目录
第一章课程设计的内容和要求 (3)
第二章系统的总体方案设计 (4)
第三章机械部分设计 (5)
3.1 脉冲当量和传动比的确定 (5)
3.2工作台外形尺寸及重量初步估算 (5)
3.3 传动系统等效转矩惯量计算 (6)
3.4 工作载荷分析及计算 (6)
3.5 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (8)
3.6 导轨的选型和计算 (11)
3.7 驱动电机的选择 (11)
第四章数控系统设计 (15)
4.1 控制系统硬件的基本组成 (15)
4.2 接口程序初始化及步进电机控制程序 (17)
4.3 直线圆弧插补程序设计 (19)
参考文献 (25)
第一章课程设计的内容和要求
1.1 课程设计的内容
任务是：设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。
设计内容包括：
1.1.1数控装置总体方案的确定
(1) 确定系统组成方案（组成框图、功能、机械传动系统简图、主要的设计参数，及方案分析、比较、说明）。
1.1.2机械部分的设计
(1) 确定脉冲当量；
(2) 机械部件的总体尺寸及重量、转动惯量的初步估算；
(3) 传动元件及导向元件的设计，计算和选用；
(4) 伺服电机计算、选用；
(5) 绘制机械结构装配图；
1.1.3数控系统的设计
（1）确定数控系统装置方案（组成框图、功能、主要的设计参数，及方案分析、比较、说明）。
(2) 电气控制原理图设计（CPU、存储器、I/O接口电路及伺服驱动电路）
(3) 系统控制软件的结构设计（控制流程图）和部分功能控制软件设计（汇编程序及流程图）。
1.2 课程设计的要求
1.2.1图纸要求
（1）机械结构装配图，A0图纸一张。要求视图基本完整、符合要求。其中至少有一个坐标轴的完整剖视图。
（2）数控系统框图（附在说明书上）。
（3）数控电器图，A1图纸一张。
（4）软件框图（可附在说明书上）。
1.2.2编写设计说明书要求
说明书应当叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定、系统框图的分析、机械传动设计计算、电气部分的设计说明，选用元件及其具体参数的说明、软件设计及其说明等，说明书不少于8000字
第二章系统的总体方案确定
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，伺服电机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。
2.1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。
2.2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电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而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，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。
2.3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。控制系统由微机部分、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态等信息。
2.4X—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。
为了减少了零件的数目和中间环节的影响，精度高，效率高，电动机通过联轴器直接与滚珠丝杠相连。但此种连接对安装、加工的要求较高，选用挠性联轴器，如膜片联轴器，电动机的额定转矩较大，等效转动惯量亦大，对系统的稳定性和快速性将产生不利影响。
系统总体框图如下:
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
第三章 机械部分设计
机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，机械部件的总体尺寸、质量、运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。 3.1脉冲当量和传动比的确定
脉冲当量δp 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 。
根据脉冲当量和系统总体方案，传动比为1，直接用联轴器将电机和丝杠直接连接，有利于简化结构，提高精度。初选导程 0L =5mm 滚珠丝杠，电动机步距角 b θ=0.75°。
传动比计算公式
101
.03605
75.03600=??==
p b L i δθ
暂选130BF001型的步进电动机。其具体参数如下：
3.2工作台外形尺寸及重量初步估算
根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X 向和Y 向工作台承载重量W X 和W Y 。 设计工作台简图如下
:
X 向拖板(上拖板)尺寸为:
长*宽*高=320*270*40 重量:按重量=体积*材料比重估算为:
x W = 2
3
108.71040270320--?????N=270N
Y 向拖板(下拖板)尺寸为: 40320320??
重量Y W =2
3
108.71040320320--?????N=320N
上导轨(含电机)估算重量为：260N 夹具及工件重量:150N X-Y 工作台运动部分总重量为:
270N+320N+260N+150N=1000N
3.3传动系统等效转矩惯量计算
传动系统的转动惯量是一种惯性负载，选用电机时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都是与电机轴同轴线，还存在各转动部件转动惯量向电机轴的折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量
对于轴、轴承、齿轮、联轴器、丝杆等圆柱体的转动惯量计算公式为
8
2
D M J C =
3.3.1电机等效转动惯量
27.4cm kg J D ?=
3.3.2初选联轴器直径 cm D 3=，长度cm L 3=
联轴器等效转动惯量
)(1895.0103378.01078.023434cm Kg L D J L ?=???=?=--
3.3.3初选丝杠直径cm D 3=，初步估计丝杠长度cm L 35=。
滚珠丝杠等效转动惯量
)(2113.21035378.01078.023434cm Kg L D J s ?=???=?=--
3.3.4工作台等效转动惯量
)(6333.08
.91000
)25.0()2(
2220cm kg M L J G ?=?==ππ 3.3.5传动系统总的转动惯量
G S L D J J J J J +++=∑
6333.02113.21895.07.4+++=
).(64.72
cm kg =
3.4工作载荷分析及计算 3.
