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X-Y数控工作台设计

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关键词：: 数控工作台设计

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X-Y数控工作台机电系统设计

摘要

X-Y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。实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件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得到提高。X-Y数控工作台机电系统设计是利用8031单片机,及2764,6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能。其基本思想是:通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工,每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转,同时通过8155(1)将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构简单，条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构采用模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多处理方向发展。X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。本题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用，本题目设计得到了老师的帮助和支持，最后由董玉红老师审定，在此表示感谢。本题目由方世龙完成，共分六章，第一章主要设计总体方案设计第二章主要设计了机械系统设计；第三章主要设计了控制系统硬件设计；第四章主要设计控制系统软件设计；第五章主要是本设计的附录。因本人水平有限，错误和不足之处在所难免，处理问题也有不妥之处，敬请相关老师批评指正。

关键词：X-Y数控工作台；机电系统；微型计算机；6264存储器

X-Y NC Worktable Mechatronics System Design

Abstract

CNC XY table is a mechanical and electrical systems design open-loop control system, its structure is simple. Realization of convenience and can guarantee a certain accuracy. Reduce costs, computer control technology is the most simple application. It full use of the software hardware crisis To achieve the functions of the machine control; to expand the scope of the processing machine tools, precision and reliability has been further improved. XY NC table is the use of mechanical and electrical systems design SCM 8031, 2764,6264 and 8155 and memory chips and other hardware components , In the control system of hardware on the preparation of certain procedures in order to achieve a certain processing functions. The basic idea is: circular or linear interpolation procedures to achieve the geometry of the parts for processing, every section of the processing should have a certain impulse to Electric drives positive and, through 8155 (1) corresponding to the processing of information sent to the turret into the knife in order to achieve the corresponding go to the knife, the electrical and tool to achieve the relative movement of the tool so the processing of the workpiece. The control system uses software interrupt control system structure and subroutine is simple, clear in the economic conditions in the application of NC more. Disruption of a modular structure because such a structure designed to facilitate revision and expansion, the establishment of more convenient, easy to handle and more direction. CNC XY table designed by mechanical and electrical systems as a stepping motor-driven devices. Stepper motor is a pulse will be transferred into angular displacement of the Electrical and Mechanical-DAC devices. Its working principle is: each to a pulse in the stator circuit will have a certain space in rotating magnetic field; because of the stepper motor is the three-phase AC-so enter the number of pulses and different time intervals, the rotation speed of the rotor and the length of rotation Are different. As the rotating magnetic field into which both the rotor cutting electricity conductor when a magnetic line of force, to achieve a rotating magnetic field from the force rotation for the corresponding rotor rotation, the rotor can achieve rotor lead screw for the corresponding movement. This topic is the stepper motor, micro-computers, interpolation principle, the comprehensive application of assembly language, this topic has been designed with the help of teachers DONG Yu-hong and support, the final audited by DONG Yu-hong teacher, expressed thanks for this. This subject by Fang Long completed, is divided into six chapters, Chapter 1 overall design of the main design Chapter II of the mechanical design system design; Chapter III of the main design of the control system hardware design; Chapter IV of the main control system design software design; Chapter 5 is the design of the appendix. I level because of the limited mistakes and inadequacies of the inevitable and deal with the problem has its drawbacks, please related to the teacher criticized the correction.

