經(jīng)濟(jì)型數(shù)控臺鉆XY工作臺進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計說明書

1、 數(shù)控臺鉆X-Y工作臺進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)老師: 班 別: 姓 名: 學(xué) 號: 目錄序言3摘要 4設(shè)計目的 4設(shè)計要求 5總體方案設(shè)計6機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計計算 81、確定脈沖當(dāng)量 82、確定傳動比 83、 滾珠絲杠螺母副的選型和校核94、步進(jìn)電動機(jī)的選型和計算135、導(dǎo)軌的選型和計算 166、啟動矩頻特性校核17控制系統(tǒng)設(shè)計 21第一節(jié) 控制系統(tǒng)硬件的基本組成22第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制電路22步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計27其它電路輔助設(shè)計30設(shè)計總結(jié)31參考文獻(xiàn)31序言據(jù)資料介紹，我國擁有400多萬臺機(jī)床，絕大部分都是多年累積生產(chǎn)的普通機(jī)床。這些機(jī)床自動化程度不高，加工精度低，要想在短時期內(nèi)用自動化程度高的

2、設(shè)備大量更新，替代現(xiàn)有的機(jī)床，無論從資金還是從我國機(jī)床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國現(xiàn)有的部分普通機(jī)床實現(xiàn)自動化和精密化改造又勢在必行。為此，如何改造就成了我國現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的重要課題。在過去的幾十年里，金屬切削機(jī)床的基本動作原理變化不大，但社會生產(chǎn)力特別是微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很快。反映到機(jī)床控制系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動化程度，又能提高加工的精度，現(xiàn)已有一些企業(yè)在這方面做了有益的嘗試。實踐證明，改造后的機(jī)床既滿足了技術(shù)進(jìn)步和較高生產(chǎn)率的要求，又由于產(chǎn)品精度提高，型面加工范圍增多也使改造后的設(shè)備適應(yīng)能力加大了許多。這更加突出了在舊機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控技術(shù)改造的

3、必要性和迫切性。由于新型機(jī)床價格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機(jī)床設(shè)備全部以新型機(jī)床替換，國家要花費大量的資金，而替換下的機(jī)床又會閑置起來造成浪費，若采用改造技術(shù)加以現(xiàn)代化，則可以節(jié)省50%以上的資金。從我國的具體情況來講，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3到1/5，一般用戶都承擔(dān)得起。這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術(shù)發(fā)展開創(chuàng)了新路，也對實力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)吸引力，起到了事半功倍的積極作用。據(jù)國內(nèi)資料統(tǒng)計訂購新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)需要。因此機(jī)床的數(shù)控改造就成為滿足市場需求的主要補(bǔ)充手段。在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)是現(xiàn)代機(jī)

4、械制造的基本特征，占有相當(dāng)大的比重。要完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，其中數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。從上述分析中不難看出數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)之上。通過理論上的推導(dǎo)和實踐使用的證明，把微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)引入機(jī)床的改造有以下幾方面的優(yōu)點：1）可靠性高；"柔性強(qiáng)；#易于實現(xiàn)機(jī)電一體化；2）經(jīng)濟(jì)性可觀。為此在舊的機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控改造可以提高機(jī)床的使用性能，降低生產(chǎn)成本，用較少的資金投入而得到較高的機(jī)床性能和較大的經(jīng)濟(jì)效益。摘要本課程設(shè)計是對鉆床進(jìn)行改造，目的在于培養(yǎng)對機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計能力，重點是對所學(xué)知識的鞏固和加強(qiáng)，

5、為畢業(yè)設(shè)計及將來的工作打下堅實的基礎(chǔ)。本課程設(shè)計由序言、設(shè)計要求、總體方案、進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計，以及相應(yīng)元件的選擇與確定和主程序框圖、數(shù)控化電路原理組成。由于本人經(jīng)驗不足，以及對知識掌握程度的限制，設(shè)計過程還存在某方面的錯漏，敬請老師提出寶貴意見。設(shè)計目的數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計是機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中的一個重要的實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，特別是“數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用”課程后應(yīng)用的，它是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、解決實際問題能力的重要步驟。本課程設(shè)計是以機(jī)電一體化的典型課題-數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方案的擬定為主線，通過對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計總體方案的擬定、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計，計算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

