机电一体化毕业设计（论文）数控XY工作台

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1、陕西工业职业技术学院陕西工业职业技术学院毕业设计(论文)任务书设计（论文）题目： 数控XY工作台 题目下达日期： 2011 年 10 月 19 日开 始 日 期： 2011 年 12 月 5 日完 成 日 期： 2011 年 1 月 13 日指 导 教 师： 专 业： 机电一体化技 班 级： 机电0903 学 生 姓 名： 教研室主任： 数控工程学院一、设计（论文）内容及要求：1. 设计内容：1） 要求采用步进电机开环控制系统。该工作台可安装在立钻、立铣等机床上，用于钻孔和铣削加工。2） 确定XY工作台的总体设计方案，绘制机械和控制系统草图，绘制机械和控制系统草图。3） 完成微机控制系统的设计

2、，绘制电气控制图。4） 编写设计说明书，准备答辩材料。2. 设计要求：1）XY工作台机械装配图 1张（A0）2）单片机控制原理电气控制图 2张(A0)3) 毕业设计说明书 1份（不少于1万字）4）毕业设计任务书 1份二、技术指标：1）X向托板尺寸取长X宽X高=200X130X55，Y向托板尺寸长X宽X高=200X180X55；2）数控系统脉冲当量=0.001mm3) 工作台的加工范围X=180，Y=120；4) 工作台的最大移动速度V=1m/min；5）最大钻孔直径d=5mm；6）最大铣削深度b=10mm；三、主要参考资料：1.数控机床及应用机械工业出版社 主编：李善术2.金属机械加工工艺人员

3、手册上海科学技术出版社 主编：赵如福3.机床夹具设计手册国防工业出版社 主编：杨黎明4.机电一体化机械系统设计 机械工业出版社 主编：赵松年5.机械零件设计手册 冶金工业出版社 主编：东北工程学院6.机械设计手册 机械工业出版社 主编：徐影摘 要数控技术和数控机床是制造业现代化的基础，是一个国家综合国力的重要体现。我国在从制造大国向制造强国转变的过程中，大力发展数控技术具有重要意义数控机床具有以下三大突出的特点：利用二进制数学方式输入，加工过程可任意编程，主轴及进给速度可按加工工艺需要变化，且能实现多座标联动，易加工杂曲面。对於加工对象具有“易变、多变、善变”的特点，换批调整方便，可实现杂件多

4、品种中小批柔性生产，适应社会对产品多样化的需求。但价格较昂贵，需要正确分析其使用的经济合理性； 利用硬件和软件相组合，能实现信息反馈、补偿、自动加减速等功能，可进一步提高机床的加工精度、效率、自动化程度；是以电子控制为主的机电一体化机床，充分发挥了微电子、计算机技术特有的优点，易於实现信息化、智能化、网络化，可较易地组成各种先进制造系统，如FMS、FTL、FA，甚至将来的CIMS，能最大限度地提高工业的生产率、劳动生产率当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成

5、一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以後加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今後如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务关键字：数控技术,现代化制造业，CIMS，高自动化先进机床 THE NUMERICAL CONTROL AND THE X - Y TABLE DEISEAbstractNumerical control technology and numerical control machine too

6、l is the modernization of the manufacturing industry base, is a national comprehensive national strength important reflect. Our country is in from a big manufacturing country to a powerful nation in the process of change, to the development of numerical control technology has important significance

7、CNC machine tool has the following three features : the use of binary math input, processing process can be arbitrary programming, spindle and feed speed according to the processing needs change, and can realize multi coordinate linkage, easy processing miscellaneous surface. For processing object h

8、as a variable, changeable, fickle batch change characteristics, convenient adjustment, can realize more varieties of small batch production of miscellaneous pieces of flexible, adapting to the social demand for product diversification. But the more expensive price, need correct analysis using the ec

9、onomic rationality; The use of hardware and software combination, can realize the information feedback, compensation, automatic deceleration and other functions, can further improve the machining accuracy, efficiency, automation degree; is electronic control electromechanical machine, give full play

