普通数控铣床XY工作台与控制系统设计毕业设计

1、浙江工业大学本科毕业设计论文 本科毕业设计论文 论文题目：普通数控铣床X-Y工作台与控制系统设计 作者姓名 戴金华 指导教师 吴国献 所在院系 杭州技师学院机电系 专业班级 J1101 提交日期 _ 普通数控铣床X-Y工作台与控制系统设计摘 要随着现代信息技术的发展，以提高产品加工的生产效率为主的高度自动化和提高产品质量为主的精密化成为现代机械加工技术发展的两个主要方向。人们对数控机床、精密仪器和仪表以及各种精密机械设备提出了越来 的精度要求，X-Y工作台是这些设备实现高精密加工的重要部件，对于提高产品的加工起着尤为重要的作用。本论文针对铣床工作台机构及其控制系统进行设计，主要包括伺服电动机的

2、选型，滚珠丝杠的选型、强度校核及生产设计中应注意的问题,连接伺服电机和滚珠丝杠副的联轴器的选型，导轨的设计。通过对工作台机械传动链的系统设计以期满足机床进给系统的定位精度和静动态性能，从而确保机床的加工精度。关键字：X-Y工作台，伺服系统，滚珠丝杠，步进电机目 录摘 要II第一章 引 言11.1 国内外数控系统的发展概况11.2 数控技术的发展趋势11.2.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势11.2.2 多轴联动加工和复合加工机床快速发展21.2.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21.3 数控铣床X-Y工作台概述21.3.1 国内外的研究现状分析31.3.2 工作台的

3、应用31.3.3 发展趋势41.4 数控铣床系统XY工作台设计的目的4第二章 总体方案的确定52.1 数控铣床XY工作台设计的意义52.2 工作台设计任务52.3 机械传动部件的选择52.4 控制系统的设计6第三章 机械传动部件的计算与选型73.1 确定系统脉冲当量73.2 工作台外形尺寸及重量初步估算73.3 铣削力的计算83.4 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）83.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型103.6 减速齿轮计算设计133.7 角接触球轴承的选用、校核14第四章 步进电动机的计算与选型164.1 步进电机简介及原理164.2 步进电机的计算与选型174.3 步进电动机驱动电源的选

4、用22第五章 工作台控制系统的设计235.1 控制系统硬件电路设计235.1.1 单片机的简介与选用235.1.2 光耦合器235.1.3 常用存储器及其扩展电路设计245.1.4 常用I/O接口芯片及其扩展电路设计265.1.5 步进电动机的控制与驱动275.2 控制系统的部分软件设计275.2.1 存储器与I/O芯片地址分配275.2.2 步进电动机运行程序设计28第六章 总结与展望29参考文献30致谢3131第1章 引 言1.1 国内外数控系统的发展概况随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代

5、制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理。 1.2 数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了

6、革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：1.2.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产

7、线部分替代组合机床。在加工精度方面，近10年来，已由10um提高到5um，精密级加工中心则从3-5um，提高到1-1.5um并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.1um。为了实现高速、高精加工，与这配套的功能 部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。1.2.2 多轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何现状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头

8、结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。1.2.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象数控功能，形成系列化，并可方便地将用户的特殊

9、应用和诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造产业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1.3 数控铣床X-Y工作台概述X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光

10、加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图1.1。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。图1.1 X-Y数控工作台外形1.3.1 国内外的研究现状分析国家的繁荣是以其先进机器作为辅助，机床包括床身、立柱、工作台、进给机构等机械部件

11、。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的XY工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，工作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液压驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。1.3.2 工作台的应用目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，

12、现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。1.3.3 发展趋势随着国际上各种技术的突飞猛进的发展，工作台的功能也向多功能复合化发展，工作台也会不断采用数控技术、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着运行高速化、加工高精化、功能复合化、控制智能化等方向发展。1.4 数控铣床系统XY工作台设计的目的使工作台实现数控控制：让数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工；提升机床的加工精度、柔性、生产率和操控，实现计算机控制，排除人为误差，使零件的加工一致性好，质量稳定可靠；提升机床自动

