两轴微机伺服工作台的设计 机械电子工程专业毕业设计 毕业论文

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1、2011届机械电子工程专业毕业设计（论文）目 录摘 要IABSTRACTII第1章绪论11.1前言11.2机电一体化系统综述11.2.1机电一体化系统的基本构成11.2.2机电一体化系统的核心技术31.2.3机电一体化的发展趋势3第2章总体方案设计52.1确定主要参数52.2机械传动部件的选择52.2.1导轨副的选用52.2.2丝杠螺母副的选用52.2.3减速装置的选用62.2.4伺服电动机的选用62.2.5控制系统的选用62.3控制系统的设计62.4系统总体框图6第3章机械设计部分83.1工作台的外形尺寸及重量初步估算83.2钻削力和铣削力的计算93.2.1钻削力（轴向）的计算93.2.2铣

2、削力的计算93.3滚动导轨的选用103.3.1导轨工作负载计算103.3.2块承受工作载荷的计算113.3.3距离额定寿命L的计算113.4滚珠丝杠的计算和选择123.4.1最大工作载荷Fm的计算123.4.2最大动工作载荷FQ的计算123.5型号的选择与校核123.5.1规格型号的初选123.5.2传动效率的计算133.5.3刚度的验算133.5.4压杆稳定性校核143.6步进电动机减速箱的选用143.7步进电动机的计算与选型153.7.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq153.7.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq163.7.3步进电动机最大静转矩的选定173.7.4

3、步进电动机的性能校核18第4章控制系统硬件设计204.1主控制器CPU的选择204.2可编程RAM/IO芯片8155H224.3键盘与显示电路设计224.4I/O口的分配234.5驱动系统设计234.6传感器和控制面板设计25第5章控制系统软件设计275.1主流程图275.2步进电动机位置控制275.3步进电动机的加减速控制285.4绘制图弧程序流程图29第6章系统误差分析316.1误差的来源316.2控制系统误差316.2.1步进电机失步原因和解决办法316.2.2步进电机越步原因和解决办法326.2.3本设计中采用的方法326.3进给系统的误差326.3.1齿轮传动间隙326.3.2滚柱丝

4、杠轴向间隙的消除33全文总结35致 谢36参考资料37附 录38摘 要两轴数控工作台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。开环控制能充分的利用微机的软件、硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大, 进一步提高机床的精度和可靠性。本文机械部分采用步进电动机通过齿轮减速器带动滚珠丝杠拖动工作台在直线滚动导轨副上运动，其中，步进电动机选用90BYG22602型号。工作台控制部分以AT89C51单片机为核心，作为主控器；利用8155H芯片实现与键盘/显示器的连接；选择步进电机配套驱动器BD28Nb驱动步进电动机实现加

5、、 减速、急停等操作，从而实现对工作台的控制。关键词：步进电动机，单片机，8155H芯片，工作台ABSTRACT Summary two-axis CNC Workbench is an open-loop control system for mechanical and electrical systems design, its structure is simple, easy and can guarantee a certain degree of accuracy, reduce costs, is the simplest application of microcompute

6、r control technology. Open-loop control can make full use of computer software and hardware capabilities for control of the machine tool, machine tool machining range of expanded, further improve the accuracy and reliability of machine tools. Machinery section of this article adopts stepping motor b

7、y dragging the table in gear-driven ball screw linear rolling guide on movement, of which, step motor selection 90BYG22602 model. Table control section AT89C51 microcontroller as the core, as master; leverage 8,155H chip for connection to the keyboard/monitor; select stepping motor drive BD28Nb-driv

8、e stepper motors for operations such as addition, deceleration and emergency stop, enabling control over the table.KEY WORDS: Stepper motors, Microcontroller, 8155H chips, WorkbencI第1章 绪论1.1 前言机电一体化技术是指建立在机械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术基础上的一种综合性技术，通过对机械、电子与信息技术的有机结合，来实现工业产品和生产过程最优化。在机械领域，由于微电子技术和微机技术的

