立式铣床使用的X-Y两轴控制的数控平台--课程设计.docx

攀枝花学院Panzhihua University 课程设计（说明书）立式铣床使用的X-Y两轴控制的数控平台院 （系）： 机械学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 二班 学生姓名： 学 号: 指导老师： 职 称： 教 授 2016 年 12月 18 日攀枝花学院课程设计（说明书）课程设计任务书攀枝花学院本科学生课程设计任务书题目立式数控铣床X-Y数控工作台机电系统设计设1、课程设计的目的学生在完成各综合课程学习的基础上，运用所学的电气、PLC控制知识，组合机床知识，独立完成立式数控铣床X-Y数控工作台机电系统设计设计任务；从而使学生在完成立式数控铣床X-Y数控工作台机电系统设计过程中，强化数控机床相关知识的。能够对学生起到加深机电一体化设计及PLC控制理论的掌握和强化实际运用能力的锻炼。2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）1、 元件选型、绘制立式数控铣床X-Y数控工作台机装配图2、 完成PLC接口地址分配、外围线路、绘制I/O图。3、 编写设计（实习）说明书3、主要参考文献 【1】尹志强 机电一体化系统设计课程设计指导书【2】杨建明. 数控加工工艺与编程北京：北京理工大学出版社，2009.【3】李洪 . 机床设计手册北京：辽宁科学技术出版社，1999.4、课程设计工作进度计划内容学时总体方案的确定3机床传动部件与选型3步进电机减速箱的选用4步进电机的选型与计算3电气原理分析4工作台装配图绘制10合计3周指导教师（签字）日期年 月 日教研室意见：年 月 日学生（签字）： 接受任务时间： 2016年 11月 28日攀枝花学院课程设计（说明书）成绩评定表课程设计（论文）指导教师成绩评定表题目名称立式数控铣床X-Y数控工作台机电系统设计设评分项目分值得分评价内涵工作表现20%01学习态度6遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。02科学实践、调研7通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。03课题工作量7按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。能力水平35%04综合运用知识的能力10能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。05应用文献的能力5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。06设计（实验）能力，方案的设计能力5能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。07计算及计算机应用能力5具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。08对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）10具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。成果质量45%09插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度5符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。10设计说明书（论文）质量30综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。11创新10对前人工作有改进或突破，或有独特见解。成绩指导教师评语指导教师签名： 年月日攀枝花学院课程设计（说明书）摘要摘要X-Y数控工作台是是指能分别沿着X 向和Y向移动的工作台，是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。载实1通过该实验使同学们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指令的共同点都是具有控制数据左、右移动功能;而其不同处是应该注意到使用可逆寄存器SFTR指令时，要加前沿微分DIFU( 013)指令而可逆寄存器微分SFTR是不需要的。 实验所用的电动机容量为0. 25kW，采用直接启矶3台电动机每台可逆顺序启动的时间间隔为2秋3台电动机首先正转顺序启动，启动结束转为正常运布录正常运行的时间定为10秒，停止时间定为5秋3台电动机再反转顺序启动，启动结束转为正常运布录正常运行的时间定为10秒，停止时间定为5秋实验要求按照上述顺序反复运标实验所使用的PLC为OMRON- CPM2A-CDR- A型机关键词 X-Y数控工作台，数控铣床I攀枝花学院课程设计（说明书） AbstractAbstractCNC 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 toolsII攀枝花学院课程设计（说明书）目录目录摘要IAbstractII1 设计任务12 设计主要步骤22.1 确定设计总方案22.1.1 机械传动部件的选择22.2.2 控制系统的设计33 机械传动部件的计算与选型43.1工作台外形尺寸及重量初步估算43.2 计算切削力53.3 直线滚动导轨副的计算与选型63.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型64 步进电动机的计算与选型94.1步进电机的相关计算及校核94.1.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量94.1.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩104.1.3最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩114.1.4步进电动机最大静转矩的选定114.1.5步进电动机的性能校核114.2步进电动机驱动电源的选用134.3确定联轴器的型号144.4增量式旋转编码器的选用145 电气原理图设计155.1典型数控工作台电气原理155.2单片机的选择155.3外部程序存储器的扩展165.4外部数据存储器的扩展165.5 I/O口扩展电路165.6 显示器接口设计165.7 键盘接口电路设计175.8 步进电机的接口电路设计176 工作台控制系统的设计186.1 进给控制原理框图186.2驱动系统186.3 步进电机驱动电路和工作原理186.4 驱动电路的时间常数196.5 电源电路的确定206.6 元器件的确定20 7 机械部分装配图的绘制22总结23参考文献24攀枝花学院课程设计（说明书）1设计任务1 设计任务题目：立式铣床使用的X-Y两轴控制的数控平台设计任务：设计一种供立式铣床使用的X-Y两轴控制的数控平台，平台的主要参数如下：1 最大铣削宽度 13mm2 最大背吃刀量 7mm3工作台进给最大移动速度 Vxf=Vyf=550mm/min4工作台空载最大移动速度 Vx0=Vy0=3500mm/min5加工范围 300mmX330mm6工作台面尺寸 280mmX320mm7定位精度 取0.0134攀枝花学院课程设计（说明书）2设计主要步骤2 设计主要步骤2.1 确定设计总方案2.1.1 机械传动部件的选择 （1）导轨副的选用 要设计的数控铣床X-Y工作台，是轻型立式数控铣床的，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）丝杠螺母副的选择步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，题目拟取定位精度为0.01，滑动丝杠副无法做到，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。同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。（3）伺服电机的选用选用步进电动机作为伺服电动机，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书未给出精度，这里取脉冲当量为0.005mm/脉冲，取得脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也没有达到微米级，空载最快运动速度只有3500mm/min。