此文檔收集于網絡，如有侵權，請聯系網站刪除攀枝花學院Panzhihua University 課程設計（說明書）立式銑床使用的X-Y兩軸控制的數控平臺院 （系）： 機械學院 專 業： 機械設計制造及其自動化 班 級： 二班 學生姓名： 學 號: 指導老師： 職 稱： 教 授 2016 年 12月 18 日此文檔僅供學習與交流攀枝花學院本科學生課程設計任務書題目立式數控銑床X-Y數控工作臺機電系統設計設1、課程設計的目的學生在完成各綜合課程學習的基礎上，運用所學的電氣、PLC控制知識，組合機床知識，獨立完成立式數控銑床X-Y數控工作臺機電系統設計設計任務；從而使學生在完成立式數控銑床X-Y數控工作臺機電系統設計過程中，強化數控機床相關知識的。能夠對學生起到加深機電一體化設計及PLC控制理論的掌握和強化實際運用能力的鍛煉。2、課程設計的內容和要求（包括原始數據、技術要求、工作要求等）1、 元件選型、繪制立式數控銑床X-Y數控工作臺機裝配圖2、 完成PLC接口地址分配、外圍線路、繪制I/O圖。3、 編寫設計（實習）說明書3、主要參考文獻 【1】尹志強 機電一體化系統設計課程設計指導書【2】楊建明. 數控加工工藝與編程北京：北京理工大學出版社，2009.【3】李洪 . 機床設計手冊北京：遼寧科學技術出版社，1999.4、課程設計工作進度計劃內容學時總體方案的確定3機床傳動部件與選型3步進電機減速箱的選用4步進電機的選型與計算3電氣原理分析4工作臺裝配圖繪制10合計3周指導教師（簽字）日期年 月 日教研室意見：年 月 日學生（簽字）： 接受任務時間： 2016年 11月 28日課程設計（論文）指導教師成績評定表題目名稱立式數控銑床X-Y數控工作臺機電系統設計設評分項目分值得分評價內涵工作表現20%01學習態度6遵守各項紀律，工作刻苦努力，具有良好的科學工作態度。02科學實踐、調研7通過實驗、試驗、查閱文獻、深入生產實踐等渠道獲取與課程設計有關的材料。03課題工作量7按期圓滿完成規定的任務，工作量飽滿。能力水平35%04綜合運用知識的能力10能運用所學知識和技能去發現與解決實際問題，能正確處理實驗數據，能對課題進行理論分析，得出有價值的結論。05應用文獻的能力5能獨立查閱相關文獻和從事其他調研；能提出并較好地論述課題的實施方案；有收集、加工各種信息及獲取新知識的能力。06設計（實驗）能力，方案的設計能力5能正確設計實驗方案，獨立進行裝置安裝、調試、操作等實驗工作，數據正確、可靠；研究思路清晰、完整。07計算及計算機應用能力5具有較強的數據運算與處理能力；能運用計算機進行資料搜集、加工、處理和輔助設計等。08對計算或實驗結果的分析能力（綜合分析能力、技術經濟分析能力）10具有較強的數據收集、分析、處理、綜合的能力。成果質量45%09插圖（或圖紙）質量、篇幅、設計（論文）規范化程度5符合本專業相關規范或規定要求；規范化符合本文件第五條要求。10設計說明書（論文）質量30綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結論嚴謹合理；實驗正確，分析處理科學。11創新10對前人工作有改進或突破，或有獨特見解。成績指導教師評語指導教師簽名： 年月日摘要X-Y數控工作臺是是指能分別沿著X 向和Y向移動的工作臺，是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車床的縱橫向進刀機構、數控銑床和數控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。模塊化的X-Y數控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構成。其中伺服電動機做執行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可。控制系統根據需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統。載實1通過該實驗使同學們深刻了解所使用的可逆寄存器微分SFTR指令和可逆寄存器SFTR指令的共同點都是具有控制數據左、右移動功能;而其不同處是應該注意到使用可逆寄存器SFTR指令時，要加前沿微分DIFU( 013)指令而可逆寄存器微分SFTR是不需要的。 實驗所用的電動機容量為0. 25kW，采用直接啟磯3臺電動機每臺可逆順序啟動的時間間隔為2秋3臺電動機首先正轉順序啟動，啟動結束轉為正常運布錄正常運行的時間定為10秒，停止時間定為5秋3臺電動機再反轉順序啟動，啟動結束轉為正常運布錄正常運行的時間定為10秒，停止時間定為5秋實驗要求按照上述順序反復運標實驗所使用的PLC為OMRON- CPM2A-CDR- A型機關鍵詞 X-Y數控工作臺，數控銑床AbstractCNC XY table are mean to each along X and Y to move to the table, electromechanical integration equipment, many basic components, such as vertical CNC lathe - lateral feed body,CNC milling and CNC drilling machine XY work Taiwan, laser processing equipment, workstations, electronic components surface mount equipment. Modular CNC XY table, usually by rail seat, move the slider, work, ball screw pair, and the servo motor and other component parts. One servo motor to drive the ball screw actuator to do, the ball screw drive and work platform slide rail movement, complete