课程设计（论文）-通用两维运动平台设计 38页

学校代码：10128学号：8课程设计说明书题目：通用二维运动平台设计学生姓名：学院：机械学院班级：机电12-2指导教师：2016年1月21日\n内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书课程名称：专业综合设计2_学院：机械学院班级：机电学生姓名：__学号：20xxxxxxxxxxx指导教师：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：250×200；2、平台移动行程：X×Y＝160×125；3、夹具和工件总重：500N；4、最高运行速度：步进电机运行方式：空载：1.5m/min;切削：0.7m/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300N；Y向400N；Z向500N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。图纸量和工作量要求1、机械总装配图用A1号图纸绘制通用两维运动平台的结构图。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，绘制控制电路图，电路图幅为A2～A1为宜。\n3、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）指导教师下达时间2016年1月4日指导教师签字：_______________\n内蒙古工业大学课程设计摘要【摘要】：X-Y工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。广泛应用于数控机床的加工系统、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,尽管这些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中共性和关键的技术。本次课程设计，主要设计和研究X－Y工作台的机械结构及其电气原理图。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，寿命等参数；还设计了导轨，根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。利用8031、6264、2764、373、8155、8255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；MCS—51单片机\n内蒙古工业大学课程设计目录第一章总体设计方案11.1系统运动方式的确定与驱动系统的选择11.2机械传动方式11.3计算机系统选择11.4总体方案的确定2第二章机床进给驱动系统机械部分设计计算32.1设计参数32.2滚珠丝杠螺母副的计算与选型32.2.1X向进给丝杠32.2.2Y向进给丝杠52.2.3滚珠丝杠副的几何参数102.3滚动导轨的计算与选择112.3.1滚动导轨副的额定寿命112.4步进电机的计算与选择132.4.1转动惯量的计算132.4.2电机的力矩的计算152.4.3步进电动机性能校核18第三章微机数控系统硬件电路设计213.1计算机系统213.2单片微机数控系统硬件电路设计内容213.2.1绘制电气控制系统框图213.2.2选择CPU的类型223.2.3存储器扩展电路的设计223.2.4I/O接口电路设计223.3各类芯片简介233.3.18031芯片简介233.3.2373芯片简介233.3.42764芯片简介243.3.58155芯片简介24\n内蒙古工业大学课程设计3.3.68255芯片简介243.4存储器扩展电路设计243.4.1程序存储器ROM的扩展253.4.2数据存储器RAM的扩展253.4.3译码电路的设计253.5I/O接口电路的设计263.5.18155通用可编程接口芯片263.5.28255可编程接口芯片273.5.3键盘显示接口电路283.68031的时钟电路293.7复位电路303.8越界报警电路303.9掉电保护电路303.10控制系统的功能303.11控制系统的工作原理30参考文献32\n内蒙古工业大学课程设计第一章总体设计方案1.1系统运动方式的确定与驱动系统的选择运动方式可分为点位控制系统、点位/点线控制系统和连续控制系统。为了满足二维运动平台实现X-Y两坐标联动、运动定位、暂停、急停等功能,故选择连续控制系统。驱动系统有开环系统、闭环系统和半闭环系统，考虑到工作台实际位移的检测，补偿系统的误差精度要求较低而且采用步进电动机进行驱动，开环系统就可满足精度要求。故采用开环控制系统。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、8086、DSP、基于DSP的运动控制芯片，ARM嵌入式微处理器技术。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。32\n内蒙古工业大学课程设计1.4总体方案的确定微机驱动器驱动器步进电机步进电机工作平台中拖板图1—1X—Y数控工作台总体方案设计32\n内蒙古工业大学课程设计第二章机床进给驱动系统机械部分设计计算2.1设计参数1、工作台台面尺寸：2、工作台移动尺寸：3、夹具和工作台总重：4、最高运行速度：步进电动机运行方式：空载：1.5m/mim：切削：0.7m/min；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；6、系统定位精度：开环模式；7、切削负载：X向300N；Y向400N；Z向500N；2.2滚珠丝杠螺母副的计算与选型2.2.1X向进给丝杠（1）、计算进给牵引力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综合导轨的计算公式。