《数控机床》课程设计说明书
设计题目： X —Y 数控工作台机电系统设计
班级：
姓名：
指导教师：
机电一体化教研室
2010年 6 月
目 录
一、设计目的 .......................................................... 3
二、设计任务 .......................................................... 3
三．总体方案的确定 .............................................. 4
1、机械传动部件的选择 ......................................................................... ……. 4
(1)丝杠螺母副的选用 ................................................................................. 4
(2)导轨副的选用 ......................................................................................... 4
(3)伺服电动机的选用 ................................................................................. 5
2、控制系统的设计 .......................................................................................... 5
3、绘制总体方案图 .......................................................................................... 5
四、机械传动部件的计算与选型 .......................... 6
1、 导轨上移动部件的重量估算 . ................................................................... 6
2、铣削力的计算 .............................................................................................. 6
五、步进电动机的计算与选型 .............................. 9
1、传动计算 ...................................................................................................... 9
2、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq .................................... 10
3、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq . ............................... 11
4、步进电动机最大静转矩的选定 . .............................................................. 12
六、直线滚动导轨副的计算与选型 .................... 14
1、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 . .................................... 14
2、距离额定寿命L 的计算 .................................................................... 14
七、 绘制进给传动系统示意图 .......................... 15
八、控制系统硬件电路设计 ................................ 15
九、步进电动机的驱动电源选用 ........................ 18
结 束 语 ................................................................ 19
参考文献...................................................................20
一、设计目的
《数控机床》课程设计是一个很重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学的理论知识，独立进行设计训练，主要目的：
1） 通过本设计，使学生全面地，系统地了解和掌握数控机床得基本组成及其相关基本知识，学习总体方案拟定、分析与比较的方法。
2） 通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件得工作原理、设计计算方法及选用原则。
3） 通过伺服系统得设计，掌握常用伺服电机得工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。
4） 培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思想。
5） 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。
二、设计任务
任务：设计一种立式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下：
1. 立铣刀最大直径的d=15mm；
2. 立铣刀齿数Z=3;
3. 最大铣削宽度a e =15mm;
4. 最大背吃刀量a p =8mm;
5. 加工材料为碳素钢活有色金属。
6. X 、Y 方向的定位精度均为±0.02mm;
7. 工作台尺寸 230mm³230㎜，加工范围为250mm ³250mm
8. 工作台空载进给最快移动速度：V xmax =Vymax =3000mm/min;
9. 工作台进给最快移动速度: Vxmax =Vymax =400mm/min;
10. 加减速0.4s
三．总体方案的确定
1、机械传动部件的选择
(1)丝杠螺母副的选用
①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，需要满
足 0. 02mm 的定位精度，滑动丝杠副不能达到要求，因此选用滚珠丝杆副，滚珠丝杆副的传动精度高、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轴向间隙的调整和预紧方式：选用垫片调隙式，这种方法结构简单、
刚性好、装卸方便，适用于一般精度的机构
③滚珠丝杠的安装：采用一端固定，一端游动的方式，因其压杆稳定性
和临界转速较高
(2)导轨副的选用
要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且定位精度高，因此
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，安装预紧方便好且精度保持性等优点。
选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于200kg 的机床，摩擦阻
力小，制造容易，成本较低。
(3)伺服电动机的选用
任务书规定的定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此
3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混
合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。
