通用二维运动平台设计

专业综合设计II

题 目： 通用二维运动平台设计 姓 名： 学 号：

班 级：机电10-3班 指导教师：贺向新

目 录

序 号 1 2 3 4

名 称 设计任务书 机械装配图 硬件电路图 设计说明书 份 数 1份 A1 1张 A2 1张 1份 27页 备 注 2014年1月10日

学校代码： 10128 学 号： 20102010

课程设计说明书

题 目：通用二维运动平台设计

需要工程图的同学,

加qq号970108624,本人有工程图,在此,先祝你设计顺利.)

学 院：机械学院 班 级：机电10-3 指导教师：贺向新

学生姓名： (若2014年 1 月 9日

内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书

课程名称： 二维运动平台 学院：机械学院 班级：机电10-3 学生姓名： 学号： 指导教师：贺向新

一、题目 通用两维运动平台设计 二、目的与意义 《专业综合设计2》课程设计是机械设计制造及其自动化专业实践性非常强的教学环节之一，是机械类高年级学生综合应用基础课、技术基础课、专业课等知识体系，将机械、驱动、传感及计算机控制有机地集成融合在一起，独立设计一种具有特定功能的机电装备。 通过本次课程设计，培养学生运用所学《机电装备设计》课程的知识，对典型机电装备的工作原理、组成要素及核心技术问题的分析能力； 培养学生用《机电装备设计》的知识及相关知识体系，掌握如何将机械和电气驱动、检测技术和计算机控制融合在一起，如何构成一种性能优良、工作可靠及结构简单的机电装备的一般设计方法和规律，提高设计能力； 通过设计实践，熟悉设计过程，学会正确使用资料、正确使用图书特别是电子图书资源、网络资源，查阅技术文献、设计计算、分析设计结果及绘制机械、电气图样，在机电一体化技术的运用上得到训练； 通过课程设计的全过程，为学生提供一个较为充分的设计空间，使其在巩同所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领会机电装备设计的内涵。 三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等） 技术参数 1、运动平台面尺寸：400×320； 2、平台移动行程：X×Y＝250×200； 3、夹具和工件总重： 800N； 4、最高运行速度： 步进电机运行方式： 空载：1.2m/min; 切削：0.6m/min； 交流伺服电机运行方式：空载：15m/min;切削：6m/min； 5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step； 6、系统定位精度：开环模式±0.10mm；半闭环模式 ±0.01mm； 7、切削负载：X向500N；Y向600N；Z向700N 设计要求 1、实现X-Y两坐标联动； 2、用步进电机或交流伺服电机作驱动元件； 3、设置工作台的越位报警和紧急事故的急停开关，并响应中断； 4、任意平面曲线的加工，具有自动换象限的功能； 5、平台具有快速驱动功能； 6、平台具有断电手动调整功能。

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图纸量和工作量要求 1、机械总装配图 在CAXA环境下绘制二维运动平台的结构图，并进行详细设计，最后用A1号图纸打印输出。 2、硬件电路图 控制芯片可采用8031、80C31或基于PLC的运动控制技术，在Protel 99环境下，进行控制电路图的设计，电路图幅为A2～A1为宜。 3、设计说明书 要严格按照内蒙古工业大学课程设计（论文）说明书书写规范认真撰写，说明书不少于6000字。 四、工作内容、进度安排 1、总体设计分析、确定方案、设计计算------- --0.5周 2、机械部分结构设计、装配图绘制----------------1.0周 3、硬件电路设计----------------------------------------0.5周 4、撰写说明书---------------------------------------------5天 5、答辩-------------------------------------------------------2天 五、主要参考文献 [1] 林述温等. 机电装备设计[M].北京：机械工业出版社，2002. [2] 机床设计手册组.机床设计手册（三分册）[M].北京：机械工业出版社，1986. [3] 王爱玲.现代数控机床结构与设计[M].北京：兵器工业出版社，1999. [4] 尹志强等.机电一体化系统设计课程设计指导书[M].北京：机械工业出版社，20097 [5] 滚珠丝杠、线性滑轨[OL]. 汉意精工..http://www.taiwan-hsk.com [6] 滚珠丝杠、线性滑轨[OL].天津海特传动机械有限公司.http://www.hit-lm.com.cn [7] 步进电机及驱动器[OL].北京斯达微步控制技术有限公司.http://www.startsh.com [8] 步进电机及驱动器、交流伺服电机及系统[OL].步进机电有限公司. http://www.step-servo.com [9] 伺服电机相关技术、直线运动产品、光电传感器[OL].深圳市湘聚事业有限公司，http://www.sanet888.com [10] RORZE高精度步进电机及驱动器[OL].北京伟恒升级团.http://www.wellforcesbj.com [11] 步进联轴器，编码器联轴器，微型电机联轴器[OL].广州菱科自动化设备有限公司：http://www.gzlink.com [12] 日本富士、美国Copley等交流伺服电机[OL].重庆钧智自动化仪器控制有限公司 http://www.cqservo.com [13] 山东博特精工股份有限公司：http://www.jsinfo.com.cn/index.asp [14] 台达交流伺服电机等. [OL]. 台湾电子工业股份有限公司:http://www.delta.com.tw/ 审核意见 系（教研室）主任（签字）

