基于单片机控制系统的数控X-Y工作台设计

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基于单片机控制系统的数控X-Y工作台设计基于单片机控制系统的数控X-Y工作台设计
李传军
(承德石油高等专科学校机械工程系， 河北承德067000)
摘要：结合机电-体化课程设计教学环节需要.设计用单片机作为控制系统的X-Y工作台。X-Y工作台就是
能分别沿着X向和Y向移动的工作台。通过论述X-Y工作台机械结构设计和控制电路接口设计。阐述了机电-体
化设计中的共性和关键技术。
关键词：X-Y工作台；机电-体化；单片机
中图分类号；TH862·75 文献标识码：A 文章编号：1005-1554(2004)02-0033-02
引言
机电-体化课程设计在机电类专业教学中占有重要位
，它关系到学生机电知识的综合运用和学生动手能力的培
及机电产品开发的能力。因此设计内容选择很重要。基于
片机控制的X-Y工作台是典型的机电-体化系统，以此
设计内容有较强的教学研究意义。
系统总体设计
单片机控制的X-Y工作台系统可以设计为开环、半闭
和闭环伺服系统三种[1]-环的伺服系统采用步进电机驱
，系统没有检测装置；半闭环的伺服系统中-般采用交流
直流伺服电机驱动，并在电机输出轴安装脉冲编码器，将
度反馈信号传给控制单元；闭环的伺服系统也是采用交流
直流伺服电机驱动，位置检测装置安装在工作台末端，将
置反馈信号传给控制单元。本文设计的x-Y工作台为开
伺服系统.通过单片机控制步进电机的驱动，经传动机构
动工作台运动。x-Y工作台系统总体框图如图1所示：
圈-圆-匡翌-圆-臣亘团 图1 x-Y工作台系统总体框图
x-Y工作台机械结构设计
机械结构设计首先根据工作台的最大载荷，选取导轨
.设计工作台。然后进行结构设计.受力分析，转矩计算，画
工作台的装配草图，再选择步进电机的型号，进而设计选
滚珠丝杠，最后设计出X-Y工作台.画出其装配图。
.1选取步进电机
本系统采用三相六拍步进电机驱动，先根据负载力矩
-的大小由公式(1)来确定步进电机的启动力矩。
T.
T(1≥万赢(1)。对三相六拍步进电机： l/T，。。其中Tl为步进电机的启动转矩；T。为工作台
收稿日期：2004-06-18
的负载力矩；T。为步进电机的最大静转矩。再根据启动力矩
Tq的大小确定步进电机最大静转矩Tjm。国产步进电机三
相六拍工作方式的步距角eb.-般选eb1.5。/step，根据传

动关系D-署×360得到步进电机输出轴上齿轮直径D. vb
最后根据V。、和D确定步进电机最大转速n岽和运行 oCn
频率f，半n。。。综合n和f，，查步进电机性能参数表确 Vb
定步进电机型号。
2.2齿轮传动和丝杠传动的设计
本系统采用-级齿轮减速，带动丝杠传动，通过螺母的
直线移动带动工作台运动。根据脉冲当量、步矩角、丝杠导程
来确定齿轮的传动比，根据负载转矩大小来校核齿轮传动和
丝杆传动的强度和刚度。此外，还需设计其他辅助机械零部
件.如导轨、轴承等。
3控制电路及接口的设计
3.1控制电路设计
由于MCS-51单片机具有较高性价比。因此用8031作
为系统控制器，采用8279芯片扩展。键盘主要是输入工作台
方向.主要有X、-X、Y、-Y四个方向.显示当前工作
台坐标值；外扩ROM存放数控系统监控软件；外扩RAM
存放调试和运行的数控加工程序；系统具有超程报警，并有
指示和报警灯；字符的发生及键盘扫描由硬件实现。
3.2步进电机与单片机的接口电路设计
步进电机与单片机接口电路有三部分：环行分配、光电
隔离、功率放大电路[2]。环行分配是将来自单片机的脉冲按
三相六拍的通电方式分配给步进电机的三相绕组，为降低成
本和减少故障源.利用软件实现环形分配。光电隔离电路是
使单片机与电机之间通弱电、隔强电，保护单片机系统。系统
采用光电隔离输出电路将受光器件产生的光电流通过电路
提取出来。功率放大电路是将来自光电隔离电路的脉冲信号
放大.使得步进电机绕组获得足够的电流和电压。采用单电