1、目錄第一章 系統的總體方案設計 2第二章 機械系統設計 32.1 脈沖當量和傳動比的確定 32.2 傳動系統等效轉矩慣量計算 32.3 工作載荷分析及計算 42.4 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 52.5 導軌的選型和計算 82.6 驅動電機的選擇 9第三章 控制系統設計 123.1 控制系統硬件的基本組成 123.2 接口程序初始化及步進電機控制程序 153.3 直線圓弧插補程序設計 16參考文獻 23原始數據設計一個數控XY工作臺及其控制系統。該工作臺可安裝在銑床上，用于銑削加工。設計參數如下：最大銑刀直徑最大銑削寬度最大銑削深度加工材料工作臺加工范圍（mm）最大移動速度32 mm15 mm

2、6 mm碳鋼X=450，Y=4003 m/min第一章 系統的總體方案設計圖1-1 系統總體方案由設計任務書可知，本次設計可以采取一下方案：1.1 機械系統1.1.1 傳動系統采用滾珠絲杠和聯軸器傳動1.1.2 導向系統采用滾珠直線導軌1.1.3 執行電機采用步進電動機1.2 傳感系統本次設計的系統精度不高，載荷不大，因此采用開環控制。1.3 控制系統采用步進電機來實現驅動，一般情況下多采用開環控制。因為步進電機的輸出轉角與控制器提供的脈沖數有著正比關系，電機轉速與控制器提供的脈沖頻率成正比。因此通常在精確度要求不是很高時，采用步進電機是合理的。當然，步進電機具有高頻易失步，負載能力不強的缺點

3、。圖1-2開環控制流程圖第二章 機械系統設計2.1 脈沖當量和傳動比的確定根據機床或工作臺進給系統所需要的定位精度來選定脈沖當量。考慮到機械傳動系統的誤差存在，脈沖當量值必須小于定位精度值。本次設計給定脈沖當量 為0.01mm。根據脈沖當量和系統總體方案，還有混合式步進電動機的優點，暫選57BYG4504型的步進電動機。其具體參數如下：型號步距角相數驅動電壓(V)相電流(A)保持轉矩(N.M)空載啟動頻率(步/秒)空載運行頻率(千步/秒)轉動慣量相電感(mH)重量(Kg)57BYG45040.9/1.82/4361.51.41200 200.461.671.1步距角 =0.9，相數選擇4相。滾

4、珠絲杠初選導程 的滾珠絲杠，型號為1604-2。根據傳動比計算公式：傳動比為1時，直接用聯軸器將電機和絲杠直接連接，有利于簡化結構，提高精度。2.2 傳動系統等效轉矩慣量計算傳動系統的轉動慣量是一種慣性負載，選用電機時必須加以考慮。由于傳動系統的各傳動部件并不都是與電機軸同軸線，還存在各轉動部件轉動慣量向電機軸的折算問題。最后，要計算整個傳動系統折算到電機軸上的總轉動慣量，即傳動系統等效轉動慣量。各部件的等效轉動慣量如下：2.2.1 電機等效轉動慣量2.2.2 聯軸器等效轉動慣量其中聯軸器直徑 ，長度2.2.3 滾珠絲杠等效轉動慣量其中絲杠直徑，初步估計絲杠長度。2.2.4 工作臺等效轉動慣量

5、工作臺估計體積 ，則其質量 由于除工作臺以外還有其他，例如導軌，電機等因數，故取2.2.5 傳動系統總的轉動慣量 2.3 工作載荷分析及計算2.3.1 銑削力的分析與計算銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉，進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給（鍵槽銑刀可沿軸線進給）。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。圓柱銑刀和端銑刀的且學部分都可看做車道到頭的演變，銑刀的每一刀齒相當于一把車刀。通常假定銑削時銑刀受到的銑削力是作用在刀尖的某點上。設刀齒上受到切削力的合理為F，將F沿銑刀軸線、徑向和切向經行分解，則分別為軸向銑削力 ，徑向銑削力 和切向銑削力 。其中切向

6、銑削力 是沿銑刀主運動方向的分離，它消耗銑床電機功率（即銑削功率）最多。根據機械制造技術基礎課程設計指導教程選銑刀。由表316，根據最大銑刀直徑d20mm，最大銑削寬度，最大銑削深度選擇莫氏錐柄立銑刀，立銑刀各參數如下：直徑范圍推薦直徑齒數標準系列標準系列粗齒中齒細齒1923.6202238123346140由表511 高速鋼立銑刀銑平面的銑削進給量中選取 ，選定銑刀轉速，切削力公式中銑削力系數，因此銑削力為：2.3.2 進給工作臺工作載荷計算作用在工作臺上的合力與銑刀刀齒上受到的銑削力的合力F大小相同，方向相反，合力就是設計和校核工作臺進給系統時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運動方向