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指导教师下达时间 2012 年 12 月 24 日 指导教师签字：_______________

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内蒙古工业大学课程设计说明书

摘 要

X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控机床的加工系统、

纵横向进给、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对X-Y工作台即能沿着X向、Y向移动的工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计对专业教学的意义及技术关键。 本次课程设计，主要设计和研究Ｘ－Ｙ工作台及其电气原理图。确定Ｘ－Ｙ工作台的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性及寿命等参数；并设计了导轨，据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。控制系统包括了系统电源配置、CPU电路、RAM、ROM扩展，键盘与显示、I/O通道接口、通信接口等。我们利用了8031主控器、6264片外数据存储器、2764片外程序存储器、74LS373地址锁存器、74LS138片选地址译码器及8155、8255可编程I/O扩展等MCS-51单片机设计其硬件电路图。

关键词：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；工作台；MCS—51单片机

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目 录

第一章 二维运动平台总体设计方案 .............................................. 4

1.1 系统运动方式的确定与驱动系统的选择 ....................................................................... 1 1.2 机械传动方式................................................................................................................... 1 1.3 计算机系统选择............................................................................................................... 1 1.4 总体方案的确定............................................................................................................... 2 第二章 二维运动平台进给驱动系统机械部分设计计算 .............................. 3

2.1 要求 .................................................................................................................................. 1

2.1.1 技术参数............................................................................................................... 3 2.1.2 设计要求............................................................................................................... 3 2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 ....................................................................................... 4

2.2.1 X向进给丝杠 ........................................................................................................ 4 2.2.2 Y向进给丝杠 ........................................................................................................ 8 2.3 滚动导轨的计算与选择 ................................................................................................. 10

2.3.1 滚动导轨副的额定寿命 ..................................................................................... 11 2. 4 步进电机的计算与选择..................................................................................................12

2. 4. 1 步进电动机减速箱的选用..................................................................................12 2.4.2 转动惯量与转矩的计算 ..................................................................................... 13 2.5 联轴器的选择..................................................................................................................17

2.5.1联轴器的选择.......................................................................................................17 2.5.2联轴器的转矩.......................................................................................................17 2.5.3确定联轴器的型号...............................................................................................17

第三章 微机系统硬件电路设计....................................................................................................18

3.1 计算机系统 .................................................................................................................... 18 3.2 单片微机系统硬件电路设计内容 ................................................................................. 19

3.2.1 绘制电气控制系统框图 ..................................................................................... 19 3.2.2 选择CPU的类型 ................................................................................................. 20 3.2.3 存储器扩展电路的设计 ..................................................................................... 20 3.2.4 I/O接口电路设计 .............................................................................................. 20 3.3 各类芯片简介................................................................................................................. 20

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3.3.1 8031芯片简介 .................................................................................................... 20 3.3.2 74LS373芯片简介 .............................................................................................. 21 3.3.3 74LS138芯片简介 ............................................................................................... 21 3.3.4 8279芯片简介 .................................................................................................... 21 3.3.5 8255芯片简介 .................................................................................................... 22 3.4 存储器扩展电路设计...................................................22

3.4.1 程序存储器ROM的扩展 ..................................................................................... 22 3.4.2 数据存储器RAM的扩展 ..................................................................................... 23 3.4.3 译码电路的设计 ................................................................................................. 23 3.5 I/O接口电路的设计 ...................................................................................................... 24

3.5.1 8255可编程接口芯片 ........................................................................................ 24 3.6 8031的时钟电路 ............................................................................................................ 24 3.7 复位电路 ........................................................................................................................ 25 3.8 越界报警电路................................................................................................................. 25 3.9 控制系统的功能............................................................................................................. 25 3.10 控制系统的工作原理 ................................................................................................... 25 参考文献..........................................................................................................................................26

