X-Y数控工作台的机电系统设计

* * 理工大学

课程设计

X-Y数控工作台的机电系统设计

学院：机械工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

班级：机电 *** 班

教师： * * *

学号： ***********

学生： * * *

本文主要是进行X-Y数控工作台的机电系统设计，根据设计任务给定的工作尺寸，设计一种供应式数控铣床的X-Y数控工作台。

首先，确定总体设计方案：其中主要对导轨副、丝杠螺母副、减速装置、检测装置的选用及控制系统的设计进行初步分析，再绘制总体方案图。

其次，进行机械传动部件的计算与选择：主要进行导轨上移动部件的重量估算，铣削力的计算，直线滚动导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型，步进电机减速箱的选用，步进电动机的计算与选型。本部分作为此设计重点，进行了大量的分析、计算及验算，最后得到了满足任务规定尺寸的工作要求。

再次，选用检测装置。本设计中选用了增量式旋转编码器，确定电路为观电隔离电路，以此来对工作台的运动状态进行检测，从而在反馈后对工作台进行实时调整。

最后，控制系统的设计。此处主要通过进给传动系统来对硬件电路进行设计，并绘制控制系统原理框图；然后分析选用了步进电动机的驱动电源。

关键字：X-Y数控工作台机电系统导轨滚珠丝杠螺母副控制系统

1.引言 (3)

2.设计任务 (3)

3.总体方案的确定 (3)

3.1 机械传动部件的选择 (3)

3.1.1导轨副的选用 (3)

3.1.2丝杠螺母副的选用 (4)

3.1.3减速装置的选用 (4)

3.1.4伺服电动机的选用 (4)

3.1.5检测装置的选用 (4)

3.2 控制系统的设计 (4)

3.3 绘制总体方案图 (4)

4.机械传动部件的计算与选型 (5)

4.1 导轨上移动部件的重量估算 (5)

4.2 铣削力的计算 (5)

4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） (6)

4.3.1 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 (6)

4.3.2 距离额定寿命L的计算 (6)

4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (7)

4.4.1 最大工作载荷Fm的计算 (7)

4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算 (7)

4.4.3 初选型号 (7)

4.4.4 传动效率η的计算 (7)

4.4.5 刚度的验算 (7)

4.4.6 压杆稳定性校核 (8)

4.5 步进电动机减速箱的选用 (8)

4.6 步进电动机的计算与选型 (8)

4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq (8)

4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq (9)

4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 (10)

4.6.4 步进电动机的性能校核 (11)

5. 增量式旋转编码器的选用 (11)

6. 绘制进给传动系统示意图 (12)

7. 工作台控制系统的设计 (12)

7.1数控系统硬件控制电路设计 (12)

7.2辅助电路设计 (14)

7.3系统控制软件设计 (15)

8．步进电动机的驱动电源选用 (16)

8.1电动机特性分析及细分驱动控制 (16)

8.2步进电机电源驱动选用 (17)

总结 (18)

参考文献 (18)

1.引言

现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

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。

2.设计任务

题目：X-Y 数控工作台的机电系统设计

任务：设计X-Y 数控工作台的机电系统设计，其主要参数如下：

1. 立铣刀最大直径的mm d 20=；

2. 立铣刀齿数3=Z ；

3. 最大铣削宽度mm a e 20=；

4. 最大背吃刀量mm a p 10=

5. 加工材料为碳素钢活有色金属；

6. X 、Y 方向的脉冲当量mm y x 005.0==δδ；

7. X 、Z 方向的定位精度均为mm 01.0±；

8. 工作台面尺寸为mm mm 3201320?，加工范围为mm mm 330680?；

9. 工作台空载进给最快移动速度：min /2300max max mm v v y x ==；

10.工作台进给最快移动速度：min /770max max mm v v f y f x ==。

3.总体方案的确定

3.1 机械传动部件的选择

3.1.1导轨副的选用

要设计X-Y 数控车床工作台用来配套立式数控铣床，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此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，安装预紧方便等优点。

3.1.2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0.005mm 冲

当量和01

.0

mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、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。

3.1.3减速装置的选用

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，选用无间隙齿轮传动减速箱。

3.1.4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因此2300mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。

3.1.5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，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。

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。

3.2 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AT89S52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。

3.3 绘制总体方案图

微型机光

电

隔

离

光

电

隔

离

功

率

放

大

功

率

放

大

步进

电机

步进

电机

联轴器

联轴器

X向工作台

Y向工作台

图一总体方案图

4.机械传动部件的计算与选型

4.1 导轨上移动部件的重量估算

按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,来进行重量估算。

图二 工作台示意图

重量估算按:

重量=体积*材料比重

X 向拖板(上拖板) 重量估算为:

N N W x 2400108.71040350220023=?????=--

Y 向拖板(下拖板) 重量估算为:

N N W y 850108.7104035080023=?????=--

工作台面重量估算：

N N W 1000108.71030320132023=?????=--

电机重量估算为：120N

夹具及工件等重量:130N

X-Y 工作台运动部分总重量为:

N N W 4500130120100008502400=++++=总

4.2 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。则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：

Z n a d f a F p z e c 13.00.173.075.085.0118-= （1）

由设计任务知铣刀的直径为mm d 20=d ，齿数3=Z ,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mm a e 20=；背吃刀量mm a p 10=，每齿进给量mm f z 1.0=，铣刀转速min /300r n =。则由（1）式求的最大铣削力：

N F c 1893330010201.02011813.00.173.075.085.0≈??????=-

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，

可估算三个方向的铣削力分别为：N F F c f 2082

1.1≈=,N F F c e 71938.0≈=，N F F c fn 47325.0≈=。考虑立铣，工作台受到垂直方向的铣削力N F F e z 719==，受到水平方向的铣削力分别为f F 和fn F 。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N F F f x 2082==，径向铣削力为N F F fn y 473==。

4.3 直线滚动导轨副的计算与选型

4.3.1 块承受工作载荷max F 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：

F G F +=4

max （2） 其中，移动部件重量N G 4500=，外加载荷N F F z 719==z F=F 486N =，代入式（2），得最大工作载荷kN F 844.1max =。

根据工作载荷m a x F =0.686kN ，工作台面尺寸为mm mm 3201320?，加工范围为mm mm 330680?等数值，并考虑一定的余量；查表初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列，其中X 向导轨为JSA-LG35型，长度为2200m m ，其额定动载荷kN C a 1.35=，额定静载荷kN C a 2.470=；Y 向导轨为JSA-LG20型，长度为760m m ；其额定动载荷kN C a 6.13=，额定静载荷kN C a 3.200=。

4.3.2 距离额定寿命L 的计算

上述所取的KL 系列导轨副的滚道硬度为60HRC ，工作温度不超过100C ，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。由上可知，JSA-LG20系列所允许的静载荷值更小，所以此处只需对它进行验算即可。分别取硬度系数0.1=H f ，温度系数00.1=T f ，接触系数81.0=C f ，精度系数9.0=R f ，载荷系数5.1=W f ，代入下式，得距离寿命：

km F C f f f f f L a W R C T H 230250)(3max

≈?????= 远大于期望值50km ，故距离额定寿命满足要求。

4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型

4.4.1 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=2082N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=473N ，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=719N 。

已知移动部件总重量G=4500N ，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

()N G F F KF F y z x m 2318≈+++=μ

4.4.2 最大动工作载荷Q F 的计算

设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度min /700mm v =，初选丝杠导程mm P h 5=,则此时丝杠转速m in /140/r P v n h ==。

取滚珠丝杠的使用寿命h T 15000=,代入6010/60nT L =,得丝杠寿命系数1260=L （单位为：106r ）。

查表，取载荷系数2.1=W f ,滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数0.1=H f ,代入下式，求得最大动载荷：

N F f f L F m H W Q 1394530≈=

4.4.3 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CDM 系列3205-5型滚珠丝杠副，为外循环插管埋入式反向器双螺母预紧式，其公称直径为32mm ，导程为5mm ，循环滚珠为25.22??系列，精度等级取5级，额定动载荷为17998N ，大于Q F ，满足要求。

4.4.4 传动效率η的计算

将公称直径mm d 320=,导程mm P h 5=,代入())/(arctan 0d P h πλ=，得丝杠螺旋升角'512o =λ。将摩擦角'10=?，代入)tan(/tan ?λλη+=,得传动效率%95=η。

4.4.5 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-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为mm a 2000=；钢的弹性模量MPa E 5101.2?=；查表得滚珠直径D w =3.175mm ，丝杠底径d 2=28.2mm,丝

杠截面积222

58.6244/mm d S ==π。 忽略式下中的第二项，算得丝杠在工作载荷m F 作用下产生的拉/压变形量

mm ES a F m 0353.0)/(1≈=δ

（2）根据公式0(/)3W Z d D π=-，求得单圈滚珠数Z=28；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数?列数为25.22??，代入公式Z ∑=Z ?圈数?列数，得滚珠总数量Z ∑=280。丝