table in the X, Y direction of the straight line movement. Guideways, ball screw pair and servo motors etc., shall be standardized by the specialized manufacturers, design can be selected only according to work load. Control system as needed, you can select a computer using a standard job control, you can design a dedicated computer control system.Keywords XY table ， CNC milling tools目錄摘要IAbstractII1 設計任務12 設計主要步驟22.1 確定設計總方案22.1.1 機械傳動部件的選擇22.2.2 控制系統的設計33 機械傳動部件的計算與選型43.1工作臺外形尺寸及重量初步估算43.2 計算切削力53.3 直線滾動導軌副的計算與選型63.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型64 步進電動機的計算與選型94.1步進電機的相關計算及校核94.1.1計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量94.1.2計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩104.1.3最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩114.1.4步進電動機最大靜轉矩的選定114.1.5步進電動機的性能校核114.2步進電動機驅動電源的選用134.3確定聯軸器的型號144.4增量式旋轉編碼器的選用145 電氣原理圖設計155.1典型數控工作臺電氣原理155.2單片機的選擇155.3外部程序存儲器的擴展165.4外部數據存儲器的擴展165.5 I/O口擴展電路165.6 顯示器接口設計165.7 鍵盤接口電路設計175.8 步進電機的接口電路設計176 工作臺控制系統的設計186.1 進給控制原理框圖186.2驅動系統186.3 步進電機驅動電路和工作原理186.4 驅動電路的時間常數196.5 電源電路的確定206.6 元器件的確定20 7 機械部分裝配圖的繪制22總結23參考文獻241 設計任務題目：立式銑床使用的X-Y兩軸控制的數控平臺設計任務：設計一種供立式銑床使用的X-Y兩軸控制的數控平臺，平臺的主要參數如下：1 最大銑削寬度 13mm2 最大背吃刀量 7mm3工作臺進給最大移動速度 Vxf=Vyf=550mm/min4工作臺空載最大移動速度 Vx0=Vy0=3500mm/min5加工范圍 300mmX330mm6工作臺面尺寸 280mmX320mm7定位精度 取0.012 設計主要步驟2.1 確定設計總方案2.1.1 機械傳動部件的選擇 （1）導軌副的選用 要設計的數控銑床X-Y工作臺，是輕型立式數控銑床的，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優點。 （2）絲杠螺母副的選擇步進電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，題目擬取定位精度為0.01，滑動絲杠副無法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態響應快、運轉平穩、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。同時選用內循環的形式，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸結構緊湊，軸向剛度高。（3）伺服電機的選用選用步進電動機作為伺服電動機，可選開環控制，也可選閉環控制。任務書未給出精度，這里取脈沖當量為0.005mm/脈沖，取得脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也沒有達到微米級，空載最快運動速度只有3500mm/min。故本設計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用一些性能較好的步進電機，如混合式步進電機，以降低成本，提高性價比（4）減速裝置的選用選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構，本設計選用無間隙齒輪傳動減速箱。（5）檢測裝置的選用選用步進電機作為伺服驅動電機以后，可選擇開環控制，也可以選擇閉環控制。為了確保電動機在運轉過程中不受切削負載的英系那個而失步，決定采用半閉環控制，擬在電動機尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨率應與不僅電動機的步距角相匹配。 2.2.2 控制系統的設計（1） 設計的X-Y工作臺準備用在數控銑床上，其控制系統應該具有輪廓控制，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統設計成連續控制型。（2）對于步進電動機的開環控制系統，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統的CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。（3）要設計一臺完整的控制系統，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，I/O接口電路，D/A轉換電路，串行接口電路等。（4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。