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第一章 二维运动平台总体设计方案

1.1 系统运动方式的确定与驱动系统的选择

为了满足二维运动平台实现X.Y两坐标联动，任意平面曲面的加工，自动换象限，越位报警和急停等功能，故选择连续控制系统。考虑到工作台的加工范围，只对毛坯料进行初加工，不考虑误差补偿，故采用开环控制系统，由于任务书规定的脉冲当量0.01mm,定位精度也为0.01mm，空载最快移动速度也只有1200mm/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电机进行驱动，以降低成本，提高性价比。

1.2 机械传动方式

为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机转动丝杠。为了保证一定的传动精

度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。

1.3 计算机系统选择

根据设计要求，采用8位微机。由于MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS—51系列的8031、80C31、8155、8255等I/O扩展，基于DSP的运动控制芯片及微处理器技术。

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。系统的加工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及机床状态等信息。

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1.4 总体方案的确定

工作平台 驱动器 微 机 驱动器 步进电机 步进电机 中拖板 图1—1 X—Y数控工作台总体方案设计

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第二章 二维运动平台进给驱动系统机械部分设计计算

2.1 要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等）

2.1.1 技术参数

1、运动平台面尺寸：400×320； 2、平台移动行程：X×Y＝250×200； 3、夹具和工件总重： 800N； 4、最高运行速度：

步进电机运行方式： 空载：1.2m/min; 切削：0.6m/min； 交流伺服电机运行方式：空载：15m/min;切削：6m/min；

5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step； 6、系统定位精度：开环模式±0.10mm；半闭环模式 ±0.01mm； 7、切削负载：X向500N；Y向600N；Z向700N

2.1.2 设计要求

1、实现X-Y两坐标联动；

2、用步进电机或交流伺服电机作驱动元件；

3、设置工作台的越位报警和紧急事故的急停开关，并响应中断； 4、任意平面曲线的加工，具有自动换象限的功能； 5、平台具有快速驱动功能； 6、平台具有断电手动调整功能。

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2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型

2.2.1 X向进给丝杠

1、计算进给牵引力

若需要工程图的同学,加qq号970108624,本人有工程图,在此,先祝你设计顺利作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括

切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为选矩形导轨的计算公式。计算公式为：

Fm?KFx??(Fy?FZ?G)式中 FX、Fy、FZ、---切削分力（N）；500N,600N,700N.

；G=800N G ---移动部件上的重量（N）

? ---导轨上的摩擦因数，随导轨型式而不同；?=0.005 K ---考虑颠覆力矩影响系数；K=1.1

Fm?KFx??(Fy?Fz?G)?1.1?500?0.005?(700?600?800)?8560N 2、计算最大动载荷FQ

选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载FQ，用下式计算选择： FQ?FmfwfHL0L0?1/3

60?n?T 106vs n?1000Ph

式中 L0---寿命，以106转为一单位

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fH---硬度系数，取fH=1

fw---为运转系数；有一般运转时 fw=1.2-1.5 取1.2 n---丝杠转速，?r/min?，用下式计算

vs---为最大切削力条件下的进给速度?m/min?， Ph---丝杠导程，?mm?；

T---为使用寿命，?h?，对于数控机床取T?15000h；

初选导程Ph=5mm，由任务书可知最大切削力下的速度v?0.6m/min，则,代入公式可计算得 vs?0.6m/minn?1000vs1000?0.6??120r/min Ph560?n?T60?120?15000??108 661010

L0? FQ?3L0fWfHFm?3108?1.2?1?670?3828.81N 3、滚珠丝杠螺母副的选型

规格代号 公称直径 导程 滚珠直径 丝杠底径 丝杠外径 循环列数 螺母安装尺寸 油杯 额定载荷/N 刚度KC 应使其额定动载荷Ca?FQ，选取济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2504-4滚珠丝杠副. 表3-31 G系列滚珠丝杠副尺寸参数

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2005-3 20 5 G D1 D D4 L B h ?1 ?2 M Ca Coa G 3.175 16.2 19.3 3 36 60 48 46 11 6 5.8 10 M6930 9 21569 234

4、传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率?：

??tg?

tg?????式中 ?---丝杠螺旋升角；

?---摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数f?0.003~0.004，其摩擦角约等于10'。

将公称直径d0=20 mm，导程为Ph =5 mm ，代入???rctan?Ph/??d0??，得

tg?丝杠螺旋升角?=4.55。将摩擦角?=10，代入??，得传动效率

tg??????'??96.5%。 5、刚度计算

X向进给丝杠先画出此进给滚珠丝杠支承方式草图,如图所示.最大牵引力为

560N,由螺母装配总长度为46mm,丝杠螺纹长度取610mm,预计长度为700mm,丝杠螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负载的1/3.