13、化程度，降低操作人员劳动强度。能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论的有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过毕业设计，初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。第2章 总体方案的确定2.1 数控铣床XY工作台设计的意义工作台是机床上必不可少的部件，因此工作台的设计具有重要意义，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。XY

14、数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。降低成本，是微机控制技术的最简单的应用，它充分的利用了微机的软硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和劳动生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场经济的需要，使之更有效的发挥经济效益和社会效益。2.2 工作台设计任务主要技术指标：（1）设计数控铣床工作台机械系统；（2）设计参数：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击工作台的有效行程为，

15、快速进给速度 和工作载荷（3）驱动系统类型：电机选型、单片机选型；2.3 机械传动部件的选择（1）导轨副的选用 要设计的XY工作台需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。（2）丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和±0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。（3）减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝

16、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。为此，本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，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、伺服电动机拟采用相同的型号和规格。2.4 控制系统的设计（1） 设计的XY工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。（2） 根据技术指标中最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S5

17、2作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。（3） 要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、I/O接口电路等。（4） 选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。图2.1 步进电机控制XY轴系统总体框图第3章 机械传动部件的计算与选型机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。3.1 确定系统脉冲当量脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为±0.01mm，因此选择脉冲当量为0.005mm。3.2 工作台外形尺

18、寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量和。取X向导轨支撑钢球的中心距为400mm，Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm，设计工作台简图如下：图3.1 X-Y工作台简图X向拖板（上拖板）尺寸：长宽高 =420×400×50重量：按重量=体积×材料,比重估算为：Y向拖板（下拖板）尺寸：420×400×50上导轨（含电机）重量为：（900×480×82×800×35×50）×7.8××=487.97N夹具及工件重量约155N X-

19、Y工作台运动部分的总重量为W=487.97655.2655.21552000N3.3 铣削力的计算根据任务书，切向铣削力=2000N，采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：,，。现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向(丝杠轴线方向)，则纵向铣削力，径向铣削力为。3.4 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。

20、考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： （3-1）其中，移动部件重量W2000N，外加载荷，代入式得最大工作载荷=(500+750)N=1.25kN。查表根据工作载荷=1.25kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷，额定静载荷。其结构形式如下：图3.2 直线滚动导轨副1、导轨 2、滑块 3、返向器 4、密封端盖 5、注油杯图其主要参数如下：表3.1 JSA-LG15型直线滚动导轨副参数额定载荷静态力矩/N*m滑座重量Kg导轨重量Kg/m导轨长度L/mm动载荷KN静载荷KN7949.55555880.60

21、3.10640滑座个数M单行程长度S（m）每分钟往返次数n474任务书规定工作台的有效行程为, ,工作台面尺寸280×280mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表按标准系列，选取导轨的长度为640mm。（2）距离额定寿命L的计算上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过C，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数=1.0，温度系数=1.00，接触系数=0.81，精度系数=0.9，载荷系数=1.5，代入式，得距离寿命： （3-2）工作寿命的计算 （3-3）故导轨工作寿命足够。3.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1

22、） 最大工作载荷的计算如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）=2000N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直），受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）=750N。已知移动部件总重量W=2000N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： （3-4）（2）最大动工作载荷的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=2000mm/min，初选丝杠导程=6mm,则此时丝杠转速。任务书给定滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入,得丝杠寿命系数=300（单位为：106r）。查表，取载荷系数,滚道硬度为60HR

23、C时，取硬度系数,代入式，求得最大动载荷： （3-5）（3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3206-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径=32mm，导程=6mm，循环滚珠为4圈×1系列，精度等级取5级，额定动载荷=18292N，大于，满足要求。（4）传动效率的计算将公称直径=32mm，导程=6mm，代入，得丝杠螺旋升角=。将摩擦角=10，代入,得传动效率=95.5%。（5） 刚度的验算1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、

24、右支承的中心距约为a=600mm；钢的弹性模量E=2.1105Mpa;查表得滚珠直径=3.969mm，丝杠底径=27.2mm,丝杠截面积。丝杠的拉伸或压缩变形量在总变形量中占的比重较大，按忽略式中的第二项，算得丝杠在工作载荷作用下产生的拉/压变形量 （3-6）2）根据公式，求得单圈滚珠数Z=23；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为41，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=92。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=739N。则由式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量mm。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取=0.001mm。3）将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应

