立式數(shù)控銑床XY數(shù)控工作臺(tái)非常完美高分課程設(shè)計(jì)

1、廣州學(xué)院 數(shù)控方向課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 數(shù)控銑床X-Y數(shù)控工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 院 （系） 機(jī)械工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 生 指導(dǎo)老師 2013 年 1 月 1 日 數(shù)控方向課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)茲發(fā)給 機(jī)械 班學(xué)生 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，內(nèi)容如下：1 設(shè)計(jì)題目： 2 應(yīng)完成的項(xiàng)目：（1） 確定設(shè)計(jì)總方案 （2） 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選擇 （3） 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （4） 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) （5） 機(jī)械部分裝備圖的繪制 （6） 編寫(xiě)20頁(yè)左右的詳細(xì)說(shuō)明書(shū) 3 參考資料以及說(shuō)明：（1）文懷興、夏田 .數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) 北京：北京化工出版社，2005. （2）楊建明. 數(shù)控加工工藝與編程北京：北京理工大學(xué)出版社

2、，2009. 4 本設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)于2012年 11 月 14日發(fā)出，應(yīng)于2012年 12月21日前完成，然后進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師 簽發(fā) 年 月 日課程設(shè)計(jì)評(píng)語(yǔ)：課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績(jī)：指導(dǎo)教師簽字：年 月 日 目 錄第一章 前言1第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)2第三章 設(shè)計(jì)主要步驟23.1 確定設(shè)計(jì)總方案23.1.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇23.1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)33.2 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算和選擇43.2.1 工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算43.2.2 計(jì)算切削力53.2.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算63.2.4 滾珠絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn)83.2.5 步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選用12第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)194.1 進(jìn)

3、給控制系統(tǒng)原理框圖204.2 驅(qū)動(dòng)電路流程設(shè)計(jì)204.3 驅(qū)動(dòng)電源的選用，及驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線方式21第五章 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)225.1 驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)間常數(shù)225.2 電源電路的確定225.3 元器件的確定235.3.1 確定三極管235.3.2 確定R2和R323第六章 機(jī)械部分裝配圖的繪制24第七章 結(jié)論24參考文獻(xiàn)25致 謝26第一章 前言當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢(shì)及我國(guó)數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀 在我國(guó)對(duì)外開(kāi)放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國(guó)制造業(yè)信息化水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。裝備工業(yè)

4、的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的時(shí)間性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合的運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的：1、通過(guò)設(shè)計(jì)，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本組成及其想關(guān)知識(shí)，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。2、通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，

5、掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算及選用的方式3、通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電機(jī)的工作原理、計(jì)算控制方法與控制驅(qū)動(dòng)方式4、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，學(xué)習(xí)并樹(shù)立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想5、鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫(xiě)科技論文的能力第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一套供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：1、立銑刀最大直徑的d=15mm，立銑刀齒數(shù)Z=3，最大銑削寬度=15mm最大背吃刀量=8mm，加工材料為碳素鋼或有色金屬。2、X、Z方向的定位精度均為0.04mm。3、工作臺(tái)面尺寸為250mm250mm，加工范圍為300mm120mm4、工作臺(tái)空

6、載進(jìn)給最快移動(dòng)速度： Vxmax = Vymax =1500mm/min，工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度:，加減速0.3s。第三章 設(shè)計(jì)主要步驟3.1 確定設(shè)計(jì)總方案3.1.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇、絲杠螺母副的選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足初選0.01mm脈沖當(dāng)量，因?yàn)槎ㄎ痪?.04mm，對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)要有一定的精度損失，大約是1/3-1/2的定位精度，現(xiàn)取為1/2，即是0.02mm和0.04mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。同時(shí)選用內(nèi)循環(huán)的形式，因

7、為這樣摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，且徑向尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，軸向剛度高。由于定位精度不高，故選擇的調(diào)隙方式是墊片調(diào)隙式，這種調(diào)隙方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性好，裝卸方便。由于工作臺(tái)最快的移動(dòng)速度Vxmax = Vymax =1500mm/min，所需的轉(zhuǎn)速不高，故可以采用一般的安裝方法，即一端固定，一端游動(dòng)的軸承配置形式。、導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)數(shù)控銑床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。、伺服電機(jī)的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏低

