步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與數(shù)控圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)

1、JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY課程設(shè)計(jì)與綜合訓(xùn)練 說明書 課程設(shè)計(jì)題目: 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與數(shù)控圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練題目: 連接電路和機(jī)床進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)第二象限逆圓弧插補(bǔ)加工學(xué)院名稱： 機(jī)械學(xué)院 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2016年1月課程設(shè)計(jì)與綜合訓(xùn)練任務(wù)書合訓(xùn)練題目課程設(shè)計(jì)綜設(shè)計(jì)題目：步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與數(shù)控圓弧插補(bǔ)三菱PLC程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練題目：連接電路和機(jī)床進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)第二象限逆圓弧插補(bǔ)加工主要設(shè)計(jì)參數(shù)及要求主要設(shè)計(jì)參數(shù)： 走刀長度(mm)：40 X絲杠導(dǎo)程(mm)：4 Z絲杠導(dǎo)程(mm)：5 脈沖當(dāng)量p(um)：30 步距角

2、（º）：0.75 最大進(jìn)給速度Vmax (r/min)：50 等效慣量(Jm+Je) (N/m²)：1000×10-4 空啟動(dòng)時(shí)間t (ms)：100 主切削力Fz(N)：1000 吃刀抗力Fy(N)：800 走刀抗力Fx（N）：500 X方向工作臺(tái)滑板及組件重量（N）：200Z方向工作臺(tái)滑板及組件重量（N）：600 設(shè)計(jì)要求： 選擇電機(jī)型號、制作接口電路、編制程序，使其能進(jìn)行兩方向伺服驅(qū)動(dòng)加工出所需要的零件設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作量課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作量（一周）：（1）根據(jù)給定任務(wù)參數(shù)選擇傳動(dòng)比、步進(jìn)電機(jī)型號，設(shè)計(jì)并繪制伺服傳動(dòng)系統(tǒng)AutoCAD傳動(dòng)圖一張；（2）使用PRO

3、TEL繪圖工具繪制微控制器接線圖一張；（3）編制插補(bǔ)程序。綜合訓(xùn)練內(nèi)容及工作量（兩周）：（1）利用設(shè)備及元?dú)饧谱魑⒖刂破骷捌浣涌诳刂齐娐?；?）調(diào)試所編制插補(bǔ)程序；（3）課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練說明書1份：60008000字。主要參考文獻(xiàn)1PLC編程控制方面的參考書；2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面的參考書；3Solidworks繪圖方面的參考書課程設(shè)計(jì)題目:步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與數(shù)控圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練題目:連接電路和機(jī)床進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)第二象限逆圓弧插補(bǔ)加工摘要：通過對微控制器-PLC的學(xué)習(xí)進(jìn)行了為期三周的課程設(shè)計(jì)，本次課程設(shè)計(jì)是以第二象限逆圓弧插補(bǔ)為例。PLC在工業(yè)控制應(yīng)用非常廣泛，主要是因?yàn)槠浞€(wěn)定可靠。本設(shè)

4、計(jì)即根據(jù)自制的車數(shù)控平臺(tái)（雙軸平臺(tái)），通過插補(bǔ)運(yùn)算， 利用FX3uPLC發(fā)出脈沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，按照插補(bǔ)程序畫出軌跡。從而初步掌握步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，仿真數(shù)控車加工平臺(tái)加工零件的加工軌跡。關(guān)鍵詞： FX3U-64M ; 步進(jìn)電機(jī); NR2插補(bǔ);目錄第一章 概 述51.1 本次課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練對象及內(nèi)容51.2 課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練任務(wù)書及要求5第二章 機(jī)電伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及圖形繪制72.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇和齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算72.1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)72.1.2 傳動(dòng)比計(jì)算和步進(jìn)電機(jī)的選擇92.2 圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算152.2.1 X向齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算152.2.2 Z向

5、齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算172.2.3 絲杠的選擇.192.3 聯(lián)軸器選擇242.4 軸承選擇242.5 鍵252.6 齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選擇252.7 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和圖形繪制25第三章 機(jī)電伺服系統(tǒng)微控制器電器線路及程序設(shè)計(jì)273.1開環(huán)控制系統(tǒng)273.2 三菱 PLC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)283.3 PLC插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)概述. 303.4 程序設(shè)計(jì)調(diào)試.35參考文獻(xiàn)43第一章 概 述機(jī)械電子工程專業(yè)的課程設(shè)計(jì)，是對前階段機(jī)電課程教學(xué)的一次設(shè)計(jì)性的訓(xùn)練過程，其后二周的綜合訓(xùn)練則是將課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行物化的過程。整個(gè)過程應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)對理論教學(xué)內(nèi)容的綜合應(yīng)用目的。所以，本次課程設(shè)計(jì)涉及了單片機(jī)原理及接口技術(shù)、

