X-Y数控工作台设计硬件系统设计.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateX-Y数控工作台设计硬件系统设计设计组号： 1 攀枝花学院学生课程设计（论文）题 目： X-Y数控工作台设计 硬件系统设计 学生姓名： 学 号： 所在院(系)： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 指 导 教 师： 二零一二年十二月-课程设计（论文）指导教师成绩评定表题目名称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

2、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

3、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： 年月日课程设计任务书题目X-Y数控工作台设计硬件系统设计1、课程设计的目的在完成机电一

4、体化设计课程学习的基础上，运用所学的机电一体化基本知识，理论联系实际，把知识运用到实际生产时实践中来，设计X-Y数控工作台硬件系统设计。2、课程设计的内容和要求 本设计选用MCS-51系列的8位8031单片机芯片作为本系统的微机处理器，采用了8279可编程键盘/显示接口芯片。2764作为程序存储器扩展芯片，6264作为数据存储器的扩展芯片，8155芯片作为扩展I/O。使X-Y数控工作台能够通过键盘和显示器使之向X,Y方向移动，达到人们所需要的作用。3、主要参考文献1 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.清华大学出版社,20032 李广弟,朱月秀，王秀山.单片机基础.北京航空航天大学出版社,20

5、013 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社,20024 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,20024、课程设计工作进度计划内容学时明确设计的要求，进行电路分析2初步确定8031单片机的参数，进行8031单片机的编制12确定系统总体的方案，拟定总体系统图8确定8031单片机的扩展形式，并选择相应的元件，确定辅助装置8硬件系统的设计2软件和程序的设计并编写程序图8合计1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： 年 月 日摘 要 介绍了自行设计的X-Y数控工作台的基本特点及设计参数，并利用单片微机作为系统控制的核心

6、部件，详细讨论了控制部分的硬件设计。机电一体化技术数控机械如数控机床、绘图机、火焰切割机、电加工机床以及衣料开片机等都有一个在X Y 平面内作配合运动的工作台。 这种工作台通常与整机设计成一个整体, 其形状、尺寸、结构因机器类型不同而有较大差异, 但其工作原理有着共同的特点。 我们设计的数控X Y 工作台是一个既能用于生产实际又可用于数控教学的典型机电一体化产品。我们设计的工作台是一种能独立完成平面轨迹运动的数控夹具, 它不属于某一特定的机器, 而是一个随意装卸于通用机床的附件。在普通钻床、铣床上安装数控工作台, 使之能完成数控机床所做的工作( 自动实现轨迹、速度、加工顺序的控制) , 并且能

7、保留原有机床的操作功能。此外, 此数控工作台还可用于激光加工、超声波加工等特殊机床。关键字 数控系统 单片机 硬件设计 ABSTRACT Introduced X-Y CNC Table of basic characteristics and design parameters, and the use of single-chip microcomputer as the control core part, is discussed in detail in the control of the hardware design part.Mechatronics CNC machine

8、such as CNC machine tools, drawing machine, flame cutting machine, EDM machine tool and material cutting machine has a X in the Y plane as compound movement of the table.This table is usually designed with the complete machine into a whole, its shape, size, structure because types of the machine are

9、 different and have bigger difference, but its working principle has a common characteristic.We design the numerical control and the X Y table is a can be used for the actual production and can be used for CNC teaching typical mechatronic product.We design the work table is a complete independent pl

10、anar motion of CNC jig, it does not belong to a particular machine, but a random loading and unloading to universal machine tool attachment.In the common drilling machine, milling machine NC worktable mounted, so that it can complete the NC machine tools work (automatic trajectory, speed, processing

11、 sequence control), and can retain the original machine operation function.In addition, the NC working table can also be used for laser machining, ultrasonic machining and special machine tool.Key words：CNC system Single chip microcomputer Hardware design 目 录摘 要IABSTRACTI1 绪论21.1 课题的选择背景21.2 设计目的及意义