2、控制系统的设计
1）设计的X-Z 工作台准备用在数控车床上，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，所以控制系统设计成连续控制型。
2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU ，能够满足任务书给定的相关指标。
3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU 之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。
4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
3、绘制总体方案图
总体方案图如图3.1所示。
图3.1 总体方案图
四、机械传动部件的计算与选型
1、导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等, 估计重量约为800N 。
2、铣削力的计算
采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢，根据《金属切屑原理与刀具》200页表15-5得硬质合金立铣刀铣削力经验公式
0.850.75-0.731.00.1 FC =118e f z d a p n
其中铣刀的直径d =15mm，齿数Z =3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度a e =15mm，背吃刀量a p =8mm，查《切削用量简明手册》可得，每齿进给量f z =0.1mm，铣刀转速n =300/min。则由上公式求得最大铣削力：
F C =118x0.85x 0.10.75x 15-0.73x 8x 300 x1 1.00.1
=1233 N
考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：F f =1Fc =1356N，F e =0.38 F c =308 N，F fm =469 N则工作台受到垂直方向的铣削力F z =F e =308N，受到水平方向的铣削力分别为F f 和F fn 。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力F x =F f =1356N，径向铣削力F y =F fn =469N。
3．杠螺母副的计算与选型
（1）最大工作载荷F m 的计算
在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）F x =1356N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）F y =308N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）F z =469N。
已知移动部件总质量G =800N，按矩形导轨进行计算，由《金属切屑机床》
126页公式17-5得：
F m=KFx+μ(Fz+Fy+G)=[1.1⨯1356+0.005⨯(469+308+500)]N≈1498N
取摩擦系数μ=0.005。取颠覆力矩影响系数K =1.1,求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
（2）最大动载荷F Q 的计算
设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v =400mm/min，初选丝杠导
程P h =5mm，则此时丝杠转速n =v /P h =80r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T =15000h，代入L 0=60nT /106，得丝杠寿命系数L 0=72 (单位为：106r) 。
查课本110页表5-1,5-2，取载荷系数f W =1.2，滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数f H =1.0，求得最大动载荷：
F Q ≈7478 N
（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查《现代实用机床设计手册》（上册）967页，选择南京工艺装备制造有限公司生产的FF 2005-3型滚珠丝杠副，为内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副，其公称直径为20mm ，导程为5mm ，循环滚珠总圈数为3圈，精度等级取5级，额定动载荷为9100N ，大于F Q 满足要求。
（4）传动效率η的计算 将公称直径d 0=20mm，导程P h =5mm，代入λ=arctan[P h /(πd 0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角φ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+φ) ，得传动效率η=96.4%。
（5）刚度的验算
1）X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支撑的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量E =2.1×105MPa ；查《现代实用机床设计手册》（上册）
967页，得滚珠直径D W =3.5mm，丝杠底径d 2=16.9mm，丝杠截面积S = πd 22/4=224.2mm2。
则丝杠在工作载荷F m 作用下产生的拉/压变形量：
δ1=F m a /(ES )= 1498×500/(2.1×105×224.2) ≈0.0159mm 。
2）根据公式Z =(πd 0/D W )-3，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F YJ =F m /3=631。则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形δ2≈0.0027。
因为丝杠加有预紧力, 且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取δ2=0.0013mm。17.2
3) 将以上算出的δ1和δ2代入δ
500mm) δ总=0.0172mm=17.2μm 。
本例中，丝杠的有效行程为350mm ，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，行程偏差允许达到25μm ，可见丝杠刚度足够。 总=δ1+δ2，求得丝杠总变形量(对应跨度
（6）压杆稳定性校核
根据公式计算失稳时的临界载荷F er 。查《现代实用机床设计手册》（上册）
944、953页，知当滚珠丝杠的安装方式为一端固定，一端游动时，取压杆稳定安全系数f1=0.25（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a 取最大值500mm 。代入式：
F er =3. 4⨯1010f d L 1
2
042得临界载荷F er =4.324×103 KN >Fm，
故丝杠不会失稳。
（7）临界转速的验算：
查表得临界转速公式为：n c =f d L 2
2
c 22
式中f2——丝杠支撑方式系数，一端固定一端游动时f2=1.875
Lc=500mm=0.5m
d2=d0-1.2Dw=15.8
查《机床设计手册》图5.7-93，
当支撑方式为G —T 时n c =9. 423⨯10长度L=500mm时交点在D=20的左侧，所以
临界转速验算合格. 3
（8）滚珠丝杠的选型以及安装尺寸的确定
丝杠工作长度L ，应满足控制中的行程要求。L 应为丝杠工作长度：
L=（1.05—1.1）行程+（10—14）Ph
所以丝杠： L=1.1³250+14+5=350 mm
安装方式为一端固定，一端游动。
