二维运动平台

目录

第一章二维运动平台总体方案设计 (1)

第二章二维运动平台进给伺服系统机械部分设计计算 (3)

2.1 确定系统脉冲当量 (3)

2.2 确定系统切削力 (3)

2.3直线滚动导轨副的计算与选型 (3)

2.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (4)

2.4 计算减速比i (7)

2.5步进电动机的计算和选型 (7)

第三章微机数控硬件电路设计 (12)

3.1 MCS—51系列单片机简介 (13)

3.1.1 MCS—51系列指令系统简介 (13)

3.1.2 定时器/计数器 (14)

3.1.3 中断系统 (15)

3.2 存储器扩展电路设计 (15)

3.2.1 程序存储器的扩展 (15)

3.2.2 数据存储器的扩展 (16)

3.2.3 译码电路设计 (16)

3.3 I/O接口电路及辅助电路设计 (18)

3.3.1 8155 通用可编程接口芯片 (18)

3.3.2 8255 通用可编程接口芯片 (20)

3.3.3 键盘显示接口电路 (22)

3.3.4 电机接口及驱动电路 (23)

3.3.5 辅助电路 (23)

参考文献 (25)

第一章二维运动平台总体方案设计

1.1系统的运动方式与伺服系统的选择

为了满足二维运动平台实现X.Y两坐标联动，任意平面曲面的加工，自动换象限，越位报警和急停等功能，故选择连续控制系统。考虑到工作台的加工范围，只对毛坯料进行初加工，不考虑误差补偿，故采用开环控制系统，由于任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm,定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2000/m in

m m，因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机电机进行驱动，以降低成本，提高性价比。

1.2机械传动方式

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 0.10mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠螺母副才能达到。同时，为提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。

1.3计算机系统

根据设计要求，采用8位微机。由于MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS —51系列的8031、80C31、8086、DSP、基于DSP的运动控制芯片，ARM嵌入式微处理器技术。

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。系统的加工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及机床状态等信息。

数控机床总体方案设计，X.Y数控工作台总体方案设计分别见图1.1和图1.2

图1.1 X.Y数控工作台总体方案设计

第二章 二维运动平台进给伺服系统机械部分设计计算

伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的脉冲当量、区定系统的负载、，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图等。现分述如下：

2.1 确定系统脉冲当量

一个进给脉冲，使运动部件产生的位移量，称为脉冲当量。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数 。根据设计要求，二维运动平台采用的脉冲当量是0.01mm/step 。

2.2 确定系统切削力

根据设计要求，机床的切削负载为：X 向1000N ；Y 向1200N ；Z 向1500N ；G 为1500N 。

2.3直线滚动导轨副的计算与选型

1、滑块承受工作载荷max F 的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动

导轨使用寿命的重要因素。本课题中的X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： m ax 4G F F

=

+

其中，移动部件重量G=1500N ，外加载荷1500z F F N ==，代入上式，得最大工作载荷max F =1875N=1.875kN 。

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-41，根据工作载荷

max

F =1.875kN ，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JSA-LG25型，其额定动载

荷a C =17.7kN ，额定静载荷0a C =22.6kN 。

任务书规定工作台平面尺寸为1000mm ×800mm ，考虑工作行程应留有一定余

量，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-35，按标准系列，选

取导轨的长度为1960mm 。

2 距离额定寿命L 的计算 上述选取的KL 系列JSA-LG 型导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过100C ,每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-36～表3-40，

分别取硬度系数H f =1.0、温度系数T f =1.00、接触系数C f =0.81、精度系数R f =0.9、载荷系数

W f =1.5，代入式L 3

50H T C R a W f f f f C f f ??

=? ???

，得距离寿命：

3

504828H T C R a W f f f f C L km

f f ??

=?= ???

远大于期望值100km,故距离额定寿命满足要求.

2.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型

1、计算最大工作载荷m F

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-29，取颠覆力矩影响系

数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005，已知G=1500N ，1000x

F N

=，

1200y F N

=。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

()

1.110000.005(150012001500)1121m x z y F K F F F G N

μ=+++=?+?++=

2、计算最大动负载Q F

式中 h P ——滚珠丝杠导程，初选h P =5mm ；

s v ——最大切削力下的进给速度此处s v =0.8m/min ； T ——使用寿命，按15000h ；

6

60101000Q w m s

h

F F n T L v n P =??=?=

w f ——运转系数，按一般运转取w f =1.2～1.5；

L

—— 寿命、以610转为1单位

6

6

1.21121705160601601500

144

10101000800

160m in

5

w m s

C F n T L v r

n L ==?=N ????===?=

=

=

3、滚珠丝杠螺母副的选型

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查《机电一体化系统设计课

程设计指导书》表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G 系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为25mm ，导程为5mm,循环滚珠为3圈×1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N ，大于C ，满足要求。