计算公式为：式中---进给方向的载荷（N）；---垂直方向的载荷（N）；---移动部件上的总重量（N）；---导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同；滚动导轨=0.003---考虑颠覆力矩影响的实验系数；综合导轨的,，取，式中，，；代入计算可得。（2）、计算最大动载荷C32\n内蒙古工业大学课程设计选用滚珠丝杠副的直径时，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，用下式计算选择：式中---寿命，以10转为一单位；---温度系数，查表--3-23，工作温度小于100摄氏度取=1；---硬度系数，查表--3-24，取=1；---精度系数，查表--3-25，取三级精度=1；---负荷性质系数，查表--3-26，=1.2-1.5，取；---可靠度系数，查表--3-27，可靠度为95%，=0.62；---丝杠转速，单位为r/min；---为最大切削力条件下的进给速度，单位为m/min，；---丝杠导程，单位为mm；---使用寿命，单位为小时，对于数控机床取；初选导程=4，由任务书可知最大切削力下的速度，则,代入公式可计算得=175=4092.12N（3）、滚珠丝杠螺母副的选型32\n内蒙古工业大学课程设计根据计算出来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GD系列规格代号为1604-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧，其公称直径为16mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈×2列，精度等级取为3级，额定动载荷为4612N。（4）、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率：式中---丝杠的螺旋升角，由计算可得；---摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。由选用的1604-3滚珠丝杠的相关数据可知丝杠螺旋升角代入公式计算得2.2.2Y向进给丝杠（1）、计算进给牵引力计算公式为：式中---进给方向的载荷（N）；---垂直方向的载荷（N）；---移动部件上的总重量（N）；---导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同，滚动导轨=0.003；---考虑颠覆力矩影响的实验系数；综合导轨的,，取，式中，，；代入计算得（2）、计算最大动载荷用下式计算选择：32\n内蒙古工业大学课程设计式中---寿命，以10转为一单位；---温度系数，查表--3-23，工作温度小于100摄氏度取=1；---硬度系数，查表--3-24，取=1；---精度系数，查表--3-25，取三级精度=1；---负荷性质系数，查表--3-26，=1.2-1.5，取；---可靠度系数，查表--3-27，可靠度为95%，=0.62；；---丝杠转速，单位为r/min；---为最大切削力条件下的进给速度，单位为m/min，；---丝杠导程，单位为mm；---使用寿命，单位为小时，对于数控机床取；初选导程，由任务书可知最大切削力下的速度，则,代入公式计算可得5444.39N（3）、滚珠丝杠螺母副的选型根据计算出来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GD系列规格代号为2504—3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧，其公称直径为25mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈×2列，精度等级取为3级，额定动载荷为5992N。（4）、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率：32\n内蒙古工业大学课程设计式中---丝杠螺旋升角，由计算可得；---摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。由选用的2504-3的滚珠丝杠的相关数据可知丝杠螺旋升角代入公式计算得（5）、刚度的验算先画出此进给滚珠丝杠支承方式草图,如图所示。GJMLX方向滚珠丝杠的刚度验算X方向螺纹的长度：L=160+37+16×2=229mm≈230mm。X方向轴承的选择：根据X方向滚珠丝杠的公称直径，及滚珠丝杠的所受载荷的状态，选用角接触球轴承。根据GB/T292-1994,选用7000AC型角接触球轴承。轴承的参数为：，，，。X方向螺旋钢带防护罩规格：，式中为被保护零件的最大直径，由于X方向的滚珠丝杠的公称直径为，所以，为保护套的小端直径，，又因为螺纹长度为230mm，所以选用防护罩为LGB规格，代号为30-250-45。其主要技术参数为，，，。X方向联轴器的选择：联轴器选用刚性套筒式联轴器，丝杠伸入联轴器的长度初选为。因此X方向的丝杠的支承跨距为；滚珠丝杠两端取10mm的余量，X方向丝杠全长。滚珠丝杠副的轴向变形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在总的变形量中占的比重较大,可以用计算方法或查图表的方法确定，在这里我选用的是计算的方法。由公式32\n内蒙古工业大学课程设计式中---丝杠的最大工作载荷，单位为N，N；a---丝杠两端支承间的距离，单位为mm，mm；E---丝杠材料的弹性模量，钢的MPa;S---丝杠按底径确定的截面积，单位为，；M---转矩，单位为，在本式中M为0；I---丝杠按底径确定的截面积惯性矩（），单位是；其中，“+”号用于拉伸，“—”号用于压缩。