7、分解為三個力：工作臺縱向進給力方向載荷，工作臺橫向進給方向載荷和工作臺垂直進給方向載荷。工作臺工作載荷、和與銑刀的切向銑削力之間有一定的經驗比值。因此，求出后，即可計算出工作臺的計算載荷、和。2.4 滾珠絲杠螺母副的選型和校核2.4.1 滾珠絲杠螺母副類型選擇選用內循環，墊片式預緊方式的滾珠絲杠螺母副。預選G.GD系列的1604-2絲杠，表面硬度5864HRC。其參數具體如下：規格代號公稱直徑公稱導程滾珠直徑螺旋升角循環列數額定動載荷額定靜載荷接觸剛度1604-21642.523.46.52952.4.2 滾珠絲杠螺母副的校核2.4.2.1 最大工作載荷滾珠絲杠上的工作載荷 是指滾珠絲杠副在驅

8、動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。綜合導軌的工作載荷，式中：，分別為工作臺進給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷（N）；G為移動部件的重力（N）；K和分別為考慮顛覆力矩影響的實驗系數和導軌上的摩擦系數，隨導軌形式的不同。對于綜合導軌，如果是滾動導軌時，現取因此有，2.4.2.2 最大動負載C的計算及主要尺寸初選滾動絲杠最大動載荷C可用下式計算：，式中：L為工作壽命，單位為，；n為絲杠轉速，；v為最大切削力條件下的進給速度，為所預選的滾珠絲杠的導程，待剛度驗算后再確定；t為額定使用壽命（h），可取t=150

9、00h；為運轉狀態系數，無沖擊取11.2，一般情況取1.21.5，有沖擊振動取1.52.5；為滾珠絲杠工作載荷（N）。初選滾珠絲杠副的尺寸規格，相應的個定動載荷不得小于最大動載荷C；。其中：，那么，其中，因為，所以所選滾珠絲杠螺母副符合最大動載荷要求。2.4.2.2 傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為2.4.2.3 剛度驗算滾珠絲杠計算滿載時拉壓形量其中L取400mm，滾珠與螺紋滾道間的接觸變形其中：，滾珠絲杠副剛度驗算：絲杠的總變形量應小于允許的變形量。一般不應大于機床進給系統規定的定位精度值的一半。或者，由絲杠精度等級查出規定長度上允許的螺距誤差，則相應長度上的變形量應該比它曉。否則，

10、應考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲杠。機床的定位精度為0.04mm，。因此所選的滾珠絲杠副剛度符合要求。2.4.2.4 壓桿穩定性驗算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩定而產生縱向屈曲，即失去穩定。失穩時的載荷載荷為其中，（絲杠承載方式系數，選用一端固定，一端簡支方式），I為截面慣量距，臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩定性安全系數，如果大于需用穩定安全系數，則該滾珠絲杠就不會失穩。因此，滾珠絲杠的壓桿穩定條件為：因此，所選滾珠絲杠符合穩定性要求。2.5 導軌的選型和計算初選GDA20滾動導軌，額定動載荷。滾動導軌副的距離壽命的計算：當導軌面的硬度為5864HRC

11、時，；當工作溫度不超過100C時，；為接觸系數，每根導軌條上裝兩個滑塊時；為載荷/速度系數，無沖擊振動，取1.3；F為每個滑塊上的工作載荷，因此選用的導軌滿足要求。2.6 驅動電機的選擇2.6.1 步距角的選擇查表初選步距角2.6.2 步進電機輸出轉矩的選擇2.6.2.1 空載啟動力矩（1） 加速度力矩運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間 (2) 空載摩擦力矩式中，G為移動部件的總重量（N）；為導軌摩擦系數；為齒輪傳動降速比；為傳動系數總效率；為滾珠絲杠的基本導程（cm）。（3） 附加摩擦力距式中，為滾珠絲杠預加載荷，即預緊力，一般取的的；為進給牽引力（N）；為滾珠絲杠未預緊時的傳動

12、效率。（4） 空載啟動轉矩計算按照計算出的空載啟動轉矩，查表2-17得出最大靜轉矩2.6.2.2 帶負載啟動時的總負載轉矩（1） 加速度力矩運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間 （2） 空載摩擦力矩 （3） 附加摩擦力距 （4） 作用在工作臺的合理折算到電機上的轉矩（5） 帶負載啟動時的總負載轉矩運動部件正常運行時所需的最大靜轉矩2.6.2.3 按照和中的較大者選取步進電機的最大靜轉矩，并要求，因此選用57BYG4504步進電機可以符合要求。2.6.3 啟動距頻特性校核(1) 快進運行距頻特性校核最高運行頻率快進力矩查57BYG4504的運行距頻特性，所對應的運行距頻大于5000Hz