4、传动效率计算

将公称直径0

25d =mm ，导程5h P m m =，代入0arctan[/()],h P d λπ=得丝杠螺旋

升角λ=338'?,将摩擦角'10?=，代入下式得；

5、刚度验算

先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图3所示。最大牵引力为1121N ，由螺母装配总长度为46mm,丝杠螺纹长度取900mm,预计支承长度为1900mm ，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3。

图2.1 纵向进给系统计算简图

tan tan 338'0.956

tan()

tan(338'10')

ληλφ?=

=

=+?+

(1)、丝杠的拉伸或压缩变形量'1δ

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-31得，滚珠直径 3.175W

D m m =,

丝杠底径221.2d m m =，丝杠横截面积S=2/4d π=352.82mm ,已知m F =1121。将各个数据代入下式得

1m F a E S

δ=

=

5

112119002.110352.8

m m ?=??0.0287mm 。

（2）、滚珠与螺纹滚道间接触变形2δ

根据公式0(/)3W Z d D π=-,求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式：Z Z ∑=×圈数×列数，得滚珠总数量Z ∑=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3374YJ m F F ==N,代入下式得

20.0019mm δ==

因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1／3，所以变形量可减小一半，取

2δ=0.00095mm 。

（3）将以上算出的1δ和2δ代入δ总=1δ＋2δ，求得丝杠总变形量

δ总=0.0287＋0.00095=0.02965mm

本课题中，丝杠的有效行程为900mm ，由《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-37可知，五级精度滚珠丝杠有效行程在800～1000mm 时，行程偏差允许达到40m μ,可见丝杠刚度足够，且δ总小于1／3的开环系统定位精度值0.033mm ，满足要求。

6、稳定性校核

查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-34得，取支承系数k f =1；由丝杠底径221.2d m m =，求得截面惯性矩442/649910.44I d m m π==；压杆稳定安全系数K 取3；滚动螺母至轴向固定处的距离a 取最大值1900mm 。代入下式得

η﹥m F =1121N ，故丝杠不会失稳。

综上所述。初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

2.4 计算减速比i

已知工作台的脉冲当量0.01/mm step δ=，滚珠丝杠的导程5h P m m =，初选步进

电动机的步矩角0.75α= ，代入下式得 (/360)h i P αδ==1.04 取1i =。

2.5步进电动机的计算和选型

1、计算加在步进步进电动机转轴上的总转动惯量eq J 已知滚珠丝杠的公称直径025d m m =,总长1900l m m =，导程5h P m m =，材料密度337.8510/kg cm ρ-=?；移动部件总重力1500G N =，由公式2/8j J m D =得滚珠丝杠的转动惯量

2

5.717s J k g c m = ；

由公式2

(

)2h i

P J m π

=得拖板折算到丝杠上的转动惯

2

0.951w J kg cm

= ，传动比i=1。

初选步进电动机型号为90BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公生产，二相八拍驱动时步矩角为0.75 ，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-5得该型号电动机转子的转动惯量24m J kg cm = 。

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： 2()/10.668eq m w s J J J J i =++=2kg cm 2、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩ep T 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算

1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由公式1m ax 0eq a f T T T T =++可知,1eq T 包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩

m ax

a T ；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T ；还有一部分是

滚珠丝杠与今后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T 。因为滚珠丝杠副传动效率很

高，根据公式2

00(1)2YJ h F P T i

ηπη=

-可知，0T 相对于m ax a T 和f T 很小，

可以忽略不计。则有： 1eq T =m ax a T ﹢f T 根据公式1m ax 260eq m

a a

J n T t π=

，考虑传动链的总效率η，计算快速空载起动时折算

到电动机转轴上的最大加速转矩：

1m ax 260eq m

a a

J n T t π=

×

1

η

式中 m n ---- 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为/m in r ； a t ---- 步进电动机由静止到加速至m n 转速所需的时间，单位为s 。 其中： m ax 360m n υα

δ

=

式中 m ax υ ---- 空载最快移动速度，任务书指定为2000/m in m m ； α ---- 步进电动机步矩角，预选电动机为0.75 ；

δ ---- 脉冲当量，任务书指定为0.01/mm step （开环系统）。 将以上各值代入式m ax 360m n υα

δ

=

中，得m n =417r/min 。

设步进电动机由静止到加速至m n 转速所需时间a t =0.4s,传动链总效率η=0.7。则由公式1m ax 260eq m

a a

J n T t π=

×

1

η

求得

m ax a T ≈0.166N m 由式f

T =

2h F P i

πη摩可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为

f T =

()2Z h

F G P i

μπη+

式中 μ ---- 导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005； z F ---- 垂直方向的铣削力，空载时取0

η ---- 传动链总效率，取0.7。 则由式f T =

()2Z h

F G P i

μπη+求得 f T ≈0.0085N m

最后由式1eq T =m ax a T ﹢f T ，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： 1eq T =m ax a T ﹢f T =0.1745N m

2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2eq T 由式20

eq t f T T T T =++可知，2eq T 包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T ；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T ，0T 相对于t T 和f T 很小，可以忽略不计。则有： 2eq t f T T T =+

其中，这算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T 由式t T 2f h F P i

πη=

计算。本课题

中对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给负载x F =1000N ，则有： t T 2f h F P i

πη=

=

10000.005 1.13720.71

N m π?=??