3 機械傳動部件的計算與選型3.1工作臺外形尺寸及重量初步估算 根據給定有效行程，估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。X-Y工作臺如圖3-1所示： 圖 3-1 X-Y工作臺X向拖板(上拖板)尺寸為: 長*寬*高=620 x 320 x 40 重量:按重量=體積*材料比重估算為: = N=619N （3-1）Y向拖板(下拖板)尺寸為: 長*寬*高=重量=N=594N （3-2）上導軌(含電機)估算重量為：240N夾具及工件重量:150NX-Y工作臺運動部分總重量為:619N+594N+240N+150N=1600N （3-3）按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為1600N。3.2 計算切削力由于零件的加工方式為立銑，設采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由參考文獻【1】表3-7查得立銑時的銑削力計算公式如下： （3-4）今設選銑刀直徑d=15mm，齒數Z=3，為計算最大銑削力，任務給出最大銑削寬度ae=15mm，最大背吃刀量ap=7mm。 工件材料為碳素鋼。由參考文獻【2】中P13頁，可知d=15mm的硬質合金立銑刀最大的切削參數如下：每齒進給量fz=0.1mm銑刀轉速n=300r/min將各參數代如 （3-5）采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由參考文獻【1】表3-5中查得，各銑削力之間的比值范圍如下：=(1.01.2) 取1.1/=(0.20.3) 取0.25/=（0.350.4） 取0.38 考慮逆銑時的情況，因為逆銑的情況的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險的工況。由此可估算三個方向的銑削力分別為： （與絲杠軸線平行） （與工作臺面垂直） （與絲杠軸線垂直）考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力Fz，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則縱向銑削力Fx，徑向銑削力為Fy。 3.3 直線滾動導軌副的計算與選型 （1）工作載荷的計算 工作載荷是影響導軌副壽命的重要因素，對于水平布置的十字工作臺多采用雙導軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： （3-6）其中，移動部件重量G=1600N,外加載荷外加載荷代入式（3-6）得最大工作載荷。 查參考文獻【1】表3-41，根據工作載荷=0.7629KN。初選直線滾動導軌副型號KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷Ca=7.94KN，額定靜載荷Coa=9.5KN。 任務中規定工作臺面的尺寸為 280mmX320mm，加工范圍為300mmX330mm，考慮工作行程應留有一定余量，查參考文獻【1】表3-35，按標準系列，選取X方向導軌長度為580mm，Y方向導軌長度為640mm。（2） 距離額定壽命L的計算 上述選取的KL系列JSA-LG15型導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100攝氏度，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查參考文獻【1】表3-36-表3-40，分別取硬度系數、溫度系數、接觸系數、精度系數、載荷系數，代入公式（3-7）得 （3-7）遠大于期望值50KM，故距離額定壽命滿足要求。3.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 （1）最大工作載荷的計算如前所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷Fx=1050.5N，受到橫向載荷Fy=238.8N，受到垂直方向的載荷Fz=362.9N。已知移動部件總質量G=1600N，按矩形導軌計算，查參考文獻【1】表3-29，取顛覆力矩影響系數K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數u=0.005.求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： =1.11050.5+0.005(238.8+362.9+1600) =1167N （3-8）（2) 最大計算動載荷的確定設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=550mm/min，初選絲杠導程P=5mm,則此時絲杠轉速=v/P=80r/min。預計滾珠絲杠的工作5年,每年算360天，每天工作8小時，由此得使用壽命為：T=5x360x8=14400h，代入公式，得出絲杠壽命系數。查參考文獻【1】表3-30，受中等沖擊載荷取值范圍，現取，滾道硬度為60HRC時，硬度影響系數取值，代入下式得： （3-9）（3）規格型號的初選根據計算出的最大動載荷和初選絲杠的導程，查參考文獻【1】表3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為內循環固定反向器單螺母式，七公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環滾珠為3圈x1列，精度等級取5級，螺母安裝尺寸L=80mm，額定動載荷為9309N，大于最大計算動載荷 =5744N，滿足要求。 表3-1滾珠絲杠螺母副幾何參數 （單位mm）名 稱符 號計算公式和結果 絲杠滾道公稱直徑20螺距P5接觸角鋼球直徑3.175螺紋滾道法面半徑偏心距螺紋升角絲桿絲杠外徑19.3絲杠底徑螺桿接觸直徑絲杠螺母螺母螺紋外徑螺母內徑（內循環）（4）傳動效率計算 將公稱直徑d0=20mm，導程Ph=5mm，代入= arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=。