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
故滚珠丝杠的型号为FF 2005-3型滚珠丝杠副内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副。
五、步进电动机的计算与选型
1、传动计算
为了满足加工精度在0.01-0.02范围内时，数控铣床、钻床车床的脉冲当
量δ可取0.005-0.01mm/Hz,因此取脉冲当量δ=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程P h =5mm， 初选步进电动机的步距角α=0.72°越高。因为步距角越小，数控机床的控制精度。
根据《数控机床系统设计》式（5-18），算得减速比：
i =(αP h ) /(360δ) =（0.72⨯5）/（360⨯0.01）=1
由此可见本机构不必要选减速箱。
2、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J eq
由《数控机床系统设计》134页得：由于负载转矩情况不同，负载惯量只能由已计算精确地得到。由电动机驱动的所有运动部件，无论是旋转运动还是直线运动部件，都成为电动机的负载惯量，总的惯量以通过计算各个被驱动部件的惯量，并以一定规律将其加起来即可。滚珠丝杠的公称直径d 0=20mm，总长
l=500mm，导程Ph=5mm，材料密度ρ=7.85⨯10-5kg/cm 2; 移动部件总重力G=800N；
① 圆柱体惯量，当圆柱体围绕其中心轴线旋转时，其惯量可由下述公式计算： J 1=M 82⨯10 6
对于钢材： J 1=0. 77D L ⨯104-12-42 代入数据得： J1=0.4312⨯10kg ⋅m
s ⎫⎛② 沿直线轴移动物体的惯量： J = ⎪M ⨯10⎝2πn ⎭22-6=5. 1694⨯10kg ⋅m -42
初选步进电动机的型号为90BYG5502, 由常州市德利来电器有限公司生产，五相混合式步进电动机，驱动时的步距角为0.72°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量J m =4kg²cm 2。
③ 总的转动惯量为： J = J1 + J2 + J0 。其中J0为初选电动机的转子转动惯量，为4 kg²cm 2。
代入数据得： J=9.48 kg²cm 2
3、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
分快速空载和承受最大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T eq 1由式（4-8）可知，T eq 1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T a 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T f ；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T 0。因为滚珠丝杠副传动效率很
高，根据式（4-12）可知，则有：
T eq 1=T a max +T f +T0 （6-13）
根据式（4-9），考虑传动链的总效率η，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：
T a max =2πJ eq n m 60t a 1⨯ (6-14) η
其中： n m =v max α=600r/min (6-15) 360δ
式中V max —空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min；
α—步进电动机步距角，预选电动机为0.72 ；
δ—脉冲当量，本例δ=0.01mm/脉冲。
设步进电机由静止加速至n m 所需时间t a =0.4s ，传动链总效率η=0.7。则由式求得：
T a max =J ⋅n -3=13. 03⨯10N ⋅m 9.6T
由式知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：
T f =μ(F z +G )p 2πni h =0. 005⨯(0+800)⨯0. 005-3=4. 55⨯10N ⋅m 2π⨯0. 7⨯1
式中η——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005
F z ——垂直方向的铣削力，空载时取0
η——传动链效率，取0.7
由式知，由于丝杠预紧引起的折算到电动机轴上的附加摩擦力矩为： T 0=amax S 2ηπi (1-η) ⨯10=3
02376⨯0. 0052-3-31-0. 9⨯10≈0. 0711⨯10N ⋅m 2π⨯0. 7⨯1()
最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：
T eq 1=T a max +T f +T 0=0.1765N⋅m (6-17)
2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T eq 2
由式（4-13）可知，T eq 2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T f ；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T 0，T 0相对于T f 和T t 很小，可以忽略不计。则有：
T eq 2=T t +T f （6-18）
其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T t 由公式（4-14）计算。有：
T t p F =t h 2πηi =1656⨯0. 005≈1. 88N ²m 2π⨯0. 7⨯1. 0
再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载(F z =556N ) 情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：
T f =μ(z +G )Ph 0. 005⨯(572+800)=⨯0. 005=0. 007N ⋅m 2πηi 2π⨯0. 7⨯1. 0
最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：
T eq 2=T t +T f =1.887N²m （6-19）
最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：
T eq =max T eq 1T eq 2=1.887 N²m {}
4、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T eq 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=3, 则步进电动机的最大静转矩应满足：
T jmax ≥4T eq =3³1.887=5.661 N.m
初选步进电动机的型号为110BYG550B ，由表查得该型号电动机的最大静转矩T j max =6.8N⋅m 。可见，满足要求。
5、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V max f =400mm/min，脉冲当量δ=0.01mm/脉冲，
电动机对应的运行频率为f max f =[400/(60⨯0. 01)]≈667H Z 。从90BYG5002电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩T max f ≈4.5N ⋅m ，远远大于最大工作负载转矩T eq 2=1.887N⋅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