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G J1 J M L 图2-1 X向进给系统计算简图

滚珠丝杠副的轴向变行会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素： （1）丝杠的拉伸或压缩变形量?1

?1?式中

FmFm?a E?S ---丝杠的最大工作载荷，单位为N；

a ---丝杠两端支撑间的距离，单位为mm；

5 E ---丝杠材料的弹性模量，钢的E?2.1?10MPa；

S ---丝杠按底径d2确定的截面积，单位为mm；

2 M ---转矩，单位为N.mm；

44 I ---丝杠按底径d2确定的截面惯性矩（I??d264），单位为mm。

将数据S???d22??3.14??16.22??206mm2，a?700mm带入式中，计算

22得?1?0.0108mm。

（2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量?2

Fm有预紧时 ?2?0.0013 2310DWFYJZ?10 式中 DW ---滚珠直径，单位为mm；

Z? ---滚珠总数量，Z??Z?圈数?列数；

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Z ---单圈滚珠数，Z???d0DW??3 FYJ ---预紧力，单位为N。

当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达轴向工作载荷的13时，?2值可减少一半左右。

将公称直径d0?20mm，滚珠直径DW?3.175mm，代入Z???d0DW??3，得单圈滚珠数17，代入Z??Z?圈数?列数，得滚珠数总量51，预紧力FYJ=223.3N，

Fm丝杠的最大工作载荷Fm=670N，代入?2?0.0013，计算得2310DWFYJZ?10?2?0.0015mm。

（3）?总??1??2，计算得?总?12.3?m

4级精度滚珠丝杠有效行程250mm在≤315mm时，行程偏差允许达到16?m，所以X向丝杠刚度足够。

2.2.2 Y向进给丝杠

1、计算进给牵引

计算公式为：

Fm?KFy??(Fx?FZ?G)

式中 FX、Fy、FZ、---切削分力（N）；500N,600N,700N.

；G=800N G ---移动部件上的重量（N）

? ---导轨上的摩擦因数，随导轨型式而不同；?=0.005 K ---考虑颠覆力矩影响系数；K=1.1

Fm?KFy??(Fx?Fz?G)?1.1?600?0.005?(500?700?800)?670N 2、计算最大动载荷FQ

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选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载FQ，用下式计算选择： FQ?FmfwfHL0L0?1/3

60?n?T 106 n?1000vsPh

式中 L0---寿命，以106转为一单位 fH---硬度系数，取fH=1

fw---为运转系数；有一般运转时 fw=1.2-1.5 取1.2 n---丝杠转速，?r/min?，用下式计算

vs---为最大切削力条件下的进给速度?m/min?， Ph---丝杠导程，?mm?；

T---为使用寿命，?h?，对于数控机床取T?15000h；

初选导程Ph=5mm，由任务书可知最大切削力下的速度v?0.6m/min，则,代入公式可计算得 vs?0.6m/min n?1000vs1000?0.6??120r/min Ph560?n?T60?120?15000??108 106106 L0?

FQ?3L0fWfHFm?3108?1.2?1?670?3828.81N 3、滚珠丝杠螺母副的选型

根据导程和额定载荷来选择螺母副。应使其额定动载荷Ca?FQ，选取济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3滚珠丝杠副。（同X方向选型）

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4、传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率?：

??式中 ?---丝杠螺旋升角；

?---摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数f?0.003~0.004，其摩擦角约等于10'。

计算结果同X方向一致，??96.5%。 5、刚度的验算

计算过程同X方向一致，?1?0.0109mm，?2?0.0016mm，?总??1??2?11.6?m

4级精度滚珠丝杠有效行程250mm在≤315mm时，行程偏差允许达到16?m，所以Y向丝杠刚度足够。 6、压杆稳定性校核

2 FK?fk?EI≥FM

Ka2tg?

