工作台设计手册详解

专业课课程设计设计阐明书

设计题目：数控X・Y工作台设计

学生：洪炎丰

学号：

班级：机制1062

指导教师：张健、李伟洪

广东海洋大学工程学院机械系

2010年2月28日

目录

序言...............................................3

摘要........................................................4

设计目的...................................................4

设计规定...................................................4

总体方案设计...............................................5

机械系统设计计算...........................................6

1、确定脉冲当量.....................................................6

2、确定传动比.......................................................6

3、滚珠丝杠螺母副的选型和校核.......................................7

4、步进电动机的选型和计算..........................................11

5、导轨的I选型和计算.............................................13

6、启动矩频特性校核.................................................14

控制系统设计...............................................18

第一节控制系统硬件日勺基本构成.............................18

第二节步进电机控制电路....................................18

步进电机控制程序设计.......................................20

其他电路辅助设计..........................................24

设计总结..................................................24

参照文献25

序言

据资料简介，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是数年累积生产的一般机床。这些

机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代

既有时机床，无论从资金还是从我国机床制造厂日勺生产能力都是不可行H勺。但尽快将我国既

有的部分一般机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，怎样改造就成了我国既有设

备技术改造迫切规定处理的重要课题。

在过去及1几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力尤其是微电

子技术、计算机技术的应用发展很快。反应到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程

度，乂能提高加工日勺精度，现已经有某些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后

的机床既满足了技术进步和较高生产率的规定，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也

使改造后的设备适应能力加大了许多。这愈加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性

和迫切性。

由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，假如把旧机床设备所有以新型机床替代，国

家要花费大量日勺资金，而替代卜.的I机床又会闲置起来导致挥霍，若采用改造技术加以现代化，

则可以节省50%以上的资金。从我国的详细状况来训:，一套经济型数控装置的价格仅为全功

能数控装置於11/3到1/5,一般顾客都承担得起。这为资金紧张口勺中小型企业的技术发展开创

了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。

据国内资料记录订购新的数控机床的I交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此

机床的数控改造就成为满足市场需求口勺重要补充手段。

在机械工业生产中，多品和I、中小批量甚至单件生产是现代机械制造日勺基本特性，占有

相称大的比重。要完毕这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数

控机床是最能适应这种生产需要H勺。

从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与老式技术相

结合的基础之上。通过理论上口勺推导和实践使用H勺证明，把微机数控系统引入机床H勺改造有

如下几方面的长处：1）可靠性高；”柔性强；#易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此

在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，减少生产成本，用较少的资金投入而

得到较高的机床性能和较大的经济效益。

摘要

本课程设计是对铳床.进行改造，目的在于培养对机电一体化产品的设计能力，重点是

对所学知识的巩固和加强，为毕业设计及未来的工作打下坚实的基础。

本课程设计由序言、设计规定、总体方案、进给系统设计、控制系统设计，以及对应元

件的选择与确定和主程序框图、数控化电路原理构成。由于本人经验局限性，以及对知识掌

握程度的限制，设计过程还存在某方面的错漏，敬请老师提出宝贵意见。

设计目的

数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一种重要的实践环节，学生学完技术基

础课和专业课，尤其是“数控技术及应用”课程后应用口勺，它是培养学生理论联络实际、

处理实际问题能力的重要环节。本课程设计是以机电一体化H勺经典课题一-数控系统设计方

案的确定为主线，通过对数控系统设计总体方案的确定'进给伺服系统机械部分设计，计

算以及控制系统硬件电路的设计，使学生可以综合应用所学过的机械、电子和微机方面的

知识，进行一次机电结合的全面训练，从而培养学生具有初步设计计算H勺能力以及分析和

处理生产过程中所碰到的问题的能力。

设计规定

课程设计是机床数控系统课程口勺卜分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立对

的的设计思想，理解有关H勺工业政策，学会运用手册、原则、规范等资料；培养学生分析问