杠预紧时，取轴向预紧力YJ m F F =/3=773N 。由下式求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量

mm Z F D F YJ w m

0011.010/100013.032≈∑=δ

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2δ=0.0005mm 。

（3）将以上算出的1δ和2δ代入12δδδ=+总，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm ）δ总=0.0358mm=35.8m μ。

本例中丝杠的有效行程为850mm ，查表知5级精度滚珠丝杠有效行程在800~1000mm 时，行程偏差允许达到40m μ，可见丝杠刚度足够。

4.4.6 压杆稳定性校核

取支承系数k f =1；由丝杠底径d 2=28.2mm 求得截面惯性矩42/64I d π=≈310434mm ；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2000mm 。代入下式

m k K F Ka

EI f F ≥=22π 得临界载荷N F K 5362=，故m K F F >丝杠不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

4.5 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，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δ=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程P h =5mm ， 初选步进电

动机的步距角α=0.75°。根据式（3-12），算得减速比：

()/(360)h i P αδ==（0.75?5）/（360?0.005）=25/12

本设计选用JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm ，齿数比为75：36，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC 。减速箱中心距为[（75+36）?1/2]mm=55.5mm,小齿轮厚度为20mm ，双片大齿轮厚度均为10mm 。

4.6 步进电动机的计算与选型

4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eq J

已知：滚珠丝杠的公称直径d 0=32mm ，总长l=2000mm ，导程mm P h 5=，材料密度33/1085.7cm kg -?=ρ，移动部件总重力G=800N ，小齿轮齿宽b 1=20mm ，直径d 1=30mm ，大小齿轮齿宽b 2=20mm ，直径d 2=75mm ，传动比i=25/12。

计算得各个零部件的转动惯量如下：

2/4R L J S ρπ=，2/4R b J Z ρπ=，224365gn

GV J W = 滚珠丝杠的转动惯量2162.16cm kg J S ?=，拖板折算到丝杠上的转动惯量2910.2cm kg J W ?=，小齿轮的转动惯量21125.0cm kg J Z ?=，大齿轮的转动惯量22877.4cm kg J Z ?=。

初选步进电动机的型号为110BC380F,为三相混合式，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29cm kg J m ?=。

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

212()/eq m Z Z W S J J J J J J i =++++=14.643 kg ·cm 2

4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩eq T ：

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1eq T ，其中1eq T 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max a T ；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f T ；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0T 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，其中 0T 相对于max a T 和f T 很小，可以忽略不计。则有：

1eq T =max a T +f T

考虑传动链的总效率η，计

算空载起动时折算到电动机转轴

上最大加速转矩：

max a T =2160eq m

a J n t πη

? 其中： max 360m v n αδ

==958.3r/min 式中：m ax V —空载最快移动速度，

任务书指定为2300mm/min ；

α—步进电动机步距角，预

选电动机为0.75 ；

δ—脉冲当量，本例δ=0.005mm/脉冲。

设步进电机由静止加速至m n 所需时间0.4a t s =，传动链总效率0.7η=。则由上式

m N T a ?≈?????=-5248.07

.014.0603.95810643.1424max π 由式（4-10）知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： m N i P G F T h Z f ?≈???+?=+=0115.012

/257.02005.0)42000(005.02)(ππημ 式中μ——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005

z F ——垂直方向的铣削力，空载时取0

η——传动链效率，取0.7

最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

1eq T =max a T +f T =0.5363N ?m

2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2eq T

同样2eq T 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t T ；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f T ；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0T ，0T 相对于f T 和t T 很小，可以忽略不计。则有：

2eq T =t T +f T

其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T 由公式（4-14）计算。有：

m N i P F T h

f t ?≈???==136.112

/257.02005.020822ππη 再计算垂直方向承受最大工作负载（N F Z 719=）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： m N i P G F T h Z f ?≈???+?=+=0134.012

/257.02005.0)4200719(005.02)(ππημ 最后求最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：

2eq T =t T +f T =m N ?149.1

最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：

{}m N T T T eq eq eq ?==149.1,max 21

4.6.3 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eq T 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：

m N T T eq J ?=≥598.44max

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max j T =11.76N ?m 。可见，满足要求。

