*****学科毕业文
专 业 ****
姓 名
准考证号
文题目 XY数控工作台设计
2011年X月X日
文评语：
文建议成绩：
评审教师签名：
年 月 日
文综合成绩：
答辩组长签名： 院系盖章：
年 月 日
学校考办意见：
目 录
摘…………………………………………………………………………4
Abstrct………………………………………………………………………4
引言…………………………………………………………………………6
第1章 总体设计方案………………………………………………………5
11 设计务…………………………………………………………………7
12 总体方案确定……………………………………………………………7
第2章 机械设计系统………………………………………………………9
21 工作台外型尺寸重量测量……………………………………………9
22滚动导轨参数确定……………………………………………………9
23滚丝杠设计计算……………………………………………………10
24步电机选…………………………………………………………12
25确齿轮传动…………………………………………………………13
26确定齿轮模数关尺寸………………………………………………13
27步进电机惯性负载计算………………………………………………13
第3章 制系统硬件设计……………………………………………………15
31 CPU板…………………………………………………………………15
32 驱动系统………………………………………………………………17
33 传感器机界面……………………………………………………19
34 章结………………………………………………………………19
第4章 制系统软件设计……………………………………………………20
41总体方案…………………………………………………………………20
42流程图…………………………………………………………………20
43 INT0中断服务流程图…………………………………………………21
44 INT1中断服务流程图…………………………………………………22
第5章 附录………………………………………………………………27
摘
数控车床称数字控制（Numbercal control简称NC）机床基数字控制采数控技术装程序控制系统机床次设计包括系统运动方式伺服系统计算机系统XY工作台传动方式该控制系统采MCS51系统兼容At89S51单片机控制系统特点集成度高性功强速度快较高性价
控制系统微机部分键盘LEDIO接口光电偶合电路步进电机电磁铁功率放器电路等组成系统加工程序控制命令通键盘操作实现LED显示数控工作台状态保证定传动精度稳性求结构紧凑选丝杠螺母传动副提高传动刚度消间隙采预加负荷结构
关键词：丝杠螺母传动副双V形滚珠导轨齿轮降速传动
Abstract
CNC lathe also called numerical control (NC) Numbercal control referred to machine tools It is based on digital control using a numerical control technology is containing a program control system of machine tools This design including the system mode of motion servo system the computer system and the xy table transmission ways The control system adopted and MCS 51 system compatible At89S51 control system Its main characteristic is integration good reliability high speed the function is strong have higher ratio
Control system by computer parts keyboard LED IO interface photoelectric coupled circuit stepping motor electromagnet power amplifier circuit etc The processing procedures and control system by keyboard operation command realization LED display nc workbench state To ensure that certain transmission precision and stability and asked for compact structure so choose screw nut transmission vice In order to improve the transmission the rigidity and eliminate clearance gets the structure of add load
Key Words Screw nut transmission vice Double vshaped ball guide Gears drop speed transmission
引言
现代科学技术断发展极推动学科交叉渗透导致工作领域技术革命改造机械工程领域微电子技术计算机技术迅速发展机械工业渗透形成机电体化机械工业技术机构产品机构功构成生产方式理体系发生巨变法工业生产机械电气化迈入机电体化特征发张阶段
