EDM-7型數(shù)控線切割機(jī)床工作臺(tái)設(shè)計(jì)(終)

1、課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：EDM-7型數(shù)控線切割機(jī)床工作臺(tái)設(shè)計(jì) 課程名稱： 數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化姓 名： XOXO 學(xué) 號(hào)： 11080303X4 年 級(jí)： 2011 任課教師： 蔡XX 楊X 2014年12月12日貴州大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)誠信責(zé)任書本人鄭重聲明：本人所呈交的課程論文（設(shè)計(jì)），是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所完成。課程論文（設(shè)計(jì)）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日 期： 貴州大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生信息學(xué)號(hào)11080303XX學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院班級(jí)姓名XXX專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造

2、及其自動(dòng)化機(jī)自114教師信息姓名XXX職稱副教授學(xué)歷碩士教師信息姓名XXX職稱副教授學(xué)歷碩士任務(wù)書發(fā)出時(shí)間2014年11月28日設(shè)計(jì)題目EDM-7型數(shù)控線切割機(jī)床工作臺(tái)設(shè)計(jì)論文（設(shè)計(jì)）起止時(shí)間2014年12月1日2014年12月12日共需周數(shù)2主要內(nèi)容: 設(shè)計(jì)一套數(shù)控線切割機(jī)床XY工作臺(tái) 結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)的要求擬定總體機(jī)械設(shè)計(jì)方案。 根據(jù)擬定的機(jī)械設(shè)計(jì)方案進(jìn)行XY坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和零部件的選用。 完成工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的工程圖的繪制。 編寫設(shè)計(jì)說明書。主要要求: 方案擬定正確，設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)來源可靠，計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。 元?dú)饧x用正確規(guī)范符合國家頒布標(biāo)準(zhǔn)。 機(jī)械裝配圖紙繪制要求視圖完整、

3、符合最新國家標(biāo)準(zhǔn)，圖面整潔、質(zhì)量高。 機(jī)械圖紙折合總量不低于 1 張“0”號(hào)圖量，其中必須含工作臺(tái)機(jī)械裝配圖1張。 課程設(shè)計(jì)說明書應(yīng)闡述整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容：如課題來源現(xiàn)實(shí)意義、總體方案確定、系統(tǒng)框圖分析、零部件選用說明、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)、選用以及機(jī)械的其它部分。說明書要突出重點(diǎn)，圖文并茂、文字通暢、計(jì)算正確、字跡清晰、內(nèi)容完整。說明書頁數(shù)不少于 20 頁。預(yù)期目標(biāo):設(shè)計(jì)出符合任務(wù)書要求的數(shù)控線切割機(jī)床工作臺(tái)，撰寫不低于20頁左右設(shè)計(jì)論文，并附錄相關(guān)資料及設(shè)計(jì)圖紙。計(jì)劃進(jìn)程:序號(hào)計(jì)劃時(shí)間進(jìn)程112.112.2課題調(diào)研及資料收集，研究問題及提出初步總體方案212.3總體方案論證及確定312.412.8機(jī)械部

4、分方案論證確定及計(jì)算412.912.11撰寫論文及繪制相關(guān)圖紙512.12上交設(shè)計(jì)成果，答辯主要參考文獻(xiàn):1李斌. 數(shù)控技術(shù)M.華中科技大學(xué)出版社，2013.12尹志強(qiáng).機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，2007.73成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(單行本· 機(jī)械傳動(dòng))M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.14 沈愛琴. 數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書Z. 貴陽：貴州工業(yè)大學(xué)機(jī)電教研室，1998.95 張毅剛. 單片機(jī)原理及應(yīng)用M. 北京：高等教育出版社，2004.16 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.97 陸昆，奚大順，李之權(quán)等. 電子設(shè)計(jì)技術(shù)M

5、. 北京：電子科技大學(xué)出版社，1998.10 貴州大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)論文 第 IV 頁EDM-7型數(shù)控線切割機(jī)床工作臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)說明參數(shù)指標(biāo)單位量綱數(shù)控線切割機(jī)床型號(hào)EDM-1EDM-2EDM-3EDM-4EDM-5EDM-6EDM-7EDM-8加速時(shí)間TS0.10.10.20.20.30.30.40.4Y向以上質(zhì)量（含臺(tái)面、工件及夾具等）Kg5055606570758090X向坐標(biāo)行程 mm100150200200240250250300Y向坐標(biāo)行程 80100120150160200240250工作臺(tái)面(X×Y)mm2120×100180×150220×