6、，使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)過的機(jī)械、電子和微機(jī)方面的知識，進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的全方面訓(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)生具有初步設(shè)計計算的能力以及分析和處理生產(chǎn)過程中所遇到的問題的能力。設(shè)計要求課程設(shè)計是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計可以初步樹立正確的設(shè)計思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學(xué)會運用手冊、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地運用課程和選修課程的知識，獨立完成規(guī)定的設(shè)計任務(wù)。課程設(shè)計的內(nèi)容是改造設(shè)備，實現(xiàn)以下幾部分內(nèi)容的設(shè)計訓(xùn)練。如精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)（或裝置）的設(shè)計、計算機(jī)I/O接口設(shè)計和驅(qū)動電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計等。說明書的內(nèi)容應(yīng)包括：課程設(shè)計題目

7、總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機(jī)械傳動設(shè)計計算以及機(jī)械和電氣及其他部分（如環(huán)形分配器等）的說明。該課程設(shè)計的內(nèi)容及方法，可以歸納如下：1.采用微型計算機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制等。2.選用驅(qū)動控制電路，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。主要考慮計算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用，考慮電機(jī)選擇及驅(qū)動力矩的計算，控制電機(jī)電路的設(shè)計。3.精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計。主要是考慮數(shù)控機(jī)床工作臺傳動裝置的設(shè)計問題：要弄清機(jī)構(gòu)或機(jī)械執(zhí)行元件的主要功能（傳動運動、動力、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運轉(zhuǎn)等），進(jìn)行力矩、負(fù)載功率、

8、慣性（轉(zhuǎn)動慣量）、加（減）速控制和誤差計算。4.學(xué)會使用手冊及圖表資料。 總體方案設(shè)計一般來講，普通鉆床的數(shù)控改造主要有兩部分，一是設(shè)計一套簡易微機(jī)數(shù)控X-Y工作臺，固定在鉆床的工作臺上。二是將控制鉆頭上、下運動的手柄拆去，改用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)通過一級減速裝置使鉆頭上下運動。本設(shè)計只對X-Y工作臺進(jìn)行設(shè)計。取鉆床步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量可選為0.01mm/脈沖，步進(jìn)電機(jī)的步距角0.9°。方案1系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)，點位直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進(jìn)行切削，可選用點位控制方式。數(shù)控鉆床在工作臺移動過程中鉆頭并不進(jìn)行鉆孔加工，因此數(shù)控

9、裝置可采用點位控制方式。對點位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。2伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不能達(dá)到較高水平的基本問題，但是步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會積累；轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，而且在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動而變化的特點。并且步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測與反饋控制的問題，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也取得了可喜的發(fā)展。因此，在一定范圍內(nèi)，這種采用步進(jìn)電機(jī)

10、作為驅(qū)動執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具體的系統(tǒng)中，增加了位置檢測、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了在安裝調(diào)試增加工作量和復(fù)雜性外，從控制理論的角度看，要實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，其難度也將大為提高。為此，考慮到在普通立式鉆床上進(jìn)行改造，精度要求不是很高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，本設(shè)計采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。3執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動方式的確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機(jī)構(gòu)傳動裝配時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。故在設(shè)

11、計中應(yīng)考慮以下幾點：1）盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌等。2）盡量消除傳動間隙。如步進(jìn)電機(jī)上的傳動齒輪采用偏心軸套式消隙結(jié)構(gòu)。3）縮短傳動鏈?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊以提高系統(tǒng)的傳動剛度。如應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動副，絲杠支承設(shè)計成兩端軸向固定，并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等提高傳動剛度。X-Y工作臺傳動采用滾珠絲杠螺母傳動副和滾動導(dǎo)軌。4計算機(jī)系統(tǒng)的選擇計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一般由微機(jī)部分、I/O接口電路、光電隔離電路、伺服電機(jī)驅(qū)動電路、檢測電路等幾部分所組成。在簡易數(shù)控系統(tǒng)中，大多采用8位微處理器的微型計算機(jī)。如何采用Z80C