25、跨度600mm）=0.011+0.001=0.012mm=12本例中，丝杠的有效行程为400mm，由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315-400mm时，行程偏差允许达到25，可见丝杠刚度足够。（6） 压杆稳定性校核根据公式计算失稳时的临界载荷。取支承系数=1；由丝杠底径=27.2mm求得截面惯性矩26855；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值600mm。代入式，得临界载荷=51485N，远大于工作载荷=2216.25，故丝杠不会失稳。表3.2 G系列滚珠丝杠副尺寸参数规格代号公称直径导程滚珠直径丝杠底径丝杠外径循环列数额定载荷/NG3206-43

26、263.96927.231.241829247148螺母安装尺寸油杯LBhM50826760137712M6综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。3.6 减速齿轮计算设计为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。已知工作台的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=6mm， 初选步进电动机的步距角=0.75°。根据式，算得减速比：=（0.756）/（3

27、600.005）=2.5 （3-7）本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。因传递的扭矩较小，取大小齿轮模数均为1mm，齿数比为80：32，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为（80+32）1/2mm=56mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。如图3.3，薄片齿轮2与轴整体锻造而成，保证了机构的强度，薄片齿轮1套装在轴上，两片薄齿轮之间可作相对回转运动。图3.3 双片薄齿轮错齿调整机构1、2-薄齿轮 3-弹簧 4、8-凸耳 5-调节螺钉 6、7-螺母小齿轮齿数=32 大齿轮齿数=80分度圆直径： 齿顶圆直径： 齿根圆直径： 3.7

28、 角接触球轴承的选用、校核初选角接触球轴承7205CJ，其相关参数如下：内径d=15mm，外径D=35mm，轴承宽度B=10mm，a=11.6mm，额定动载荷，额定静载荷。轴承校核，受力图如下：图3.4 轴承部件受载示意图径向外载荷，轴向外载荷，轴向派生力，, , , 查得， ，查得，=1.2-1.8，取=1.4， （3-8）因为，所以只验算轴承1，又轴承样本可知：7205CJ轴承的额定动载荷。 （3-9）选用7205CJ轴承合适。第4章 步进电动机的计算与选型4.1 步进电机简介及原理步进电机是开环伺服系统的驱动元件，其控制系统的结构简单、控制容易、维修方便，控制为全数字化，。步进电机用电脉

29、冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的机械角位移。每给步进电机输入一个电脉冲信号，其转子轴就转过一个角度，称为步距角，转子轴的角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲信号输入的频率成正比，通过改变频率就可以调节电机的转速。图4.1 步进电机步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易

30、事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。4.2 步进电机的计算与选型（1） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径=32mm，总长L=600mm，导程=6mm，材料密度；移动部件总重力W=2000N；小齿轮齿宽=20mm.，直径=32mm，大小齿轮齿宽=20mm，直径=80mm；传动比i=2.5。算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量： （4-1）小齿轮的转动惯量：大齿轮的转动惯量

31、：工作台折算到丝杠上的惯量： （4-2）初选步进电动机的型号为90BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量=4 kg·cm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： （4-3）（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转

32、矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有：=+ （4-4）根据式 （4-5）考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：= （4-6）式中 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为S。其中： =1250r/min （4-7）式中 空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。将以上各值代人式，算得=1250r/min设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率。则由式求得： （4-8）

33、移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： （4-9）式中 导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005垂直方向的铣削力，空载时取0传动链效率，取0.7则由式求得：最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：=+=0.298Nm （4-10） 2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ （4-11） 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由式计算。本例中在对滚珠丝杠进行计

34、算的时候，已知沿着丝杠的轴线方向的最大进给载荷，则有： （4-12）再由式计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： （4-13）最后由式，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：=+1.0975 （4-14）经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为： （4-15）（3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足： （4-16）初选步进

