铣床的数控xy工作台设计大学毕设论文.doc

西南科技大学本科生毕业论文

铣床的数控X-Y工作台设计
摘要：随着现代信息技术的发展，以提高产品加工的生产效率为主的高度自动化和提高产品质量为主的精密化成为现代机械加工技术发展的两个主要方向。人们对数控机床、精密仪器和仪表以及各种精密机械设备提出了越来 的精度要求，X-Y工作台是这些设备实现高精密加工的重要部件，对于提高产品的加工起着尤为重要的作用。本论文针对铣床工作台机构及其控制系统进行设计，主要包括伺服电动机的选型，滚珠丝杠的选型、强度校核及生产设计中应注意的问题,连接电机和滚珠丝杠副的联轴器的选型，导轨的设计。根据系统的功能要求，选择数控系统的CPU，同时还需要扩展程序存储器、数据存储器以及步进电机驱动器的选择。

关键词：X-Y工作台； 滚珠丝杠； 步进电机

IV
西南科技大学本科生毕业论文

The design of CNC milling machine system XY workbench and control system

Abstract：With the development of modern information techniques, the high automation with the main purpose of improving the production efficiency of product process and the accuracy with the accuracy with the main aim of improving the quality of product have been becoming the two major directions of the modern technique of mechanical process. People on the CNC machine tools, precision instruments and meters and all kinds of sophisticated machinery and equipment raised higher and higher precision, X-Y workbench is that important components of these high-precision machining equipment to achieve the core components, for improving the quality of processed products play the particularly important role.The entire mechanical transmission chain for the system design,servo motor related to the selection, the selection of ball screws, checking strength and production design should pay attention to the problem of connecting the servo motor and the ball screw of the axis. The Telection and Verification, bearing pieces bearing the design, rail and rack design. According to the function requirement of system, the selection of the CNC system CPU. It would also need to expand the program memory、data memory and the choice of stepper motor drive power.Through the table mechanical transmission chain system design to meet the machine into the system to the positioning accuracy and static and dynamic performance, so as to ensure the accuracy of processing machine.

Key words: The X-Y workbench , Ball screw,stepper motor

.

目 录
第1章 绪 论 1
1.1 X-Y工作台的研究背景 1
1.2 X-Y工作台的研究意义 1
1.3国内外研究现状 2
第2章 设计任务及方案 3
2.1工作台设计任务 3
2.2机械传动部件的选择 3
2.2.1导轨的选用 3
2.2.2丝杠螺母的选择 3
2.2.3电机的选用 3
2.3控制部分部件的设计 4
第3章 机械传动部分的设计计算 5
3.1 确定系统的脉冲当量 5
3.2 工作台外形尺寸及重量初步估算 5
3.3 铣削力和工作载荷的计算 6
3.4滚动直线导轨的计算选择 7
3.4.1导轨副的载荷计算 7
3.4.2导轨副的选型和安装 9
3.5滚珠丝杠副的计算选型 11
3.5.1最大工作载荷的计算 11
3.5.3滚珠丝杠副的选型 12
3.5.4传动效率的计算 13
3.5.5稳定性的计算 14
3.5.6滚珠丝杠副刚度的计算 14
3.5.7滚珠丝杠副临界转速的验算 16
3.6轴承和联轴器的选用 16
3.6.1轴承的选用 16
3.6.2联轴器的选用 17
第4章 电机的计算和选型 19
4.1 步进电机的选择和计算 19
4.1.1计算转动惯量 19
4.1.2计算空载时在步进电机上的负载转矩 20
4.1.3计算最大负载时在步进电机上的负载转矩 21
4.1.4步进电机的校核 23
4.1.5步进电机的安装 24
4.2 步进电机驱动器的选择 24
第5章 控制电路设计 26
5.1控制部分总体方案 26
5.1.1 绘制系统电气控制的结构框图 26
5.1.2选择中央处理单元CPU的类型 27
5.1.3存储器扩展电路设计 27
5.1.4 I/O即输入/输出接口电路设计 27
5.2 MCS-51系列单片机简介 27
5.2.1 8031单片机的简介 27
5.2.2 8031单片机的基本特征 28
5.2.3 8031芯片引脚及其功能 28
5.3 程序存储器扩展电路的设计 30
5.3.1 2764芯片介绍 30
5.3.2 2764芯片和引脚 31
5.3.3地址锁存器 32
5.4 数据存储器的扩展 33
5.4.1常用的数据存储器6264及其引脚 33
5.4.2 6264数据存储器扩展图 35
5.5 I/O口的扩展 35
5.6 键盘显示器的电路设计 37
5.6.1显示接口电路设计 37
5.6.2键盘接口电路设计 39
5.7 其他辅助电路 39
5.7.1 8031的时钟电路 39
5.7.2 复位电路 39
5.7.3行程限位电路 40
第6章 控制软件设计 41
6.1.系统控制功能分析 41
6.2.步进电机自动进给程序 41
总 结 43
致 谢 44
参考文献 45
附录1 46