XY数控工作台许机电体化设备基部件数控车床—横进刀机构数控铣床数控钻床XY工作台激光加工设备工作台电子元件表面贴装设备等模块化XY数控工作台通常导轨座移动滑块工作滚珠丝杠螺母副伺副电动机等部件构成中伺服电动机做执行元件驱动滚珠丝杠滚珠丝杆螺母带动滑块工作台导轨运动完成工作台XY方直线运动导轨副滚珠丝杠螺母副伺副电动机等均标准化专门厂家生产设计时根工作载荷选取均控制系统根需选取标准工作控制计算机设计专微机控制系统
总体方案设计
11 设计务
设计数控XY工作台控制系统该工作台铣床坐标孔加工腊摸塑料铝合金零件二维曲线加工重复定位精度±001mm定位精度0025mm
设计参数：负载重量G150N台面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm长度L388mm工作台加工范围X55mmY50mm工作台快移速度1mmin
12 总体方案确定
（1）系统运动方式伺服系统
工件移动程中没进行切削应点位控制系统定位方式采增量坐标控制简化结构降低成采步进电机开环伺服系统驱动XY工作台
（2）计算机系统
设计采MCS51系列兼容AT89S51单片机控制系统特点集成度高性功强速度快较高性价
控制系统微机部分键盘LEDIO接口光电偶合电路步进电机电磁铁功率放器电路等组成系统加工程序控制命令通键盘操作实现LED显示数控工作台状态
（3）XY工作台传动方式
保证定传动精度稳性求结构紧凑选丝杠螺母传动副提高传动刚度消间隙采预加负荷结构
工作台运动载荷采预加载荷双V形滚珠导轨采滚珠导轨减少两相运动面动静摩擦系数差提高运动稳性减振动
考虑电机步距角丝杆导程标准选取达分辨率求需采齿轮降速传动
图11 系统总体框图
二机械系统设计
21工作台外形尺寸重量估算
X拖板（拖板）尺寸：
长宽高 145×160×50
重量：重量体积×材料重估算
N
Y拖板（拖板）尺寸：
重量：约90N
导轨座（连电机）重量：
夹具工件重量：约150N
XY工作台运动部分总重量：约287N
22滚动导轨参数确定
⑴导轨型式：圆形截面滚珠导轨
⑵导轨长度
①导轨（X）
取动导轨长度
动导轨行程
支承导轨长度
②导轨（Y）
选择导轨型号：GTA16
⑶直线滚动轴承选型
①导轨
②导轨
系统负载相较查表出LM10UUOP型直线滚动轴承额定动载荷370N实际动负载考虑济性等素选择LM16UUOP型直线滚动轴承采双排两列4直线滚动轴承实现滑动台支撑
⑷滚动导轨刚度预紧方法
工作台复移动时工作台压两端滚动体压力会发生变化受力滚动体变形受力滚动体变形导轨位置Ⅰ时两端滚动体受力相等工作台保持水导轨移动位置ⅡⅢ时两端滚动体受力相等变形致工作台倾斜α角造成误差外滚动体支承工作台工作台刚度差重载荷作产生弹性变形会工作台凹（时出现波浪形）影响导轨精度
23滚珠丝杠设计计算
滚珠丝杠负荷包括铣削力运动部件重量引起进抗力应铣削时情况计算
⑴动负载Q计算
查表系数寿命值
查表寿命时间T15000h初选丝杠螺距t4mm丝杠转速
X丝杠牵引力
Y丝杠牵引力
动负荷
X
Y
查表取滚珠丝杠公称直径 选滚珠丝杠螺母副 型号 SFK1004额定动载荷390N足够
⑵滚珠丝杠螺母副参数计算
表21 滚珠丝杠螺母副参数
名 称
符 号
计算公式结果
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
螺杆径
螺杆接触直径
螺母
螺母螺纹外径
螺母径（外循环）
见表21
⑶传动效率计算
式中：——摩擦角——丝杠螺纹升角
⑷刚度验算
滚珠丝杠受工作负载P引起导程变化量
ΔL1±PL0EF
Y受牵引力应Y参数计算
ΔL₁±（247×05）（206×10⁴×05）±12×10⁴
丝杠受扭矩引起导程变化量ΔL₁忽略
导程总误差
ΔSΔL×100Lο3(μmm)
查表知E级精度丝杠允许误差刚度足够
⑸稳定性验算
丝杠两端采止推轴承需稳定性验算
24步进电机选
⑴步进电机步距角
取系统脉量初选步进电机步距角
⑵步进电机启动力矩计算
设步进电机等效负载力矩T负载力P根量守恒原理电机做功负载力做功关系
式中： ——电机转角 ——移动部件相应位移 ——机械传动效率
取
式中： ——移动部件负载（N）G——移动部件重量（N） ——重量方致作移动部件负载力（N） ——导轨摩擦系数——步进电机步距角（rad）T——电机轴负载力矩(N·cm)
例中取（淬火钢滚珠导轨摩擦系数）丝杠牵引力考虑重力影响Y电机负载较取
T133(N·cm)
考虑启动时运动部件惯性影响启动力矩
取安全系数03 Tq442(N·cm)
工作方式三相六拍三相步进电机
(N·cm)
⑶步进电机高工作频率
查表选两45BF005Ⅱ型步进电机电机关参数见表22
表22 步进电机参数
型 号
技术数
外形尺寸
重量
步距角
静转距
高空载启动频率()
相数
电压
电流
外径
长度
轴径
45BF005Ⅱ
1．5
196
3000
3
27
25
45
58
4
11
25确定齿轮传动
步进电机步距角滚珠丝杠螺距 实现脉量传动系统中应加齿轮降速传动齿轮传动
选
26确定齿轮模数关尺寸
传递扭距较取模数齿轮关尺寸见表33
27步进电机惯性负载计算
表23 齿轮尺寸
17
28
17
19
145
5
28
30
255
5
175
根等效转动惯量计算公式
式中： ——折算电机轴惯性负载（㎏·c㎡） ——步进电机转轴转动惯量（㎏·c㎡）——齿轮 转动惯量（㎏·c㎡）——齿轮 转动惯量（㎏·c㎡）——滚珠丝杠转动惯量（㎏·c㎡）M——移动部件质量（）
式中：D——圆柱零件直径（cm）L——零件长度（cm）
电机轴转动惯量忽略
惯性匹配较符合求
三控制系统硬件设计
XY数控工作台控制系统硬件包括CPU传动驱动传感器机交互界面
硬件系统设计时应注意点：电机运转稳响应性造价低维护性机交互界面操作性较
31 CPU板
311 CPU选择
着微电子技术水断提高单片微型计算机飞跃发展单片机型号目前市场应MCS51芯片派生兼容芯片较目前应广8位单片机89C51价格低廉性优良功强