6、150220×180280×200280×220280×260320×280工作臺(tái)最快快速進(jìn)給速度（快進(jìn)）mm/min1000150020002500工作臺(tái)最大切削進(jìn)給速度（工進(jìn)）400500500600脈沖當(dāng)量mm/pulse0.01定位精度mm0.05重復(fù)定位精度mm0.03步進(jìn)電機(jī)步距角°自定導(dǎo)軌類型自定滾珠絲杠螺距自定控制系統(tǒng)類型自定設(shè)備使用壽命10年；年均工作280天；每天8小時(shí)目 錄摘 要VI第一章 前 言11.1 X-Y工作臺(tái)概述11.2 數(shù)控技術(shù)發(fā)展概況1第二章 總體設(shè)計(jì)方案32.1 工作臺(tái)傳動(dòng)裝置32.2 工作臺(tái)電氣

7、控制部分3第三章 工作臺(tái)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算43.1 基本參數(shù)預(yù)置43.1.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算43.1.2 切削力的計(jì)算53.2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的選型與計(jì)算53.2.1 工作載荷的計(jì)算53.2.2 額定壽命的計(jì)算73.2.3 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的參數(shù)73.3 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算及其型號(hào)與直徑的選擇83.3.1 初選滾珠絲杠的導(dǎo)程93.3.2 滾珠絲杠副的最大工作載荷的計(jì)算103.3.3 計(jì)算絲杠軸向最大動(dòng)載荷103.3.4 計(jì)算滾珠絲杠副允許的最小螺紋底徑113.3.5 初選滾動(dòng)絲杠副規(guī)格型號(hào)123.4 滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算133.4.2絲杠在工作載荷作用下的拉壓變形量133.4.3滾珠絲

8、杠滾道間的接觸變形量143.4.4驗(yàn)算剛度143.5 絲杠的支承方式及軸承的選擇153.5.1 支承方式的選擇153.5.2 軸承的選擇153.6 滾珠絲杠副穩(wěn)定性驗(yàn)算163.7 滾珠絲杠副的預(yù)緊力的確定173.8 滾珠絲杠軸預(yù)緊拉伸力的確定173.9 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)剛度計(jì)算和校核173.9.1 滾珠絲杠螺母副拉壓剛度的確定173.9.2 滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度的確定183.9.3 滾珠與滾道的接觸剛度的確定183.9.4 機(jī)械傳動(dòng)綜合抗壓剛度 ，的計(jì)算193.9.5 機(jī)械傳動(dòng)剛度變化引起的定位誤差的校驗(yàn)193.9.6 伺服剛度引起的死區(qū)誤差的校驗(yàn)193.10 計(jì)算電機(jī)軸上的慣量和轉(zhuǎn)矩，選

9、取步進(jìn)電機(jī)203.10.1 計(jì)算傳動(dòng)比203.10.2 計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量203.10.3 計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩213.10.4 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的校核233.10.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核233.10.6 確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)及其參數(shù)243.11 聯(lián)軸器的選擇25第四章 工作臺(tái)電氣控制部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算274.1 工作臺(tái)電氣控制部分總體設(shè)計(jì)274.2 脈沖分配器的選擇274.3 驅(qū)動(dòng)電路的選擇294.4 電流控制電路304.5 系統(tǒng)相關(guān)控制程序流程設(shè)計(jì)31第五章 裝配圖335.1 控制部分接線圖335.2 機(jī)械部分裝配圖33第六章 結(jié)論34參 考 文 獻(xiàn)35致 謝36ED

10、M-7型數(shù)控線切割機(jī)床工作臺(tái)設(shè)計(jì)摘 要 數(shù)控十字工作臺(tái)是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，它的發(fā)展與機(jī)床一樣有著重要的意義，它是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等，隨著數(shù)控十字工作臺(tái)的多樣化、自動(dòng)化及靈活化等，利用它能加工出許多復(fù)雜多樣的零件，能夠滿足更高的精度要求，對(duì)數(shù)控十字工作臺(tái)的研究能夠進(jìn)一步增強(qiáng)我們對(duì)機(jī)床的認(rèn)識(shí)，鞏固所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，為數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。數(shù)控十字工作臺(tái)是光、機(jī)、電一體化高度集成設(shè)備，科技含量高，與傳統(tǒng)機(jī)加工相比，數(shù)控十字工作臺(tái)的加工精度更高、柔性好，有利于提高

11、材料的利用率，降低產(chǎn)品的成本，減輕工人負(fù)擔(dān)，對(duì)制造業(yè)來說，可以說是不可或缺的一部分，因此對(duì)數(shù)控十字工作臺(tái)機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行研究，能夠推動(dòng)現(xiàn)代制造技術(shù)的進(jìn)步，本次設(shè)計(jì)就數(shù)控十字工作臺(tái)的機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，為以后在實(shí)踐中可能遇到的問題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù)，X-Y工作臺(tái)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。貴州大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)論文 第 35 頁第一章 前 言1.1 X-Y工作臺(tái)概述 X-Y數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。工作臺(tái)的自動(dòng)化能大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。模塊化的X-Y數(shù)控

12、工作臺(tái)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行元件用來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在X、Y方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)械行業(yè)的許多普通機(jī)床和閑置設(shè)備，經(jīng)過數(shù)控改造以后，不但可以提高加工精度和生產(chǎn)率，而且能有效的適應(yīng)多種品種，小批量的市場需求，使之更有效的發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)計(jì)效益。因此研制和開發(fā)一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，

