通用二维工作平台

学校代码： 10128 学 号：

课程设计说明书

题 目： 通用二维工作平台设计 学生姓名：

学 院： 机械学院 班 级： 指导教师：

2014年1月10 日

内蒙古工业大学课程设计

摘 要

数控机床是一种高度自动化的机床，随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改型频繁。机械加工中，多品种、小批量加工约占80%。这样，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，而且还要具备“柔性”，即灵活通用，能迅速适应加工零件的变更。数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，具有适应性强、加工精度高、工质量稳定和生产效率高等优点，是一种灵活而高效的自动化机床。二维数控精密工作台采用滚珠丝杠和直线导轨副传动,具有 精度高,效率高,寿命长,磨损小,节能降耗,结构紧凑,通用性较强.工作台材料一般为HT400,也可以根据用户要求,设计加工,铝合金,钢板,大理石均可以加工；数控工作台系列产品可以配置步进电机或伺服电机.数控精密工作台可广泛应用于激光焊接机,激光切割机,插线机,打孔机,涂胶机,机械手,搬运或运输生产线上,检测装置,射线探伤分析,应力分析等数控机床和实验设备上。随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术的发展 ，数控机床在机械制造业中的地位将更加重要，二维数控工作台是设备实现高精密加工的核心部件，对于提高产品的加工质量起着尤为重要作用。

本次课程设计采用CAXA绘制工作平台的机械装配图，然后使用Protel99se对工作平台的电路图进行设计。

关键词： 滚珠丝杠副；直线滚动导轨；步进电机；CAXA；Protel99

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目 录

摘 要 ...................................................................................................................................... I 第1章 二维工作平台总体设计方案 ............................................................................... 1

1.1 机械传动部件的选择 ............................................................................................................ 1 1.2 控制系统的设计 ..................................................................................................................... 1

第2章 机械传动部件的计算与选型 ............................................................................... 3

2.1 导轨上移动部件的重量估算 ............................................................................................... 3 2.2 切削力的确定 .................................................................................................................... 3 2.3 直线滚动导轨副的计算与选型 ........................................................................................... 3 2.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 ........................................................................................... 5 2.5 计算减速比i ........................................................................................................................... 8 2.6步进电动机的计算和选型 ...................................................................................................... 9

第3章 微机数控硬件电路设计 ....................................................................................... 14

3.1 数控系统由硬件和软件两部分组成 ................................................................................... 14 3.2 选择中央处理单元CPU的类型 .......................................................................................... 14 3.3 存储器扩展电路设计 ........................................................................................................... 15 3.4 I/O接口电路设计.................................................................................................................. 15 3.5 显示器接口电路设计 ........................................................................................................... 15 3.6 键盘接口电路设计 ............................................................................................................... 15 3.7 步进电动机的接口电路设计 ............................................................................................... 16 3.8 其它组成 ............................................................................................................................. 17

设计总结 ............................................................................................................................. 22 参考文献 ............................................................................................................................. 23

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第1章 二维工作平台总体设计方案

1.1 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，不易爬行，传动效率高，结构紧凑，安装预紧方便等优点。 （2） 丝杠螺母副的选用 伺服电机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，运动平稳，寿命长，效率高，预紧后可消除反向间隙。

（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，空载最快移动的速度也只有2m/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者直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。

（4） 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的，为了确保电动机在运转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和转速。增量式旋转编码器的分辨率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差不大，只有200mm而且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，伺服电动机，以及检测装置拟采用相同的型号和规格。

1.2 控制系统的设计

（1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。 （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AT89C52作为控

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制系统的CPU，应该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，还需要扩展程序存储器，数据存储器，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。

微 机 环形 分配器 环形 分配器 光电耦合 功率放大 X交流伺服电机 X工作台执行元件 光电耦合 功率放大 Y交流伺服电机 Y工作台执行元件 图1.1 X-Y数控工作台总体方案设计