tg?????单推-单推方式，故fK?1,I??d2464?3380.88mm4

1?3.142?2.1?105?3380.88FK??12416≥FM 23?430故丝杠不会失稳

2.3 滚动导轨的计算与选择

目前，滚动导轨在数控机床上应用非常广泛，因为其摩擦系数f=0.0025~0.005；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度的变化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低度运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，所以选用滚动导轨。

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2.3.1 滚动导轨副的额定寿命

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。考虑在最不利的情况，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：

Fmax?G?FZ 4 其中，移动部件重量G?800N，外加载荷FZ?700N,代入式中，得最大工作载荷Fmax?0.9KN。

根据工作载荷Fmax?0.9KN，初选直线滚动导轨副的型号为JSA-LG 15 。

表2-3直线导轨副参数

装配组合尺寸 H 24 W B H1 15 I 20 导轨尺寸 F 60 L0 max dxDxh1 1500 滑块尺寸 B1 K 19.4 15.5 16 4.7x7.5x5.3 47 滑块尺寸 T 7 任务书规定工作台面尺寸为400×320，工作台移动行程为250×200，考虑工作行程应留有一定余量，故选取导轨长度为700mm。 2、距离额定寿命L的计算

滚动体为球时，其计算公式如下：

T1 11 C1 4.5 C2 38 L1 65 L2 40.5 L3 30 Φ 6

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L?(fHfTfCfRCa3*)?50 fWFmax式中 L---距离额定寿命，单位为km；

Ca---额定动载荷，Ca?8.33kN；

F---滑块上的工作载荷,单位为kN；

fT---温度系数,fT?1.00；

fC---接触系数,导轨上的滑块数为2查相关资料fc?0.81； fW---载荷系数，fW?1.5

fH---硬度系数，滚道硬度不得低于HRC58故通常取fH?1

fR---精度系数，精度等级4级，fR=0.9

代入公式计算得：

L?(fHfTfCfRCa3*)?50 fWFmax3?1?1?0.81?0.97.6? =????50

1.50.9?? =3456km

远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。

2.4 步进电机的计算与选择

选用步进电机时，必须首先根据机械设计结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效惯量，分别计算各种共况条件下所需的等效力矩，再根据步进电机最大转矩选择合适的步进电机。

2.4.1 步进电动机减速箱的选用

已知工作台的脉冲当量??0.01mm/step，滚珠丝杠的导程Ph?5mm，初选步进电动机的步距角??0.72?

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算得减速比：i??Ph360??0.72??5360?0.01?1 故本设计并不需要减速箱。

2.4.2 转动惯量与转矩的计算

（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 各个零部件转动惯量如下：

已知：滚珠丝杠的公称直径

d0?20mm，导程Ph?5mm，材料密度

??7.85?10?3kg/cm3，移动部件总重量G?800N

滚珠丝杠的转动惯量

JW?P?G?5?800??h???????0.506kg.cm2g?2??10?2??

2?322?D?mj???v?7.85?10??????63.6?1.57kg?2?

工作台折算到丝杠上的转动惯量

JS?mjD281.57?22??10.78kg.cm28

初选步进电动机型号为130BYG5501，为两相混合式，二相八拍驱动时步距角

2J?33kg.cm0.72，查得该型号电动机转子的转动惯量m

?Jeq?Jm?Jw?Js?33?0.506?0.78?34.286kg.cm2

(2) 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载起动和承受最大工作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

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

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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，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有

Teq1?Tamax?Tf

① 考虑传动链的总效率?，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速度转矩：

Tamax?2?Jeqnm60ta1?

?式中 nm ---对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min ta ---步进电动机由静止到加速至nm转速所需要的时间，单位为s。

nm?vmax? 360?式中 vmax---空载最快移动速度，任务书指定为1200mm/min ? ---步进电动机步距角，预选电动机为0.72? ? ---脉冲当量，任务书指定为0.01mm/step 将以上各值代入式中，算得nm?240r/min

步进电动机由静止到加速至nm转速所需要的时间ta?0.5s，传动链总效率??0.7，则

Tamax2??34.286?10?4?240??0.246N.m

60?0.5?0.7② 移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为

Tf??(FZ?G)Ph 2??i式中 ? ---导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005 Fz ---垂直方向的切削力，空载时取0

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? ---传动链总效率，取0.7 则

0.005?(0?800)?5?10?3Tf??0.0045N.m

2?3.14?0.7?1因此，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?0.246?0.0045?0.2505N.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