9、迅速发展，发展形成的机电一体化技术，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。 在传统的机械设备通常需要采用比较复杂的机械传动系统来连接各个相关的执行构件，以保证各执行构件动作的同步性和协调性。机械传动部件之间的机械磨损、间隙配合等所引起的运动误差和传动链较长等常常影响设备传动精度和效率。而且，由于人机的直接接触，事故发生率较高，后果较严重。采用机电一体化技术后，可以用电子器件、微型计算机来控制和实现各执行构件的动作及功能关系协调，实现机械产品操作的全部自动化。通过微机控制系统可以精确地按照预先

10、给定量，同时可使相应的机械动作、各种干扰因素造成的误差，进行执行校正、补偿，从而可以达到单纯机械方法所实现不了的加工工艺精度。本文重点是二维工作台的机电系统控制的设计，即通过对小型机械设备的机械和机电控制相结合来加深自己对机电一体化系统的基本原理和简单设计过程的了解。1.2 机电一体化系统综述高安邦.机电一体化系统设计实例精解.北京: 机械工业出版社，150.1.2.1 机电一体化系统的基本构成一、机电一体化系统的基本构成要素一个机电一体化系统一般包括一下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感与检测部分、信息处理与控制单元各要素和环节之间相联系接口。具体系统中，要素的构成不太一

11、样，例如，开环控制系统当中，不需要检测元件。机电一体化系统组成如图1-1所示。图1-1机电一体化系统的组成从机电一体化系统的功能来看，与人体有着完美的相似性，如表1-1所示。表11给出了机电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系机电一体化系统要素功能人体构成要素控制器（计算机等）控制（信息存储、处理、传送）头脑传感器检测（信息收集与变换）感官执行部件驱动（操作）四肢动力源提供动力（能量）内脏机械本体支撑与连接躯干二、 机电一体化系统的构成要素的连接机电一体化系统的基本要素内部及各要素之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换，有机的融合，集成一个完整系统。各要素之间必须遵循

12、接口耦合、物质流动、信息控制、能量转换的四大原则，完成以下内容： 变换。两个需要进行信息交换和传输的要素之间，由于信息的模式不同（数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等），无法直接实现信息或能量的交流，必须通过接口完成信息或能量的统一。涉及的接口包括传感器接口、计算机接口。放大。在两个信息强度相差悬殊的要素之间，经接口放大，达到能量的匹配。耦合。变换和放大后的信号在要素之间能可靠、快速、准确地交换，不需符合时序要求、信号格式和逻辑规范。接口应该具有信息逻辑控制的功能，使信息按规定模式传递。能量转换。能量转换包括执行器、驱动器，各要素之间的不同类型能量的转换，应该满足最优转换方法与

13、原理。信息控制。智能组成要素的系统控制单元，在软硬件的保证下，要完成数据采集、分析、判断、决策，已达到信息控制的目的。对于智能化程度高的系统，还包含了知识的获取、推理机制及知识学习等以知识驱动为主的信息控制。运动传递。运动传递是指各组成要素之间不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。1.2.2 机电一体化系统的核心技术（1） 机械技术。在当代的机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。 （2） 计算机与信息技术。其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算

14、机信息处理技术。 （3） 系统总体技术。系统总体技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，实现系统各部分有机连接的保证。 （4） 自动控制技术。其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。 （5） 传感检测技术。传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。 （6） 伺服

15、传动技术。包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。1.2.3 机电一体化的发展趋势机电一体化系统是具有机电一体化技术的新型机电系统。其发展依赖于机械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术，它的发展主要体现在以下几个方面： 模块化。融合机械、电子和软件三大部分的机电一体化模块代表了未来产品的发展方向，具有高度自主性、良好的协调性和自组织性的特点。 微型化 。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活, 可进入一般机械无法进入的空间，并易于进行精细操作，在生物医疗、军事、信息等方面具有不

16、可比拟的优势。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。 绿色化。21世纪，机电一体化技术的使命是要能提供一种高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、环境舒适和可回收的智能化机械产品，即提供一种能满足可持续性发展的绿色产品。 智能化。目前, 专家系统、模糊系统、神经网络以及遗传算法, 是机电一体化产品(系统) 实现智能化的4种主要技术，随着制造自动化程度的不断提高, 将会出现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动, 并会对制造中出现的问题进行分析、判断、推理、构思和决策。 网络化。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势, 利用家庭网络(home