10、 to the unique advantages of microelectronics, computer technology, is easy to realize informatization, intellectualization, networking, may easily into all kinds of advanced manufacturing system, such as FMS, FTL, FA, and even the future CIMS, can maximize the industrial productivity, labor product

11、ivityIn todays world, industrial developed country to machine tool industry height seriously, competing for the development of mechanical and electrical integration, high precision, high efficiency, high automation and advanced machine tool, in order to accelerate the industrial and economic develop

12、ment. For a long time, Europe and the United States, Asia in the international market are in fierce competition, has formed an invisible front, especially with microelectronics, computer technology, numerical control machine tools in the nineteen eighties later accelerated development, put forward m

13、ore requirements of all users, has become the four largest international machine tool exhibition of machine tool manufacturers compete to demonstrate advanced on technology, for users, to expand the market focus. After China joins WTO formally, participate in world market competition, how to strengt

14、hen the machine tool industry strength, accelerate the development of CNC machine tool industry, it is urgent and arduous task。KEY WORDS: Numerical control technology, modern manufacturing industry, CIMS, high automation and advanced machine tool第一章数控机床课程设计的目的1.1数控机床的产生和概况 随着生产和科学技术的飞速发展，社会对机械产品多样化的

15、要求日益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加，同时随着汽车工业和轻工业消费品的高速增长，机械产品的结构日趋复杂，其精度日趋提高，性能不断改善，激烈的市场竞争要求产品研制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难以适应这种多样化、柔性化、高效和高质量复杂零件加工要求。因此，对制造机械产品的生产设备机床，必然会相应地提出高效率、高精度和高自动化的要求在机械产品中，单件与小批量产品占到70%80%。这类产品的生产不仅对机床提出了“三高”要求，而且还要求机床应具有较强的适应产品变化的能力。特别是一些由曲线、曲面组成的复杂零件，若采用通用机床加工，只能借助画线和样板用手工操作的

16、方法来加工，或利用靠模和仿型机床来加工，其加工精度和生产效率都受到了很大的限制。数控机床就是为了解决单件、小批量，特别是高精度、复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。1947年美国PARSONS公司为了精确制造直升飞机机翼、浆叶和框架，开始探讨用三坐标曲线数据控制机床运动，并进行实验加工飞机零件。1952年麻省理工学院（MIT）伺服机构研究所用实验室制造的控制装置与辛辛那提（Cincinnati Hydrotel）公司的立式铣床成功的实现了三轴联动数控运动，实现控制铣刀连续空间曲面加工，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果，是一种新型的

17、机床，可用于加工复杂曲面零件。该铣床的研制成功是机械制造行业中的一次技术革命，使机械制造业的发展进入了一个崭新的阶段，揭开了数控加工技术的序幕。数控机床自上世纪50年代问世到现在的半个世纪中，数控机床的品种得以不断发展，几乎所有机床都实现了数控化。目前，已经出现了包括生产决策、产品设计及制造和管理等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System），以实现工厂生产自动化。数控机床的应用领域已从航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等机械制造行业，出现了金属成型类数控机床、特种加工数控机床，还有数控

18、绘图机、数控三坐标测量机等1.2设计目的 数控机床课程设计是一个很重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学的理论知识，独立进行设计训练，主要目的：1） 通过本设计，使学生全面地，系统地了解和掌握数控机床得基本组成及其相关基本知识，学习总体方案拟定、分析与比较的方法。2） 通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件得工作原理、设计计算方法及选用原则。3） 通过伺服系统得设计，掌握常用伺服电机得工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。4） 培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思想。5） 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。第二章

19、设计任务任务：设计一种立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下 （1）X向托板尺寸取长X宽X高=200X130X55，Y向托板尺寸长X宽X高=200X180X55； （2）数控系统脉冲当量为0.001mm （3) 工作台的加工范围X=180，Y=120； （4) 工作台的最大移动速度V=1m/min； （5）最大钻孔直径d=5mm；（6） 最大铣削深度b=10mm第三章 设计主要步骤3.1确定总体设计方3.1.1 机械传动部件的选择 （1）丝杠螺母副的选用 步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.001mm脉冲当量，因为定位精度0.002mm，对于机械传动