8、，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用開(kāi)環(huán)控制，任務(wù)書(shū)初選的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有1500mm/min,故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。、減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)，如果要選用減速裝置，則應(yīng)選用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。3.1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 、設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控制，兩坐標(biāo)直線

9、插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。、對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務(wù)書(shū)給定的相關(guān)指標(biāo)。、要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。、選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。3.2 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算和選擇3.2.1工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程,估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。XY工作臺(tái)如圖所示:X向拖板(上拖板)尺寸為: 長(zhǎng)*寬*高=320*270*40重量:按重量=體積*材料比重估算為: = N=

10、270NY向拖板(下拖板)尺寸為: 長(zhǎng)*寬*高=重量=N=320N上導(dǎo)軌(含電機(jī))估算重量為：240N夾具及工件重量:150NX-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為:270N+320N+240N+150N=800N按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來(lái)進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為800N。3.2.2 計(jì)算切削力根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，加工材料為碳素鋼或有色金屬及如下參數(shù)：立銑刀 最大直徑的d=15mm立銑刀齒數(shù)Z=3最大切削寬度=15mm最大背吃刀量=8mm設(shè)零件的加工方式為立式加工，采用硬質(zhì)合金銑刀，工件材料為碳素鋼。由【5】中P13頁(yè)的表中

11、，可知d=15mm的硬質(zhì)合金立銑刀最大的切削參數(shù)如下：每齒進(jìn)給量fz=0.1mm銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min由【2】中P200,查得立銑時(shí)切削力計(jì)算公式為：代如上式得： 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由【2】中查得，各銑削力之間的比值范圍如下：=(1.01.2) 取1.1/=(0.20.3) 取0.25/=（0.350.4） 取0.38考慮逆銑時(shí)的情況，因?yàn)槟驺姷那闆r的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險(xiǎn)的工況。由此可估算三個(gè)方向的銑削力分別為： （與絲杠軸線平行） （與工作臺(tái)面垂直） （與絲杠軸線垂直）考慮立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和今將

12、水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。 3.2.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算、工作載荷的計(jì)算 工作載荷是影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素，對(duì)于水平布置的十字工作臺(tái)多采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動(dòng)部件重量G=800N,外加載荷外加載荷得最大工作載荷。、小時(shí)額定工作壽命的計(jì)算預(yù)期工作臺(tái)的工作壽命為5年，一年365天，取工作時(shí)間為360天，每天工作8小時(shí)，因此得到小時(shí)額定工作壽命、距離額定壽命計(jì)算由公式，從而得到式中：為小時(shí)額定工作壽命。 n為移動(dòng)件每分鐘往復(fù)次數(shù)（46）取5

13、S為移動(dòng)件行程長(zhǎng)度，由加工范圍為300mm120mm取330mm代入數(shù)據(jù) 得：L=2851km .、額定動(dòng)載荷計(jì)算由公式從而得到：式中：為額定動(dòng)載荷 L為距離工作壽命，由上式可知為2851km F為滑塊的工作載荷，由上式可知為668N代入數(shù)據(jù)得： =5120N、產(chǎn)品選型根據(jù)額定動(dòng)載荷，選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌，查滾動(dòng)導(dǎo)軌生產(chǎn)廠家，選用南京工藝裝備制造有限公司的GGB16BA型，相關(guān)尺寸如下圖4所示， 圖4可知其額定動(dòng)載荷C=6.07KN，大于4580N，故可知滿足要求。、安裝連接尺寸對(duì)于導(dǎo)軌的安裝按照如圖4所示相關(guān)尺寸安裝。3.2.4滾珠絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn)、最大工作載荷的計(jì)算已知移動(dòng)部件總重量G=80

14、0N，按滾動(dòng)導(dǎo)軌計(jì)算，由【3】中P389，取顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)查【1】中P194可知u=0.00250.005,現(xiàn)取u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： =1.11352+0.005(307+468+800) =1495N、最大計(jì)算動(dòng)載荷的確定設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程P=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速=v/P=80r/min。預(yù)計(jì)滾珠絲杠的工作5年,每年算360天，每天工作8小時(shí)，由此得使用壽命為：T=53608=14400h，根據(jù)【1】中P110，公式54得：=其中 T使用壽命 14400 h N循環(huán)次數(shù) 滾珠