12、PU或MCS-51單片機(jī)組成的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。Z80CPU有芯片價廉，通用性強(qiáng)，維修方便等特點。MCS-51單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快和很高的性能價格比等特點。通過比較，對于簡易數(shù)控機(jī)床推薦采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。5實施保留原機(jī)床主傳動鏈，保留鉆床工作臺和控制工作臺移動手柄，在原工作臺上安裝一套微機(jī)數(shù)控的X-Y工作臺。由于X-Y工作臺的運動部件重量和切削力不大，因此選用有預(yù)加載荷的滾珠導(dǎo)軌。采用滾動導(dǎo)軌可減小兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動?？紤]到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率0.01mm要求，需采用齒輪降速傳動

13、。綜上所述，本文改造的總體方案確定為：采用MCS-51單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級齒輪減速后，帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)工件的縱向、橫向運動，同時為了防止意外事故，保護(hù)微機(jī)及其它設(shè)備，還設(shè)置報警，急停電路等，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計計算設(shè)計參數(shù)系統(tǒng)分辯率為0.01mm,其它設(shè)計參數(shù)見下表：最大鉆削刀直徑最大鉆削深度ae最大鉆削深度ap加工材料工作臺加工范圍（mm）最大移動速度24mm8mm5mm碳鋼x=300,y=2503m/min機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計1.脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，考慮到機(jī)械傳動系統(tǒng)的誤差存在。脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本次設(shè)計確定脈沖當(dāng)量為0

14、.01mm/步.二.鉆削力分析與計算鉆削運動的特征是主運動為鉆頭繞自身軸線高速回轉(zhuǎn),進(jìn)給運動為工作臺帶動工件在垂直于鉆頭軸線方向緩慢進(jìn)給(鍵槽鉆頭可沿軸線進(jìn)給).鉆頭的類型很多，但以圓柱鉆頭和端鉆頭為基本形式,此選用圓柱鉆頭,鉆頭材料選擇高速鋼.根據(jù)工件材料為碳鋼可確定鉆削力的計算公式：FZ=9.81CFz·ae0.86·af0.72·d0-0.86·ap·Z式中各參數(shù)如下:CFz鉆削力系數(shù)，CFz=68.2（表2-3）ae 最大鉆削寬度，本設(shè)計為8mmap 最大鉆削深度，本設(shè)計為5mmZ 鉆頭齒數(shù)，齒數(shù)取5d0 圓柱鉆頭直徑，查得d0= 24

15、mm(技術(shù)指導(dǎo))af 每齒進(jìn)給量（mm/齒），即鉆頭每轉(zhuǎn)一個齒間角時，工件與鉆頭的相對移動量，查得af=0.06mm/齒（技術(shù)指導(dǎo)）故 FZ=9.81×68.2×80.86×0.060.72×24-0.86×5×5 =858.17 N2.齒輪傳動比計算(1) 進(jìn)給齒輪箱傳動比計算已確定進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01mm滾珠絲杠導(dǎo)程L=4mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.9。可計算出傳動比i。 i=0.9×4/360×0.01=1因傳動比為1，這時可以使步進(jìn)電機(jī)直接與絲桿聯(lián)接，有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。 3.滾珠絲杠螺母副的計算和

16、選型（1） 計算進(jìn)給牽引力（N）滾珠絲杠上的工作載荷Fm(N)是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。直線滾動導(dǎo)軌的計算公式：Fm=KFLf，(FvFcG)式中K考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，矩形導(dǎo)軌K=1.1滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.00250.005；這里取0.003G移動部件的重力（N）：G=500NFL工作臺縱向進(jìn)給方向載荷Fc工作臺橫向進(jìn)給方向載荷 Fv工作臺垂直進(jìn)給方向載荷由表2-4查得，F(xiàn)L/ FZ=1， FL= FZ=858.17 N Fc /FZ=0.4， Fc =0.4FZ=343.26 N Fv /FZ=0.2， Fv =0.2FZ=171.63

