1、齐齐哈尔大学毕业设计（论文）I齐齐哈尔大学毕业设计（论文）题 目基于 AVR 单片机与 CNC 的小型激光雕刻机设计学 院机电工程学院专业班级机电 134 班学 号 2013113006齐齐哈尔大学毕业设计（论文）II学生姓名 罗龙昇指导老师 吴 志 东成 绩2017 年 06 月 20 日齐齐哈尔大学毕业设计（论文）I郑重声明本人呈交的学位论文，是在老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文
2、的知识产权属于培养单位。本人签名: 日期：齐齐哈尔大学毕业设计（论文）II摘要激光作为新兴技术，发展速度飞快，该技术的运用范围也日渐宽广。激光雕刻是以 CNC 为基础的一种加工方法，以激光加工为主要加工手段，其优点是不直接接触雕刻材料的表面，不受机械运动接触面的影响，会产生摩擦痕迹。在本文中，采用了 ATMEL 328 单片机和 C 语言编程设计了小型激光雕刻机装置。本系统的设计中主要包括的模块为中央处理器模块、USB 通信模块、驱动模块、激光器继电控制模块、机械结构模块等部分，具有自动归位、中断后继续雕刻、印章对称雕刻等功能。系统主要采用 ATmel 328 型单片机构成中央处理器模块，通过
3、 USB 通信模块与上位机软件进行通信，通过上位机控制软件对雕刻机系统完成包括遥控激光头进行前后左右移动、开关激光器、自动雕刻图案等功能。机械传动结构部分采用丝杠、光杆、载物台等结构，通过与步进电机的结合，实现高精度的传动。关键词：Arduino 单片机；激光雕刻技术；步进电机；3D 打印齐齐哈尔大学毕业设计（论文）III齐齐哈尔大学毕业设计（论文）IVAbstractWith the development of the times, the development of laser technology is advancing by leaps and bounds, and the a
4、pplication of this technology is more and more extensive. Laser engraving is a kind of processing method based on CNC, with the laser processing as the main means of processing, the utility model has theadvantages of surface is not in direct contact with engraved material, no mechanical movement wil
5、l produce the effect of interface friction marks.In this paper, ATMEL microcontroller and C language program are used to design a small laser engraving machine system. The design of this system mainly includes the module as the central processor module, USB communication module, drive module, laser
6、relay control module, mechanical module part, with automatic reset and interrupt to seal carving, engraving function symmetry.The system is mainly used ATmel 328 type microcontroller to communicate through the central processor module, USB communication module and the PC software, through PC control