故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用一些性能较好的步进电机，如混合式步进电机，以降低成本，提高性价比（4）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，本设计选用无间隙齿轮传动减速箱。（5）检测装置的选用选用步进电机作为伺服驱动电机以后，可选择开环控制，也可以选择闭环控制。为了确保电动机在运转过程中不受切削负载的英系那个而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与不仅电动机的步距角相匹配。 2.2.2 控制系统的设计（1） 设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，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系统，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。（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，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。攀枝花学院课程设计（说明书）3机械传动部件的计算与选型3 机械传动部件的计算与选型3.1工作台外形尺寸及重量初步估算 根据给定有效行程，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。X-Y工作台如图3-1所示： 图 3-1 X-Y工作台X向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=620 x 320 x 40 重量:按重量=体积*材料比重估算为: = N=619N （3-1）Y向拖板(下拖板)尺寸为: 长*宽*高=重量=N=594N （3-2）上导轨(含电机)估算重量为：240N夹具及工件重量:150NX-Y工作台运动部分总重量为:619N+594N+240N+150N=1600N （3-3）按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为1600N。3.2 计算切削力由于零件的加工方式为立铣，设采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由参考文献【1】表3-7查得立铣时的铣削力计算公式如下： （3-4）今设选铣刀直径d=15mm，齿数Z=3，为计算最大铣削力，任务给出最大铣削宽度ae=15mm，最大背吃刀量ap=7mm。 工件材料为碳素钢。由参考文献【2】中P13页，可知d=15mm的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：每齿进给量fz=0.1mm铣刀转速n=300r/min将各参数代如 （3-5）采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由参考文献【1】表3-5中查得，各铣削力之间的比值范围如下：=(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： （与丝杠轴线平行） （与工作台面垂直） （与丝杠轴线垂直）考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力Fz，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn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Fx，径向铣削力为Fy。 3.3 直线滚动导轨副的计算与选型 （1）工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： （3-6）其中，移动部件重量G=1600N,外加载荷外加载荷代入式（3-6）得最大工作载荷。 查参考文献【1】表3-41，根据工作载荷=0.7629KN。初选直线滚动导轨副型号KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94KN，额定静载荷Coa=9.5KN。 任务中规定工作台面的尺寸为 280mmX320mm，加工范围为300mmX330mm，考虑工作行程应留有一定余量，查参考文献【1】表3-35，按标准系列，选取X方向导轨长度为580mm，Y方向导轨长度为640mm。（2） 距离额定寿命L的计算 上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100摄氏度，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。查参考文献【1】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，代入公式（3-7）得 （3-7）远大于期望值50KM，故距离额定寿命满足要求。3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 （1）最大工作载荷的计算如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷Fx=1050.5N，受到横向载荷Fy=238.8N，受到垂直方向的载荷Fz=362.9N。已知移动部件总质量G=1600N，按矩形导轨计算，查参考文献【1】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u=0.005.求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： =1.11050.5+0.005(238.8+362.9+1600) =1167N （3-8）（2) 最大计算动载荷的确定设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=550mm/min，初选丝杠导程P=5mm,则此时丝杠转速=v/P=80r/min。预计滚珠丝杠的工作5年,每年算360天，每天工作8小时，由此得使用寿命为：T=5x360x8=14400h，代入公式，得出丝杠寿命系数。查参考文献【1】表3-30，受中等冲击载荷取值范围，现取，滚道硬度为60HRC时，硬度影响系数取值，代入下式得： （3-9）（3）规格型号的初选根据计算出的最大动载荷和初选丝杠的导程，查参考文献【1】表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，七公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈x1列，精度等级取5级，螺母安装尺寸L=80mm，额定动载荷为9309N，大于最大计算动载荷 =5744N，满足要求。 表3-1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）（4）传动效率计算 将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm，代入= arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=。将摩擦角=10，代入=tan / tan(+)，得传动效率 =96.4%。（5） 刚度验算1）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。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量E2.1x Mpa；查表，得滚珠直径=3.175mm，丝杠底径=16.2 mm，丝杠截面积S= /4=206.12mm2。得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量1=Fma/（ES）=1779500/（2.1 206.12） mm 0.0205 mm。 （3-10）2）根据公式 Z( )-3,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：Z圈数列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力 = /3=593 N，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 0.0026 mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取=0.0013mm3）将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）0.0218 mm=21.8m。