西南科技大学本科生毕业论文
第1章 绪 论
1.1 X-Y工作台的研究背景
现在社会和科技的发展越来越快，人们对机械产品的数量和质量要求上日益变高，制造业也在追求在生产力和生产效率上得到巨大的突破。而想要满足人们的要求，实现机械设备的自动化显得越来越重要。在航天、军工、食品加工机械等行业产品，单件小批量生产的零件占到了主导地位，基本占到了机械加工总量的80%。
面对着产品竞争十分激烈的现在，要让产品改型和更新更快和有力，采用自动机床、组合机床和专用机床为主体的自动生产线，用多刀多工位加工的实现的高度自动化生产，显得尤其笨重，不仅不适合小批量生产，而且初期需要的投资巨大。而各类仿形加工虽然适应这种小批量生产，但是还是存在模误差和精度的问题。
1.2 X-Y工作台的研究意义
在没有投资巨大的专业化很高的自动化设备生产情况下，实现机床的数控变得尤为重要。发展起来的数控铣床，和在其基础上的加工中心、柔性加工单元都实现了一定的数字控制，而且数控铣削工艺最复杂，需要解决问题也多，所以现在在研究和设计数控系统时，都以铣削加工为工作重点。而X-Y数控工作台也是数控装置的一种，它很有效的解决了为小批量，精密复杂零件的生产的困难的问题，所以X-Y数控工作台设计对很多行业的发展越来越重要。
制造工业的科技水平和自动化程度影响着人们生活经济水平的发展，而数控设备又是很多尖端技术的最基本的装备，而由微机控制的数控机电一体化产品用于生产，也是必然发展的趋势。X-Y数控工作台，结构简单，实现方便可以保证一定精度，制造成本低，是微机控制的最简单的应用，而且X-Y数控工作台可以用于很多场合，例如，钻数控铣床的X-Y工作台，激光加工的工作台等。甚至对机械传动进行部分的改造，和研究关节臂机器人的基本原理相通。而且现目前，随着经济和时代的发展，机械行业中的很多普通机床都被闲置和淘汰，而加上X-Y数控工作台，或者经过数控改造后，可以重新加入提高精度和生产率的现代生产中来，使它们更有效的发挥经济和设计效益。

1.3国内外研究现状
现在国际的数控机床正朝着，高速高精度、多功能和网络智能化、柔性化方面发展，而数控X-Y数控工作台也会得到巨大的发展。21世纪也是我国经济与国际全面接轨的时期，制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要，来高档机床市场巨大。目前，X-Y工作台发展很快，中国作为制造大国，还是依靠价格、资源和劳动力方面的优势，而在技术创新和自主开发上还存在很大差距，我们应该朝着国际化的脚步，努力缩短差距，解决X-Y数控工作台仍然存在的诸多问题，实现X-Y数控工作台产品从低端到高端的转变。
1.4 数控铣床系统XY工作台设计的目的
使工作台实现数控：让数控机床完成普通机床难以完成的或根本无法加工的复杂零件的加工；提升机床的加工精度、柔性、生产率和操控，实现计算机控制，排除人为误差，使零件的加工一致性好，质量稳定可靠；提升机床自动化程度，降低操作人员劳动强度。
能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论的有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过毕业设计，初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。