复杂系统中考虑16位单片机MCS96系列单片机广泛应伺服系统变频调速等类求实时处理控制系统具较强运算扩展力定位合理单片机节约资源获较高性价
设计系统选较老8051单片机需拓展程序存储器数存储器疑提高设计价格选高性16位MCS96显浪费生产基51核单片机厂家IntelATMELSimens中CMOS器件生产领域ATMEL公司工艺封装技术直处领先位ATMEL公司AT89系列单片机含Flash存储器程序开发程中十分容易进行程序修改时掉电影响信息保存80C51插座兼容采静态时钟方式节省电
硬件CPU选AT89S51AT表示ATMEL公司产品9表示含Flash存储器S表示含串行载Flash存储器
AT89S51性参数：Flash存储器容量4KB16位定时器2中断源6（门狗中断接收发送中断外部中断0外部中断1定时器0定时器1中断）RAM128B14位计数器WDTIO口32
312 CPU接口设计
CPU接口部分包括传感器部分传动驱动部分机交互界面三部分示意图示：（行程开关）
前通道
传动驱动
（电磁铁）
（步进电机）
机界面
传感器
AT89S51
（键盘LED）
通道
图31 CPU外部接口示意图
AT89S51完成务：
（1）行程开关状态读入CPU通中断进行处理优先级高
（2）通程序实时控制电机电磁铁运行
（3）接受键盘中断指令响应指令前行程开关状态键盘状态反应LED实现机交互作
AT89S51P1口P3口准双口P3口第二功系统中第二功中断口进行IO扩展考虑电路简便性实现性实际中采部带锁存器8155AT89S51IO口线分配：
（1）P10P15控制XY两方步进电机ABC线圈通电形成AABBBCCCAA三相六拍正转模式AACCCBBBAA反转模式
（2）P16口输出控制电磁铁吸合
（3）P32P33两中断源中INT0优先级高读入行程开关状态触发中断INT1读入点动复位圆弧插补开关状态触发中断
（4）P00P07外部IO扩展数读取
（5）P27P26决定8155PAPBPC口址
P10P12
驱动1
X步进电机
驱动2
Y步进电机
P13P15
P16
驱动3
P32
外部中断1
P33
外部中断2
P00P07
AD0~AD7
P27
CE
P26
IOM
PB 口
PA口
PC口
AT89S51
键盘
电磁铁
8155
图32 AT89S51控制系统图
PB口接LED反映前运行8状态：X+禁止X禁止Y+禁止Y禁止手动X+运行手动X运行手动Y+运行手动Y运行
PA口低四位反映触发中断14行程开关状态
PC口低6位反映触发中断2手动X+运行手动X运行手动Y+运行手动Y运行复位（RST）圆弧插补6开关状态
32 驱动系统
传动驱动部分包括步进电机驱动电磁铁驱动步进电机须满足快速急停定位退刀时快速运行工作时带动工作台克服外力（切削力摩擦力）指令速度运行定位退刀时电磁铁吸合绘笔抬起绘图时时释放磁力笔尖压
321 步进电机驱动电路工作原理
步进电机速度控制较容易实现需反馈电路设计时脉量001mm步进电机走步工作台直线行进001mm
步进电机驱动电路中采光电偶合器具较强抗干扰性具保护CPU作功放电路出现障时会电压加CPU烧坏
图34 步进电机驱动电路图
该电路中功放电路单电压功率放电路A相电时电动机转动步电路中绕组联二极D起续流作功放截止储存绕组中量通二极形成续流回路泄放保护功放绕组W串联电阻限流电阻限制通绕组电流超额定值免电动机发热厉害烧坏
步进电机采三相六拍工作方式（三线圈ABC）正转通电序：AABBBCCCAA反转通电序：AACCCBBBAA
步进时钟
A相波形
B相波形
C相波形
图35 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）
322 电磁铁驱动电路
该驱动电路采光电偶合器功放电路相简单光电偶合部分采达林顿驱动电磁铁电流较
图36 电磁铁驱动电路
323 电源设计
两电机时工作加控制系统电需电源容量较需选择容量电源系统中电源电压27V12V5V便理电源容量需求采标准27V电源作基准通芯片进行电压转换需12V5V电压
图37 电源转换电路图
电路中转换芯片前两电容前面电容起防止激作面电容起滤波作外具体应程中LM7805必须加散热片
33 传感器机界面
步进电机需反馈电路注意工作台超行程必须XY轴方加两行程开关里行程开关作两：（1）防止工作台超行程电机损坏（2）定位4行程开关充传感器
机界面设计准良机交互力般求操作简便界面简洁明系统中9LEDLED1灯亮表示X轴负方禁止通行LED2灯亮表示X轴正方禁止通行LED3灯亮表示Y轴负方禁止通行LED4灯亮表示Y轴正方禁止通行LED5灯亮表示手动工作台X轴负方通行LED6灯亮表示手动工作台X轴正方通行LED7灯亮表示手动工作台Y轴负方通行LED8灯亮表示手动工作台Y轴正方通行LED9亮表示系统通电运行
界面7扭意义：扭1通断电开关扭2X轴负方运行点动开关扭3X轴正方运行点动开关扭4Y轴负方运行点动开关扭5Y轴正方运行点动开关扭6复位开关扭7执行绘制圆弧开关
图38 机界面图
34 章节
章着重介绍数控工作台控制系统硬件设计CPU板介绍CPU选择外围接口设计控制流程驱动系统介绍步进电机电磁铁驱动电路设计外叙述机界面扭LED意义
四控制系统软件设计
41 总体方案
AT89S51程序设计需实现功较简单采汇编形式编译器采Keil 702b该编译器51系列单片机程序设计常工具汇编支持C语言编译时具完善调试功
42 流程图
电复位
P160吸合电磁铁绘笔抬起
外部中断8155初始化
开外部中断开总中断
等中断
CTL EQU 3FF8H
PA EQU 3FF9H
PB EQU 3FFAH
PC EQU 3FFBH
CMD EQU 02H
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0003H
AJMP INT0IS 外部中断0入口
ORG 000BH
AJMP TM0IS 定时器0中断入口
ORG 0013H
AJMP INT1IS 外部中断1入口
