X-Y数控工作台的机电系统设计

目录

一、引言................................................2 二、设计任务............................................2 三、总体方案的确定......................................3

1、机械传动部件的选择.........................................3 2、控制系统的设计.....................................4 3、绘制总体方案图.......................................4 四、机械传动部件的计算与选型............................5

1、导轨上移动部件的重量估算.............................5

2、铣削力的计算..............................................5 3、直线滚动导轨副的计算与选型................................6 4、滚珠丝杠螺母副的计算与选型................................7 5、步进电动机减速箱的选用....................................9 6、步进电动机的计算与选型. .............................9

五、增量式旋转编码器的选用 ..............................12 六、 绘制进给传动系统示意图 ............................ 13 七、工作台控制系统的设计 ............................... 13

1、数控系统硬件电路设计.......................................14

2、系统控制软件的设计........................................17

八、步进电动机的驱动电源选用 ........................... 19 九、致谢 ............................................... 21 十、参考文献............................................ 21

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一、引言

机电一体化技术是将机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。现代化的自动生产设备几乎可以说都是机电一体化的设备。中国机电设计迈入PLM全新阶段，正挑战着了前所未有的，不可预测的难题，一个个久战沙场经久不衰精兵良将正褪去了昨日英雄的光环，唯有CAMEL VIEW 能够胜任军统三国，光复旧业的重任，此时数系科技与德国iXtronics GmbH公司携手共同开拓机电设计领域的新篇章，CAMEL VIEW 作为机电一体化设计系统，从产品的概念设计到产品性能的测试、验证、通过都是一体化的，流程化的、规范化的，在满足用户设计的前提下，数值实验的仿真与结果的验证无不精确化，支持复杂环境下，多工况，多耦合场设计。而X-Y数控工作台则是其中关键部件。

X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。 模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。

二、设计任务

1、题目： X-Y数控工作台的机电系统设计

2、设计的要求

根据原始资料，完成： （1）、总体方案的确定； （2）、机械传动部件的选型； （3）、工作台机械装配图的绘制； （4）、工作台控制系统的设计；

（5）、编写课程设计说明书。设计说明书书写格式参照《四川理工学院机械工程学院毕业设计（论文）管理实施细则》 附录2：毕业设计说明书（论文）书写格式。

3、设计的原始数据

（1）、立铣刀最大直径的d=22mm；

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（2）、立铣刀齿数Z=3; （3）、最大铣削宽度ae=22mm; （4）、最大背吃刀量ap=10mm; （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=0.01mm/脉冲; （7）、X、Y方向的定位精度均为0.02mm;

（8）、工作台面尺寸为1000mm×320mm,加工范围为500×300㎜; (9)、工作台空载最快移动速度：Vxmax=Vymax=2500mm/min; （10）、工作台进给最快移动速度:Vxmaf=Vymaf=900mm/min;

三、总体方案的确定

1、机械传动部件的选择

（1）、导轨副的选用

要设计的X-Y数控工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，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（0.003~0.005），运动灵活；动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不易产生爬行；可以预紧，刚度高；寿命长；精度高；润滑方便，可以采用脂润滑，一次填满，长期使用；由专业厂生产，可以外购选用。因此滚动导轨副广泛地被应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器等。

（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，需要满足0.01mm脉冲当量和0.02mm的定位精度，滑动丝杠副为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的特点是摩擦阻力矩小，传动效率高，传动精度高，轴向刚度高，运动平稳，动态响应快，寿命长，预紧后可消除正反转间隙。

（3）、伺服电动机的选用

任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2500mm/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。

（4）、减速装置的选用

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选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，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。因此，决定选用无间隙齿轮传动减速箱。

（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比较低，但为了确保电动机在运动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力应与步进电动机的步距角相匹配。

2、控制系统的设计

（1）、设计的X-Z工作台准备用在数控车床上，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ATS51作为控制系统的CPU，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，还要扩展程序存储器，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。

3、绘制总体方案图

总体方案图如图所示：

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总体方案图

四、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

（1）、X向拖板（上 拖板）尺寸： 长宽高 1800×320×40

重量：按重量=体积×材料比重估算

1800320401037.81021800N

（2）、Y向拖板（下拖板）尺寸： 长宽高 90032040mm

900320401037.8102900N

（3）、上导轨座（连电机）重量：

1000300307.8102103120822N

（4）、夹具及其他重量：约150N

综上可知导轨上移动部件总重可估算3700N。

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，工件的材料为碳素钢或有色金属。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P16表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：

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0.850.750.731.00.13Fc118aefzdapnZ

今选择铣刀的直径为d=22mm，齿数Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为ae=22mm，最大背吃刀量ap=10mm，每齿进给量fz0.1mm，铣刀转速n=300r/min。由上式求的最大铣削力：