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第2章 机械传动部件的计算与选型

2.1 导轨上移动部件的重量估算

按照下导轨上面的移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨底座等，估计重量约为1800N。

2.2 切削力的确定

根据设计要求，机床的切削负载为：X向1200N；Y向1400N；Z向1800N。

2.3 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、四滑块的支撑形式。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：

Fmax?G?F （ 2-1） 4其中，移动部件的重量G=1800N，外加载荷F=错误！未找到引用源。=1800N，代入式（2-1），得最大工作载荷Fmax=2250N=2.25KN。 查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-41，根据工作载荷Fmax=2.25KN，初选Y向直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG45型，X向直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG65型。

任务书规定工作台面尺寸1200mm*1000mm，工作行程为1000mm*800mm，考虑工作行程留有一定的余量，查表2-1，按标准系列，选取X，Y导轨的长度为2320mm，1850mm。

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表2-1 JSA型导轨长度系列

LG15 280 LG20 340 LG25 460 LG35 520 LG45 550 LG55 660 LG65 820

2）距离额定寿命L的计算 由于所有的力最终都是承受到下导轨，所以只需对JSA-LG45的导轨进行计算。上述选取的KL系列JSA-LG45型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。查表2-2 到 表2-6，分别取硬度系数fH=1.0、温度系数fT=1.00、

?ffffC?接触系数fC=0.81、精度系数fR=0.9、载荷系数fW=1.5，代入L??HTCRa??50，

fWf??3340 400 640 600 650 780 970 400 520 800 840 750 900 460 580 520 640 580 760 640 820 700 940 760 820 940 1000 1120 1240 1000 1240 1360 1480 1600 1840 1960 3000 1000 1080 1240 1480 1720 2200 2440 3000 850 950 1250 1450 1850 2050 2550 3000 1020 1260 1380 1500 1980 2220 2700 3000 1120 1270 1420 1570 1720 2020 2320 2770 3000 得距离寿命：

?fHfTfCfRCa?L????50=2794.6Km

ffW??3远大于期望值50Km,顾距离额定寿命满足要求。

表2-2 硬度系数 滚道硬度（HRC） fH 50 0.53 55 0.8 58~64 1.0 表2-3 温度系数

工作温度 fT 小于100 1.00 100~150 0.90

150~200 0.73 200~250 0.60 4

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表2-4 接触系数

滑块数 fC 1 1.00 2 0.81 3 0.72 4 0.66 5 0.61 表2-5 精度系数

精度等级 fR 2 1.0 3 1.0 表2-6 载荷系数

4 0.9 5 0.9 工况 fW 无外部冲击 1~1.5 无明显冲击 1.5~2 有冲击振荡 2~3.5

2.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型

（1） 最大工作载荷Fm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）错误！未找到引用源。=1200N，受到横向上的载荷（与丝杠轴线垂直）错误！未找到引用源。=1400N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）错误！未找到引用源。=1800N。

已知移动部件总重量G=1800N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数u=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

Fm=错误！未找到引用源。+μ(错误！未找到引用源。+错误！未找到引用源。+G)=[1.1*1200+0.005*（1800+1400+1800）]=1345N （2） 计算最大动负载FQ

设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度V=0.8m/min，初选丝杠导程

Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=160r/min

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h， 代入L0=60nT/106,得丝杠寿命系数L0=144

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（单位为：106r）。

查表2-6，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（2-2），求的最大动载荷：

FQ?3L0fWfHFm=8460N （2-2）

（3）初选型号

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3205-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为32，导程为5m,循环滚珠为3圈×1列，精度等级取5级，额定动载荷为10678N，大于FQ，满足要求。

（4）传动效率的计算

将公称直径错误！未找到引用源。，导程Ph=5mm，代入??arctan[Ph/(?d0)],得丝杠螺旋升角?= 错误！未找到引用源。,将摩擦角??10'，代入下式得:

（5）刚度的验算

先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图2.1所示。

图2.1 纵向进给系统计算简图

1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑都采用“双推—双推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面装配，左右支撑的中心距约为1400mm；钢的弹性模量E=2.1*105MPa；查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-31，得到滚珠直径Dw?3.175mm，丝杠底径d2?28.2mm，丝杠截面积

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S=?d2/4=624.3mm2。

则丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量为：

?1?Fma5=（1345*1400）/(2.1*10*624.3)=0.0144mm。 ES2）根据公式Z?(?d0/DW)?3，,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3×1，代入公式：Z??Z×圈数×列数，得滚珠总数量Z?=84。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ?Fm/3?1345/3?448.3N。则由式（2-3）， ?2?0.0013Fm10DwFYJZ/102??0.0022mm （2-3）

求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量为0.0022mm。

因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取

?2?0.0011mm。

3）将以上算出的?1和?2代入 ???1+?2，求得丝杠总变形量 ??0.0155mm=15.5um。 在本设计中，丝杠的有效行程800mm，由《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-37可知，五级精度滚珠丝杠有效行程在800～1000mm时，行程偏差允许达到40?m,可见丝杠刚度足够，且?总小于1／3的开环系统定位精度值0.025mm，满足要求。

（6） 压杆稳定的校核

fk?2EI?Fm （2-4） 根据公式Fk?Ka2 计算失稳时的临界载荷Fk。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-34

得，取支承系数fk=1；由丝杠底径d2?28.2mm，求得截面惯性矩I=31027.4错误！未找到引用源。；压杆稳定安全系数K取3；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值1400mm。代入式（2-4）得错误！未找到引用源。6471.4N，远大于工作载荷

Fm?1345N，故丝杠不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足要求。

(7) 轴承寿命的计算

1）滚动轴承当量动载荷的计算

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在实际应用中，在许多支撑中还会出现一些附加载荷，如冲击力、不平衡力以及轴承座变形产生的附加力等，这些因素很难从理论上精确计算。为了计及这些影响，可对当量动载荷乘上一个根据经验而定的载荷系数fp，其值可参见《机械设计》表13-6。取fp=1.0。故实际计算时，轴承的当量动载荷应为式（2-5）：

P=fp?XFr?YFa? （2-5）

径向动载荷系数X和轴向动载荷系数Y可根据《机械设计》表13-5查得，由于本设计采用的是角接触球轴承7204，且径向力为1400N，轴向力为1200N，根据

Fa/Fr?0.68，故取X=0.41，Y=0.87。将以上数值代入式（2-5），得：

P=fp?XFr?YFa? =1.0*（0.41*1400+0.87*1200）=1618N 根据滚动轴承的寿命计算公式 ：

106?ftC?Lh??? （2-6）

60n?P??——C为轴承的基本额定动载荷，根据大量的试验研究的基础上，C取25.5KN。 ——ft为温度系数，可根据表2-7，查得ft=1.00。 ——P为当量动载荷 P=1618N ——n为轴承转速，n=800mm/min ——对于球轴承，??3

表2-7 温度系数 ft

温度 ft <120 1.00 125 0.95 150 0.90 175 0.85

200 0.80 225 0.75 250 0.70 300 0.60 350 0.50 106?ftC?将以上数值代入式（2-6），Lh?远大于丝杠的使用寿命15000h。 ??=81553h，

60n?P??2.5 计算减速比i

已知工作台的脉冲当量0.005mm，滚珠丝杠的导程Ph=5mm，初选步进电动机的步矩

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角a=0.6，将其代入 i?(?Ph/360?)=（0.6*5/360*0.005）=1.6 传动速比接近于1，所以不需要减速装置。

2.6步进电动机的计算和选型

（1）计算加在步进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=1400，导程Ph=5mm,材料密度