48

第2章 设计任务及方案
2.1工作台设计任务
主要技术指标：
（1）铣床立铣刀最大直径d=15mm,立铣刀齿数Z=3,最大铣削宽度，最大背刀量，加工材料为碳素钢。
（2）工作台尺寸：（长×宽）350×300（mm×mm）
（3）工作行程：横向：320mm 纵向：220mm
（4）工作台空载运动速度2000r/min;最快加工速度1000r/min。
（5）工作寿命：按工作6年，每年300天，每天8个小时计算14400h，按15000h进行计算。
（6）定位精度：。
2.2机械传动部件的选择
2.2.1导轨的选用
要设计的X-Y工作台需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高。故可以选用直线滚动导轨，它有摩擦系数小运动灵活的特点，动、静摩擦系数大致基本相同，同时启动的阻力小，不易爬行；刚度高，寿命长；可以达到较高精度，润滑比较方便，由专业厂生产，可外购。
2.2.2丝杠螺母的选择
伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.01mm的脉冲当量和±0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、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。
2.2.3电机的选用
选择步进电动机，它具有快速的启停能力，精度高，可以直接接受数字量等优点。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。有较宽的调速范围，而且可以采用开环控制，电机结构简单，成本较低，可以提高性价比。
而且步进电机可以选择配套的的驱动器可以选用，控制方便。

2.3控制部分部件的设计
（1）控制芯片的选用
数控X-Y工作台作为一个数控系统，就需要有控制系统，本设计采用单片机进行控制，考虑到计算机，体积庞大，对环境要求较高，且价格昂贵，这里不合适使用，单片机控制 系统结构简单，使用方便，实现模块化；单片机可靠性高，处理功能强，速度快。低电压，低功耗，便于生产便携式产品控制功能强，环境适应能力强。单片机控制系统可以完成步进电机的控制要求，而且初选了步进电机的开环控制系统中，选用对于步进电动机的开环控制系统后，选用单片机作为控制系统的控制器，是比较合适选择。要组成完整的系统，单片机还需进行程序存储器，数据存储器，以及I/O口的扩展。
（2）步进电机驱动器的选用
采用步进电机控制丝杠螺母的水平移动，步进电机可以用步进电机的驱动器进行驱动，此处就不用设计步进电机的驱动电路。
（3）硬件电路的设计
硬件电路应该包括以下的几个功能，数控X-Y工作台需要一个输入设备，显示设备，和步进电机控制电路。外部晶振电路和时钟电路也要进行设计，工作台总体硬件结构如图所示：

图2-1 工作台硬件整体方案

第3章 机械传动部分的设计计算
3.1 确定系统的脉冲当量
脉冲当量是指是当控制器输出一个定位控制脉冲时，所产生的定位控制移动的位移。对直线运动来说，是指移动的距离，对圆周运动来说，是指其转动的角度。应小于等于工作台的位置精度，故初步确定系统的精度为0.01mm，系统脉冲当量0.01mm。
3.2 工作台外形尺寸及重量初步估算
（1）工作台尺寸：（长×宽）350×300（mm×mm）
（2）工作行程： 横向：320mm 纵向：220mm

图3-1 工作台机械部分外型
考虑到刚度和强工作台上的T型槽，根据《机械零件切削加工工艺与技术标准实手》冯道版，根据机床工作台的T形槽和相应螺栓(GB/T158-1996)，由选取T型槽尺寸A=5mm B=10mm C=4mm H=10mm 。