將摩擦角=10，代入=tan / tan(+)，得傳動效率 =96.4%。（5） 剛度驗算1）X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量E2.1x Mpa；查表，得滾珠直徑=3.175mm，絲杠底徑=16.2 mm，絲杠截面積S= /4=206.12mm2。得絲杠在工作載荷Fm作用下產生的拉/壓變形量1=Fma/（ES）=1779500/（2.1 206.12） mm 0.0205 mm。 （3-10）2）根據公式 Z( )-3,求得單圈滾珠數Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數列數為31，代入公：Z圈數列數，得滾珠總數量=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力 = /3=593 N，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 0.0026 mm。因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取=0.0013mm3）將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度500mm）0.0218 mm=21.8m。由參考文獻【1】表3-27知,5級精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時，行程偏差允許達到25m，可見絲桿剛度足夠。4）壓桿穩定性校核根據公式計算失穩時的臨界載荷Fk。查參考文獻【1】表3-34，取支承系數=1；由絲杠底徑=16.2 mm，求得截面慣性矩 3380.88 mm；壓桿穩定安全系數K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值660mm，得臨界載荷 9343N，遠大于工作載荷=1050.5N，故絲杠不會失穩。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。4 步進電動機的計算與選型為了滿足脈沖當量的設計要求，增大步進電機的輸出轉矩，同時也為了使滾珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機轉軸上盡可能的小，今在步進電機的輸出軸安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進電動機的輸出軸與小齒輪聯接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯接。其中大齒輪設計成雙片結構，采用彈簧錯齒法消除側隙。4.1步進電機的相關計算及校核已知工作臺的脈沖當量=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠的導程=5 mm，初選步進電動機的步距角為0.75。根據參考文獻【1】p19 式3-12算的減速比：i=（0.75 ）/（360）=（0.75*5）/（360*0.005）=25/12 （4-1）本設計采用常州市新月機電有限公司生產的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數均為1，齒數比為75:36，材料為45鋼，齒表面淬火硬度大55HRC。減速箱中心距為55.5mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。4.1.1計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20 mm，總長l =320mm，導程5mm，材料密度 ；移動部件總重量G=800N;小齒輪寬度20mm，直徑=36 mm;大齒輪寬度20mm，直徑=75 mm；傳動比i =25/12。參照表，算得各個零部件的轉動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉動慣量=0.617，拖板折算到絲杠上的轉動慣=0.517，小齒輪的轉動慣量=0.259，大齒輪的轉動慣量=4.877 。初選步進電動機型號為90BYG2602，為兩相混合式，二相四拍驅動時步距角為0.75，查參考文獻【1】表4-5得電動機的轉動慣量=4kg則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為 ： = +(+)/=30.35 （4-2）4.1.2計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （4-3） 考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩： （4-4） 式中 對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位為r/min； 步進電動機由靜止到加速至轉速所需的時間，單位為s。 其中： （4-5）式中空載最快移動速度，任務書指定為3500mm/min； 步進電動機步距角，預選電動機為； 脈沖當量，本例=0.005mm/脈沖。將以上各值代入式4-5，算得nm=1458r/min。設步進電動機由靜止到加速至nm轉速所需時間=0.4s，傳動鏈總效率=0.7。