7、 software including remote laser head to move around, and automatically switch laser engraving graphics functions for the case of engraving system. The structure of mechanical transmission adopts the structure of lead screw, light rod and load stage, and realizes the high precision transmission with
8、 the stepping motor.Keywords:Arduino; laser engraving technology; stepper motor; 3D printing 齐齐哈尔大学毕业设计（论文）V齐齐哈尔大学毕业设计（论文）VI目录摘 要 IAbstractII第 1 章 绪 论 11.1 激光打印技术简介 11.2 本设计主要目标功能 1第 2 章 系统工作流程及控制原理 32.1 系统工作流程 32.2 控制方法设计 32.2.1 系统模块化设计 32.2.2 核心算法设计 4第 3 章 系统硬件设计 53.1 中央处理器模块 53.2 电机驱动设计 73.3 系统框架
9、设计 83.3.1 步进电机模块 93.3.2 装置结构设计 113.3.3 X 轴滚珠丝杠螺母副 113.3.4 Y 轴滚珠丝杠螺母副 143.4 步进电机相关参数计算 153.4.1 转动惯量计算 153.4.2 等效负载转矩计算 16齐齐哈尔大学毕业设计（论文）VII3.4.3 最大负载转矩计算 173.4.4 性能校核 17第 4 章 系统软件设计 194.1 软件开发环境介绍 194.1.1 Arduino IDE 介绍 194.1.2 Delphi7 软件简介 194.2 脉冲增量插补算法设计与实现 194.3 软件控制系统设计 214.3.1 步进电机控制 214.3.2 USB
10、 数控系统控制 224.4 系统主程序设计 234.5 其他软件部分设计 244.4.1 系统初始化模块 244.4.2 控制协议分析模块 244.4.3 指令任务执行模块 264.6 上位机软件设计 28第 5 章 系统测试 305.1 测试环境 305.2 激光雕刻机整机测试 305.3 激光雕刻机整机调试 30总 结 29参考文献 30附录 133齐齐哈尔大学毕业设计（论文）VIII致 谢 40齐齐哈尔大学毕业设计（论文）1第 1章 绪 论1.1 激光雕刻技术简介激光技术诞生于上世纪 60 年代，并在日常环境中得到了迅速的应用。相关理论研究成果增加。各种形式的激光器近年来发展迅速，技术范
11、围也不断扩大，周边产品也逐渐丰富多彩，导致社会产品种类和经济效益的变化更加明显。激光先进技术的运用也得到了多个科技发达国家深度研究，与此同时也获得了大量科技发展中国家的研究深入，同样这些国家也给与了该新兴技术大量的付出与探索。在上世纪科技发展的过程中，激光技术作为创新技术之一，是整个时代科学技术发展的重要标志。自 1980 以来，激光加工已被许多国家作为一个国家级的未来发展计划。这些计划的设计与实施给予了激光技术一个新的舞台，并逐渐编织了一个空前的新兴产业 1。大量先进的技术、各种生产加工方法，从而使得激光技术发展得到了显著的提高。激光作为一种新型的加工技术，已被广泛用作雕刻和切割的刀具。同时
12、，该技术也得到了迅速扩大。由于激光雕刻切割机的机床结构相对简单并且容易改造，设备运行期间摩擦小，本实用新型具有损耗低、精度高、改造应用广泛、上位机控制和软件设计可靠、易于再次开发等优点。由于在高功率的激光束，可以得到物体立即气化，雕刻成型的作用，物体表面的效果不是那么的准备，不会出现划痕或变形加工对象的不利影响，在这个过程中，裂缝很小，尤其是对 PLA 或 ABS 材料，处理干净的位置，没有加工过程中不会出现点接触应力、加工刀具、加工对象没有特殊的夹紧装置。并通过对激光技术的探索，使用，逐渐发现问题，可以使得该技术行业领域不断完善。所以，小型激光雕刻机的设计将会是大众化普及激光技术的一个直接途