题处理问题H勺实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完毕

规定的设计任务。

课程设计口勺内容是改造设备，实现如下几部分内容的设计训练。如精密执行机构（或装

置）的设计、计算机I/O接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。

阐明书H勺内容应包括：课程设计题目总体方案确实定、系统框图日勺分析、电气执行

元件的I选用阐明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分派器等）的

阐明。

该课程设计的内容及措施，可以归纳如下：

1.采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。重要考虑计算机的选择

或单片机构成电路口勺选用、接口电路、软件编制等。

2.选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。重要考虑计算机H勺选择或单片机构成电路

的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。

3.精密执行机构的设计。重要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构

或机械执行元件U勺重要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等）,

进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。

4.学会使用手册及图表资料

总体方案设计

一般来讲，一般铳床的数控改造重要有两部分，一是设计一套简易微机数控X-Y工作台,

固定在铳床小JT作台上。二是将控制铳刀上、下运动口勺手柄拆去，改用微机控制步进电机通

过一级减速装置使铳头上下运动。本设计只对X-YT作台进行设计。取锦床步进电机日勺脉冲

当量可选为0.01mm/脉冲，步进电机口勺步距角0.9°。

方案

1.系统运动方式确实定

数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，持续控制系统。假如工件相

对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。数控铳床在工作台移动过程中铳头

并不进行铳孔加工，因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的规定是迅速定位，保

证定位精度。

2.伺服系统H勺选择

伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制H勺伺服系统

存在着控制精度不能到达较窗水平H勺基本问题，不过步进电机具有角位移与输入脉冲的严格

对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，并且在负载能力范

围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环

系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，构造比较简朴，易于控制系统的实现与调试。

并且伴随电子技术和计算机控制技术日勺发展，在改善步进电机控制性能方面也获得了可喜的

发展。因此，在一定范闱内，这种采用步进电机作为驱动执行元件H勺开环伺服系统可以满足

加工规定，合适于在精度规定不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现

高精度的位置伺服控制提供了也许，然而由于在详细的系统中，增长了位置检测、反馈比较

及伺服放大等环节，除了在安装调试增长工作量和复杂性外，从控制理论口勺角度看，要实现

闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在一般立式铳床上进

行改造，精度规定不是很高，为了简化构造，减少成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。

3.执行机构传动方式确实定

为保证数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，一般提出低摩擦、

低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有合适阻尼比的规定。故在设计中应考虑如下几点：

1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等。

2）尽量消除传动间隙。如步进电机上的传动齿轮采用偏心轴套式消隙构造。

3）缩短传动链。缩短传匆链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧以提

高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴

向固定，并加预拉伸的构造等提高传动刚度。X-Y工作台传动采用滚珠丝杠螺母传动副和滚

动导轨。

4.计算机系统的选择

计算机数控系统一般由微机部分、I/O接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、

检测电路等几部分所构成，在简易数控系统中，大多采用8位微处理器的微型计算机。怎样

采用Z80CPU或MCS-51单片机构成U勺微机应用系统。

Z80CPU有芯片价廉，通用性强，维修以便等特点。MCS-51单片机具有集成度高、可靠

性好、功能强、速度快和很高日勺性能价格比等特点。通过比较，对于简易数控机床推荐采用

MCS-51系列单片机作为主控制器。

5.实行

保留原机床主传动链，保留铳床工作台和控制工作台移动手柄，在原工作台上安装一套

微机数控的X-Y工作台。由于X-Y工作台的运动部件重量和切削力不大，因此选用有预加载

荷的滚珠导轨。采用滚动导轨可减小两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动

平稳性，减小振动。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按原则选用，为到达辨别率0.01mm

规定，需采用齿轮降速传动。

综上所述，本文改造的总体方案确定为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由

I/O接口输出步进脉冲步进电机经一级齿轮减速后，带动丝杠转动，从而实现工件H勺纵向、

横向运动，同步为了防止意外事故，保护微机及其他设冬，还设置报瞥，急停电路等,

机械系统设计

设计参数

系统分辩率为0.01mm,其他设计参数见下表:

最大铳刀直最大铳削最大铳削加工材料工作台加工最大移动

径①mm宽度3c深度ap范围（mm）速度

20mm8mm6mm碳钢x=2OO,y=I5O3m/min

机械系统设计计算

1.脉冲当量确实定

根据机床精度规定确定脉冲当量，考虑到机械传动系统H勺误差存在。脉冲当

量值必须不不小于定位精度值。本次设计确定脉冲当量为0.01mm/步.