Keywords：X-Y NC Worktable; Mechatronics system; micro-computers; 6264 memory

目　　录

X-Y数控工作台机电系统设计I

摘要I

Abstract2

X-Y数控工作台机电系统设计1

第1章绪论1

1.1两坐标数控系统课题研究意义1

1.2 两坐标系数控工作台课题研究主要内容1

1.2.1 两坐标系系统的组成1

第2章机械系统设计1

2.1 工作台外形尺寸及重量估算1

第3章控制系统硬件设计10

3.1 CPU板10

3.2 驱动系统13

3.2.1步进电机驱动电路和工作原理13

3.2.3 电源转换15

3.4 本章小节16

第4章控制系统软件设计17

4.1 总体方案17

4.2 主流程图17

4.3 INT0中断服务流程图18

4.4 INT1中断服务流程图19

4.2.2 X轴电机点动正转程序流程图23

4.4.3 绘制图弧程序流程图24

4.4.4 步进电机步进一步程序流程图29

结论31

参考文献32

致谢33

附录34

X-Y数控工作台机电系统设计

第1章绪论

1.1两坐标数控系统课题研究意义

X-Y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.实现方便而且能够保证一定的精度.降低成本,是微机控制技术的最简单的应用.它充分的利用了危机的软件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得到提高.

1.2 两坐标系数控工作台课题研究主要内容

X-Y数控工作台机电系统设计是利用8031单片机,及2764,6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能.其基本思想是:通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工,每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转,同时通过8155(1)将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。

1.2.1 两坐标系系统的组成

经济型数控机床驱动电机采用步进电机，多数采用开环控制，需要选择和计算主要机械传动部件，如滚珠丝杠，螺母副和步进电机等，绘制机床进给传动机构装配图，绘制单片机控制系统的硬件线路图。

第2章机械系统设计

2.1 工作台外形尺寸及重量估算

X向拖板（上拖板）尺寸：

长宽高 145×160×50

重量：按重量=体积×材料比重估算

Y向拖板（下拖板）尺寸：

重量：约90N。

上导轨座（连电机）重量：

夹具及工件重量：约150N 。

X-Y工作台运动部分的总重量：约287N。

2.2滚动导轨的参数确定

导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度，精度与精度保持性。目前的数控机床采用导轨形式的主要有：滑动导轨，滚动导轨，静压导轨三类。

滑动导轨

滑动导轨主要有：金属对金属，金属对塑料，后者较为常用。后者的化学稳定性好，摩擦系数抵，静摩擦系数小，耐磨损，耐腐蚀，吸振性好，比重小，强度大，加工成型简单，能在任何液体或者无润滑条件下工作。其缺点是：耐热性差，导热率低，须注意散热，刚性也比较差，吸湿性大易影响尺寸的稳定，应选用在水或者油中尺寸稳定且能耐酸和弱碱的塑料。

滚动导轨

1滚动导轨的技术要求

两导轨面见的不平行度不小于3μm

导轨平面度不小于5μm

滚动体的直径差一般机床全部滚动体为2μm。每组滚动体为1μm；精密机床全部滚动体为1μm，每组滚动体为0，5μm。

滚柱的锥度：0，5-1μm。

表面粗糙度：普通机床，磨削不抵于0，40（μm），精密机床磨削不抵于0，20（μm）

滚动导轨的结构形式按滚动体种类分，可有以下几种；

滚珠导轨。这种导轨的承载能力小，刚度低。导轨面上容易出现凹坑，但对加工精度影响不大，其材料一般为淬火钢。

滚柱导轨。它的承载能力比上述的大，适合载荷较大的机床，但滚柱导轨对安装的偏斜较为灵敏，易引起侧移和侧向滑动从而使导轨磨损加快或者降低精度。

滚针导轨。这种导轨的特点是尺寸小，结构紧凑。合适导轨受限的机床。

动导轨的支承

在数控机床上使用的滚动导轨有两种形式；滚动滑块式滚柱导轨和组装式直线滚针导轨。

静压导轨

这样导轨的优点是：工作表面完全处于纯液体摩擦状态下，所以其摩擦系数极低，能使驱动功率降低；导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时运动均匀，不出现爬行现象。使用的寿命小。抗振性好；承载能力大；摩擦发热小，导轨的温升小。它的结构形式有开式和闭式两种。

