立式数控铣床X-Y数控工作台机电系统设计【含CAD图纸】
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本科毕业论文题 目： X-Y工作台 院 系： 机械系 专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期：论文答辩日期：摘 要 当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。立式铣床与卧式铣床相比较，主要区别是主轴垂直布置，除了主轴布置不同以外，工作台可以上下升降， 立式铣床用的铣刀相对灵活一些，适用范围较广。可使用立铣刀、机夹刀盘、钻头等。机床设计符合人体工程学原理，操作方便;操作面板均使用形象化符号设计，简单直观。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。XY工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。关键词：XY工作台，伺服电机，机床系统设计。AbstractThe rapid development of electronic technology in todays world, a microprocessor, microcomputer technology in various fields has been widely used in various fields for the development of technology has played a great role in promoting. A new generation of CNC systems such typical mechatronics products are moving towards a high-performance, intelligent, systematic and lightweight, miniaturization direction. Vertical milling and horizontal milling machine compared to the major difference is that the vertical spindle arrangement, except for the different arrangement of the spindle, the table can be up and down, vertical milling cutter with relatively flexible, wider scope. You can use mills, floating cutter, drill and so on. Ergonomic machine design, easy to operate; use the operator panel Symbols design, simple and intuitive.Technology and modernization of the equipment industry determines the level and degree of modernization of the entire national economy, numerical control technology and equipment is the development of new high-tech industry and cutting-edge technology and industry enabling the most basic equipment, is nowadays advanced manufacturing technology and equipment core technology. CNC technology is a mechanical movement with digital information and work process control technology, CNC numerical control equipment is new technology, mechatronics technology represents for traditional manufacturing industries and emerging manufacturing Penetration of its technology coverage many areas. X-Y table drive way to guarantee a certain transmission accuracy and stability and a compact structure, the use of the ball screw nut transmission pair. To improve the transmission stiffness and eliminate the gap, there is the use of pre-load structure. Due to the weight of the moving parts of the table and the work load is not big, so the selection of linear guides, thereby reducing the coefficient of friction of the table to improve the movement smooth.Keywords: X-Y table, servo motors, machine tool design systems.目 录前言1第一章 总体方案设计21.1 总体方案确定4第二章 机电系统设计52.1设计任务52.2机电系统总体方案的确定5第三章 绘制装配图15第四章 电气原理图设计154.1典型数控工作台电气原理图154.2单片机的选择154.3外部程序存储器的扩展164.4外部数据存储器的扩展164.5 I/O口扩展电路164.6 显示器接口设计174.7 键盘接口电路设计175.8 步进电机的接口电路设计17第五章 控制系统设计185.1 控制系统硬件设计185.2 CPU接口设计195.3 驱动系统20第六章 控制系统软件设计226.1 总体方案226.2主流程图236.3 X轴电机点动正转程序流程图24第七章 结论27参考文献28致 谢29前言随着现代信息技术的发展，机械加工技术发生了深刻的变化，一方面是向着提高产品加工的生产效率为主的高度自动化方向发展，另一方面则是向着以提高产品质量为主的精密化方向发展。现代机电设备的结构越来越复杂 ,融机、 电、 光、 液等技术于一体功能也越来越复杂和完善。在这种情况下如何提高产品的加工质量成为机械制造行业迫切需要解决的问题之一。而工作台是实现高精密加工的核心部件，它的传动部件的定位精度直接影响系统的加工精度。如何有效地提高机床的定位精度是现在当前研究的一项重要课题。 X - Y工作台是实现平面X 、Y坐标运动的典型关键部件，能分别沿 X向和Y向移动的工作台称为X -Y工作台。其工作原理是 X、Y向均采用伺服电机通过齿轮减速和丝杆传动后，带动工作台做X - Y向的运动。如图右图1所示，工作台由两个互相独立的、互为垂直的导向导轨、传动系统及工作台面等组成。其中 X向工作台固定在 Y向工作台的工作台面上，由 Y向工作台带动其作Y向运动，X向工作台通过定位销定位于Y向工作台上，两者在水平面上保持正交。工作台上，动导轨沿着静导轨做定向直线运动。为保持高刚度和无间隙连接，一个合适的预载荷被施加在滚珠丝杠和滚珠导轨上。伺服电机与滚珠丝杠之间采用刚性联轴器直接连接。与伺服图1X - Y工作台示意图电动机直接连接的增量式码盘被用于速度的反馈。