4.1铣削力的分析与计算
铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的且学部分都可看做车道到头的演变，铣刀的每一刀齿相当于一把车刀。
通常假定铣削时铣刀受到的铣削力是作用在刀尖的某点上。设刀齿上受到切削力的合理为F ，将F 沿铣刀轴线、径向和切向经行分解，则分别为轴向铣削力 ，径向铣削力 和切向铣削力 。
其中切向铣削力 是沿铣刀主运动方向的分离，它消耗铣床电机功率（即铣削功率）最多。
根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》选铣刀。根据最大铣刀直径Φ＝24mm ，最大铣削宽度mm a e 8=，最大铣削深度mm a p 5=选择莫氏锥柄立铣刀,铣刀材料为硬质合金，工件材料
为碳钢。
选取工进的最大速度为f V max =0.4mm/min ，选定铣刀转速min /400r n =，铣刀的齿数为 Z=5，则每齿进给量 f a =v/(zn)=400/(5*400)mm=0.2mm 。 因此铣削力z F 为：
13
.013.073.00
0.175.085.0605.1218.9????????=-n d Z a a a F p f e =13.013.073.00.175.085
.06040024552.08
5.1218.9????????- =1958N
3.4.2进给工作台工作载荷计算
作用在工作台上的合力F '与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力F 大小相同，方向相反，合力F '就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷L F ，工作台横向进给方向载荷C F 和工作台垂直进给方向载荷V F 。
工作台工作载荷L F 、C F 和V F 与铣刀的切向铣削力z F 之间有一定的经验比值。因此，求出z
F 后，即可计算出工作台的计算载荷L F 、C F 和V F 。
N F F z L 1664)90.080.0(=?-= N F F z C 695)40.035.0(=-= N F F z V 1478)80.075.0(=-=
z F z
F x
F y
F
3.5滚珠丝杠螺母副的选型和校核 3.5.1滚珠丝杠螺母副类型选择
G.GD 系列滚珠丝杠副
选用内循环，垫片式预紧方式的滚珠丝杠螺母副。预选G .GD 系列的2005-3丝杠。 3.5.2滚珠丝杠螺母副的校核 3.5.2.1最大工作载荷
滚珠丝杠上的工作载荷 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。综合导轨的工作载荷)(G F f KF F V L m +'+=，式中：L F ，V F ，C F 分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N ）；G 为移动部件的重力（N ）；K 和'
f 分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，随导轨形式的不同。
对于综合导轨15.1=K ，如果是滚动导轨时，005.0~0025.0='f ，现取004.0='f 因此有，
)(N F m
)
(51.1923)10001478(004.0166415.1)
(`N G F f KF F V L m =+?+?=++=
3.5.2.2 最大动负载C 的计算及主要尺寸初选
滚动丝杠最大动载荷C 可用下式计算：m m F f L C 3=，式中：L 为工作寿命，单位为r 6
10，
610/60nt L =；n 为丝杠转速min)/(r ，0/1000L v n =；v 为最大切削力条件下的进给速度
min)/(m ，0L 为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t 为额定使用寿命（h ），可取t=15000h ；m f 为运转状态系数，无冲击取1~1.2，一般情况取1.2~1.5，有冲击振动取1.5~2.5；m F 为滚珠丝杠工作载荷（N ）。
初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的个定动载荷a C 不得小于最大动载荷C ；C C a >。 其中：
0/1000L v n =，h t 15000=，min /4.0m v =
那么，
其中，1.1=m f
因为C KN C a >=117.9，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。 3.5.2.3传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率η为
%62.95)
01393(393)('0'
0='+=+=tg tg tg tg ?λλη
3.5.2.4刚度验算
滚珠丝杠计算满载时拉压形量1δ
)
10(8.376r =15000
4260??=6
10/60nt L =)
(245.9117N =51
.19231.1803??=m
m F f L C 3=
mm EA L F m 00471.06562
.593106.20300
51.19234
1=???±=±
=δ 其中L 取300mm ，Mpa E 4106.20?=，22
2
6562.593)2
5.27(
14.3)2
(mm d
A =?==π 滚珠与螺纹滚道间的接触变形2δ
mm Z
F D F YJ w m
0055.0681
43.65351
.19230013.00013
.02
3
3
22=???
==∑
δ
其中：kgf N F m 28.19651.1923==，5.2=w D ，
kgf N N F F m YJ 43.6517.64151.19233
1
31==?==
，4.283)3/3014.3(3)/(=-?=-=w m D d Z π，681)33(44.28≈+??=??=∑列数圈数Z Z
滚珠丝杠副刚度验算：
丝杠的总变形量21δδδ+=应小于允许的变形量。一般δ不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。或者，由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它晓。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。
机床的定位精度为0.04mm ，mm mm 01.00102.00055.000471.021≈=+=+=δδδ。因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。 3.5.2.5压杆稳定性验算
滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷载荷K F 为
其中，0.2=z f （丝杠承载方式系数，选用一端固定，一端简支方式），I 为截面惯量距，
mm mm d I 53.2805964/5.2764/44
1=?==ππ
临界载荷K F 与丝杠工作载荷m F 之比称为稳定性安全系数k n ，如果k n 大于需用稳定安全系数
[]k n ，则该滚珠丝杠就不会失稳。因此，滚珠丝杠的压杆稳定条件为：
N
403334=2
430053.28059106.2014.32????=
2
L EI
f F z K π=
[]k m K k n F F n >===
69.20951
.1923403334
因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。 3.6导轨的选型和计算
初选GDA20滚动导轨，额定动载荷KN C a 4.12=。 滚动导轨副的距离寿命L 的计算：
当导轨面的硬度为58~64HRC 时，0.1=H f ；当工作温度不超过100°C 时，1=T f ；c f 为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时81.0=c f ；w f 为载荷/速度系数，无冲击振动，5.1~1=w f ，取1.3；F 为每个滑块上的工作载荷，N G F F v 5.6194
1000
14784=+=+=
因此选用的导轨满足要求。 3.7驱动电机的选择
3.7.1步距角的选择
查表初选步距角步/75.0?=b θ
3.7.2步进电机输出转矩的选择 3.7.2.1空载启动力矩
（1） 加速度力矩
min /625360
01.075
.03000360max max r v n p b =??==
δθ
)(64.72cm kg J ?=∑
运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间s t 2.0=
2max
10602-∑
?=t
n J M ka π 2102
.060625
14.3264.7-?????
=
cm N ?=99.24
km
km 5097>=3
33.181.0115.619104.1250????
???????=3
50???
?