35、电动机的型号为90BYG2602，查得该型号电动机的最大静转矩。可见，满足要求。（4）步进电动机的性能校核1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度=2000mm/min，脉冲当量/脉冲，电动机对应的运行频率。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩4Nm，远远大于最大工作负载转矩=1.0975Nm，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行频率。从图查得，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动时的负载转矩，满足要求。3）最快空载移动时电动机运

36、行频率校核 与快速空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为。查表知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。图4.2 90BYG2602步进电动机的运行矩频特性曲线4）起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。由式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为： （4-17）表4.1 90BYG2602步进电动机参数型号主要技术参数相数步距角/（）电压/V电流/A最大静转矩/（N.m）空载起动频率/Hz空载运行频率/Hz转动惯量90BYG260220.75100461800200004主要安装

37、尺寸bEL键9092703814251341076.6上式说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100（即100脉冲/s）。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。4.3 步进电动机驱动电源的选用从计算机输出口或从环形分配器输出的脉冲信号，电流只有几个毫安，不能直接驱动步进电动机。因此，需要一个功率放大器将脉冲电流进行放大，这个功率放大器就叫步进电动机的驱动电源。步进电动机的运行性能与步进电动机和驱动电源两者密切相关，设计或选择性能良好的驱动电源，对于充分发挥

38、步进电动机的性能是十分重要的。设计中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为1000VAC，相电流为4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图所示。图4.3 BD28Nb驱动电源接线图第5章 工作台控制系统的设计5.1 控制系统硬件电路设计X-Y数控工作台硬件系统设计时，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。X-Y数控工作台的控制系统设计，控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。本设计CPU选用ATMEL公司的8

39、位单片机AT89S52，由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大。5.1.1 单片机的简介与选用 8位单片机是目前品种最为丰富、应用最为广泛的微控制器，它在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信。家用电器等许多领域得到了广泛的应用。MCS-51系列是常用的8位单片机，Intel公司的MCS-51系列单片机硬件结构合理，指令系统规范，生产历史悠久，是目前全球用量最大的系列微控制器之一。ATME

40、L、PHILIPS等著名的半导体公司，以51系列内核开发出许多具有特色的MCS-51系列兼容微控制器，并改善了51系列的许多特性，例如：提高了速度。降低了时钟频率、加宽了电压范围、降低了产品价格。目前最流行的要属ATMEL公司推出的AT89C系列和AT89S系列，在本设计中选用AT89S52。5.1.2 光耦合器光电隔离是由光耦合器来完成的。光耦合器是以光为媒介传输信号的器件，其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。开关量电路在接入光耦合器之后，输入侧与输出侧的信号得到了电气隔离，互不影响。光耦合器的作用：（1） 信号隔离 将输入信号与输出信号进行隔离（2）

41、电平转换将输入信号与输出信号的幅值进行转换驱动负载 一些隔离驱动用的光耦合器件，如达林顿晶体管输出型和晶闸管输出型，不但含有隔离功能，而且还具有较强的负载驱动能力。下图为普通的信号隔离用光耦合器TLP521，以发光二极管为输入端，光敏晶体管为输出端，这种光耦合器一般用来隔离频率在100kHz以下的信号。图5.1 光耦合器TLP521TLP521系列光耦合器为目前广泛使用的普通晶体管输出的光耦合器。下图为TLP5211在开关信号输入电路中的应用。其输入端由+12V电源供电，输出端由+5V电源供电，且两端电源不共地，这样就达到了隔离的效果。图中的限位开关断开时，发光二极管无正向导通电流，不发光，输

42、出端的晶体管截止，输出信号（送到8255的PC0引脚）为高电平；限位开关闭合时，输入端构成回路，二极管有正向导通电流，开始发光，光明晶体管的基极获得电流，集电极和发射极导通，输出信号被拉低，于是8255的PC0引脚变成低电平，CPU读取后判断限位信号有效。图5.2 TLP521隔离输入的开关量5.1.3 常用存储器及其扩展电路设计1.程序存储器在机电控制系统中，目前用来扩展程序存储器的主要是EPROM芯片。EPROM芯片与CPU的连接分两种情况，一种情况是CPU本身不含EPROM，另一种情况是CPU自带EPROM。本设计选用CPU不含EPROM，选择MCS-51系列单片机中的AT89S52作C