17、net) 将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliancesystem, CIAS) ,因此机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。第2章 总体方案设计2.1 确定主要参数由于本文力图设计一种小型的通用工作台，这种工作台可以用在小型的铣床、钻床上，还可以用于学校的视教再现，所以在参考了众多资料书籍以后，决定选取以下设计参数：系统分辨率：0.01mm最大钻孔直径为5mm立铣刀最大直径15mm，齿数Z=3；铣削最大余量e=15mm；铣削最大背吃刀量p=8mm；加工材料为碳钢工作台面尺寸为230mm230mm；加工范围为250mm250

18、mm；工作台X、Y方向空载最快移动速度为3000mm/min；工作台X、Y方向进给最快速度为400mm/min；预期工作寿命 15000h重复定位精度 10umX、Y方向定位精度0.01mmX-Y方向的脉冲当量均为0.005mm/脉冲本工作台目的是要适合多种用途，为了尽可能的适合多种小型设备，所以计算中取值都偏大。2.2 机械传动部件的选择2.2.1 导轨副的选用要设计数控工作台，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。2.2.2 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

19、运动，需要满足0.005mm冲当量和mm的定位精度，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。2.2.3 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。2.2.4 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3000mm/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

20、价比。2.2.5 控制系统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。设计参数所给的精度对于步进电动机来说尚可以达到，决定采用开环控制，以降低成本。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、伺服电动机拟采用相同的型号与规格。2.3 控制系统的设计1）设计的X-Y工作台准备用在数控钻床和铣床上，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）对于步进电动机的开环控制，选用MCS-51系列的8位单片机89C51作为控制系统的CPU，能够满足

21、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。2.4 系统总体框图图2-1第3章 机械设计部分3.1 工作台的外形尺寸及重量初步估算根据工作台面尺寸和加工范围，估算其重量。X-Y工作台外观图如下： 图3-1X方向工作台尺寸的确定：X向托板（上托板）的尺寸：长宽高 230mm230mm50mm 上导轨（X向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 Y方向工作台尺寸的确定：Y向托板（下托板）的尺寸：长宽高 600mm200mm20mm下导轨（Y向）取动导轨长

22、度 动导轨行程 支承导轨长度 重量估计： W下=夹具及工件重量： X-Y工作台运动部分重量： 3.2 钻削力和铣削力的计算3.2.1 钻削力（轴向）的计算经查表3-8， 进给量取 ，则 3.2.2 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，工件的材料为钢。则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为： 今选择铣刀的直径为d=15mm，齿数Z=3,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e=15mm，背吃刀量=8mm，每齿进给量fZ=0.01mm，铣刀转速。则求的最大铣削力：采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，各铣削力之间的比值范围如下：=

23、(1.01.2) 取1.1/=(0.20.3) 取0.25/=（0.350.4） 取0.38考虑逆铣时的情况，因为逆铣的情况的受力最大的情况，为了安全考虑这种最危险的工况。由此可估算三个方向的铣削力分别为： 考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和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，径向铣削力为。 3.3 滚动导轨的选用导轨长度：在工作台外形尺寸初步估算中我们得到X方向导轨长度为480mm，Y方向导轨长度为500mm。考虑到工作行程应该留有一定余量，选取导轨的长度均为600mm。3.3.1 导轨工作负载计算导轨基本额定动负载的计算： 导轨基本额

24、定静负载的计算：根据以上数据，选择由济宁博特公司生产KL系列的JSA-LG15型导轨副，其参数如下：型号滑块尺寸额定载荷/KN额定静力矩/(N.m)C1C2L1L2L3M1CaC0aMAMBMCJSA-LG154.5386540.5306M57.949.5555588型号装配后组合尺寸导轨尺寸滑块尺寸HWBH1IFL0maxdDh1B1KTT1JSA-LG152415.51615206015004.57.55.34719.47113.3.2 块承受工作载荷的计算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

25、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：其中，移动部件重量644N，外加载荷，代上式，得最大工作载荷=717N=0.717kN。3.3.3 距离额定寿命L的计算上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过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3-36表3-40，分别取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数f=0.81，精度系数f=0.9，载荷系数f=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：L=()3 50 1954 Km大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。3.4 滚珠丝杠的计算