??=W C T H a f f f f F C L
(2) 空载摩擦力矩
)(40.01
8.014.325
.0004.0100020cm N i L f G M Kf ?=?????='=
πη 式中，G 为移动部件的总重量（N ）；f '为导轨摩擦系数；i 为齿轮传动降速比；η为传动系数总效率；0L 为滚珠丝杠的基本导程（cm ）。 （3） 附加摩擦力距
)N (22.6)95.01(1
8.014.325.017.641)1(222
000cm i L F M YJ ?=-????=-=
ηπη 式中，YJ F 为滚珠丝杠预加载荷，即预紧力，一般取的m F 的31；m F 为进给牵引力（N ）；0η为滚珠丝杠未预紧时的传动效率。 （4） 空载启动转矩计算
)(61.3122.640.099.240cm N M M M M kf ka kq ?=++=++=
按照计算出的空载启动转矩，查表2-17得出最大静转矩
)(24.33951
.061
.31707
.01max cm N M M kq j ?==
=
3.7.2.2 带负载启动时的总负载转矩fq M
（1） 加速度力矩
min /3.83360
01.075
.0400360max max r v n p b =??==
δθ
)(64.72cm kg J ?=∑
运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间s t 5.0=
2max
10602-∑
?=t
n J M ka π 2105
.0603
.8314.3264.7-?????
=
cm N ?=34.1
（2） 空载摩擦力矩 )(40.0cm N M Kf ?= （3） 附加摩擦力距 )N (22.60cm M ?=
（4） 作用在工作台的合理折算到电机上的转矩F M '
)(43.1911
8.025
.051.192320cm N i L F M F ?=????='=
'ππη （5） 带负载启动时的总负载转矩
)(39.19943.19122.640.034.10cm N M M M M M F kf ka fq ?=+++=+++='
运动部件正常运行时所需的最大静转矩)(78.3985
.039
.1995
.02max cm N M M fq j ?==
=
3.7.2.3按照1m a x j M 和2max j M 中的较大者选取步进电机的最大静转矩m a x j M ，并要求
{})(9878.3)(78.398,max 2max 2max 1max max m N cm N M M M M j j j j ?=?==≥， 2max max 31.9j j M m N M >>?=，因此选用130BF001步进电机可以符合要求。 3.7.3距频特性校核
3.7.3.1启动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量
∑?=2
64.7cm
kg J ，电动机转子的转动惯量
27.4cm kg J m ?=，
电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率Z q H f 3000=。由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：
Z m
q
L H J J f f 85.18517.4/64.713000/1=+=
+=
∑
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Z H 85.1851。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，
3.7.3.2 运行矩频特性校核 (1) 快进运行距频特性校核
最高运行频率Hz v f p 500001
.0603
1000601000max max =??==
δ
快进力矩)(62.622.640.00cm N M M M Kf KJ ?=+=+= 查130BF001的运行距频特性，KJ M 所对应的运行距频大于5000Hz
(2) 工进运行距频特性校核
工进时步进电机的运行频率Hz v f p G GJ 66601
.06040
.010********=??==
δ
摩擦力矩)(986.01
8.014.325
.0)10001478(004.02)(0cm N i L G F f M v f ?=????+?=+'=πη
工作负载力矩折算到电机上的力矩)(605.1658
.014.325
.0166420cm N i L F M t t ?=???==
πη 工进时电机运行力矩)(81.172605.165986.022.60cm N M M M M t f G J ?=++=++= 查130BF001的运行距频特性，Hz f G Y 666= 3.7.4验算惯量匹配 电动机轴上的总当量负载转矩惯量与电机轴自身转动惯量的比值应该控制在一定的范围内，既不应太大，也不应太少，即伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件的变化而引起的负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。如果该比值太小，说明电动机选择或传动比设计不太合理，经济性较差。为使该系统惯量达到较合理的匹配，一般应将比值控制在 1~4 1 之间。 )(7.42cm Kg J m ?= )(034.36333.01895.02113.22cm Kg J J J J G L s d ?=++=++= 6455.07 .4034.3==m d J J 由此可见， 141< d J J ，符合惯量匹配要求。 经过以上讨论，选用130BF001步进电动机可以满足要求。 由于Y 方向与X 方向的要求相差不多，可以选用同样的丝杠，导轨，电机 第四章数控系统设计 4.1控制系统硬件的基本组成 4.1.1数控系统的硬件框图如下所示： 4.1.2微处理器选择 在以单片机为核心的控制系统中，大多数采用MCS-51系列单片机的8031芯片，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统。8031内部包含一个8位CPU，128字节的RAM，两个16位的定时器，四个8位并行口，一个全双工串行口，可扩展的程序和数据存储器各64K，有5个中断源。 4.1.3系统扩展 系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示器，它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统需要进行系统扩展。可编程并行接口8155A是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个8位并行口PA、PB、PC，由此提供了24条口线。 U 1 8031 U 7 8155 P0.4P0.5P0.7P0.6P0.2P0.3P0.1P0.0ALE AD 4AD 5AD 7AD 6AD 2AD 3AD 1ALE RD WR AD 0P3.7RD P3.6WR IO/M P2.8 图4-1 扩展连线 4.1.4显示模块与键盘连接 如图3-2，通过P1口及译码器的键盘和显示接口电路。这里由P1口的准双向口功能可以实现一口多用。 首先，使P1口的低4位输出字形代码；P1口的高4位输出一个位扫描字，经3—8译码器后显示某一位，并持续1ms 。各位扫描一遍之后，关掉显示。 其次，使P1口的高4位转为输入方式，使P1口的低4位输出键扫描信号，有键按下时，转入键译码和处理程序。 图3—2 通过P1口及译码器的键盘和显示接口电路 4.1.5步进电机驱动电路设计 (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。本设计的脉冲分配由软件完成。 （2）光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。 （3）功率放大器 脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。 4.2接口程序初始化及步进电机控制程序 4.2.1 8255A初始化程序 INTT: MOV DX, 8155A控制端口 MOV AL, 86H OUT DX, AL MOV AL, 05H OUT DX, AL 4.2.2 40H类型中断服务程序 MOV DX, 8155A IN AL, DX IRET 4.2.3 步进电机驱动程序 4.2.4.1 电机的控制电路原理及控制字 设电机总的运行步数放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1（D5）中，当F1为0时，电机正转，为1时则反转。 