⑴、导轨型式：圆形截面滚珠导轨

⑵、导轨长度

①上导轨（X向）

取动导轨长度

动导轨行程

支承导轨长度

②下导轨（Y向）

选择导轨的型号：GTA16

⑶、直线滚动轴承的选型

①上导轨

②下导轨

由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。

⑷、滚动导轨刚度及预紧方法

当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。

2.3 滚珠丝杠的设计计算

滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。

⑴、最大动负载Q的计算

查表得系数，，寿命值

查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速

所以

X向丝杠牵引力

内容简介：: 学士学位毕业论文（设计） X-Y 数控工作台机电系统设计学生姓名学号专业械设计制造及其自动化班级指导教师学部机电工程学部答辩日期 nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 I X-Y 数控工作台机电系统设计摘要 X-Y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。实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本 ,是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件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得到提高。 X-Y 数控工作台机电系统设计是利用 8031单片机 ,及 2764,6264存储器及 8155 芯片等硬件组成 ,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能。其基本思想是 :通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工 ,每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转 ,同时通过 8155(1)将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀 ,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构简单，条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构采用模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多处理方向发展。 X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。本题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用，本题目设计得到了老师的帮助和支持，最后由董玉红老师审定，在此表示感谢。本题目由方世龙完成，共分六章，第一章主要设计总体方案设计第二章主要设计了机械系统设计；第三章主要设计了控制系统硬件设计；第四章主要设计控制系统软件设计；第五章主要是本设计的附录。因本人水平有限，错误和不足之处在所难免，处理问题也有不妥之处，敬请相关老师批评指正。关键词： X-Y数控工作台；机电系统；微型计算机； 6264存储器nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 X-Y NC Worktable Mechatronics System Design Abstract CNC XY table is a mechanical and electrical systems design open-loop control system, its structure is simple. Realization of convenience and can guarantee a certain accuracy. Reduce costs, computer control technology is the most simple application. It full use of the software hardware crisis To achieve the functions of the machine control; to expand the scope of the processing machine tools, precision and reliability has been further improved. XY NC table is the use of mechanical and electrical systems design SCM 8031, 2764,6264 and 8155 and memory chips and other hardware components , In the control system of hardware on the preparation of certain procedures in order to achieve a certain processing functions. The basic idea is: circular or linear interpolation procedures to achieve the geometry of the parts for processing, every section of the processing should have a certain impulse to Electric drives positive and, through 8155 (1) corresponding to the processing of information sent to the turret into the knife in order to achieve the corresponding go to the knife, the electrical and tool to achieve the relative movement of the tool so the processing of the workpiece. The control system uses software interrupt control system