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

T0相对于Tt和Tf很小，紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0，可以忽略不计。

则有

Teq2?Tt?Tf

① 折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt

本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx?500N,则有

Tt?FfPh2??i?500?0.005?0.57N.m

2??0.7?1② 计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf

Tf??(FZ?G)Ph0.005?(700?800)?0.005??0.008N

2??i2??0.7?1因此，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?0.57?0.008?0.578N.m

经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：

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Teq?max?Teq1,Teq2??0.578N.m

（3）步进电动机最大静转矩的选定

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。本例中，安

全系数取K?4,则步进电动机的最大静转矩应满足：

Tjmax?4Teq?4?0.578?2.312N.m

上述初选的步进电动机型号为130BYG5501，该型号最大静转矩Tjmax?20N.m，满足要求。

（4）步进电动机的性能校核

1) 最快工进速度时电动机输出转矩校核

任务书给定的最快工进移动速度Vmaxf?600mm/min

Vmaxf60?600?1000Hz

60?0.01 电动机对应的运行频率为fmaxf?? 查表4-7知，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf?17.2N.m远远大于最大工作负载转矩0.578N.m ,满足要求。 2) 最快空载移动时电动机输出转矩校核

任务书给定的工作台最快空载移动速度Vmax?1200mm/min 电动机对应的运行频率fmax?Vmax1200??2000Hz 60?60?0.01查表4-7知，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax?16.5N.m远远大于

Teq1?0.25N.m,满足要求。

3) 最快空载移动时电动机输出转矩校核

与最快空载移动速度Vmax?1200mm/min对应的电动机运行频率为2000Hz 查表4-5知130BYG5501的电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超出

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上限。

4) 起动频率的计算

Jeq?34.286kg.cm2 电动机转子惯量Jm?33kg.cm2 电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq?1800Hz fL?fq1?JeqJm?18001?34.28633?1260Hz

要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率到必须小于1260Hz。

综上，步进电动机130BYG5501满足设计要求。

表2-4 永磁感应式步进电动机的技术参数

最 大 静空 载 起空 载 运相 5 型 号 步 距 角 电 压 电 流 转 矩 动 频 率 行 频 率 数/??? /V /A /?N.m? /Hz /Hz/kg.cm转 动 惯量2?? 0.36/0.7130BYG5501 120-310 2 5 20 1800 20000 33

2.5 联轴器的选择

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2.5.1联轴器的选择

表2-5

型号 Φ D 32 L 43 M 4 L1 14 F 6 E 21 LK6-C32 19，12

2.5.2联轴器的转矩

传动轴上的公称转矩T可用下式计算：

T?9550P n实际计算时，应将公称转矩T乘以工作情况系数KA,得到计算转矩Tca?KAT。

2.5.3确定联轴器的型号

根据计算转矩Tca及所选的联轴器类型，若Tca??T?,则联轴器可以确定。

第三章 微机系统硬件电路设计

3.1 计算机系统

微机系统由CPU，存储器扩展电路，I/O接口电路，驱动电机驱动电路等几部分组成。

微机是系统的核心，其他装置都是在微机的指挥进行工作的。系统要求主要对微机的字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机，要进行双字长和三字长的运算，就会影响速度，根据机床要求，综合考虑采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性价比特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。

控制系统由微机部分，键盘、I/O接口，步进电机功率放大电路等几部分组成。

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系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。

3.2 单片微机系统硬件电路设计内容

3.2.1 绘制电气控制系统框图

数控系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础，有了硬件软件才能有效的运行。

RAM ROM 驱动器 CPU I/O 接口 步进电动机 外 设 键盘及其它

机床数控系统硬件框图

机床硬件电路图由以下几部分组成： 1.主控制器，即CPU

2.总线，包括数据，地址，控制总线 3.存储器 ROM，RAM 4.接口，即I/O接口电路 5.外设，如键盘等

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3.2.2 选择CPU的类型

考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，及经济价格比等经济性的要求。因此，在经济数控机床中，推荐使用MCS—51系列单片机作主控制器。