??7.85?10?3kg/cm3；移动部件总重力G=1800N,根据公式J?mjD2/8，可得： 滚珠丝杠的转动惯量Js?14.7kg?cm2

?P?拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw??h??mi?1.16kg?cm2

?2??2初选步进电动机型号为130BYG3502，为三相永磁式反应步进电机，由常州宝马集团公司生产，三相三拍驱动时步距角为0.6度，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-5,可得到Jm?48kg?cm2。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

Jeq?Jm??Jw?Js?/i2?48+（1.16+14.7）/1.62=54.2kg?cm2

（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Tep 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包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机轴上的最大加速度转矩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，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：

Teq1=Tamax+Tf

考虑传动链的总效率?，计算快速空载起动时折算到电动机轴上的最大加速转矩：

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2?Jeqnm60ta1Tamax??? （2-7）

式中 nm——对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速 ta——步进电动机由静止到加速至nm转速所需要的时间 其中：

nm?vmax? 360?式中 vmax——空载最快移动速度，任务书指定为2m/min； ?——步进电动机步距角，预选电动机为0.75； ?——脉冲当量，本设计?=0.005mm/脉冲 将以上各值代入上式，算得nm=666.7r/min。

设步进电动机由静止到加速至nm转速所需要时间ta=0.4s，传动链总效率?=0.7。则由式（2-7）求得：

Tamax2??54.2?10?4?666.7?N?m?1.35N?m

60?0.4?0.7 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 （2-8）

2??i式中 ?——导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005； Fz——垂直方向的力，空载时取0； ?——传动链总效率，取0.7。 则由式（2-8）得：

Tf?0.005??0?1800??0.005?6.13?10?3N?m

2??0.7?0.6最后可求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

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Teq1=Tamax+Tf=1.356N?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也包括三部分：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Tt和Tf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Tt可由公式：

Tt?FfPh2??i?1200?0.0005?0.82N?m

2??0.7?1.6本设计中在对滚珠丝杠进行计算时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷

Ff?Fx?1200N。

折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf可由公式：

Tf???Fz?G?Ph0.005??1800?1800??0.005??0.012N?m

2??i2??0.7?1.6最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载为：

Teq2?Tt?Tf?0.82?0.012?0.942N?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：

Teq?max?Teq1,Teq2??1.356N?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。本课题中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：

Tjmax≥4Teq=5.424N?m

上述初选的步进电动机型号为130BYG3502, 由《机电一体化系统设计课程设计

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指导书》表4-5查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=37N?m。可见满足要求。 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

任务书给定工作台最快工作速度vmaxf?0.8m/min，脉冲当量??0.005mm/step由式：

fmax?maxf （2-9） ?60?f求出电动机对应的运行频率fmax?【800/(160*0.005)】=2666Hz。从130BYG3502电

动机的运行矩频特性曲线图2-2可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩

Tmaxf?5.24N?m，远远大于工作负载转矩Teq2?0.942N?m，满足要求。

图2-2 130BYG3502矩频特性 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vmax?2m/min，根据上式（2-9），求出电动机对应的运行频率fmax??2000/?60?0.005???6667Hz。从图2-2查的，在此频率下，电动机输出转矩Tmax?2.6N?m，大于快速空载起动的负载转矩Teq1?1.356N?m，满足要求。

3.最快空载移动时电动机运行频率校核

与最快空载移动速度?max?2000mm/min对应的电动机运行频率为

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fmax?6667Hz。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-5可知130BYG3502

电动机的空载运行频率可达10000Hz,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?54.2kg?cm2，电动机转子的转动惯量

Jm?48kg?cm2，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq?1500Hz（查《机

电一体化系统设计课程设计指导书》表4-5）。则由式（2-10）可求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：

fL?fq1?Jeq/Jm?1028Hz （2-10）

上式说明，要想保证步进电动机起动不失步，任何时候的起动频率都必须小于1028Hz。实际上，在采用软件升降频率时，起动频率选的更低，通常只有100Hz(即100脉冲/s)。