structure and subroutine is simple, clear in the economic conditions in the application of NC more. Disruption of a modular structure because such a structure designed to facilitate revision and expansion, the establishment of more convenient, easy to handle and more direction. CNC XY table designed by mechanical and electrical systems as a stepping motor-driven devices. Stepper motor is a pulse will be transferred into angular displacement of the Electrical and Mechanical-DAC devices. Its working principle is: each to a pulse in the stator circuit will have a certain space in rotating magnetic field; because of the stepper motor is the three-phase AC-so enter the number of pulses and different time intervals, the rotation speed of the rotor and the length of rotation Are different. As the rotating magnetic field into which both the rotor cutting electricity conductor when a magnetic line of force, to achieve a rotating magnetic field from the force rotation for the corresponding rotor rotation, the rotor can achieve rotor lead screw for the corresponding movement. This topic is the stepper motor, micro-computers, interpolation principle, the comprehensive application of assembly language, this topic has been designed with the help of teachers DONG Yu-hong and support, the final audited by DONG Yu-hong teacher, nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 expressed thanks for this. This subject by Fang Long completed, is divided into six chapters, Chapter 1 overall design of the main design Chapter II of the mechanical design system design; Chapter III of the main design of the control system hardware design; Chapter IV of the main control system design software design; Chapter 5 is the design of the appendix. I level because of the limited mistakes and inadequacies of the inevitable and deal with the problem has its drawbacks, please related to the teacher criticized the correction. Keywords： X-Y NC Worktable; Mechatronics system; micro-computers; 6264 memory nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文目录 X-Y 数控工作台机电系统设计 . I 摘要 . I Abstract . 2 X-Y 数控工作台机电系统设计 . 1 第 1章绪论 . 1 1.1 两坐标数控系统课题研究意义 . 1 1.2 两坐标系数控工作台课题研究主要内容 . 1 1.2.1 两坐标系系统的组成 . 1 第 2章机械系统设计 . 1 2.1 工作台外形尺寸及重量估算 . 1 第 3章控制系统硬件设计 . 11 3.1 CPU 板 . 11 3.2 驱动系统 . 13 3.2.1 步进电机驱动电路和工作原理 . 14 3.2.3 电源转换 . 15 3.4 本章小节 . 17 第 4章控制系统软件设计 . 18 4.1 总体方案 . 18 4.2 主流程图 . 18 4.3 INT0 中断服务流程图 . 19 4.4 INT1 中断服务流程图 . 20 4.2.2 X 轴电机点动正转程序流程图 . 24 4.4.3 绘制图弧程序流程图 . 25 4.4.4 步进电机步进一步程序流程图 . 30 结论 . 32 参考文献 . 33 致谢 . 34 附录 . 34 nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 1 X-Y 数控工作台机电系统设计第 1 章绪论 1.1 两坐标数控系统课题研究意义 X-Y 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 .实现方便而且能够保证一定的精度 .降低成本 ,是微机控制技术的最简单的应用 .它充分的利用了危机的软件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得到提高 . 1.2 两坐标系数控工作台课题研究主要内容 X-Y 数控工作台机电系统设计是利用 8031 单片机 ,及 2764,6264 存储器及 8155芯片等硬件组成 ,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能 .