ORG 001BH
AJMP TM1IS 定时器1中断入口
ORG 0100H
MAIN：ANL P10EFH
SETB IT0 外中断负跳触发
图41 SETB IT1
MOV ACTL
MOV DPTRA
MOVX @DPTRCMD
A口输入B口输出C口输入
SETB EX0 允许外中断0
SETB EX1 允许外中断1
SETB PX0
SETB PX1 设置优先级
SETB EA 开总中断
LOOP：AJMP LOOP 等中断
等中断程中果中断先检查中断0状态中断0进入中断0中断服务INT0IS中断1进入中断1中断服务INT1IS
中断服务04行程开关触发触发通单片机读取PA口容然结果反馈PB口LED
中断服务16中断源六中断源分手动X正方运行手动X负方运行手动Y正方运行手动Y负方运行复位绘制圆弧
43 INT0中断服务流程图
INT0IS：PUSH ACC
PUSH DPTL
PUSH DPTH
PUSH PSW
MOV APA
MOV DPTRA
MOVX A@DPTR 读PA口容
MOV R2A
MOV APB
MOV DPTRA
MOV @DPTRR2
MOV AR2
CPL A A取反
ANL A#03H 屏蔽高6位
JZ ATM2C
SETB P10
SETB P11
SETB P12
TM2C： MOV AR2
CPL A
ANL A#0CH
JZ ARETIN
SETB P13
图42 SETB P14
SETB P15
RETIN：POP PSW
POP DPTH
POP DPTL
POP ACC
RETI
44 INT1中断服务流程图
INT1IS：CLR EX1 MOV A@DPTR
PUSH ACC JNB ACC4RST
PUSH PSW JNB ACC0X+EN
PUSH DPTL JNB ACC1XEN
PUSH DPTH JNB ACC2Y+EN
CLR P16 JNB ACC3YEN
MOV APC JNB ACC5ARC
MOV DPTRA LOOP1：POP DPTH
MOVX A@DPTR读PC口容 POP DPTL
MOV R1A POP PSW
ANL R1#0FH POP ACC
MOV APB SETB EX1
MOV DPTRA RETI
MOV A@DPTR读PB口容
ANL A#0FH
SWAP A
ORL AR1
MOV R2A
MOV APB
MOV DPTRA
MOVX @DPTRR2数输入PB口
INC DPTL
441 复位程序流程图
DIRX EQU 30H
DIRY EQU 31H
RST： CLR P16
RPA： MOV APA
MOV DPTRA
MOVX A@DPTR 读PA口容
JNB ACC0ACC2
MOV DIRX#00H 表X电机反转
ACALL XMOTOR0 X电机反转步
ACC2： JNB ACC2LOOP0
MOV DIRY#00H 表Y电机反转
ACALL YMOTOR0 Y电机反转步
AJMP RPA
LOOP0：AJMP LOOP1
442 X轴电机点动正转程序流程图
X+EN： CLR P16
MOV APA
MOV DPTRA
MOVX A@DPTR
JNB ACC0LOOP2
MOTOR0： MOV DIRX#01H
ACALL XMOTOR0
MOV APC
MOV DPTRA
MOV A@DPTR
JNB ACC0MOTOR0
LOOP2： AJMP LOOP1
X轴电机点动正转程序X轴电机点动反转Y轴电机点动正转Y轴电机点动反转次类推
443 绘制圆弧程序流程图
图46 逐点较法画圆弧
逐点较法原理：假设画圆弧第象限圆心坐标（00）圆弧点坐标（XY）圆弧半径R点坐标偏差FX*X+Y*YR*RF＞0应X轴负方走步时FX（X1）*（X1）+Y*YR*RF2X+1XX1F＜0应Y轴正方走步时FYX*X+（Y1）*（Y1）R*RF+2Y+1YY+1插补程序见附录
444 步进电机步进步程序流程图
图47 步进电机步进步程序流程图
DEF EQU 12H SJMP LP3
MOV DEF#00H TAB： DB FEH
XMOTOR1：JNE DIRX#01HXMOTOR0 DB FCH
JNE DEF#05HLP2 DB FDH
CLR DEF DB F9H
LP2： MOV ADEF DB FBH
INC DEF DB FAH
LP3： MOV DPTR#TAB
MOVC A@A+DPTR
ANL P1A
ACALL DELAY
RET
XMOTOR0：JNE DEF#00HLP4
MOV A#05H
MOV DEFA
LP4： MOV ADEF
DEC DEF
五附录
参 考 文 献
[1] 郑学坚周斌微型计算机原理应清华学出版社2003
[2] 李广弟朱月秀王秀山单片机基础北京航空航天学出版社2001
[3] 房翠单片微型计算机机电接口技术国防工业出版社2002
[4] 王明 电动机单片机控制 北京航空航天学出版社2002
[5] 李建勇机电体化技术科学出版社2004
[6] 王爱玲白恩远赵学良现代数控机床国防工业出版社2001
[7] 徐灏机械设计手册（3）机械工业出版社2003
[8] 张建民机电体化系统设计北京理工出版社2004
[9] 徐灏等机械设计手册[M]北京机械工业出版社2000
[10] 濮良贵 记名刚机械设计[M]北京高等教育出版社2003
[11] 吴振彪机电综合设计指导[M]湛江湛江海洋学1999
[12]杨入清现代机械设计—系统结构[M]海海科学技术文献出版社2000
[13]张立勋孟庆鑫张瑜机电体化系统设计[M]哈尔滨哈尔滨工程学出版社2000
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姓 名
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文题目 XY数控工作台设计