43、PU，该芯片为无ROM型微控制器，现要扩展64KB的EPROM。EPROM选用W27C512，它是64KB的芯片，共有16条地址线，其中低8位的A0A7不能直接连到AT89S52的P0口，必须经过地址锁存器74LS373，AT89S52的地址锁存器允许信号ALE接至74LS373的LE端，用以传递锁存信号。ALE信号的下降沿把P0口输出的低8位A0A7锁入74LS373中。W27C512的输出允许信号OE是接地的，始终有效，故锁存器与其QOQ7是直通的，没有缓冲。应当注意：AT89S52的EA引脚必须接地；P2口已有部分引脚作地址线用，其余引脚就不能再作I/O口使用，只能闲置。AT89S52的

44、PSEN接W27C512的输出允许端OE,用以传递片外程序存储器的读选通信号。W27C512的芯片允许引脚CE接地，芯片始终处于工作状态。图5.3 AT89S52单片机外扩64KB的EPROM2.数据存储器在机电一体化设备的专用控制系统中，数据存储器通常选用静态RAM（SRAM）。因为在使用SRAM时，武学考虑刷新问题，且与CPU的连接简单。常用的SRAM芯片主要有6116（2K×8位）、6264（8K×8位）、62256（32K×8位）、628128（128K×8位）等。数据存储器的扩展与程序存储器的扩展，在地址线的处理上是相同的，所不同的是，除读选通

45、信号各异之外，尚需考虑写选通的控制问题。本设计选用6264芯片。5.1.4 常用I/O接口芯片及其扩展电路设计1.常用的I/O接口芯片常用的I/O接口芯片分为两大类：简单I/O接口芯片和可编程I/O接口芯片。（1）简单I/O接口芯片 主要包括锁存器和缓冲器。CPU在对这类芯片进行读/写操作前，不需要对其发命令字，功能比较单一，为不可编程型。在构成输出口时，要求具有锁存功能；在构成输入口时，要求具有缓冲功能。数据的输入、输出通常由CPU的读、写信号来控制。常用的锁存器有74LS273、74LS373、74LS374、74LS377等；常用的缓冲器有74LS244、74LS245、74LS240等

46、。选用锁存器74LS373。（2）可编程I/O接口芯片 可编程I/O接口芯片种类很多，常用的有Intel公司的外围器件，如可编程外围并行接口8255A、可编程RAM/IO扩展接口8155、可编程键盘/显示接口8279、可编程定时/计数器8253等。这些芯片都具有多种工作方式，可有CPU对其编程进行设定。选用可编程外围并行接口8255A2.简单I/O接口芯片的扩展电路设计选用74LS373扩展8为并行输入口，74LS373是一个带有三态门的8D锁存器。当外设准备好数据后，发出一个控制信号XT加到74LS373的触发端LE，使输入数据在74LS373中锁存。同时，XT信号加到AT89S52单片机的

47、中断请求端INT0。图5.4 74LS373锁存器3.可编程I/O接口芯片的扩展电路设计选用8255A可编程并行接口，8255A是Intel公司生产的可编程输入/输出接口芯片，它具有A、B、C三个8位的并行的I/O口，可选择三种工作方式。方式0为基本的输入输出；方式1为选通输入输出；方式2 为双向传送。8255A还能对C端口的任一位进行置位/复位操作。5.1.5 步进电动机的控制与驱动步进电动机的控制与驱动流程如图5.5所示。主要包括脉冲信号发生器、环形脉冲分配器和功率驱动电路三大部分。图5.5 步进电动机的控制与驱动流程5.2 控制系统的部分软件设计5.2.1 存储器与I/O芯片地址分配根据电路图中地址译码器U4（74LS138）的连接情况，可以算出主板中存储器与I/O芯片的地址分配，如表所示。表5.3 存储器与I/O芯片的地址分配外围器件地址选择线（A15A0）片内地址单元数地址编码6264000×, ××××, ××××, ××