求出其对应运行频率v max =3000mm/min，f max =3000≈5000Hz 。由矩频特性曲线60⨯0. 01
图查得，在此频率下，电动机的输出转矩T max =6.0N⋅m ，大于快速空载起动时的
负载转矩T eq 1=0.1765N⋅m ，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v max =3000mm/min对应的电动机运行频率为f max =3000≈5000Hz 。由矩频特性曲线图查得60⨯0. 01
90BYG5002电动机的空载运行频率可达10000H z ，可见没有超出上限。
4）启动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量J=9.48 kg²cm 2，电动机转子的转动惯量T j m a x =4N⋅m ，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率
。由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率f q =1800H z （查表4-5）
为：
f L =f
+q J ≈1000Hz
m J
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1000Hz 。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100H z 。
综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG550B 步进电动机，完全满足设计要求。
六、直线滚动导轨副的计算与选型
1、块承受工作载荷F max 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：
F max =G +F 4
其中，移动部件重量Ｇ＝800N ，外加载荷F=Fz =469，代入上式，得最大工
作载荷F max =669N=0.669kN。
根据工作载荷F max =0.669kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的LG15
型，其额定动载荷为7.94KN ，额定静载荷9.5 KN。
任务书规定工作台面尺寸为230mm ⨯230mm ，加工范围为250mm ⨯250mm ，考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为520mm 。
2、距离额定寿命L 的计算
上述所取的KL 系列LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC ，工作温度不超过100 C ，
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手册》表2.9-13~2.9-16，分别取硬度系数f H =1.0，温度系数
f T =1.00，接触系数f c =0.81，精度系数fa=0.9，载荷系数f w =1.5，代入式（3-33），得距离寿命： 3
L=50⎛ 1⨯1⨯0. 81⨯8. 7⎫⎪17204Km
⎝0. 669⨯1. 5⎭=
远大于期望值50Km ，故距离额定寿命满足要求。
七、 绘制进给传动系统示意图
进给传动系统示意图如图5.1所示。
图5.1
给传动系统示意图
八、控制系统硬件电路设计
根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：
（1） 接收键盘数据，控制LED 显示
（2） 接受操作面板的开关与按钮信息；
（3） 接受车床限位开关信号；
进
（4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；
（5） 控制X ，Z 向步进电动机的驱动器；
（6） 控制主轴的正转，反转与停止；
（7） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；
（8） 控制交流变频器，实现主轴无级变速；
（9） 控制切削液泵启动/停止；
（10）控制电动卡盘的夹紧与松开；
（11）控制电动刀架的自动选刀；
（12）与PC 机的串行通信。
X-Y 数控工作台的控制系统设计，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。本设计CPU 选用ATMEL 公司的8位单片机AT89S52，由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM 芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM 芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了X ﹑Y 方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与PC 机的串行通信经过MAX233，可以采用PC 机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素：方向﹑转角和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，而转速则取决于控制器发出的步进
脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中，CPU 不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零，无需升降频控制。当步进电动机的运行频率 （为步进电动机有载起动时的起动频率）时，若直接用 起动，由于频率太高，步进电动机会失步，甚至会丢步，甚至停转；同样在 频率下突然停止，步进电动机会超程。因此，当步进电动机在运行频率 下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电动机从起动频率开始，逐渐加速升到运行频率 ，然后进入匀速运行，停止前的降频可以看作是升频的逆过程。虽然本设计采用了半闭环控制，加入了增量式编码器作为反馈信号，但是在编程过程中仍需设计升降频的部分，以使步进电动机运行平稳、精确。根据需要，可编写出驱动步进电动机的程序。AT89S52指令与80C51指令完全兼容。
控制系统原理框图如图6.1所示。
图6.1 控制系统原理框图
图7.1 BD28Nb型驱动电源接线图
九、步进电动机的驱动电源选用
设计中X 、Y 向步进电动机均为110BYG550B 型，生产厂家为常州宝马集团公司。查表4-14，选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb 型，输入电压为1000VAC ，相电流为4A ，分配方式为五相混合电机。该驱动电源与控制器的接线方式如图
7.1所示。
结 束 语
经过两周充实的时间，我们终于完成了这次的课程设计。在本次的课程设计中，我首次完成从计算分析到绘制成图的全过程，在这过程中，是我们把所学的由理论知识转变到实践的一个过程。
通过本次设计，进一步提高了我对计算机辅助设计的认识，加强了我对各个软件特点的掌握。课程设计中，我们充分利用各个软件的优势进行设计，提高了设计速度，同时达到了我们的设计目的。此次课程设计中主要采用UG NX7.0进行建模，利用CAD 进行绘图。充分感受设计前沿软件的设计思想。课程设计的完成也提高了我自学软件的能力，通过这次的课程设计，我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。
在整个设计的过程中，得到了老师和同学们的热心的帮助。在此，向他们致以衷心的感谢，特别感谢陈其兵老师和罗海萍老师的指导，也感谢同组同学在设计过程中给予的帮助。由于时间的伧俗，加上自己经验的不足和知识的匮乏，设计中难免会出现一些错误和不足之处，希望能得到老师和同学的批评与
指正。
参考文献
[1] 文怀兴等编著. 《数控机床系统设计》. 化工工业出版社.