17、N Fm=1.1×343.260.15×（171.63343.26500） =529.23N（2）計算最大動負(fù)載C滾珠絲杠最大動載荷可用下式計算C=fmFmL=n= v=afZn，式中：L工作壽命、以106轉(zhuǎn)為單位。 fm運轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運轉(zhuǎn)取fm =1.21.5;這里取fm =1.2。 Fm-滾珠絲杠工作載荷（N）t使用壽命，按15000h；n-絲杠的轉(zhuǎn)速L0 滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L0=4mm； v最大切削力下的進(jìn)給速度af-每齒進(jìn)給量（mm/齒）af=0.06mm/齒Z-鉆頭齒數(shù)，Z=5n，-鉆頭轉(zhuǎn)速，區(qū)別與以上絲杠轉(zhuǎn)速n，n，取為1000r/minv=0.06×

18、;5×1000=0.3 r/minn=(1000×0.3)/4=75 L=(60×75×15000)/106=67.5 rC=fmFm=4.1×1.2×858.17=4.12kN(3)螺母副的選型根據(jù)最大動載荷和公稱直徑選外循環(huán)滾動螺母副，選用漢江機(jī)床廠生產(chǎn)的規(guī)格代號為2004-2.5的滾珠絲杠，公稱直徑=20mm,滾珠直徑為Dw=2.318mm,圈數(shù)×列數(shù)=3.5×1,螺距為6mm,螺旋升角為=3°38。(4)傳動效率計算 =式中絲杠螺旋升角, =3°38摩擦角，取10 =0.0498/0.0

19、524=0.955=95.5%(5)剛度驗算先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖4-20所示，最大牽引力為858.17N，支承間距L=460mm絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。1絲杠的拉伸或壓縮變形量=±Fm絲杠的工作載荷（N）；L滾珠絲杠在支承間的受力長度（mm）；L=460mmE材料的彈性模量，對鋼E=20.6×Mpa;A滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm2）。A=3.14(d/2)2=3.14×(20-2.381) 2/4=243.687 mm2由于兩端采用向心推力球軸承，且絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸，故其剛度可以提高4倍=±(858

20、.17×460/20.6××243.687)= ±0.00202(mm）2滾珠與螺紋滾道間接觸變形有預(yù)緊：=0.0013× (mm)=0.00072mmDw為滾珠直徑（mm）,D=2.381mm；為滾珠總數(shù)量Z×圈數(shù)×列數(shù)Z為一圈的滾珠數(shù)，外循環(huán)Z=3.14×20/2.381=26；故26×3.5×1=91；-為滾珠絲杠的公稱直徑（mm）為預(yù)緊力，此處單位為kgf，為軸向工作載荷的1/3時，=10.112 kgf 為滾珠絲杠工作載荷，單位為kgf。=858/9.8=87.55kgf有預(yù)緊：=0.

21、0013× (mm)=1/2=0.00036mm3滾珠絲杠副剛度的驗算絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度的一半：=0.00202+0.00036=0.002380.005/2mm=0.0025mm(定位精度的一半)。(6)壓桿穩(wěn)定性驗算驗算滾珠絲杠尺寸和支承方式后，應(yīng)驗算絲杠在承受最大軸向載荷時是否會產(chǎn)生縱向彎曲。滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷FK(N) 為 E為材料的彈性模量，對鋼E=20.6×Mpa; I為截面慣性矩，對絲杠圓截面：I=d14/64=3.14

22、×17.6194/64=4727.97mmL絲杠最大工作長度（mm）；L=460 mmfZ為絲杠支承方式系數(shù)，這里滾珠絲杠的支承方式采用一端固定一端簡支的方式，所以fZ22×3.142×20.6×104×4727.97/4602 =1.8875×105Nnk=Fk/Fm=1.8875×105/858.17=219.94nk所以，該滾珠絲杠不會失穩(wěn)。nk許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，nk=2.544. 縱向步進(jìn)電機(jī)的計算和選型一、初選步進(jìn)電機(jī)55BYG4,步距角b=0.9°,滿足要求.二、矩頻特性: 等效轉(zhuǎn)動慣量計算1.滾珠絲

23、杠轉(zhuǎn)動慣量JS=0.78D4L×10-3(kf·cm2)L-絲杠長度,設(shè)定為460mm=46cmD-絲杠公稱直徑,D=20mm=0.2cmJS=0.78×0.24×46×10-3=0.574kf·cm22.工作臺轉(zhuǎn)動慣量JG=(L0/2)2M(kf·cm2) L0-絲杠導(dǎo)程,L0=4mm=0.4cm M-工作臺質(zhì)量,M=50kgJG=(0.4/2×3.04)2×50=0.203 kf·cm23.聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)鋼的直徑為(20,22)選用型號為JM1的聯(lián)軸器(機(jī)械設(shè)計手冊單行本)查得JL=0.