13、(2) 工進運行距頻特性校核工進時步進電機的運行頻率摩擦力矩工作負載力矩折算到電機上的力矩工進時電機運行力矩查57BYG4504的運行頻率，當時，；所以2.6.4 驗算慣量匹配電動機軸上的總當量負載轉矩慣量與電機軸自身轉動慣量的比值應該控制在一定的范圍內，既不應太大，也不應太少，即伺服系統的動態特性主要取決于負載特性，由于工作條件的變化而引起的負載質量、剛度、阻尼等的變化，將導致系統動態特性也隨之產生較大變化，使伺服系統綜合性能變差，或給控制系統設計造成困難。如果該比值太小，說明電動機選擇或傳動比設計不太合理，經濟性較差。為使該系統慣量達到較合理的匹配，一般應將比值控制在之間。由此可見，符合慣

14、量匹配要求。經過以上討論，選用57BYG4504混合式步進電動機可以滿足要求。由于Y方向與X方向的要求相差不多，可以選用同樣的絲杠，導軌，電機經過以上計算，選用的零件以下列表：滾珠絲杠滾動導軌混合式步進電機X方向G.GD系列1604-2GDA20滾動導軌57BYG4504Y方向G.GD系列1604-2GDA20滾動導軌57BYG4504第三章 控制系統設計3.1 控制系統硬件的基本組成3.1.1 微處理器選擇在以單片機為核心的控制系統中，大多數采用MCS-51系列單片機的8031芯片，經過擴展存儲器、接口和面板操作開關等，組成功能較完善、抗干擾性能較強的控制系統。8031內部包含一個8位CPU

15、，128字節的RAM，兩個16位的定時器，四個8位并行口，一個全雙工串行口，可擴展的程序和數據存儲器各64K，有5個中斷源。3.1.2 系統擴展系統中采用鍵盤實現輸入，并采用LED顯示器，它們均需要占用較多芯片口線，所以該系統需要進行系統擴展。可編程并行接口8255A是一種應用廣泛的并行接口擴展器件。它具有三個8位并行口PA、PB、PC，由此提供了24條口線。圖3-1 擴展連線3.1.3 顯示模塊與鍵盤連接如圖3-2，通過P1口及譯碼器的鍵盤和顯示接口電路。這里由P1口的準雙向口功能可以實現一口多用。首先，使P1口的低4位輸出字形代碼；P1口的高4位輸出一個位掃描字，經38譯碼器后顯示某一位，

16、并持續1ms。各位掃描一遍之后，關掉顯示。其次，使P1口的高4位轉為輸入方式，使P1口的低4位輸出鍵掃描信號，有鍵按下時，轉入鍵譯碼和處理程序。圖32 通過P1口及譯碼器的鍵盤和顯示接口電路3.1.4 步進電機驅動電路設計步進電機的驅動電路設計主要涉及脈沖分配器的選擇問題和驅動電路的選擇問題。時下脈沖分配器主要有兩種：一種是硬件脈沖分配器（國內主要有YB系列），另外一種是軟件脈沖分配器。軟件脈沖分配器不需要額外的電路，相應的降低了系統的成本，雖然這種方法占用了一定的計算機運行時間，但是在該設備中計算機有足夠的資源來擔當脈沖分配任務。該系統采用軟件來進行脈沖分配更為合理。單片機與步進電機的接口電

17、路如圖33。圖33 單片機與步進電機的接口電路3.2 接口程序初始化及步進電機控制程序3.2.1 8255A初始化程序INTT: MOV DX, 8255A控制端口MOV AL, 86HOUT DX, ALMOV AL, 05HOUT DX, AL3.2.2 40H類型中斷服務程序MOV DX, 8255AIN AL, DXIRET3.2.3 步進電機驅動程序3.2.3.1 電機的控制電路原理及控制字節拍通電相控制字正轉反轉二進制十六進制18A01H27AB03H36B02H45BC06H54C04H63CA05H設電機總的運行步數放在R4，轉向標志存放在程序狀態寄存器用戶標志位F1（D5）中

18、，當F1為0時，電機正轉，為1時則反轉。正轉時P1端口的輸出控制字01H,03H,02H,06H,04H,05H存放在片內數據存儲單元20H27H中，28H中存放結束標志00H，在29H2EH的存儲單元內反轉時P1端口的輸出控制字01H,05H,04H,06H,02H,03H,在2DH單元內存放結束標志00H。3.2.3.2 電機正反轉及轉速控制程序PUSH A ；保護現場MOV R4, #N ；設步長計數器CLR C；ORL C, D5H ；轉向標志為1轉移JC ROTE；MOV R0, #20 ；正轉控制字首址指針AJMP LOOP；ROTE: MOV R0, #27H ；反轉控制字首地址