[2]《机电一体化技术设计》. 机械工业出版社
[3] 毛昕等主编，《画法几何及机械制图》. 高等教育出版社
[4]《机械设计手册（2）》. 机械工业出版社
[5] 艾兴 肖诗纲编. 《切削用量简明手册》机械工业出版社
[6]《互换性与技术测量》 中国计量出版社
[7] 韩荣第 编 《金属切削原理与刀具》 哈尔滨工业大学出版社
[8]PDF版
《数控机床》课程设计说明书
设计题目： X —Y 数控工作台机电系统设计
班级：
姓名：
指导教师：
机电一体化教研室
2010年 6 月
目 录
一、设计目的 .......................................................... 3
二、设计任务 .......................................................... 3
三．总体方案的确定 .............................................. 4
1、机械传动部件的选择 ......................................................................... ……. 4
(1)丝杠螺母副的选用 ................................................................................. 4
(2)导轨副的选用 ......................................................................................... 4
(3)伺服电动机的选用 ................................................................................. 5
2、控制系统的设计 .......................................................................................... 5
3、绘制总体方案图 .......................................................................................... 5
四、机械传动部件的计算与选型 .......................... 6
1、 导轨上移动部件的重量估算 . ................................................................... 6
2、铣削力的计算 .............................................................................................. 6
五、步进电动机的计算与选型 .............................. 9
1、传动计算 ...................................................................................................... 9
2、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq .................................... 10
3、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq . ............................... 11
4、步进电动机最大静转矩的选定 . .............................................................. 12
六、直线滚动导轨副的计算与选型 .................... 14
1、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 . .................................... 14
2、距离额定寿命L 的计算 .................................................................... 14
七、 绘制进给传动系统示意图 .......................... 15
八、控制系统硬件电路设计 ................................ 15
九、步进电动机的驱动电源选用 ........................ 18
结 束 语 ................................................................ 19
参考文献...................................................................20
一、设计目的
《数控机床》课程设计是一个很重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学的理论知识，独立进行设计训练，主要目的：
1） 通过本设计，使学生全面地，系统地了解和掌握数控机床得基本组成及其相关基本知识，学习总体方案拟定、分析与比较的方法。
2） 通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件得工作原理、设计计算方法及选用原则。
3） 通过伺服系统得设计，掌握常用伺服电机得工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。
4） 培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思想。
5） 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。
二、设计任务
任务：设计一种立式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下：
1. 立铣刀最大直径的d=15mm；
2. 立铣刀齿数Z=3;
3. 最大铣削宽度a e =15mm;
4. 最大背吃刀量a p =8mm;
5. 加工材料为碳素钢活有色金属。
6. X 、Y 方向的定位精度均为±0.02mm;
7. 工作台尺寸 230mm³230㎜，加工范围为250mm ³250mm
8. 工作台空载进给最快移动速度：V xmax =Vymax =3000mm/min;
9. 工作台进给最快移动速度: Vxmax =Vymax =400mm/min;
10. 加减速0.4s
三．总体方案的确定
1、机械传动部件的选择
(1)丝杠螺母副的选用
①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，需要满
足 0. 02mm 的定位精度，滑动丝杠副不能达到要求，因此选用滚珠丝杆副，滚珠丝杆副的传动精度高、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轴向间隙的调整和预紧方式：选用垫片调隙式，这种方法结构简单、
刚性好、装卸方便，适用于一般精度的机构
③滚珠丝杠的安装：采用一端固定，一端游动的方式，因其压杆稳定性
和临界转速较高
(2)导轨副的选用
要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且定位精度高，因此
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，安装预紧方便好且精度保持性等优点。
选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于200kg 的机床，摩擦阻
力小，制造容易，成本较低。
(3)伺服电动机的选用
任务书规定的定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此
