数控车床XY轴工作台和控制系统设计

目录

摘要.....................................................................................1

前言.....................................................................................2

一、毕业设计的目的、意义....................................................................4

二、毕业设计的内容..........................................................................4

（一）毕业设计题目：单片机控制步进机电驱动的多用XY工作台。..........................4

三、数控系统总体方案的确定..................................................................4

（一）系统运动方式的确定................................................................4

（二）伺服系统的选择.....................................................................4

（三）计算机系统的选择...................................................................5

（四）X-Y工作台的传引方式............................................................5

四、机械部份设计............................................................................5

（一）确定系统脉冲当量.................................................................5

（二）工作台外形尺寸及分量初步估算.....................................................6

（三）滚动导轨副的计算、选择............................................................7

（四）滚珠丝杠计算、选择..............................................................8

（五）齿轮计算、设计..................................................................11

（六）步进机电惯性负载的计算............................................................12

（七）步进机电的选用..................................................................13

五、数控系统硬件电路设计.................................................................15

（一）数控系统的硬件电路由以下几部份组成：............................................15

（二）主控制器CPU的选择...........................................................15

（三）存储器扩展电路设计..............................................................15

（四）步进机电驱动电路设计............................................................16

（五）其它辅助电路设计................................................................17

六、系统控制软件的设计.....................................................................18

（一）系统控制软件的主要内容..........................................................18

（二）系统控制功能分析................................................................18

（三）系统管理程序控制................................................................19

（四）自动加工程序设计................................................................19

结束语......................................................................................20

钙资料.....................................................................................21

1

数控车床XY轴工作台和控制系统设计

摘要

我设计的是车床XY轴工作台和控制系统，采用单片机控制步进电动机驱动工作台。首

先确定设计的总体方案，然后对车床的机械部份进行设计，其中包括工作台、滚动导轨、

滚珠丝杠、步进电动机的设计和选用，最后对数控系统硬件和软件设计。新一代的CNC系

统这种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。

关键词：

数控车床XY工作台控制系统

2

Ii—1—

刖s

一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状

在我国对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国创造业

信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术

及装备的几点看法。

装备工业的技术水平利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

创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创造产业和新兴创造业的渗透形成

的机电一体化产品，其技术范围覆盖不少领域。

:一)、数控技术的发展趋势。

数控技术的应用非但给传统创造业带来了革命性的变化，使创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

(2)5轴联动加工和复合加工机床快速发展

(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

:二)、对我国数控技术及其产业发展的基本估计

我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段

从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基

础条件的制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及

“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于

改革开放和国家的重视，以及研究开辟环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开

发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和

“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近50年的

发展历程，特殊是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得的成绩还是不小。

:三)、对我国数控技术和产业化发展的战略思量

3

(1)战略考虑。我国是创造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转

移，所以，我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全

看，因为创造业是我国就业人口最多的行业，创造业发展不仅可提高人民的生活水平，而

且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精

尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报

告”就是最好的例证。

(2)发展策略。从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求

为导向，以提高我国创造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择

能够主导21世纪初期我国创造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技

术、配套技术作为研究开辟的内容，实现创造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，

即以数控终端产品为主，以整机如量大面广的数控车床、铳床、高速高精高性能数控机床、

曲型数字化机械、重点行业关键设备等带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功

能部件数字化伺服系统与机电、高速电主轴系统和新型装备的附件等的可靠性和生产规

模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产

品；固然，没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。

4

一、毕业设计的目的、意义

《机电一体化系统设计》毕业设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，

是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的

是：

能够正确运用《机电一体化系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化

系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分

析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步

能力；

通过机械部份设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和

结构设计方法和步骤；

通过测试及控制系统方案设II,掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理,

和软件编程思想；

通过毕业设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态

度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。

5

二、毕业设计的内容

［一）毕业设计题目：单片机控制步进机电驱动的多用XY工作台。

己知条件：定位精度：±0.01mm,滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h,中等冲击

v=2000

工作台的有效行程为"MOOmmLY=400mm快速进给速度xmaxmm/min

=2000mm/min和工作载荷Fz=2000N

6

三、数控系统总体方案的确定

数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确

定，伺服机电类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论

证。

:一）系统运动方式的确定

该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。

;二）伺服系统的选择

开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进机电作为伺服机电.开环控制系统由于没

有检测反馈部件，于是不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，

在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。

考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进机电开环伺服系统驱

动。

:三）计算机系统的选择

采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度

高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部份、键盘及显示器、I/O接

口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作

实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状念等信息。

［四）X-Y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分量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作