位置测量信号则来自于安装在工作台上的直线光栅,位置测量值同时被计算机上的数据采集卡所记录，用来分析 X - Y工作台的运动精度。位置控制是利用 DSP制造的基于 PC机的运动控制卡来实现。 第一章 总体方案设计 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)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线部分替代组合机床。在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级数控机床的加工精度已由 10m提高到 5m ,精密级加工中心则从 35m ,提 高到 11.5m并且超精密加工精度已开始进入纳米级 0.1m 。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。(2) 5 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 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。(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。1.1 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。（2）计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。（3）X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少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。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。 图1-1 系统总体框图第二章 机电系统设计2.1设计任务 设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：（1）立铣刀最大直径d =10 mm；（2）立铣刀齿数Z=3；（3）最大铣削宽度ae=10 mm；（4）最大铣削深度ap=5mm； （5）加工材料为碳素钢或有色金属；（6）X、Y方向的脉冲当量x = y = 0.001mm/脉冲；（7）X、Y方向的定位精度均为 0.015 mm；（8）工作台面尺寸为230 mm230 mm，加工范围为180 mm300 mm；（9）工作台空载最快移动速度vxmax = vymax = 6000 mm/min；（10）工作台进给最快移动速度vxmaxf = vymaxf = 800 mm/min。2.2机电系统总体方案的确定 2.2.1机电系统 机械传动部件的选择 （1）导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，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，所以采用无间隙齿轮传动减速箱。 （4）伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。 （5）检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。 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、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。2.2.2控制系统的设计 （1）设计的X-Y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）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52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、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。 （4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。1、 机械传动部件的计算与选型1. 导轨上移动部件的重量估算 由台面尺寸为，查课程设计指导书表3-23，估计取工作台厚度30mm，则重量：按重量=体积材料比重估算 X向拖板（上拖板）：估计上丝杆长度，由，余程查表5-4取20mm，则丝杆长度约为320。电动机约2kg，托板和导轨合估计为 工作物重为G则X-Y工作台运动部分的总重量=(420+G)。 按照下导轨之上移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。 2. 铣削力的计算 设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则查表得立铣时的铣削力计算公式为： （1）今选择铣刀直径d=10mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=10mm，铣削深度ap=5mm，每齿进给量mm，铣刀转速。则由式（1）求得最大铣削力： Fc=118100.850.10.7510-0.7351.03000.133 N871 N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由查表，并考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff =1.1Fc958N，Fe =0.38Fc331N，Ffn =0.25Fc218N，工作台受到垂直方向的铣削力Fz= Fe =331N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。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Fx= Ff=958N，径向铣削力Fy =Ffn= 218N。 2.2.3 直线滚动导轨副的计算与选型 （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。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向载荷为： （2）其中，移动部件重量G800N，外加载荷F= Fz= 331N，代入（2）式得最大工作载荷PC=531N=0.531kN。查表，根据工作载荷PC=0.531kN，初选直线滚动导轨副的型号为：HJG-DA15C，额定动载荷为6.8KN，满足要求。 任务书规定加工范围180mm300mm，考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为340mm。 （2）距离额定寿命的计算 上述选取的：HJG-DA15C5型导轨副的滚道硬度为HRC60，工作温度不超过100，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。查表，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，得距离寿命： 远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求2.2.4滚珠丝杠的设计计算（1）最大工作载荷Fm的计算 当承受最大铣削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=958N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy = 218N，受到垂向的载荷（与工作台面垂直）Fz= 331N。