进电机，步矩角为1.2度，保持转矩为7.6N.m。
步进最高转速为900转/分钟。
3.2.2蜗杆蜗轮的配合
蜗杆蜗轮配合常用来传递两交错轴之间的运动和动力，它主要有以下的一些特点：
1.可以得到很大的传动比（i可达7~80），比交错轴斜齿轮机构紧凑；
2.两轮啮合面为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构；
3.蜗杆传动相当于螺旋传动，故传动平稳、噪音很小；
4.具有自锁性。
当蜗杆的导程角小于啮合轮间的当量角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能用蜗轮带动蜗杆，如在重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起到安全保护作用；
5.传动效率低，磨损较严重；
6.蜗杆轴向力较大；
7.常用于间歇工作的场合。
蜗杆传动的这些特点刚好符合本课程设计的相关要求。
另外，还必须清楚蜗杆传动的基本参数包括模数m，压力角，蜗杆直径系数，导程角，蜗杆头数，蜗轮齿数，齿顶高系数以及顶隙系数。
其中，模数和压力角是指蜗杆轴面的模数和压力角，即蜗轮端面的模数和压力角，且均为标准值；
蜗杆直径系数q为蜗杆分度圆直径与其模数的比值。
蜗杆传动比i=蜗杆的转速/蜗轮的转速，蜗杆的转速即是步进电机的转速，蜗轮的转速即是分度转台的转速。
分度转台的最高转速；
要求为20转/分钟，由于步进电机的最高转速为900转/分钟，由此能计算出蜗杆传动比为900/20=45。
3.2.3角接触球轴承的选择
由于此机构主要承受轴向方向的载荷，以及部分的径向载荷，在此部分选择角接触球轴承是最合适不过的了，因为角接触球轴承可同时承受径向载荷和轴向载荷。
要知道接触角是角接触球轴承中一个很重要的参数，它直接决定了角接触球轴承轴向方向的承载能力，接触角越大，轴向承载能力越大，但精度会略微减小。
单列的角接触球轴承只能承受一个方向的轴向负载，在承受径向负荷时，将引起附加轴向力，并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移，这不是我们想要的，若是成对双联安装，使一对轴承的外圈相对，即宽端面对宽端面，窄端面对窄端面，这样既可避免引起附加轴向力，而且可在两个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内。
课程设计要求能承载的最大载荷为20Kg，分度精度为100’’，可选择接触角为25度的、7000AC型的角接触球轴承，最好选择进口的SKF轴承（因为该轴承相对于其他轴承而言，性能更好），为避免产生附加的轴向力，采用成对双联安装方式，保持架的材质可选择性能优异，寿命相对较长的合成树脂。
3.3控制系统的设计
3.3.1操作控制面板的功能设计及按钮的布局设计
布局如图（三），包括LCD显示器（用于显示五位分度角度）、数字键0~9（用于输入分度角度）、Left和Right键（用于左右移动光标）、Up和Down键（用于增加或减少每一位的数值）、回零按钮（用于分度转台的机械回零）、显示器开关按钮、报警指示灯、串口RS232指示灯以及Enter键（完成输入分度角度之后，按下此键分度转台转过相应的角度）。
串行通讯电路接线图
串行通讯PCB接线图
3.3.2控制系统的设计
首先要明确控制系统的基本硬件包括：
CPU、存储器（程序存储器ROM和数据存储器RAM）、I/O接口电路等。
由于单片机具有以下的特点：
1.优异的性价比；
2.集成度高、体积小、可靠性高。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连续，大大提高了计算机的可靠性与抗干扰能力，另外，其体积小，对于强磁环境，易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作；
3.控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中有丰富的转移指令、I/O的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机；
4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品；
5.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
由于单片机具有以上的特点，微处理可选择MCS-51的单片机。
MCS-51的单片机共有四个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3,也就是说一共有32个接口，由于课程设计所完成的功能比较简单，32个接口足够用了，不需要再进行扩展I/O的设计，但要知道这四个8位的并行I/O口都有相同的特殊功能寄存器，并且具有字节寻址和位寻址的功能，每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器，其中P0口的驱动能力最强，可驱动八个LSTTL负载，其他口只能驱动四个，另外P3口具有第二功能（包括RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD）。
MCS-51的单片机与控制面板的链接设计如图（四）：
3.3.3驱动电路的设计
在步进电机已
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