則由式4-4，得：1.65（Nm）當移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： （4-6）式中-導軌摩擦系數，滾動導軌取0.005；-垂直方向的銑削力，空載時取0； -傳動總效率，取0.7則由式（4-6），得：0.004（Nm）最后由式（4-3），求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： = + 1.65N （4-7）4.1.3最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩 包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩Tt ；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩Tf ；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩T0，T0相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計。則有：= Tt + Tf （4-8） 在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷Fx=1050.5N ，則折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩Tt有： 0.57（Nm） （4-9）再計算垂直方向承受最大工作負載（Fz=362.9N）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩： = 0.005（Nm） （4-10）最后由式4-8，求得最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩為： = Tt + Tf = 0.575 Nm （4-11）經過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為： = max， = 1.65Nm4.1.4步進電動機最大靜轉矩的選定考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。本例中取安全系數K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： Tjmax 41.65 Nm =6.6 Nm （4-12） 上述初選的步進電動機型號為90BYG2602，查參考文獻【1】表4-5得該型號電動機的最大靜轉矩Tjmax = 6Nm 。因安全系數取得偏大，只比額定大0.6，所以，選取90BYG2602滿足（4-12）式的要求。4.1.5步進電動機的性能校核 （1）最快工進速度時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度=550mm/min，脈沖當量=0.005mm/脈沖，可求出電動機對應的運行頻率 =550/(600.005)Hz 1833Hz。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖4-1可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉矩5.7Nm，遠遠大于最大工作負載轉矩=0.575Nm，滿足要求。 圖4-1 90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線（2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度=3500mm/min，可求出電動機對應的運行頻率=3500/（600.005）Hz =116667Hz。在此頻率下，電動機的輸出轉矩=1.8 Nm，大于快速空載起動時的負載轉矩= 1.65Nm，滿足要求。（3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速度=3500mm/min對應的電動機運行頻率=11666Hz。查參考文獻【1】表4-5知90BYG2602電動機的極限運行頻率為20000Hz，可見沒有超出上限。（4）起動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq=30.35電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的最高起動頻率=1800Hz（查參考文獻【1】表4-5）。可求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率：=614Hz上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于614Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。 綜上所述，本例中工作臺的進給傳動選用90BYG2602步進電動機，完全滿足設計要求。4.2步進電動機驅動電源的選用本設計中X、Y向步進電動機均為90BYG2602型，查表，選擇與之配套的驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓100V AC，相電流4A，分配方式為二相八拍。該驅動電源與控制器的接線方式如圖4-2所示。 圖4-2 BD28Nb驅動電源的接線圖4.3確定聯軸器的型號由于數控平臺有沖擊，且電動機工作時經常變速，故選用撓性聯軸器。查參考文獻【1】表3-43 選用A23型聯軸器。 計算聯軸器的轉矩： 由估算功率摩擦力作用很小，可忽略： 小于聯軸器的允許轉矩，且工作速度遠小于允許最高轉速25000。故滿足要求。4.4增量式旋轉編碼器的選用本設計所選步進電動機采用半閉環控制，可在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨率應與步進電動機的步距角相匹配。由步進電動機的步距角=，可知電動機轉動一轉時，需要控制系統發出360/=480個步進脈沖。考慮到增量式旋轉編碼器輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分，因此，編碼器的分辨率可選120線。這樣控制系統每發一個步進脈沖，電動機轉過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。 