4.6.4 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 任务书给定工作台最快工进速度max f V =700mm/min ，脉冲当量mm 005.0=δ脉冲，求出电动机对应的运行频率Hz f f 2333)005.060/(700max ≈?=。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max f T ≈6.6N ?m ，远远大于最大工作负载转矩2eq T =1.149N ?m ，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max v =2300mm/min ，求出其对应运行频率Hz f f 7667)005.060/(2300max ≈?=。在此频率下，电动机的输出转矩max T =4.4N ?m ，大于快速空载起动时的负载转矩1eq T =0.5363N ?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max v =2300mm/min 对应的电动机运行频率为Hz f f 7667m ax =。查表知110BC380F 电动机的空载运行频率可达12000z H ，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2643.14cm kg J eq ?=，电动机转子的转动惯量29cm kg J m ?=，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率Hz f q 1200=。步进电动机克服惯性负载的起动频率为：

Hz J J f f m eq q

L 4.740/1=+=

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Hz 4.740。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100z H 。

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

5.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力应与步进电动机的步距角00.75α=，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/480α=个步进脉冲。

考虑增量式旋转编码器输出的A、B、C三相信号，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。

此次设计选用的编码器型号为：ZLK-120Z-05VO-10-H 通用型，孔径φ10mm，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信号为电压输出。

图三光电编码器原理图

6. 绘制进给传动系统示意图

进给传动系统示意图如图所示。

图四进给传动系统示意图

7．工作台控制系统的设计

7.1 数控系统硬件控制电路设计

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；

（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。

（一）数控系统的硬件电路由以下几部分组成：

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。

（二）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。

8031内部包括1个8位的CPU，128B RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口，1个全双工串行口，2个16位定时器/计时器。单片内无程序储存器，需外扩EPROM芯片。

（三）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：2716，2732，2764，27128，27258，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2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。

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)，6264(8Kx8)等，这里选用6264(8Kx8)。

（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）Ｉ／Ｏ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。

图五控制系统原理框图

7.2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。

MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该高增益反向放大器得输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL1。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电路，就构成一个稳定的自激振荡器。

如下图所示

图六时钟电路

（2）复位电路

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。

复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2, 施密特触发器输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

图七复位电路

7.3系统控制软件的设计

（一）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。

（二）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。

（三）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。

（四）自动加工程序设计

（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；

8.步进电动机的控制及驱动电源选用

8.1电动机特性分析及细分驱动控制

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 。

步进电动机和步进电动机驱动器构成了步进电机驱动系统。步进电动机驱动系统的性能，不但取决于步进电动机自身的性能，也取决于步进电动机驱动器的优劣。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。

当步进电动机驱动器接收到一个脉冲信

A 相波形

B 相波形

C 相波形

图八 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）

号（来自控制器），它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电动机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

图九步进电机细分电路控制图

8.2步进电机驱动电源选用

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BD28Nb 型，输入电压为220VAC，相电流为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。

图十步进电机驱动电源接线图

总结

通过本次对X-Y数控工作台的机电系统设计，由设计任务给定的工作尺寸，设计一种供应式数控铣床的X-Y数控工作台。这是一个比较具有实际意义的设计演练，不光是针对毕业设计前的一次预演，更是进入社会前的一次实际生产设计。

在本次设计中让我进一步的理解到机械与电子联系的紧密性，初步掌握了机电一体化产品的设计过程。就本次机电一体化产品设计来谈谈设计思路：

首先，确定总体设计方案：其中主要对导轨副、丝杠螺母副、减速装置、检测装置的选用及控制系统的设计进行初步分析，再绘制总体方案图。

其次，进行机械传动部件的计算与选择：主要进行导轨上移动部件的重量估算，铣削力的计算，直线滚动导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型，步进电机减速箱的选用，步进电动机的计算与选型。本部分作为此设计重点，进行了大量的分析、计算及验算，最后得到了满足任务规定尺寸的工作要求。

再次，选用检测装置。本设计中选用了增量式旋转编码器，确定电路为观电隔离电路，以此来对工作台的运动状态进行检测，从而在反馈后对工作台进行实时调整。

最后，控制系统的设计。此处主要通过进给传动系统来对硬件电路进行设计，并绘制控制系统原理框图；然后分析选用了步进电动机的驱动电源。

在老师的指导下和与同学的讨论中，最后通过自己的努力终于完成了本次设计任务，尽管在本次设计中间遇到了不少问题，如滚珠丝杠螺母副的选择与电动机的选择过程中，在开始的设计中选择的型号总是在验算过程中被推翻，此时又不得不一次次重新开始，后来通过一次次的调整，最后终于得到了满意的结果。通过这样的一个过程，让我们不仅锻炼了自己的能力，检验了自己所学的知识，还让我们认识到了自己的不足。有了这个经验对以后我们完善自己的不足是很具有指导意义的；另外，也会让我们更快的适应以后的工作。

参考文献

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