Fc118220.850.10.75220.73101.03000.133 N=1914.78N

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P16表3-5查得,结合查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P15图3-4a,考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：

Ff1.1Fc1.11914.782106.26N,

Fe0.38Fc0.381914.78727.62N，

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P15图3-4aFfn0.25Fc=0.251914.78=478.70N。

为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力FzFe727.62N，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，则纵向铣削力FxFf2106.26N，径向铣削力为FyFfn478.70N。

3、直线滚动导轨副的计算与选型

（1）、滑块承受工作载荷Fmax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直方向载荷为：

GF 4其中，移动部件重量Ｇ＝3700N，外加载荷F=Fz727.62N，代入上式，得最大工作载

Fmax荷Fmax=1652.62N=1.653kN。

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P48表3-41，根据最大工作载荷

Fmax=1.653kN，初选直线滚动导轨副的型号为JSA-KL系列的JSA-LG25型，其额定动载荷Ca17.7kN，额定静载荷C0a22.6kN。

任务书规定工作台面尺寸为1000320mm，加工范围为500×300㎜，考虑工作行程应留有一定余量，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P45表3-35选取X向导轨的长度为1600mm，Y向导轨的长度为760mm。

（2）、 距离额定寿命L的计算

上述所取的JSA-KL系列的JSA-LG25系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100C，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。分别取硬

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度系数fH=1.0，温度系数fT=1.00，接触系数fc=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数fw=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：

L=(fhftfcfrCa3)507047Km

fwFmax

远大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。

4、滚珠丝杠螺母副的计算与选型

(1)、 最大工作载荷Fm的计算

如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2106.26N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=478.70N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）

FZ=727.62N.

已知移动部件总重量G=3700N，按矩形导轨进行计算，取力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

Fm=KFx+(FyFz +G)=[1.12106.62+0.005(478.70+727.62+3700)]N2345N

（2）、最大动工作载荷FQ的计算 则此时丝杠转速n=v/Ph =150r/min。

取滚珠丝杠的使用寿命T=20000h,代入L0=60nT/106,得丝杠寿命系数L0=180（单位为：106r）。

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P39表3-30，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入下式，求得最大动载荷：

FQ=3L0fwfHFm15888N

（3）、初选型号

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P40表3-32，可知选CDM系列2506-5型滚珠丝杠副，为外循环插管埋入式双螺母垫片预紧式，其公称直径为32mm，导程为6mm，循环滚珠为2圈22.5系列，精度等级取5级，额定动载荷为24373N，大于FQ，满足要求。

（4）、传动效率η的计算

设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=900mm/min，初选丝杠导程Ph=6mm,

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将公称直径d0=32mm,导程Ph=6mm,代入λ=arctan[Ph/(d0)]，得丝杠螺旋升角λ=3°25′。将摩擦角=10′，代入η=tanλ/tan(λ+),得传动效率η=95.3%。

（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。因选用的两根滚珠丝杠一样，因此在刚度验算上，只需将最长的那根丝杠刚度达到即可，即X方向的丝杠。那么X方向丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a=1700mm；钢的弹性模量E=2.1х105Mpa; 查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P40表3-32，得滚珠直径Dw=3.969mm，丝杠底径d2=27.2mm,丝杠截面积

2S=d2/4=581.07mm2。

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P41式（3-25），忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷

2）、根据公式Z(d0/DW)3，求得单圈滚珠数Z=22；该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为22.5，代入公式ZZ圈数列数，得滚珠总数量Z=220。丝杠预紧时，取轴向预紧力FXJFm/3=781.67N。则由《机电一体化系统设计课程设计指导书》P412/10)，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量式（3-27）,20.0013Fm/(103DwFXJZFm作用下产生的拉/压变形量

1Fma/(ES)[23451700/(2.1105581.07)]mm=0.03267mm.。

20.0036mm。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，

取2=0.0006mm。

3)、将以上算出的1和2代入总12，求得丝杠总变形量（对应跨度1700mm）

总=0.0333mm=33.3m

本次课程设计中，丝杠的有效行程为650mm，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P41，5级精度滚珠丝杠有效行程在630~800mm时，行程偏差允许达到36m，可见丝杠刚度足够。

（6）、压杆稳定性校核

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P42式（3-28），可知临界载荷

Fkfk2EI/(Ka2)Fm，

计算失稳时的临界载荷FK。取支承系数fk=1；由丝杠底径d2=27.2mm求得截面惯性矩

4；滚动螺母至Id2/26868.63mm4；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）

轴向固定处的距离a取最大值1700mm。代入上式，得临界载荷FK=23.11N，远大于工作载荷Fm=2345，故丝杠不会失稳。

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综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

5、步进电动机减速箱的选用

为了满足脉冲当量的的设计要求，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轴上尽可能的小，传动精度最优，重量最轻的原则，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。