2011年X月X日
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文建议成绩：
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年 月 日
文综合成绩：
答辩组长签名： 院系盖章：
年 月 日
学校考办意见：
目 录
摘…………………………………………………………………………4
Abstrct………………………………………………………………………4
引言…………………………………………………………………………6
第1章 总体设计方案………………………………………………………5
11 设计务…………………………………………………………………7
12 总体方案确定……………………………………………………………7
第2章 机械设计系统………………………………………………………9
21 工作台外型尺寸重量测量……………………………………………9
22滚动导轨参数确定……………………………………………………9
23滚丝杠设计计算……………………………………………………10
24步电机选…………………………………………………………12
25确齿轮传动…………………………………………………………13
26确定齿轮模数关尺寸………………………………………………13
27步进电机惯性负载计算………………………………………………13
第3章 制系统硬件设计……………………………………………………15
31 CPU板…………………………………………………………………15
32 驱动系统………………………………………………………………17
33 传感器机界面……………………………………………………19
34 章结………………………………………………………………19
第4章 制系统软件设计……………………………………………………20
41总体方案…………………………………………………………………20
42流程图…………………………………………………………………20
43 INT0中断服务流程图…………………………………………………21
44 INT1中断服务流程图…………………………………………………22
第5章 附录………………………………………………………………27
摘
数控车床称数字控制（Numbercal control简称NC）机床基数字控制采数控技术装程序控制系统机床次设计包括系统运动方式伺服系统计算机系统XY工作台传动方式该控制系统采MCS51系统兼容At89S51单片机控制系统特点集成度高性功强速度快较高性价
控制系统微机部分键盘LEDIO接口光电偶合电路步进电机电磁铁功率放器电路等组成系统加工程序控制命令通键盘操作实现LED显示数控工作台状态保证定传动精度稳性求结构紧凑选丝杠螺母传动副提高传动刚度消间隙采预加负荷结构
关键词：丝杠螺母传动副双V形滚珠导轨齿轮降速传动
Abstract
CNC lathe also called numerical control (NC) Numbercal control referred to machine tools It is based on digital control using a numerical control technology is containing a program control system of machine tools This design including the system mode of motion servo system the computer system and the xy table transmission ways The control system adopted and MCS 51 system compatible At89S51 control system Its main characteristic is integration good reliability high speed the function is strong have higher ratio
Control system by computer parts keyboard LED IO interface photoelectric coupled circuit stepping motor electromagnet power amplifier circuit etc The processing procedures and control system by keyboard operation command realization LED display nc workbench state To ensure that certain transmission precision and stability and asked for compact structure so choose screw nut transmission vice In order to improve the transmission the rigidity and eliminate clearance gets the structure of add load
Key Words Screw nut transmission vice Double vshaped ball guide Gears drop speed transmission
引言
现代科学技术断发展极推动学科交叉渗透导致工作领域技术革命改造机械工程领域微电子技术计算机技术迅速发展机械工业渗透形成机电体化机械工业技术机构产品机构功构成生产方式理体系发生巨变法工业生产机械电气化迈入机电体化特征发张阶段