其基本思想是 :通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工 ,每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转 ,同时通过 8155(1)将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀 ,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。 1.2.1 两坐标系系统的组成经济型数控机床驱动电机采用步进电机，多数采用开环控制，需要选择和计算主要机械传动部件，如滚珠丝杠，螺母副和步进电机等，绘制机床进给传动机构装配图，绘制单片机控制系统的硬件线路图。第 2 章机械系统设计 2.1 工作台外形尺寸及重量估算 X向拖板（上拖板）尺寸： nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 2 长宽高 145 160 50 重量：按重量 =体积材料比重估算 321 4 5 1 6 0 5 0 1 0 7 . 8 1 0 9 0 N Y向拖板（下拖板）尺寸： 145 160 50 重量：约 90N。上导轨座（连电机）重量： 2 2 3( 2 2 0 1 4 0 3 8 2 1 5 5 8 ) 7 . 8 1 0 1 0 1 . 1 1 0 1 0 7 ()N 夹具及工件重量：约 150N 。 X-Y工作台运动部分的总重量：约 287N。 2.2 滚动导轨的参数确定导轨是数控机床的重要部件之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度，精度与精度保持性。目前的数控机床采用导轨形式的主要有：滑动导轨，滚动导轨，静压导轨三类。滑动导轨滑动导轨主要有：金属对金属，金属对塑料，后者较为常用。后者的化学稳定性好，摩擦系数抵，静摩擦系数小，耐磨损，耐腐蚀，吸振性好，比重小，强度大，加工成型简单，能在任何液体或者无润滑条件下工作。其缺点是：耐热性差，导热率低，须注意散热，刚性也比较差，吸湿性大易影响尺寸的稳定，应选用在水或者油中尺寸稳定且能耐酸和弱碱的塑料。滚动导轨 1滚动导轨的技术要求两导轨面见的不平行度不小于 3 m 导轨平面度不小于 5 m 滚动体的直径差一般机床全部滚动体为 2 m。每组滚动体为 1 m；精密机床全部滚动体为 1 m，每组滚动体为 0， 5 m。滚柱的锥度： 0， 5-1 m。表面粗糙度：普通机床，磨削不抵于 0， 40（ m），精密机床磨削不抵于 0， 20nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 3 （ m）滚动导轨的结构形式按滚动体种类分，可有以下几种；滚珠导轨。这种导轨的承载能力小，刚度低。导轨面上容易出现凹坑，但对加工精度影响不大，其材料一般为淬火钢。滚柱导轨。它的承载能力比上述的大，适合载荷较大的机床，但滚柱导轨对安装的偏斜较为灵敏，易引起侧移和侧向滑动从而使导轨磨损加快或者降低精度。滚针导轨。这种导轨的特点是尺寸小，结构紧凑。合适导轨受限的机床。动导轨的支承在数控机床上使用的滚动导轨有两种形式；滚动滑块式滚柱导轨和组装式直线滚针导轨。静压导轨这样导轨的优点是：工作表面完全处于纯液体摩擦状态下，所以其摩擦系数极低，能使驱动功率降低；导轨的运动不受负载和速度的限制，且低速时运动均匀，不出现爬行现象。使用的寿命小。抗振性好；承载能力大；摩擦发热小，导轨的温升小。它的结构形式有开式和闭式两种。、导轨型式：圆形截面滚珠导轨、导轨长度错误 !未找到引用源。上导轨（ X向）取动导轨长度 100Bl 动导轨行程 55l 支承导轨长度 155BL l l 错误 !未找到引用源。下导轨（ Y向） 50l 100Bl 150L 选择导轨的型号： GTA16 、直线滚动轴承的选型错误 !未找到引用源。上导轨 2 4 0 ( )XGN nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 4 错误 !未找到引用源。下导轨 2 8 7 ( )YGN 由于本系统负载相对较小，查表后得出 LM10UUOP 型直线滚动轴承的额定动载荷为 370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择 LM16UUOP 型直线滚动轴承。并采用双排两列 4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。错误 !未找到引用源。、滚动导轨刚度及预紧方法当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。 2.3 滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。、最大动负载 Q的计算 3 HQ L f f P 查表得系数 1f ， 1Hf ，寿命值 66010nTL 查表得使用寿命时间 T=15000h，初选丝杠螺距 t=4mm，得丝杠转速 m a x1000 1 0 0 0 1 2 5 0 ( / m i n )4Vnrt 所以 66 0 2 5 0 1 5 0 0 0 22510L X向丝杠牵引力 1 .4 1 4xxP f G 当 ()f 当当量摩擦系数 1 . 4 1 4 0 . 0 1 2 4 0 3 . 3 9 ( )N nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 5 Y向丝杠牵引力 1 . 4 1 41 . 4 1 4 0 . 0 1 2 8 7 4 . 0 6 ( )yyP f GN 当所以最大动负荷 X向 3 2 2 5 1 1 3 . 3 9 2 0 . 6 ( )xQN Y向 3 2 2 5 1 1 4 . 0 6 2 4 . 7 ( )y 查表，取滚珠丝杠公称直径 0 10d mm ，选用滚珠丝杠螺母副的型号为 SFK1004，其额定动载荷为 390N，足够用。、滚珠丝杠螺母副几何参数计算表 2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数名称符号计算公式和结果螺纹滚道公称直径 0d10 螺距 t 4 接触角 45o 钢球直径 qd2 螺纹滚道法面半径 R 0 . 5 2 1 . 0 4qRd偏心距 e / 2 s i n 0 . 0 3qe R d 螺纹升角 0a r c 7 . 2 6ttg d o 螺杆螺杆外径 d 0 0 . 2 0 . 2 5 9 . 5qd d d 螺杆内径 ld0 2 2 7 . 9 8ld d e R 螺杆接触直径 zd0 c o s 8 . 