摘要
我设计的是车床XY轴工作台和控制系统，采用单片机控制步进电动机驱动工作台。首先确定设计的总体方案，然后对车床的机械部分进行设计，其中包括工作台、滚动导轨、滚珠丝杠、步进电动机的设计和选用，最后对数控系统硬件和软件设计。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。
关键词：
数控车床 XY工作台 控制系统
前言
一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状
在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。
（一）数控技术的发展趋势。
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业化的象征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:
(1) 高速、高精加工技术及装备的新趋势
(2) 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展
(3) 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
（二）对我国数控技术及其产业发展的基本估计
我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是经过4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。
（三）对我国数控技术和产业化发展的战略思考
(1) 战略考虑。我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所以 ,我们 应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定;其次从国防安全看 ,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。
(2)发展策略。从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。
一、毕业设计的目的、意义
《机电一体化系统设计》毕业设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，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：
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；
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，和软件编程思想；
通过毕业设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。
二、毕业设计的内容
（一）毕业设计题目：单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。
已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击
工作台的有效行程为
快速进给速度
和工作载荷
三、数控系统总体方案的确定
数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。
（一）系统运动方式的确定
该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。
（二）伺服系统的选择
开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。
考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。
（三）计算机系统的选择
采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。
（四） X—Y工作台的传动方式
为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。
由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。
考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图如下:
图3-1
四、机械部分设计
机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。
（一 ）确定系统脉冲当量
脉冲当量δp是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为±0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。
（二）工作台外形尺寸及重量初步估算
根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。
取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:
图4-1
X向拖板(上拖板)尺寸为:
长*宽*高=420*410*50
重量:按重量=体积*材料比重估算为:
= 
Y向拖板(下拖板)尺寸为: 
重量
=
上导轨(含电机)重量为
夹具及工件重量:约155N
X-Y工作台运动部分总重量为:
（三）滚动导轨副的计算、选择
根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般运行状况)，3.0~5.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：
因系统受中等冲击,因此取
根据计算额定静载荷初选导轨:
选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25
基本参数如下: 表4-1
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额定载荷/N
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静态力矩/N*M
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滑座重量
|
导轨重量
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导轨长度
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动载荷
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静载荷
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|
|
|
|
|
L
(mm)
|
|
17500
|
26000
|
198
|
198
|
288
|
0.60
|
3.1
|
760
|
|
滑座个数
|
单向行程长度
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每分钟往复次数
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M
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|
|
|
4
|
0.6
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4
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
导轨的额定动载荷
N
依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：
额定行程长度寿命:
（4-1）
导轨的额定工作时间寿命:
(4-2)
导轨的工作寿命足够.
（四）滚珠丝杠计算、选择
初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC58~60，导程：l0=5mm
强度计算
丝杠轴向力：
(N) (4-3)
其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；在车床车削外圆时：Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。
取f=0.004,
则:
寿命值：
，其中丝杠转速
(r/min) (4-4)
最大动载荷：
式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。
查表得中等冲击时
则:
根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。
其额定动载荷为14205N> 
足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.
滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表
表4-2
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名称
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计算公式
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结果
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公称直径
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――
|
20mm
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螺距
|
――
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５mm
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接触角
|
――
|
|
|
钢球直径
|
――
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3.175mm
|
|
螺纹滚道法向半径
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|
1.651mm
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偏心距
|
|
0.04489mm
|
|
螺纹升角
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|
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螺杆外径
|
|
19.365mm
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|
螺杆内径
|
|
16.788mm
|
|
螺杆接触直径
|
|
17.755mm
|
|
螺母螺纹外径
|
|
23.212mm
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|
螺母内径（外循环）
|
|
20.7mm
|
传动效率计算
丝杠螺母副的传动效率为：
(4-5)
式中：φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。
稳定性验算
丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。
刚度验算
滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：
(cm) (4-6)
Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算
丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差Δ为
E级精度丝杠允许的螺距误差[ Δ]=15μm/m。
（五）齿轮计算、设计
因步进电机步距角滚珠丝杠螺距t=5mm,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： 
，步进电机步距角：α= 1.5˚/step。 (4-7)
取小齿轮齿数 
则大齿轮齿数
大小齿轮材料均为45钢
由于软齿面齿轮工艺简单、生产率高，故选择软齿面齿轮。
因传递的扭距较小,取模数m=1mm则:
分度圆直径:
齿顶圆直径: 
齿根圆直径: 
齿宽: 
取
中心距: 
分度圆压力角: 
大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮
小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙.