13、對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)效率、改善工人的工作環(huán)境有很大的實(shí)際意義?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。 1.2 數(shù)控技術(shù)發(fā)展概況 世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。隨著算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、制造技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已

14、經(jīng)成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)中不可或缺的基礎(chǔ)技術(shù)，數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用在制造業(yè)中日益普及，已成為機(jī)電一體化高新制造技術(shù)的基礎(chǔ)和重要組成部分。數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床（Computer numerical control machine tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置。經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號(hào)，控制機(jī)床的動(dòng)作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動(dòng)地將零件加工出來。數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動(dòng)化機(jī)床，

15、代表了現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。第二章 總體設(shè)計(jì)方案2.1 工作臺(tái)傳動(dòng)裝置1) 工作臺(tái)工作面尺寸為（X×Y）為已知280mm×260mm。2) 要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)是用來配套輕型的數(shù)控線切割成型機(jī)床，需要承受的載荷不大，無切削力，設(shè)計(jì)要求的脈沖當(dāng)量較小、定位精度一般。3) 但脈沖當(dāng)量小(0.01mm/pluse )，定位精度高，因此決定選用直線滾動(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)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。4) 對(duì)滾珠絲杠螺母采用預(yù)緊措施，并對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸。5) 采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。6) 采用膜片彈性聯(lián)軸器將伺服電動(dòng)機(jī)與

16、滾珠絲杠直連。2.2 工作臺(tái)電氣控制部分 PC機(jī)通過串口向單片機(jī)發(fā)送控制指令來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速和預(yù)置脈沖數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)由PC機(jī)(串口通信電路)、AT89S52單片機(jī)、脈沖分配電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、電流控制電路等5個(gè)部分組成。第三章 工作臺(tái)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 基本參數(shù)預(yù)置3.1.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算工作臺(tái)面選擇鑄鋼來制造。其密度為kg/m3X向工作臺(tái)面的體積估算為：長×寬×高=280×260×40=2912000mm3工作臺(tái)重量為：=222.59NX向支撐臺(tái)（包括導(dǎo)軌和電機(jī)，絲杠副）的重量估計(jì)：250N夾具和工件重量估計(jì)為：850N同理Y

17、向工作臺(tái)的重量為200N所以運(yùn)動(dòng)部件的總重量為：222.59+250+850+200=1522.59N取其運(yùn)動(dòng)部件總重量為1600N。以X向即下面的支持部分來計(jì)算所需要的部件。圖3.1 工作臺(tái)外觀示意圖3.1.2 切削力的計(jì)算 此十字工作臺(tái)用于線切割機(jī)床所以切削力： 0 3.2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的選型與計(jì)算 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、反向器、保持架、密封端蓋及擋板組成，當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球就沿著導(dǎo)軌上的滾道滾動(dòng)。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)： （1）滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入鋼球，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大大降低了兩者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力； （2）

18、可以實(shí)現(xiàn)無間隙運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)剛度； （3）成對(duì)使用時(shí)，具有“誤差均化效應(yīng)”，從而可以降低導(dǎo)軌安裝面的加工精度，降低制造成本與難度； （4）安裝與維修比較方便； （5）簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。3.2.1 工作載荷的計(jì)算 根據(jù)要求，X-Y數(shù)控工作臺(tái)的導(dǎo)軌采用水平放置，雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式，精度等級(jí)參照參考文獻(xiàn)1中表2-7、2-9、2-10選擇4級(jí)精度。導(dǎo)軌的選型一般先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇導(dǎo)軌的規(guī)格，再進(jìn)行壽命計(jì)算，根據(jù)1中表2-14選擇導(dǎo)軌規(guī)格為30，查1中附表A-1初選南京工藝裝備制造有限公司的GGB35AA型導(dǎo)軌，其額定動(dòng)載荷為35.1kN，額定靜載荷為47.2kN，如圖3-2所示。

19、圖3.2 工作載荷是影響直線滾動(dòng)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。考慮最不利的情況，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： （3-1） 其中，移動(dòng)部件重量G=1600N，外加載荷=0N，帶入數(shù)據(jù)求得=400N。3.2.2 額定壽命的計(jì)算1、 距離額定壽命L的計(jì)算一般把滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的距離額定壽命定位50km，由1中P34式2-12有： （3-2） 式中各數(shù)據(jù)參考1中P35頁，取=1.0，=1.0，=0.81，=0.9，=1.5；=400N，=35.1kN，帶入計(jì)算求得：L=3878110km，大于期望值，故可用。