已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： Fm = KFx + （Fz + Fy + G） = 1.1958 + 0.005 ( 331+ 218 + 800 ) N 1061 N （2）最大动载荷FQ的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=800mm/min，由课本表5-3，初选丝杠导程=5 mm，则此时丝杠转速n=v/Ph = 160r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000 h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=144（单位为：106 r）。查表，取载荷系数fW =1.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH=1.0，求得最大动载荷： FQ 7746 N （3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的取HJG-S2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20 mm，导程为5 mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级取3级，其额定动载荷为9022N,足够用。故HJG-S2005-3型滚珠丝杠基本导程为5mm，为丝杠有效行程300，取余程=20mm，则为丝杠螺纹全长320，公称直径=20 mm。表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20螺距接触角钢球直径螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杆螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环） （4）传动效率的计算 将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm，代入= arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=。将摩擦角=10，代入=tan / tan(+)，得传动效率 =96.4%。 （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。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量2.1 Mpa；查表，得滚珠直径=3.175mm，丝杠底径=16.2 mm，丝杠截面积 /4=206.12mm2。得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量1=Fma/（ES）=1779500/（2.1 206.12） mm 0.0205 mm。 2）根据公式 Z( )-3,求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公：Z圈数列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力 = /3=593 N，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 0.0026 mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取=0.0013mm。 3）将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）0.0218 mm=21.8m。由表知,5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25m，可见丝杆刚度足够。 （6）压杆稳定性校核 根据公式计算失稳时的临界载荷Fk。查表，取支承系数=1；由丝杠底径=16.2 mm，求得截面惯性矩 3380.88 mm；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500mm，得临界载荷 9343N，远大于工作载荷=1061N，故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。2.2.5步进电动机减速箱的选用 为了满足脉冲当量的设计要求，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转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用弹簧错齿法消除侧隙。 已知工作台的脉冲当量=0.005 mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph=5 mm，初选步进电动机的步距角=0.75，算得减速比： i=(Ph)/(360) =(0.755)/(3600.005)=25:12 本设计选用大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75:36，材料为45号调质钢，齿表面淬硬后达HRC55。减速箱中心距为(75+36)1/2 mm55.5 mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。 2.2.6 步进电动机的计算与选型 （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=20 mm，总长l =320mm，导程5mm，材料密度 ；移动部件总重量G=800N;小齿轮宽度20mm，直径=36 mm;大齿轮宽度20mm，直径=75 mm；传动比i =25/12。参照表，算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量=0.617，拖板折算到丝杠上的转动惯=0.517，小齿轮的转动惯量=0.259，大齿轮的转动惯量=4.877 。初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，二相四拍驱动时步距角为0.75，则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为 = +(+)/=30.35 （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矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ （3）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的最大加速转矩： （4）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： （5）式中空载最快移动速度，任务书指定为6000mm/min； 步进电动机步距角，预选电动机为； 脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。将以上各值代入式（5），算得nm=2500r/min。设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间=0.4s，传动链总效率=0.7。