正转时P1端口的输出控制字00H,01H,03H,02H,06H,07H,05H,04H,0CH,0DH存放在片内数据存储单元20H~29H中，2AH中存放结束标志00H，在2BH~36H的存储单元内反转时P1端口的输出控制字00H,0DH,0CH,04H,05H,07H,06H,02H,03H,01H,00H存放在37H单元内存放结束标志00H。 4.2.4.2电机正反转及转速控制程序 PUSH A ；保护现场 MOV R4, #N ；设步长计数器 CLR C； ORL C, D5H ；转向标志为1转移 JC ROTE； MOV R0, #20 ；正转控制字首址指针 AJMP LOOP； ROTE: MOV R0, #2BH ；反转控制字首地址 LOOP: MOV A, @R0 ； MOV P1, A ；输出控制字 ACALL DELAY ；延时 INC R0 ；指针加1 MOV A, #00H ； ORL A, @R0 ； JZ TRL； LOOP1: DJNZ R4, LOOP ；步数步为0转移 POP A ；恢复现场 RET；；返回 TPL: MOV A, R0 ； CLR A； SUBB A, #06H； MOV R0, A ；恢复控制字首指针 AJMP LOOP1； DELAY: MOV R2, #M ； DELAY1: MOV A, #M1 ； LOOP: DEC A； JNZ LOOP； DJNZ R2, DELAY1； RET； 4.3直线圆弧插补程序设计 在机电设备中，执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。在数控机床中，这是由X 、Y 两个方向运动的工作台，按照插补控制原理实现的。 4.3.1直线插补程序的设计 4.3.1.1用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步，都需要以下四个步骤： 偏差判别：判别偏差0≥m F 或0 终点判别：进给一步后，终点计算器减1.若为0，表示到达终点停止插补；不为0，则返回到第一步继续插补。终点计算判别可用两个方向坐标值来判断，也可由一个方向的坐标值来判断。当 e e Y X >，可用X 方向走的总步数e X 作为终点判别的依据，如动点X 等于终点e X 则停止。当e e Y X <，则用Y 方向走的总步数e Y 作为终点判别的依据。 由此，第一象限直线插补程序的算法如图： 4.3.1.2程序设计 设计程序时，在RAM 数据区分别存放终点坐标值e X 、e Y ，动点坐标值X,Y ，偏差m F 。对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始化，如设置初始值、X 、Y 向步进电机初态（控制字）。 插补程序所用的内存单元如下： D1D0为X向电机控制位。D0=1运行，D0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。 D2D3为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止；D3=1正转，D3=0反转。 第一象限直线插补的程序如下： ORG 2000H MIAN: MOV SP, #60H; X LP4: MOV 28H,#0C8H; e Y MOV 29H,#0C8H; e MOV 2AH,#00H; X MOV 2BH,#00H; Y MOV 2EH,#00H; F MOV 70H,#0AH; LP3: MOV A,2EH; JB ACC.7,LP1 MOV A,70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H,A; LCALL MOTR; LCALL DELAY; MOV A,2EH; SUBB A,29; INC 2AH; AJMP LP2; LP1: MOV A,70H STEB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A,2EH ADD A,28H LP2: MOV 2EH,A MOV A,28H CJME A,2AH,LP3 RET 程序中MOTR为步进电机的控制子程序。 4.3.2 圆弧插补程序的设计 4.3.2.1逐点比较法 逐点比较法的圆弧的插补计算过程和直线插补过程基本相同，也分为偏差判别、坐标进给、偏 差计算和终点判别四个步骤。不同点在于：（1）偏差计算公式步进与前一点偏差有关，还与前一点的坐标有关，在计算偏差的同时要进行坐标计算。（2）终点的判别是以一个方向的坐标值与终点坐标值相比较判断其是否相等为判据。若e e Y X <，则以X 是否等于e X 作为终点判据；若e e Y X ≥，则以Y 是否等于e Y 作为终点判据。 第一象限逆圆弧插补程序算法如图： 4.3.2.2 程序设计 和直线插补程序设计一样，也在内存中开辟存储单元用以存放有关数据。在RAM 数据区分别存放懂点坐标X 和Y ，其初始值为起点坐标值，其后依据坐标计算结果而变化，存放终点坐标值e X ， e Y 以及存放偏差m F 飞存储单元。第一象限逆圆弧插补程序如下： XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H e X L EQU 1AH e X H EQU 1BH e Y L EQU 2AH e Y H EQU 2BH 机电课程设计XY数控进给工作台设计 大学 课程设计（论文） 内容：X-Y数控进给工 作台设计 院(系)部：机械工程学院 学生姓名： 学号: 专业：机械电子工程 班级： 指导教师： 完成时间：2010-10-08 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。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。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。 关键字：机电一体化的基础基本组成要素特点发展趋势 目录 第一章课程设计的目的、意义及要求 (4) 第一节课程设计的目的、意义 (4) 第二节课程设计的要求 (4) 第二章课程设计的内容 (5) 第一节课程设计的内容 (5) 第二节课程设计的内容 (5) 第四章数控系统总体方案的确定 (6) 第五章机械部分设计 (7) 第一节工作台外形尺寸及重量初步估算 (7) 第二节滚动导轨副的计算、选择 (8) 第三节滚珠丝杠计算、选择 (10) 第四节直流伺服电机的计算选择 (12) 第五节联轴器计算、设计 (14) 第六节限位开关的选择 (15) 第七节光电编码器的选择 (15) 第六章机床数控系统硬件电路设计 (15) 第一节设计内容 (17) 第二节设计步骤························ 毕业设计 茂名职业技术学院 2011年12月21日 数控铣床X-Y工作台设计 【摘要】 本设计是在数控机床工作原理之上设计一台简单的、经济型的x-y 数控铣床工作台。X-Y数控工作台的机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了微机的软件与硬件功能以实现对机床的控制,使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。设计任务是完全围绕数控机床工作原理而展开的，本设计充分体现了数控机床机械设备部分与电气设备部分的紧密结合。X-Y数控工作台设计包括总体方案的设计、步进电机的选用、传动装置的设计、电气控制部分的设计和相关软件的设计。本设计的经济型数控工作台精度并不高，采用开环系统；机械传动部分采用步进电机直接连接滚珠丝杠，从而驱动工作台进给。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电，所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体即转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。 