12、22 总体方案设计32.1 设计任务32.2 总体方案确定33 机械系统设计43.1、工作台外形尺寸及重量估算43.2、滚动导轨的参数确定43.2.1 导轨型式43.2.2 导轨长度43.2.3 直线滚动轴承的选型53.2.4 滚动导轨刚度及预紧方法53.3、滚珠丝杠的设计计算53.3.1 最大动负载Q的计算53.3.2 滚珠丝杠螺母副几何参数计算63.3.3 传动效率计算73.3.4 刚度验算73.3.5 稳定性验算73.4 步进电机的选用73.4.1 步进电机的步距角73.4.2 步进电机启动力矩的计算83.4.3 步进电机的最高工作频率83.5、确定齿轮传动比93.6、确定齿轮模数及有关

13、尺寸93.7、步进电机惯性负载的计算104 控制系统硬件设计114.1 CPU板114.1.1 CPU接口设计134.2 驱动系统134.2.1 步进电机驱动电路和工作原理144.2.2 电磁铁驱动电路154.2.3 电源设计155 总结151 绪论1.1 课题的选择背景 X-Y数控工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。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形成的一个有机整体。在中小型企业中，由于产品更新换代频繁，且大都是一些适应市场的单件、小批零件，若有数控机床来解决

14、这些零件的加工精度和自动化问题，因成本高而不现实。为此数控工作台，作为工装与通用机床（立铣、立镗、钻等）陪用，以解决单件、小批小尺寸复杂零件的孔，槽及凸轮等精度加工问题，具有一定的灵活性、通用性和经济性。X-Y工作台的机电一体化系统可以设为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统中一般采用步进电机驱动，系统中不设置传感与检测设备，半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动，并在电机输出轴设置传感与检测设备；闭环的伺服系统中也采用交流或直流伺服电机驱动，但检测与传感设备设置在工作台末端。数控交流伺服X-Y工作台系统是由控制计算机部分、伺服驱动部分、机械传动部分及检测部分组成，采用闭环

15、控制方式。1.2 设计目的及意义 机电一体化系统设计课程设计是培养学生设计能力的重要实践教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是： 1）能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力； 2）通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理和软

16、件编程思想； 3）通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促使学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。2 总体方案设计2.1 设计任务 设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为0.01mm，定位精度为0.025mm。 设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸CBH145mm160mm12mm；底座外 形尺寸C1B1H1210mm220mm140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。2.2 总体方案确定（1）

17、系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。（2）计算机系统本设计选用MCS-51系列的8位8031单片机芯片作为本系统的微机处理器，它的主要特点是具有较高的性能价格比，具有强有力的指令系统。采用了8279可编程键盘/显示接口芯片，具有结构紧凑，功能齐全，使用方便等特点，同时编制了较为先进的插补软件，具有较高的精度。 控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数

18、控工作台的状态。（3）X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。 由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。 考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。 图1-1 系统总体框图3 机械系统设计3.1、工作台外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：长宽高 14516050重量：按重量=体积材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 重量：约90N。上导轨座（连电机

19、）重量：夹具及工件重量：约150N 。X-Y工作台运动部分的总重量：约287N3.2、滚动导轨的参数确定 3.2.1 导轨型式 圆形截面滚珠导轨 3.2.2 导轨长度上导轨（X向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 下导轨（Y向） 选择导轨的型号：GTA16 3.2.3 直线滚动轴承的选型上导轨下导轨由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。 3.2.4 滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体

20、上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。3.3、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。3.3.1 最大动负载Q的计算查表得系数，寿命值查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速所以 X向丝杠牵引力 Y向丝杠牵引力所以最大

21、动负荷X向 Y向 查表，取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004，其额定动载荷为390N，足够用。3.3.2 滚珠丝杠螺母副几何参数计算表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数名 称符 号计算公式和结果螺纹滚道公称直径10螺距接触角钢球直径螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杆螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）3.3.3 传动效率计算 式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。3.3.4 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算 所以 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。所以导程总误差查表知E级精度的丝杠允许误差