所以2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形可以从产品型号中查出，或由下式进行计算：无预紧时上式中---滚珠直径，单位为mm，mm；---滚珠总数量，，经计算；Z---单圈滚珠数，(内循环)，经计算Z=19；---预紧力，单位为N；由上述参数及公式计算丝杠的总变形量，一般总变形量不应大于机床规定的定位精度的一半。而该通用两维运动平台系统的定位精度在开环模式下是mm，丝杠的总变形量mm，符合要求。Y方向滚珠丝杠的刚度验算Y方向螺纹的长度：L=125+40+16×2=197mm≈200mm。Y方向轴承的选择：根据Y方向滚珠丝杠的公称直径，及滚珠丝杠的所受载荷的状态，选用角接触球轴承。根据GB/T292-1994,选用7002C型角接触球轴承。轴承的参数为：，，，。Y方向螺旋钢带防护罩规格：，式中为被保护零件的最大直径，由于Y方向的滚珠丝杠的公称直径为，所以，为保护套的小端直径，，又因为螺纹长度为200mm，所以选用防护罩为LGB规格，代号为40-300-45。其主要技术参数为，，，。32\n内蒙古工业大学课程设计Y方向联轴器的选择：联轴器选用刚性套筒式联轴器，丝杠伸入联轴器的长度初选为。因此Y方向的丝杠的支承跨距为；滚珠丝杠两端取10mm的余量，Y方向丝杠全长。滚珠丝杠副的轴向变形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在总的变形量中占的比重较大,可以用计算方法或查图表的方法确定，在这里我选用的是计算的方法。由公式式中---丝杠的最大工作载荷，单位为N，N；a---丝杠两端支承间的距离，单位为mm，mm；E---丝杠材料的弹性模量，钢的MPa;S---丝杠按底径确定的截面积，单位为，；M---转矩，单位为，在本式中M为0；I---丝杠按底径确定的截面积惯性矩（），单位是；其中，“+”号用于拉伸，“—”号用于压缩。所以2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形可以从产品型号中查出，或由下式进行计算：无预紧时上式中---滚珠直径，单位为mm，mm；---滚珠总数量，，经计算；Z---单圈滚珠数，(内循环)，经计算Z=30；---预紧力，单位为N；由上述参数及公式计算丝杠的总变形量，一般总变形量不应大于机床规定的定位精度的一半。而该通用两维运动平台系统的定位精度在开环模式下是mm，丝杠的总变形量mm，符合要求。（6）、稳定性验算滚珠丝杠两端均为角接触球轴承支承。滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷应满足：32\n内蒙古工业大学课程设计式中---临界载荷，单位为N；---丝杠支承系数，可查表3-34；K---压杆稳定安全系数，一般取为2.5～4，垂直安装时取最小值；a---滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm；对于X方向的滚珠丝杠：N，，I=3215.36，，符合要求。对于Y方向的滚珠丝杠：N，,I=19165.04,,符合要求。（7）、滚珠丝杠的长度确定X向：螺纹的有效行程=230mm；螺母的长度=65mm；单侧丝杠防护罩的长度Lmin=45mm；固定支撑座的厚度B=8mm；电机连接端长度=30mm；丝杠的总长度。Y向：螺纹的有效行程=200mm；螺母的长度=72mm；单侧丝杠防护罩的长度Lmin=45mm；固定支撑座的厚度B=9mm；电机连接端长度=30mm；丝杠的总长度2.2.3滚珠丝杠副的几何参数图2-2滚珠丝杠副几何参数32\n内蒙古工业大学课程设计滚珠丝杠副选用由济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD系列滚珠丝杠副，其结构类型为内循环固定反向器双螺母垫片预紧。X方向的滚珠丝杠的规格代号为1604-3，Y方向的滚珠丝杠的规格代号为2504-3。表G、GD系列滚珠丝杠副尺寸参数型号公称直径导程滚珠直径丝杠底径丝杠外径循环列数额定载荷/N刚度GDGD1604-31642.38113.115.33×2461287792792504-32542.38122.124.23×25992153184372.3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=；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。2.3.1滚动导轨副的额定寿命(1)、滚动导轨的额定动载荷的计算本方案的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承方式。结构布局如下图所示。图2-3工作台及导轨块的放置考虑最不利的受力状况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则滑块所受的最大垂直方向载荷为，其中，移动部件的重量为，外加载荷，将参数代入上式中可得最大工作载荷为。查表3-34，根据工作载荷32\n内蒙古工业大学课程设计,初选直线滚动导轨的型号为KL系列JSA-LG15型，其额定动载荷=7.94KN，额定静载荷。任务书规定工作台面尺寸为250mm×200mm，要求的平台移动行程X×Y=160mm×125mm，考虑到工作行程应留有一定的余量，查表3-35，按标准系列，选取X方向导轨的长度为460mm，Y方向的导轨长度为340mm。(1)、滚动导轨副的额定寿命1、额定寿命计算其计算公式如下：式中---额定寿命，单位为km；---额定动载荷，单位为KN；---计算载荷；---温度系数，运行时的温度小于100查相关资料可的；---接触系数，导轨上的滑块数为2查相关资料；---载荷系数；---硬度系数，滚道硬度不得低于HRC58故通常取；上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，工作载荷不大。