20、要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是0.001mm和0.002mm的定位精度，滑动丝杠副无法做到，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。 同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。 由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。 由于工作台最快的移动速度VxmaxVymax=1000mm/min，所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。（2） 导轨副的选用要设计

21、数控铣床工作台，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。选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于200kg的机床，摩擦阻力小，制造容易，成本较低（3） 伺服电动机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低，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，决定采用开环控制，任务书初选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3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因

22、此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比（4）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，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱3.1.2 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，其控制系统应该具有轮廓控制，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）、对于步进电动机的开环控制系统，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。3.2机械传动部件的计算和

23、选择3.2.1 导轨上移动部件的重量估算（1）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、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。 （2） 计算切削力根据金属切屑原理与刀具200页表15-5得硬质合金立铣刀铣削力经验公式 FC=118e0.85fz0.75d-0.73 ap1.0 n0.1考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff=1Fc=1356N，Fe=0.38 Fc=308 N，Ffm=469 N则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=308N，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

24、作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力Fx=Ff=1356N，径向铣削力Fy=Ffn=469N。（3）丝杠螺母副的计算与选型1）最大工作载荷的计算已知移动部件总重量G=800N，按滚动导轨计算，由【3】中P389，取颠覆力影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数查【1】中P194可知u=0.00250.005,现取u=0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： =1.11352+0.005(307+467+800) =1500N2）最大计算动载荷的确定设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程P=5mm,则此时丝杠转速=v/P=80r/min。预计滚珠丝杠的

25、工作五年,每天工作八小时，由此得使用寿命为T=53608=14400h，根据【1】中P110，公式54得：=其中 T使用寿命 14400 h N循环次数 滚珠丝杠的当量转速 80r/min 求得：72 （）查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等冲击载荷取值范围，现取，滚道硬度为60HRC时，硬度影响系数取值，由【1】中P109，式5-3 代入数据得：8112N3）规格型号的初选根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GDM系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为20m

26、m，导程为5mm，循环滚珠为3圈2系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于最大计算动载荷=7971，满足要求。参考网址 ： 滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位mm）名 称符 号计算公式和结果 丝杠滚道公称直径20螺距P5接触角钢球直径3.175螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角丝杆丝杠外径19.3丝杠底径螺杆接触直径丝杠螺母螺母螺纹外径螺母内径（内循环）表一4）传动效率的计算将公称直径d0=20mm,导程P=5mm,代入=arctanP/(d0)，得丝杠螺旋升角=433。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得传动效率=96.4%。5）刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采

27、用“一端固定，一端游动”的轴承配置形式。由【1】中P109，可知这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠，一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承,这样能承受集中力偶。丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。a、滚珠丝杠滚道间的接触变，查【3】中相关公式，根据公式，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为32，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=120。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=498N。查【3】中相关公式，得， 滚珠与螺纹滚道间接触变形 式中 Pa=。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=0.0007mm。b、 丝杠在工作载荷作

28、用下的抗拉压变形丝杠采用的是一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承的配置形式，轴承的中心距a=560mm,钢的弹性模量E=2.110MPa,由表一中可知，滚珠直径=3.175mm,丝杠底径=16.2mm，则丝杠的截面积S=206.12,由【7】中，式3-35其中， 最大工作载荷=1495N 中心距a=560mm弹性模量E=2.110MPa截面积S=206.12代入以上数据，得 =0.019mm d、则本例中，丝杠的有效行程为500mm，由【3】中知，5级精度滚珠丝杠有效行程在400500mm时，行程偏差允许达到30，可见丝杠刚度足够。6）稳定性的验算根据【3】中 式5.7-17 。