再由式f T =

()2Z h

F G P i

μπη+计算垂直方向承受最大工作负载（1500z F N =）情况下，

移动部件运动时这算到电动机转轴上的摩擦转矩：

f

T =

()2Z h

F G P i

μπη+=

0.005(15001500)0.005

0.01720.7

N m π+=?

最后由2eq t f T T T =+，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： 2eq t f T T T =+=1.154N m

经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为 {}12max , 1.154eq eq eq T T T N m ==

3、步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，

根据eq T 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本课题中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：

m ax j T ≥44 1.154 4.616eq T N m N m =?=

上述初选的步进电动机型号为90BYG2602, 由《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-5查得该型号电动机的最大静转矩m ax j T =6N m 。可见，满足上式要求。

4、步进电动机的性能校核

1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度

max 800/min mm υ=，脉冲当量0.01/mm step δ=，由式max max 60f f υδ

=

求出电动机对应的

运行频率[]max 800/(600.01)1333f f Hz Hz =?=。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图（下图所示）可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩m ax f T ≈5.3N m ,远大于最大工作负载 2 1.154eq T N m = ，满足要求。

2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度

max 2000/m in m m υ=，仿照式max max 60f f υδ

=

求出电动机对应的运行频率

[]max 2000/(600.01)3333f f Hz Hz =?=。从上图中可以查得，在此频率下，电动机的输

出转矩m ax 4.2T N m = ，大于快速空载起动时的负载转矩10.1745eq T N m = ，满足要求。

3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载移动速度max 2000/m in m m υ=对应的电动机运行频率为m ax 3333f H z =。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-5

可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz,可见没有超出上限。 4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量2eq 10.668J kg cm = ，电动机转子的转动惯量24m J kg cm = ，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率

1800q f H z

=（查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-5）。则由

/L q f f =

/940L q f f ==Hz

此式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率小于940Hz 。实际上，在采用软件升降时，起动频率选得更低，通常只有100Hz(即100step/s)。

综上所述，本课题中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。

第三章微机数控硬件电路设计

根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。

1、数控系统由硬件和软件两部分组成。

硬件是组成系统的基础，机床硬件电路由以下五部分组成：

⑴、主控制器，即中央控制单元CPU；

⑵、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；

⑶、存储器，包括程序存储器和数据存储器；

⑷、接口，即I/O输入/输出接口电路；

⑸、外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。见图3—1。

图3—1 机床数控系统硬件框图（开环系统）

2、选择中央处理单元CPU的类型

考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，及经济价格比等经济性的要求。因此，在经济数控铣床中，推荐使用MCS—51系列单片机作主控制器。