3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混
合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。
2、控制系统的设计
1）设计的X-Z 工作台准备用在数控车床上，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，所以控制系统设计成连续控制型。
2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU ，能够满足任务书给定的相关指标。
3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU 之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。
4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
3、绘制总体方案图
总体方案图如图3.1所示。
图3.1 总体方案图
四、机械传动部件的计算与选型
1、导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等, 估计重量约为800N 。
2、铣削力的计算
采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢，根据《金属切屑原理与刀具》200页表15-5得硬质合金立铣刀铣削力经验公式
0.850.75-0.731.00.1 FC =118e f z d a p n
其中铣刀的直径d =15mm，齿数Z =3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度a e =15mm，背吃刀量a p =8mm，查《切削用量简明手册》可得，每齿进给量f z =0.1mm，铣刀转速n =300/min。则由上公式求得最大铣削力：
F C =118x0.85x 0.10.75x 15-0.73x 8x 300 x1 1.00.1
=1233 N
考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：F f =1Fc =1356N，F e =0.38 F c =308 N，F fm =469 N则工作台受到垂直方向的铣削力F z =F e =308N，受到水平方向的铣削力分别为F f 和F fn 。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力F x =F f =1356N，径向铣削力F y =F fn =469N。
3．杠螺母副的计算与选型
（1）最大工作载荷F m 的计算
在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）F x =1356N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）F y =308N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）F z =469N。
已知移动部件总质量G =800N，按矩形导轨进行计算，由《金属切屑机床》
126页公式17-5得：
F m=KFx+μ(Fz+Fy+G)=[1.1⨯1356+0.005⨯(469+308+500)]N≈1498N
取摩擦系数μ=0.005。取颠覆力矩影响系数K =1.1,求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
（2）最大动载荷F Q 的计算
设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v =400mm/min，初选丝杠导
程P h =5mm，则此时丝杠转速n =v /P h =80r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T =15000h，代入L 0=60nT /106，得丝杠寿命系数L 0=72 (单位为：106r) 。
查课本110页表5-1,5-2，取载荷系数f W =1.2，滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数f H =1.0，求得最大动载荷：
F Q ≈7478 N
（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查《现代实用机床设计手册》（上册）967页，选择南京工艺装备制造有限公司生产的FF 2005-3型滚珠丝杠副，为内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副，其公称直径为20mm ，导程为5mm ，循环滚珠总圈数为3圈，精度等级取5级，额定动载荷为9100N ，大于F Q 满足要求。
（4）传动效率η的计算 将公称直径d 0=20mm，导程P h =5mm，代入λ=arctan[P h /(πd 0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角φ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+φ) ，得传动效率η=96.4%。
（5）刚度的验算
1）X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支撑的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量E =2.1×105MPa ；查《现代实用机床设计手册》（上册）
967页，得滚珠直径D W =3.5mm，丝杠底径d 2=16.9mm，丝杠截面积S = πd 22/4=224.2mm2。
则丝杠在工作载荷F m 作用下产生的拉/压变形量：
δ1=F m a /(ES )= 1498×500/(2.1×105×224.2) ≈0.0159mm 。
2）根据公式Z =(πd 0/D W )-3，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F YJ =F m /3=631。则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形δ2≈0.0027。
因为丝杠加有预紧力, 且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取δ2=0.0013mm。17.2
3) 将以上算出的δ1和δ2代入δ
500mm) δ总=0.0172mm=17.2μm 。
本例中，丝杠的有效行程为350mm ，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，行程偏差允许达到25μm ，可见丝杠刚度足够。 总=δ1+δ2，求得丝杠总变形量(对应跨度
（6）压杆稳定性校核
根据公式计算失稳时的临界载荷F er 。查《现代实用机床设计手册》（上册）
944、953页，知当滚珠丝杠的安装方式为一端固定，一端游动时，取压杆稳定安全系数f1=0.25（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a 取最大值500mm 。代入式：
F er =3. 4⨯1010f d L 1
2
042得临界载荷F er =4.324×103 KN >Fm，
故丝杠不会失稳。
（7）临界转速的验算：
查表得临界转速公式为：n c =f d L 2
2
c 22
式中f2——丝杠支撑方式系数，一端固定一端游动时f2=1.875
Lc=500mm=0.5m
d2=d0-1.2Dw=15.8
查《机床设计手册》图5.7-93，
当支撑方式为G —T 时n c =9. 423⨯10长度L=500mm时交点在D=20的左侧，所以
临界转速验算合格. 3
（8）滚珠丝杠的选型以及安装尺寸的确定
丝杠工作长度L ，应满足控制中的行程要求。L 应为丝杠工作长度：
L=（1.05—1.1）行程+（10—14）Ph
所以丝杠： L=1.1³250+14+5=350 mm
安装方式为一端固定，一端游动。