5 9zqd d d 螺母螺母螺纹外径 D 0 2 2 1 2 . 0 2D d e R 螺母内径（外循环） 1D 10 0 . 2 0 . 2 5 5 1 0 . 5qD d d 见表 2-1。、传动效率计算 nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 6 7 . 2 6 0 . 9 7 3( ) ( 7 . 2 6 0 . 2 )t g t gt g t g ooo式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P引起的导程 0L 的变化量 01 PLL EFV Y向所受牵引力大，故应用 Y向参数计算 24.7( )PN 0 0.4( )L cm 622 0 . 6 1 0 ( / )E N c m 材料为钢 2220 . 7 9 83 . 1 4 0 . 52F R c m 所以 61 62 4 . 7 0 . 5 1 . 2 1 0 ( )2 0 . 6 1 0 0 . 5L c m V丝杠因受扭矩而引起的导程变化量 2LV 很小，可以忽略。所以导程总误差 601 0 0 1 0 01 . 2 1 0 3 /0 . 4L m mL VV 查表知 E级精度的丝杠允许误差 15m ，故刚度足够。、稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。 2.4 步进电机的选用步进电动机又称脉冲电动机或为阶跃电动机，目前，随着电子技术，控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越模糊；步进电动机的传动定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角落，若不改变励磁状态则保持一定的状态而静止；广义的定义为，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电动机。 nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 7 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于 1830 年至1860 年间。在 20 世纪 60 年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用型的步进电动机应运而生，半导体的发展使得步进电动机得到了广泛的应用。我国的步进电动机开始于 21 世纪 50 年代后期，其发展过程大致经历了四个阶段：第一阶段从 50 年代后期到 60 年代后期主要是高等院校和科研机构开发并使用少量的步进电机，以多段结构三相反应式步进电动机为主；第二阶段， 70 年代初期反映在步进电机的生产和研究发展到了一个水平；第三阶段， 70年代中期至 80年代后期新产品种高性能电动机层出不穷，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品得到广泛应用。步进电动机的特点步进电机有三大部分组成：步进电动机本体，步进电动机控制器及步进电动机驱动器。其特点如下： 1）用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 2）位移与输入脉冲数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高组成闭环控制系统。 3）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 4）抑郁启动正反转和变速停止，影响性好。 5）平滑性好，步距角选择范围大，停止时可有自锁能力、步进电机的步距角 b 取系统脉冲当量 0 . 0 1 /p m m s te p ，初选步进电机步距角 1.5b o 。、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为 T，负载力为 P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系 T Ps 式中：电机转角； s 移动部件的相应位移；机械传动效率。若取 b，则ps ，且SP P G，所以 36 ()2pS bPGT N c m g 式中：SP 移动部件负载（ N）； G 移动部件重量（ N）； zP 与重量方向一nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 8 致的作用在移动部件上的负载力（ N）；导轨摩擦系数；b 步进电机步距角，（ rad）； T 电机轴负载力矩（ Ncmg ）本例中，取 0.03 （淬火钢滚珠导轨的摩擦系数）， 0.96 ，SP为丝杠牵引力，2 4 .7sHP P N 。考虑到重力影响， Y 向电机负载较大，因此取 287yG G N ，所以 3 6 0 . 0 1 2 4 . 7 0 . 0 3 2 8 7 1 . 3 3 ( )2 1 . 5 0 . 9 6T N c m g若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩 0 .3 0 .5q TT 取安全系数为 0.3，则 1 . 3 3 4 . 4 20 . 3qT N c m g对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 m a x 5 . 10 . 8 6 6qjTT N cmg 、步进电机的最高工作频率 m a xm a x 1000 1 0 0 0 1 1 6 6 7 ( )6 0 6 0 0 . 0 1pVf H z 查表选用两个 45BF005-型步进电机。电机的有关参数见表 2-2。表 2-2 步进电机参数型号主要技术数据外形尺寸 ()mm 重量 ()N 步距角o最大静转距 Ncmg最高空载启动频率( /steps) 相数电压 ()V 电流 ()A 外径长度轴径 45BF005- 1 5 19.6 3000 3 27 2.5 45 58 4 11 2.5 确定齿轮传动比因步进电机步距角 1.5b o ，滚珠丝杠螺距 4t mm ，要实现脉冲当量nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 9 0 . 0 1 /p m m s te p ，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比 12360 0 . 0 1 3 6 0 0 . 61 . 5 4pbZiZt o 选 1 17Z ， 2 28Z 2.6 确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数 1m mm ，齿轮有关尺寸见表 3-3。 