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1、立式铳床XY向进给系统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越高的精度要求，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。本论文针对铳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，连接伺服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电源的选择
2、。通过对工作台机械传动链的系统设计以期满足机床进给系统的定位精度和静动态性能，从而确保机床的加工精度。关键词：XT工作台，伺服系统，滚珠丝杠，步进电机ForTheDesignOfFeedSystemOfXYVerticalMillingMachineABSTRACTWiththedevelopmentofmoderninformationtechniques,thehighautomationwiththemainpurposeofimprovingtheproductionefficiencyofproductprocessandtheaccuracywiththeaccuracywitht
3、hemainaimofimprovingthequalityofproducthavebeenbecomingthetwomajordirectionsofthemoderntechniqueofmechanicalprocess.PeopleontheCNCmachinetools,precisioninstrumentsandmetersandallkindsofsophisticatedmachineryandequipmentraisedhigherandhigherprecision,X-Yworkbenchisthatimportantcomponentsofthesehigh-p
4、recisionmachiningequipmenttoachievethecorecomponents,forimprovingthequalityofprocessedproductsplaytheparticularlyimportantrole.Theentiremechanicaltransmissionchainforthesystemdesign,servomotorrelatedtotheselection,theselectionofballscrews,checkingstrengthandproductiondesignshouldpayattentiontothepro
5、blemofconnectingtheservomotorandtheballscrewoftheaxis.TheTelectionandVerification,bearingpiecesbearingthedesign,railandrackdesign.Accordingtothefunctionrequirementofsystem,theselectionoftheCNCsystemCPU.Itwouldalsoneedtoexpandtheprogrammemory,datamemoryandthechoiceofsteppermotordrivepower.Throughthet
6、ablemechanicaltransmissionchainsystemdesigntomeetthemachineintothesystemtothepositioningaccuracyandstaticanddynamicperformance,soastoensuretheaccuracyofprocessingmachine.KEYWORDSiTheX-Yworkbench,Servosystem,Ballscrew,steppermotor摘要ABSTRACTI1 O1.1 国内外数控系统的发展概况O1.2 数控技术的发展趋势O1.3 数控立式铳床XT工作台概述O1.4 立式铳床
7、XY工作台设计的意义和目的12工作台设计的总体方案21.1 1-12彳乍口vf21.2 机械传动部件的选择21.3 控制系统的设计23机械传动部件的计算与选型43.1 确定系统脉冲当量43.2 工作台外形尺寸及重量初步估算43.3 3肖_f53.4 直线滚动导轨副的计算与选型53.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型63.6 角接触球轴承的选用、校核83.8 联轴器的选型94步进电动机的计算与选型114.1 步进电机简介及原理114.2 步进电机的计算与选型114.2.1 2.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量114.2.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩124.2.3 步进电动机最大静
8、转矩的选定134.2.4 步进电动机的性能校核135电路设计155.1 电气控制系统设计155.2 主要芯片功能简介155.2.1单片机8031155.2.22764EPRoM芯片165.2.3静态PAM6264芯片171. 2.48155内部结构175. 2.5地址锁存器74LS373186接口及辅助电路设计196. 1LED显示器接口电路196. 1.1LED显示器工作原理197. 1.2LED显示器与单片机的接口电路196.2 步进电机接口电路206.3 步进电机驱动电路设计206. 4键盘接口电路217软件部分设计237. 1模块组成237. 2/中237.2 .1KB缓冲区237.3
9、 .2显示缓冲区237.3中断优先级237.4各模块说明及流程图237.4.1主模块237.4.2X、Y的快速移动子模块247.4.3暂停子模块247.4.4报警、急停中断子模块247.4.5KB、DIS定时扫描子程序247.4.6实时修改DIS缓冲数据模块247.5程序清单25致谢错误!未定义书签。参考文献301绪论1.1 国内外数控系统的发展概况随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高
10、效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理。1.2 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