查表3-36～表3-40，分别取硬度系数、温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数。将上述参数代入公式中=11767.94km＞＞50km，寿命符合要求。直线导轨副的参数型号装配后组合尺寸导轨尺寸滑块尺寸HWBKJSA-LG152415.5161515004719.4711型号滑块尺寸额定载荷/kN额定静载荷/()32\n内蒙古工业大学课程设计JSA-LG156540.53067.947.69.512.35555882.4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转动惯量的计算(1）、丝杠的转动惯量计算由于用步进电机则省去了齿轮的传动比以及齿轮的转动惯量的计算，所以只要计算丝杠本身的转动惯量即可。对于X方向的滚珠丝杠：丝杠导程=4mm，名义直径=160mm,丝杠全长为。根据理论力学中转动惯量的定义，圆柱体的转动惯量计算公式如下：式中---材料密度，单位为,钢的密度为；---圆柱体质量，单位为kg；D---圆柱体直径，单位为cm；L---圆柱体长度，单位为cm；将上述参数代入公式中可得=0.1969对于Y方向的滚珠丝杠：丝杠导程=4mm，名义直径=25mm,丝杠全长为。根据理论力学中转动惯量的定义，圆柱体的转动惯量计算公式如下：式中---材料密度，单位为,钢的密度为；---圆柱体质量，单位为kg；D---圆柱体直径，单位为cm；L---圆柱体长度，单位为cm；32\n内蒙古工业大学课程设计将上述参数代入公式中可得=1.0832(2)、工作台折算到丝杠上的转动惯量根据《机电装备设计课程设计指导书》表4-1所示工作台折算到丝杠轴上的转动惯量。其计算公式为。式中---工作台质量，单位为kg；---丝杠的导程，单位为cm；对于X方向工作台折算到丝杠上的转动惯量：对于Y方向工作台折算到丝杠上的转动惯量：(3)、丝杠传动时传动系统折算到电机上的总的转动惯量X方向丝杠传动时传动系统折算到电机上的总的转动惯量为：由于丝杠是通过联轴器与电机直接进行连接的，所以丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量为：在上式中没有考虑电机转子本身的转动惯量，根据实践经验传动系统惯量和转子惯量之间有一个惯量匹配的问题，的比值不能太小，否则机床动态特性将主要取决于负载特性，此时不同重量和行程的各坐标的特性将有很大差别，并且很容易受切削力、摩擦力等干扰的影响。但是的比值太大，也是很不经济的，所以。根据机械传动系统的传动速比公式计算可得步距角。电机转子的转动惯量可以查出，初选步进电机为汉德保集团生产的两相混合步进电动机，代号2403HS30A1，转动惯量为0.59。基本满足惯量匹配要求。Y方向丝杠传动时传动系统折算到电机上的总的转动惯量为：由于丝杠是通过联轴器与电机直接进行连接的，所以丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量为：根据机械传动系统的传动速比公式计算可得步距角。电机转子的转动惯量32\n内蒙古工业大学课程设计可以查出，初选步进电机为汉德保集团生产的两相混合式步进电动机，其型号为3402HY45A1，转动惯量为2.8。基本满足惯量匹配要求。2.4.2电机的力矩的计算电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分别对快速空载起时所需要的力矩、快速进给时所需要的力矩、最大切削负载时所需要的力矩等几部分进行计算。X向电机力矩的计算X向步进电动机转轴上的等效负载转矩的计算(1)、快速空载起动时所需力矩式中---快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩；---快速空载起动时折算到电机上的最大加速力矩；---移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦力矩；---滚珠丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩其中式中---步进电动机转轴上的总转动惯量，单位为，---步进电动机的转速，单位为；---电动机加速所用的时间，单位为s，一般在0.3～1s之间；---传动链总效率，一般取=0.7～0.85，取=0.8；上式中其中---空载最快移动速度，任务书指定1.5m/min,即1500mm/min;---步进电动机的步距角，预选电动机为；---脉冲当量，本例；所以，所以。设移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦力矩为，其计算公式为：32\n内蒙古工业大学课程设计式中---导轨的摩擦力，，单位为N；---垂直方向的铣削力，单位为N；---导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.003；---滚珠丝杠导程，单位为m；---运动部件的总重量；---齿轮降速比，这里无齿轮既；---传动链总效率，这里取0.8；将上述参数代入公式中得=0.00239设滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦力为，其计算公式为：式中---滚珠丝杠预紧力，一般取滚珠丝杠工作载荷的1/3；---滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取=0.95将上述参数代入算得(2)、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；一部分是移动部件折算到电动机轴上的摩擦转矩；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，相当于和很小，可以忽略不计。