26、和选择滚珠丝杠的负荷包括钻削力和铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。3.4.1 最大工作载荷Fm的计算在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）=1609N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）=366N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）=556N.已知移动部件总重量G=644N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：3.4.2 最大动工作载荷FQ的计算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Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=8

27、0r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入公式 得丝杠寿命系数LO=72（单位为：106r）。查表3-30，取载荷系数=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数=1.0,代入下式，求得最大动载荷：FQ= 8880 N3.5 型号的选择与校核3.5.1 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单螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为20mm，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最大动工

28、作载荷FQ，满足要求。工作台在钻削加工时受载，滚珠接触面产生变形，即应该考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分超过了滚珠丝杠的最大工作载荷Fm，一般使Coa/Fm=23。所选丝杠的额定静载荷为21569远大于1779，杠满足要求。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）3.5.2 传动效率的计算将公称直径d0=20mm,导程Ph=5mm,代入得丝杠螺旋升角=433。将摩擦角=10，代入 得传动效率=9

29、6.4% 。3.5.3 刚度的验算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a=500mm；钢的弹性模量E=2.1105Mpa;滚珠直径Dw=3.175mm，丝杠底径d2=16.2mm,丝杠截面积 。算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量根据公式，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=593N。则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚间的接触变形量。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形

30、量可以减少一半，取=0.0013mm将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）=0.0218mm=21.8um。本例中，丝杠的有效行程为330mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25um，可见丝杠刚度足够。3.5.4 压杆稳定性校核计算失稳时的临界载荷FK。查表3-34，取支承系数=1；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a取最大值500mm。代入式得临界载荷等于9343N，远大于工作载荷1779N故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副

31、满足使用要求。3.6 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=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm， 初选步进电动机的步距角=0.75。根据式公式，算得减速比：=（0.755）/（3600.005）=25/12本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：36，材

32、料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为（75+36）1/2mm=55.5mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。3.7 步进电动机的计算与选型3.7.1 计算加在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=20mm，总长l=500mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移动部件总重力G=644N；小齿轮齿宽b1=20mm.，直径d1=36mm，大齿轮齿宽b2=20mm，直径d2=75mm；传动比i=25/12。机械系统各部件的转动惯量可以根据相关公式计算，对于某些传动件（齿轮、丝杠）不容易精确计算，可以用圆柱体公式进行

33、相似计算。 滚珠丝杠的转动惯量Js=0.617kgcm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.408kgcm2;小齿轮的转动惯量Jz1=0.259 kgcm2；大齿轮的转动惯量Jz2=4.877 kgcm2。初选步进电动机的型号为90YBG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75，从表（4-5）查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=4 kgcm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=5.62kgcm2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

34、控制在1/41之间，由此可见:,符合惯量匹配要求。3.7.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩，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；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；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。因为滚珠丝杠副传动效率很高， 相对于和很小，可以忽略不计。则有：=+ 考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩： = 其中： =1250r/min 式中空载最快移动速度，本设计为3000mm/min；步

35、进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率。移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： 式中导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005垂直方向的铣削力，空载时取0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： =+=0.2643Nm 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；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；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，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ 其中折算

36、到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式计算。有：再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：最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：=+=0.8816N/m 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：3.7.3 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： 初选步进电动机的型号为90BYG2602，查得该型号电动机的最大静转矩=6Nm。可见，满足

37、要求。3.7.4 步进电动机的性能校核最快工进速度时电动机的输出转矩校核 设计中工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量/脉冲，由公式求出电动机对应的运行频率。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线可以看出在此频率下，电动机的输出转矩5.4Nm，远大于最大工作负载转矩=0.8816N.m，满足要求。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=3000mm/min，求出其对应运行频率。由步进电机运行矩频特性图查得，在此频率下，电动机的输出转矩=1.8 Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.2643N.m满足要求。最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载

38、移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为。查表4-5可知90BYG2602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。由公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100。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线注:本章节所用计算公式和查表均来源于机械工业