二.铳削力分析与计算

铳削运动的特性是主运动为铳刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工

件在垂直于铳刀轴线方向缓慢进给（键槽铳刀可沿轴线进给）.铳刀的类型诸多，但

以圆柱铳刀和端铳刀为基本形式，此选用圆柱铳刀，铳刀材料选择高速钢.根据工

件材料为碳钢可确定铳削力日勺计算公式：

072

FZ=9.81CFZ-•a,'•dj"，•ap•Z

式中各参数如下：

CFZ-----铳削力系数，CFZ=68.2（表2-3）

a..-----最大铳削宽度，本设计为8mm

背吃刀量，本设计为3mm

Z------铳刀齿数，齿数取3

do------圆柱铳刀直经，查得d°=20mm（技术指导）

a,------每齿进给量（mm/齿），即铳刀每转一种齿间角时，工件与铳刀BU相对

移动量，查得aK）.10mm/齿（技术指导）

故：

Fz=9.81X68.2X80,86X0.10072X20^86X3X3=547N

2.齿轮传动比计算

进给齿轮箱传动比计算

已确定进给脉冲当量5尸0.01mm滚珠丝杠导程L「4mni,初选步进电机步距

角0.9。。

可计算出传动比i：

i二&'=0.9X4/360X0.01=1

360篇

因传动比为1,这时可以使步进电机直接与丝杆联接，有助于简化构造，提

高精度。

3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型

（1）计算进给牵引力（N）

滚珠丝杠上的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承

受H勺轴向力，也叫做进给牵引力。直线滚动导轨H勺计算公式：

Fm=KF,.+f(Fv+Fc+G)

式中K考虑颠覆力矩影响的试验系数，矩形导轨K=l.l

『-----滚动导轨摩擦系数:0.0025-0.005；这里取0.005

G------移动部件口勺重力(N)：G=600N

FL-----工作台纵向进给方向载荷

Fc---工作台横向进给方向载荷

Fv---工作台垂直进给方向载荷

由表2-4查得，Fl./Fz=0.90,F,=0.9Fz=493N

F.-/Fz=0.80,F,=0.8Fz=438N

F/Fz=0.40,F、,=0.4Fz=219N

Fm=l.1X493+0.005X(438+219+600)=548N

(2)计算最大动负载C

滚珠丝杠最大动载荷可用卜.式计算

6=^fnFm

60/7/

1000v

,

v=atZn

式中：L一工作寿命、以10,转为单位。

fm—运转系数，按一般运转取fm=1.2〜1.5;这里取fm=1.5。

心…滚珠丝杠工作载荷（N）

t一使用寿命，按15000h；

n-----丝杠日勺转速

U-滚珠丝杠导程，初选U=4mm：

v—最大切削力下欧|进给速度

a—每齿进给量（mm/齿）aK）.06mm/齿

Z——铳刀齿数，Z=5

n1-一铳刀转速,区别与以上丝杠转速n,n-取为1000r/min

v=0.06X5X1000=0.3m/min

n=1000r=（］（jo。x0.3）/4=75r/min

%

L=〈0*':’二（60义75X15000）/100=67.5r

106

C二VLfmF=4.1X1.2X858.17=3.35kN

（3）螺母副日勺选型

根据最大动载荷和公称直径选外循环滚动螺母副，选用中国-南京工艺装备

制造有限企业生产区IFFZL型内循环螺纹预紧螺母式滚珠丝杠副,规格代号为

FI7L2023-3,公称直径:20mm,滚珠直径为Dw=3mm,圈数X列数=3X1,螺距为4mm,

螺旋升角为4=3°38'。

(4)传动效率计算

7/二上一

吆(4+。)

