Tamax=0.01968N?m
移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：
Tf=
??FZ?G?Ph0.005??0?800??0.004??3.18?10?3N?m
2π?i2π?0.8?1式中?——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005
Fz——垂直方向的铣削力，空载时取0
?——传动链效率，取0.8
最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：
Teq1=Tamax+Tf=0.02286N?m
(2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2
Teq2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Tt；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Tf；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T0，T0相对于Tf和Tt很小，可以忽略不计。则有：
Teq2=Tt+Tf
其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt由公式计算。有：
Tt?FfPh2π?i?150?0.004?0.119N?m
2π?0.8?1再计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：
Tf???Fz?G?Ph0.005??150?800??0.004??3.78?10?3N?m
2π?i2π?0.8?1最后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=0.1227N?m
最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：
Teq?maxTeq1?Teq2?0.2286N?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Teq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：
Tjmax?4Teq?0.914N?m
初选步进电动机的型号为75BC380A，由表查得该型号电动机的最大静转矩
??Tjmax=0.98N?m。可见，满足要求。 4) 步进电动机的性能校核
(1）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
vmax=1000mm/min，求出其对应运行频率fmax?vmax1000??3333Hz。在此60?60?0.005频率下，电动机的输出转矩大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=0.02168N?m，满足要求。
(2）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
vmax=1000mm/min对应的电动机运行频率为fmax?3333Hz。查表可知75BC380A
电动机的空载运行频率可达22000Hz，可见没有超出上限。
(3）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq?1.182kg?cm2，电动机转子的转动惯量Jm?0.2kg?cm2，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率
fq?2200HZ。由公式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：
fL?fq1?Jeq/Jm?836.9Hz
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 836.9Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz。
综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用75BC380A步进电动机，
完全满足设计要求。
5. 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 进给传动系统示意图
五、控制系统硬件设计
X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。
硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。
1. CPU板 1）CPU的选择
随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。
在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。
从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。
因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。
AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。
2）CPU接口设计
CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图：
（电磁（行程开关） 传感器 前向通道 AT89S51 （步进电机） 后向通道 传动驱（键盘、LED） 人机界面
图5-1 CPU外部接口示意图
AT89S51要完成的任务：
（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。 （2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。
（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。
由于AT89S51只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155，所以AT89S51的I/O口线分配如下：
（1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向步进电机的A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。
（2）P1.6口输出控制电磁铁的吸合。
（3）P3.2和P3.3两个中断源中INT0优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断；INT1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。
（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。
（5）P2.7和P2.6决定8155的PA、PB、PC口的地址。
X步进电机 Y步进电机 电磁铁 驱动1 驱动2 驱动3 外部中断1 键盘 外部中断2 P3.3 P2.6 IO/M PC口 AT89S51 8155 P1.0-P1.2 P0.0-P0.7 P1.3-P1.5 P1.6 P3.2 P2.7 CE PB 口 AD0~AD7 PA口
图5-2 AT89S51控制系统图
PB口接LED反映当前运行的8个状态：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行。
PA口低四位反映触发中断1的4个行程开关的状态。
PC口低6位反映了触发中断2的手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行、复位（RST）、圆弧插补6个开关的状态。