20、2、 時(shí)間額定壽命的計(jì)算預(yù)期工作臺(tái)的工作壽命為10年，工作時(shí)間為280天，每天工作8小時(shí)，導(dǎo)軌副的使用壽命為T=22400h。而時(shí)間額定壽命的計(jì)算公式由1中P35式2-13有： （3-3） 式中，l為行程長度，已知行程為250×240mm，工作臺(tái)尺寸為280×260mm，取l=300mm；n為每分鐘往返次數(shù)，一般取46，取n=5，帶入數(shù)據(jù)求得=T，故可行。3.2.3 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的參數(shù)圖3.3 GGB35BA型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌安裝及外心尺寸（1中附錄A，表A-1）3.3 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算及其型號(hào)與直徑的選擇工作臺(tái)在X方向和Y方向上做直線運(yùn)動(dòng)，因此，需將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通

21、過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。絲杠螺母機(jī)構(gòu)有滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)之分?；瑒?dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低（30至40）。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)雖然機(jī)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、沒有自鎖功能，但其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高（達(dá)到92至98），同時(shí)還具有軸向剛度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)精度高、不易磨損、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)參數(shù)知，需要滿足初選0.01mm脈沖當(dāng)量，定位精度±0.05mm，滑動(dòng)絲杠螺母副無法做到，故選用滾珠絲桿螺母副，如圖3-3所示。圖3.4 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠螺母副基本構(gòu)成（1絲桿；2螺母；3滾珠；4回珠裝置）滾珠絲杠

22、副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。內(nèi)循環(huán)的滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面接觸，其優(yōu)點(diǎn)是滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小，但其反向器加工困難、裝配調(diào)整不方便。外循環(huán)的滾珠在循環(huán)返回時(shí)，離開絲杠螺母滾道，在螺母體內(nèi)或體外作循環(huán)運(yùn)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單、易于制造，但其擋珠器剛性差、易磨損。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用內(nèi)循環(huán)，如圖3-1所示。絲杠與螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)有四種組合形式，即：螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)，螺母轉(zhuǎn)動(dòng)、絲杠移動(dòng)，絲杠固定、螺母轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)。本課程設(shè)計(jì)選用絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)的傳動(dòng)形式，如圖3-4所示，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、絲杠剛性好，適用于工作行程較大的場合。

23、圖3.5 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)3.3.1 初選滾珠絲杠的導(dǎo)程根據(jù)已知條件，取電機(jī)最高轉(zhuǎn)速1500r/min，工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度=2500 mm/min，由1中P46式2-16得 ，取=5mm。 3.3.2 滾珠絲杠副的最大工作載荷的計(jì)算已知移動(dòng)部件總重量G=1600N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，最大工作載荷實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)查文獻(xiàn)5得下表：表2 最大工作載荷實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式導(dǎo)軌類型實(shí)驗(yàn)公式K矩形1.10.15燕尾形1.40.2三角形或綜合1.150.150.8注：表中摩擦因數(shù)均為滑動(dòng)導(dǎo)軌。對(duì)于貼塑導(dǎo)軌=0.030.05，滾動(dòng)導(dǎo)軌=0.0030.005選擇矩形滾動(dòng)導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，取=0.004. =6

24、.4N3.3.3 計(jì)算絲杠軸向最大動(dòng)載荷已知工作臺(tái)最快進(jìn)給移動(dòng)速度為，初選絲杠導(dǎo)程=5mm，則絲杠的平均轉(zhuǎn)速=120r/min，又有預(yù)計(jì)使用壽命=22400h，由參考文獻(xiàn)1得滾珠絲杠壽命系數(shù)： =80.64（單位為轉(zhuǎn)） （3-4）由2中P38的3-23得軸向最大動(dòng)載荷： = （N） （3-5）式中：為硬度系數(shù)，取=1.0；為載荷系數(shù)，取=1.2。代入式3-14得：=33.18N3.3.4 計(jì)算滾珠絲杠副允許的最小螺紋底徑一、估算滾珠絲杠副允許的最大軸向變形量1、已知重復(fù)定位精度為0.03mm，由參考文獻(xiàn)1P49中式2-23有：=（）×重復(fù)定位精度 （3-6）代入數(shù)據(jù)有：=×

25、0.03=0.015mm2、已知定位精度為0.05mm，由參考文獻(xiàn)1P49中式2-24有：=（）×定位精度 （3-7）代入數(shù)據(jù)有：=×0.05=0.0125mm取和中最小的作為估算滾珠絲杠副允許的最大軸向變形量，故=0.0125mm。二、估算滾珠絲杠副螺紋的底徑上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“一端固定一端游動(dòng)”（F-S）的軸承配置形式，這種安裝適用于較高精度、中等載荷的絲杠，由參考文獻(xiàn)1中式2-25有：2×10×=0.078 mm （3-8） 式中：E為彈性模量，一般取E=2.1×105MPa；為導(dǎo)軌的靜摩擦力，=0.004×1600