XY数控工作台许机电体化设备基部件数控车床—横进刀机构数控铣床数控钻床XY工作台激光加工设备工作台电子元件表面贴装设备等模块化XY数控工作台通常导轨座移动滑块工作滚珠丝杠螺母副伺副电动机等部件构成中伺服电动机做执行元件驱动滚珠丝杠滚珠丝杆螺母带动滑块工作台导轨运动完成工作台XY方直线运动导轨副滚珠丝杠螺母副伺副电动机等均标准化专门厂家生产设计时根工作载荷选取均控制系统根需选取标准工作控制计算机设计专微机控制系统
总体方案设计
11 设计务
设计数控XY工作台控制系统该工作台铣床坐标孔加工腊摸塑料铝合金零件二维曲线加工重复定位精度±001mm定位精度0025mm
设计参数：负载重量G150N台面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm长度L388mm工作台加工范围X55mmY50mm工作台快移速度1mmin
12 总体方案确定
（1）系统运动方式伺服系统
工件移动程中没进行切削应点位控制系统定位方式采增量坐标控制简化结构降低成采步进电机开环伺服系统驱动XY工作台
（2）计算机系统
设计采MCS51系列兼容AT89S51单片机控制系统特点集成度高性功强速度快较高性价
控制系统微机部分键盘LEDIO接口光电偶合电路步进电机电磁铁功率放器电路等组成系统加工程序控制命令通键盘操作实现LED显示数控工作台状态
（3）XY工作台传动方式
保证定传动精度稳性求结构紧凑选丝杠螺母传动副提高传动刚度消间隙采预加负荷结构
工作台运动载荷采预加载荷双V形滚珠导轨采滚珠导轨减少两相运动面动静摩擦系数差提高运动稳性减振动
考虑电机步距角丝杆导程标准选取达分辨率求需采齿轮降速传动
图11 系统总体框图
二机械系统设计
21工作台外形尺寸重量估算
X拖板（拖板）尺寸：
长宽高 145×160×50
重量：重量体积×材料重估算
N
Y拖板（拖板）尺寸：
重量：约90N
导轨座（连电机）重量：
夹具工件重量：约150N
XY工作台运动部分总重量：约287N
22滚动导轨参数确定
⑴导轨型式：圆形截面滚珠导轨
⑵导轨长度
①导轨（X）
取动导轨长度
动导轨行程
支承导轨长度
②导轨（Y）
选择导轨型号：GTA16
⑶直线滚动轴承选型
①导轨
②导轨
系统负载相较查表出LM10UUOP型直线滚动轴承额定动载荷370N实际动负载考虑济性等素选择LM16UUOP型直线滚动轴承采双排两列4直线滚动轴承实现滑动台支撑
⑷滚动导轨刚度预紧方法
工作台复移动时工作台压两端滚动体压力会发生变化受力滚动体变形受力滚动体变形导轨位置Ⅰ时两端滚动体受力相等工作台保持水导轨移动位置ⅡⅢ时两端滚动体受力相等变形致工作台倾斜α角造成误差外滚动体支承工作台工作台刚度差重载荷作产生弹性变形会工作台凹（时出现波浪形）影响导轨精度
23滚珠丝杠设计计算
滚珠丝杠负荷包括铣削力运动部件重量引起进抗力应铣削时情况计算
⑴动负载Q计算
查表系数寿命值
查表寿命时间T15000h初选丝杠螺距t4mm丝杠转速
X丝杠牵引力
Y丝杠牵引力
动负荷
X
Y
查表取滚珠丝杠公称直径 选滚珠丝杠螺母副 型号 SFK1004额定动载荷390N足够
⑵滚珠丝杠螺母副参数计算
表21 滚珠丝杠螺母副参数
名 称
符 号
计算公式结果
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
螺杆径
螺杆接触直径
螺母
螺母螺纹外径
螺母径（外循环）
见表21
⑶传动效率计算
式中：——摩擦角——丝杠螺纹升角
⑷刚度验算
滚珠丝杠受工作负载P引起导程变化量
ΔL1±PL0EF
Y受牵引力应Y参数计算
ΔL₁±（247×05）（206×10⁴×05）±12×10⁴
丝杠受扭矩引起导程变化量ΔL₁忽略
导程总误差
ΔSΔL×100Lο3(μmm)
查表知E级精度丝杠允许误差刚度足够
⑸稳定性验算
丝杠两端采止推轴承需稳定性验算
24步进电机选
⑴步进电机步距角
取系统脉量初选步进电机步距角
⑵步进电机启动力矩计算
设步进电机等效负载力矩T负载力P根量守恒原理电机做功负载力做功关系
式中： ——电机转角 ——移动部件相应位移 ——机械传动效率
取
式中： ——移动部件负载（N）G——移动部件重量（N） ——重量方致作移动部件负载力（N） ——导轨摩擦系数——步进电机步距角（rad）T——电机轴负载力矩(N·cm)
例中取（淬火钢滚珠导轨摩擦系数）丝杠牵引力考虑重力影响Y电机负载较取
T133(N·cm)
考虑启动时运动部件惯性影响启动力矩
取安全系数03 Tq442(N·cm)
工作方式三相六拍三相步进电机
(N·cm)
⑶步进电机高工作频率
查表选两45BF005Ⅱ型步进电机电机关参数见表22
表22 步进电机参数
型 号
技术数
外形尺寸
重量
步距角
静转距
高空载启动频率()
相数
电压
电流
外径
长度
轴径
45BF005Ⅱ
1．5
196
3000
3
27
25
45
58
4
11
25确定齿轮传动
步进电机步距角滚珠丝杠螺距 实现脉量传动系统中应加齿轮降速传动齿轮传动
选
26确定齿轮模数关尺寸
传递扭距较取模数齿轮关尺寸见表33
27步进电机惯性负载计算
表23 齿轮尺寸
17
28
17
19
145
5
28
30
255
5
175
根等效转动惯量计算公式
式中： ——折算电机轴惯性负载（㎏·c㎡） ——步进电机转轴转动惯量（㎏·c㎡）——齿轮 转动惯量（㎏·c㎡）——齿轮 转动惯量（㎏·c㎡）——滚珠丝杠转动惯量（㎏·c㎡）M——移动部件质量（）
式中：D——圆柱零件直径（cm）L——零件长度（cm）
电机轴转动惯量忽略
惯性匹配较符合求
三控制系统硬件设计
XY数控工作台控制系统硬件包括CPU传动驱动传感器机交互界面
硬件系统设计时应注意点：电机运转稳响应性造价低维护性机交互界面操作性较
31 CPU板
311 CPU选择
着微电子技术水断提高单片微型计算机飞跃发展单片机型号目前市场应MCS51芯片派生兼容芯片较目前应广8位单片机89C51价格低廉性优良功强