11、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：(a)高速、高精加工技术及装备的新趋势(b)多轴联动加工和复合加工机床快速发展(C)智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势1.3 数控立式铳床X-Y工作台概述X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵一横向进刀机构、数控铳床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的XY数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图1-1。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝
12、杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产,设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。图1-1X-Y数控工作台外形1.4 立式铳床XY工作台设计的意义和目的工作台是机床上必不可少的部件，因此工作台的设计具有重要意义，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。XY数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。降低成本，是微机控制技术的最简单的应用，它充分的利用了微机的软硬件功能以
13、实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和劳动生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场经济的需要，使之更有效的发挥经济效益和社会效益。X-Y工作台设计的目的：(a)使工作台实现数控控制：让数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能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。(b)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
14、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。2工作台设计的总体方案立式铳床XY工作台设计，采用单片机、开环数控系统控制、步进电机驱动。机械主体部分主要有滚珠丝杠、导轨、联轴器、工作台面。2.1 工作台设计任务主要技术指标：(a)采用开环数控系统。(b)控制方式：采用单片机、开环数控系统控制、步进电机驱动。(c)控制精度：X
15、向：0.0Immy脉冲；Y向：0.0Imm/脉冲。(d)快移速度：2米/分，行程：400mmO(e)制定改进设计的总体方案。(f)绘制立式铳床外观图、XY向总装图、部件及零件图、电气驱动原理图以及电气控制原理图。(g)完成系统程序一个功能模块(键盘与显示、插补等)的程序设计(程序框图和程序清单)2. 2机械传动部件的选择(1)导轨副的选用要设计的XY工作台需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。(2)丝杠螺母副的选用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0.005mm
16、的脉冲当量和土0.0Imm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。(3)联轴器的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量,放大电动机的输出转矩,降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要用来联接不同机构中的两根轴(主动轴和从动轴)使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。3. 3控制系统的设计(a)设计的XY工作台准备用在数控铳床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控
17、制系统应该设计成连续控制型。(b)根据技术指标中最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，选用MCS-51系列控制系统的CPU,应该能够满足任务书给定的相关指标。(c)要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、I/O接口电路等。(d)选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。如图2/步进电机控制XY轴系统总体框图。Y自传麻痴图2-1步进电机控制XY轴系统总体框图3机械传动部件的计算与选型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。4. 1确定系统脉冲当量脉冲当量是一个进给指令
18、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001mm,因此选择脉冲当量为0.005mm。4.2 工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，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400mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm0图3-1X-Y工作台简图。X向拖板（上拖板）尺寸：长X宽X高=42040050重量：按重量=体积X材料，比重估算为：Wx=420400501037.810-2=655.2NY向拖板（下拖板）尺寸：长X宽X高=42040050Wy=420400501037.8102=655.2N上导轨（含电机）重量为：（9004808+
19、28003550）7.810210-3=487.97N夹具及工件重量约155NX-Y工作台运动部分的总重量为：W=487.97+655.2+655.2+1552000N4.3 铳削力的计算根据任务书，假设切向铳削力Fz=2000N,采用立铳刀进行圆柱铳削时，各铳削力之间的比值可由表查得，考虑逆铳时的情况，可估算三个方向的铳削力分别为：Ff=Fc2000N,Fe=0.375Fc750N,Ffn=O.25Fc500N0现考虑立铳，则工作台受到垂直方向的铳削力FV=Fe=750N,受到水平方向的铳削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铳削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铳削力Fx=F