台的磨擦系数，提高运动平稳性。

考虑机电步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电

机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图如下：

7

工作台

X向

光功

电率

隔放

离大

计

算

*

机

图1

1

3-

8

四、机械部份设计

机械部份设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进机电，

传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部份装配图等。

:一）确定系统脉冲当量

脉冲当量6p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0.01mm。

:二）工作台外形尺寸及分量初步估算

根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载分量WX和四。

取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400n明设计工作

台简图如下：

工作台简图

图4-1

X向拖板（上拖板）尺寸为：

长*宽*高=420*410*50

分量：按分量:体积*材料比重估算为：

WAy420x410>50x10-3x7.8x10-2=671.58N

Y向拖板（下拖板）尺寸为：420X400X50

9

分量WY=420x400x50x10^x7.8x10-2-655.2N

上导轨(含机电)分量为

(900X480x8+2乂800X35x50)x7.8x10^x10-a=487.97N

夹具及工件分量:约155N

X-Y工作台运动部份总分量为：

W=487.97+655.2+671.58755必2000N

:三)滚动导轨副的计算、选择

根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSLXO/P,式中：CO

为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+iV);13厂1.0~3.0(普通运行状况)，

3.0^5.0(运动时受冲击、振动)。根据计算结果查有关资料初选导轨：

因系统受中等冲击，因此取£乩二40

C=fP

OSLX.Y

P=0.5(F+W)

X.YZX.Y

P=0.5(F+W)=0.5(2000+671.58)=1335.79N

xZX

P=0.5(F+W)=0.5(2000+655.2)=1327.6N

C=fP=4x1335.79=5343.16N

OXSLX

C=fP=4x1327.6=5310.4N

OYSLY

根据计算额定静载荷初选导轨：

选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨，其型号为:HJG-D25

基本参数如下：表4-1

额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重导轨重导轨长度

量量

动载荷静载荷TTTKK/mL

ABC9g

CC(mm)

aO

17500260001981982880.603.1760

滑座个数单向行程长度每分钟往复次数

M1n

S

40.64

寻轨的额定动载荷£=17500N

io

依据使用速度V(m/min)和初选导轨的基本动额定载荷Ca(kN)验算导轨的工作寿命Ln：

额定行程长度寿命：

ff

T=K(fHTcc)

SfwF(4-1)

F=5=2000=500

M4

f=1,f=2,f=0.81,f=1,

TWCH

K=R=50

do

T=K(目也c串=5O(ixixo.8i17500)3=142409.58km

sfw7250d导轨的额定工

作时间寿命：

T=「103衿

H210rl(4-2)

T142409.58x103T.f-nnnu

T=T.IO3S_==494477h>T=15000h

H2ln2x0.6x4x60

导轨的工作寿命足够.

:四)滚珠丝杠计算、选择

初选丝杠材质：Cr触In钢，11RC58〜60,导程：105mm

播度计算

丝杠轴向力：Fmax=KFx「f(Fz+Wx,y)⑻(4-3)

其中：K=1.15,滚动导轨磨擦系数f=0.003~0005；在车床车削外圆时：Fx=(0.r0.6)Fz,

Fy=(O.15^0.7)Fz,可取Fx=O.5Fz,Fy=O.6Fz计算。

F=400

取f=0.004,zRO:

F=0.5F=0.5x2000=WOON

xz

F=0.6F=0.6x2000=1200N

YZ

Fx=1.15x1000+0.004(2000+671.58)=1045.686N

FY=1.15X1200+0.004(2000+655.2)=1252.621N

max

L=60nTn

寿命值：1°6,其中丝杠转速L(r/min)(4-4)

11

T=15000h

v2000

n=—ww-=--------=400r/min

I5

o

60x400x15000

L=----------------------=360

106

最大动载荷：

式中：fw为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC258时为1.0。

查表得中等冲击时£卬=12，匕=1则：

Q=^eo'xl.2x1x1045.686=7079.58N

x

Q=a^GO'xl.2x1x1252.621=10686.54N

Y

根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝

杠的型号为：CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5o

其基本参数如下：

滚珠丝杠副详细参数说明7“18

（”系列浪珠候灯・（添珠外・环■管用入式反向。・・母）

■度

公尊宣色■耳”■♦囊•尺寸给算fl.