26、=6.4N；為滾珠絲杠螺母至絲杠固定端支承的最大距離，=行程+安全行程+余程+螺母長度+支承長度（1.21.4）行程+（2530），則=1.3×250+25×5=450mm。代入式3-8有：37.44mm。3.3.5 初選滾動(dòng)絲杠副規(guī)格型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷=33.18N，最小螺母底徑37.44mm和初選的絲杠導(dǎo)程=5mm，由1P213中附表A-3選擇FFZD4005-3型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式墊片式預(yù)緊滾珠絲杠副，如圖3-5所示，其公稱直徑=40mm，基本導(dǎo)程=5mm，鋼球直徑=3.5mm，絲杠底徑=36.9mm，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

27、L=88mm，基本額定動(dòng)載荷=13kN，剛度=1025N/。其中，37.44mm，故所選的滾珠絲杠副可行。圖3.6 FFZD4005-3型滾珠絲杠螺母副安裝及外形尺寸表4 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) （單位mm）名 稱符 號(hào)計(jì)算公式和結(jié)果 絲杠滾道公稱直徑40螺距5接觸角鋼球直徑3.5螺紋滾道法面半徑0.52=0.52×3.5=1.82偏心距e=0.0449螺紋升角=arctan=arctan=2.28°絲桿絲杠外徑39.5絲杠底徑36.9螺桿接觸直徑絲杠螺母螺母螺紋外徑3.4 滾珠絲杠副剛度的驗(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)”（F-S）的軸承配

28、置形式。這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，左右支承的中心距約為=550mm。絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來校核。3.4.1確定滾珠絲杠副的螺紋長度 由參考文獻(xiàn)1中式2-34有：= （3-9） 式中：為有效行程，=行程+螺母長度，上滾珠絲杠（Y向）=240+88=328mm，下滾珠絲杠（X向）=250+88=338mm；為安全行程，=5=5×5=25mm；為余程，=2×5=10mm。則滾珠絲杠副的螺紋長度：=328+25+10=363mm；=338+25+10=373mm。3.4.2絲杠在工作載荷

29、作用下的拉壓變形量 由2P41中式3-25知可按下式進(jìn)行計(jì)算： (3-10)式中，為絲杠最大工作載荷，=6.4N；為絲杠兩端支撐間的距離，=550mm；E為絲杠材料的彈性模量，鋼E=2.1×105MPa；M為轉(zhuǎn)矩，單位N·mm；I為絲杠按底徑確定的截面積慣性矩，單位mm4；S為絲杠按底徑確定的截面積，單位mm2。查表得滾珠直徑=3.5mm，絲杠底徑=36.9mm，則絲杠截面積=3.14×36.92/4=1068.86mm2，忽略式3-10中第二項(xiàng)，帶入數(shù)據(jù)可得出：= 3.4.3滾珠絲杠滾道間的接觸變形量 由2P41中3-36、3-37知無預(yù)緊時(shí)， ； （3-11）

30、有預(yù)緊時(shí)， ； （3-12）式中滾珠直徑為3.5mm；為滾珠滾珠總數(shù)量，=Z×圈數(shù)×列數(shù)；Z為單圈滾珠數(shù)，Z=（外循環(huán)），Z=（內(nèi)循環(huán)）；為預(yù)緊力。絲杠預(yù)緊時(shí)，取=/3=6.4/3N=2.13N，=3.5mm，Z=32.88，取為33（內(nèi)循環(huán)）；=33×3×2=198，帶入數(shù)據(jù)可求得：=3.4.4驗(yàn)算剛度將前面計(jì)算的、相加，則=mm，絲杠的有效行程為338mm，查得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21，可見絲杠剛度足夠。3.5 絲杠的支承方式及軸承的選擇3.5.1 支承方式的選擇支承的作用是限制兩端固定軸的軸向竄動(dòng)，滾珠絲杠

31、副的支承結(jié)構(gòu)形式有三種，即兩端固定（F-F），一端固定、一端自由(F-O)，一端固定、一端游動(dòng)(F-S)?！白杂伞贝?hào)為“O”，指無支承；“游動(dòng)”代號(hào)為“S”，指徑向有約束，軸向無約束；“固定”代號(hào)為“F”，指徑向和軸向都有約束。本課程設(shè)計(jì)的X-Y數(shù)控工作臺(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)”（F-S）的軸承配置形式，如圖3-6所示，這種支承方式有以下特點(diǎn)： （1）需保持螺母與兩支承同軸，故結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝較困難； （2）絲杠的軸向剛度與F-F的低； （3）絲杠的壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速與同長度的F-O相比要高； （4）絲杠有熱膨脹的余地； （5）適用于較長的臥式安裝絲杠。圖3.7