2.7 步进电机惯性负载的计算表 2-3 齿轮尺寸 Z 17 28 d mZ mm 2ad d m m m 2 1 . 2 5fd d m m m 36b m m m 122dda m m 17 19 14.5 5 28 30 25.5 5 17.5 根据等效转动惯量的计算公式，得 2210 1 2 32180pdbZJ J J J J MZ nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 10 式中： dJ 折算到电机轴上的惯性负载（ 2kg cmg ）； 0J 步进电机转轴的转动惯量（ 2kg cmg ）； 1 J 齿轮的转动惯量（ 2kg cmg ）； 2 J 齿轮的转动惯量（ 2kg cmg ）； 3 J 滚珠丝杠的转动惯量（ 2kg cmg ）； M 移动部件质量（ kg ）。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算 3 4 20 . 7 8 1 0J D L k g c m g 式中： D 圆柱零件直径（ cm）； L 零件长度（ cm）。所以 3 4 3 21 0 . 7 8 1 0 1 . 7 0 . 5 3 . 2 6 1 0J k g c m g 3 4 3 22 0 . 7 8 1 0 2 . 8 0 . 5 2 3 . 9 1 0J k g c m g 3 4 3 23 0 . 7 8 1 0 1 5 3 . 9 1 0J k g c m g 电机轴转动惯量很小，可以忽略，则 233173 . 2 6 1 0 2 3 . 9 3 . 9 1 028dJ 2520 . 0 0 12 5 0 . 4 1 03 . 1 4 1 . 5180k g m g 因为 1 0 . 4 0 . 3 1 9 14 1 . 2 7 4dMJJ ，所以惯性匹配比较符合要求。 nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 11 第 3 章控制系统硬件设计 3.1 CPU 板 3.1.1 CPU 的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用 MCS-51 芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的 8位单片机 89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。在一些复杂的系统中就不得不考虑使用 16位单片机， MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。从要设计的系统来看，选用较老的 8051 单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的 16位 MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有 Intel、 ATMEL、 Simens，其中在 CMOS器件生产领域 ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。 ATMEL 公司的 AT89系列单片机内含 Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和 80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件 CPU选用 AT89S51， AT表示 ATMEL 公司的产品， 9表示内含 Flash存储器， S表示含有串行下载 Flash存储器。 AT89S51 的性能参数为： Flash 存储器容量为 4KB、 16 位定时器 2 个、中断源 6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断 0、外部中断 1、定时器 0和定时器 1中断）、RAM为 128B、 14位的计数器 WDT、 I/O口共有 32个。 3.1.2 CPU 接口设计 CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 12 图 3-1 CPU 外部接口示意图 AT89S51要完成的任务：（ 1）将行程开关的状态读入 CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。（ 2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。（ 3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。由于 AT89S51 只有 P1 口和 P3 口是准双向口，但 P3 口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行 I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的 8155，所以 AT89S51的 I/O 口线分配如下：（ 1） P1.0-P1.5 控制 X-Y 两个方向步进电机的 A、 B、 C 线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和 A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。（ 2） P1.6口输出控制电磁铁的吸合。（ 3） P3.2 和 P3.3 两个中断源中 INT0 优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断； INT1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。（ 4） P0.0-P0.7 外部 I/O扩展的数据读取。（ 5） P2.7和 P2.6 决定 8155的 PA、 PB、 PC口的地址。（行程开关）前向通道传动驱动（电磁铁）（步进电机）人机界面传感器 AT89S51 （键盘、 LED）后向通道 nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 13 图 3-2 AT89S51 控制系统图 PB口接 LED反映当前运行的 8个状态： X+禁止、 X-禁止、 Y+禁止、 Y-禁止、手动X+运行、手动 X-运行、手动 Y+运行、手动 Y-运行。 PA口低四位反映触发中断 1的 4个行程开关的状态。 