式中2——丝杠螺旋升角，2=3°38'

(P一一摩擦角，取10'

〃二一—二0.064/0.0664=0.9638=96.4%

吆(4+9)

(5)刚度验算

先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图4-20所示，最大牵引力为

548N,支承间距L-500皿丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷日勺

1/30

Jm

Z1J1

图4・20纵向进给系统计算简图

[1]丝杠日勺拉伸或压缩变形量。

2土等

L一丝杠的工作载荷（N）；

L一滚珠丝杠在支承间H勺受力长度（mm）：I=500mm

E一材料的弹性模量，对钢E=20.6Xl()4Mpa;

2

A一滚珠丝杠按内径确定的截面积(rnm)0

A=3.14Xd2/4=3.14X16.974=224.3mm2

故：①二±(548X500/20.6X104X224.3)=±0.0059(mm)

[2]滚珠与螺纹滚道间接触变形久

有预紧：

&'=0.0013X/T7~~~~~2(mm)=0.0014mm

D1,一为滚珠直径(mm),D=3mm；

Z2一为滚珠总数量：ZE=ZX圈数X列数

Z一为一圈的滚珠数，外循环Z二班二3.14X20/3=21；

故：ZE=21X3X1=63；

4”一为滚珠丝杠的I公称直径（nmi）,dm=20mm

&一为预紧力，此处单位为kgf,为轴向工作载荷的1/3时,

FYJ=FL/3=493/3=164N=16.8kgf

耳〃一为滚珠丝杠工作载荷，单位为kgf。Fn=548/9.8=55.9kgf

有预紧：

B、'=0.0013X3房~~~72(mm)

3it二1/2L&'=0.0014mm

[3]滚珠丝杠副刚度区)验算

丝杠的总变形量6=伪+&应不不小于容许的变形量。一般S不应不小于机

床进给系统日勺定位精度的二分之一：

6=及+-2=。-0059+0.0014=0.0073<0.025/2min=0.0125mm(定位精度的二分

之一)。

(6)压杆稳定性验算

验算滚珠丝杠尺寸和支承方式后，应验算丝松在承受最大轴向载荷时与否会

产生纵向弯曲。滚珠丝杠一般属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将

使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷R(N)为

二fz^EI

k~L2

E一为材料的弹性模量，对钢E=20.6X10'Mpa;

I一为截面惯性矩，对丝杠圆截面：

I=nd,4/64=3.14X16.9764=4002.2mm4

L一丝杠最大工作长度(mm)；L=500mm

fz一为丝杠支承方式系数，这里滚珠丝杠的支承方式采用一端固定一端简支

的方式,因此式=2

22

FK=fz7TEI11}=2X3.14X20.6X1O'X4OO2.2/5002.0731X10^

nk=Fk/Fm=2.0731X107548=37.8>[nk]=4

因此，该滚珠丝杠不会失稳。

Enk]一许用稳定性安全系数，[m]=2.5〜4

4.纵向步进电机的计算和选型

一、初选步进电机57BYG4504,步距角。尸0.9°

悬42,满足规定・

，360

二、矩频特性：

等效转动惯量计算

1.滚珠丝杠转动惯量

432

Js=0.78DLX10(kf•cm)

L-—丝杠长度，设定为500mm=50cm

D—丝杠公称直径，D=20mm=2cm

2

Js=0.78X2,X50X103=o.624kg・cm

2.工作台转动惯最

Jc=(L/2n)2M

Lo------丝杠导程,L产4mm=0.4cm

M一--工作台质量,M=62kg

Jc=(O.4/2X3.04)2X62=0.248kg•cm2

3.联轴器转动惯量

根据钢日勺直径为(20,22)选用定位螺丝固定平行式联轴器，型号为

SLK2-100-0608(广州菱科自动化设备有限企业)，查得：

Ji=0.068kg•cm'