图3-2 工作台机械部分外型
估计工作台的重量：

由质量=体积*材料密度，可得为:
= 163.8N
X向拖板尺寸为:
X向上拖板重量
==210.6N
上导轨(含电机)重量为夹具及工件重量约为= 200N
X-Y工作台上半部分运动部分总重量为：
=++=163.8+210.6+200≈600N
3.3 铣削力和工作载荷的计算
以加工材料为碳素钢或其他有色金属及加工材料的具体参数，选用立铣刀，铣刀参数如表3-1所示：
表3-1 加工铣刀的主要参数
最大铣刀直径
最大切削宽度
最大背吃刀量
铣刀齿数

设零件采用硬质合金铣刀，并以立式的方式加工，工件的材料是碳素钢，由《数控加工工艺与编程》杨建明版，可得的硬质合金立铣刀的切削参数如下：
每齿进给量，铣刀转速，由《数控加工工艺与编程》可得铣削力的计算公式：

将数据代入上式，可得：

立铣刀进行圆柱铣削，各铣削力之间的比值查《金属切削原理与刀具》韩荣第版可得，铣削力之间的比值范围如表3-2所示：
考虑到逆铣，受力最大的情况取为最大，分别取于
=1.2 =0.3 =0.4

表3-2 逆铣时铣削力之间的比值范围

则这三个方向所受的铣削力分别为：

采用立铣加工，工作台受到的铣削力垂直方向为，受到水平方向铣削力分别为和，将较大的水平方向的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力等于，径向铣削力

3.4滚动直线导轨的计算选择
3.4.1导轨副的载荷计算
影响寿命的重要因素是工作载荷，故对最大垂直方向所受最大载荷进行计算，本工作台用双导轨，四滑块支承，当一个滑块承担全部垂直台面的工作载荷时，此时对导轨副垂直方向有最大承载能力的要求：

工作台上半部分移动部重量 ―― W=600N
外加载荷为垂直方向载荷 ―― F=491.6N
则最大工作载荷：

预计工作作台满足寿命6年，一年300天，每天8小时工作情况下，则工作台的小时的额定寿命为

考虑到特殊情况，取工作台的额定寿命为15000个小时。
计算距离的额定寿命
由公式

可得：

其中： ——导轨按小时的额定工作寿命；
——工作间每分钟移动往返次数（4~6），取5；
——为移动件行程长度，工作台X向行程为320mm，Y向行程为220mm，考虑行程较大的方向进行计算，取为320mm；
代入上式，得：

额定动载荷的计算，由滚珠型滚动直线导轨副计算寿命公式可得：

式中：
——温度系数；
——精度系数；
——载荷系数；
——接触系数；
——硬度系数；
——导轨副的额定动载荷；
——为额定动作寿命，之前计算得；
——为滑块的工作载荷，由之前计算可得；
表3-3温度系数
工作温度（）

1.00
0.90
0.73
0.60
表3-4接触系数
每根导轨的上的滑块数
1
2
3
4
5

1.00
0.81
0.72
0.66
0.61
表3-5精度系数
精度等级
1
2
3
4
5

1.0
1.0
1.0
0.9
0.9
表3-6载荷系数
工作条件

无外部冲击或振动的低速运动场合，

无明显冲或振动的中速运动场合，

有外部冲击或振动的高速运动场合，

上面导轨硬度为60HRC，工作温度不超过，每跟导轨只有两个滑块，故精度与为4级根据上表得数据
取温度系数；接触系数；精度系数；载荷系数；硬度系数可由下式算得:

一般按产品技术规定，滚道硬度一般不能低于5HRC；
故一般取=1 带入上式，可得：

经过计算可得:。
3.4.2导轨副的选型和安装
初选陕西汉江机床厂生产的导轨HJG-DA20C

图3-3 直线滚动导轨
导轨的安装的具体尺寸如下：

图3-4 导轨的安装尺寸图及承载力矩

表3-7 导轨的安装尺寸
组件尺寸
导轨尺寸
H
W
W1
H1

F
30
12
20
18

60
滑块尺寸
A
B
B1
K
C
L1
L
N
E

44
32
6
25
36
50
76
5
12

导轨的具体参数如表3-18：
可得导轨的额定动载荷为12600N，大于6595N，故满足设计要求，且有充裕余量。
装配与安装，由安装尺寸进行安装。

表3-8 工作台所需导轨长度尺寸
额定载荷/N
静态力矩/N*M
滑座
重量
导轨
重量
导轨
长度
动载荷

静载荷

L(mm)
12600
21800
143
143
213
0.25
2.3
横向580mm
纵向480mm
滑座个数
单向行程长度
每分钟往复次数
M（个）
（m）

4
0.32
4
3.5滚珠丝杠副的计算选型
3.5.1最大工作载荷的计算
立铣时，工作台的最大工作载荷由式：

进行计算。其中：
W ——工作台总重量，为600N；
K ——取颠覆力矩影响系数，取为1.1，
——滚动导轨上的摩擦系数，由一般取为。
—— 进给方向工作载荷；
—— 横向方向工作载荷；
—— 垂直方向工作载荷，
求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

3.5.2最大动载荷的计算
工作台的在最大负载时（及承受最大切削力时）快进速度为，丝杠导X成，此时丝杠转速
。
给定丝杠使用寿命为15000h，丝杠寿命系数由式计算得出

式中：
——导轨按小时的额定工作寿命；
n ——工进时的转速；
代入上式，可得

最大动载荷的计算：
由式

式中：
——滚珠丝杠副的动载荷；
——丝杠寿命系数；
——滚珠丝杠副的载荷系数；
——滚珠丝杠副的硬度系数；
——滚珠丝杠副的最大工作载荷；
取载荷系数为1.2，硬度系数（滚道硬度大于60HRC）。
代入上式可得：

3.5.3滚珠丝杠副的选型
丝杠选取陕西汉江机床厂HJG-S2005-5型号尺寸如下

图3-5 丝杠螺母副的安装尺寸
根据计算出的最大动载荷和丝杠导程，选择汉江机床厂生产的HJG-S2005-5的滚珠丝杠副，为外循环单螺母突出式。其公称直径为20mm，导程为5mm。
表3-9 丝杠的基本尺寸
公称直径d0
基本导程L0
丝杠外径d
滚珠直径db
螺旋升角
20
5
19.5
3.175

表3-10 丝杠螺母安装尺寸
循环圈数
螺母安装尺寸
Dg6
D1
D2
B
M
d2
d3
dM
h

36
60
48
11
4
10
5.8
M6
6
表3-11 丝杠螺母计算尺寸
名称
计算公式
结果
接触角
――

钢球直径
――
3.175mm
螺纹滚道法向半径

1.651
偏心距

0.0449mm
螺纹升角

丝杠外径

19.5mm
丝杠内径

16.79mm
循环圈数

额定载荷
动载荷
15789N
静载荷
36580N
接触刚度

1185()
3.5.4传动效率的计算
丝杠螺母副的传动效率为：

其中
——为丝杠螺旋升角，为；
——为摩擦角，为；
3.5.5稳定性的计算
丝杆直径d =16.79计算得截面惯性矩

式中
——为支承系数，取为1；
E——为钢的弹性模量E=Mpa；
K——为压杆稳定安全系数，取为3；
a ——滚动螺母至轴向固定处的距离，最大值为430mm；
临界载荷29107.3N。
丝杆的稳定性，由于17.68远大于安全系数，故丝杆的稳定性达到要求，不会失稳。
3.5.6滚珠丝杠副刚度的计算
（1）X-Y工作台采用单推的形式，左右支承的中心距约为430mm，刚的弹性模量E=Mpa，滚珠直径，丝杠的最小直径为d=16.79mm。
丝杠的横截面积
S=
滚珠丝杠在工作负载F下和扭矩T的共同作用下，所引起的变形量为：

而丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计，使用故进行计算即可。

式中
——丝杆所受的最大载荷，为1629.58N；
——丝杆最小的横截面积，为221.29；
——刚的弹性模量，为；
——中心距，为221.29；
（2）根据公式：

得单圈滚珠数为Z=17，改型号为丝杠为单螺母，滚珠圈数为2.52，代入公式颗 。丝杆有预紧力，则有
式中
——为滚珠丝杠副内滚珠直径，为3.175mm；
——为滚珠丝杠副丝杆预紧力珠，算得568.1；
——为滚珠总数，为85颗；
——为丝杆承受最大载荷；
求得滚珠与螺纹道间的接触变形量为0.0090mm，实际丝杆有部分预紧力，且为轴向负载的三分之一，故实际形变量为二分之一，取为0.045mm
(3)
设计的X-Y工作台的X方向程为430mm，由图知3-6知

图3-6 丝杠的精度等级
5级精度滚珠丝杠有效行程在400mm到500mm时，行程公差ep和行程变动差Vup允许达到27mm和26mm，可见丝杠刚度足够。
3.5.7滚珠丝杠副临界转速的验算
丝杠可能会存在共振的现象，需要验算临界转速。由公式

式中
——丝杆的临界转速；
—— 丝杆支承为一端固定，一端游支，故取为3.927；
——；
——是临界转速的计算长度，取为16.2mm；
代入上式得：

远远大于滚珠丝所需的转速，故丝杆不会发生共振。
故选择的丝杠HGJ-S2005-5的滚珠丝杠副完全满足设计要求，螺母安装，可根据安装尺寸进行配合安装。
3.6轴承和联轴器的选用
3.6.1轴承的选用
工作台主要承受轴向载荷较大，故输出端选用双向推力球轴承，但同时也有部分径向载荷，故两端选用和深沟球轴承。双推力球轴承可承受双向轴向负载，中间有紧圈，另外两圈为松圈，但是此轴承不能承受径向载荷，故一般和向心轴承配合，组合成组合轴承一起使用。故选用主要径向载荷的深沟球轴承与双向推力球轴承配合。两轴承型号分别为深沟球轴承6302和推力球轴承51204。
（1）推力球轴承51204

图3-7 推力球轴承
表3-12 推力球轴承的尺寸及安装尺寸
d
D
T
r
d1
Da1
D1
ra
额定动负载（N）
额定静负载（N）
20
40
14
0.6
40
28
22
0.6
22200
37500
（2） 深沟球轴承6302

图3-8 深沟球轴承尺寸及安装尺寸
深沟球轴承的尺寸及安装尺寸如图所示，此处不再累述
3.6.2联轴器的选用
刚性凸缘联轴器制造容易，结构简单， 很少需要维护，耐腐蚀，承受负载时，无回转间隙，对安装底座刚性好、对中精度很高、冲击载荷小、对减振要求不高的场合。根据选出的步进电机和丝杠输出轴头的参数，选用YL1型凸缘联轴器。输入端选用J1型孔，输出端选用Y型孔，轴孔之间采用键连接的形式进行配合。凸缘联轴器样式如图3-9所示：

图3-9凸缘联轴器

表3-13 凸缘联轴器的尺寸
型号
公称扭矩

许用转速
[n]r/min
轴孔直径d
（H7）
轴孔长度
L
D
D1
L0
转动惯量
（kg.m2）
重量
kg

YL1

10
铁
钢
铁
钢
Y型
J1型

71

53
Y
J1

0.0018

0.94
8100
13000
14
14
32
27
68
58

第4章 电机的计算和选型
4.1 步进电机的选择和计算
4.1.1计算转动惯量
已知：滚珠丝杠的公称直径=20mm，总长L=450mm，导程=5mm，移动部件总重力W=600N；
滚珠丝杠的转动惯量：