则由式（4）求得：2.8（Nm）当移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： （6）则由式（6），得：0.002（Nm）最后由式（3），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： = + 2.8 N （7）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Tt ；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Tf ；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T0，T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有：= Tt + Tf （8）本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=958N ，则折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt有： 0.52（Nm）再计算垂直方向承受最大工作负载（Fz=331N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： = 0.004（Nm）最后由式（8），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： = Tt + Tf = 0.524 Nm （9）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应为： = max， = 2.8 Nm （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，选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： Tjmax 42.8 Nm =11.2 Nm (10)上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，查表得该型号电动机的最大静转矩Tjmax = 12Nm 。可见，满足（10）式的要求。 （4）步进电动机的性能校核 1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度=800mm/min，脉冲当量=0.005mm/脉冲，可求出电动机对应的运行频率 =800/(600.005)Hz 2666Hz。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图1可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩11Nm，远远大于最大工作负载转矩=0.524Nm，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=6000mm/min，可求出电动机对应的运行频率=6000/（600.005）Hz =20000Hz。在此频率下，电动机的输出转矩=3.8 Nm，大于快速空载起动时的负载转矩= 2.8Nm，满足要求。 3）最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率=10000Hz。查表知90BYG2602电动机的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。 4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=30.35电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率=1800Hz。可求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：=614Hz 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614Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。 综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。 图2-1 90BYG2602步进电动机的运行矩频特性曲线2.2.7步进电动机驱动电源的选用 本例中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，查表，选择与之配套的驱动电源为BD28Nb型，输入电压100V AC，相电流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2所示。 图2-2 BD28Nb驱动电源的接线图2.2.8确定联轴器的型号 由于数控平台有冲击，且电动机工作时经常变速，故选用挠性联轴器。查阅参考书表10-43选用A23型联轴器。 计算联轴器的转矩： 由估算功率摩擦力作用很小，可忽略： 小于联轴器的允许转矩，且工作速度远小于允许最高转速25000.故满足要求。 2.2.9增量式旋转编码器的选用 本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。由步进电动机的步距角=，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/=480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨率可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。 本例选择编码器的型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H：盘状空心型，孔径 10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。第三章 绘制装配图1.标注装配图尺寸、配合与精度等级。包括特性尺寸、最大体形尺寸、安装尺寸和主要零件的配合尺寸。2.写出工作台的技术特征。3.编写技术要求。4.对所有零件进行编号。5.列出零件明细表及标题栏。6检查装配图。 第四章 电气原理图设计4.1典型数控工作台电气原理图单片机是把微型计算机的主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机,因而可以把它看成是一个不带外部设备的微型计算机。不同系列的单片机共同的特点是：控制功能强；体积小；功耗低；成本低。由于上述优越性能，单片机已在工业、民用、军用等工业控制领域得到广泛应用，特别是随着数字技术的发展，它在很大程度上改变了传统的设计方法。在软件和扩展接口支持下，单片机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统。如电气原理图所示的就是通过单片机及其外围接口实现的二坐标数控工作台电气原理图。它由8031型单片机、数据锁存器74LS373、存储器EPROM2764、RAM6264、地址译码器74LS138、并行I/O接口8255等集成电路构成。下面分别说明它们在整个控制部分中的功能、用法及其选择原则。4.2单片机的选择设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。计单片机应用系统，首先要设计其核心的单片机系统。从一开始就有一个单片机芯片选型问题。面对不同字长，如4位、8位、16位，各具特色的单片机芯片如何进行选择呢？首先要满足所设计系统的功能和性能要求；其次要选择价格较低的芯片，不要盲目追求过多功能和过高性能；另外要选择那些在国内有成熟的开发系统和稳定的供货来源。如采用流行普遍使用的芯片，资料丰富，能有效地缩短开发周期。本课程设计目的是设计一种经济型的二坐标数控工作台，其功能比较简单，成本低。因而这里选用MCS-51系列的8031单片机作为CPU，它具有良好的性能价格比，且易扩展。4.3外部程序存储器的扩展 MCS-51的程序存储器空间为64K字节。对于片内无ROM的单片机（如8031），或当单片机内部程序存储器容量不够时，进行程序存储器的扩展是必不可缺的。