20、y=2000N,径向铳削力为Fy=Ffil=500No4.4 直线滚动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷匕X的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的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：FmaX=W/4+F（3-1）其中，移动部件重量W=2000N,外加载荷F=FV=750N,代入式得最大工作载WiFmax=（500+750）N=1.25kN查表根据工作载荷Fmax=1.25kN,初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定
21、动载荷Ca=7.94kN,额定静载荷Coa=9.5kN其结构形式如图3-1直线滚动导轨副。图3-1直线滚动导轨副其主要参数如表3-1所示。表3-1JSA-LG15型直线滚动导轨副参数额定载荷静态力矩/N*m滑座重量Kg导轨重量Kg/m导轨长度1./mm动载荷CaKN静载荷CoilKNMaMbMc7.949.55555880.603.10640滑座个数M单行程长度S(m)每分钟往返次数n474任务书规定工作台的有效行程为Lx=400mm,Ly=400mm,选择工作台面尺寸280280mm,考虑工作行程应留有一定余量，查表按标准系列，选取导轨的长度为640mmo(2)距离额定寿命L的计算上述所取的
22、KL系列JSA-LG15系列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。分别取硬度系数fH=lO,温度系数f=LOO,接触系数fc=0.81,精度系数fR=0.9,载荷系数fw=1.5,代入式，得距离寿命：1.=(fHffcfR)/fw(Ca/Fmax)350=(1.0l.00.810.9)/1.5(7.94/Fmax1.25)3501471Km(3-2)工作寿命的计算：1.h=LxlO3/2ns60=1471106/24760=4.38105h(3-3)故导轨工作寿命足够。4.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型(1)最大工作载
23、荷Fm的计算如前所述，在立铳时，工作台受到进给方向的载荷(与丝杠轴线平行)Fx=2000N,受到横向载荷(与丝杠轴线垂直)Fy=500N,受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)Fy=750No已知移动部件总重量W=2000N,按矩形导轨进行计算,取颠覆力矩影响系数K=Ll,滚动导轨上的摩擦系数u=0.005o求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+u(Fv+Fy+W)=l.l2000+0.005+(750+7502000)N2216.25N(3-4)(2)最大动工作载荷FQ的计算设工作台在承受最大铳削力时的最快进给速度v=2000mmmin,初选丝杠导程Ph=6mm,则此时丝杠转速n=v/P
24、h=2000/6=333r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入U=60nTIO6,得丝杠寿命系数Lo=300（单位为：1061）查表，取载荷系数fw=l2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入式，求得最大动载荷：FQ=iyffuFa=33001.2LOx2216.25=1780IAr（3-5）（3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3206-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径do=32mm,导程Ph=6mm,循环滚珠为4圈xl系列，精度等级取5级，额定动载荷Ca=18292N,大于Fq
25、,满足要求。（4）传动效率的计算将公称直径d=32mm,导程Ph=6mm0代入得：=arctan（rdo）=arctan甲（乃32）=3025,得丝杠螺旋升角=3025,o将摩擦角=10，代入=tan/tan（4+）,得传动效率=95.5%。（5）刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推一单推”的方式。丝杠的两端各采用-对角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a=600mm;钢的弹性模量E=2.1xlO5Mpa;查表得滚珠直径Dw=3.969mm,丝杠底径d2=27.2mm,丝杠截面积S=d22/4=580.7mm2o丝杠的拉伸或压缩变形量石在总变形量中占的比重较大
26、，按忽略式G=笨瑞中的第二项，算得丝杠在工作载荷/作用下产生的拉/压变形量：(3-6)上=2216x6。、00.1 ES2.1IO5580根据公式Z=（IdO/%,）-3,求得单圈滚珠数Z=23；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数X列数为4x1,代入公式ZZ=ZX圈数X列数，得滚珠总数量ZE=92。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYj=Fm/3=739N。则由式&一CM3.LFm，求得滚珠与螺纹IoqDIr居/10滚道间的接触变形量40.002mmo因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可以减少一半，取=0.00ImmO将以上算出的和心代入编=4+名，求得丝杠总变形量（对应跨度600mm
27、）%=0.011+0.001=0.012mm=12m。本例中，丝杠的有效行程为400mm,由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315-40Omm时，行程偏差允许达到25川，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核根据公式a=y/C计算失稳时临界载荷fk。取支承系数fk=i；由丝杠ka底径d2=27.2mm求得截面惯性矩I=d/6426855nn4；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处距离a取最大值600mm。代入式，得临界载荷Fk=51485N,远大于工作载荷Fm=2216.25,故丝杠不会失稳。如图32G系列滚珠丝杠螺母副。图3-2G系列滚珠丝螺母副其主要参数如表3-