关键词：X-Y数控工作台；设计任务；机械传动部件；控制系统 CNC XY table design Abstract The design is in the NC machine tool works on top of design a simple, economical CNC xy table. XY table CNC electromech anical system design is an open-loop control system, its structure is simple, convenient and can guarantee to achieve a certain degree of accuracy. Reduce costs, is a computer-controlled technology, the simplest applications. It is full advantage of the crisis in software and hardware capabilities in order to achieve the control of machine tools; to expand the scope of processing machines, precision and reliability, and further enhanced. Design task is completely around the NC machine tool works and carried out,this design fully reflects the CNC machine tools and electrical equipment, machinery and equipment part of the close combination of parts. CNC XY table design includes the overall program design, selection of stepper motors, gear design, electrical control part of the design and related software design. The design of the economy is not high-precision CNC table, using open-loop system; mechanical transmission part is directly connected to ball screw stepping motor, which drives table feed . Stepper motor is a pulse signal will be transferred into the angular displacement of the electromechanical DAC device. Its working principle is: each to a pulse will be generated in the stator circuit in a certain space rotating magnetic field; due to pass the three-phase stepper motors AC Therefore, the number of input pulses and the time interval is different from the rotation of the rotor rotation speed and the length of time are different. As the rotating magnetic field into which the power of both the rotor conductor cutting magnetic field lines when the role of a force, from the realization of the rotating magnetic field corresponding rotational force of rotor rotation, so the rotor can be achieved only lead screw rotor X-Y 数控工作台课程设计 一、总体方案设计 1.1 设计任务 题目：X —Y 数控工作台的机电系统设计 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）工作台面尺寸C ×B ×H ＝185mm ×195mm ×27mm ； （2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝385mm ×385mm ×235mm ； （3）工作台加工范围X=115mm Y=115mm ； （4） X 、Y 方向的脉冲当量均为0.005mm 、脉冲；X 、Y 方向的定位精度均为±0.01mm ； （5）负载重量G=235N ； （6）工作台空载最快移动速度为3m/min ； 工作台进给最快移动速度为1m/min 。 （7）立铣刀的最大直径d=20mm ； （8）立铣刀齿数Z=3； （9）最大铣削宽度20e a mm ； （10）最大被吃刀量10p a mm 。 1．2总体方案的确定 图1-1 系统总体框图 （1）机械传动部件的选择 ① 导轨副的选择 要设计的X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，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 丝杠螺母副的选择 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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。 ③ 减速装置的选择 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 机械学院 毕业设计（论文）开题报告 题目X-Y数控工作台设计 学生姓名 学号 院 (系) 专业机械设计制造及自动化 指导教师王振 报告日期2010年11月20日 毕业设计（论文）题目X-Y数控工作台设计 题目来源（请在有关项目下作√记号）科研实践教学学生自拟 √ 题目类别（请在有关项目下作√记号）设计论文其它√ 毕业设计（论文）起止时间2009年10月22日——2009年4月30日 X-Y数控工作台设计 一、设计依据及设计意义： 1，依据：数控机床是用数控指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它广泛应用于机械制造和自动化领域，数控机床的应用不但给传统的制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控机床的不断发展和应用领域的扩大，所以X-Y数控工作台设计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。 2，意义：目前国内中小企业多采用经济型X-Y数控冲床系统，其加工速度慢、编程复杂、人机界面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。因此研制和开发一套基于双单片机的X-Y数控冲床数控系统，用于装配新冲床或对经济型数控冲床进行改造，能够有效的改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对提高企业生产效率、改善工人的工作环境有很大的实际意义,工作台是机床上必不可少的部件，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场需求，使之更有效的发挥经济效益和设计效益。 3，国际机床市场的消费主流是数控机床。1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控机床、数控铣床为主转数向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。世界X-Y数控工作台发展动向纳为下述几点：工序复合化、精密化的高速化、低价格化。 目录 一、机电专业课程设计目的 (3) 二、总体方案设计 (3) 三、机械系统设计 (4) 1、计工作台外形尺寸及重量估算 (5) 2、电动机滚动导轨的参数确定 (5) 3、滚珠丝杠的设计计算 (6) 4、步进电机的选用 (7) 四、绘制装配图 (9) 五、电气原理图设计 (10) 1、功率单片机的选择 (10) 2、外部程序存储器的扩展 (10) 3、外部数据存储器的扩展 (10) 4、I/O口扩展电路 (11) 5、显示器接口设计 (11) 6、键盘接口电路设计 (11) 7、步进电机的接口电路设计 (11) 8、其他 (11) 六、参考文献 (12) 一、机电专业课程设计目的 本课程设计是学生在完成专业课程学习后，所进行的机电一体化设备设计的 综合性训练。通过该环节达到下列目的：（1）巩固和加深专业课所学的理论知识； （2）培养理论联系实际，解决工程技术问题的动手能力；（3）进行机电一体化设备设计的基本功训练，包括以下10方面基本功：1）查阅文献资料；2)分析与选择设计方案；3）机械结构设计；4）电气控制原理设计；5）机电综合分析；6） 绘工程图；7）运动计算和精度计算；9）撰写设计说明书；10）贯彻设计标准。 二、总体方案设计 2.1 设计任务 （1）题目：二坐标数控工作台设计。 （2）设计内容及要求： 1）工作台总装图一张（0号图纸） 2）控制电气图一张（1号图纸） 3）设计说明书一份（10-20页） 4）具体设计参数如下： 台面尺寸：140180? 行程X ：140；Y:110 定位精度：mm X 300/013.0± mm Y 300/015.0± 典型工艺参数：台面速度 X: min /0.2m ，Y ：min /0.2m ； 进给抗力 X: 225N ； Y:150N ； 工作物重：8Kg 。 2.2 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受到负载力较小，为了简化结构，降低成本，采用 目录 一、总体 (2) 二、机械结构设计 (3) 1、脉冲当量和传动比的确定 (3) 2、机械部件(工作台)总体尺寸 (3) 3、工作载荷分析及计算 (4) 4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (5) 5、导轨的选型和计算 (10) 6、联轴器的选择及计算 (11) 7、传动系统等效转动惯量计算 (12) 8、步进电机的选用 (13) 三、控制系统设计 (18) 1、控制系统硬件的基本组成 (18) 2、接口程序初始化及步进电机控制程序 (19) 3、直线圆弧插补程序设计……………………………………………………… 22 参考文献 (30) 一、 总体 1、总体参数 设计一个数控XY 工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。已知的设计参数如下： 2、开、半闭、闭环选择 开环伺服系统——步进电机驱动——没有检测装置 半闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——脉冲编码器——速度反馈 闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——位置检测装置——位置反馈 本设计采用开环步进电机驱动。 3、传动初步设计 电动机——联轴器——滚珠丝杠——工作台 4、系统组成框图 大致确定为：控制、接口、驱动、传动再到执行。 即为XY →→→→控制器接口电路驱动装置传动机构工作台 5、机械传动系统简图 X 轴与Y 轴的传动系统简图都如图所示 二、机械结构设计 1、脉冲当量和传动比的确定 1.1、脉冲当量的确定 根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械 传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量 为0.01mm 。 1.2、传动比的确定 传动比计算公式：P b L i δθ3600 = 专业课课程设计指导书（2－1） 其中：b θ为步进电机的步距角，0L 为滚珠丝杠导程，P δ为系统脉冲当量。根据传动设计，采用联轴器，初选电机步距角?=9.0b θ，丝杠导程mm L 40=， mm P 01.0=δ。 则 其传动比 101 .03604 9.03600=??== P b L i δθ 2、机械部件(工作台)总体尺寸 由于工作台的加工范围为X ＝200mm ，Y ＝150mm 。工作台尺寸一般为工作台加工范 p δ 机电一体化系统综合课程设计课题名称：Ｘ－Ｙ数控工作台设计（电气部分）学院：信息工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 班级：机械三班 姓名：胡忠钦 学号： 10901313 指导老师：季国顺金成柱聂欣 目录 一、总体方案设计 (1) 1.1设计任务 (1) 1.2总体方案确定 (1) 二、机械系统设计 (4) 2.1 工作台外形尺寸及重量估算 (4) 2.2 导轨参数确定 (4) 2.3 滚珠丝杆的设计计算 (4) 2.4步进电动机减速箱设计 (6) 2.5 步进电机的选型与计算 (6) 三、控制系统硬件设计 (8) 3.1 CPU (8) 3.2 驱动系统设计 (10) 3.2.1步进电机的驱动电路 (10) 3.2.2电磁铁驱动电路 (12) 3.2.3电源转换 (12) 四、控制系统软件 (13) 4.1控制系统软件总体方案设计 (13) 4.2主流程设计 (13) 4.3中断服务流程 (15) 4.3.1 INTO中断服务流程图 (15) 4.3.2 INTI 中断服务流程图 (16) 4.4软件调试 (17) 4.4.1 复位程序流程图 (17) 4.4.2 X轴电机点动正转程序流程图 (19) 4.4.3 绘制圆弧程序流程图 (20) 4.4.4 步进电机步进一步程序流程图 (21) 五、总结 (22) 六、参考文献 (23) 七、附录 (24) 一、总体方案设计 1.1机电专业课程设计的任务 主要技术指标： 一定的规格要求（负载重量G=500N；台面尺寸C×B×H=240×254×15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1=550×550×184mm；最大长度L=678mm；工作台加工范围X=300mm；Y=300mm；工作台最快移动速度为1m/min；重复定位精度为± 0.02mm，定位精度为±0.04mm； 设计具体要求完成以下工作： （1）数控工作台装配图1张； （2）数控系统电气原理图1张； （3）设计说明书页1本； 所有图样均采用CAD绘制打印，设计说明书按规定撰写。 1.2 总体方案确定 图1-1 系统总体框图 机械部分改装设计计算示例1 1、初步确定工作台的尺寸及其重量 根据设计要求，所取的能够加工的最大面积为2190210mm ?，最大工件的重量为150kg 。因此我初定工作台的320230230mm ??。工作台的材料为45号钢，其密度为337.810/kg m ?。（取kg N g /10=）因此： 1.1、工作台（X 向托板） 重量=体积×密度 93123023020107.8101090G N -=??????≈ 1.2、取Y 向托板=X 向托板 N G 902= 1.3、上导轨座（连电机）重量 初步取导轨座的长mm 400，宽为mm 200，高为mm 30。因此 93340020030107.81010190G N -=??????≈ 所以根据上面所求，得XY 工作台运动部分的总重量 为： N G G G G 370190290321=+?=++=动 根据要求所知，其最大加工工件为150kg ，因此： 150103701870G N =?+=总 2、传动系统设计 2.1、脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应该小于等于工作台的位置精度的1/2，由于定位精度在mm 02.0±内，因此： 1 0.020.012 mm δ=?=， 2.2、取联轴器传动，因此它的传动比为1=i ,取丝杠的导程为4P mm =。 取步距角β为0.9度，所以 脉冲当量0.01360 Pi mm β δ== 3、滚珠丝杠的设计计算及选择 3.1求丝杠的静载荷c F 已知其计算公式c d H M F f f F = 《数控机床系统设计》110P 公式5-2 式中的, H f -硬度系数，取1.0 《数控机床系统设计》110P 表5-2 d f -载荷系数，取1.5 《数控机床系统设计》110P 表5-2 M F ：丝杠工作时的轴向阻力 根据： 0.0031870 5.6M Z F F N μ==?= 其中μ为0.003-0.004 因此： 1.51 5.68.4c F N =??= 3.2、确定动载荷及其使用寿命 根据丝杠动载荷公式：H d eq C f F = 式中：C ：额定动载荷 d f ：动载荷系数，轻微冲击取1 H f ：硬度系数，HRC 58≥取1 eq F ：当量动载荷，N 'L ：寿命 根据：使用寿命使用寿命6300814400L h =??= 所以'6660/106050014400/10432L nT h ==??= 式中的n 丝杠的最高转速，因题目中所给其工作台快进的速度为 2/min m ，因此其计算为： max 1000/10002/4500/min n V P r ==?= 本科生专业课程设计( 201１届） 学生姓名： 学号: 专业名称： 班级: 指导教师： 201０年11月20日 目录 任务书....................................................................................................... 错误!未定义书签。 二、总体方案的确定....................................................................................... 错误!未定义书签。 三、机械传动部件的计算与选型................................................................... 