■II代♦

d.PBd.d.n«««<.Kl)LBDiD.0102h、1

20417JO2-S60171乂内370653940S.86

20417M)mg114010M6

you4"2419-325XI，4011455<»M6

(M2C0S-S20AM2O<730力621145%5S106M6

cM2OOe*2i3D800?1心，%44436

M二(H061931657iMxn74073M114S5.S6M6

IM2504-244“SUO%11516M6

424SI®ions5)652K»7b11505g106M6

(M2SOW，$24525M02)2079)4104011«)5gM6

M2MxsI46M415s777J5，gM6

图4-2

其额定动载荷为14205N>Qy足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式，预紧方式采用

双螺母罗纹预紧形式.

12

滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表

表4-2

名称计算公式结果

公称直径d。-一20min

螺距t--5nin

接触角0450

钢球直径内3.175mm

罗纹滚道法向半径RR=0.52d1.651mm

b

偏心距ee=(R-d+2)sinp0.04489mm

b

罗纹升角丫y=arctg-3-

nd4o33-

0

螺杆外径dd=d-(0.2-0.25)d19.365mm

0b

螺杆内径qd=d+2e-2R16.788mm

10

螺杆接触直径d?d=d-dcosp17.755mm

20b

螺母罗纹外径DD=d-2e+2R23.212mm

0

螺母内径（外循环）°,D=d+(0.2~0.255)d20.7mm

10b

传动效率计算

丝杠螺母副的传动效率为：tg（y+。）(4-5)

,

式中：（p=10,为磨擦角：Y为丝杠螺旋升角八

V=口二14。33'=0.96

tg（丫+。）tg（4033'+10'）

稳定性验算

统杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。

刚度验算

13

编I二±

滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：1ES(cm)(4-6)

Y向所受牵引力大，故用Y向参数计算

F=1252.621N

Y

I=0.5cm

o

E=20.6)106(N/CM2)

S=nR2=3.14(_L65i)2=2.14CM2

2

编L=±1251.82)0.5=6.12)10-«CM

120.6)106)2.14

丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽稍不计。导程变形总误差△为

编=编=6.12)1O^joo=12.24)10-4=12.24um<［编］

1b05E级精度丝杠允

许的螺距误差［△的蝶pm/m。

:五)齿轮计算、设计

因步进机电步距角9b=15滚珠丝杠螺距t=5iran,要实现脉冲当量$p=001mm/Step,在

传动系统中应加一对齿轮降速传动.

aI

i=0

齿轮传动比：3606p,步进机电步距角：a=1.5。/step。(4-7)

aI1.5)5

i=0==2.083

3606360〉0.01

P

Z2

i=-----

Z1

取小齿轮齿数Z<24则大齿轮齿数Z2=50

大小齿轮材料均为45钢

由于软齿面齿轮工艺简单、生产率高，故选择软齿面齿轮。

因传递的扭距较小,取模数m=lnun则：

分度圆直径.d=mz1=1)24=24mmd2=mz2=1)50=50mm

d

齿顶圆直径:a1=(ZJ2)m=(24+2))1=26mm

d=(z+2)m=(504-2))1=52mm

a22

14

=色一

齿根圆直径:d,12.5)m=(24—2.5)x1=21.5mm

d=(z—2.5)m=(50—2.5)x1=47.5mm

f21

齿宽.b=o^d=1x24=24mm取b=25b2=30

中心距,a=0.5(d+d2)=0.5(24+50)=37mm

分度圆压力角：。二20。

大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮

小齿轮采用两片薄齿轮错齿罗列以消除间隙.

双片齿轮错齿消隙结构图如下:

1、2一薄齿轮，3—弹簧，4、8-凸耳，5一调节螺钉，6、7—螺母

双片齿轮错齿消隙结构图

图4-3

:六)步进机电惯性负载的计算

根据等效转动惯量的计算公式，有：

(1)等效转动惯量的计算

:斤算到步进机电轴上的等效负载转动惯量为：

15

z6

J=J+J+(」)2(J+j)+M(「P)2

q01Z23冗9

2180b

(4-8)

式中：、为折算到机电轴上的惯性负载；之为步进机电轴的转动惯量；一为齿轮1的转动

惯量;

为齿轮2的转动惯量：气为滚珠丝杠的转动惯量：M为挪移部件的质量.