复杂系统中考虑16位单片机MCS96系列单片机广泛应伺服系统变频调速等类求实时处理控制系统具较强运算扩展力定位合理单片机节约资源获较高性价
设计系统选较老8051单片机需拓展程序存储器数存储器疑提高设计价格选高性16位MCS96显浪费生产基51核单片机厂家IntelATMELSimens中CMOS器件生产领域ATMEL公司工艺封装技术直处领先位ATMEL公司AT89系列单片机含Flash存储器程序开发程中十分容易进行程序修改时掉电影响信息保存80C51插座兼容采静态时钟方式节省电
硬件CPU选AT89S51AT表示ATMEL公司产品9表示含Flash存储器S表示含串行载Flash存储器
AT89S51性参数：Flash存储器容量4KB16位定时器2中断源6（门狗中断接收发送中断外部中断0外部中断1定时器0定时器1中断）RAM128B14位计数器WDTIO口32
312 CPU接口设计
CPU接口部分包括传感器部分传动驱动部分机交互界面三部分示意图示：（行程开关）
前通道
传动驱动
（电磁铁）
（步进电机）
机界面
传感器
AT89S51
（键盘LED）
通道
图31 CPU外部接口示意图
AT89S51完成务：
（1）行程开关状态读入CPU通中断进行处理优先级高
（2）通程序实时控制电机电磁铁运行
（3）接受键盘中断指令响应指令前行程开关状态键盘状态反应LED实现机交互作
AT89S51P1口P3口准双口P3口第二功系统中第二功中断口进行IO扩展考虑电路简便性实现性实际中采部带锁存器8155AT89S51IO口线分配：
（1）P10P15控制XY两方步进电机ABC线圈通电形成AABBBCCCAA三相六拍正转模式AACCCBBBAA反转模式
（2）P16口输出控制电磁铁吸合
（3）P32P33两中断源中INT0优先级高读入行程开关状态触发中断INT1读入点动复位圆弧插补开关状态触发中断
（4）P00P07外部IO扩展数读取
（5）P27P26决定8155PAPBPC口址
P10P12
驱动1
X步进电机
驱动2
Y步进电机
P13P15
P16
驱动3
P32
外部中断1
P33
外部中断2
P00P07
AD0~AD7
P27
CE
P26
IOM
PB 口
PA口
PC口
AT89S51
键盘
电磁铁
8155
图32 AT89S51控制系统图
PB口接LED反映前运行8状态：X+禁止X禁止Y+禁止Y禁止手动X+运行手动X运行手动Y+运行手动Y运行
PA口低四位反映触发中断14行程开关状态
PC口低6位反映触发中断2手动X+运行手动X运行手动Y+运行手动Y运行复位（RST）圆弧插补6开关状态
32 驱动系统
传动驱动部分包括步进电机驱动电磁铁驱动步进电机须满足快速急停定位退刀时快速运行工作时带动工作台克服外力（切削力摩擦力）指令速度运行定位退刀时电磁铁吸合绘笔抬起绘图时时释放磁力笔尖压
321 步进电机驱动电路工作原理
步进电机速度控制较容易实现需反馈电路设计时脉量001mm步进电机走步工作台直线行进001mm
步进电机驱动电路中采光电偶合器具较强抗干扰性具保护CPU作功放电路出现障时会电压加CPU烧坏
图34 步进电机驱动电路图
该电路中功放电路单电压功率放电路A相电时电动机转动步电路中绕组联二极D起续流作功放截止储存绕组中量通二极形成续流回路泄放保护功放绕组W串联电阻限流电阻限制通绕组电流超额定值免电动机发热厉害烧坏
步进电机采三相六拍工作方式（三线圈ABC）正转通电序：AABBBCCCAA反转通电序：AACCCBBBAA
步进时钟
A相波形
B相波形
C相波形
图35 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）
322 电磁铁驱动电路
该驱动电路采光电偶合器功放电路相简单光电偶合部分采达林顿驱动电磁铁电流较
图36 电磁铁驱动电路
323 电源设计
两电机时工作加控制系统电需电源容量较需选择容量电源系统中电源电压27V12V5V便理电源容量需求采标准27V电源作基准通芯片进行电压转换需12V5V电压
图37 电源转换电路图
电路中转换芯片前两电容前面电容起防止激作面电容起滤波作外具体应程中LM7805必须加散热片
33 传感器机界面
步进电机需反馈电路注意工作台超行程必须XY轴方加两行程开关里行程开关作两：（1）防止工作台超行程电机损坏（2）定位4行程开关充传感器
机界面设计准良机交互力般求操作简便界面简洁明系统中9LEDLED1灯亮表示X轴负方禁止通行LED2灯亮表示X轴正方禁止通行LED3灯亮表示Y轴负方禁止通行LED4灯亮表示Y轴正方禁止通行LED5灯亮表示手动工作台X轴负方通行LED6灯亮表示手动工作台X轴正方通行LED7灯亮表示手动工作台Y轴负方通行LED8灯亮表示手动工作台Y轴正方通行LED9亮表示系统通电运行
界面7扭意义：扭1通断电开关扭2X轴负方运行点动开关扭3X轴正方运行点动开关扭4Y轴负方运行点动开关扭5Y轴正方运行点动开关扭6复位开关扭7执行绘制圆弧开关
图38 机界面图
34 章节
章着重介绍数控工作台控制系统硬件设计CPU板介绍CPU选择外围接口设计控制流程驱动系统介绍步进电机电磁铁驱动电路设计外叙述机界面扭LED意义
四控制系统软件设计
41 总体方案
AT89S51程序设计需实现功较简单采汇编形式编译器采Keil 702b该编译器51系列单片机程序设计常工具汇编支持C语言编译时具完善调试功
42 流程图
电复位
P160吸合电磁铁绘笔抬起
外部中断8155初始化
开外部中断开总中断
等中断
CTL EQU 3FF8H
PA EQU 3FF9H
PB EQU 3FFAH
PC EQU 3FFBH
CMD EQU 02H
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0003H
AJMP INT0IS 外部中断0入口