13、径。价格高昂的数控雕刻机床让很多人望而却步，除非专业学者，普通人接触激光技术的机会目前而言还是小之又小，而小型激光雕刻机的设计，将激光雕刻技术从工业领域的专业运用变更成为随处可见的办公教学领域运用，普及了数控技术和激光技术，使得越来越多的人可以参与到数控激光机床的研究中 2。通过十分友好 UI 设计的上位机控制软件，机械结构部分设计精简，使得整个机床变得简介露骨、携带方便，使用简单大众化，但也支持专业的 Gcode 控制，它可以在机器学习与发展上有事半功倍的成效。齐齐哈尔大学毕业设计（论文）21.2本设计主要目标功能以 Arduino Uno 单片机为装置的心脏，该设计的小型激光雕刻装置的主要
14、功能设计与实现如下：1、采用弱光定位功能，通过脉冲宽度调制将激光头的功率降到相对较小的值，从而在雕刻前完成准备归位操作；2、在非金属物体表面，雕刻电脑传输图案，并将上位机控制软件的指令发送给单片机执行动作；3、支持中断雕刻，结束雕刻操作后，激光将自动返回原点的雕刻坐标，此时不移动电机的位置，断点直接继续雕刻指示，能够重复雕刻在先前中断的位置，以完成第一雕刻没有雕刻个别领域；4、支持印章的对称性印章雕刻，雕刻在橡胶垫或部分感光材料，成型后可以直接涂抹油墨使用；5、该软件可以手动操作，通过计算机软件来控制激光的操作；6、Arduino Uno 单片机完成传输，CPU 模块接收、数据处理、指挥控制。
15、齐齐哈尔大学毕业设计（论文）3第二章 系统工作流程及控制原理2.1 系统工作流程设备启动之后，在上位机软件 GRBL Controller 中可以进行设备初始化操作，使得机器的 X、Y 三个轴进行回零，在自动软件对刀出现问题的，需要人为的手工对刀，手工对刀之后软件会再次进行原点定位，系统工作流程如图 2-1 所示。软件可识别的为 NC 格式图纸，并且在打开软件的时候可以自动识别打开的图纸是否为有效的目标文件，在遇到非目标图纸时，GRBL Controller 会提供简单的图纸修复或者是图纸提取功齐齐哈尔大学毕业设计（论文）4能，修复的能力范围有限，提取出来的 NC 图可能会较之前格式图纸模糊或
16、者片面。在本系统的软件设计，Arduino IDE 作为整体发环境和 C 作为编程语言。Arduino IDE 集成开发环境，包括 AVR 编译器，AVR 系列单片机的调试功能，AVR ISP 下载功能和 JTAG I2C 模拟功能。图 2-1 系统工作流程图2.2 控制方法设计2.2.1 系统整体模块化设计根据设计要求，并且根据文献3-7中所述经验，本课题的基于 AVR 单片机与 CNC的小型激光雕刻机主要采用了模块化设计，在控制过程中可以分为以下几个模块：1、中央控制器模块该模块负责保证整个雕刻机的正常运行，使用了 AVR 系列中的 Atmel 328p 单片机作为控制核心，在雕刻机正常工
17、作的过程中负责控制步进电机的位置和激光头的开关，同时完成与上位机之间的通信（ISP）方式。2、电机驱动模块：该模块采用 3967SBL 驱动芯片，芯片板载含有逻辑设备，在芯片中具有固定中断时间的电流控制器，有各种各样的电流衰减模式。电流衰减控制方案可以有效抑制步手工对刀 自动确定激光头是否在原点自动雕刻图纸 软件自身修补识别图纸格式否是符合要求 不符要求齐齐哈尔大学毕业设计（论文）5进电机产生的杂音，提高电机精度，削弱运行过程中产生的能耗。3、激光头控制模块该模块采用继电器控制方法实现，相对芯片驱动开关，继电器控制方法具有稳定可靠，维修检查方便等优势。4、机械传动模块该小型激光雕刻机为了满足小
18、型工作场所和教学演示的工作环境，采用了拼装式的独立设计，主要用到 3D 打印的链接固定件、两相四线步进电机、木质框架，电机的传动方式主要采用丝杠和光杆导轨的方式带动激光头和载物台移动。2.2.2 核心算法设计在控制过程中采用的核心算法是数控插补算法，该算法主要解决了曲线图形的锯齿问题，使得 X 轴电机和 Y 轴电机配合完成曲线更加精细，可以提升设备整体工作过程中的精确程度。在该装置中采用的脉冲内插法（过程标量插值）的特点是，每个插补结果只在一个位移增量，这是输出到步进电机的电平信号，一种采用小段直线逼近曲线的补偿办法，补偿速度与进给速度密切相关，主要制约因素是步进电机响应速度，水平脉冲等效插值
