摘要【摘要】：X-Y工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。

数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。

机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。

本文通过对X-Y工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。

本次课程设计，主要设计和研究Ｘ－Ｙ工作台及其电气原理图。

确定Ｘ－Ｙ工作台的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。

利用8031、6264、2764、373、8155、8255等MCS—51单片机设计其硬件电路图。

【关键词】：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；MCS—51单片机目录第一章总体设计方案 (4)1.1系统运动方式的确定与驱动系统的选择 (4)1.2机械传动方式 (4)1.3计算机系统选择 (4)1.4总体方案的确定 (5)第二章机床进给驱动系统机械部分设计计算 (6)2.1 设计参数 (6)2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (6)2.2.1 X向进给丝杠 (6)2.2.2 Y向进给丝杠 (8)2.2.3滚珠丝杠副的几何参数 (13)2.3 滚动导轨的计算与选择 (13)2.3.1 滚动导轨副的额定寿命 (13)2.4.1 转动惯量的计算 (15)2.4.2 电机的力矩的计算 (16)第三章微机数控系统硬件电路设计 (23)3.1 计算机系统 (23)3-2 单片微机数控系统硬件电路设计内容 (23)3.2.1 绘制电气控制系统框图 (23)3.2.2 选择CPU的类型 (24)3.2.3 存储器扩展电路的设计 (24)3.2.4 I/O接口电路设计 (25)3.3 各类芯片简介 (25)3.3.1 8031芯片简介 (25)3.3.2 373芯片简介 (25)3.3.3 6264芯片简介 (26)3.3.4 2764芯片简介 (26)3.3.5 8155芯片简介 (26)3.3.6 8255芯片简介 (26)3.4 存储器扩展电路设计 (27)3.4.1 程序存储器ROM的扩展 (27)3.4.2 数据存储器RAM的扩展 (27)3.4.3 译码电路的设计 (28)3.5 I/O接口电路的设计 (28)3.5.1 8155通用可编程接口芯片 (28)3.5.2 8255可编程接口芯片 (29)3.5.3 键盘显示接口电路 (29)3.6 8031的时钟电路 (30)3.7 复位电路 (30)3.8 越界报警电路 (31)3.9 掉电保护电路 (31)3.10 控制系统的功能 (31)3.11 控制系统的工作原理 (31)参考资料 (33)第一章总体设计方案1.1系统运动方式的确定与驱动系统的选择运动方式可分为点位控制系统、点位/点线系统和连续控制系统。

为了满足二维运动平台实现X-Y两坐标联动,运动定位,暂停,急停等功能,故选择连续控制系统。

驱动系统有开环、闭环和半闭环。

考虑到工作台实际位移的检测，补偿系统的误差，故采用半闭环控制系统，利用步进电机进行驱动。

1.2机械传动方式为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机转动丝杠。

为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。

同时，为了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计算机系统选择根据设计要求，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。

1.4总体方案的确定图1—1 X—Y数控工作台总体方案设计第二章 机床进给驱动系统机械部分设计计算2.1 设计参数1、工作台台面尺寸：250320⨯2、工作台移动尺寸：160200⨯=⨯Y X3、夹具和工作台总重：N 6004、最高运行速度：步进电动机运行方式：空载：1.2m/mim ：切削：0.6m/min ；5、系统分辨率：开环模式 0.01mm/step ；6、系统定位精度：开环模式 ±0.10mm ；7、切削负载：X 向400N ；Y 向 500N ；Z 向 600N ；2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型2.2.1 X 向进给丝杠（1）、计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。

因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为综合导轨的计算公式。

计算公式为：)('G F f KF F Z x m ++=式中 X F 、Z F 、---切削分力（N ）；G ---移动部件上的重量（N ）； M ---主轴上的扭距（N ·cm ）；'f ---导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同；K ---考虑颠复力矩影响的实验系数；综合导轨的15.1=K , 005.0~0025.0'=f ，取003.0'=f ，式中N F X 400=， N F Z 600=，N G 600=代入计算得 N F m 6.463=（2）、计算最大动载荷C选用滚珠丝杠副的直径0d 时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。