式中
D ——为丝杠的公称直径，为20mm；
L ——为丝杠的长度；
丝杠的有效长度=行程+螺母长度+设计余量+两端支承长度+联轴器的长度（一半）；
丝杠的长度：L=320+90+30+60=110=600mm。
；
工作台折算到丝杠的惯量：

式中
——丝杠的导程，为；
——工作台的质量，为；
代入上式，可得：

初选步进电动机的型号为86HE127-28V14-32,为五相混合式步进电动机，由美蓓亚斯生产，步距角为0.72°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量=3 总的转动惯量：

式中：
——电机的自身的转动惯量，为3；
——工作台折算到电机的转动惯量，为0.388
——为滚珠丝杠的转动惯量，为0.7
——为传动比，因为此处没有减速器，故取为1

惯量匹配的验算，电动机的轴向比例要控制在一定的范围以来，为使系统达到合理的配合，一般控制比值在，，故，满足惯量匹配的原则。
4.1.2计算空载时在步进电机上的负载转矩
快速空载启动情况下加在电动机轴上的最大加速转矩：

——快速空载启动时电动机转轴上最大转矩；
——分别为空载时移动部件、滚珠丝杠运动时折算到电动机的摩擦转矩。
根据初步选定工作台空载时的最快速度为2000r/min，电动机步距角为0.72度；脉冲当量为0.01mm/脉冲，可计算出步进电机对应空载时最快移动步进电动机的转速。
r/min
由公式可知：

式中  ：
——步进电机由静止加速至所需时间，设为0.5s；
—— 传动链总效率，取为0.8；h=
将上面计算的空载时最快的移动转速，和工作台总的转动惯量代入上式，可得：

移动部件折算到电机的摩擦转矩：

式中：
—— 导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005 m；
—— 垂直方向的铣削力，空载时取0 N；
h—— 传动链效率，取0.8；
—— 丝杠的导程，为0.005m；
——为传动比，取为1；

由于滚珠丝杠副传动效率高，故它折算到电机的力矩可以不用考虑，故取=0。
所以步进电机空载时的力矩为：

4.1.3计算最大负载时在步进电机上的负载转矩
最大负载工作情况下在电动机轴上的最大加速转矩：

其中
——快速空载启动时电动机转轴上最大转矩；
——分别为最大负载工作状态时移动部件、滚珠丝杠运动时折算到电动机的摩擦转矩。
由公式可得，如下式计算：

式中：
——为铣削时最大的工作载荷，为1474.8N；
——为丝杠导成，为0.005m；
h——传动链效率，取0.8；
——为传动比，取为1；

垂直方向上承受最大负载F=491.6N时，得工作台的摩擦转矩：

式中：
——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005 m；
——垂直方向的铣削力，工进时为491.6 N；
h——传动链效率，取0.8；
—— 丝杠的导程，为0.005m；
——为传动比，取为1；
代入上式：

滚珠丝杠副传动效率高，很小，可以忽略不计。

所有在最大负载时的转矩大于空载时的电机轴上的转矩，故以最大负载时时的转矩来进行最大静转矩的选定。
考虑到步进电动机的使用环境，受干扰因素，当输入电压低时，会使转矩下降，出现很多问题，因此选择最大静转矩时考虑安全系数K取4，则

步进电机为86HE127-28V14-32的最大静转矩为6.3，大于5.324，所以所选步进电机满足要求，电动机的具体参数如表4-1：

表4-1 电机的参数
型号
额定
电流
保持
转矩
绕线
电阻
绕线
电感
转子
惯量
重量
长度
A

mH

Kg
mm
86HE127-
28V14-32
2.8
6.3
0.85
2.38
3000
4.0
126.5
4.1.4步进电机的校核
步进电动矩频特性曲线如下图所示：