24、0002 kf·m2=2 kf·cm24. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)初選電機(jī)型號,查得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為:JZ=22.2275×10-5 kf·m2=2.2275 kf·cm2J=JSJGJLJG=0.49920.20322.2275=4.929 kf·cm2 三、步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動的計算空載啟動時折算到電機(jī)軸上的加速度力矩（N·cm）；M為空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N·cm）；M電絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。(1) 加速度力矩Mka= J×2××nmax

25、5;10-2/60t(N·cm)nmax=vmaxb/360pt-運動部件從靜止啟動加速到最大快速所需的時間,t=1s vmax-運動部件最大快進(jìn)速度（mm/min）, vmax=3m/min=3000mm/min b-初選步距角，b=0.9°nmax-與運動部件最大快進(jìn)速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min)故nmax=3000×0.9/（360×0.01） =750 r/minMka=4.929×2×3.14×750×10-2/60×1 =3.506N·cm (2)空載摩擦力矩 Mkf=GfL0

26、/2i(N·cm) G-運動部件的總重量（N），G=50×9.8=490N 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，=0.003;-傳動系統(tǒng)總效率，一般取=0.70.85,這里取=0.8L滾珠絲杠基本導(dǎo)程，L=0.4 cm.空載摩擦力矩Mkf=GfL0/2i=490×0.03×0.42×3.14×0.8=1.17 N·cm(3)附加摩擦力矩M M0=FYJL0（1-2）/2 i -絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取0.9，這里取=0.95；F預(yù)加載荷，一般為最大向載荷的,即F=F=99.1NM0=286×0.4×(1-0.952)

27、/(2×3.14×0.95×1) =1.87N·cm上述三項合計：步進(jìn)電機(jī)空載啟動力矩：M = 1.541.171.87= 4.58（N·cm）步進(jìn)電機(jī)名義啟動力矩： 從表2-18根據(jù)電機(jī)型號查出步進(jìn)電機(jī)為四相八拍；從表2-17根據(jù)電機(jī)拍數(shù)查出啟動轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩Mkq與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為Mkq/Mjmax1=0.707故Mjmax1=Mkq/0.707=4.58/0.707=6.471N·cm運動部件正常工作（數(shù)控機(jī)床為工作臺開始工進(jìn)）時，電動機(jī)的啟動為帶負(fù)載啟動，其總負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mfq可按下式計算Mfq=MkaMkfM0Mf Mf=FL

28、/2i(N·cm)F-作用在工作臺的合力，F(xiàn)=（FL2FV2FC2）1/2=858.17NMf- 合力F折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩故Mf=858.17×0.4/（2×3.14×0.8×1） =68.32 N·cmMfq=4.5868.32=72.9 N·cm運動部件正常運行時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax2=Mfq/0.4=72.9/0.4=181 N·cm根據(jù)電機(jī)型號查得步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax=3.92N·m=392N·cm所以MjmaxMjmax2Mjmax1初選電機(jī)型號時應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟

29、動力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動力矩，即MjmaxmaxMjmax1，Mjmax2所以初選電機(jī)55BYG04能滿足要求。5導(dǎo)軌的選用與校核初選滾動導(dǎo)軌 選取上海組合夾具廠的SGDA20 C12×520F 其額定載荷Coa為21.4KN，Ca 為12.4KN，參數(shù)如下：單位abb1ll1l2d1×d2×h1HWABB1MC1×C2LL120184552020606×9.5×8301244258M653×407650其中長度l=520為2×l1+8l2=520,本設(shè)計選用直線滾動導(dǎo)軌副。2)對導(dǎo)軌進(jìn)行按下式進(jìn)行校核：式中:L