双片齿轮错齿消隙结构图如下:
1、2--薄齿轮, 3—弹簧, 4、8—凸耳, 5—调节螺钉, 6、7—螺母
双片齿轮错齿消隙结构图
图4-3
（六）步进电机惯性负载的计算
根据等效转动惯量的计算公式，有：
（1）等效转动惯量的计算
折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：
(4-8)
式中：
为折算到电机轴上的惯性负载；
为步进电机轴的转动惯量；
为齿轮１的转动惯量；
为齿轮２的转动惯量；
为滚珠丝杠的转动惯量；Ｍ为移动部件的质量。
对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：
(4-9)
式中为圆柱零件直径，
为圆柱零件的长度。
所以有：
电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：
（七）步进电机的选用
(１）步进电机启动力矩的计算
设步进电机的等效负载力矩为Ｔ，负载力为Ｐ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：
式中
为电机转角，Ｓ为移动部件的相应位移，
为机械传动的效率。若取
，则Ｓ＝
，且。所以：
(4-10)
式中：
为移动部件负载（N），G为移动部件质量（N），
为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），
为导轨摩擦系数，
为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。
取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），＝０.8，=
=279.23Ｎ。考虑到重力影响，Ｙ向电机负载较大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：
(4-11)
取系数为０.３，则： 
对于工作方式为三相６拍的步进电机：
(２） 步进电机的最高工作频率
为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率
,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.
电机有关参数如下: 表4-3
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型号
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主要技术参数
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|
相数
|
步距角
|
电压
(V)
|
相电流
(A)
|
最大静转矩
(n.m)
|
空载启动频率
|
空载运行频率
|
分配方式
|
|
90BF001
|
4
|
0.9
|
80
|
7
|
3.92
|
2000
|
8000
|
4相8拍
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外形尺寸(mm)
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重量
kg
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转子转动惯量
Kg.m
|
|
外直径
|
长度
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轴直径
|
|
90
|
145
|
9
|
4.5
|
1764
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五、数控系统硬件电路设计
（一）数控系统的硬件电路由以下几部分组成：
1、主控制器。即中央处理单元CPU
2、总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。
3、存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。
4、接口。即I/O输入输出接口。
数控系统的硬件框图如下所示：
图5-1
（二）主控制器ＣＰＵ的选择
ＭＣＳ－５１系列单片机是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用８０３１芯片作为主控芯片。
（三）存储器扩展电路设计
（1）程序存储器的扩展
单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为２k,4k,8k,16k32k。在选择芯片时要考虑ＣＰＵ与ＥＰＲＯＭ时序的匹配。８０３１所能读取的时间必须大于ＥＰＲＯＭ所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择２７６４芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。
于8031芯片的
口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是742S373。
（2）数据存储器的扩展
由于8031芯片内部RAM只有128字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩展片外的数据存储器（RAM）。常用的数据存储器有6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，这里我选用6264(8Kx8)。
（3）译码电路
由于这里扩展的容量较大，扩展多个外围芯片。因此，这里使用译码法来进行编址。译码电路可使用现有的译码芯片，这里我们选用3-8译码器（74LS138）。这种芯片，输入端占用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线，74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。
（4）Ｉ／Ｏ扩展电路设计
(a).通用可编程接口芯片８１５５
８０３１单片机共有４个８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用户使用的只有Ｐ1口及部分Ｐ3 口线。因此要进行Ｉ／Ｏ口的扩展。８１５５与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。
（四）步进电机驱动电路设计
（1）脉冲分配器
步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。
（2）光电隔离电路
在步进待年纪驱动电路中，一般在接口电路与功率放大器之间家上光电隔离电路，实现电气隔离，通常使用光电偶合器作为光电隔离电路。
（3）功率放大器
环型分配器的输出脉冲很小，还远不能满足步进电机的要求，不许将它放大，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，这里采用的功率放大电路如下图所示：
图5-2功率放大器
（五）其它辅助电路设计
（１）８０３１的时钟电路
单片机的时钟可由内部方式产生，内部方式利用芯片内部的振荡电路，在XTA
，XTA
引脚上外接定时元件。如下图所示
图5-3时钟电路
（２）复位电路
单片机的复位电路都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引脚上出现10ms 以上高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000Ｈ单元开始执行程序
图5-4复位电路
六、系统控制软件的设计
（一）系统控制软件的主要内容
数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分：
（1）系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。
（2）零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序的任务。
（3）插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。
（4）伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角以及方向。
（5）诊断程序。包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。
（6）机床的自动加工及手动加工控制程序。
（7）键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。
（二）系统控制功能分析
数控X-Y工作台的控制功能包括：
（1）、系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。
（2）、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。
（3）、输入和显示加工程序。
（4）、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。
（5）、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。
（6）、工作台的自动控制。
（7）、工作台的手动控制。
（8）、工作台的联动控制。
（三）系统管理程序控制
管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。
（四）自动加工程序设计
（1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位→刀具快速进给→加工→退刀→工作台运动到下一位置；
（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工；