图4-1 电机的矩频特性曲线

（1）空载时最大移动速度电动机的输出转矩
工作台最快的移动速度为3000mm/min，其对应由上图可知，当频率为3000至4000Hz时，步进电机的输出转矩为,大于空载启动时的负载转矩，达到要求。
（2）工进时最大移动速度电动机的输出转矩
工作台最大负载时最快的移动速度为1000mm/min，故其对应的工作频率为。由上图可知，当频率为1666.67Hz时，步进电机的输出转矩为,大于空载启动时的负载转矩，达到要求。
最快空载移动时电动机的运行频率。
(3) 最快的空载移动速度为2000mm/min，对应的电动机运行频率为3333.33Hz。由曲线可知，当输出转矩为0时，电动机的空载运行频率为30000Hz左右，可见没有超出上限。
4.1.5步进电机的安装
步进电机的安装，按照安装尺寸进行，需要设计一个电机底座，将电机进行安装在上下托板上，底座的尺寸在零件图中给出。

图4-2 步进电机的安装尺寸图
步进电机的绕组采用五边形接法，其接线图如下：

图4-3 步进电机接线图
4.2 步进电机驱动器的选择

图4-4 步进电机驱动器
根据所选步进电动机86HE127-28V14-32五相混合式步进电机，有MEA2230R五相数字式步进电机驱动器。信号电压仅支持+5VDC，信号电高于+5VDC时需另接限流电阻。MEA2230R采用高速运动控制CPU芯片实现快速自适应控制算法和高频载波双极性恒流斩波正弦波细分驱动控制，具备高精度、大力矩、低噪声、宽调速等控制特性。支持全球通用的AC85~256V交流电网直接供电，可省去中间变压器及电源，节省成本并提高可靠性；外置制动电阻驱动可应用于频繁制动的场合；支持多种电流、细分、控制信号、控制电压及掉电位置记忆。
步进电机驱动器信号电压支持+5VDC，所以当信号电压是+5VDC时可直接与步进电机驱动器相连，如果信号电压高于+5VDC时，需另接限流电阻。
步进电机的控制原理如图4-5所示：

图4-5 步进电机驱动原理图

第5章 控制电路设计
5.1控制部分总体方案
5.1.1 绘制系统电气控制的结构框图
根据工作台的总体方案，工作台的机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统硬件的电路图，如图5-1所示。
控制系统是要硬件电路和软件组成的。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。
数控工作台电路由以下五部分组成。
（1）主控制器，即中央处理单元CPU。
（2）总线，包括数据总线，地址总线和控制总线。
（3）存储器，包括程序存储器和数据存储器。
（4）接口电路，即I/O输入/输出接口电路。
（5）外围设备，工作台上有键盘，显示器。
图5-1 控制系统原理图
外 设
键盘，显示器
RAM
ROM

CPU
步进电机
驱动器

步进电机
I/O
接口

5.1.2选择中央处理单元CPU的类型
在微机应用系统中，CPU的选型应考虑以下因素：
（1）时钟频率以及字长，这个指标将影响数据处理的速度。
（2）可以扩展的存储器（包括RAM和ROM）的容量。
（3）I/O扩展性能，即对键盘，显示器的控制能力。
（4）开发性能，包括支持被开发的硬件和软件。
此外还要考虑到系统的应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。
目前在经济型数控机床中，推荐使用MCS-51系列单片微机作为主控制器。
5.1.3存储器扩展电路设计
存储器的扩展电路设计分别有程序存储器的扩展和数据存储器的扩展。
在选择程序存储器芯片时，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。
5.1.4 I/O即输入/输出接口电路设计
应包括接口芯片的选择，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，掉电保护电路等）。
此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括在其中。
5.2 MCS-51系列单片机简介
5.2.1 8031单片机的简介
MCS-51系列单片微机是美国I