式中，和可由上述公式计算可得而折算到电动机最大工作负载转矩可由式子计算：，其中是进给方向最大工作载荷。所以将各参数代入公式中可得0.2389，。经上述计算后，可知加在步进电动机转轴上最大等效负载转矩应为=0.2503.(1)、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。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：32\n内蒙古工业大学课程设计上述初选的步进电动机型号为2403HS30A1，由表查得该型号的电动机保持转矩。可见，满足要求。Y向电机力矩的计算Y向步进电动机转轴上的等效负载转矩的计算(1)、快速空载起动时所需力矩式中---快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩；---快速空载起动时折算到电机上的最大加速力矩；---移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦力矩；---滚珠丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩其中式中---步进电动机转轴上的总转动惯量，单位为，---步进电动机的转速，单位为；---电动机加速所用的时间，单位为s，一般在0.3～1s之间；---传动链总效率，一般取=0.7～0.85，取=0.8；上式中其中---空载最快移动速度，任务书指定1.5m/min,即1500mm/min;---步进电动机的步距角，预选电动机为；---脉冲当量，本例；所以，所以。设移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦力矩为，其计算公式为：式中---导轨的摩擦力，，单位为N；---垂直方向的铣削力，单位为N；---导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.003；---滚珠丝杠导程，单位为m；32\n内蒙古工业大学课程设计---运动部件的总重量；---齿轮降速比，这里无齿轮既；---传动链总效率，这里取0.8；将上述参数代入公式中得=0.00239设滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦力为，其计算公式为：式中---滚珠丝杠预紧力，一般取滚珠丝杠工作载荷的1/3；---滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取=0.95将上述参数代入算得(2)、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；一部分是移动部件折算到电动机轴上的摩擦转矩；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，相当于和很小，可以忽略不计。式中，和可由上述公式计算可得而折算到电动机最大工作负载转矩可由式子计算：，其中是进给方向最大工作载荷。所以将各参数代入公式中可得0.3185，。经上述计算后，可知加在步进电动机转轴上最大等效负载转矩应为=0.3329.（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。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：上述初选的步进电动机型号为3402HY45A1，由表查得该型号的电动机保持转矩。可见，满足要求。32\n内蒙古工业大学课程设计2.4.3步进电动机性能校核X方向步进电动机性能校核（1）、最快工作速度时电动机输出转矩的校核任务书给定工作台最快工作速度,脉冲当量，可计算出电动机对应的运行频率，在此频率下，电动机输出转矩，远远大于最大工作负载转矩，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最快空载移动速度，由式，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动时的负荷，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对应的电动机运行频率为，查表得，电动机空载运行频率为20000HZ，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，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，可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：上式说明，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1354.57HZ。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选的很低，通常只有100HZ，综上所述，本例中工作台的进给传动选用2403HS30A1步进电动机满足设计要求。Y方向步进电动机性能校核(1)、最快工作速度时电动机输出转矩的校核任务书给定工作台最快工作速度,脉冲当量，可计算出电动机对应的运行频率，在此频率下，电动机输出转矩，远远大于最大工作负载转矩，满足要求。