15、絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速 80r/min 求得：69（）查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等沖擊載荷取值范圍，現(xiàn)取，滾道硬度為60HRC時(shí)，硬度影響系數(shù)取值，由【1】中P109，式5-3 代入數(shù)據(jù)得：7971N、規(guī)格型號(hào)的初選根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查網(wǎng)上生產(chǎn)該型號(hào)的生產(chǎn)廠家的資料，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的GDM系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱(chēng)直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈2系列，精度等級(jí)取5級(jí)，螺母安裝尺寸L=80mm，額定動(dòng)載荷為9309N，大于最大計(jì)算動(dòng)載荷=7971N，滿足要求。滾珠絲杠螺母副

16、幾何參數(shù) （單位mm）名 稱(chēng)符 號(hào)計(jì)算公式和結(jié)果 絲杠滾道公稱(chēng)直徑20螺距P5接觸角鋼球直徑3.175螺紋滾道法面半徑偏心距螺紋升角絲桿絲杠外徑19.3絲杠底徑螺桿接觸直徑絲杠螺母螺母螺紋外徑螺母內(nèi)徑（內(nèi)循環(huán)）表一、傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱(chēng)直徑d0=20mm,導(dǎo)程P=5mm,代入=arctanP/(d0)，得絲杠螺旋升角=433。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動(dòng)效率=96.4%。、剛度的驗(yàn)算X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“一端固定-一端游動(dòng)”的軸承配置形式?？芍@種安裝適用于較高精度、中等載荷的絲杠，一端采用深溝球軸承，一端采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承,這樣能承受集中力

17、偶。絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來(lái)校核。a、滾珠絲杠滾道間的接觸變形量，查【3】中相關(guān)公式，根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號(hào)絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為32，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=120。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力/3=498N。查【3】中相關(guān)公式，得，滾珠與螺紋滾道間接觸變形 式中 Pa=。因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取=0.0007mm。b、 絲杠在工作載荷作用下的抗拉壓變形絲杠采用的是一端采用深溝球軸承，一端采用一對(duì)背對(duì)背角接觸球軸承的配置形式，軸承的中心距a=500mm,鋼的彈性模量E=2.110MPa,由表一中可知，滾珠

18、直徑=3.175mm,絲杠底徑=16.2mm，則絲杠的截面積S=206.12,由【7】中，式3-35其中， 最大工作載荷=1495N 中心距a=500mm彈性模量E=2.110MPa截面積S=206.12代入以上數(shù)據(jù)，得 =0.0172mm則總=1+2=0.0007+0.0172=0.0179mm=17.9本例中，絲杠的有效行程取330mm，由【3】中知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。、穩(wěn)定性的驗(yàn)算根據(jù)【3】中 式5.7-17 。取支承系數(shù)=2；由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩3380 mm；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平

19、安裝）；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離L取最大值415mm。代入公式，得P=27089N=F大于=7533N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿足使用要求。、臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算對(duì)于絲杠有可能發(fā)生共振，需驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速，由【1】中P111式5-10得：其中 20-1.23.175=16.19mm 為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 為絲杠支承方式系數(shù)=3.927（一端固定，一端游動(dòng)）代入數(shù)據(jù)得：nc =9428r/min臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會(huì)發(fā)生共振。、滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定由以上驗(yàn)算可知，選用GDM2005型的絲杠，完全符合滿足所需要求，故確定選用該型號(hào)，由表一可知絲杠所需的安裝

20、連接尺寸3.2.5 步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選用、傳動(dòng)計(jì)算因?yàn)樵撱姶驳募庸ぞ葹?.04mm，脈沖當(dāng)量為0.01mm/Hz，考慮到最初決定不用減速箱取減速比i=1算的電機(jī)步距角：=360i/Pb=0.72由于傳動(dòng)比為1，則不需要選用減速箱，采用電動(dòng)機(jī)軸與絲杠通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)接的方式。、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型a、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算?？傓D(zhuǎn)動(dòng)慣量J主要包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、滾珠絲杠上一級(jí)移動(dòng)部件等折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。、滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J由【1】中P134式5-28得：式中 D為絲杠公稱(chēng)直徑D=20mm L為絲杠長(zhǎng)度=有效行程+螺母長(zhǎng)度+設(shè)計(jì)余量+兩端支撐長(zhǎng)度（軸承寬度+