29、取支承系数=2；由丝杠底径d2=16.2mm求得截面惯性矩3380.88；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L=a取最大值560mm。代入公式，得P=14896kg.f=14896N大于=7533N，故不会失稳，满足使用要求。7）临界转速的验算对于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速，由【1】中P111式5-10得：其中 20-1.23.175=1mm 为临界转速计算长度 为丝杠支承方式系数=3.927（一端固定，一端游动）代入数据得：临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。由于滚珠在进入和离开循环反向装置时容易产生较大

30、的阻力，而且滚珠在反向通道中的运动多属前珠推后珠的滑移运动，很少有“滚动”，因此滚珠在反向装置中的摩擦力矩M反在整个滚珠丝杠的摩擦力矩Mt中所占比重较大，而不同的循环反向装置由于回珠通道的运动轨迹不同，以及曲率半径的差异，因而M反/Mt的比值不同，表7-1列出了国产滚珠丝杠副的几种不同循环反向方式的比较。表7-1 国产滚珠丝杠副不同循环方式的比较循环方式内循环外循环浮动式固定式插管式螺旋槽式JB-3162.1-82部标代号FGCL含义在整个循环过程中，滚珠始终与丝杠螺纹的各滚切表面滚切和接触滚珠循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外循环运动结构特点循环滚珠链最短，螺母外径比外循环小，结

31、构紧凑，反向装置刚性好，寿命长，扁圆型反向器的轴向尺寸短，制造工艺复杂循环滚珠链较长，轴向排列紧凑，承载能力较高，径向尺寸较大M反/Mt最小M反/Mt不大M反/Mt较小M反/Mt较大具有较好的摩擦特性，预紧力矩为固定反向器的1/31/4。在预紧时，预紧力矩Mt上升平缓制造装配工艺性不佳，摩擦特性次于F型，优于L型结构简单，工艺性优良，适合成批生产。回珠管可设计、制造成较理想的运动通道在螺母体上的回珠螺旋槽与回珠孔不易准确平滑连接，拐弯处曲率变化较大，滚珠运动不平稳。挡珠机构刚性差，易磨损适用场合各种高灵敏、高刚度的精密进给定位系统。重载荷、多头螺纹、大导程不宜采用各种高灵敏、高刚度的精密进给定

32、位系统。重载荷、多头螺纹、大导程不宜采用重载荷传动，高速驱动及精密定位系统。在大导程、小导程、多头螺纹中显示出独特优点一般工程机械、机床。在高刚度传动和高速运转的场合不宜采用备注是内循环产品中有发展前途的结构正逐渐被F型取代是目前应用最广泛的结构 8）滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副除了对本身单一方向的进给运动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格的要求，以保证反向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙，是负载在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。因此要把轴向间隙完全消除相当困难。通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形量控制在最小限度内。目前制造的外循环

33、单螺母的轴向间隙达0.05mm，而双螺母经加预紧力后基本上能消除轴向间隙。应用这一方法来消除轴向间隙时需注意以下两点： 通过预紧力产生预拉变形以减少弹性变形所引起的位移时，该预紧力不能过大，否则会引起驱动力矩增大、传动效率降低和使用寿命缩短。 要特别注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。常用的双螺母消除轴向间隙的结构型式有以下三种。(a)垫片调隙式（图7-19） 通常用螺钉来连接滚珠丝杠两个螺母的凸缘，并在凸缘间加垫片。调整垫片的厚度使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预拉紧力的目的。这种结构的特点是构造简单、可靠性好、刚度高以及装卸方便。但调整费时，并且在工作中不能随意调整，除非更换厚度

34、不同的垫片。9）滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定由以上验算可知，选用GDM2005型的丝杠，完全符合满足所需要求，故确定选用该型号，由表一可知丝杠所需的安装连接3.2.2 步进电动机的计算与选型（1）传动计算因为该铣床的加工精度为0.002mm，考虑到机械传动部分造成的精度损失，故选用铣床的脉冲当量为0.001mm/Hz， 初选步进电动机的步距角=0.72。因为步距角越小，数控机床的控制精度越高。根据数控机床系统设计式（5-18），算得减速比：=（0.725）/（3600.01）=1由于传动比为1，则不需要选用减速箱，采用电动机轴与丝杠通过联轴器联接的方式。（2）步进电动机的计算和选型1）步