对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算:

J=0.78)10-3)D4)L(4-9)

式中D为圆柱零件直径，L为圆柱零件的长度。

所以有：

J=0.78)10-3)24〉2.5=6.47)1。2kg.cm2

1

J=0.78)10-3)5.0)3.0=146.25)10-2kg.cm2

2

J=0.78)10-3)2.04)30=37.44)10-2kg.cm2

3

机电轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有:

240.01

Jd=6.47)10-2+(沙(146.25+37.44)〉10-2+200(^^____)2=0.7793kg.cm2

)1.5

180

1七)步进机电的选用

(1)步进机电启动力矩的计算

设步进机电的等效负载力矩为T,负载力为P,根据能量守恒原理，机电所做的功与

负载力所做的功有如下的关系：

TQH=Ps

QnQ=9

式中为机电转角，S为挪移部件的相应位移，为机械传动的效率。若取b,则

c6口P=P+山(G+P)而

〉=P,且s'zo所以：

16

366[P+j.1(G+P)]

T=Psz

2兀v9

b(4-10)

PP

式中：s为挪移部件负载(N),G为挪移部件质量(N),z为与重力方向一致的作用在移

M9

动部件上的负载力(N),为导轨磨擦系数，b为步进机电的步距角(rad),1为机电轴

负载力矩(N.cm)o

MvPP

取二0.3(淬火钢滚珠导轨的磨擦系数)，=0.8,s二H二279.23N。考虑到重力影

响，Y向机电负载较大，因此G=1200N,所以有：

T=36xo.oi025"2+0史即oo+18oo)]=6525n.em

2x3.14x1.5x0.8

考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩:

Q0.3~0.5(4-11)

丁65.25so

T==163.12n.cm

取系数为0.3,则:q0.4

对于工作方式为三相6拍的步进机电:

T=T=163.12=188.36n.crn

j0.8660.866

max

(2)步进机电的最高工作频率

v1000

=max==1667

max60660><0T01

p

为使机电不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,max,同时机电最大静转矩要足

够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进机电.

17

机电有关参数如下：表4-3

主要技术参数

最大静

相电空载

型号步距转矩空载启

相数流运行分配方式

角(V)T动频率

(A)jmax频率

(n.m)

90BF00140.98073.92200080001相8拍

外形尺寸(mm)分量转子转动惯量

外直径长度轴直径kgKg.in

9014594.51764

18

五、数控系统硬件电路设计

:一）数控系统的硬件电路由以下几部份组成：

1、主控制器。即中央处理单元CPU

2、总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。

3、存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。

4、接口。即I/O输入输出接口。

数控系统的硬件框图如下所示：

外发

图5-1

:二）主控制器CPU的选择

MCS-51系列单片机是集中CPU,I/0端口及部份RAM等为一体的功能性很强

的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开辟手段齐

全，指令系统功能强大，编程灵便，硬件资料丰富，本次设计选用8031芯片作为主控

-H-l_C

心O

:三）存储器扩展电路设计

a）程序存储器的扩展

单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM芯片。其型号有：

2716,2732,2764,27128.27258,其容量分别为2k,4k,8k,16k32k。在选择芯片时要考

虑CPU与EPROM时序的匹配。8031所能读取的时间必须大于EPROM所要求

的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足

容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择2

764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。

于8031芯片的口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8031扩展系统中一定要

有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是742s373。

19

：2)数据存储器的扩展

由于8031芯片内部RAM惟独128字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩

展片外的数据存储器(RAM)°常用的数据存储器有6116(2Kx8),6264(8Kx8)等，这里我选

用6264(8Kx8)0

：3)译码电路

由于这里扩展的容量较大，扩展多个外围芯片。因此，这里使用译码法来进行编址。

译码电路可使用现有的译码芯片，这里我们选用3-8译码器(74LS138)。这种芯片，输入

端占用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线，74LS138译码器的

8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。

(4)1/0扩展电路设计

(a).通用可编程接口芯片8155

8031单片机共有4个8位并行1/0接口，但供用户使用的惟独P1口及部份P3

口线。因此要进行I/O口的扩展。8155与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的

接口芯片。

:四)步进机电驱动电路设计

()脉冲分配器

步进机电的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲

按一定的分配方式和顺序输送给步进机电的各相绕组，实现机电正反转。数控系统中通常

使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013o

(2)光电隔离电路

在步进待年纪驱动电路中，普通在接口电路与功率放大器之间家上光电隔离电路，实

现电气隔离，通常使用光电偶合器作为光电隔离电路。

：3)功率放大器

环型分配器的输出脉冲很小，还远不能满足步进机电的要求，不许将它放大，以产生

足够大的功率驱动步进机电正常运转，这里采用的功率放大电路如下图所示：

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：1)8031的时