21、鎖緊螺母寬度+裕量）+動(dòng)力輸入連接長(zhǎng)度（如果使用聯(lián)軸器則大致是聯(lián)軸器長(zhǎng)度的一半+裕量）=330+80+20+140+40=610 代入數(shù)據(jù)，得：J=0.772061010=7.5210kg.、滾珠絲杠上一級(jí)移動(dòng)部件等折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由【1】中式5-29得：其中 M為工作臺(tái)的（包括工件）的質(zhì)量M=81.6kg S為絲杠螺距S=5mm 代入數(shù)據(jù)，得： 、初選常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司的90YG5502型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可知其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 所以=7.5210+5.210+410=5.310 Nm 驗(yàn)算慣量匹配，電動(dòng)機(jī)軸向慣量比值應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大也不應(yīng)太小，即伺服系統(tǒng)

22、的動(dòng)態(tài)特性取決于負(fù)載特性。為使該系統(tǒng)慣量達(dá)到較合理的配合，一般比值控制在1/41之間， =0.75由此可見(jiàn):,符合慣量匹配要求。 、步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩M的計(jì)算 a、承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在不同工況下是不同的，考慮最大切削負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩，由【1】中P132式5-25得：其中 其中: 為折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣量=4.910 T系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，由任務(wù)書(shū)知為T(mén)=0.3S 切削時(shí)的轉(zhuǎn)速為300r/min得： Mat =得： Mat =0.051 Nm 其中： 為導(dǎo)軌摩擦力 S為絲杠螺距S=5mmi為齒輪降速比，已計(jì)算出為1為傳動(dòng)鏈總效率，=0.70.8，取0.8代入數(shù)據(jù) 得： Nm 其中： 為最大軸

23、向預(yù)緊力，F(xiàn)amax=Fz=498N 為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率，=0.960.9 其余數(shù)據(jù)同上代入數(shù)據(jù) 得： Nm其中：進(jìn)給方向的最大切削力 其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得： Nm由此都得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Nm b、快速空載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩M由【1】中P132式5-24得：加速力矩其中： 其余參數(shù)同上代入數(shù)據(jù)得： Nm力矩摩擦其中：u為導(dǎo)軌副的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取 u=0.005其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得：Nm附加摩擦力矩：其余參數(shù)同上代入數(shù)據(jù)得： Nm所以可知快速空載時(shí)電機(jī)所需力矩：=0.093Nm比較和，取其較大者，就是最大等效負(fù)載，即：=1.44N.M、步進(jìn)電機(jī)的初選 考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電

24、網(wǎng)的影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸入轉(zhuǎn)矩也會(huì)下降，可能會(huì)造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)，因此按最大等效負(fù)載M考慮一定的安全系數(shù)，取=3，則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： Nm由所選的電機(jī)型號(hào)參數(shù)可知，最大轉(zhuǎn)矩 Nm，可知滿足要求。、步進(jìn)電機(jī)性能校核 a 、最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量/脈沖，求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從90BYG5502電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩4Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1.44Nm，滿足要求。 b、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度=1500mm/m

25、in，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻fmax=1500/(600.01)=2500Hz。由圖查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=3.5Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.093Nm，滿足要求。c、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 與快速空載移動(dòng)速度=1500mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為。查圖3中相應(yīng)表格，可知90BYG5502電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000，可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。、起動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率。由式可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為：說(shuō)明：要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于。

26、實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有。綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選用90BYG5502步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。、確定選型的步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)所選電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下圖所示：圖2外形尺寸安裝接線圖和和矩頻特性如圖3所示圖33.3 其余附件的選擇聯(lián)軸器的選擇 剛性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制造容易， 免維護(hù)，超強(qiáng)抗油以及耐腐蝕，即使承受負(fù)載時(shí)也無(wú)任何回轉(zhuǎn)間隙，即便是有偏差產(chǎn)生負(fù)荷時(shí)，剛性聯(lián)軸器還是剛性傳遞扭矩。適用于安裝底座剛性好、對(duì)中精度較高、沖擊載荷不大、對(duì)減振要求不高的中小功率軸系傳動(dòng)。根據(jù)選出的電機(jī)和絲杠的參數(shù)，選用沈陽(yáng)光宇科技有限公司的LK13-C32-1012型剛