35、进电动机转轴上的总转动惯量的计算。总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。滚珠丝杠的转动惯量J由【1】中P134式5-28得：式中 D为丝杠公称直径D=20mm L为丝杠长度L=560mm 代入数据，得：J=0.772056010=6.910kg.、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量 由【1】中式5-29得：其中 M为工作台的（包括工件）的质量M=81.6kg S为丝杠螺距S=5mm 代入数据，得： 、初选常州宝马前杨电机电器有限公司的90YG5502型混合式步进电动机，可知其转子的转动惯量 所以=6.910+5.210+4

36、10=5.1610 Nm 验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般比值控制在1/41之间，由此可见:,符合惯量匹配要求。、步进电机轴上的等效负载转矩M的计算 a、承受的负载转矩在不同工况下是不同的，考虑最大切削负载时电动机所需力矩，由【1】中P132式5-25得：其中 其中: 为折算到电动机轴上的总惯量=5.1610 T系统时间常数，由任务书知为T=0.4S 切削时的转速为300r/min得： Nm 其中： 为导轨摩擦力 S为丝杠螺距S=5mm i为齿轮降速比，已计算出为1 为传动链总效

37、率，=0.70.8，取0.8代入数据 得： Nm 其中： 为最大轴向载荷， 为滚珠丝杠未预紧时的效率，=0.950.9 其余数据同上 代入数据 得： Nm其中：进给方向的最大切削力 其余参数同上。代入数据得： Nm 由此都得到等效负载转矩 Nm 2）快速空载时电动机所需力矩M由【1】中P132式5-24得：加速力矩其中： 其余参数同上 入数据得： Nm力矩摩擦其中：u为导轨副的摩擦因数，滚动导轨取 u=0.005 其余参数同上。代入数据得：Nm附加摩擦力矩：其余参数同上代入数据得： Nm所以可知快速空载时点击所需力矩： =0.06+0.0004+0.048 =0.1084 Nm比较和，取其较大

38、者，就是最大等效负载，即：=1.46N.M 、步进电机的初选 考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降低时，其输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此按最大等效负载M考虑一定的安全系数，取=3，则步进电机的最大静转矩应满足： Nm由所选的电机型号参数可知，最大转矩 Nm，可知满足要求。、步进电机性能校核 a 、最快工进速度时电动机时输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量/脉冲，求出电动机对应的运行频率。从90BYG5502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4Nm，远远大于最大工作负载转矩=1.46Nm，满足要求。

39、3）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=1000mm/min，求出其对应运行频。由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩=3.5Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.1084Nm，满足要求。4）、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=1000mm/min对应的电动机运行频率为。查图3中相应表格，可知90BYG5502电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。、起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。由式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：说明：要想保证步进电动机起

40、动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG5502步进电动机，完全满足设计要求。 、确定选型的步进电机的参数所选电动机参数如下图所示：图2外形尺寸安装接线图和和矩频特性如图3所示图3参考网址 http:/www.cz-图33.2.3 滚动导轨的设计计算（1）工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、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，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量G=80

41、0N,外加载荷F=503N代入上式，得：（2）小时额定工作寿命的计算预期工作台的工作寿命为5年，一年365天，取工作时间为360天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命（3）距离额定寿命计算由公式，从而得到式中，为小时额定工作寿命。 n为移动件每分钟往复次数（46）取5 S为移动件行程长度，由加工范围为250mm250mm取520mm代入数据 得：(4）额定动载荷计算由公式从而得到：式中：为额定动载荷 L为距离工作寿命，由上式可知为4493km F为滑块的工作载荷，由上式可知为669N代入数据得：(5）产品选型根据额定动载荷，选择滚动导轨，查滚动导轨生产厂家，选用南京工艺装备制造有限公司的