19、法简单，通常采用积分法和移位运算。齐齐哈尔大学毕业设计（论文）6第三章 系统硬件设计3.1 中央处理器模块下位机核心控制模块由 ATMEL 328 芯片组成，因为 ATMEL 公司的单片机具有强大的计算功能，软件编程控制点对点，反应速度快，体积小，输入输出端口多，包含数据转换模块，适用领域广。电源由外部电源适配器供给，晶振有源输入时钟信号，控制模块能够正常工作；通过串口通讯模块连接到上位机，可以多次反复烧写程序，可以在线调试编程，并能通过上位机软件向单片机发送指令来实时控制整机稳定运行。核心控制模块电路如图 3-1 所示。图 3-1 核心控制模块电路图ATMEL 单片机是一个开源的软硬件平台，
20、通过 AVR 单片机的反复开发，简化了单片机引脚的使用，并有专门开发的编程语言。世界著名开源硬件项目诞生于意大利一所学院。马西莫的学生经常恼火，因为他们找不到合适的单片机来控制机器人。后来，马西莫和朋友戴维讨论过这个问题，他们决定自己来设计属于自己的电路板，并邀请学生 David Melis 设计该控制板的编程语言。一周后，设计完成。电路板，命名为 Arduino，这个名称来自于当地的一个bar。Massimo 认为，开放源代码可以产生一个更广泛的应用，使 Arduino 的关注率逐齐齐哈尔大学毕业设计（论文）7渐增加。所以他把设计数据张贴在网上。马西莫的愿景，在短短的几个月内，Arduino
21、用户增长迅速，热心的爱好者提出了许多改进的电路和扩展的编程语言。表 3-1 主要性能参数晶振有三种操作模式，在三种差异操作模式中有一个符合需求的最佳工作频率。通过设置 CKSEL3，操作晶振的模式也会受到影响，如表 3-2 所示。表 3-2 晶体振荡器工作模式CKOP TCKSEL31 频率范围 (MHz)电容 C1 和 C2 的推荐使用范围(pF)1 101 0.4 - 0.9 1 110 0.9 - 3.0 12 - 22工作电压 1.8V-5.5V外部供电电压 7V-12V最大外部供电电压（不推荐） 20V数字输入/输出口 14PWM 610 位 ADC 8 / 6(DIP)单个输入/输
22、出管脚的直流电流值 30mAFlash Memory 32KBEEPROM 1KB时钟频率 16MHz齐齐哈尔大学毕业设计（论文）81 111 3.0 - 8.0 12 - 220 101, 110, 111 1.0 12 - 22该芯片具有哈佛体系结构，具有独立数据和程序总线，因此具有最佳的性能和并行性。程序存储器中的指令流水线在所有级别上运行。每次 CPU 执行命令时，读取下一个命令以实现单时钟周期指令。在芯片中，一般工作寄存器的设计是在寄存器中快速存取，你需要访问它，只有一个时钟周期是必须的，因此，ALU 的操作可以是一个单一的时钟周期的想法成为现实。当 ALU 操作有两个相同的操作数时
23、，寄存器将同时访问，然后将执行，结果将被发送到主控制器的过程，也只需要一个机器周期。数据空间可以通过间接寻址寄存器指针来处理，当一个使用内存地址指针时，一个指针也可以用来定位数据表。寄存器和常量之间的操作可以由 ALU 自动处理，并且一个寄存器可以执行 ALU 操作。ALU 执行后，状态寄存器可以获取并显示新的结果。无条件跳转和命令调用导致程序流，所以您可以直接寻址整个地址空间。在程序顺序存储空间中，有一个引导块和应用区域，它们都具有特定的锁定、定位和读写保护功能。SPM 指令可用于引导程序区，存储中断存储在堆栈中，当调用子程序时会调用程序计数器。通用数据 SRAM 的大小也会影响机器查询速率
24、的大小。在芯片中设计了一个易于使用的中断模块。控制寄存器的设计和应用在 I / O 空间，和全局中断 EA 位被设计在状态寄存器。如果优先级较低，任何中断都会在中断表中有单独的离散中断，这意味着它的地址级别越来越高。3.2电机驱动设计该模块采用 L9110S 电机驱动芯片，电路设计如图 3-2 所示。齐齐哈尔大学毕业设计（论文）9图 3-2 L9110S 电机驱动芯片每一个 EasyDriver 可以为两相四线步进电机输出大概每相 700mA 的启动电流。它默认为 8 步细分控制方式（所以如果电机是 400 步循环，换做 easydriver，它是 3200步循环），和更多的细分模式可以通过连