19、LOOP: MOV A, R0；MOV P1, A ；輸出控制字ACALL DELAY ；延時INC R0 ；指針加1MOV A, #00H；ORL A, R0；JZ TRL；LOOP1: DJNZ R4, LOOP ；步數步為0轉移POP A ；恢復現場RET； ;返回TPL: MOV A, R0；CLR A；SUBB A, #06H；MOV R0, A；恢復控制字首指針AJMP LOOP1；DELAY: MOV R2, #M；DELAY1: MOV A, #M1；LOOP: DEC A；JNZ LOOP；DJNZ R2, DELAY1；RET；3.3 直線圓弧插補程序設計在機電設備中，執行

20、部件如要實現平面斜線和圓弧曲線的路徑運動，必須通過兩個方向運動的合成來完成。在數控機床中，這是由X、Y兩個方向運動的工作臺，按照插補控制原理實現的。3.3.1 直線插補程序的設計3.3.1.1 用逐點比較法進行直線插補計算，每走一步，都需要以下四個步驟：偏差判別：判別偏差或，從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算公式。坐標進給：根據直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進給。偏差計算：進給一步后，計算新的加工偏差。終點判別：進給一步后，終點計算器減1.若為0，表示到達終點停止插補；不為0，則返回到第一步繼續插補。終點計算判別可用兩個方向坐標值來判斷，也可由一個方向的坐標

21、值來判斷。當，可用X方向走的總步數作為終點判別的依據，如動點X等于終點則停止。當，則用Y方向走的總步數作為終點判別的依據。由此，第一象限直線插補程序的算法如圖：3.3.1.2 程序設計設計程序時，在RAM數據區分別存放終點坐標值、，動點坐標值X,Y，偏差。對8位機，一般可用2字節，而行程較大時則需用3字節或4字節才能滿足長度和精度要求。此外，所有的數據區必須進行初始化，如設置初始值、X、Y向步進電機初態（控制字）。插補程序所用的內存單元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXY電機正反轉控制字電機正反轉控制字為：D0D1D2D3D4D5D6D7D1D0為X向電機控制位。D0=1運行，D0=

22、0停止；D1=1正轉，D1=0反轉。D2D3為Y向電機控制位。D2=1運行，D2=0停止；D3=1正轉，D3=0反轉。第一象限直線插補的程序如下：ORG 2000HMAIN: MOV SP, #60H;LP4: MOV 28H,#0C8H; MOV 29H,#0C8H; MOV 2AH,#00H; X MOV 2BH,#00H; Y MOV 2EH,#00H; F MOV 70H,#0AH; LP3: MOV A,2EH; JB ACC.7,LP1 MOV A,70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H,A; LCALL MOTR; LCALL DELAY; MOV A,

23、2EH;SUBB A,29H;INC 2AH;AJMP LP2;LP1: MOV A,70H STEB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A,2EH ADD A,28HLP2: MOV 2EH,A MOV A,28H CJME A,2AH,LP3 RET程序中MOTR為步進電機的控制子程序。3.3.2 圓弧插補程序的設計3.3.2.1 逐點比較法逐點比較法的圓弧的插補計算過程和直線插補過程基本相同，也分為偏差判別、坐標進給、偏差計算和終點判別四個步驟。不同點在于：（1）偏差計算公式步進與前一點偏差有關，還與前一點的坐標有關，在計算偏差的同時要

24、進行坐標計算。（2）終點的判別是以一個方向的坐標值與終點坐標值相比較判斷其是否相等為判據。若，則以X是否等于作為終點判據；若，則以Y是否等于作為終點判據。第一象限逆圓弧插補程序算法如圖：3.3.2.2 程序設計和直線插補程序設計一樣，也在內存中開辟存儲單元用以存放有關數據。在RAM數據區分別存放懂點坐標X和Y，其初始值為起點坐標值，其后依據坐標計算結果而變化，存放終點坐標值，以及存放偏差飛存儲單元。第一象限逆圓弧插補程序如下： XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H L EQU 1AH H EQU 1BH L EQU 2AH H EQU 2BH

25、FL EQU 2CH FH EQU 2DHORG 2400HMAIN: MOV SP,#60H; MOV 70H,#08H; MOV XL,#80H;XL MOV XH,#0CH;XH MOV L,#80H; L MOV H,#0CH; H MOV L,#00H; L MOV H,#00H; H MOV YL,#00H; YL MOV YH,#00H; YH MOV FL,#00H; FL MOV FH,#00H; FHLP3: MOV A,FH JNB ACC.7,LP1 MOV A,70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR MOV R1,#28H MOV R0,#1CH MOV R7,#02H LCALL MULT2ADD: CLR C MOV A,FL ADDC A,1CH MOV FL,A MOV A,FH ADDC A,1DH MOV FH,A CLR C MOV A,YL ADD A,#01H MOV 28H,A MOV A,YH ADDC A,#OOH MOV Y