42、GGB20BA型，相关尺寸如下图4所示， 参考网址： 图4可知其额定动载荷C=11.6KN，大于5.593KN，故可知满足要求。(6）安装连接尺寸。对于导轨的安装按照如图4所示相关尺寸安装。远大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。(7）联轴器的选择 刚性联轴器结构比较简单，制造容易， 免维护，超强抗油以及耐腐蚀，即使承受负载时也无任何回转间隙，即便是有偏差产生负荷时，刚性联轴器还是刚性传递扭矩。适用于安装底座刚性好、对中精度较高、冲击载荷不大、对减振要求不高的中小功率轴系传动。根据选出的电机和丝杠的参数，选用沈阳光宇科技有限公司的LK13-C32-1012型刚性联轴器。第四章 绘制进给传

43、动系统示意图进给传动系统示意图如图4.1所示。伺服电动机工作台滚珠丝杠图4.1 进给传动系统示意图第五章 数控系统硬件电路设计5.1、设计内容：1、按照总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图。2、选择计算机或中央处理单元CPU的类型。3、根据控制系统具体要求设计存储器扩展电路。4、根据控制对象及系统工作要求设计扩张I/O接口电路，检测电路，转换电路及驱动电路等。5、选择控制电路中各期件及电器元件的参数及型号。6、绘制出一张清晰完整的电气原理图。图中要表明各期件的型号，管脚号及参数。7、说明书中对电气原理图以及各有关电路进行的原理说明和方案论证。3.2、元

44、器件的选择与电路的设计5.2 决定硬件电路总体方案 数控系统基本硬件组成：任何一个数控系统都由硬件与软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件软件才能有效的运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。机床数控系统的硬件电路概括起来有以下四部分组成。主控制器。既中央处理单元CPU。总线。包括数据总线（DB）地址总线（AB）和控制总线（CB）。存储器。包括只读可编程存储器和随机读写数据存储器。接口。即I/O输入/输出接口电路。其中CPU是数控系统的核心。其作用是发布命令以协调各部分电路正常工作。储存器用于存放系统软件以及运行过程中的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。三

45、中线则是CPU与存储器、接口以及其他各种转换电路连接的纽带，是CPU与各部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。除此之外，还要根据数控系统的要求配置一些外围设备和信号交换电路。其中CPU、存储器以及I/O接口是任何一个数控系统必不可少的环节，其余部分并非所有数控系统都具备。某一类机床数控系统可能只包括其中的一部分或几部分。通常CPU通过I/O接口可连接的人机交换外设键盘和打印机，磁带记录仪等通讯接口；信号变换电路是A/D转换，D/A转换的中间电路。这两部分可根据控制系统的要求选取。5.3 主控制器CPU的选择在微机应用中，CPU的选择应考虑以下要素：时钟频率和字长可扩展存储器的容量指令系统功能是

46、否强I/O口扩展的能力开发手段 目前在数控系统中常用的芯片有8086、8088、80286、80386以及8098、8096等16位机的CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位机的CPU。MCS51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。该系列产品是集中CPU，I/O端口及部分RAM等为一体的功能行很强的控制器。只需要增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机控制系统，并开发手段齐全，指令系统功能强，编程灵活性大，软件质材丰富，三中型号引脚完全相同，仅在内部结构上有少许差异。可以书8031是没有RAM的8051。而8751又是用EPROM代替ROM的

47、8051.目前工业应用中最多的是8031单片机。下面介绍80310单片机的基本性能及使用方法。5.3.1 8031单片机的基本特性 （1）具有8位中央处理单元（CPU）。 （2）片内有时钟发生电路，每执行一条指令时间为2us或1us。 （3）具有128字节RAM。 （4）具有21个特殊功能寄存器。 （5）可寻址64K字节的外部数据储存器和64K的外部程序存储器。 （6）具有4个I/O端口，32根I/0线。 （7）具有2个16为定时器/计数器。 （8）具有5个中断源，配备2个优先级。 （9）具有1个全双功串行接口。 （10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。 从上述特性可知，一块80310的功能几乎