25、接 MS1、MS2 的配置，或两个接地引脚，基于步进电动机驱动芯片细分模式的电路断路器。表 3-3 细分模式表MS1 MS2 细分模式低 低 全步（2 相）高 低 半步低 高 1/4 步高 高 1/8 步其主要工作原理是：L9110S 连接单片机的 IO 口。收到指令后送到上位机，单片机发送相应的水平，该 L9110S 芯片根据内部程序，一个 L9110S 芯片包含的两输入两输出引脚，两相四线步进电机需要两 9110s 端口 14 来完成对步进电机的输出线序。该 L9110S 芯片，本设计采用单片机控制，电机驱动，其中包含相应的离散电路装置，有两组输入和输出端口，减少外围电路的设计，以降低成本
26、，同时也使得系统的安全性能有了显著提高。这两个输入配置与 TTL / CMOS，这是高和低水平兼容。它们配置在芯片内部，具有良好的抗干扰特性，在输出部分，每个输出可以输出约 800 毫安的电机电流并直接反向旋转，瞬时峰值电流可以达到 2A；该芯片是能够保持稳定，各种电机或电磁设备没有风险的驱动器，因为它是安装一个钳二极管内部，饱和电压齐齐哈尔大学毕业设计（论文）10芯片，以减少不利影响，可能会导致当司机可以减少。L9110S 的电气性能介绍如表 3-4 中所示。表 3-4 电气性能符号 参数 最小 典型 最大 单位最大 Vcc 电源电压 2.2 5 12 伏特最大 Iout 输出的电流 - 8
27、00 1000 毫安vHin 输入的高电平 2.2 5 12 伏特vLin 输入的低电平 0 0.45 0.6 伏特最大 Pd 允许电源消耗 - - 800 毫瓦Topr 能操作温度 -35 25 80 摄氏度L9110 的封装如图 3-3 所示，本设计采用 SOP8 封装模型。DP 后缀塑料封装(DIP8)SO 后缀塑料封装(SOP8)图 3-3 L9110 封装图3.3系统框架设计该模块主要由两相四线步进电机、螺杆、光杆和 ABS 板组成。通过三维印刷滑块齐齐哈尔大学毕业设计（论文）11和步进电机相结合，步进电机可以驱动滑块。机械传动结构分为 X 轴和 Y 轴滑动滑块，X 轴加载激光管，水
28、平移动存储面板上的 Y 轴，雕刻物体放在面板上，纵向前后移动，以完成雕刻的功能。3.3.1 步进电机模块根据文献8-10所提供经验，本设计中使用的是两相四线步进电机，如图 3-4 所示。图 3-4 两相四线步进电机本设计中使用的是二相四线步进电机。一般来说，步进电机的旋转角度是每一个时间步长，由单片机发送相应的脉冲，得到相应的位移角，是“步进”，以步进电机控制。当步进电机不过载时，它的位置、频率和速度通常由脉冲的数量控制而不改变负载。因此，精确的定位可以控制的角度位移的脉冲数，和脉冲频率也可以调整到步进电机的速度。一般来说，大多数步进电机的接线可以用彩色线来区分，由于不同厂家的步进电机，产生不
29、同颜色的线条，所以用万用表来测试步进电机的引脚并确定线的顺序是必要的。步进电机的内部结构，如图 3-5 所示，A 和 A 是相通的，B 和 B 是相通的。所以，A 与 A-是一个组，B 与 B-则是另外一个组。齐齐哈尔大学毕业设计（论文）12图 3-5 步进电机内部结构图步进电机的静态相关参数如下：1、相位数：这个参数通常用 m 表示，它是指不同磁场中线圈相对值的对数。2、静转矩：当电机处于额定静止状态时，电机不转，电机轴锁定转矩。3、节拍数：一般 n 表示它是由于周期性的变化，相应的磁场应该有一个脉冲数，或者它可以表示为它的角度，在它变成一个牙齿，应该是脉冲的数目。4、定位力矩：指当电机不运
30、转时转子本身的锁定力矩。5、步进角：指通过控制系统每次发出脉冲信号时电机转动的角度。用 表示，与通常的结果 等于 360 度（乘以转子齿数 J *运行拍摄数）如果使用 45 相齿步进电机，例如，运行角为 1.8 度（通常称为整步），而八次跳动为 0.9 度（通常称为半步）。步进电机的主要特点：1、步进电机的精度误差不累加。通常计算每一步之前和之后应达到的每一步的误差。在每一步中所示的理论结果是不相关的，如 1.8 度的步距角和精度为 5%，即，每一步的误差范围在台阶角的 5%以内，即每一步与理论位置之间的夹角偏差小于 0.09 度。齐齐哈尔大学毕业设计（论文）132、电机表面可以承受的最高温度