22、，故刚度足够。 3.3.5 稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。3.4 步进电机的选用 3.4.1 步进电机的步距角取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。3.4.2 步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取 ，则，且，所以式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； 导轨摩擦系数；步进电机步距角，（rad）；T电机轴负载力矩（）本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），为丝杠牵引力，。考虑到

23、重力影响，Y向电机负载较大，因此取，所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3，则 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 3.4.3 步进电机的最高工作频率查表选用两个45BF005-型步进电机。电机的有关参数见表2-2。表2-2 步进电机参数型 号主要技术数据外形尺寸重量步距角最 大静转距最高空载启动频率()相数电压电流外径长度轴径45BF005-1519.630003272.545584113.5、确定齿轮传动比 因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比选 ， 。3.6、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取

24、模数，齿轮有关尺寸见表2-3。表2-3 齿轮尺寸 1728171914.55 283025.5517.53.7、步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，得 式中： 折算到电机轴上的惯性负载（）； 步进电机转轴的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；滚珠丝杠的转动惯量（）；M移动部件质量（）。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算式中：D圆柱零件直径（cm）；L零件长度（cm）。所以电机轴转动惯量很小，可以忽略，则 因为，所以惯性匹配比较符合要求。4 控制系统硬件设计4.1 CPU板(1) 由于8031片内无程序存储器，故要对其进行扩展，考虑到程序系统的容量，选用

25、紫外线擦除的可编程只读存储器（EPROM）2764作为程序存储器扩展芯片。2764占用外部程序存储器地址空间为0000H1FFFH，用于存放数控系统软件。(2) 采用8K8位的静态随机存储器6264作为数据存储器的扩展芯片。数据存储器与I/O口及外围设备统一编址，根据连线决定数据存储地址空间为2000H3FFFH，用于存入数据加工程序。 (3） 根据功能设定，本系统采用8155芯片作为扩展I/O，8155包含2个8位（PA口，PB口），一个6位（PC口）的可编程I/O，1个14位定时器/计数器及256个字节的静态RAM。本系统定义PB口为步进电机控制输出口，其中PB7，PB3分别为X，Y详点击

26、选择，PB0，PB1，PB2控制Y向步进电机的A，B，C三相，PB4，PB5，PB6控制X向步进电机的A，B，C三相。设立PA0为紧停，暂停撤销按钮，PA1为暂停按钮，PA2PA4为到位输入检测口。 输入输出接口是微机与外界联系的重要通道，它不仅担负着信息输入输出的任务，而且必须具有阻止干扰信号通过的能力。8155不能直接与步进电机相连，必须用光电隔离器件隔离。而光电耦合器是输入输出接口中广泛采用的一种器件，它使计算机部分在电器上完全独立起来，信号仅通过光来传递。 （4） 本系统键盘/显示接口的实现主要是用到了一个可编程的键盘/显示接口芯片8279.由于单个8279芯片就能完成键盘输入和LED

27、显示控制两种功能，故选用它大大的简化了显示器和键盘接口的设计。他提供了硬件扫面键盘接口，可连接8行8列的矩阵键盘，内部具有硬件消抖逻辑和解决重建逻辑，具有动态扫面显示器，可接16位8段数码显示块，显示数据可采用左端或又断输入，键盘和显示器扫描信号及扫描间隔由内部定时逻辑和扫描计数器完成，扫描信号具有编码输出和译码输出两种方式。内有88位的先进先出，用于存放键盘被按下键的编码，还有16位8的显示刷新RAM，用于存放CPU送给显示器的显示码，其控制逻辑可以实现对显示器的动态扫描显示。采用动态扫描显示方式，由于采用8279芯片，则不占用CPU事件，不会减慢插补速度，显示器在指令输入时，显示功能字X，