30、為滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km）本設(shè)計L定為50km；為額定載荷，查表=12.4kN；F為每個滑塊上的工作載荷（N）F=F/4；F為在滑座上的載荷本設(shè)計設(shè)定為637.68N；為硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為58-64HRC時=1.0；為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過100°C時，=1；為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個滑塊時=0.81；為載荷/速度系數(shù)，無明顯沖擊振動或v60m/min時，=1.5-2這里選擇=2。 =637.68÷4××2÷（1×0.81×1） =3.936KN因此所選導(dǎo)軌滿足要求。1） 滾動導(dǎo)軌的潤滑與防護(hù)滾動導(dǎo)軌采

31、用潤滑脂潤滑。常用牌號為ZL-2鋰基潤滑脂（GB/732487，2號）。它的優(yōu)點是不會泄漏，不需經(jīng)常加油；缺點是塵屑進(jìn)入后容易磨損導(dǎo)軌，因此防護(hù)要求較高。易被污染又難防護(hù)的地方，可用潤滑油潤滑。本設(shè)計的防護(hù)裝置采用伸縮式。6、啟動矩頻特性校核部件電機(jī)有三種工況：啟動、快速進(jìn)給運行、工進(jìn)運行。前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)在快速啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進(jìn)行校核。以后還要對快進(jìn)、工進(jìn)時的運行矩頻特性作校核。f fmax0t1ta tbt222t1t2t 圖1 步進(jìn)電機(jī)啟動步進(jìn)電機(jī)啟動有突跳啟動和升速啟動，一般突跳啟動很少使用。在升速啟動

32、中，步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，（如圖1所示）在零時刻（t1=0），啟動頻率fq=0。在一段時間t1內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運行速度，即fq=fmax。在整個升速、均勻運行、降速過程中，步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時間t1足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩Mkq中的加速力矩項Mka不會很大，一般不會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，但是降低了工作效率。升速時間t1過短，則步進(jìn)電機(jī)啟動力矩中的加速力矩項M就會很大，所以需要校核啟動矩頻特性。55BYG04啟動矩頻特性 圖2由圖2初選步進(jìn)電機(jī)的啟動矩頻特性曲線中，可知空載啟動力矩M=0.19N·

33、M值所對應(yīng)的允許啟動頻率fyqfq，步進(jìn)電機(jī)會不丟步。 （2）電機(jī)快速進(jìn)給矩頻特性較核 最高運行頻率fmax 式中：Vmax運動部件最大快進(jìn)速度 快進(jìn)時已經(jīng)不存在加速力矩項Ma,并且一般處于空載狀態(tài)，故快速進(jìn)給力矩MJK= M0為附加摩檫力矩（N·cm），MKF為快進(jìn)時的折算到電機(jī)的摩檫力矩（N·cm）。 所以 MJK= =2.13（N·cm）=0.02N·m圖3由圖3可知道快進(jìn)力矩對應(yīng)允許快進(jìn)頻率FYK近似為8000HzFmzxFYK所以電機(jī)不會丟步。（3）、工進(jìn)運行距頻特性校核工進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的運行頻率：式中： 最大工作進(jìn)給速度 工進(jìn)時，步進(jìn)電機(jī)運行所需

34、力矩Mkj可按下式計算： （式2-39）式中： 附加摩擦力矩，由前可知M0=2.01 摩擦力矩 折算到電機(jī)軸上的工作負(fù)載力矩 (式2-40) (式2-41)式中：Fv垂直方向作用于工作臺的工作載荷 Ft沿進(jìn)給方向的切削負(fù)載，F(xiàn)t=FL在圖3初選步進(jìn)電機(jī)的運行矩頻率特性曲線中，對應(yīng)工進(jìn)頻率fGJ查到的允許工進(jìn)運行力矩MYJ=4N·m >MGJ=0.6N·m，滿足工進(jìn)時運行距頻特性的要求。（4）步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸 步進(jìn)電機(jī)安裝尺寸/步進(jìn)電機(jī)型號軸徑D1止扣直徑D3螺孔通孔L1L2外徑D長度LB×B備注55BYG47223908555×55（b）控制系統(tǒng)

