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XY工作台直径32毫米说明书

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目录

第一章 系统的总体方案设计 ………………………………………… 2
第二章 机械系统设计 …………………………………………… 3
2.1 脉冲当量和传动比的确定……………………………………… 3
2。2 传动系统等效转矩惯量计算…………………………………… 3
2.3 工作载荷分析及计算…………………………………………… 4
2。4 滚珠丝杠螺母副的选型和校核………………………………… 5
2。5 导轨的选型和计算……………………………………………… 8
2.6 驱动电机的选择………………………………………………… 9
第三章 控制系统设计………………………………………………… 12
3。1 控制系统硬件的基本组成……………………………………… 12
3。2 接口程序初始化及步进电机控制程序………………………… 15
3。3 直线圆弧插补程序设计………………………………………… 16
参考文献 ………………………………………………………………… 23

原始数据
设计一个数控XY工作台及其控制系统.该工作台可安装在铣床上,用于铣削加工。设计参数如下：
最大铣刀直径
最大铣削宽度
最大铣削深度
加工材料
工作台加工范围（mm）
最大移动速度
32 mm
15 mm
6 mm
碳钢
X=450，Y=400
3 m/min

第一章 系统的总体方案设计

图1-1 系统总体方案
由设计任务书可知，本次设计可以采取一下方案：
1。1 机械系统
1.1.1 传动系统采用滚珠丝杠和联轴器传动
1。1.2 导向系统采用滚珠直线导轨
1.1。3 执行电机采用步进电动机
1.2 传感系统
本次设计的系统精度不高，载荷不大，因此采用开环控制。
1.3 控制系统
采用步进电机来实现驱动,一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系,电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精确度要求不是很高时,采用步进电机是合理的.当然，步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点.

图1-2开环控制流程图

第二章 机械系统设计
2.1 脉冲当量和传动比的确定
根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值.本次设计给定脉冲当量 为0.01mm。
根据脉冲当量和系统总体方案，还有混合式步进电动机的优点,暂选57BYG4504型的步进电动机。其具体参数如下：
型号
步距角
相数
驱动电压(V)
相电流（A）
保持转矩(N.M）
空载启动频率(步/秒）
空载运行频率（千步/秒)
转动惯量
相电感(mH)
重量(Kg)
57BYG4504
0.9/1.8°
2/4
36
1。5
1。4
1200
≥ 20
0.46
1。67
1。1
步距角 =0。9°，相数选择4相。滚珠丝杠初选导程 的滚珠丝杠,型号为1604-2.
根据传动比计算公式：

传动比为1时，直接用联轴器将电机和丝杠直接连接，有利于简化结构,提高精度.

2。2 传动系统等效转矩惯量计算
传动系统的转动惯量是一种惯性负载,选用电机时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都是与电机轴同轴线，还存在各转动部件转动惯量向电机轴的折算问题。最后,要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。
各部件的等效转动惯量如下：
2.2.1 电机等效转动惯量

2.2.2 联轴器等效转动惯量

其中联轴器直径 ,长度
2.2.3 滚珠丝杠等效转动惯量

其中丝杠直径，初步估计丝杠长度.
2.2.4 工作台等效转动惯量
工作台估计体积 ，则其质量
由于除工作台以外还有其他，例如导轨，电机等因数，故取

2.2.5 传动系统总的转动惯量

2.3 工作载荷分析及计算
2.3.1 铣削力的分析与计算
铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式.圆柱铣刀和端铣刀的且学部分都可看做车道到头的演变，铣刀的每一刀齿相当于一把车刀。
通常假定铣削时铣刀受到的铣削力是作用在刀尖的某点上。设刀齿上受到切削力的合理为F，将F沿铣刀轴线、径向和切向经行分解，则分别为轴向铣削力 ,径向铣削力 和切向铣削力 .其中切向铣削力 是沿铣刀主运动方向的分离，它消耗铣床电机功率（即铣削功率）最多。
根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》选铣刀。由表3－16，根据最大铣刀直径d＝20mm,最大铣削宽度，最大铣削深度选择莫氏锥柄立铣刀，立铣刀各参数如下：
直径范围
推荐直径

齿数
>

标准系列
标准系列
粗齿
中齿
细齿
19
23.6
20
22
38
123
3
4
6
140

由表5－11 高速钢立铣刀铣平面的铣削进给量中选取 ,选定铣刀转速
，切削力公式中铣削力系数，因此铣削力为：

2.3.2 进给工作台工作载荷计算
作用在工作台上的合力与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力F大小相同,方向相反，合力就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷,工作台横向进给方向载荷和工作台垂直进给方向载荷。
工作台工作载荷、和与铣刀的切向铣削力之间有一定的经验比值.因此，求出后,即可计算出工作台的计算载荷、和.