32、滾珠絲杠一端固定、一端游動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)形式3.5.2 軸承的選擇由于滾珠絲杠軸承所受載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠的自重外一般無外載荷。因此，對(duì)滾珠絲杠軸承的要求是軸向精度和軸向剛度要高，另外，絲杠轉(zhuǎn)速一般不會(huì)很高，或高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間很短，因此發(fā)熱不是主要問題。綜述，選擇60°接觸角推力角接觸球軸承，查1中附錄A表A-2，選擇國產(chǎn)760208TNI型接觸角推力角接觸球軸承，與該軸承配合的滾珠絲杠的軸徑去公差h5，軸承座孔取H6。圖3.8 60°接觸角推力角接觸球軸承選擇國產(chǎn)760208TNI型接觸角推力角接觸球軸承參數(shù)如下所示：圖3.9 國產(chǎn)760208TNI型接觸角推力角接觸球

33、軸承參數(shù)3.6 滾珠絲杠副穩(wěn)定性驗(yàn)算滾珠絲杠是受軸向力的細(xì)長桿，如果軸向負(fù)載過大，則可能會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象，由2P42中3-28知失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷應(yīng)滿足： （3-13）式中，為絲杠支撐系數(shù)，雙推-自由時(shí)為0.25，雙推-簡支時(shí)為2，雙推-雙推時(shí)為4，單推-單推時(shí)為1，本設(shè)計(jì)取1；K為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.54，水平安裝時(shí)取K=3；為滾珠絲杠兩端支撐間的距離，取滾珠絲杠螺母至絲杠固定端支承的最大距離，L=450mm；I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。I=3.14×36.94/64mm4=90960.98mm4，帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得：=310018.38N故不會(huì)失穩(wěn)。3.7 滾珠絲杠副的預(yù)緊力的確定根據(jù)最大軸

34、向工作載荷確定：=×6.4N=2.133N （3-14）3.8 滾珠絲杠軸預(yù)緊拉伸力的確定參考1中式2-32有：= (3-15)式中，為預(yù)拉伸力（N）；為絲杠螺紋底徑(=36.9mm)；E為彈性模量，取E=2.1×105MPa；t為滾珠絲杠的溫升變化值()，一般情況下取23。代入數(shù)據(jù)求得：=1.81×2.5×36.92N=6161.28N3.9 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)剛度計(jì)算和校核3.9.1 滾珠絲杠螺母副拉壓剛度的確定本工作臺(tái)的支承方式為一端固定一端游動(dòng)，由1中式2-42有：=1.65×102 (3-16)式中，E為彈性模量取E=2.1×10

35、5MPa；為滾珠絲杠底徑（mm）；a為滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離（mm）。當(dāng)a=450mm（即滾珠絲杠的螺母中心位于行程的兩端位置）時(shí)，滾珠絲杠具有最小拉壓剛度，此時(shí)=1.65×102=1.65×102 =499.257。當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心位于滾珠絲杠兩支承的中心位置（a=L/2，L=450mm）時(shí)，滾珠絲杠具有最大拉壓剛度，此時(shí)=1.65×102=1.65×102 =998.514。3.9.2 滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度的確定已知軸承接觸角=60°，滾動(dòng)體直徑=3.5mm，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)=198，軸承的最大軸向工作載荷=6.4N

36、。由1中P65表2-45、2-46得：=2×2.34 =2×2.34× =427.183.9.3 滾珠與滾道的接觸剛度的確定滾珠絲杠螺母副有預(yù)緊由1P65式2-46b有：= （3-17）式中，K為從滾珠絲杠樣本上查取的剛度值（）；為額定動(dòng)載荷（N）；為滾珠絲杠上所受的軸向工作載荷（N）。查表得K=1025，額定動(dòng)載荷=13KN，滾珠絲杠上所受的最大軸向工作載荷=6.4N,帶入數(shù)據(jù)得：=1025×=174.373.9.4 機(jī)械傳動(dòng)綜合抗壓剛度 ，的計(jì)算 由1中P66式2-47a得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為=9.077故=110.16。由1中P66

37、式2-47b得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為=0.01086故=99.22。3.9.5 機(jī)械傳動(dòng)剛度變化引起的定位誤差的校驗(yàn)由1中式2-53有： （3-18）式中為由機(jī)床執(zhí)行部件重量引起的靜摩擦力（N）；，分別為進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大最小值（N/m）。導(dǎo)軌靜摩擦力=G=0.004×1600N=6.4N，代入計(jì)算得：=mm=1.0mm即=1.0mm0.125mm（允許的定位誤差0.05mm的1/41/5），故滿足要求。3.9.6 伺服剛度引起的死區(qū)誤差的校驗(yàn)由1中式2-52有：=2= （3-19）已知進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的最小綜合拉壓剛度故=99.22×106N/mm

38、，導(dǎo)軌的靜摩擦力=6.4N，則= =mm=0.000129mm即=0.000129mm0.01mm（脈沖當(dāng)量），故滿足要求。3.10 計(jì)算電機(jī)軸上的慣量和轉(zhuǎn)矩，選取步進(jìn)電機(jī)3.10.1 計(jì)算傳動(dòng)比因?yàn)樵撱姶瞂、Y方向的定位精度均為0.05mm，重復(fù)定位精度0.03mm，脈沖當(dāng)量為0.01mm/Pulse，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/P=360×1×0.01/10=0.36°。由于傳動(dòng)比為1，則不需要選用減速箱，采用電動(dòng)機(jī)軸與絲杠通過聯(lián)軸器直接聯(lián)接的方式。3.10.2 計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量 總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子