28、2所示。表32G系列滚珠丝杠螺母副尺寸参数规格代号公称直径导程滚珠直径丝杠底径丝杠外径循环列数额定载荷/NdoPhDwd2dlGCaCoa3206-43263.96927.231.241829247148螺母安装尺寸油杯DlDD4LBhl2M50826760137712M6综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。4.6 角接触球轴承的选用、校核初选角接触球轴承7205CJ,其相关参数如下:内径d=25mm,外径D=52mm,轴承宽度B=15mm,a=12.7mm,额定动载荷Cr=16.5,额定静载荷Cor=IO.5。轴承校核，受力如33图所示。% =JG= 10N,彩=网=375NR=R?=M
29、j+r：=1068/V轴向派生力S1=S2=0.68R=726.24N,A=Fa+S2=500+726.24=1226.24N,A2=S2=726.24Ne=0.68,4 _ 1226.24 不 一 10684 _ 726. 24R 1068=0. 68 = e查得，Xl=0.41,Y1=0.78X2=I,Y2=O查得，fp=1.2-1.8,取fp=1.4Pl=fp(X1R1+Y1A1)=2106N,P2=fp(X2R2+Y2A2)=1495.2N(3-7)因为PlP2,所以只验算轴承1,又轴承样本可知：7205CJ轴承的额定动载荷Ca=HlOONo(3-8)IO661Y1.h=1673315
30、000/7li60(外选用7205CJ轴承合适。3. 8联轴器的选型联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。根据工作台设计要求，对其选型如图3-4中所示，相应各参数值如表3-3中所示。图34联轴器结构示意图其主要参数如下：表3-3联轴器尺寸参数DD1D2Hd1(12d364562418640164步进电动机的计算与选型4.1步进电机简介及原理步进电机是开环伺服系统的驱动元件，其控制系统的
31、结构简单、控制容易、维修方便，控制为全数字化。步进电机用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的机械角位移。每给步进电机输入一个电脉冲信号，其转子轴就转过一个角度，称为步距角，转子轴的角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲信号输入的频率成正比，通过改变频率就可以调节电机的转速。如图4-1步进电机。图4-1步进电机步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。4. 2步进电机的计算与选型4. 2.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝
32、杠的公称直径do=32mm,总长L=600mm,导程Ph=6mm,材料密度p=7.85103kgI媪；移动部件总重力W=2000No初选步进电动机的型号为55BF(X)9,为两相混合式，二相八拍驱动时的步距角为0.75,从表查得该型号的电动机转子的转动惯量(=4kgc则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：JM=1+(2JsW=4+0.16+(6.39+1.86+4.9)/2.52=6.2Mkg.ci2(4-1)4. 2.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。(a)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩刀切包括三部分：一部分是快速空载起动时折
33、算到电动机转轴上的最大加速转矩max；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7;；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因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式4=gC(l-%2)可知，品相对于Ia和7;很小，可以忽略不计。则有：心=方皿+7,(4-2)根据式Uw=J茅=繇R(4-3)考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：式中:nm对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；ta步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为S。yzy其中：H=2三=1250rmin(4-5)3603式中:匕ax空载最快移动速度，任务
34、书指定为3000mmmin;a步进电动机步距角，预选电动机为0.75；b脉冲当量，本例b=0.005mm/脉冲。将以上各值代人式，算得nm=1250rmin设步进电机由静止加速至nm所需时间乙=0.4s,传动链总效率=0.7O则由式求得:Ta InaX(4-6)(4-7)2*6.264X125。XlOT、0293600.40.7移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为:二瓯+W)Ph2i式中:导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005；Fz垂直方向的铳削力，空载时取0；传动链效率，取0.7。11ll._4x_p./RT0.00520000.0064.CMLV则由式求得：Tf=N.m0.005j
35、V.zz2)X0.7X2.5最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩:maxTf =0.298Nm(4-8)(b)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩(02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Z；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7;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4，”相对于7；和7；很小，可以忽略不计。则有：Teq2=Z+Tf(4-9)其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩7；由式计算。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠的轴线方向的最大进给载荷G=2000N,则有：TFfPh20000.0061n