48、相当于一块Z80CPU，一块RAM，一块Z80CTC，两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微型计算机系统。5.3.2 MCS51系统单片机的引脚及功能 MCS51单片机是一个具有40根引脚的双列直插式器件，其引脚功能说明如下：Vcc：编程和正常操作时的电源为+5V。Vss：地电平Po口：一个8位开漏双向I/O口，它访问外部存储器的低8位地址和数据总线，在程序效验时它也会输出指令字节，Po口能吸入8个LSTTL输入。P1口：具有提升电阻的8位双向I/O口，专供用户使用，在程序效验时它也接收低位地址字节，PI口能吸入/放出3个LSTTL输入。P2口：具有提升电阻的8位双向I/O口，供系统扩展

49、时作高8位地址用，在没有外部存储扩展，它也可作为用户I/O口线使用，在程序效验时，它也接收高地址位和控制信号，P2口能吸入/放出3个LSTTL输入。P3口：具有提升电阻的8位双向I/O口，该口每一位均可独立的定义为第一I/O功能或第二IO口功能。作为第一功能使用时，口的结构和操作与P1口完全相同。第2功能如下所示： 口引脚 第二功能 P3.0 RxD串行口输入 P3.1 TxD串行口输出 P3.2 INTo外部中断 P3.3 INT1内部中断 P3.4 To定时器0外部输入 P3.5 T1定时器1外部输入 P3.6 WR外部数据存储器写选通 P3.7 RD外部数据存储器读选通P3口能吸入/放出

50、3个LSTTL输入。ALE/PROG：访问外部存储器时，用于锁定地址低位字节的地址锁存允许输出。即使不访问外部存储器，ALE也以震荡频率1/6的固定数率输出，因而他能用做外部时钟或做定时用。ALE主要提供一个定时信号，在从外部程序存储器取址时把Po口的低位地址节锁存到外接的锁存器中，每个机器周期ALE2次有效。这个引脚是EPROM编程脉冲输入。PSEN：程序存储器允许输出，是外部程序存储器的读选通信号。在外部程序存储器取址时。RSEN每个周期有效2次，在内部程序存储器取址时，无PSEN脉冲。EA/Vpp：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器指令。EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器指

51、令。使用8031时，EA必须接地。8751EPROM编程时，这个引脚为21V编程电源输入端。XTAL1：振荡器的反向放大器输入，使用外部振荡器时必须接地。XTAL2：振荡器的反向放大器输出和内部时钟发生器的输入，使用外部振荡器时用于输入外部震荡信号。RST/VPD复位控制，在振荡器运行时，使RST脚至少保持2个机器周期为高电平，可实现复位操作。CPU通过内部复位来响应，在RST为高的第二周期时执行内部复位，在Vcc关断前加上VPD,RAM内容将不变。5.3.3 特殊功能寄存器 特殊功能寄存器是用于对片内各功能模块进行管理，控制，监视的控制寄存器和状态存储器。是一个特殊功能的RAM区，位于片内数

52、据存储器上，其地址为80HFFH区域。其名称及功能如下：B2寄存器：主要用于乘法和除法操作。对于其他指令也可以做暂存器。SP：堆栈指针寄存器。能位于片内RAM128字节的任何单元。8051复位时，堆栈指针初始化为07H。执行PUSH和调用时，在存储数据线，堆栈指针加1，因此堆栈指针从08H开始。DPTR：数据指针存储器，16位。分别由高位字节（DPH）和低位字节（DPL）组成，其功能存放16位地址。PSWCYACFRSIRSOOV保留P寄存器标志功能说明位地址CY进位标志C寄存器，最高位有进位（或借位）时置1，否则清0PSW.7AC辅助进位标志低4位有进位（或借位）时置1，否则清0PSW.6O

