XY工作台设计说明书

l

X向拖板（上拖板）：估计上丝杆长度，由lulVle，余程e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

32

32018030107.810210210N

工作物重为80N

则X-Y工作台运动部分的总重量：约388N。

3.2、滚动导轨的参数确定

⑴、导轨型式：直线滚动导轨

⑵、导轨长度

错误！未找到引用源。上导轨（X向）取动导轨长度lB140动导轨行程l140余程约为le20

支承导轨长度LlBlle300

查标准，取值340

计算四滑块的载荷，工作台重量98N，假设重物处于台中央，然后扩大载荷2倍。

P

FG

45N4扩大后90N。

Ca

计算需要的动载荷

fwPfhftfcfa

L

50，

310

查长方资料得：fh1，ft1，fc0.81，fa1，fw1。代入数据得Ca2700N，由长方资料取取滚动导轨型号为：HJG-DA15C，额定动载荷为6.8KN，满足要求。

错误！未找到引用源。下导轨（Y向）

l20

lB180l110e

LlBlle310

查标准，取值340

计算四滑块的载荷，总重量388N，假设重物处于台中央，然后扩大载荷2倍。

P

FG

360N4扩大后720N。

3

10

Ca

计算需要的动载荷

fwPL

f1ft1fhftfcfa50，查长方资料得：h，，

fc0.81，fa1，fw1。代入数据得Ca5800N，由长方资料取滚动导轨型号为：HJG-DA15C，额定动载荷为6.8KN，满足要求。

3.3、滚珠丝杠的设计计算

错误！未找到引用源。上丝杠（X向）

由表5-3，初选滚珠丝杠的基本导程为5mm。

lll

根据式（3-1）lVlule其中，V为丝杠有效行程，u为丝杠螺纹全长，e

l

余程，根据表5-4，取余程20mm，则u=320mm。

根据表5-5，在有效行程300mm定位精度为13um下，丝杠的精度等级为T3级。滚珠丝杠副的计算轴向动载荷为

Caj

Fefw

fhftfafk

60Lhne6

10

13

其中

Fe

2251500.03

114.75N

2,

取滚动导轨的摩擦系数为0.03（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数）

查表：Lh15000，ft1，fa1，fw0.95，fh1，，fk1，代入数据，得

ne

10002

400r/min5

Caj775.5N

,查阅工厂资料，取HJG-S2023-3,其额定动载荷

为9022N,足够用。

错误！未找到引用源。下丝杠（Y向）

由表5-3，初选滚珠丝杠的基本导程为5mm。

lll

根据式（3-1）lVlule其中，V为丝杠有效行程，u为丝杠螺纹全长，e

余程，根据表5-4，取余程20mm。

l

则u=310mm。

根据表5-5，在有效行程300mm定位精度为13um下，丝杠的精度等级为T3级。滚珠丝杠副的计算轴向动载荷为

Caj

Fefw60Lhne

fhftfafk106

13

其中

Fe

1502250.03

78.375N

2,

取滚动导轨的摩擦系数为0.03.

ne

10002

400r/min5

查表：Lh15000，ft1，fa1，fw0.95，fh1，，fk1，代入数据，得9022N,足够用。

Caj530.5N

,查阅工厂资料，取HJG-S2023-3,其额定动载荷为

3.4、步进电机的选用

(考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此确定此向电机。)⑴、脉冲当量选择

初选五相电机，按五相十拍工作时，步距角0.36，由于要求平台定位

11

X0.013/300mmY0.015/300mm精度：，取定位精度的（32）。初定脉冲当量0.005mm/p，中间齿轮传动比为

tsp0.365

i13603600.005，

（2）、等效转动惯量计算

滚珠丝杠转动惯量（不计传动效率）

Js

d04l

32

24327.85103

32

0.394104kgm2

Y以上平台和工作物重总重折算到轴上的转动惯量

tWGspJw

13880.6262

10.3610kgm2i29802

2

2

g

因此，折算到电机轴上的等效转动惯量

JeJw

Js

0.3966104kgm22i。

（3）、等效负载转矩计算(以下均为折算到电机轴的转矩）由式（4-7）-（4-9）可知：

Mt

F

y

Fxutsp2i

1500.032250.0050.132Nm

20.81

MFftsp3880.005

f

2i

0.0320.810.003Nm

M

Fpotsp

2i12500.005

20.81

10.92

00

0.008Nm

0—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,取0.90

上式中为丝杠预紧时的传动效率，取0.8，

Fp0

为预紧力，

1取3F1

y315050

vmax

nmax

360

20000.0050.36

360400r/min

取启动加速时间ta0.03s

查表，初选电动机型号75BF005,矩频特性如下图所示

最大静转矩Mjmax1.23Nm

转动惯量Jm0.15kgcm2

,fm=1500Hz.

故

MaJnmaxeJm

20.39660.01310428330.60t.03259Nma600MqMamaxMfM00.2590.0030.0080.2601Nm

McMtMfM00.1320.0030.0080.143Nm

MkMfM00.0030.0080.011Nm

从上可知，一般状况

Mq

做为初选电动机的依据，

Mq/Mjmax

0.2601

0.211.23

满足所需的转矩要求。

（4)步进电机动态特性校验

Je/Jm

0.3966

2.6440.15小于4说明惯量可以匹配。

电机带惯量最大启动频率

fL

fq

fm2500

1242.9Hz

Je/Jm2.644

ff

大于l，所以与c对应的最大静转矩校核，显然满足要求。综上所述，可选该型号的步进电机，具有一定的裕量。

vmax2000

3333.3Hz60600.01

3.5、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，应选用挠性联轴器。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：

2

5W0.005KW60

P0.005

T955095500.032Nm

n1500

小于联轴器的允许转矩0.5Nm，且工作速度n1500r/min远小于允

PFyvy150

许最高转速25000.故满足要求。

四、绘制装配图

1.标注装配图尺寸、协同与精度等级。包括特性尺寸、最大体形尺寸、安装尺寸和主要零件的协同尺寸。

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。

五、电气原理图设计

典型数控工作台电气原理图的说明

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。

5.1、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。单片机的型号好多，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。

在一些繁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俭约资源，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。

5.2、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。

5.3、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A8～A12由8031的P2.0~P2.4口线提供，低8位地址线A0~A7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。

5.4、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。

5.5、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P1.0~P1.7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PC0~PC7、PB6~PB7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，必需根据人眼视觉暂留现象，选择一个适合的扫描频率。图中选用74LS07进行同相驱动。

5.6、键盘接口电路设计

键盘实质上是一组