(2)、最快空载移动时电动机输出转矩校核32\n内蒙古工业大学课程设计任务书给定最快空载移动速度，由式，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动时的负荷，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对应的电动机运行频率为，查表得，电动机空载运行频率为20000HZ，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，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，可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：上式说明，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1343.1HZ。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选的很低，通常只有100HZ，综上所述，本例中工作台的进给传动选用3402HY45A1步进电动机满足设计要求。32\n内蒙古工业大学课程设计第三章微机数控系统硬件电路设计3.1计算机系统微机数控系统由CPU，存储器扩展电路，I/O接口电路，驱动电机驱动电路，检测电路等几部分组成。微机是数控系统的核心，其他装置都是在微机的指挥进行工作的。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。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、显示器、I/O接口及光电隔离电路，步进电机功率放大电路等几部分组成。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LED显示器。3.2单片微机数控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。硬件是组成系统的基础，二维运动平台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。32\n内蒙古工业大学课程设计RAMROMCPUI/O接口外设键盘、显示器及其它驱动器步进电机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以及经济价格比等经济性要求，目前在经济性通用两维运动平台中，推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。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存储器扩展电路设计包括程序存储器和数据存储器的扩展。3.2.4I/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，键盘显示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，掉电保护电路等）32\n内蒙古工业大学课程设计3.3各类芯片简介3.3.18031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3.3.2373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3.3.36264芯片简介A0～A12：地址线I/O0～I/O7：双向数据线CE1：片选线1CE2：片选线2WE：写允许线OE：读允许线32\n内蒙古工业大学课程设计3.3.42764芯片简介A0～A12：地址线I/O0～I/O7：数据输出线CE：片选线OE：数据输出选通线PGM：编程脉冲VPP：编程电压3.3.58155芯片简介AD0～AD7：地址数据总线RESET：由8031提供复位信号CE：CE=0时，器件才允许被启用IO/M：当IO/M=1时，选择I/O口电路；当I/O=0时，选择存储器ALE：接8031ALERD：为主机发来的读信号输入端WR：为主机发来的写信号输入端3.3.68255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。32\n内蒙古工业大学课程设计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64KB。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OE接地，使373常输出。74LS373的输出口Q与P2口一起扩展出16位地址总线AB，其高三位A13、A14、A15分别与138的A、B、C引脚相连。(2）、地址线的连接根据设计要求，需要扩展两片2764。两片2764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；2764（1）的OE与138Y0相连，2764（2）的OE与138Y1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6264芯片即可满足设计要求。6264的连接和2764大致相同，唯控制信号线的连接不同；6264的OE，WE与8031的RD，WR相连，CE与138的Y1相连，CE2高电平有效。3.4.3译码电路的设计8031单片机允许扩展64KROM和64KRAM（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32\n内蒙古工业大学课程设计外围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。(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。3.5I/O接口电路的设计8031单片机共有4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8155和8255芯片。