39、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。1、 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量當(dāng)圓柱體圍繞其中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，其慣量可由下式計(jì)算：J=/8，對(duì)于鋼材其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為： （3-20） 式中，為絲杠公稱直接40mm， L為絲杠長度=有效行程+螺母長度+設(shè)計(jì)余量+兩端支撐長度（軸承寬度+鎖緊螺母寬度+裕量）+動(dòng)力輸入連接長度（如果使用聯(lián)軸器則大致是聯(lián)軸器長度的一半+裕量）=338+88+60+180+56=722mm。帶入數(shù)據(jù)求得：=1.4×10-3kg·m2。2、 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)慣量沿直線軸移動(dòng)物體的慣量為：= （3-21）式中，為絲杠導(dǎo)程（m

40、m），=5mm；M為移動(dòng)部件重量1600N，算為質(zhì)量為160kg。帶入式中求得=1.014×10-3kg·m2。3、 總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量初選常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司的110BYG5502型五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可知其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=15×10-4kg·m2，所以加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=+=14×10-4+10.14×10-4+15×10-4 kg·m2=39.14×10-4 kg·m24、 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)的動(dòng)態(tài)特性取

41、決于負(fù)載特性。為使該系統(tǒng)慣量達(dá)到較合理的配合，一般將/比值控制在0.251之間，而/=15×10-4/39.14×10-4=0.3832，故符合慣量匹配要求。3.10.3 計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，分為空載快速和承載最大負(fù)荷兩種情況。1、 承載最大負(fù)荷時(shí)情況：，分別計(jì)算各個(gè)參數(shù)： 加速力矩： （3-22）式中， 為折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣量=39.14×10-4 kg·m2；T為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，由任務(wù)書知為T=0.4S；n切削時(shí)的轉(zhuǎn)速為；帶入數(shù)據(jù)求得：=0.2548N·m摩擦轉(zhuǎn)矩 （3-23）式中，為導(dǎo)軌摩擦

42、力=(+G)=0.004×（0+1600）=6.4N；為絲杠螺距=5mm；i為齒輪降速比，i=1；為傳動(dòng)鏈總效率，為0.70.8，取=0.8；代入數(shù)據(jù)求得：= =0.00637N·m滾珠絲杠預(yù)緊后的附加摩擦力矩 = （3-24） 式中，為最大軸向預(yù)緊力，=/3=6.4/3N=2.133N；為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率，=0.96；其余數(shù)據(jù)同上； 代入數(shù)據(jù)求得：= 0.139N·m切削力矩 = （3-25） 式中，進(jìn)給方向的最大切削力=0N；其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得：=0N·m由此得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.2613 N·m 2、快速空載時(shí)的情況：=+，分

43、別計(jì)算各參數(shù)加速力矩 = (3-26) 參數(shù)同上代入數(shù)據(jù)得：= 0.2548N·m力矩摩擦 = （3-27）其中為導(dǎo)軌副的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取=0.004；其余參數(shù)同上代入數(shù)據(jù)得：=0.00637N·m附加摩擦力矩=同式3-21，代入數(shù)據(jù)得= 0.000139N·m所以可知快速空載時(shí)電機(jī)所需力矩：=+=0.2613N·m比較和，取其較大者，就是最大等效負(fù)載，即M=0.2613 N·m 3.10.4 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的校核考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(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

44、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：3M=3×0.2613 N·m=0.7839N·m，由所選的電機(jī)型號(hào)110BYG5502參數(shù)可知，最大轉(zhuǎn)矩=16 N·m，可知滿足要求。3.10.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1、 最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核所給設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中最快進(jìn)給速度=600mm/min，脈沖當(dāng)量=0.01mm/pluse，求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率=Hz=1000Hz。從110BYG5502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15N·m，大于最快進(jìn)給時(shí)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.2613N·

45、m，滿足要求。圖3.11 110BYG550電動(dòng)機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線圖2、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 所給設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度=2500mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻=2500/(60×0.01)=4166.67Hz。由圖查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩8N·m，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.2613N·m滿足要求。3、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=2500mm/min相對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為=4166.67Hz。從圖4可知110BYG5502電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)7000Hz以上，沒有超出上限，滿足要求。4、 啟動(dòng)

46、頻率的計(jì)算 在空載狀態(tài)下轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)下能夠不失步地啟動(dòng)時(shí)的最大控制頻率稱為空載頻率，當(dāng)帶動(dòng)負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，所允許的起跳控制頻率會(huì)大大下降。一般來講，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加，起跳頻率也會(huì)降低。 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為=39.14×10-4 kg·m2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=15×10-4kg·m2，由圖4可知110BYG5502的=10000Hz。由下式可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為：=Hz=5263.64Hz 因此，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5263.64Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低