2.4 滚珠丝杠螺母副的选型和校核
2.4.1 滚珠丝杠螺母副类型选择
选用内循环，垫片式预紧方式的滚珠丝杠螺母副.预选G.GD系列的1604—2丝杠,表面硬度58～64HRC.

其参数具体如下：
规格代号
公称直径
公称导程
滚珠直径
螺旋升角
循环列数
额定动载荷
额定静载荷
接触刚度
1604—2
16
4
2.5

2
3。4
6.5
295

2.4.2 滚珠丝杠螺母副的校核
2.4.2.1 最大工作载荷
滚珠丝杠上的工作载荷 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力.它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。综合导轨的工作载荷，式中:，,分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N）；G为移动部件的重力（N）；K和分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，随导轨形式的不同。
对于综合导轨,如果是滚动导轨时,，现取
因此有，

2。4。2。2 最大动负载C的计算及主要尺寸初选
滚动丝杠最大动载荷C可用下式计算：，式中：L为工作寿命，单位为,；n为丝杠转速，；v为最大切削力条件下的进给速度，为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t为额定使用寿命（h）,可取t=15000h;为运转状态系数，无冲击取1～1。2，一般情况取1。2～1.5，有冲击振动取1。5~2.5；为滚珠丝杠工作载荷（N）.
初选滚珠丝杠副的尺寸规格,相应的个定动载荷不得小于最大动载荷C；。

其中：
，，
那么，

其中,
因为,所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。
2.4.2.2 传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率为

2.4.2.3 刚度验算
滚珠丝杠计算满载时拉压形量

其中L取400mm，，
滚珠与螺纹滚道间的接触变形

其中：,,,，
滚珠丝杠副刚度验算:
丝杠的总变形量应小于允许的变形量。一般不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。或者，由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它晓。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。
机床的定位精度为0.04mm，。因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。
2.4.2.4 压杆稳定性验算
滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷载荷为

其中，（丝杠承载方式系数，选用一端固定,一端简支方式)，I为截面惯量距,
临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于需用稳定安全系数，则该滚珠丝杠就不会失稳。因此，滚珠丝杠的压杆稳定条件为:

因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。
2.5 导轨的选型和计算
初选GDA20滚动导轨，额定动载荷.
滚动导轨副的距离寿命的计算：

当导轨面的硬度为58~64HRC时，；当工作温度不超过100°C时，；为接触系数,每根导轨条上装两个滑块时;为载荷/速度系数,无冲击振动，，取1。3;F为每个滑块上的工作载荷，
因此选用的导轨满足要求。

2.6 驱动电机的选择
2.6.1 步距角的选择
查表初选步距角
2.6.2 步进电机输出转矩的选择
2.6.2.1 空载启动力矩
（1） 加速度力矩

运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间

(2) 空载摩擦力矩

式中,G为移动部件的总重量（N）；为导轨摩擦系数；为齿轮传动降速比；为传动系数总效率;为滚珠丝杠的基本导程（cm）。
（3) 附加摩擦力距

式中,为滚珠丝杠预加载荷,即预紧力,一般取的的；为进给牵引力(N）；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率.
（4） 空载启动转矩计算

按照计算出的空载启动转矩，查表2-17得出最大静转矩
2.6.2.2 带负载启动时的总负载转矩
（1） 加速度力矩

运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间

（2） 空载摩擦力矩
（3） 附加摩擦力距
(4） 作用在工作台的合理折算到电机上的转矩

（5） 带负载启动时的总负载转矩

运动部件正常运行时所需的最大静转矩
2。6。2.3 按照和中的较大者选取步进电机的最大静转矩，并要求,
，因此选用57BYG4504步进电机可以符合要求.
2.6.3 启动距频特性校核
(1) 快进运行距频特性校核
最高运行频率
快进力矩
查57BYG4504的运行距频特性，所对应的运行距频大于5000Hz
(2) 工进运行距频特性校核
工进时步进电机的运行频率
摩擦力矩
工作负载力矩折算到电机上的力矩
工进时电机运行力矩
查57BYG4504的运行频率，当时，；所以
2.6.4 验算惯量匹配
电动机轴上的总当量负载转矩惯量与电机轴自身转动惯量的比值应该控制在一定的范围内，既不应太大，也不应太少，即伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件的变化而引起的负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难.如果该比值太小，说明电动机选择或传动比设计不太合理,经济性较差。为使该系统惯量达到较合理的匹配，一般应将比值控制在之间。