3.5.18155通用可编程接口芯片8155是可编程的RAM/IO扩展接口电路。（256个RAM单元，2个8位口，1个6位口，1个14位的定时/计数器）(1）、8155的工作方式8155I/O口工作方式选择通过对8155内部命令寄存器设定命令控制字实现。(2）、状态查询8155有一个状态寄存器，用于锁存I/O口和定时器的当前状态，供CPU查询用。C/S寄存器共用一个地址。命令寄存器只能写入不能读出；而状态寄存器只能读出不能写入，所以可以认为。CPU读该地址时，作为S寄存器，相反则作为C寄存器。(3）、8155的定时功能8155芯片内有一个14位减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数。外部有定时引脚TIMERIN和TIMEROUT。(4）、8031和8155的接口32\n内蒙古工业大学课程设计8155芯片可以直接和MCS-512系列单片机连接，不需要任何外加逻辑电路。通常用P2口的高位地址线作为8155芯片的片选信号及IO/M的选择信号。8031的P2.0于IO/M连接。由于8155内部有地址锁存器，所以8031的ALE端可以和8155的ALE端直连，利用8031的ALE的信号的下降沿锁存8031P0送出的低8位地址信息。相应的读写信号也直接相连。3.5.28255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。8155的结构框图及引脚排列见下图。8155具有40条引脚，采用双列直插式风装，各引脚功能见表。8155引脚功能引脚含义引脚含义引脚含义AD0~AD7PA0~PA7PB0~PB7PC0~PC5TIMERIN地址、数据线A口B口C口定时输入TIMEROUTIO/MALERDWR定时输出IO/RAM口选择地址锁存读写CERESETVSSVCC片选复位地电源可编程的RAM/IO扩展接口电路32\n内蒙古工业大学课程设计8155初始化程序格式如下：MOVDPTR，控制口地址MOVA，命令字MOVX@DPTR，AMOVDPTR，计数初值入口地址MOVA，计数初值MOVX@DPTR，AINCDPTRMOVA，计数初值高位MOVX@DPTR，A（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。138的Y2接CS，373的Q1，Q2分别接A0，A1。3.5.3键盘显示接口电路（1）、显示器工作原理数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD也有采用CRT的。这里采用LED显示器，一般分为共阳极显示和共阴极显示，共阳极显示的段码与共阴极显示的段码是逻辑非的关系。通常显示器采用动态显示，调整电流和时间参数，可实现高亮度较高较稳的显示。这里采用的是7位共阴极的显示器和8155的接口。8155的B口作为扫描口。经反向驱动器74LS04接显示器的公共极，A口作为段选数据口，经同相驱动器7407接显示器的各个极。（2）、键盘接口原理32\n内蒙古工业大学课程设计当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线都断开，行线都呈高电平，当键盘上某一键闭和时，则该键所对应的行线列线短路。如果把行线接到微机的输入口，列线接到微机的输出口，则在微机的控制下，先使第一列线为低电平，其余列先都为高电平，然后微机通过输入口读行线的状态，如果行线都为高点平，则第一列上没有键闭合，如果读出的行线不全为高电平，则输入为低电平的行线合第一列相交的键处于闭合状态；如果第一列上没有键闭合，接着使列线的第二列为低电平，其余列线为高电平，用同样的方法检查第二列上有无键闭合，依次类推，这种逐行逐列地检查键盘状态的过称为对键盘的一次扫描。键盘工作原理如图所示。8255初始化程序格式如下：MOVAL，控制字;定义工作方式OUT控制口地址，ALINAL，初值OUT输出口地址，AL键盘工作原理（3）、利用8155芯片实现键盘显示器接口在单片机应用系统中，同时需要使用键盘和显示器，常常把键盘和显示器做在一起，以节省I/O线键盘的列线及LED显示器的字位控制共用8155的B口，是输出口。键盘的行线由8155C口担任，是输入口，显示器的段选由8155的A口担任，是输出口。原理图中74LS04位反向驱动器，7404为同向驱动器。3.68031的时钟电路32\n内蒙古工业大学课程设计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。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掉电保护电路半导体存储器RAM一掉电里面存储的信息就会全部丢失，在工业现场环境恶劣的情况下，掉电是难免的，掉电保护电路就是为解决此问题而设计的，原理图中8031芯片上接Vcc引脚为一简单的掉电保护电路。3.10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5.其他功能，例如光电隔离电路、功率放大器、红绿灯显示等。3.11控制系统的工作原理32\n内蒙古工业大学课程设计为了便于说明，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。当正常工作时是绿灯亮。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。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”按钮是使运动平台回原点的按钮。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。32\n内蒙古工业大学课程设计参考文献[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/32