已知工作台的脉冲当量=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=6mm， 初选步进电动机的步距角=0.75°。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P，算得减19 式（3-12）速比：

i(Ph)/(360)=（0.756）/（3600.01）=5/4

本设计选用一级齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为25：20，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为（25+20）/2mm=22.5mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。

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Jeq

已知：滚珠丝杠的公称直径d0=32mm，总长l=1700mm，导程Ph=6mm，材料密度

=7.85103kg/cm3;移动部件总重力G=3400N；小齿轮齿宽b1=20mm.，直径d1=20mm，双片大齿轮齿宽b2=20mm，直径d2=25mm；传动比i=5/4。

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P56表4-1所示，算得各个零部件的转动惯量如下：

JSLR42 JZbR42 Jw365GV2/(4gn2)

滚珠丝杠的转动惯量Js=13.737kg·cm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量

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Jw=3.1658kg·cm;小齿轮的转动惯量Jz1=0.0247 kg·cm；大齿轮的转动惯量Jz2=0.0603

kg·cm2。

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P63表4-3，初选步进电动机的型号为110BC380F,为三相反应式，三相六拍，驱动时的步距角为0.75°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=9 kg·cm2。

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

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JeqJmJZ1(JZ2JWJS)/i2=19.8811 kg·cm

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（2）、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq

分快速空载和承受最大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Teq1 查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P61式（4-8）可知，Teq1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Tamax；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。因为滚珠丝杠副传动效率很高，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P62式（4-12）可知，FP2T0XJh(10)，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：

2iTeq1=Tamax+Tf

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P61式（4-9），考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：

Tamax=

2Jeqnm60ta1

其中： nm

vmax=520.833r/min 360式中Vmax—空载最快移动速度，任务书指定为900mm/min；

—步进电动机步距角，预选电动机为0.75；

—脉冲当量，本课程设计=0.01mm/脉冲。

设步进电机由静止加速至nm所需时间ta0.4s，传动链总效率0.7。则由上式可得：

219.8811104520.8330.3873Nm Tamax=

600.40.7查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P61式（4-10）知，移动部件运动时

算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

Tf=

(FzG)Ph0.005(03400)0.0060.0186Nm

2i20.75/4

式中——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005

Fz——垂直方向的铣削力，空载时取0

——传动链效率，取0.7

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最后由上式可求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

Teq1=Tamax+Tf=0.4059Nm

2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P62式（4-13）可知，Teq2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Tf和Tt很小，可以忽略不计。则有：

Teq2=Tt+Tf

其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P62式（4-14）计算。有：

Tt

21070.0062.2995Nm2i20.75/4

FfPh查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P62式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载(Fz727.62N)情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：

Tf(FzG)Ph0.005(727.623400)0.0060.0225Nm

2i20.75/4

最后由上式，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：

Teq2=Tt+Tf=2.322N/m

最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：

Teqmax{Teq1,Teq2}2.322Nm

（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，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足：

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Tjmax4Teq42.3229.288Nm

初选步进电动机的型号为110BC380F，查得该型号电动机的最大静转矩

Tjmax=11.76Nm。可见，满足要求,选择合理。

（4）、步进电动机的性能校核

1)、最快工进速度时电动机的输出转矩校核 设计任务书给定工作台最快工进速度

Vmaxf=900mm/min，脉冲当量0.01mm/脉冲，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》，求出电动机对应的运行频率fmaxfvmaxf/60[900/(600.01)1500Hz。P62式（4-16）

从110BC380F 电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩

Tmaxf9.96Nm，远远大于最大工作负载转矩Teq2=2.322Nm，满足要求。

2）、最快空载移动时电动机输出转矩校核 设计任务书给定工作台最快空载移动速度

vmax=2500mm/min，求出其对应运行频率fmax[2500/(600.01)]4167Hz。在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=7.84Nm，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=0.4059Nm，满足要求。

3）、最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度vmax=2500mm/min对应的电动机运行频率为fmax12500Hz。查表知110BC380F电动机的空载运行频率可达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19.8811kgcm2，电动机转子的转动惯量Jm9kgcm2，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq1200Hz。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》P63式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：

fLfq1Jeq/Jm670.02Hz

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670.02Hz。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。

综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BC380F步进电动机，完全满足设计要求。

五、增量式旋转编码器的选用

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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力应与步进电动机的步距角0.750，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、C相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选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。旋转编码器原理如图所示：

此次设计选用的编码器型号为：ZLG-120Z-05VO-10-H盘状空心型，孔径10

，与电

动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每秒输出120个A/B/C脉冲，信号为电压输出。

六、 绘制进给传动系统示意图

进给传动系统示意图如图所示。

从动齿轮主动齿轮工作台伺服电动机滚珠丝杠

进给传动系统示意图

七、工作台控制系统的设计

根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能： 1）、接收键盘数据，控制LED显示 2）、接受操作面板的开关与按钮信息；