ORG 000BH
AJMP TM0IS 定时器0中断入口
ORG 0013H
AJMP INT1IS 外部中断1入口
ORG 001BH
AJMP TM1IS 定时器1中断入口
ORG 0100H
MAIN：ANL P10EFH
SETB IT0 外中断负跳触发
图41 SETB IT1
MOV ACTL
MOV DPTRA
MOVX @DPTRCMD
A口输入B口输出C口输入
SETB EX0 允许外中断0
SETB EX1 允许外中断1
SETB PX0
SETB PX1 设置优先级
SETB EA 开总中断
LOOP：AJMP LOOP 等中断
等中断程中果中断先检查中断0状态中断0进入中断0中断服务INT0IS中断1进入中断1中断服务INT1IS
中断服务04行程开关触发触发通单片机读取PA口容然结果反馈PB口LED
中断服务16中断源六中断源分手动X正方运行手动X负方运行手动Y正方运行手动Y负方运行复位绘制圆弧
43 INT0中断服务流程图
INT0IS：PUSH ACC
PUSH DPTL
PUSH DPTH
PUSH PSW
MOV APA
MOV DPTRA
MOVX A@DPTR 读PA口容
MOV R2A
MOV APB
MOV DPTRA
MOV @DPTRR2
MOV AR2
CPL A A取反
ANL A#03H 屏蔽高6位
JZ ATM2C
SETB P10
SETB P11
SETB P12
TM2C： MOV AR2
CPL A
ANL A#0CH
JZ ARETIN
SETB P13
图42 SETB P14
SETB P15
RETIN：POP PSW
POP DPTH
POP DPTL
POP ACC
RETI
44 INT1中断服务流程图
INT1IS：CLR EX1 MOV A@DPTR
PUSH ACC JNB ACC4RST
PUSH PSW JNB ACC0X+EN
PUSH DPTL JNB ACC1XEN
PUSH DPTH JNB ACC2Y+EN
CLR P16 JNB ACC3YEN
MOV APC JNB ACC5ARC
MOV DPTRA LOOP1：POP DPTH
MOVX A@DPTR读PC口容 POP DPTL
MOV R1A POP PSW
ANL R1#0FH POP ACC
MOV APB SETB EX1
MOV DPTRA RETI
MOV A@DPTR读PB口容
ANL A#0FH
SWAP A
ORL AR1
MOV R2A
MOV APB
MOV DPTRA
MOVX @DPTRR2数输入PB口
INC DPTL
441 复位程序流程图
DIRX EQU 30H
DIRY EQU 31H
RST： CLR P16
RPA： MOV APA
MOV DPTRA
MOVX A@DPTR 读PA口容
JNB ACC0ACC2
MOV DIRX#00H 表X电机反转
ACALL XMOTOR0 X电机反转步
ACC2： JNB ACC2LOOP0
MOV DIRY#00H 表Y电机反转
ACALL YMOTOR0 Y电机反转步
AJMP RPA
LOOP0：AJMP LOOP1
442 X轴电机点动正转程序流程图
X+EN： CLR P16
MOV APA
MOV DPTRA
MOVX A@DPTR
JNB ACC0LOOP2
MOTOR0： MOV DIRX#01H
ACALL XMOTOR0
MOV APC
MOV DPTRA
MOV A@DPTR
JNB ACC0MOTOR0
LOOP2： AJMP LOOP1
X轴电机点动正转程序X轴电机点动反转Y轴电机点动正转Y轴电机点动反转次类推
443 绘制圆弧程序流程图
图46 逐点较法画圆弧
逐点较法原理：假设画圆弧第象限圆心坐标（00）圆弧点坐标（XY）圆弧半径R点坐标偏差FX*X+Y*YR*RF＞0应X轴负方走步时FX（X1）*（X1）+Y*YR*RF2X+1XX1F＜0应Y轴正方走步时FYX*X+（Y1）*（Y1）R*RF+2Y+1YY+1插补程序见附录
444 步进电机步进步程序流程图
图47 步进电机步进步程序流程图
DEF EQU 12H SJMP LP3
MOV DEF#00H TAB： DB FEH
XMOTOR1：JNE DIRX#01HXMOTOR0 DB FCH
JNE DEF#05HLP2 DB FDH
CLR DEF DB F9H
LP2： MOV ADEF DB FBH
INC DEF DB FAH
LP3： MOV DPTR#TAB
MOVC A@A+DPTR
ANL P1A
ACALL DELAY
RET
XMOTOR0：JNE DEF#00HLP4
MOV A#05H
MOV DEFA
LP4： MOV ADEF
DEC DEF
五附录
参 考 文 献
[1] 郑学坚周斌微型计算机原理应清华学出版社2003
[2] 李广弟朱月秀王秀山单片机基础北京航空航天学出版社2001
[3] 房翠单片微型计算机机电接口技术国防工业出版社2002
[4] 王明 电动机单片机控制 北京航空航天学出版社2002
[5] 李建勇机电体化技术科学出版社2004
[6] 王爱玲白恩远赵学良现代数控机床国防工业出版社2001
[7] 徐灏机械设计手册（3）机械工业出版社2003
[8] 张建民机电体化系统设计北京理工出版社2004
[9] 徐灏等机械设计手册[M]北京机械工业出版社2000
[10] 濮良贵 记名刚机械设计[M]北京高等教育出版社2003
[11] 吴振彪机电综合设计指导[M]湛江湛江海洋学1999
[12]杨入清现代机械设计—系统结构[M]海海科学技术文献出版社2000
[13]张立勋孟庆鑫张瑜机电体化系统设计[M]哈尔滨哈尔滨工程学出版社2000
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