由参考文献【1】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25m，可见丝杆刚度足够。4）压杆稳定性校核根据公式计算失稳时的临界载荷Fk。查参考文献【1】表3-34，取支承系数=1；由丝杠底径=16.2 mm，求得截面惯性矩 3380.88 mm；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660mm，得临界载荷 9343N，远大于工作载荷=1050.5N，故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。攀枝花学院课程设计（说明书）4步进电机的计算与选型4 步进电动机的计算与选型为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电机的输出转矩，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转轴上尽可能的小，今在步进电机的输出轴安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用弹簧错齿法消除侧隙。4.1步进电机的相关计算及校核已知工作台的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的导程=5 mm，初选步进电动机的步距角为0.75。根据参考文献【1】p19 式3-12算的减速比：i=（0.75 ）/（360）=（0.75*5）/（360*0.005）=25/12 （4-1）本设计采用常州市新月机电有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1，齿数比为75:36，材料为45钢，齿表面淬火硬度大55HRC。减速箱中心距为55.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。4.1.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径=20 mm，总长l =320mm，导程5mm，材料密度 ；移动部件总重量G=800N;小齿轮宽度20mm，直径=36 mm;大齿轮宽度20mm，直径=75 mm；传动比i =25/12。参照表，算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量=0.617，拖板折算到丝杠上的转动惯=0.517，小齿轮的转动惯量=0.259，大齿轮的转动惯量=4.877 。初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，二相四拍驱动时步距角为0.75，查参考文献【1】表4-5得电动机的转动惯量=4kg则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为 ： = +(+)/=30.35 （4-2）4.1.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩分快速空载起动和承受最大工作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： =+ （4-3） 考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： （4-4） 式中 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； 步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。 其中： （4-5）式中空载最快移动速度，任务书指定为3500mm/min； 步进电动机步距角，预选电动机为； 脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。将以上各值代入式4-5，算得nm=1458r/min。设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间=0.4s，传动链总效率=0.7。则由式4-4，得：1.65（Nm）当移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： （4-6）式中-导轨摩擦系数，滚动导轨取0.005；-垂直方向的铣削力，空载时取0； -传动总效率，取0.7则由式（4-6），得：0.004（Nm）最后由式（4-3），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： = + 1.65N （4-7）4.1.3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Tt ；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Tf ；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T0，T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有：= Tt + Tf （4-8） 在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=1050.5N ，则折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt有： 0.57（Nm） （4-9）再计算垂直方向承受最大工作负载（Fz=362.9N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： = 0.005（Nm） （4-10）最后由式4-8，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： = Tt + Tf = 0.575 Nm （4-11）经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： = max， = 1.65Nm4.1.4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，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： Tjmax 41.65 Nm =6.6 Nm （4-12） 上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，查参考文献【1】表4-5得该型号电动机的最大静转矩Tjmax = 6Nm 。因安全系数取得偏大，只比额定大0.6，所以，选取90BYG2602满足（4-12）式的要求。4.1.5步进电动机的性能校核 （1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度=550mm/min，脉冲当量=0.005mm/脉冲，可求出电动机对应的运行频率 =550/(600.005)Hz 1833Hz。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图4-1可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩5.7Nm，远远大于最大工作负载转矩=0.575Nm，满足要求。 图4-1 90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线（2）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=3500mm/min，可求出电动机对应的运行频率=3500/（600.005）Hz =116667Hz。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= 1.65Nm，满足要求。（3）最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度=3500mm/min对应的电动机运行频率=11666Hz。