31、。首先，无法控制的过热导致电机产生退磁，因此，对于步进电机来说，它能承受的最大温度是不同磁性材料的退磁点。他们常常停止退磁在 120 摄氏度，有的材料可以达到 190 摄氏度，六十摄氏度或七十摄氏度的电机表面温度，运行正常，不需要担心电机由于高温操作和损坏。3、电机的力矩随着转速的降低而上升。电机工作时，电机产生反向电动势。频率越低，反电动势越小。因此，电机的速度降低，扭矩将上升。4、电机的转速高于一定值，然后产生噪声，但也没有正常工作的方式，但是，当速度下降，就可以开始工作。步进电机由于其明显的特点，在这一技术的不断发展和各种技术的不断进步中发挥着不可替代的作用。今后，经过一定的研发力度，使
32、用步进电机将不断拓宽并变得更加普及。步进电机的主要特性：1、步进电机的驱动信号必须是脉冲信号。当没有脉冲时，步进电机处于静止状态，如果加上合适的脉冲信号，它将以一个角度旋转（称为步进角）。频率正比于旋转速度和脉冲。2、通常情况下，3x16 脉冲具有 7.5 度的步进角使三相电动机正常转动，所以计划应充分考虑应用程序时。3、在许多情况下，步进电机必须立即控制，它的立即启动和紧急停止能力可以满足需求。4、为了改变步进电机的转向，需要调整相应的时序 11。3.3.2 装置结构设计由于该装置是微型桌面级设备，根据文献12所提供经验，在机械结构上采用了结构相对简单的门字形布局，设备的主要结构包括底座、导
33、轨、丝杠、工作台、主轴组件、门字框以及激光座等部分组成，如图 3-6 所示。两个 10mm 厚的 L 形木板，底部和 Y 轴滑动固定为立柱，两块板的上部还与木板连接，使整体更加稳定。这种机床其齐齐哈尔大学毕业设计（论文）14实就是一台小型化的数控铣床，但它与数控铣床又有显著的不同，其速度快，体积小，拆装方便。1-步进电机丝杠，2-轴承，3-步进电动机，4-导轨，5-支撑板，6-门字框。图 3-6 装置结构设计该装置整体框架采用木质结构，从材料上直接减少了整个装置的重量，由于设备的体积和工作过程中产生的震动较小，所以该结构可以满足正常工作过程中设备的稳定性。3.3.3 X轴滚珠丝杠螺母副小型雕刻
34、机 X 轴的受力分析，等效轴向载荷 X 轴丝杠，然后计算出预期的螺纹底径和最小允许负荷，然后根据预期额定动载荷和允许的最小螺纹底径确定型和螺丝的大小，根据该选择滚珠丝杠副的选择和支持滚动轴承。确定丝杠的当量载荷，雕刻机卸荷时，X 轴的轴向载荷是由导轨摩擦力引起的。计算 X 轴导轨的摩擦力查文献机械设计计算手册与现代数控机床结构与设计 13-14知：X 轴方向的导轨的受力情况，计算摩擦力的公式如下：齐齐哈尔大学毕业设计（论文）15对 X 轴导轨有：(3-1)22244acWblFf设 ， , , ,取动摩擦因数 。15m=a20b=cNW102 1.0则有：(3-2)2221 44acWblFf
35、将相关数据代入公式，经过计算后可得 。N2.71当螺杆的载荷大小与其速度成正比时，其速度的可能与数值相同，然后用下面的公式计算：(3-3)32minaxFm将相关数据代入计算得： NFm6.1832根据预期的操作距离，公式如下：(3-4)(3NfFPLCcawmhSam其中：精度等级，精度等级由 7 级精度决定，应采取 0.8 级精度；af可靠系数，按 95%，取 0.62；cf齐齐哈尔大学毕业设计（论文）16负荷系数，轻微震动，取 1.2；wf将 的值代入公式，则 。mF2.16mC估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量 查阅相关资料可知：在一般情况下m定位精度，且有定位精度大于脉冲当量。已知脉冲
36、当量为 0.01，所以5/14m此处定位精度可取 0.02，而有 ，这里取 。m05.4.m02.计算了滚珠丝杠的最小螺纹底径，并采用了螺杆两端的安装方法，公式如下：(3-5)mOmoLFEd039.102式中：-导轨的静摩力0F-最大允许的轴向变形量m-两个固定支承之间的距离（mm）L（1.11.2）行程+（1014）P hX 轴丝杠：L =197 毫米长度， F0 = 34.4n，这些数据将被计算后用来寻找最小螺纹底径计算得 3.44mm。确定滚珠丝杠副的规格代号及尺寸所选丝杠应满足： ， ，但 不宜过大。md2amC2d对 X 轴丝杠有： =3.44mm， =166.2N2a丝杠螺纹长度