39、出版社出版，尹志强编写的机电一体化系统设计课程设计指导书一书。第4章 控制系统硬件设计数控机床控制系统的作用是使机械传动系统在程序的控制下自动完成规定的工作，是数控机床的主要组成部分，主要由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件连线图见附录54.1 主控制器CPU的选择目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如应用最广的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多使用16位单片机，它具有较强的运算和扩展能力，如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。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

40、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，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，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；尤其是它和MCS-51芯片，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此CPU选用ATMEL公司生产的AT89C51，AT表示ATMEL公司，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。AT89C51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

41、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。一、 AT89C51单片机的引脚功能（1）VCC（40）：电源+5V。（2）VSS（20）：接地端，即GND。（3）XTL1（19）和XTL2（18）：振荡电路。单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。（4）PSEN（29）：片外ROM选通信号，低电平有效。（5）ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出

42、端/EPROM编程脉冲输入端。（6）RST/VPD（9）：复位信号输入端/备用电源输入端。 （7）EA/VPP（31）：内/外部ROM选择端（8）P0口（39-32）：双向I/O口。（9）P1口（1-8）：准双向通用I/0口。 （10）P2口（21-28）：准双向I/0口。二、主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。1 振荡器特性：XTAL1和XT

43、AL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。时钟是单片机的心脏，单片机的各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的。时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机的稳定性。常用电路有内部时钟和外部时钟两种方式，本设计采用内部时钟方式，如图4.2所示。图4-2芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

44、在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2 复位电路如图4.3为按键复位电路。图4-34.2 可编程RAM/IO芯片8155H系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示器，控制两个步进电动机的运行，所以该系统需要进行系统扩展，采用可编程RAM/IO芯片8155H。Intel 8155H芯片内包含有256个字节的RAM存储器（静态），RAM的存取时间为400ns。两个可编程的8位并行口PA和PB，一个可编程的6位并行口PC，以及一个14位减法定时器/计数器。PA和PB口

45、可工作于基本输入输出方式或选通输入输出方式。8155HH可直接和AT89C51 单片机相连，不需要增加任何硬件逻辑，是单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。8155H的引脚如图4.4所示： 图4-4 4.3 键盘与显示电路设计下图是AT89C51单片机用扩展的I/O接口芯片8155HH实现的5位LED显示和20键的键盘/显示器的接口电路。8155HH的PA口为输出口，控制键盘的列线Y0Y4的键位，PA口作为键扫描口，同时又是5位共阴极显示器的位扫描口。PB口作为显示器的段码输出口，8155HH的PC口作为输入口，PC03接行线X0X3,成为简输入口。图中，74LS04为反相驱动器，7407为同

46、相驱动器，其中，从左边开始，第一个数码管显示当前工作台运动坐标，第二位数码管显示当前工作太运动方向，另外三位数码管显示当前工作台运行速度。图4-5键盘与显示电路4.4 I/O口的分配P0:接8155HH的AD0AD7，做低8位数据总线和地址总线。P1.0P1.5：接步进电动机的驱动器。P1.6接蜂鸣器，P1.7悬空。P2.2P2.6：接五个发光二极管，用于显示当前步进电动机的状态。P3.0-P3.1：连接上位机PC。剩余的I/O口用于在扩展控制系统功能时扩展用。4.5 驱动系统设计传动驱动部分主要是步进电机的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如

47、切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。因为步进电机工作时的驱动电流比单片机端口所能提供的要大得多单片机要控制电机的运动就不能直接将端口与电机各相相连，必须使用一定的接口电路和驱动电路。驱动电路集成化已成为一种趋势，目前，已有多种步进电动机驱动集成电路芯片，他们大多接驱动和保护于一身，方便简单，节约空间。选择集成驱动器一定要选择配套产品，因为对于不同的电动机步距角的积累误差不完全一样，选择的驱动器不配套，可能会造成步距角积累误差增加，进而振荡和失步加剧。本设计中X、Y向步进电机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团。查表4-14尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书.北京: 机械工业出