35、設(shè)計 第一節(jié) 控制系統(tǒng)硬件的基本組成鍵盤顯示控制微機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)輔助控制控制對象設(shè)備 檢測 MCS-51 8031芯片 第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制電路一、開環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖脈沖信號源脈沖分配器功率放大分配后的脈沖信號放大后的脈沖信號二脈沖分配由表（2-18）查得脈沖分配方式為四相八拍三驅(qū)動電路+80V控制系統(tǒng)軟件的組成和結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)的作用是進(jìn)行人和機(jī)對話和檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)一般包括系統(tǒng)初始化，命令處理循環(huán)，零件加工程序和作業(yè)程序輸入，編輯，指令分析機(jī)構(gòu)，以及系統(tǒng)自測等。1系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)上電式復(fù)位后，系統(tǒng)軟件進(jìn)行初始化處理。包括設(shè)置CPU的狀態(tài)，可編程I/O芯片的工作狀態(tài)，中斷方式2命令處理：系統(tǒng)初始化

36、后系統(tǒng)即進(jìn)入命令處理程序，對于一般單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)通常采用循環(huán)處理程序作為系統(tǒng)的主程序3：零件加工程序或作業(yè)程序的輸入和編程：零件加工程序可以鍵盤輸入，也可通過串行口通信輸入。輸入程序的功能就是讀入源程序，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理，按規(guī)定的格式將其存入規(guī)定的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。4 指令分析執(zhí)行：微機(jī)控制系統(tǒng)對輸入的指令進(jìn)行分析，并根據(jù)分析的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作。5診斷程序：診斷程序用于檢測系統(tǒng)硬軟件功能的正確性，找出系統(tǒng)故障的位置，并指出故障類型。機(jī)電系統(tǒng)控制軟件的機(jī)構(gòu)一般機(jī)電控制系統(tǒng)中常用的軟件結(jié)構(gòu)有：子程序，主程序加中斷程序結(jié)構(gòu)子程序3子程序1子程序2條件2條件3條件1主程序逐點比較法 用逐點比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計

37、算，每走一步都需要以下四個步驟： 1判別偏差：Fm0或FMO ，從而決定哪個方向進(jìn)給和采用哪個偏差計算方向進(jìn)給。2偏差計算：進(jìn)給一步后計算新的加工偏差。3終點判別：進(jìn)給一步后，終點計數(shù)器，若為零，表示到達(dá)終點停止插補(bǔ)，不為零則返回第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點計數(shù)判別可用方向坐標(biāo)值判斷，也可由一個方向的坐標(biāo)值判斷。當(dāng)XeYE逐點比較法框圖YESNONOY方向進(jìn)給X方向進(jìn)給X=XM ?Y=YM ?FM=FM+XEY=Y+1FM=FM-YEX=X+1FM0 ?初始化YES返回程序設(shè)計插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：D7D6D

38、5D4D3D2D1D0D1D0為X向電機(jī)控制。DO運行，D0=O停止，D0=1正轉(zhuǎn)。D1=0反轉(zhuǎn)D3D2為Y向電機(jī)控制位。D2=1運行，D2=0停止，D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。第一象限制直線插補(bǔ)程序如下：ORG 2000H MAIN： MOV SP ， #60H； LP4 ： MOV 28H， #08CH；XE MOV 29H, #0C8H; YE MOV 2AH, #00H; X MOV 2BH, #00H; Y MOV 2CH, #00H; FM MOV 70H, 0AHLP3: MOV A, 2CH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC

39、.2 MOV 70H, A;置電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為0B，+X方向進(jìn)給 LCALL MOTR；調(diào)步進(jìn)電機(jī)的控制子程序，+X方向進(jìn)給一步 LCALL DELAY MOV A， 2CH SUBB A， 29H；F-YE INC 2AH; X+1 AJMP LP2LP1 MOV A , 70H SETB ACC.2 置電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為0E，+Y方向進(jìn)給 CLR ACC.0 調(diào)步進(jìn)電機(jī)的控制子程序，+Y方向進(jìn)給一步 LCALL DELAY MOV A， 2CH ADD A， 28H； F+XELP2 MOV 2CH, A MOV A, 28H CJNZ A, 2AH, LP3; XE=X? RET 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計光電耦合器步進(jìn)電機(jī)控