28、Y，I，J后面的坐标，以十进制BCD码形式显示其6位坐标，加上一位符号位共7位，为了设计方便，共设计了8位数码管进行显示，在差补过程中，动态的显示其加工坐标数据，如果输入的是功能字，则转功能键处理程序。显示器的硬件设计选用2个北京集成电路设计中心生产的集电极开路输出8位驱动器芯片BIC-8718，经8718输出全低电平，从而使共阴极LED显示器熄灭，8279的8个输出口OUT07分时送出8个显示RAM单元内存储数据。此8个输出口输出位选码。根据既定的显示格式，在内部数据存储区中，设立专用的显示缓冲区，显示缓冲区每一个字节对立一个要显示的数字或符号，显示数字时把十进制09的8段译码放在程序表格的

29、09序号字节中，符号位的显示则根据显示的笔划换成显示码放在表格的某个序号中，显示时把这个码的序号放在欲显示位置相对应的缓冲区字节中，然后调用显示子程序。接口程序包括8279初始化程序（完成对8279的清除操作，工作方式设置及时钟设置等任务），键盘中断服务子程序（读出8279先进先出的键值，根据键值确定要完成的任务）X-Y数控工作台硬件原理图及显示子程序（将要显示的字符的显示码送入8279的显示RAM中）。 （5） 本系统设计的键盘为矩阵结构非编码键盘，具有硬件接口电路简单，体积小，成本低的特点，控制面板上的32个键按4行8列分布，经74LS138所引出的8根线作为列线，RL03作为行线，采用扫

30、描发检测是否有键按下以及识别是什么键按下。键盘操程序安排在主程序中，系统一开机即进入键盘操作，整个系统操作均受键盘控制，即用户程序状态，当按下运行键RUM以后，系统转入执行用户程序状态，此时脱离键盘控制。所有操作键均不起作用，唯有中断运行控制键可以干涉改变控制工作台的运行。 X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。4.1.1 CPU接口设计 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：（行程开关）前向通道传动驱动（电磁铁）（

31、步进电机）人机界面传感器8031（键盘、LED）后向通道 图3-1 CPU外部接口示意图 图3-3 多中断系中端触发器4.2 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（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。4.2.1 步进电机驱动电路和工作原理步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保

32、护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。图3.4 步进电机驱动电路图 该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。 由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。步进时钟A相波形B相波形C相波形图3-

33、5 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）4.2.2 电磁铁驱动电路 该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。 图3-6 电磁铁驱动电路 4.2.3 电源设计两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的27V电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的12V和5V电压。5 总结 经过两周的努力，在老师的精心指导，同学们的悉心关怀下，我完成了大学最后一次课程设计。在这次设计中，我遇到了一些难题。但通过在网上，图

34、书馆查阅，老师的解答。我一一克服了它们。设计中，我学到了很多知识还有诸多做人的道理。我喜欢cad画图，在设计中我把X-Y数控工作台原理图用cad展示出来。感谢老师对我们的严格要求，老师那渊博的知识、开阔的视野、敏捷的思维和一丝不苟、科学严谨的工作作风使我深受启迪，受益匪浅。他真正体现了“师者，传道、授业、解惑”的教师风范，为我今后的人生道路奠定了坚实的基础。最后，再次深深感谢老师和同学们给予我极大的帮助。我想信以后我会记着这些难忘的经历。1 郑学坚,周斌.微型计算机原理及应用.清华大学出版社,20032 李广弟,朱月秀，王秀山.单片机基础.北京航空航天大学出版社,20013 房小翠.单片微型计

35、算机与机电接口技术.国防工业出版社,20024 王小明. 电动机的单片机控制. 北京航空航天大学出版社,20025 李建勇.机电一体化技术.科学出版社.20046 王爱玲，白恩远，赵学良.现代数控机床.国防工业出版社,20017 徐灏.机械设计手册（3）.机械工业出版社,20038 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,20049 徐灏等.机械设计手册M.北京:机械工业出版社,200010 濮良贵 ,记名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,200311 吴振彪.机电综合设计指导M.湛江:湛江海洋大学,199912.杨入清.现代机械设计系统与结构M.上海:上海科学技术文献出版社,200013.张立勋,孟庆鑫,张今瑜.机电一体化系统设计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2000