错误!未定义书签。 四、工作台机械装配图的绘制?错误!未定义书签。 五、工作台控制系统的设计........................................................................... 错误!未定义书签。参考文献........................................................................................................... 错误!未定义书签。附件1 ............................................................................................................... 错误!未定义书签。附件2?错误!未定义书签。 附件3?错误!未定义书签。 附件4 ............................................................................................................... 错误!未定义书签。 一、总体方案设计 1.1 设计任务 题目：X—Y 数控工作台的机电系统设计 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）工作台面尺寸C×B×H＝【200+（班级序号）×5】mm×【200+（班级序号）×5】mm×【15+（班级序号）】mm； 2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝【680+（班级序号）×5】mm×【680+（班级序号）×5】mm×【230+（班级序号）×5】mm； 3）工作台加工范围X=【300+（班级序号）×5】mm，Y=【300+（班级序号）×5】mm； 4）X、Y 方向的脉冲当量均为0.005mm/脉冲；X、Y 方向的定位精度均为±0.01mm； 5）夹具与工件质量M=【15+（班级序号）】kg； 6）工作台空载最快移动速度为3m/min；工作台进给最快移动速度为0.5m/min 。 7）立铣刀的最大直径d=20mm； 8）立铣刀齿数Z=3； 9）最大铣削宽度a e 20mm ； 10）最大被吃刀量a p 10mm 。 1.2 总体方案确定 （1））机械传动部件的选择 ①导轨副的选择 ②丝杠螺母副的选择 ③减速装置的选择 ④伺服电动机的选择 （2））控制系统的设计 ①伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制 ②PLC控制电机的梯形图编程 1.3 设计的基本要求 系统总体方案结构框图 （1） ）按照机械系统设计的步骤进行相关计算，完成手写设计说明书。 （2） ）计算结果作为装配图的尺寸和零部件选型的依据，通过 AutoCAD 软件绘制 XY 数控 工作台的总装配图，并绘制 AO 图纸。 （3） ）按照电气控制系统的步骤进行设计，完成电机启动、停止、正反转、电动等基本 工作状态控制的硬件连线图，并通过 PLC 协调控制 XY 电机运动，绘制相关梯形图。 XY 数控工作台结构 Y 方向传动机构 微 型机 机 电 接口 工作台 步 进 电 动机 减速器 人机接口 驱 动电 路 滚珠丝杠 减 速 器 滚 步 进 电 珠 动机 丝 杠 X 方向传动机构 数控机床课程设计说明书 设计课题：X-Y数控工作台设计 院别： 专业班级： 学号： 姓名： 指导老师： 摘要......................................................................................................... I I 一前言 . (1) 二设计任务 (2) 三设计主要步骤 (2) （一）确定设计总体方案 (2) 1、初拟机械传动部件方案： (2) 2、方案对比分析： (3) 3、最终方案： (4) （二）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。 (4) 2 计算切削力 (4) 3 滚珠丝杠传动设计计算及校验 (6) 4 步进电机的传动计算及电动机的选用 (12) 5 滑动导轨的设计计算 (18) 6 其余部件的选取 (20) 结论 (24) 致 (24) 参考文献 (25) 21世纪以来，人类经济高速发展，人们生活发生了日新月异的变化，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。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。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。 关键字：十字工作台；滚珠丝杠；滚动导轨；步进电机 本科生专业课程设计 学生姓名: 学号: 专业名称: 班级: 指导教师: 5 月 目录 任务书....................................................................... 错误!未定义书签。 二、总体方案的确定.................................................... 错误!未定义书签。 三、机械传动部件的计算与选型................................ 错误!未定义书签。 四、工作台机械装配图的绘制.................................... 错误!未定义书签。 五、工作台控制系统的设计........................................ 错误!未定义书签。参考文献 ......................................................................... 错误!未定义书签。附件1 .............................................................................. 错误!未定义书签。附件2 .............................................................................. 错误!未定义书签。附件3 .............................................................................. 错误!未定义书签。附件4 .............................................................................. 错误!未定义书签。 一.控制系统硬件设计 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。 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。 1. CPU板 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。 1.2 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 专业课课程设计设计说明书设计题目：数控X-Y工作台设计 学生：洪炎丰 学号：200611411208 班级：机制1062 指导教师：张健、李伟洪 广东海洋大学工程学院机械系 2010年2 月28 日 目录 序言 (3) 摘要 (4) 设计目的 (4) 设计要求 (4) 总体方案设计 (5) 机械系统设计计算 (6) 1、确定脉冲当量 (6) 2、确定传动比 (6) 3、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (7) 4、步进电动机的选型和计算 (11) 5、导轨的选型和计算 (13) 6、启动矩频特性校核 (14) 控制系统设计 (18) 第一节控制系统硬件的基本组成 (18) 第二节步进电机控制电路 (18) 步进电机控制程序设计 (20) 其它电路辅助设计 (24) 设计总结 (24) 参考文献 (25) 序言 据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。 在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。 由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。 据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。 