3.2.3 存储器扩展电路的设计

存储器扩展电路应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。

在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量问题。

在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。

3.2.4 I/O接口电路设计

此次设计内容包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，越界报警电路等）

3.3 各类芯片简介

3.3.1 8031芯片简介

Vss：接地 VCC：+5伏电压

XTAL1：内部振荡电路反向放大器输入端 XTAL2：内部振荡电路反向放大器输出端 RST/VPD：复位/备用电源 ALE/PROG：锁存/接收编程脉冲

PSEN：外部程序存储器读选通信号输出端

EA/VPP：EA为内部程序存储器和外部程序存储起选择端，对于8031始终保持低电平；VPP为在EPROM编程期间加21伏编程电压

P0.0～P0.7：在访问外存时，分时传送低8位地址和数据总线

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P1.0～P1.7：8位准双向I/O口，每一位都可作为可编程的输入或输出线 P2.0～P2.7：8位准双向I/O口，访问外存时输出高8位地址 P3.0～P3.7：8位准双向I/O口及第二功能口

3.3.2 74LS373芯片简介

D0～D7： 数据输入端

Q0～Q7： 数据输出端 LE ： 锁存信号输入端 OE ： 锁存信号输出端

3.3.3 74LS138芯片简介 3.3.4 8279芯片简介

<1>DB0~DB7：双向数据总线。在CPU与8279间做数据与命令传送。 <2>CLK：8279的系统时钟，100KHz为最佳选择。 <3>RESET：复位输入线。输入HI时可复位8279。

<4>CS：芯片选择信号线。当这个输入引脚为低电平时，可将命令写入8279或读取8279的数据。

<5>A0：缓冲器地址选择线。A0=0时，读写一般数据；A0=1时，读取状态标志位或写入命令。

<6>RD：读取控制线。RD=0时，8279输送数据到外部总线。 <7>WR：写入控制线。WR=0时，8279从外部总线接收数据。

<8>IRQ：中断请求。平常IRQ为LO，在键盘模式下，每次读取FIFO/SENSOR RAM的数据时，IRQ变为HI，读取后转为LO；在传感器模式下，只要传感器一有变化，就会使IRQ变为HI，读取后转为LO。

<9>SL0~SL3：扫描按键开关或传感器矩阵及显示器，可以是编码模式(16对1)或解码模式(4对1)。

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<10>RL0~RL7：键盘/传感器的返回线。无按键被按时，返回线为HI；有按键被按时，该按键的返回线为LO。在激发输入模式时，为8位的数据输入。 <11>SHIFT：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与其它按键的状态一同储存(在BIT6)，内部有上拉电阻，未按时为HI，按时为LO。

<12>CNTL/STB：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与SHIFT以及其它按键的状态同一储存，内部有上拉电阻，未按时为HI，按时为LO。在激发输入模式时，作为返回线8位数据的使能引脚。

<13>OUTA0~OUTA3：动态扫描显示的输出口(高4位)。 <14>OUTB0~OUTB3：动态扫描显示的输出口(低4位)。 <15>BD：消隐输出线。

3.3.5 8255

芯片简介

RESET：由CPU提供复位信号 CS：片选信号

RD：为主机发来的读数脉冲输入端 WR：为主机发来的读数脉冲输入端 A1、A0 ：端口选择信号

3.4 存储器扩展电路设计

MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，对简单的应用场合MCS-51系列的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求。对于复杂的应用场合，可利用MCS-51的扩展功能，构成功能强，规模大的系统。

3.4.1 程序存储器ROM的扩展

MCS-51的程序存储器的寻址空间为64K B。8031不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。

（1）、16位地址总线的扩展

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由于P0口分时传送低字节地址和数据，所以接入74LS373锁存器，8031的ALE接373的LE，373的OC接地，使373常输出。74LS373的输出口Q与P2口一起扩展出12位地址总线AB。 (2）、地址线的连接

根据设计要求，需要扩展一片2732。一片2732的地址线分别与地址总线AB相连。

(3）、数据线的连接

两片存储器的8位数据线分别与数据总线DB按位依次相连。 (4）.控制线的连接

8031PSEN与EPROM的OE相连；8031的EA接地；2732的CE与138 Y0相连。

3.4.2 数据存储器RAM的扩展

由于8031芯片内部RAM只有128字节，远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器RAM，选择6116芯片即可满足设计要求。

6116的连接和2732大致相同，唯控制信号线的连接不同；6116的OE，WE与8031的RD，WR相连，CS与138的Y1相连。

3.4.3 译码电路的设计

8031单片机允许扩展64K ROM和64K RAM（包括I/O借口芯片） (1）、MCS-51单片机应用系统中的地址译码规则

第一：ROM与RAM独立编址

ROM地址和RAM地址可以重叠使用，都从0000H～FFFFH。地址的重复靠

片选信号和控制信号区分。

第二：外围I/O与RAM、ROM的统一编址

外围I/O不仅占用RAM的单元，而且使用RAM的读/写指令，本次课程设

计采用统一编址。

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(2）、地址译码法

常用地址的译码方法有线选法和全地址译码，在这里选择全地址译码。 对于容量较大的的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用全地址译码的方法。