48、版社,2007，84页，选择与之配套的驱动电源为BD28Nb，输入电压100VAC，相电流4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图图4-6步进电机驱动电路图BD28Nb驱动器驱动二相混合式步进电机，该驱动器采用原装进口模块，内部自带脉冲分配器，实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性、高频性能好、起动频率高、控制信号与内部信号实现光电隔离、电流可选、结构简单、运行平稳、可靠性好、噪声小，带动4.0A以下所有的90BYG系列电机三相混合式步进电机。为了使控制系统和驱动器能够正常通信，避免相互干扰，我们在驱动器内部采用光耦器件对输入信号进行隔离，三路信号的内部接口电路相同，常用

49、的方式为1）共阳方式：把CP+、DIR+和EN+接在一起作为共阳端接外部系统的+5V，脉冲信号接入CP-端，方向信号接入DIR-端，使能信号接入EN-端；2）共阴方式：把CP-、DIR-和EN-接在一起作为共阴端接外部系统的GND，脉冲信号接入CP+端，方向信号接入DIR+端，使能信号接入EN+端；3）差动方式：直接连接。4.6 传感器和控制面板设计由于步进电机步进电机的速度与所传递的位移和角度由单片机发送的脉冲频率和脉冲数来决定，可实现精确定位，不需要反馈电路，但工作台的移动不能超过最大行程，因此，应该在X、Y轴的方向各加上两个光电开关作为行程开关，当工作台越位时，开启光电开关，然后用蜂鸣器

50、报警，报告给操作人员按下急停按钮。蜂鸣器的工作原理如图4-13。这里行程开关作用有两个：首先防止意外情况发生，使工作台超过最大行程，造成事故，这是主要原因；另外可以用与定位机械部分安装定位。所以这4个行程开关就充当了传感器。图4-7 使用7406做驱动的蜂鸣音报警电路在图4-13中，驱动器7406的输入端接AT89C51的P1.6。当P1.6输出高电平“1”时，7406的输出为低电平“0”，使压电蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压，而产生蜂鸣音。当P1.0输出端为低电平“0”使，7406的输出端升高约为+5V，压电蜂鸣器的两引线间的直流电压降至接近于0V，发音停止。微机控制系统必须便于人机联系，

51、所以设置了一下按键，键盘如图4-14。1在本设计面板中，使用开关和复位按钮，用于启动、停止系统。2采用了五位数码管用来显示工作台当前的运动方向和运行速度，其中速度的单位为mm/min；在面板最下方中间是急停按钮；LED1LED2LED3LED4分别用于指示工作台在指示灯对应的方向禁止通行。3本设计中X+X-Y+Y-按钮分别表示手动使工作台相对应的方向运动；图形表示加速，表示减速且分别在X轴和Y轴各设立了一对加减速键用于调整工作台运行速度。图4-8 控制面板第5章 控制系统软件设计数控系统软件是一系列能完成各种功能的程序的集合。软件和硬件的结合，形成一个具有特定功能的计算机数控系统，使该系统能够

52、完成零件程序的输入、编辑、译码、数据计算和伺服控制等工作。本次设计的系统软件主要是步进电机控制软件。对于AT89C51的程序设计，由于所需实现的功能较简单，采用汇编的形式。5.1 主流程图在等待中断的过程中，如果有中断到来，先检查中断0的状态，是中断0则进入中断0的中断服务INT0IS，是中断1则进入中断1的中断服务INT1IS。中断服务0是由4个行程开关触发的，它触发后通过单片机读取PA口内容，然后将结果反馈到PB口的LED上。中断服务1有10个中断源，这六个中断源分别是手动X正方向运行，手动X负方向运行，手动Y正方向运行，手动Y负方向运行，复位和绘制圆弧，X方向的加减速和Y方向的加减速。程

53、序见附录1。连续鸣音30ms的控制子程序清单：SND ： SETB P1.6MOV R7, #1EHDL ： MOV R6, #0F9HDL1 ： DJNZ R6, DL1DJNZ R6, DL1CLR P1.6RET5.2 步进电动机位置控制步进电动机的位置控制，指的是步进电动机带动执行机构从一个位置精确的运行到另一个位置。步进电动机的位置控制是步进电动机的一大优点，他可以不用借助位置传感器而只需要简单的开环控制就能达到足够的位置精度，应用很广泛。步进电动机的位置控制需要两个参数。第一个是步进电动机控制的执行机构当前的位置参数，即绝对位置，这个绝对位置是有极限的，他就是执行机构运动的最大范围