本設計選擇編碼器的型號為：ZLK-A-120-05VO-10-H：盤狀空心型，孔徑 10mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每轉輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出5 電氣原理圖設計5.1典型數控工作臺電氣原理單片機是把微型計算機的主要部分都集成在一個芯片上的單芯片微型計算機,因而可以把它看成是一個不帶外部設備的微型計算機。不同系列的單片機共同的特點是：控制功能強；體積小；功耗低；成本低。由于上述優越性能，單片機已在工業、民用、軍用等工業控制領域得到廣泛應用，特別是隨著數字技術的發展，它在很大程度上改變了傳統的設計方法。在軟件和擴展接口支持下，單片機可以代替以往由模擬和數字電路實現的系統。如電氣原理圖所示的就是通過單片機及其外圍接口實現的二坐標數控工作臺電氣原理圖。它由8031型單片機、數據鎖存器74LS373、存儲器EPROM2764、RAM6264、地址譯碼器74LS138、并行I/O接口8255等集成電路構成。下面分別說明它們在整個控制部分中的功能、用法及其選擇原則。5.2單片機的選擇設隨著微電子技術水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發展。單片機的型號很多，而目前市場上應用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應用最廣的8位單片機89C51，價格低廉，而性能優良，功能強大。在一些復雜的系統中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應用于伺服系統，變頻調速等各類要求實時處理的控制系統，它具有較強的運算和擴展能力。但是定位合理的單片機可以節約資源，獲得較高的性價比。計單片機應用系統，首先要設計其核心的單片機系統。從一開始就有一個單片機芯片選型問題。面對不同字長，如4位、8位、16位，各具特色的單片機芯片如何進行選擇呢？首先要滿足所設計系統的功能和性能要求；其次要選擇價格較低的芯片，不要盲目追求過多功能和過高性能；另外要選擇那些在國內有成熟的開發系統和穩定的供貨來源。如采用流行普遍使用的芯片，資料豐富，能有效地縮短開發周期。本課程設計目的是設計一種經濟型的二坐標數控工作臺，其功能比較簡單，成本低。因而這里選用MCS-51系列的8031單片機作為CPU，它具有良好的性能價格比，且易擴展。5.3外部程序存儲器的擴展 MCS-51的程序存儲器空間為64K字節。對于片內無ROM的單片機（如8031），或當單片機內部程序存儲器容量不夠時，進行程序存儲器的擴展是必不可缺的。半導體存儲器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作單片機的外部程序存儲器。由于EPROM價格低廉，性能可靠，所以單片機外部擴展的程序存儲器一般為EPROM芯片（紫外線可擦除、電可編程的只讀存儲器），掉電后信息不會丟失。在選擇外部程序存儲器電路時，應注意電路的讀取時間能否與MCS-51的PESN信號匹配。其片選端接地。 由于本設計程序容量不大，因而選用2764作為外部程序存儲器。5.4外部數據存儲器的擴展 對大多數控制性應用場合，MCS-51系列單片機內部RAM已能滿足系統對數據存儲的要求。對需要較大容量數據緩沖器的應用系統，就需要在單片機的外部擴展數據存儲器。 在電氣原理圖中根據設計功能要求選用一片6264作為外部數據存儲器。圖中其高5位地址線A8A12由8031的P2.0P2.4口線提供，低8位地址線A0A7接地址鎖存器74LS373輸出端。讀、寫控制信號分別接8031的RD、WE。其片選信號通過地址譯碼法進行選通。5.5 I/O口擴展電路 本課程設計因采用步進電機作為驅動裝置。為了降低成本，特采用可編程外圍并行接口芯片8255。使其不僅完成驅動步進電機的功能，同時完成與鍵盤/顯示器的接口操作功能。5.6 顯示器接口設計 電氣原理圖中，由10片共陽極LED顯示塊拼成10位LED顯示器。為了簡化硬件電路，采用動態顯示方式。即所有位的段選線相應地并聯在一起，由8031的P1.0P1.7口來控制LED顯示器的段碼，而各位的位選線分別由相應的I/O口線控制。即PC0PC7、PB6PB7共10個I/O口線控制，實現各位的分時選通。為了保證各位LED能夠顯示出本位相應的顯示字符，而不出現閃爍，導致人眼看不清，必須根據人眼視覺暫留現象，選擇一個合適的掃描頻率。圖中選用74LS07進行同相驅動。5.7 鍵盤接口電路設計 鍵盤實質上是一組按鍵開關的集合。電氣原理圖中采用矩陣式鍵盤接口，鍵盤接口電路通過8255（U5）的PA0PA3和PC0PC7、PB6PB7構成行、列線。按照逐行逐列地檢查鍵盤狀態（即掃描）來確定閉合鍵的位置。5.8 步進電機的接口電路設計 對于本課程設計中選用的步進電機，為五相，無論它工作在什么方式，都需要五路控制電路，并且每一路對應于步進電機的一相。而每一路控制電路的結構是一樣的。 CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示： 圖5-1 CPU外部接口示意圖 8031要完成的任務：（1）將行程開關的狀態讀入CPU，通過中斷進行處理，它的優先級別最高。（2）通過程序實時控制電機的運行。 （3）接受鍵盤中斷指令，并響應指令，將當前行程開關狀態和鍵盤狀態反應到LED上，實現人機交互作用。 由于8031只有P1口和P3口是準雙向口，但P3口主要以第二功能為主，并且在系統中要用到第二功能的中斷口，因此要進行I/O擴展。考慮到電路的簡便性和可實現性，實際中采用內部自帶鎖存器的8155。電氣原理圖中通過8255（U5）的PB0PB4分別控制X方向步進電機的五相。對于Y軸步進電機通過8255（U6）的PC0PC4分別控制Y方向步進電機的五相。6 工作臺控制系統的設計6.1 進給控制原理框圖 圖6-1 6.2驅動系統傳動驅動部分包括步進電機的驅動和電磁鐵的驅動，步進電機須滿足快