PC口低 6位反映了触发中断 2的手动 X+运行、手动 X-运行、手动 Y+运行、手动Y-运行、复位（ RST）、圆弧插补 6个开关的状态。 3.2 驱动系统传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。 P1.0-P1.2 驱动 1 X 步进电机驱动 2 Y 步进电机 P1.3-P1.5 P1.6 驱动 3 P3.2 外部中断 1 P3.3 外部中断 2 P0.0-P0.7 AD0AD7 P2.7 CE P2.6 IO/M PB 口 PA 口 PC 口 AT89S51 键盘电磁铁 8155 nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 14 3.2.1 步进电机驱动电路和工作原理步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进 0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护 CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在 CPU上使其烧坏。图 3-4 步进电机驱动电路图该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当 A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管 D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组 W 串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈 A、 B、 C），其正转的通电顺序为： A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为： A-AC-C-CB-B-BA-A。 nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 15 3.2.2 电磁铁驱动电路该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。 3.2.3 电源转换两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为 27V、 12V、 5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的 27V电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的 12V和 5V 电压。步进时钟 A 相波形 B 相波形 C 相波形图 3-5 三相六拍工作方式时相电压波形（正转） nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 16 图 3-7 电源转换电路图电路中在转换芯片的前后有两个电容，前面电容起防止自激作用，后面电容起滤波作用。此外，在具体应用的过程中， LM7805必须加上散热片。 3.3 传感器和人机界面由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。因此，必须在 X、 Y轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个：（ 1）防止工作台超过最大行程，使电机损坏（ 2）可以用与定位。所以这 4个行程开关就充当了传感器。人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简洁明了。此系统中共有 9个 LED， LED1灯亮表示 X轴负方向禁止通行， LED2灯亮表示X轴正方向禁止通行， LED3灯亮表示 Y轴负方向禁止通行， LED4灯亮表示 Y轴正方向禁止通行， LED5灯亮表示手动使工作台向 X 轴负方向通行， LED6灯亮表示手动使工作台向 X轴正方向通行， LED7灯亮表示手动使工作台向 Y轴负方向通行， LED8灯亮表示手动使工作台向 Y轴正方向通行， LED9亮表示系统通电运行。界面上的 7 个按扭意义为：按扭 1 是通断电开关，按扭 2 是向 X 轴负方向运行的点动开关，按扭 3 是向 X 轴正方向运行的点动开关，按扭 4 是向 Y 轴负方向运行的点动开关，按扭 5 是向 Y 轴正方向运行的点动开关，按扭 6 是复位开关，按扭 7 是执行绘制圆弧开关。 nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 17 图 3-8 人机界面图 3.4 本章小节本章着重介绍了数控工作台控制系统的硬件设计。 CPU 板介绍了 CPU 的选择及其外围的接口设计和控制流程；驱动系统介绍了步进电机和电磁铁的驱动电路设计；此外还叙述了人机界面各个按扭和 LED的意义。 nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 18 第 4 章控制系统软件设计 4.1 总体方案对于 AT89S51的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。编译器采用 Keil 7.02b。该编译器是 51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持 C语言编译。同时具有完善的调试功能。 4.2 主流程图 CTL EQU 3FF8H PA EQU 3FF9H PB EQU 3FFAH PC EQU 3FFBH CMD EQU 02H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INT0IS ；外部中断 0入口 ORG 000BH AJMP TM0IS ；定时器 0中断入口 ORG 0013H AJMP INT1IS ；外部中断 1入口 ORG 001BH AJMP TM1IS ；定时器 1中断入口 ORG 0100H MAIN： ANL P1， 0EFH SETB IT0 ；外中断负跳沿触发 SETB IT1 MOV A， CTL 上电复位 P1.6=0，吸合电磁铁，绘笔抬起外部中断， 8155 初始化开外部中断，开总中断等待中断图 4-1 主程序流程图 nts黑龙江东方学院学士学位毕业论文 19 MOV DPTR， A MOVX DPTR， CMD； A口输入， B口输出， C口输入 SETB EX0 ；允许外中断 0 SETB EX1 ；允许外中断 1 SETB PX0 SETB PX1 ；设置优先级 S

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