3、存储器扩展电路设计

存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。

在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。

在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。

4 、I/O口即输入/输出接口电路设计

包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路及其他辅助电路的设计。

3.1 MCS—51系列单片机简介

3.1.1 MCS—51系列指令系统简介

MCS—51系列指令系统共有111条基本指令，其中单字节指令有49条，双字节指令有45条，单字节指令有17条。

1、MCS—51系列指令系统的七种寻址方式简介：

（1）、立即寻址跟在操作码后的一个字节就是实际操作数。

（2）、直接寻址指令中直接给出参加运算或传送的数的地址。可以访问三种地址：特殊功能寄存器SFR、内部RAM128字节个单元、221个地址空间。

（3）、寄存器寻址指定某一可寻址的寄存器的内容为操作数。寻址空间是R0～R7、A、B、DPTR。

（4）、寄存器间接寻址由指令指定某一寄存器的内容作为操作数地址，选定R0、R1、SP、DPTR（16位）来存放地址，使用时前加@。

（5）、变址寻址由争论指定的偏移量寄存器或称变址寄存器和基址寄存器DPTR或PC相加所得结果作为操作数地址。

（6）、相对寻址在指令中给定的地址偏移量与本指令所在单元地址（即PC内容）相加，即得到真正有效的单元地址。

（7）、位寻址对内部RAM的128位和SFR块内的93位进行位操作。

2、MCS—51系列指令系统主要指令简介：

MCS—51系列指令系统111条指令可分为五类：

（1）、数据传送类 29条

（2）、算术操作类 24条

（3）、逻辑操作类 24条

（4）、控制程序转移类 17条

（5）、布尔变量操作类 17条

3.1.2 定时器/计数器

MCS—51系列单片机提供两个十六位可编程的定时器/计数器，即T0和T1。他们具有两种工作方式和四种模式。其工作原理如图3.2所示。

定时器/计数器的核心是加一计数器，加一计数器脉冲有两个来源，一个是外部脉冲源，另一个是系统的时钟振荡器。

有两个模拟开关，前一个开关就是特殊寄存器TMOD的相应位，后一个模拟开关就是特殊寄存器TCON的相应位。

TMOD和TCON是专门用于定时器/计数器的控制寄存器。用户可以用

图3.2 定时器/计数器的结构框图

指令对其各位进行写入或更改操作，从而选择不同的工作状态或启动时间，并可设置相应的控制条件。

这两个控制寄存器各位的功能：

1、TMOD控制寄存器

GATE——门控位或叫选通位。

C/T——计数器方式或定时器方式的选择位。

M1和M0——工作模式控制位。

00 模式0：TLX中的低5位和THX的高8位构成13位计数器。

01 模式1：TLX与THX构成16位计数器。

10 模式2：可自动再装入的8位计数器。

11 模式3：把定时器0分成两个8位计数器，关闭定时器1。

2、TCON控制寄存器

TF0、TF1——定时器T0、T1溢出标志位，为1时申请中断。

TR0、TR1——定时器T0、T1运行控制位，有软件设定，来控制定时器/计数

器开启或关闭。

IE0、IE1——外部中断源的标志，为1时表示外部中断源向CPU申请中断。

IT0、IT1——外部中断源触发控制位。

3.1.3 中断系统

MCS—51系列单片机提供五个中断源，配备两个中断优先级，INT0、INT1输入外部中断请求，两个片内定时器/计数器T0和T1溢出中断请求TF0和TF1，一个片内串行口中断请求TI和RI。

各中断源所对应的中断服务程序的入口地址和优先级如下：

中断源人口地址优先级

INT0 0003H 0

T0 000BH 1

INT1 0013H 2

T1 001BH 3

串行口中断 0023H 4

3.2 存储器扩展电路设计

3.2.1 程序存储器的扩展

1、常用的ROM芯片及引脚：

（1）常用的半导体ROM芯片有：2716（2K*8）、2732A（4K*8）、2764、（8K*8）、27128（16K*8）、27256（32K*8）、27512（64K*8）。2764、27128、27256、27512芯片均有28脚双列直插式平封装芯片。引脚向下兼容。图3.3是2764引脚排列。

（2）地址锁存器常用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器。其真值表见表3.1。

图3.3 2764引脚排列

3.2.2 数据存储器的扩展

常用数据存储器及引脚

常用的静态RAM芯片有6116（2K*8）、6264（8K*8）、62256（32K*8）等，6264、62256均采用CMOS工艺、28脚双列直插式平封装。6264引脚及逻辑符号见图3.4。

图3.4 6264引脚图

3.2.3 译码电路设计

1、MCS—51系列单片机应用系统中的地址译码规则

（1）程序存储器和数据存储器独立编址。程序存储器地址和数据存储器地址可以重叠使用。都是从0000H～FFFFH。

（2）外围I/O芯片与扩展数据存储器统一编址

外围I/O芯片占用数据存储器地址单元，且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。

（3）CPU在访问外部存储器时地址编码

CPU的P2口提供高8位地址，P0口经外部地址锁存器后提供低8位地址。

2、地址译码方法

（1）线选法

利用单片机地址总线高位中的一根线作为选择某一片存储器芯片的片选信号。此法用于规模较小的系统。其优点是不需要地址译码器，可节省硬件，降低成本。缺点是可寻址的芯片数目受到很大的限制，且地址空间不连续，不能充分利用。

（2）全地址译码法

对容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用这种全地址译码法。

常采用的译码器是74LS138。表1—3是其逻辑功能表。图1—8是全地址译码图。表3.2是其地址译码表。

表3.2 74LS138逻辑功能表

表3.3 74LS138地址译码表

图3.6 数控铣床全地址译码图

3.3 I/O接口电路及辅助电路设计

常用外围接口芯片有：

8155：可编程的RAM/IO扩展接口电路（256个RAM、两个8位口、一个6位口、一个14位的定时器/计数器）

8255：可编程的通用并行接口电路（3个8位口）

8279：可编程的键盘、显示接口电路

3.3.1 8155 通用可编程接口芯片

1、8155引脚及其功能

8155 的结构框图及引脚排列见图3.7。8155 具有40条引脚，采用双列直插式风装，各引脚功能见表3.4。