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第六节步进电机惯性负载的计算14
第七节步进电机的计算选择15
第六章机床数控系统硬件电路设计17
第一节设计内容17
第二节设计步骤17
第三节机床数控系统硬件电路设计21
第七章系统控制软件设计22
第八章结束语与致谢29
第九章参考文献30
第一章前言
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
效率、质量是先进制造技术的主体。
高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。
从EMO2001展会情况来看,高速加工中心进给速度可达80mmin,甚至更高,空运行速度可达100mmin左右。
目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。
在加工精度方面,近10年来,普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密级加工中心则从3～5μm,提高到1～1.5μm并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.1μm。
为了实现高速、高精加工,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展,应用领域进一步扩大。
（2）、5轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅光洁度高,而且效率也大幅度提高。
但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因,其价格要比3轴联动数控机床高出数倍,加之编程技术难度较大,制约了5轴联动机床的发展。
当前由于电主轴的出现,使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化,其制造难度和成本大幅度降低,数控系统的价格差距缩小。
因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床含5面加工机床的发展。
（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
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:
为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;
为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。
数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。
所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象数控功能,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。
目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。
网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。
数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
（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。
第二章课程设计的目的、意义及要求
第一节课程设计的目的,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：
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；
3.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；
4.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。
第二节课程设计的要求：
1.课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；
2.认真阅读《课程设计指导书》，明确题目及具体要求；
3.认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；
4.大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；
5.机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；
6.微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；
7.手工或电脑绘制机械系统装配图一张（A1），控制系统电气原理一张（A1），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰；
8.课程设计说明书一份（不少于8000字），包括：
目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。
设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。
第三章课程设计的内容
第一节课程设计题目：
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
第二节课程设计的内容
1.数控装置总体方案的确定
（1）.数控装置设计参数的确定；
（2）.方案的分析，比较，论证。
2.机械部分的设计
（1）.确定脉冲当量；
（2）.机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；
（3）.传动元件及导向元件的设计，计算和选用；
（4）.确定伺服电机；
（5）.绘制机械结构装配图；
（6）.系统等效惯量计算；
（7）.系统精度分析。
3.数控系统的设计
（1）.微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；
（2）.IO接口电路及伺服控制电路的设计和选用；
（3）.系统控制软件的设计
4.编写课程设计说明书
（1）.说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明；
（2）.说明书不少于84字，尽量用计算机完成。
5.图纸
（1）.机械结构装配图，A0图纸1张。
要求视图基本完整，符合标准。
其中至少要有一个坐标轴的完整剖视图；
第四章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。
1.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。
2.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。
3.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、IO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。
4.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:
第五章机械部分设计
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。
第一节确定系统脉冲当量
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。
第二节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:
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:
第三节滚动导轨副的计算、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=C0P，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:
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）
17500
26000
198
288
0.60
3.1
760
滑座个数
单向行程长度
每分钟往复次数
M
4
0.6
导轨的额定动载荷N
依据使用速度v（mmin）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:
导轨的额定工作时间寿命:
导轨的工作寿命足够.
第四节滚珠丝杠计算、选择
初选丝杠材质：
CrWMn钢，HRC58~60，导程：
l0=5mm
（1）强度计算
丝杠轴向力：
（N）
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（rmin）
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。
其基本参数如下:
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
名称
计算公式
结果
公称直径
――
20mm
螺距
５mm
接触角
钢球直径
3.175mm
螺纹滚道法向半径
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺纹升角
螺杆外径
19.365mm
螺杆内径
16.788mm
螺杆接触直径
17.755mm
螺母螺纹外径
23.212mm
螺母内径（外循环）
20.7mm
（2）传动效率计算
丝杠螺母副的传动效率为：
φ=10’，为摩擦角；
γ为丝杠螺旋升角。
（3）稳定性验算
丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。
（4）刚度验算
滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：
（cm）
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]=15μmm。
第五节齿轮计算、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：
，初选步进电机步距角：
α=1.5˚step。
取小齿轮齿数则大齿轮齿数
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
第六节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：
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：
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：
第七节步进电机的选用
（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：
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：
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:
型号
主要技术参数
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
0.9
80
7
3.92
2000
8000
4相8拍
外形尺寸（mm）
重量
kg
转子转动惯量
Kg.m
外直径
长度
轴直径
90
145
9
4.5
1764
第六章数控系统硬件电路设计
第一节设计内容
１.按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；
２.选择计算机或中央处理单元的类型；
３.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；
４.根据控制对象以及系统工作要求设计扩展ＩＯ接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等；
５.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；
６.绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数；
７.说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。
第二节设计步骤
１.确定硬件电路的总体方案。
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IO输入输出接口。
数控系统的硬件框图如下所示：
２.主控制器ＣＰＵ的选择
ＭＣＳ－５１系列单片机是集中ＣＰＵ，ＩＯ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。
３.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。
单片机规定Ｐ0口提供８为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低８位的地址信息，一般采用７４ＬＳ３７３芯片作为地址锁存器，并由ＣＰＵ发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。
由以上分析，采用２７６４EPROM芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示：
扩展2764电路框图
（２）数据存储器的扩展
由于８０３１内部ＲＡＭ只有１２８字节，远不能满足系统的要求。
需要扩展片外的储器。
本次设计选用６２６４芯片作为数据存储器扩展用芯片。
其扩展电路如下所示：
扩展6264电路框图
（３）译码电路
在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。
单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。
故要进行片选控制。
由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。
可采用线选法和全地址译码法。
线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。
线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。
对于ＲＡＭ和ＩＯ容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。
它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。
本设计采用全地址译码法的电路分别如下图所示：
（4）存储器扩展电路设计
8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。
该设计选用程序存储器2764和
升级会员 