53、V益出标志最高位有益出是置1，否则清0PSW.2P奇偶标志累加器八位模2和为奇数时置1，否则清0PSW.0F用户标志PSW.5保留PSW.1PS1MSB工作寄存器区选择PSW.4RS0LSB工作寄存器区选择PSW.3PSW：程序状态字寄存器，内放标志位寄存器，置位或清零，表示操作结果的某些特性，但加1、减1指令不影响这些标志。其功能及分配的标志。溢出是指在有正负的两个数运算时，结果数超过+127-128，当用于补码运算时，因为在有符号的结果不能用8位数表示时，0V将被置位。而进位位是指两个数最前一位相加有否进位。P标志由于总是表示累加器中运算结果1的个数为偶数还是奇数来决定。另外，还有下列一些

54、特殊功能寄存器：IP：中断优先级寄存器IE：中断允许寄存器TMOD：定时器/计算器方式寄存器TCON：定时器/计算器控制寄存器TH0TL0：定时器/计算器0寄存器TH1TL1: 定时器/计算器1寄存器SCON：串行控制寄存器SBUF：串行数据寄存器PCON：电源控制寄存器5.3.4存储器结构 单片机的存储器包括程序存储器和数据存储器。两种存储器的寻址空间是分开的。对于MCS51系列，实际上存在着三个独立的空间。程序存储器用于存放程序，8051片内有4KEPROM,8031片内无程序存储器。片外程序存储器的容量，用户可根据需要选择，但片内外总的容量合起来不得超过64KB，他们在同一个逻辑空间中，

55、地址从0000HFFFH连续。 内部数据存储器的地址从00HFFH，共256个字节，这对于MCS51系列的8031、8051、8751单片机都相同，这256个字节的空间被分成两部分，其中内部数据RAM地址为0127.特殊功能寄存器的地址为128255.256个字节中的00H1FH为四个工作寄存器区，00H07H为0区，08H0FH为1区，10H17H为2区，18H1FH为3区，每个区都有8个8位寄存器R0R7。要确定采用哪个工作寄存器区，只需要改变标志寄存器PSW中的RS0、RS1，即可实现。从20H2FH是“位寻址”空间，在此空间中，CPU既可以对其执行按字节操作，又可以对其中每个单元的八位

56、二进制代码执行按位的操作。从30H7FH是只能够按字节寻找的数据缓冲区，由于8031复位后，堆栈指针SP指向工作寄存器0区，所以我们必须在初始化程序中对SP设置30H以后的地址间为初值。单片机的外部数据存储器最大可以扩展到64K，地址从0000HFFFFH,用以存储数据。5.3.5 定时器、计数器MCS51系列单片机提供两个16位寄存器，即To和T1，它们能用做定时器或事件计数器，需由特殊功能寄存器TMOD中的控制位来选择T0、T1功能为定时还是计数。在定时器功能中，每个机器周期来到，该寄存器加1，可认为它在计数机器周期。5.3.6中断系统单片机提供个中断源。两个为输入外部中断请求，低电平有效

57、，两个为片内定时器/计数器和溢出中断请求，一个为片内串行口中断请求，这些中断请求源的引脚都为口的第二功能，对于每个中断可编程为高级优先级或低级优先中断，并能实现二级中断嵌套。各中断源所对应的中断服务程序的入口地址和优先级如下：中断源 入口地址 优先级INT0 0003H 0T0 000BH 1INT1 0013H 2T1 001BH 3串行口中断 0023H 48031响应中断后，即从以上入口地址开始执行中断服务程序，直至遇到一条RETI指令为止。 由于在单片机中程序存储器与数据存储器严格分开。因此，程序存储器的操作时序中分为两种情况，既不执行MOVX指令。5.4存储器扩展电路设计 5.4.1程序存储器扩展： 单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPOM芯片，其型号分别2716、2732、2764、27128、27256为等，其容量分别为2K、4K、8K、16K、32K，在选择芯片时，要考虑与时序的匹配。即8031所能读取的时间必须大于EPROM所