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
故滚珠丝杠的型号为FF 2005-3型滚珠丝杠副内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副。
五、步进电动机的计算与选型
1、传动计算
为了满足加工精度在0.01-0.02范围内时，数控铣床、钻床车床的脉冲当
量δ可取0.005-0.01mm/Hz,因此取脉冲当量δ=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程P h =5mm， 初选步进电动机的步距角α=0.72°越高。因为步距角越小，数控机床的控制精度。
根据《数控机床系统设计》式（5-18），算得减速比：
i =(αP h ) /(360δ) =（0.72⨯5）/（360⨯0.01）=1
由此可见本机构不必要选减速箱。
2、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J eq
由《数控机床系统设计》134页得：由于负载转矩情况不同，负载惯量只能由已计算精确地得到。由电动机驱动的所有运动部件，无论是旋转运动还是直线运动部件，都成为电动机的负载惯量，总的惯量以通过计算各个被驱动部件的惯量，并以一定规律将其加起来即可。滚珠丝杠的公称直径d 0=20mm，总长
l=500mm，导程Ph=5mm，材料密度ρ=7.85⨯10-5kg/cm 2; 移动部件总重力G=800N；
① 圆柱体惯量，当圆柱体围绕其中心轴线旋转时，其惯量可由下述公式计算： J 1=M 82⨯10 6
对于钢材： J 1=0. 77D L ⨯104-12-42 代入数据得： J1=0.4312⨯10kg ⋅m
s ⎫⎛② 沿直线轴移动物体的惯量： J = ⎪M ⨯10⎝2πn ⎭22-6=5. 1694⨯10kg ⋅m -42
初选步进电动机的型号为90BYG5502, 由常州市德利来电器有限公司生产，五相混合式步进电动机，驱动时的步距角为0.72°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量J m =4kg²cm 2。
③ 总的转动惯量为： J = J1 + J2 + J0 。其中J0为初选电动机的转子转动惯量，为4 kg²cm 2。
代入数据得： J=9.48 kg²cm 2
3、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
分快速空载和承受最大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T eq 1由式（4-8）可知，T eq 1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T a 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T f ；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T 0。因为滚珠丝杠副传动效率很
高，根据式（4-12）可知，则有：
T eq 1=T a max +T f +T0 （6-13）
根据式（4-9），考虑传动链的总效率η，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：
T a max =2πJ eq n m 60t a 1⨯ (6-14) η
其中： n m =v max α=600r/min (6-15) 360δ
式中V max —空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min；
α—步进电动机步距角，预选电动机为0.72 ；
δ—脉冲当量，本例δ=0.01mm/脉冲。
设步进电机由静止加速至n m 所需时间t a =0.4s ，传动链总效率η=0.7。则由式求得：
T a max =J ⋅n -3=13. 03⨯10N ⋅m 9.6T
由式知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：
T f =μ(F z +G )p 2πni h =0. 005⨯(0+800)⨯0. 005-3=4. 55⨯10N ⋅m 2π⨯0. 7⨯1
式中η——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005
F z ——垂直方向的铣削力，空载时取0
η——传动链效率，取0.7
由式知，由于丝杠预紧引起的折算到电动机轴上的附加摩擦力矩为： T 0=amax S 2ηπi (1-η) ⨯10=3
02376⨯0. 0052-3-31-0. 9⨯10≈0. 0711⨯10N ⋅m 2π⨯0. 7⨯1()
最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：
T eq 1=T a max +T f +T 0=0.1765N⋅m (6-17)
2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T eq 2
由式（4-13）可知，T eq 2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T f ；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T 0，T 0相对于T f 和T t 很小，可以忽略不计。则有：
T eq 2=T t +T f （6-18）
其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T t 由公式（4-14）计算。有：
T t p F =t h 2πηi =1656⨯0. 005≈1. 88N ²m 2π⨯0. 7⨯1. 0
再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载(F z =556N ) 情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：
T f =μ(z +G )Ph 0. 005⨯(572+800)=⨯0. 005=0. 007N ⋅m 2πηi 2π⨯0. 7⨯1. 0
最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：
T eq 2=T t +T f =1.887N²m （6-19）
最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：
T eq =max T eq 1T eq 2=1.887 N²m {}
4、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T eq 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=3, 则步进电动机的最大静转矩应满足：
T jmax ≥4T eq =3³1.887=5.661 N.m
初选步进电动机的型号为110BYG550B ，由表查得该型号电动机的最大静转矩T j max =6.8N⋅m 。可见，满足要求。
5、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V max f =400mm/min，脉冲当量δ=0.01mm/脉冲，
电动机对应的运行频率为f max f =[400/(60⨯0. 01)]≈667H Z 。从90BYG5002电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩T max f ≈4.5N ⋅m ，远远大于最大工作负载转矩T eq 2=1.887N⋅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
求出其对应运行频率v max =3000mm/min，f max =3000≈5000Hz 。由矩频特性曲线60⨯0. 01
图查得，在此频率下，电动机的输出转矩T max =6.0N⋅m ，大于快速空载起动时的