4.步进电机转子转动惯量

根据初选电机型号,查得转子转动惯量为：

Jz=0.46kg•cm2

故：JE=JS+JG+L+JZ=0.634+0.248+0.068+0.46=1.462kg-cm2

三、步进电机所需空载启动日勺计算M辅

町=吸+%+%

Mka——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩(N•cm)；

M,z一一为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩(N•cm)；

一一电丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。

(1)加速度力矩

Mka=JEX2XnXnmaxX10V60t(N•cm)

nmux=vmax0b/3608p

t——运动部件从静止启动加速到最大迅速所需口勺时间，t=0.3s

v-x—运动部件最大快进速度(mm/min),min=3000mm/min

Ob——初选步距角，0尸0.9°

nmax--与运动部件最大快进速度对应日勺电机最大转速(r/min)

故：nmax=3000X0.9/(360X0.01)=750r/min

Mka=l.462X2X3.14X750X10760X0.3=3.83N-cm

(2)空载摩擦力矩My

MkWL/2nqi(N・cm)

G——运动部件的总重量(N),G=600N

/'一导轨上H勺摩擦系数，/'=0.005;

q--传动系统总效率，一般取q=0.7—0.85,这里取n=0.85

心一滚珠丝杠基本导程，L,二0.4cm.

空载摩擦力矩：

陈kG/'Lo/2nni=600X0.005X0.4/(2X3.14X0.85X1)=0.225N•cm

(3)附加摩擦力矩也

MO=FYJLO(1-n2)/2nni

n一丝杠未预紧时日勺传动效率，一般取%23.9,这里取九二0.96；

Fyj一预加载荷，一般为最大轴向载荷的%，即F”=%F/183N

Mo=183XO,4X(1-0.960/(2X3.14X0.96X1)=0.950N・cm

上述三项合计：

步进电机空载启动力矩：^kg=Mka+Mkf^Mo

=3.83+0.225+0.950

=5.005(N•cm)

步进电机名义启动力矩：

从产品系列及性能参数根据电机型号查出步进电机为四相八拍；

从表2T7根据电机拍数查出启动转矩最大静转矩扎q与最大静转矩日勺关系为

Mkq/MjBaxl=O.707

故:Mjmaxi=Mkq/0.707=4.58/0.707=6.471N•cm

运动部件正常工作(数控机床为工作台开始工进)时，电动机H勺启动为带负

载启动，其总负载转矩儿可按下式计算

Mfq=Mka+Mkf+Mo+Mf-

M”F'L/2nni(N-cm)

b一-作用在工作台日勺合力，

222

F'=(FL+FV+FC)"2=694.4N

Mr--合力片折算到电机上日勺转矩

故：=694.4X0.4/(2X3.14X0.85X1)=52.01N•cm

Mfq=5.005+52.01=57.015N•cm

运动部件正常运行时所需的最大静转矩

Mjmax2-Mlq/0.5=57/0.5=114N•cm

根据电机型号查得步进电机最大静转矩:4N-m二140N-cm

因此Mjmax>Mjmax2>Mgxl

初选电机型号时应满足步进电机所需空载启动力矩不不小于步进电机名义启动

力矩，即此w'max力…因此初选电机57BYG4504能满足规定。

5.导轨日勺选用与校核

初选滚动导轨

选用中国•南京工艺装备制造有限企业依JGGBAA-AAL四方向等载荷型滚动直线导

轨副，其额定载荷C°a为6.8KN,Ca为6.07KN,参数如下：单位mm

导轨副额定额定

滑块尺寸油林尺寸导轨尺寸额定力矩

尺寸整M

型号里根

CCo町啊■c

HWB-4%KTT：如L：LjGMdXDXhF最大

000(KN)(N.m)(N.m)(N.n)

长度Lmay

45X7.5X

2415.5474538「94711H55840.52.5341615605006076.8555555888

5.3

2)对导轨进行按下式进行校核:

7_C°jHfife

I"w

式中：L为滚动导轨副的距离额定寿命(km)本设计L定为50km；

Q为额定载荷，查表Q=6.07kN；

F为每个滑块上H勺工作载荷(N)F本设计设定为588N；

/〃为硬度系数，导轨面H勺硬度为58-64HRC时/〃=1.0；

分为温度系数，当工作温度不超过100°C时，fT=\；

人.为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时4.=031;

fw为载荷/速度系数，无明显冲击振动或v<60nVmin时，fw=1.5-2这里选择工丫二2。

Ca=Fx\[LJ5dxfw^fHfTfc)

=588XV50T50X24-(1X0.81X1)

=1361N<[Cj=6.07kN

因此所选导轨满足规定。

1）滚动导轨的润滑与防护

滚动导轨采用润滑脂润滑。常用牌号为ZL-2锂基润滑脂（GB/7324-87,2号）。它的

长处是不会泄漏，不需常常加油；缺陷是尘屑进入后轻易磨损导轨，因此防护规定较

高。易被污染又难防护H勺地方，可用润滑油润滑。

本设计的防护装置采用伸缩式。

6、启动矩频特性校核

部件电机有三种工况：启动、迅速进给运行、工进运行。

前面提出欧JM&,仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩与否满足规

定，不过不能保证电机在迅速启动时不丢步。因此，还要为启动矩频特性进行校核。后来还

要对快进、工进时的运行矩频特性作校核。

图1步进电机启动

步进电机启动有突跳启动和升速启动，一般突跳启动很少使用。在升速启动中，步进

电机从静止状态开始逐渐升速，（如图1所示）在零时刻（tl=O）,启动频率f10。在一段时

间△口内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机到达了最高运行速度，即九力…

在整个升速、均匀运行、降速过程中，步进电机所走的步数与应当完毕的输入指令脉冲总数

相等。升速时间Atl足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩AL中的加速力矩项应,不会很

大，一般不会出现丢步现象，不过减少了工作效率。升速时间Atl过短，则步进电机启动

力矩中口勺加速力矩项M就会很大，因此需要校核启动矩频特性。

图2

由图2初选步进电机的启动矩频特性曲线中，可知空载启动力矩M=0.05N-M值所对应

时容许启动频率fyq=11000Hz>fq=1200Hz,步进电机会不丢步。

（2）电机迅速进给矩频特性较核

最高运行频率fa

1000曦X

60%

式中：vIIlilx——运动部件最大快进速度

1000k1000x3

=5000Hz

60^,-60x0.01

快进时已经不存在加速力矩项Ma,并且一般处在空载状态，故迅速进给力矩

MJK=M&/+Ma

其中：Mo为附加摩伯力矩(N-cm),卜品为快进时的折算到电机的摩榛力矩(N-cm)o

因此：MJK=(N•cm)

由图2可懂得快进力矩对应容许快进频率F、K近似为20230Hz,E.Zi(FVK.

因此电机不会丢步。

(3)、工进运行距频特性校核

工进步进电机R勺运行频率4；八

_1000匕；

tcJ=60.,'

式中：％一一最大工作进给速度

工进时，步进电机运行所需力矩Mkj可按下式计算:

MGJ="0+MMf+（式2-39）

式中:

M。——附加摩擦力矩,

M,——摩擦力矩

Mf——折算到电机轴上日勺工作负载力矩

M产安沪创6）

(式2-40)

%=卫L（N.cm）（式2-41）

27nli

式中：

Fv一一垂直方向作用F工作台日勺工作载荷

Ft一一沿进给方向H勺切削负载，Ft=FL

"i"=0005x(438+600)x0.4加

Mf==

2m7，2x^-x0.85x1

FJQ_493x0.4

M,==36.893N-。”