通常采用3-8译码器（74LS138）。输入端占用3根最高地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内的地址线。74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。

3.5 I/O接口电路的设计

8031单片机共有3个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口和部分P3

口，因此在大部分应用系统中都需要扩展I/O口芯片，本扩展系统采用8255芯片。

3.5.1 8255可编程接口芯片

8255是INTER公司开发的可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位和低4位，他们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式，8255可与8031直接连接。 （1）、8255的三种工作方式

方式0：基本输入输出方式 方式1：应答式输入输出工作方式

方式2：应答式双向输入输出工作方式（仅A0口可选此种方式，此时C口的PC7～PC3五位作为其应答信号使用。 （2）、8031和8255的接口

连接无需任何外加逻辑电路，直接连接即可。

3.6 8031的时钟电路

单片机的时钟可以由两种方式产生。即内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路在XTAL1，XTAL2引脚上外接定时元件。采用外部方式时把XTAL1接地，XTAL2接外部时钟电源。

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3.7 复位电路

单片机的复位都是用外部电路实现的，在时钟电路工作后，REST引脚上出现10ms以上高电平，单片机便实现状态复位。从0000H单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。原理图中为上电与按钮复位电路组合。在上电瞬间，RC电路充电。RST引脚出现正脉冲，只要在RST端保持10ms以上高电平就能使单片机有效的复位。

3.8 越界报警电路

为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。一旦某一方向越界，立即停止工作台的移动，这里采用中断方式。利用8031的外部中断INT0只要有任何一个行程开关闭合。即工作台在某一方向越界均能产生中断信号INT0。为了报警，设置红绿指示灯，两灯均由一个I/O口输出

3.9 控制系统的功能

1. X向，Y向的进给驱动系统 2. 键盘显示 3. 面板管理 4. 行程控制

3.10 控制系统的工作原理

为了便于说明，以控制面板为例。简述其工作原理。控制面板分为显示器、信号灯、键盘、按钮和旋钮。

1.显示器：用来显示工作过程中一些相关的数据

2.信号灯：在显示器下面的红灯为越界信号灯，显示器右面是与其对应的绿灯为正常工作的信号灯。当正常工作是时绿灯亮。当在X，Y 方向越界时红灯亮、绿灯灭。键盘右面的灯为电源指示灯，指示灯下放为一“急停”按钮，当需要立即停止时按此按钮。

3.键盘：简单的输入设备，可以进行编辑和控制系统的工作。

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4.按钮：旋钮右面四个按钮+X，-X，+Y，-Y是与手动挡配合使用的，旋钮下方的“X原点”，“Y原点”按钮是使车床刀具回原点的按钮。包括越界回原点、手动回原点。旋钮右下方的按钮位“启动”和“回零” 按钮，此回零为所有回零，任意方向，任何时刻的回零，与上面提到的回零不同，上面提到的“X原点”“Y原点”只是X，Y方向上的回零。

5.旋钮：此旋钮为适应不同工作条件而设，分为编辑、单步、自动、手动Ⅰ、手动Ⅱ、单段等档位。

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参考资料

[1] 机床设计手册组.机床设计手册（三分册）[M].北京：机械工业出版社,1986 [2] 尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书[M].北京：机械工业出版社,2007,5

[3] 胡烨.Protel99 SE电路设计与仿真教程[M].北京：机械工业出版社,2005,4 [4]内蒙古工业大学机械学院.机电装备设计[M].呼和浩特：内工大印刷厂，2007 [5] 滚珠丝杠、线性滑轨[OL].天津海特传动机械有限公司

若需要工程图的同学,加qq号970108624,本人有工程图,在此,先祝你设计顺利

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参考资料

[1] 机床设计手册组.机床设计手册（三分册）[M].北京：机械工业出版社,1986 [2] 尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书[M].北京：机械工业出版社,2007,5

[3] 胡烨.Protel99 SE电路设计与仿真教程[M].北京：机械工业出版社,2005,4 [4]内蒙古工业大学机械学院.机电装备设计[M].呼和浩特：内工大印刷厂，2007 [5] 滚珠丝杠、线性滑轨[OL].天津海特传动机械有限公司

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