54、，所以我们在导轨旁设立两个限位开关作报警用。另一个位置参数是从当前的位置移动到目标位置的距离，可以折算成步进电动机的步数，这个参数通过键盘输入。位置控制程序框图如图4-19。 步进电动机的正反转控制在主程序中实现。对于X轴步进电动机，如果正转，使P1.1=1；反转，使P1.1=0。对于Y轴步进电动机，如果正转，使P1.4=1；反转，使P1.4=0。所以，不管在正转情况下，还是在反转情况下，上面程序都能使用。程序见附录2。图5-1位置控制程序框图5.3 步进电动机的加减速控制步进电动机驱动工作台运行，通常要经历升速、恒速和减速过程。加速过程的总步数电动机在升速的过程中，每走一步，加速总步数就减1

55、，直到减为0，加速过程结束，进入恒速过程。恒速过程的总步数电动机在恒速的过程中，每走一步，恒速总步数就减1，直到减为0，恒速过程结束，进入减速过程。减速过程的总步数电动机在减速的过程中，每走一步，减速总步数就减1，直到减为0，减速过程结束，电动机停止运行。本程序的资源分配如下：R0-中间寄存器；R1-存储速度级数；R2-存储级步数；R3-加减速状态指针，加速是指向35H，恒速时指向37H，减速时指向3AH；32H34H-存放绝对位置常数，低位在前；35H、36H-存放加速总步数，低位在前；37H39H-存放恒速总步数，低位在前；3AH、3BH-存放减速总步数，低位在前。定时常数序列存放在以AB

56、C为起始地址的ROM中，初始R3=35H，R1、R2 都有初始值。加减速程序框图如图4-20，程序见附录3。图5-2 加减速程序流程图5.4 绘制图弧程序流程图 图5-3 逐点比较法画圆弧 逐点比较法原理：假设所画圆弧在第一象限，圆心坐标为（0，0），圆弧上点的坐标为（X，Y），圆弧半径为R，每一点的坐标偏差为F=X*X+Y*Y-R*R，若F0，应沿X轴负方向走一步，此时FX=（X-1）*（X-1）+Y*Y-R*R=F-2X+1，X=X-1；若F0，应沿Y轴正方向走一步，此时FY=X*X+（Y-1）*（Y-1）-R*R=F+2Y+1，Y=Y+1。插补程序见附录4。第6章 系统误差分析6.1 误

57、差的来源 随着技术的进步，对数控机床的要求越来越高。查阅有关的资料归纳得到数控机床的主要误差来源有编程误差、控制系统误差、进给系统误差、工件定位误差和对刀误差。6.2 控制系统误差本设计为开环控制系统，这类数控系统不带检测装置，也无反馈回路，其向前通道中的各种误差无法通过反馈信息加以补偿，从而直接导致了输出位置误差。开环控制系统的输出误差来源于步进电机的误差和进给系统的误差，关于进给传动链的误差将在后面加以分析。这里先分析步进电机的误差。6.2.1 步进电机失步原因和解决办法在步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。失步产生的主要原因及解决方法：步进电机的转

58、矩不足，拖动能力不够，当驱动脉冲频率达到某临界值开始失步。由于步进电机的动态输出转矩随着连续运行频率的上升而降低，因而凡是比该频率高的工作频率都将产生失步。有3种解决方法：可使步进电机产生的电磁转矩增大，为此可在额定电流范围内适当加大驱动电流；在高频范围转矩不足时，适当提高驱动电路的驱动电压；改用转矩大的步进电动机等，也可使步进电机需要克服的转矩减小，为此可适当降低电机运行频率，以便提高电机的输出转矩。步进电机起动失步。由于步进电机自身及所带负载存在惯性，当加速时间过短时会出现这一现象。应该设置合理的加速时间，使电机从低速度平稳上升到某个速度。 步进电机产生共振也是引起失步的一个原因。步进电机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频率等于步进电机的固有频率，将产生共振。在一个控制脉冲周期内，振动尚未得到充分衰减，下一个脉冲就已来到，因而在