27nli2x/rx0.85x1

Mcl=M0+Mf+Mt=0.950+0.389+36.893=38.232N•cm

在图2初选步进电机的运行矩频率特性曲线中，对应工进频率端查到时容许工进运行力

矩MYJ=1.08N-m>MGJ=O.382N・m,满足工进时运行距频特性的规定。

（4）步进电机的安装尺寸

步进电机安装尺寸/mm

型号/尺寸Bd(h7)L1bD.QiT)L

57BYG3501,450145

57BYG3502,450255

576.352138.11.65.566.65

57BYG3503,450367

57BYG3504,450478

控制系统设计

第一节控制系统硬件的基本构成

控

制

》驱动系统”对

象

键

设

盘

备

显辅助控制，

示

检

t

测

七

_

MCS-51系列8031芯片

第二节步进电机控制电路

一、开环伺服系统的原理图

分配后的脉冲放大后的脉冲

功

率

脉冲分配器“放

脉冲信号源”Eni

大

七

二.脉冲分派

由表（2-18）⑴查得脉冲分派方式为四相八拍

三.驱动电路

④控制系统软件日勺构成和构造

监控系统的作用是进行人和机对话和检测系统运行状态一般包括系统初始化，命

令处理循环，零件加工程序和作业程序输入，编辑，指令分析机构，以及系统自

测等。

1系统初始化：系统上电式复位后，系统软件进行初始化处理。包括设置CPU的

状态，可编程I/O芯片的工作状态，中断方式

2命令处理：系统初始化后系统即进入命令处理程序，对于一般单片机构成日勺系

统一般采用循环处理程序作为系统的）主程序

3：零件加工程序或作业程序欧I输入和编程：零件加工程序可以键盘输入，也可

通过串行口通信输入。输入程序的功能就是读入源程序，并经数据处理，按规定

H勺格式将其存入规定H勺数据区内。

4指令分析执行：微机控制系统对输入H勺指令进行分析，并根据分析的成果执行

对应的操作。

5诊断程序：诊断程序用于检测系统硬软件功能的对口勺性，找出系统故障的位置,

并指出故障类型。

机电系统控制软件的机构

主程序加中断程序构造

逐点比较法④

用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步都需要如下四个环节:

1鉴别偏差：F.20或F“VO,从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算方向

进给。

2偏差计算：进给一步后计算新的加工偏差。

3终点鉴别：进给一步后，终点计数器，若为零，表达抵达终点停止插补，不为

零则返回第一步继续插补。终点计数鉴别可用方向坐标值判断，也可由一种方向

H勺坐标值判断。当X.>YE

逐点比较法框图

程序设计

插补程序所用的内存单元如下:

28H29H2AH2BH2CH70H

XEYEXYR电机正反

转控制字

电机正反转控制字为:

D7D6D5D4D3D2D1DO

D1D0为X向电机控制。DO运行，D0=0停止，D0=l正转。Dl=0反转

D3D2为Y向电机控制位。D2:l运行,D2=0停止，D3=l正转，D3=0反转。

第一象限制直线插补程序如下:

ORG2023H

MAIN：MOVSP,#60H；

LP4：MOV28H,#08CH；X,

MOV29H,#0C8H;Y,

MOV2A11,#0011;X

MOV2BH,#00H;Y

MOV2CH,#00H;R

MOV70H,OAH

LP3:MOVA,2CH

JBACC.7,LP1

MOVA,70H

SETBACC.0

CLRACC.2

MOV7011,A;置电机正反转控制字为OB,+X方向进给

LCALLMOTR；调步进电机日勺控制子程序，+X方向进给一步

LCALLDELAY

MOVA,2CH

SUBBA,29H；F-YE

INC2AH:X+l

AJMPLP2

LP1MOVA,70H

SETBACC.2置电机正反转控制字为0E,+Y方向进给

CLRACC.0调步进电机的1控制子程序，+Y方向进给一步

LCALLDELAY

MOVA,2CH

ADDA,28H；F+XE

LP2MOV2CH,A

MOVA,28H

CJNZA,2AH,LP3;XE=X?

RET