47、，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110BYG5502型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。3.10.6 確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)及其參數(shù)110BYG5502型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如下7：圖3.12 110BYG5502型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)圖3.13 110BYG5502型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)外形圖圖3.14 外形安裝尺寸3.11 聯(lián)軸器的選擇根據(jù)選出的電機(jī)和絲杠的參數(shù)，選擇膜片彈性聯(lián)軸器（查1中附錄A表A-6），不僅可以簡化結(jié)構(gòu)、減少噪聲，而且對(duì)減少傳動(dòng)鏈的間隙、提高傳動(dòng)剛度也大有好處。因?yàn)闈L珠絲桿的公稱直徑為40mm，所以選擇05號(hào)內(nèi)徑為40的膜片彈性聯(lián)軸器，其參數(shù)如下。圖3.15 膜片彈性聯(lián)軸

48、器的結(jié)構(gòu)和尺寸第四章 工作臺(tái)電氣控制部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1 工作臺(tái)電氣控制部分總體設(shè)計(jì)控制部分包括：脈沖信號(hào)源（選擇AT89S52單片機(jī)），脈沖分配器（選擇CH250芯片），功率放大器（即驅(qū)動(dòng)電路）和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)必須與相應(yīng)的脈沖分配器、功率驅(qū)動(dòng)電路配套使用。脈沖分配器就是把單脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成多相繞組通電的控制信號(hào)。在本系統(tǒng)中就是把單片機(jī)輸出的控制脈沖信號(hào)，經(jīng)過PMM8714的邏輯組合轉(zhuǎn)換成各相繞組通、斷電的時(shí)序邏輯信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)按確定的方式工作。由于脈沖分配器輸出的電流很小，需要外接功率驅(qū)動(dòng)電路，在本設(shè)計(jì)中采用5相電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片PMM530310。圖4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制原理（3相）

49、4.2 脈沖分配器的選擇 脈沖分配器的作用是將脈沖按照一定的順序送到功率放大器中，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作，硬件環(huán)形分配器的原理如圖7所示。 圖4.2 硬件環(huán)形分配器的原理本設(shè)計(jì)選用芯片分配：PMM8714脈沖分配器是單片CMOS集成電路，采用D IP24封裝。其集成電路內(nèi)部由時(shí)鐘選通、激勵(lì)方式控制、激勵(lì)方式判斷、可逆環(huán)行計(jì)數(shù)器等主要部分組成。所有輸入端內(nèi)都設(shè)有施密特電路，提高了抗干擾能力。PMM8714 脈沖分配器適用于控制5相步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)需要可選擇6種不同的激勵(lì)方式：即2相、2 - 3相、3相、4相、4 - 5相、5相激勵(lì)。勵(lì)磁方式如表5所示。PMM8714既可作單極性也可作雙極性方式控制，其

50、中2相、3相和2 - 3相激勵(lì)時(shí)為單極性，只利用A - E輸出端， A- E恒為低電平，其中2相或3相激勵(lì)5拍運(yùn)行；2 - 3相激勵(lì)10拍運(yùn)行，而4相、5相、4 - 5相激勵(lì)時(shí)為雙極性控制，其中4相或5相激勵(lì)10拍運(yùn)行；4 - 5相激勵(lì)20拍運(yùn)行。設(shè)計(jì)的單片機(jī)與脈沖分配器接口電路如圖8所示。表5 PMM8714激勵(lì)方式選擇圖4.3 單片機(jī)和脈沖分配器接口電路4.3 驅(qū)動(dòng)電路的選擇步進(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。單電源驅(qū)動(dòng)電路如圖9所示。圖4.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖(單相)放大器輸入的脈沖信號(hào)，輸

51、入級(jí)由開關(guān)管Q1接成射極輸出器，將輸入信號(hào)電流放大，以推動(dòng)輸出極Q2。沒有脈沖時(shí)，Q1、Q2處于截至狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)繞組中無電流通過，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。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B-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEF-EF-EFA-AB.其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈E-AED-ED-EDC-DC-DCB-CB-CBA-BA-BAE-AE。電路中的二極管D1起泄放作用，因?yàn)樵诠β使躋2突然關(guān)斷時(shí)，在繞組中將產(chǎn)生一個(gè)較大的反電動(dòng)勢，此反電動(dòng)勢疊加在直流電源上加到功放管的集電極，可能會(huì)將該管擊穿；有了二極管就能泄放繞組中儲(chǔ)存的能量，從而保護(hù)了功放管。本系統(tǒng)中，采用集成功率放大器PMM5303將脈沖分配器輸出的微弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)電信號(hào)。該芯片采用SIP25封裝，其內(nèi)部有H橋的功率晶體管，設(shè)計(jì)時(shí)選用5角形接線的4相勵(lì)磁方式，電路如圖8