27、性聯(lián)軸器。圖5第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)主要考慮以下功能：（1） 接受操作面板的開(kāi)關(guān)與按鈕信息；（2） 接受限位開(kāi)關(guān)信號(hào)；（3） 控制X，Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；（4） 與PC機(jī)的串行通信。 CPU選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。W27C512用做程序存儲(chǔ)器，存放監(jiān)控程序；6264用來(lái)擴(kuò)展AT89S52的RAM存儲(chǔ)器存放調(diào)試和運(yùn)行的加工程序；8279用做鍵盤(pán)和LED顯示器借口，鍵盤(pán)主要是輸入工作臺(tái)方向，LED顯示器顯示當(dāng)前工作臺(tái)坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報(bào)警功能，并有越位開(kāi)關(guān)和報(bào)警燈

28、；其他輔助電路有復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，越位報(bào)警指示電路。4.1 進(jìn)給控制系統(tǒng)原理框圖圖64.2 驅(qū)動(dòng)電路流程設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線行進(jìn)給0.01mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù)CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖該電路中的功放電路是一個(gè)單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲(chǔ)存在繞組中的能量通過(guò)二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放

29、管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過(guò)繞組的電流不至超過(guò)額定值，以免電動(dòng)機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進(jìn)電機(jī)采用的是五相十拍的工作方式（五個(gè)線圈A、B、C、D、E），其正轉(zhuǎn)時(shí)通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A.其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A。4.3 驅(qū)動(dòng)電源的選用，及驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線方式設(shè)計(jì)中X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為90BYG5502型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司。查步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的資料，選擇與之匹配的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb型，輸入電壓為50V AC，相電流為3A，分配方式為五相十拍。該驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線方式

30、如圖8所示：圖8第五章 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)5.1 驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)間常數(shù) 五相十拍工作方式的控制脈沖，每相工作五拍改變一次通電狀態(tài)，為使每一拍都能正常工作，每拍脈沖寬度的2/3時(shí)間內(nèi)相電流上升至額定電流的60%，即I=0.6In1.5A。負(fù)載回路的時(shí)間常數(shù)為i=L/Rm=0.003/0.8=3.7 (ms)因此 i1/fy=0.455 (ms)5.2 電源電路的確定若選用線路簡(jiǎn)單的串聯(lián)電阻法改善電流上升沿，其時(shí)間常數(shù)為i=L/(Rm+R0)則 R0=(LiRm)/ i其中 i=0.455 (ms)所以 需要串聯(lián)如此一個(gè)電阻，在該電阻上損失功率為52.2W，顯然不合理，所以采用低壓電源直接驅(qū)動(dòng)。5.3 元

31、器件的確定5.3.1確定三極管為了使電路簡(jiǎn)單、緊湊，功率放大級(jí)的T1和T2選用達(dá)林管GO201.當(dāng)標(biāo)色綠點(diǎn)時(shí)其性能見(jiàn)表5-1UF(V)IR（A）IFM（mA）ICSO（A）UCES（V）U(BR)CEO（V）PCM（mW）CTR（%）tr/t（S）l1.3105011.5307510020020050050050表5-15.3.2 確定R2和R3從T1和T2性能數(shù)據(jù)知UBE2.5V，故UR32.5V，而負(fù)載電流=3A，取IL=3A，T1基極電流IB為 IB=IL/hFE=3/3000=1 (mA)式中：hFE電流放大倍數(shù)。因此T1等效輸入電阻為RT1=UBE/IB=2.5k。光耦合器光敏三極管的輸入等效電路見(jiàn)圖5-1.從等效電路可得IC1=I3IBI3R3=UBE=2.5IC1IC1R2=EnUBE=27.5 (V)選光耦合器輸入電流Ii=10mA(最大電流50mA)，電流傳輸比CTR=30%，所以有IBI3 IC1=IiCTR=3 (mA)解上述方程組得：R31.25（k） R29.2(k)圖5-1第六章 機(jī)械部分裝配圖的繪制裝配圖見(jiàn)附件CAD A0圖紙步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)流程圖見(jiàn)CAD A4圖紙第七章 結(jié)論整個(gè)系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)采用了GDM系列滾珠絲杠副，其型號(hào)為：2005-3。以提高整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)給要求。伺服系統(tǒng)采用了直流