综上所述，本设计中的工作台的进给传动选用130BYG3502步进电动机，完全满足设计的要求。

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，可在电动机的尾部轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角和转速。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。由步进电动机的步距角??0.6o，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/?=600个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出A、B相信号，可以送到五倍频电路进行五细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。

本设计选择编码器的型号为

ZLK-A-120-05V0-10-H：盘状空心型，孔径10mm，

与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。

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第3章 微机数控硬件电路设计

3.1 数控系统由硬件和软件两部分组成

硬件是组成系统的基础，机床硬件电路由以下五部分组成： ⑴、主控制器，即中央控制单元CPU；

⑵、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； ⑶、存储器，包括程序存储器和数据存储器； ⑷、接口，即I/O输入/输出接口电路；

⑸、外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。见图3—1

图3—1 机床数控系统硬件框图

3.2 选择中央处理单元CPU的类型

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89C52，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

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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。

计单片机应用系统，首先要设计其核心的单片机系统。从一开始就有一个单片机芯片选型问题。面对不同字长，如4位、8位、16位，各具特色的单片机芯片如何进行选择呢？首先要满足所设计系统的功能和性能要求；其次要选择价格较低的芯片，不要盲目追求过多功能和过高性能；另外要选择那些在国内有成熟的开发系统和稳定的供货来源。如采用流行普遍使用的芯片，资料丰富，能有效地缩短开发周期。

本课程设计目的是设计一种经济型的二坐标数控工作台，其功能比较简单，成本低。因而这里选用MCS-51系列的89C52单片机作为CPU，它具有良好的性能价格比，且易扩展。

3.3 存储器扩展电路设计

由于本设计采用89C52型单片机，它自身的存储就可以满足要求，所以不在需要进行程序和数据的扩展。

3.4 I/O接口电路设计

本课程设计因采用步进电机作为驱动装置。为了降低成本，特采用可编程外围并行接口芯片8255。使其不仅完成驱动步进电机的功能，同时完成与键盘/显示器的接口操作功能。

3.5 显示器接口电路设计

电气原理图中，由10片共阳极LED显示块拼成10位LED显示器。为了简化硬件电路，采用动态显示方式。即所有位的段选线相应地并联在一起，由89C52的P1.0~P1.7口来控制LED显示器的段码，而各位的位选线分别由相应的I/O口线控制。即PC0~PC7、PB6~PB7共10个I/O口线控制，实现各位的分时选通。为了保证各位LED能够显示出本位相应的显示字符，而不出现闪烁，导致人眼看不清，必须根据人眼视觉暂留现象，选择一个合适的扫描频率。图中选用74LS07进行同相驱动。

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3.6 键盘接口电路设计

键盘实质上是一组按键开关的集合。电气原理图中采用矩阵式键盘接口，键盘接口电路通过8255（U5）的PA0~PA3和PC0~PC7、PB6~PB7构成行、列线。按照逐行逐列地检查键盘状态（即扫描）来确定闭合键的位置。

3.7 步进电动机的接口电路设计

对于本课程设计中选用的步进电机，为三相，无论它工作在什么方式，都需要三路控制电路，并且每一路对应于步进电机的一相。而每一路控制电路的结构是一样的。

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

3-2如下所示：

（行程开关） 传感器 前向通道 89C52 （步进电机） 后向通道 传动驱动 （键盘、LED） 人机界面 图3-2 CPU外部接口示意图

89C52要完成的任务：

（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。 （2）通过程序实时控制电机的运行。

（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到

LED上，实现人机交互作用。

由于89C52只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并

且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的

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简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155。