37、满足以下公式：Ls=Lu+2Le(3-6)齐齐哈尔大学毕业设计（论文）17该式中 Lu 是丝杠的行程，Le 是余程，查阅相关资料得：当 Ph=5mm 时其余程Le=20mm。所以对 X 轴丝杠有：Ls=197+220=237mm。其中温差t=2.5，代入式（3-4）中得：Fm=219N。轴承所承受的最大轴向载荷的计算公式如下：(3-7)mBFaxma将 Fmax 及 Ft 值代入到式（3-7）中得： =246N。maxBF两个 25 度的角接触球轴承螺钉放置在两侧每侧的背靠背的两个滚动轴承布局，双向固定不仅可以用于滚动轴承的轴向和径向方向，还可以进行对双螺杆的轴向两端修复。轴承直径应满足： ，
38、预加负载荷 ， 。所以选择2dFBPFmax 31=的角接触球轴承，其满足直径 且预加负载荷为 。2m=d 2.m=d 82N位973.3.4 Y轴滚珠丝杠螺母副所需的力的分析方向 Y 轴雕刻机螺丝，我们可以得到等效轴向负载 Y 轴螺丝，然后计算预期的额定负荷和最小螺纹的底径可以根据预期额定动载荷和允许的最小螺纹底径确定的类型和尺寸的螺钉，根据对滚动轴承支承选用滚珠丝杠副的选择。查机械设计手册知：Y 轴方向的导轨的受力情况，计算摩擦力的公式如下：对 Y 轴导轨有：雕刻机空载时有以下公式：(3-8)1WFf雕刻机在刀具负荷的最大速度，以下公式：(3-9)）（ vf1齐齐哈尔大学毕业设计（论文）1
39、8设 ，取动摩擦因素 。60N=W10.1=计算螺杆的轴向载荷。以下公式适用于 Y 轴螺钉和雕刻机无负载：(3-10)11WFf雕刻机在刀具负荷的最大速度，以下公式：(3-11)）（ vLfLF12将相关数据代入计算得： ， 。NF617.312当螺杆的载荷大小与其速度成正比时，其速度的可能与数值相同，然后用下面的公式计算：(3-12)32minaxmF相关数据代入计算得：对 Y 轴丝杠有： 。NF1.232m根据运行距离 来求 ，其计算公式如下：LsaxFfCeam(3-13)NfFPLCcawmhSam3如果螺钉装有预紧力，则公式如下：(3-14)maxFfea其中：精度等级，按 7 级精
40、度来取值，其应取 0.8；af可靠系数，按 95%，取 0.62；cf齐齐哈尔大学毕业设计（论文）19负荷系数，轻微震动，取 1.2；wf把 的值代入，则比较两式的计算结果，取较大值作为预期额定动载荷，所以mF。NC5.206a查阅相关资料可知：在一般情况下 ，且有定位精度脉位5/14m冲当量。已知脉冲当量为 0.01，所以此处定位精度可取 0.02，则有，这里取 。mm05.4.0.2=丝杠采用两端固定的安装方式，因此其计算公式如下： mOmoLFEd039.102式中：-导轨的静摩力0F-最大允许的轴向变形量m-两个固定支承之间的距离（mm）LhP)140()2.1(行 程对 Y 轴丝杠有
41、： ， ， ，将这些数据代入，经计算m3L20N=Fm2得： 。dm69.23.4步进电机相关参数计算3.4.1 转动惯量计算根据文献15-17所述，进给系统的主要参数之一是在步进电机中加入的总惯性矩，对电机的选择具有重要意义。 主要包括电机转子的转动惯量、减速器的传动惯量、qJ齐齐哈尔大学毕业设计（论文）20匀速区螺杆和运动部件等，转换为电机轴： 。dVrJq2其中 为体积个数， 为密度， 为体积元素与转轴的距离。单位 ，机组负dV 2kgm荷质量转换为电机输出轴传动惯量，则选用滚珠丝杠计算模型：(3-15)23102GLBPxWJq其中 W：可动部分的总重量kg、BP：丝杠螺距mm、GL：减速比。控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程，如图 3-7 所示。图 3-7 加减速过程给定加速度时间和最大速度，可以得到电机的脚加速度：(3-16)2max/srdt3.4.2 等效负载转矩计算在不同的工作条件下，步进电机轴轴承的负载转矩不同，通常考虑两种情况：快速空载启动（工作负载为 0），另一种是最大工作负载。VMaxV 匀速