由此可见，，符合惯量匹配要求.
经过以上讨论，选用57BYG4504混合式步进电动机可以满足要求。
由于Y方向与X方向的要求相差不多，可以选用同样的丝杠，导轨，电机
经过以上计算，选用的零件以下列表:

滚珠丝杠
滚动导轨
混合式步进电机
X方向
G。GD系列1604-2
GDA20滚动导轨
57BYG4504
Y方向
G.GD系列1604—2
GDA20滚动导轨
57BYG4504

第三章 控制系统设计
3.1 控制系统硬件的基本组成
3。1。1 微处理器选择
在以单片机为核心的控制系统中，大多数采用MCS—51系列单片机的8031芯片，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统。8031内部包含一个8位CPU,128字节的RAM，两个16位的定时器，四个8位并行口，一个全双工串行口，可扩展的程序和数据存储器各64K,有5个中断源。

3。1。2 系统扩展
系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示器,它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统需要进行系统扩展.可编程并行接口8255A是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个8位并行口PA、PB、PC，由此提供了24条口线。

图3—1 扩展连线
3。1。3 显示模块与键盘连接
如图3—2，通过P1口及译码器的键盘和显示接口电路。这里由P1口的准双向口功能可以实现一口多用。
首先，使P1口的低4位输出字形代码;P1口的高4位输出一个位扫描字，经3-8译码器后显示某一位,并持续1ms.各位扫描一遍之后,关掉显示。
其次,使P1口的高4位转为输入方式，使P1口的低4位输出键扫描信号，有键按下时,转入键译码和处理程序。

图3—2 通过P1口及译码器的键盘和显示接口电路
3。1.4 步进电机驱动电路设计
步进电机的驱动电路设计主要涉及脉冲分配器的选择问题和驱动电路的选择问题.
时下脉冲分配器主要有两种：一种是硬件脉冲分配器（国内主要有YB系列），另外一种是软件脉冲分配器。软件脉冲分配器不需要额外的电路，相应的降低了系统的成本，虽然这种方法占用了一定的计算机运行时间，但是在该设备中计算机有足够的资源来担当脉冲分配任务。该系统采用软件来进行脉冲分配更为合理。单片机与步进电机的接口电路如图3—3。

图3—3 单片机与步进电机的接口电路
3.2 接口程序初始化及步进电机控制程序
3.2。1 8255A初始化程序
INTT: MOV DX， 8255A控制端口
MOV AL, 86H
OUT DX, AL
MOV AL， 05H
OUT DX， AL
3.2.2 40H类型中断服务程序
MOV DX， 8255A
IN AL, DX
IRET
3.2。3 步进电机驱动程序
3.2.3.1 电机的控制电路原理及控制字
节拍
通电相
控制字
正转
反转
二进制
十六进制
1
8
A
00000001
01H
2
7
AB
00000011
03H
3
6
B
00000010
02H
4
5
BC
00000110
06H
5
4
C
00000100
04H
6
3
CA
00000101
05H
设电机总的运行步数放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1（D5）中,当F1为0时,电机正转,为1时则反转.正转时P1端口的输出控制字01H,03H,02H,06H,04H，05H存放在片内数据存储单元20H～27H中，28H中存放结束标志00H，在29H~2EH的存储单元内反转时P1端口的输出控制字01H，05H,04H,06H,02H,03H,在2DH单元内存放结束标志00H。
3.2.3.2 电机正反转及转速控制程序
PUSH A ；保护现场
MOV R4， #N ；设步长计数器
CLR C；
ORL C, D5H ；转向标志为1转移
JC ROTE；
MOV R0， ＃20 ；正转控制字首址指针
AJMP LOOP;
ROTE: MOV R0, #27H ；反转控制字首地址
LOOP: MOV A， ＠R0；
MOV P1, A ;输出控制字
ACALL DELAY ；延时
INC R0 ；指针加1
MOV A, #00H；
ORL A, ＠R0；
JZ TRL；
LOOP1： DJNZ R4， LOOP ；步数步为0转移
POP A ；恢复现场
RET； ;返回
TPL： MOV A， R0;
CLR A;
SUBB A， ＃06H；
MOV R0， A；恢复控制字首指针
AJMP LOOP1；
DELAY: MOV R2， ＃M;
DELAY1: MOV A, ＃M1；
LOOP： DEC A；
JNZ LOOP；
DJNZ R2, DELAY1；
RET；