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3）、接受车床限位开关信号；

4）、接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号； 5）、控制X，Z向步进电动机的驱动器； 6）、控制主轴的正转，反转与停止； 7）、控制多速电动机，实现主轴有级变速； 8）、控制交流变频器，实现主轴无级变速； 9)、控制切削液泵启动/停止； 10)、控制电动卡盘的夹紧与松开； 11)、控制电动刀架的自动选刀； 12)、与PC机的串行通信。

、数控系统硬件电路设计 该数控系统的总体硬件电路设计图

、数控系统的硬件电路由以下几部分组成： 1）、主控制器。即处理单元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。

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如下所示：

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(1)

（2）、主控制器CPU的选择

MCS_15系列单片机是集中CPU，I/O端口及部分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，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用8031芯片作为主控芯片。

（3）、存储器扩展电路设计

1）、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：2716，2732，27，27128，27258，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27芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。

由于8031芯片的P0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。

2）、数据存储器的扩展

由于8031芯片内部RAM只有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)，62(8Kx8)等，这里我选用62(8Kx8)。

（4）、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。

（5）、Ｉ／Ｏ扩展电路设计 通用可编程接口芯片8155

8031单片机共有４个８位并行I/O接口，但供用户使用的只有P1口及部分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。

（6）、步进电机驱动电路设计

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1）、脉冲分配器

步进电机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电机的各相绕组，实现电机正反转。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YB013。

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。

步进时钟 A相波形 B相波形 C相波形

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。

2）、光电隔离电路

在步进待年纪驱动电路中，一般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，还远不能满足步进电机的要求，不许将它放大，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。 （7）、其它辅助电路设计

1）、8031的时钟电路

单片机的时钟可由内部方式产生，内部方式利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1，XTAL2引脚上外接定时元件。如下图所示

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2）、复位电路

如下图所示，单片机的复位电路都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要

在RESET引脚上出现10ms 以上高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000H单元开始执行程序

2、系统控制软件的设计

（1）、系统控制软件的主要内容

数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分：

1）、系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。

2）、零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程

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序的任务。

3）、插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。

4）、伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角以及方向。

5）、诊断程序。包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。

6）、机床的自动加工及手动加工控制程序。

7）、键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。

（2）、系统控制功能分析 数控X-Y工作台的控制功能包括：

1）、系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。

2）、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。 3）、输入和显示加工程序。

4）、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。 5）、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。 6）、工作台的自动控制。 7）、工作台的手动控制。 8）、工作台的联动控制。

（3）、系统管理程序控制

管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。

（4）、自动加工程序设计

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1）、机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位→刀具快速进给→加工→退刀→工作台运动到下一位置；

2）、计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工；

控制系统原理框图如图所示。

控制系统原理框图

八、步进电动机的驱动电源选用

设计中X、Y向步进电动机均为110BC380F型，选择与之匹配的驱动电源为，输入电压为220V AC流为6A，分配方式为三相六拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图所示:

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如图所示，电压经变压器转换成80~220V AC，由驱动器整形、滤波、功放，细分电路的方法，使电脉冲信号达到步进电机能够识别的要求，同时通过细分电路来提高步进电机的调整精度，也能够更能使步距角变得更小，提高步进电机的转动质量。

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九、总结

通过近两周X-Y数控工作台的机电系统的设计，使我系统的知道了数控工作台的设计过程，深入了解了滚珠丝杠的选型，校验其的刚度等参数。从新认识了电机的选择，如何进行功率、转矩的匹配。对于检测元件的选择也很总要，它直接影响整个系统的精度与适应能力。对于进给系统系统及步进电机的电源选用，需充分考虑进给系统的进给速度及脉冲当量的大小；步进电机的电源需考虑电网电压降及其它周围环境的干扰。对于软、硬件控制部分，则需查找更多的相关资料，自己认真分析及适当的处理。在此过程中，我也更加熟悉查找、使用相关工具书，从中发掘自己所需的资料。最后衷心感谢孙老师的指导，其中必有很多纰漏，敬请斧正。

十、参考文献

[1] 张建民.机电一体化系统设计[M].北京：高等教育出版社.2001

[2] 张训文. 机电一体化系统设计与应用[M].北京：北京理工大学出版社.2006 [3] 张立勋等，机电一体化系统设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社. [4] 文怀兴，复田.数控机床系统设计[M].北京：化学工业出版社.2008 [5] 尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书.机械工业出版社.2007 [6] 李发海，王岩.电机与拖动基础.清华大学出版社.2005 [7] 王永章等.数控技术.高等教育出版社.2001

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