半导体存储器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作单片机的外部程序存储器。由于EPROM价格低廉，性能可靠，所以单片机外部扩展的程序存储器一般为EPROM芯片（紫外线可擦除、电可编程的只读存储器），掉电后信息不会丢失。在选择外部程序存储器电路时，应注意电路的读取时间能否与MCS-51的PESN信号匹配。其片选端接地。 由于本设计程序容量不大，因而选用2764作为外部程序存储器。4.4外部数据存储器的扩展 对大多数控制性应用场合，MCS-51系列单片机内部RAM已能满足系统对数据存储的要求。对需要较大容量数据缓冲器的应用系统，就需要在单片机的外部扩展数据存储器。 在电气原理图中根据设计功能要求选用一片6264作为外部数据存储器。图中其高5位地址线A8A12由8031的P2.0P2.4口线提供，低8位地址线A0A7接地址锁存器74LS373输出端。读、写控制信号分别接8031的RD、WE。其片选信号通过地址译码法进行选通。4.5 I/O口扩展电路 本课程设计因采用步进电机作为驱动装置。为了降低成本，特采用可编程外围并行接口芯片8255。使其不仅完成驱动步进电机的功能，同时完成与键盘/显示器的接口操作功能。4.6 显示器接口设计 电气原理图中，由10片共阳极LED显示块拼成10位LED显示器。为了简化硬件电路，采用动态显示方式。即所有位的段选线相应地并联在一起，由8031的P1.0P1.7口来控制LED显示器的段码，而各位的位选线分别由相应的I/O口线控制。即PC0PC7、PB6PB7共10个I/O口线控制，实现各位的分时选通。为了保证各位LED能够显示出本位相应的显示字符，而不出现闪烁，导致人眼看不清，必须根据人眼视觉暂留现象，选择一个合适的扫描频率。图中选用74LS07进行同相驱动。4.7 键盘接口电路设计 键盘实质上是一组按键开关的集合。电气原理图中采用矩阵式键盘接口，键盘接口电路通过8255（U5）的PA0PA3和PC0PC7、PB6PB7构成行、列线。按照逐行逐列地检查键盘状态（即扫描）来确定闭合键的位置。5.8 步进电机的接口电路设计 对于本课程设计中选用的步进电机，为五相，无论它工作在什么方式，都需要五路控制电路，并且每一路对应于步进电机的一相。而每一路控制电路的结构是一样的。 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：（行程开关）前向通道传动驱动（步进电机）人机界面传感器8031（键盘、LED）后向通道 图5-1 CPU外部接口示意图 8031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8031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。 电气原理图中通过8255（U5）的PB0PB4分别控制X方向步进电机的五相。对于Y轴步进电机通过8255（U6）的PC0PC4分别控制Y方向步进电机的五相。第五章 控制系统设计X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。5.1 控制系统硬件设计硬件系统设计时，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。5.1.1 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。5.2 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：（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 图5-1 CPU外部接口示意图P1.0-P1.2驱动1X步进电机驱动2Y步进电机P1.3-P1.5P1.6驱动3P3.2外部中断1P3.3外部中断2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51键盘电磁铁8155 图5-2 AT89S51控制系统图图5-3多中断源中断触发图5.3 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。5.3.1 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5-4 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。步进时钟A相波形B相波形C相波形图5-5 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）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。5.3.2 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。图5-6 电磁铁驱动电路5.3.3 电源设计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。 第六章 控制系统软件设计6.1 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。6.2主流程图 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6-1CTL EQU 3FF8HPA EQU 3FF9HPB EQU 3FFAHPC EQU 3FFBHCMD EQU 02HORG 0000HAJMP MAINORG 0003HAJMP INT0IS ；外部中断0入口ORG 000BHAJMP TM0IS ；定时器0中断入口ORG 0013HAJMP INT1IS ；外部中断1入口ORG 001BHAJMP 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 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 SETB EA ；开总中断 LOOP：AJMP LOOP ；等待中断在等待中断的过程中，如果有中断到来，先检查中断0的状态，是中断0则进入中断0的中断服务INT0IS，是中断1则进入中断1的中断服务INT1IS。中断服务0是由4个行程开关触发的，它触发后通过单片机读取PA口内容，然后将结果反馈到PB口的LED上。中断服务1有6个中断源，这六个中断源分别是手动X正方向运行，手动X负方向运行，手动Y正方向运行，手动Y负方向运行，复位和绘制圆弧。6.3 X轴电机点动正转程序流程图X+EN： CLR P1.6 MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR JNB ACC.0，LOOP2MOTOR0： MOV DIRX，#01H ACALL XMOTOR0 MOV A，PC MOV DPTR，A MOV A，DPTR JNB ACC.0，MOTOR0LOOP2： AJMP LOOP1 这是X轴电机点动正转的程序，其他的X轴电机点动反转、Y轴电机点动正转、Y轴电机点动反转依次类推。6.3.1步进电机步进一步程序流程图 图6-2 步进电机步进一步程序流程图DEF EQU 12H SJMP LP3MOV DEF，#00H TAB： DB FEHXMOTOR1：JNE DIRX，#01H，XMOTOR0 DB FCH JNE DEF，#05H，LP2 DB FDH CLR DEF DB F9H LP2： MOV A，DEF DB FBH INC DEF DB FAHLP3： MOV DPTR，#TAB MOVC A，A+DPTR ANL P1，A ACALL DEL
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