3.3 直线圆弧插补程序设计
在机电设备中，执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动,必须通过两个方向运动的合成来完成。在数控机床中，这是由X、Y两个方向运动的工作台，按照插补控制原理实现的。
3.3.1 直线插补程序的设计
3.3.1.1 用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步，都需要以下四个步骤：
偏差判别：判别偏差或，从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算公式.
坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X、+Y、—X、-Y的哪个方向进给。
偏差计算：进给一步后，计算新的加工偏差.
终点判别：进给一步后，终点计算器减1。若为0，表示到达终点停止插补;不为0，则返回到第一步继续插补。终点计算判别可用两个方向坐标值来判断，也可由一个方向的坐标值来判断.当，可用X方向走的总步数作为终点判别的依据，如动点X等于终点则停止。当，则用Y方向走的总步数作为终点判别的依据.
由此，第一象限直线插补程序的算法如图：

3.3.1.2 程序设计
设计程序时，在RAM数据区分别存放终点坐标值、,动点坐标值X,Y，偏差。对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求.此外，所有的数据区必须进行初始化，如设置初始值、X、Y向步进电机初态(控制字).
插补程序所用的内存单元如下：
28H
29H
2AH
2BH
2CH
70H

X
Y

电机正反转控制字
电机正反转控制字为:
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D1D0为X向电机控制位。D0=1运行，D0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。
D2D3为Y向电机控制位。D2=1运行,D2=0停止；D3=1正转,D3=0反转.

第一象限直线插补的程序如下：
ORG 2000H
MAIN: 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,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，28H
LP2： MOV 2EH,A
MOV A，28H
CJME A，2AH，LP3
RET
程序中MOTR为步进电机的控制子程序。
3.3.2 圆弧插补程序的设计
3.3.2.1 逐点比较法
逐点比较法的圆弧的插补计算过程和直线插补过程基本相同，也分为偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别四个步骤.不同点在于:(1）偏差计算公式步进与前一点偏差有关，还与前一点的坐标有关，在计算偏差的同时要进行坐标计算。（2）终点的判别是以一个方向的坐标值与终点坐标值相比较判断其是否相等为判据。若，则以X是否等于作为终点判据；若,则以Y是否等于作为终点判据.

第一象限逆圆弧插补程序算法如图：

3.3.2.2 程序设计
和直线插补程序设计一样，也在内存中开辟存储单元用以存放有关数据。在RAM数据区分别存放懂点坐标X和Y，其初始值为起点坐标值，其后依据坐标计算结果而变化，存放终点坐标值，以及存放偏差飞存储单元。第一象限逆圆弧插补程序如下：
XL EQU 18H
XH EQU 19H
YL EQU 28H
YH EQU 29H
L EQU 1AH
H EQU 1BH
L EQU 2AH
H EQU 2BH
FL EQU 2CH
FH EQU 2DH
ORG 2400H
MAIN： 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; FH
LP3： 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 MULT2
ADD: 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 YH,A
CLR C
MOV A，FL
ADD A,＃01H
MOV FL，A
MOV A,FL
ADDC A,#00H
MOV FH，A
AJMP LP2
LP1： MOV A,70H
SETB ACC.0
MOV 70H，A
LCALL MOTR
MOV R1,#18H
MOV R0，＃1CH
MOV R7，＃02H
LCALL MULT2
SUB: CLR C
MOV A,FL
SUBB A,1CH
MOV FL,A
MOV A，FL
SUBB A,1DH
MOV FH,A
CLR C
MOV A,XL
SUBB A，#01H
MOV XL，A
MOV A,XH
SUBB A,＃00H
MOV XH,A
CLR C
MOV A，FL
ADD A，#01H
MOV FL，A
MOV A，FL
ADDC A,#00H
MOV FH，A
LP2： MOV A，YH
CJNE A，H, LP3A
MOV A,YL
CJNE A，L， LP3A
LP3A: AJMP LP3
ORG 2500H
MULT2:PUSH PSW
PUSH A
PUSH B
CLR C
MOV R2,#00H
SH1： MOV A，＠R1
MOV B,#02H
MUL AB
POP PSW
ADDC A,R2
MOV @R0，A
INC R0
INC R1
DJNZ R7，SH1
POP B
POP PSW
RET
参考文献
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[2］ 机械制造技术基础 吉林大学 于骏一 邹青

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