查参考文献【1】表4-5知90BYG2602电动机的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。（4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=30.35电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率=1800Hz（查参考文献【1】表4-5）。可求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：=614Hz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614Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。 综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。4.2步进电动机驱动电源的选用本设计中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，查表，选择与之配套的驱动电源为BD28Nb型，输入电压100V AC，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4-2所示。 图4-2 BD28Nb驱动电源的接线图4.3确定联轴器的型号由于数控平台有冲击，且电动机工作时经常变速，故选用挠性联轴器。查参考文献【1】表3-43 选用A23型联轴器。 计算联轴器的转矩： 由估算功率摩擦力作用很小，可忽略： 小于联轴器的允许转矩，且工作速度远小于允许最高转速25000。故满足要求。4.4增量式旋转编码器的选用本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。由步进电动机的步距角=，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/=480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨率可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。 本设计选择编码器的型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H：盘状空心型，孔径 10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出攀枝花学院课程设计（说明书）5电气原理图设计5 电气原理图设计5.1典型数控工作台电气原理单片机是把微型计算机的主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机,因而可以把它看成是一个不带外部设备的微型计算机。不同系列的单片机共同的特点是：控制功能强；体积小；功耗低；成本低。由于上述优越性能，单片机已在工业、民用、军用等工业控制领域得到广泛应用，特别是随着数字技术的发展，它在很大程度上改变了传统的设计方法。在软件和扩展接口支持下，单片机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统。如电气原理图所示的就是通过单片机及其外围接口实现的二坐标数控工作台电气原理图。它由8031型单片机、数据锁存器74LS373、存储器EPROM2764、RAM6264、地址译码器74LS138、并行I/O接口8255等集成电路构成。下面分别说明它们在整个控制部分中的功能、用法及其选择原则。5.2单片机的选择设随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的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就不得不考虑使用16位单片机，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，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。计单片机应用系统，首先要设计其核心的单片机系统。从一开始就有一个单片机芯片选型问题。面对不同字长，如4位、8位、16位，各具特色的单片机芯片如何进行选择呢？首先要满足所设计系统的功能和性能要求；其次要选择价格较低的芯片，不要盲目追求过多功能和过高性能；另外要选择那些在国内有成熟的开发系统和稳定的供货来源。如采用流行普遍使用的芯片，资料丰富，能有效地缩短开发周期。本课程设计目的是设计一种经济型的二坐标数控工作台，其功能比较简单，成本低。因而这里选用MCS-51系列的8031单片机作为CPU，它具有良好的性能价格比，且易扩展。5.3外部程序存储器的扩展 MCS-51的程序存储器空间为64K字节。对于片内无ROM的单片机（如8031），或当单片机内部程序存储器容量不够时，进行程序存储器的扩展是必不可缺的。半导体存储器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作单片机的外部程序存储器。由于EPROM价格低廉，性能可靠，所以单片机外部扩展的程序存储器一般为EPROM芯片（紫外线可擦除、电可编程的只读存储器），掉电后信息不会丢失。在选择外部程序存储器电路时，应注意电路的读取时间能否与MCS-51的PESN信号匹配。其片选端接地。 由于本设计程序容量不大，因而选用2764作为外部程序存储器。5.4外部数据存储器的扩展 对大多数控制性应用场合，MCS-51系列单片机内部RAM已能满足系统对数据存储的要求。对需要较大容量数据缓冲器的应用系统，就需要在单片机的外部扩展数据存储器。 在电气原理图中根据设计功能要求选用一片6264作为外部数据存储器。图中其高5位地址线A8A12由8031的P2.0P2.4口线提供，低8位地址线A0A7接地址锁存器74LS373输出端。读、写控制信号分别接8031的RD、WE。其片选信号通过地址译码法进行选通。5.5 I/O口扩展电路 本课程设计因采用步进电机作为驱动装置。为了降低成本，特采用可编程外围并行接口芯片8255。使其不仅完成驱动步进电机的功能，同时完成与键盘/显示器的接口操作功能。5.6 显示器接口设计 电气原理图中，由10片共阳极LED显示块拼成10位LED显示器。为了简化硬件电路，采用动态显示方式。即所有位的段选线相应地并联在一起，由8031的P1.0P1.7口来控制LED显示器的段码，而各位的位选线分别由相应的I/O口线控制。即PC0PC7、PB6PB7共10个I/O口线控制，实现各位的分时选通。为了保证各位LED能够显示出本位相应的显示字符，而不出现闪烁，导致人眼看不清，必须根据人眼视觉暂留现象，选择一个合适的扫描频率。图中选用74LS07进行同相驱动。5.7 键盘接口电路设计 键盘实质上是一组按键开关的集合。电气原理图中采用矩阵式键盘接口，键盘接口电路通过8255（U5）的PA0PA3和PC0PC7、PB6PB7构成行、列线。按照逐行逐列地检查键盘状态（即扫描）来确定闭合键的位置。5.8 步进电机的接口电路设计 对于本课程设计中选用的步进电机，为五相，无论它工作在什么方式，都需要五路控制电路，并且每一路对应于步进电机的一相。而每一路控制电路的结构是一样的。 CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示： 图5-1 CPU外部接口示意图 8031要完成的任务：（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。（2）通过程序实时控制电机的运行。 （3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。 由于8031只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155。电气原理图中通过8255（U5）的PB0PB4分别控制X方向步进电机的五相。对于Y轴步进电机通过8255（U6）的PC0PC4分别控制Y方向步进电机的五相。攀枝花学院课程设计（说明书）6工作台控制系统的设计6 工作台控制系统的设计6.1 进给控制原理框图 图6-1 6.2驱动系统传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，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（如切削