这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C ，用下式计算选择： 3/1L f f f f f F C ka h t wm =61060Tn L ⨯⨯= 01000L v n s=式中 L ---寿命，以106转为一单位t f ---温度系数，小于100摄氏度t f =1h f ---硬度系数，h f =1a f ---精度系数，三级精度a f =1k f ---可靠度系数，可靠度为95%，k f =0.62w f ---为运转系数；有一般运转时 w f =1.2-1.5n ---丝杠转速，()m in /r ，用下式计算s v ---为最大切削力条件下的进给速度()m in /m ，0L ---丝杠导程，()mm ；T ---为使用寿命，()h ，对于数控机床取h T 15000=；初选导程0L =4mm ，由任务书可知最大切削力下的速度min /6.0m v =，则min /6.0m v s =,代入公式可计算得 01000L v n s==46.01000⨯=150min /r 1351015000100060106066=⨯⨯=⨯⨯=Tn L 3/1L f f f f f F C ka h t wm =N 63.49863.6385.19003=⨯⨯=（3）、滚珠丝杠螺母副的选型所选丝杠螺母副规格如下（其中载荷单位为kgf ）表2-1 丝杠螺母副规格根据以上算得的最大动负载C 在表中选用型号额定动载荷为N 10270，满足前面进给方向的要求。

（4）、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率η：()ϕγγη+=tg tg 式中 γ---丝杠螺旋升角；ϕ---摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数004.0~003.0=f ，其摩擦角约等于'10。

由选用的W 1L2506的滚珠死杠的相关数据可知丝杠螺旋升角'224‘=γ 代入公式计算得 %3.96=η2.2.2 Y 向进给丝杠（1）、计算进给牵引力计算公式为：)('G F f KF F Z Xx M ++=式中 X F 、Z F 、---切削分力（N ）；G ---移动部件上的重量（N ）； M ---主轴上的扭距（N ·cm ）；'f ---导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同；K ---考虑颠复力矩影响的实验系数；综合导轨的15.1=K , 005.0~0025.0'=f 取003.0'=f ，式中N F Y 500=，N F Z 600=，N G 600=代入计算得 N F m 6.578=（2）、计算最大动载荷C用下式计算选择：3/1L f f f f f F C ka h t w m = 61060T n L ⨯⨯= 01000L v n s=式中 L ---寿命，以106转为一单位t f ---温度系数，小于100摄氏度t f =1h f ---硬度系数，h f =1a f ---精度系数，三级精度a f =1k f ---可靠度系数，可靠度为95%，k f =0.62w f ---为运转系数；有一般运转时 w f =1.2-1.5n ---丝杠转速，()m in /r ，用下式计算s v ---为最大切削力条件下的进给速度()m in /m ，0L ---丝杠导程，()mm ；T ---为使用寿命，()h ，对于数控机床取h T 15000=；初选导程mm L 60=，由任务书可知最大切削力下的速度min /6.0m v =，则min /6.0m v s =,代入公式计算可得min /150661000r n =⨯= 1351015000100060106066=⨯⨯=⨯⨯=T n L N F f L C m w 60.62238.6955.190033=⨯⨯==（3）、滚珠丝杠螺母副的选型所选丝杠螺母副规格如下（其中载荷单位为kgf ）表2-2 丝杠螺母副规格根据以上算得的最大动负载C 在表中选用型号额定动载荷为N 10270，满足前面进给方向的要求。

（4）、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率η：()ϕγγη+=tg tg 式中 γ---丝杠螺旋升角；ϕ---摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数004.0~003.0=f ，其摩擦角约等于'10。

由选用的W 1L2506的滚珠死杠的相关数据可知丝杠螺旋升角'224‘=γ 代入公式计算得 %3.96=η（5）、刚度的验算先画出此进给滚珠丝杠支承方式草图,如图所示.最大牵引力为578.6N,由螺母装配总长度为75mm,丝杠螺纹长度取250mm,预计长度为410mm,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 Y 向进给系统计算简图滚珠丝杠副的轴向变行会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：1)、丝杠的拉伸或压缩变形量1δ1δ在总的变形量中占的比重较大,可以用计算方法或查图表的方法决定，在这里我选用的是计算的方法，先用下式计算滚珠丝杠受工作负载Fm 的作用引起的导程0L 的变化量)(mm L ∆再计算滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量1δ，公式如下：EFL F L m 0⋅±=∆ 式中 L ∆---在工作负载Fm 作用下引起每一导程的变化量，)(mm ;m F ---工作负载，即进给牵引力，)(N ;0L ---滚珠丝杠的导程，)(mm ;E ---材料弹性模数，对钢 E=20.6410⨯,(2/mm N );F ---滚珠丝杠截面积（按内径确定）)(2mm .“+”号用于拉伸，“-”号用于压缩。