36、nvzT=-=1.09Vm(4-10)2i20.7x2.5再由式计算垂直方向承受最大工作负载(4=75(W)情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：MFi)Ph0.005(750+2000)0.006_一、Tt.=-S=0.0075fm(4-11)2i2乃X0.7X2.5最后由式，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：Teq2=Tt+Tf=.5Nm(4-12)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为：Teq=max471,THJ=1.0975rn(4-13)4. 2.3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
37、降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据却来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4,则步进电动机的最大静转矩应满足：TmX4=41.0975=4.39MR(4-14)初选步进电动机的型号为55BF009,查得该型号电动机的最大静转qBm=6M/可见，满足要求。5. 2.4步进电动机的性能校核(1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度:KaXf=200Ommmin,脉冲当量5=0.005/加/脉冲电动机对应的运行频率：a=2000/(600.005)6666名。电动机的输出转矩&xr4Nm,远远大于最大工作负载转矩几2口0975Nm
38、，满足要求。kiJeq，(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ax=4000mmmin,求出其对应运行频率fmax=3000/(60X0.005)=10000ffzo从图查得，在此频率下，电动机的输出转矩a=L8Mm,大于快速空载起动时的负载转矩1=0.2987胆加，满足要求。(3)最快空载移动时电动机运行频率校核与快速空载移动速度：vnx=4000mmmin对应的电动机运行频率为&、=100OOiY7O查表知55BFOO9电动机的空载运行频率可达20000”二，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4Z=6.2644gc勿2,电动机
39、转子的转动惯量Jnt=4kgc后,电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率4=1800”：。由式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：ff=/-=1123.68(4-15)业+几/Jm表4-155BFOO9步进电动机参数主要技术参数型号相数步距角/(0)电压/V电流/A最大静转矩/(N.m)空载起动频率/Hz空载运行频率/Hz转动惯量kgcm255BF00920.75100461800200004主要安装尺寸DbDlhlh2dEL键D2dl9092703814251344161076.6上式说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1123.68%。主要参数如表4-1所
40、示。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有1。OHZ(即10。脉冲/S)综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用55BF009步进电动机，完全满足设计要求。5电路设计5.1电气控制系统设计图5-1控制系统总体框图（a）主控器：单片机（b）存储器：EPROM、RAM（c）键盘、显示器及步进电机接口控制步进电机用的脉冲发生器用硬件实现，键盘扫描由软件实现。系统采用主控芯片为8031。外接随机存储器用6264RAM芯片来扩展8031的RAM存储器，片可榛除只读存储器EPROM2764来扩展ROM存储器，I/O接口主要靠可编程芯片8155来完成8031接口的扩展，驱动接口由8031
41、的PlO-Pl4通过分配器来实现，键盘和显示器也用8155来实现。如图5-1控制系统总体框图。6. 2主要芯片功能简介6.2. 1单片机8031如图5-2所示8031引脚，8031的结构及各管脚的功能：引脚功能可分为三类：I/O口线：PO、PLP2、P3共4个8位I/O口。控制线:PSEN（片外取指令控制），ALE（地址锁存控制）EA（片外存储器选择）,REST（复位控制）；电源及时钟。I/O口功能简介：Po是真正的三态双向口，既可输入又可输出，每个接口有一个锁存器（专用寄存器PO-Pl）,一个输出驱动器和一个输入缓冲器组成，这些接口都是双功能的。在单片机不需要扩展时，PO可当作一般的I/O使
42、用，在单片机需要扩展时，PO口担任地址/数据复用的总线口，即它的8根线既是8根数据线，又是8根地址线（低8位）。在这种情况下，扩展部分所需的高位地址由P2口提供。P3口既可作为一般I/O口使用，必要时，它还可用作串行通信的接口、定时器的外部计数器输入端、外部中端请求输入端和外部数据存储器的读写选通信号输入端，所以它的引脚具有双重功能：P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2（外部中断0请求输入端）P3.3（外部中断1请求输入端）P3.4TO（定时器0外部输入端）P3.5Tl（定时器1外部输入端）P3.6EA（外部RAM写选通）P3.7EA（外部RAM读选通）Pl P
43、l Pl Pl Pl Pl I P3P3P3P3P3PJP3P3O 1 2 3图5-2 8031引脚PO. O PO. I . . . . , PO. 5 . . PO. 7TapseVP2. 7P2. 6P2. 5P2. 4P2. 3P2. 2P2. 1P2. O5.2.22764EPR0M芯片2764是双列直插补28角芯片，具有13根地址线AO-A12,8根数据线DOD7,其余为控制线，定义分别为：国!为片选信号端，而为输出允许端，W巨写允许控制端，VCC为编程电压端（21V或12.5V）,VSS为地电平，NC为空脚，不用。如图53所示。2764、。C1、VJAQAOQAll11AlOfC
44、1T/C11i/1/(JC)一T/CV1ZUDI/tA/UT1/03图5-32764引脚图0122OoosG17654321O/SNaaaaaaaaaiiiv5.2.3静态PAM6264芯片6264是8Kx8位的静态数据存储芯片，采用CMOS工艺制造，位28脚双列直插式封装,其引脚图如5-4所示：需要说明的是,6264有两个片选信号函和CE2,只有当国=0,CE2=1时，芯片才被选中。在实际应用中，往往只用其中一个，而将另一个接成常有效；也可以将系统中的片选信号以及取反后的信号分别接至函和CE2端。/62641、UA1OWPA1ZCP7A7VLZQ6AOAQA5A11A4AO.117pA3A111zA1UPR11T/CllU1/00L/UOI/C1/01L/Ud1/f1/UzCNnL/UMr/OOVJPI1/03