电气原理图中通过8255（U5）的PB0~PB4分别控制X方向步进电机的三相。

对于Y轴步进电机通过8255（U6）的PC0~PC4分别控制Y方向步进电机的三相。

3.8 其它组成

1）电源 提供整个系统的供电部分。 2）限位开关及其反馈信号检测

选择限位开关时可根据额定电压、额定电流、开启频率、触点数等参数进行。选择行程开关，安装于导轨的两端。其作用是控制信号的通断，然后由单片机系统检测该信号的有无，实现控制电机的换向与否的目的。

原理图中通过8255（U5）的PA4~PA7口检测步进电机是否到位，从而采取相应的控制措施。

3）8155引脚及其功能

8155 的结构框图及引脚排列见图3.7。8155 具有40条引脚，采用双列直插式风装，各引脚功能见表3-1。

表3-1 8155引脚功能

引脚 AD0~AD7 PA0~PA7 PB0~PB7 PC0~PC5 TIMER IN 含义 地址、数据线 A口 B口 C口 定时输入 引脚 TIMER OUT IO/M ALE RD WR 含义 定时输出 IO/RAM口选择 地址锁存 读写 引脚 CE RESET VSS VCC 含义 片选 复位 地 电源

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图3-3 可编程的RAM/IO扩展接口电路

定义A口输入/输出方式 定义B口输入/输出方式 00：ALT1 01：ALT2 10：ALT3 11ALT4 00：空操作 01：停止定时器操作 10：定时器减为一时停止计数 11：置定时器方式后，开始计数 0：禁止A口中断 1：允许A口中断 0：禁止B口中断 1：允许B口中断 图3-4 命令寄存器格式及工作方式

2、8155 的工作方式设定

8155 命令寄存器格式及工作方式见图3-4 3、8155 初始化程序格式如下：

MOV DPTR ， 控制口地址 MOV A ， 命令字 MOVX @DPTR ，A

MOV DPTR ， 计数初值入口地址 MOV A， 计数初值 MOVX @DPTR ，A INC DPTR

MOV A ， 计数初值高位

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MOVX @DPTR ，A

4） 8255 通用可编程接口芯片

1、8255 引脚及其功能

8255 引脚及内部结构见图3-5，引脚功能见表3-2. 2、8255 工作方式的设定

8255 有三种工作方式：方式0、方式1、方式2。 方式0——基本的输入输出方式 方式1——应答式输入输出方式 方式2——应答式双向输入输出方式

图3-5 8255引脚及内部结构

表3-2 8255引脚功能

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5） 辅助电路

1、87C51的时钟电路

数控铣床单片机的时钟电路采用内部方式产生，电路图3-6。

图3-6 时钟电路 2、复位电路

单片机的复位都靠外部电路实现。单片机通常采用上电复位和按键复位两种，图3-7为二者组合电路。

图3-7复位电路

3、越界报警电路

为防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。图3-8为报警信号的产生和指示电路。

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图3-8 报警信号的产生和指示电路

4、掉电保护电路

避免在掉电的情况下，RAM中的信息丢失，图3-9为其工作原理。

图3-9 掉电保护电路

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设计总结

通过本次课程设计，更好的运用所学《机电装备设计》课程知识，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，培养了用《机电装备设计》的知识及体系，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。

通过本次设计实践，熟悉了设计过程，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。

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参考文献

[1] 候洪生主编，董国耀主审.机械工程图学[M].北京：科学出版社，2001 [2] 文怀兴等. 数控机床系统设计[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3] 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. [4]尹志强等.机电一体化系统设计课程设计指导书[M].机械工业出版社，2007.5 [5] 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. [6] 虞自奋主编.CAXA2011高级案例解析[M].北京：中国电力出版社，2008.5 [7] 陈秀宁，施高义编机械设计课程设计（第二版）.浙江大学出版社，2004.12 [8]东北重型机械学院、洛阳农业机械学院、长春汽车厂工人大学编.机床夹具设

计手册[M].上海科学技术出版社，1979.7

[9]周开勤主编.机械零件手册（第五版）[M].高等教育出版社,2001

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