负载转矩T eq 1=0.1765N⋅m ，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v max =3000mm/min对应的电动机运行频率为f max =3000≈5000Hz 。由矩频特性曲线图查得60⨯0. 01
90BYG5002电动机的空载运行频率可达10000H z ，可见没有超出上限。
4）启动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量J=9.48 kg²cm 2，电动机转子的转动惯量T j m a x =4N⋅m ，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率
。由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率f q =1800H z （查表4-5）
为：
f L =f
+q J ≈1000Hz
m J
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1000Hz 。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100H z 。
综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG550B 步进电动机，完全满足设计要求。
六、直线滚动导轨副的计算与选型
1、块承受工作载荷F max 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：
F max =G +F 4
其中，移动部件重量Ｇ＝800N ，外加载荷F=Fz =469，代入上式，得最大工
作载荷F max =669N=0.669kN。
根据工作载荷F max =0.669kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的LG15
型，其额定动载荷为7.94KN ，额定静载荷9.5 KN。
任务书规定工作台面尺寸为230mm ⨯230mm ，加工范围为250mm ⨯250mm ，考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为520mm 。
2、距离额定寿命L 的计算
上述所取的KL 系列LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC ，工作温度不超过100 C ，
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手册》表2.9-13~2.9-16，分别取硬度系数f H =1.0，温度系数
f T =1.00，接触系数f c =0.81，精度系数fa=0.9，载荷系数f w =1.5，代入式（3-33），得距离寿命： 3
L=50⎛ 1⨯1⨯0. 81⨯8. 7⎫⎪17204Km
⎝0. 669⨯1. 5⎭=
远大于期望值50Km ，故距离额定寿命满足要求。
七、 绘制进给传动系统示意图
进给传动系统示意图如图5.1所示。
图5.1
给传动系统示意图
八、控制系统硬件电路设计
根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：
（1） 接收键盘数据，控制LED 显示
（2） 接受操作面板的开关与按钮信息；
（3） 接受车床限位开关信号；
进
（4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；
（5） 控制X ，Z 向步进电动机的驱动器；
（6） 控制主轴的正转，反转与停止；
（7） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；
（8） 控制交流变频器，实现主轴无级变速；
（9） 控制切削液泵启动/停止；
（10）控制电动卡盘的夹紧与松开；
（11）控制电动刀架的自动选刀；
（12）与PC 机的串行通信。
X-Y 数控工作台的控制系统设计，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。本设计CPU 选用ATMEL 公司的8位单片机AT89S52，由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM 芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM 芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了X ﹑Y 方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与PC 机的串行通信经过MAX233，可以采用PC 机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素：方向﹑转角和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，而转速则取决于控制器发出的步进
脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中，CPU 不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零，无需升降频控制。当步进电动机的运行频率 （为步进电动机有载起动时的起动频率）时，若直接用 起动，由于频率太高，步进电动机会失步，甚至会丢步，甚至停转；同样在 频率下突然停止，步进电动机会超程。因此，当步进电动机在运行频率 下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电动机从起动频率开始，逐渐加速升到运行频率 ，然后进入匀速运行，停止前的降频可以看作是升频的逆过程。虽然本设计采用了半闭环控制，加入了增量式编码器作为反馈信号，但是在编程过程中仍需设计升降频的部分，以使步进电动机运行平稳、精确。根据需要，可编写出驱动步进电动机的程序。AT89S52指令与80C51指令完全兼容。
控制系统原理框图如图6.1所示。
图6.1 控制系统原理框图
图7.1 BD28Nb型驱动电源接线图
九、步进电动机的驱动电源选用
设计中X 、Y 向步进电动机均为110BYG550B 型，生产厂家为常州宝马集团公司。查表4-14，选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb 型，输入电压为1000VAC ，相电流为4A ，分配方式为五相混合电机。该驱动电源与控制器的接线方式如图
7.1所示。
结 束 语
经过两周充实的时间，我们终于完成了这次的课程设计。在本次的课程设计中，我首次完成从计算分析到绘制成图的全过程，在这过程中，是我们把所学的由理论知识转变到实践的一个过程。
通过本次设计，进一步提高了我对计算机辅助设计的认识，加强了我对各个软件特点的掌握。课程设计中，我们充分利用各个软件的优势进行设计，提高了设计速度，同时达到了我们的设计目的。此次课程设计中主要采用UG NX7.0进行建模，利用CAD 进行绘图。充分感受设计前沿软件的设计思想。课程设计的完成也提高了我自学软件的能力，通过这次的课程设计，我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。
在整个设计的过程中，得到了老师和同学们的热心的帮助。在此，向他们致以衷心的感谢，特别感谢陈其兵老师和罗海萍老师的指导，也感谢同组同学在设计过程中给予的帮助。由于时间的伧俗，加上自己经验的不足和知识的匮乏，设计中难免会出现一些错误和不足之处，希望能得到老师和同学的批评与
指正。
参考文献
[1] 文怀兴等编著. 《数控机床系统设计》. 化工工业出版社.
[2]《机电一体化技术设计》. 机械工业出版社
[3] 毛昕等主编，《画法几何及机械制图》. 高等教育出版社
[4]《机械设计手册（2）》. 机械工业出版社
[5] 艾兴 肖诗纲编. 《切削用量简明手册》机械工业出版社
[6]《互换性与技术测量》 中国计量出版社
[7] 韩荣第 编 《金属切削原理与刀具》 哈尔滨工业大学出版社
[8]PDF版