在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。 从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高；"柔性强；#易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。 论文（设计）任务书 注：本表按自然班填写。于动员时发给学生。不够纸请另附页。 前言 设计目的 数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题---数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。 设计要求 课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。 课程设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机构（或装置）的设计、计算机I/O接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。 说明书的内容应包括：课程设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分配器等）的说明。 该课程设计的内容及方法，可以归纳如下： 1.采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。 2.选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。 3.精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。 4.学会使用手册及图表资料。 1.总体方案的确定 1.1设计参数 系统分辨率为0.01mm，其它设计参数如下表。 一、总体方案设计 1、1 设计任务 题目:X —Y 数控工作台的机电系统设计 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)工作台面尺寸C ×B ×H ＝【200+(班级序号)×5】mm ×【200+(班级序号)×5】mm × 【15+(班级序号)】mm; 2)底座外形尺寸C1×B1×H1＝【680+(班级序号)×5】mm ×【680+(班级序号)×5】mm ×【230+(班级序号)×5】mm; 3)工作台加工范围X=【300+(班级序号)×5】mm,Y=【300+(班级序号)×5】mm; 4) X 、Y 方向的脉冲当量均为0、005mm/脉冲;X 、Y 方向的定位精度均为±0.01mm; 5)夹具与工件质量M=【15+(班级序号)】kg; 6)工作台空载最快移动速度为3m/min;工作台进给最快移动速度为0.5m/min 。 7)立铣刀的最大直径d=20mm; 8)立铣刀齿数Z=3; 9)最大铣削宽度20e a mm =; 10)最大被吃刀量10p a mm =。 1、2 总体方案确定 (1)机械传动部件的选择 ① 导轨副的选择 ② 丝杠螺母副的选择 ③ 减速装置的选择 ④ 伺服电动机的选择 (2)控制系统的设计 ① 伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制 ② PLC 控制电机的梯形图编程 XY 数控工作台结构 1、3 设计的基本要求 (1)按照机械系统设计的步骤进行相关计算,完成手写设计说明书。 (2)计算结果作为装配图的尺寸与零部件选型的依据,通过AutoCAD 软件绘制XY 数控工作台的总装配图,并绘制AO 图纸。 (3)按照电气控制系统的步骤进行设计,完成电机启动、停止、正反转、电动等基本工作状态控制的硬件连线图,并通过PLC 协调控制XY 电机运动,绘制相关梯形图。 步进电 动机 减 速 器 滚珠丝 杠 步进电动机 减速器 工作台 滚珠丝杠 X 方向传动机构 Y 方向传动机构 微 型 机 机电接 口 驱 动 电 路 人机接口 系统总体方案结构框图 数控铣床X-Y工作台设计 目录 1.引言： (3) 2.设计任务 (4) 3.总体方案的确定 (4) 3.1 机械传动部件的选择 (4) 3.1.1导轨副的选用 3.1.2丝杠螺母副的选用 3.1.3减速装置的选用 3.1.4伺服电动机的选用 3.1.5检测装置的选用 3.2 控制系统的设计 (4) 3.3 绘制总体方案图 (6) 4.机械传动部件的计算与选型 (6) 4.1 导轨上移动部件的重量估算 (6) 4.2 铣削力的计算 (6) 4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） (7) F的计算及导轨型号的选取 4.3.1 块承受工作载荷m ax 4.3.2 距离额定寿命L的计算 4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型................. 7鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 4.4.1 最大工作载荷Fm的计算 4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算 4.4.3 初选型号 4.4.4 传动效率η的计算 4.4.5 刚度的验算 4.4.6 压杆稳定性校核 4.5 步进电动机减速箱的选用 (9) 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J eq 4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 4.6.4 步进电动机的性能校核 5.增量式旋转编码器的选用 (12) 6. 绘制进给传动系统示意图 (14) 7．工作台控制系统的设计 (15) 8．步进电动机的驱动电源选用 (16) 9.致谢 (17) 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。 数控X-Y工作台设计 机电一体化课程设计说明书 题目：X-Y数控工作台机电系统设计 班级：11级机械2班 姓名：xxq 学号 指导老师： 日期：2014年6月30日 X-Y 数控工作台机电系统设计 任务书 题目：X-Y 数控工作台机电系统设计 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 设计要求： 1、每6人一组数据，要求独立完成。 2、图纸要求：机械系统设计图纸2张（A 2），控制原理图一张（A 1） 3、设计计算说明书1份（手写或电子版） 第八组主要参数： 1. 立铣刀最大直径的d=12mm ； 2. 立铣刀齿数Z=2; 3. 最大铣削宽度e a =10mm; 4. 最大背吃刀量p a =8mm; 5. 加工材料为碳钢。 6. X 、Y 方向的脉冲当量x σ=0.01 mm/脉冲，y σ=0.005mm/脉冲; 7. X 、Z 方向的定位精度均为01.0±mm; 8. 工作台导轨长度为900mm ; 9.工作台空载进给最快移动速度：v x =3000 mm/min ，v y =6000mm/min ; 10.工作台进给最快移动速度: min /800min,/400max max mm v mm v fy fx ==; 11.移动部件总重量为960N ； 12.丝杠有效行程为950mm ； 目录 1.引言： (6) 2.设计任务 (6) 3.总体方案的确定 (4) 3.1 机械传动部件的选择 (4) 3.1.1导轨副的选用 3.1.2丝杠螺母副的选用 3.1.3减速装置的选用 3.1.4伺服电动机的选用 3.1.5检测装置的选用 3.2 控制系统的设计 (4) 3.3 绘制总体方案图 (8) 4.机械传动部件的计算与选型 (8) 4.1 导轨上移动部件的重量估算 (8) 4.2 铣削力的计算 (8) 4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） (9) F的计算及导轨型号的选取 4.3.1 块承受工作载荷max 4.3.2 距离额定寿命L的计算 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 4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算 4.4.3 初选型号 4.4.4 传动效率η的计算 4.4.5 刚度的验算 4.4.6 压杆稳定性校核 4.5 步进电动机减速箱的选用 (11) 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J eq机电课程设计XY数控进给工作台设计
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