6、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣控制與PLC、數(shù)控機(jī)床與編程技術(shù)、機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)等多門機(jī)電課程知識(shí)，從機(jī)電系統(tǒng)及其電氣原理圖的設(shè)計(jì)與繪制，到動(dòng)手制作控制電路及調(diào)試，對這些課程的諸多知識(shí)點(diǎn)在機(jī)電系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用進(jìn)行了簡單的闡述。1.1 本次課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練對象及內(nèi)容本次設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)自制的車數(shù)控平臺(tái)，進(jìn)行伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及圖形繪制、微控制器（單片機(jī)、可編程序控制器PLC、微機(jī)插卡）的接口電路設(shè)計(jì)、控制程序的編寫、切削加工調(diào)試，初步掌握伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法（可采用開環(huán)或閉環(huán)），完成數(shù)控車加工平臺(tái)伺服系統(tǒng)零件的加工。本次設(shè)計(jì)和訓(xùn)練的具體內(nèi)容如下：(1)根據(jù)指導(dǎo)老師給定的任務(wù)，使用AUTOCAD繪制數(shù)

7、控系統(tǒng)傳動(dòng)圖形，選擇系統(tǒng)所用步進(jìn)電機(jī)、計(jì)算系統(tǒng)減速器傳動(dòng)比； (2)使用繪圖工具繪制微控制器接線圖；(3)利用元?dú)饧谱魑⒖刂破骷捌浣涌诳刂齐娐罚?4)編制和調(diào)試程序，加工出任務(wù)書中要求的零件類型；（5）編制說明書。1.2 課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練任務(wù)書及要求 課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練任務(wù)書及其格式見附錄，其主要內(nèi)容有：設(shè)計(jì)訓(xùn)練題：分別給出課程設(shè)計(jì)和綜合訓(xùn)練的題目，如課程設(shè)計(jì)的題目為“步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)控直線插補(bǔ)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)”，綜合訓(xùn)練的題目為“連接自制電路和機(jī)床進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)第一象限直線插補(bǔ)加工”。主要設(shè)計(jì)參數(shù)及要求：可以給出具體的設(shè)計(jì)參數(shù)，如絲杠導(dǎo)程p、步進(jìn)電機(jī)步距角、加工線型及走刀長度、脈沖當(dāng)量

8、p、電機(jī)和折算到電機(jī)軸上等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Jm+Je）、空載啟動(dòng)時(shí)間t、最大進(jìn)給速度Vmax、大小拖板質(zhì) Md、Mx）、主切削力Fz、吃刀抗力Fy、走刀抗力Fx等參數(shù)；要求如選擇電機(jī)型號、制作接口電路、編制程序，使其能進(jìn)行兩方向伺服驅(qū)動(dòng)加工出所需要的零件等。3、設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作量：如課程設(shè)計(jì)內(nèi)容要求“根據(jù)給定的任務(wù)參數(shù)，計(jì)算齒輪箱傳動(dòng)比，選擇驅(qū)動(dòng)中使用的步進(jìn)電機(jī)，使用AUTOCAD繪制數(shù)控系統(tǒng)傳動(dòng)圖形；使用AUTOCAD繪圖工具繪制微控制器接線圖?！?；綜合訓(xùn)練內(nèi)容要求“利用元?dú)饧谱魑⒖刂破骷捌浣涌诳刂齐娐?；編制和調(diào)試程序，加工出任務(wù)書中要求的零件類型；編制課程設(shè)計(jì)和綜合訓(xùn)練說明書?！痹O(shè)計(jì)具體任務(wù)

9、書由指導(dǎo)老師下達(dá)， 要求每個(gè)學(xué)生完成的內(nèi)容：(1)根據(jù)給定的脈沖當(dāng)量選擇傳動(dòng)比、電機(jī)后，設(shè)計(jì)并繪制伺服傳動(dòng)系統(tǒng)AutoCAD傳動(dòng)圖一張；（2）繪制微控制器電器接線圖一張；（3）利用自制數(shù)控加工平臺(tái)，編程插補(bǔ)加工出零件一個(gè)；（4）課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練說明書1份：60008000字。第2章 機(jī)電伺服傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及圖形繪制2.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇和齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)非常重要，是對一部機(jī)器的總體布局和全局的安排。總體設(shè)計(jì)是否合理將對后面幾步的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響，也將影響機(jī)器的尺寸大小、性能、功能和設(shè)計(jì)質(zhì)量。所以，在總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多花時(shí)間、考慮清楚，以減少返工現(xiàn)象。當(dāng)伺服系統(tǒng)的負(fù)載不大、精度要求不高時(shí)，

10、可采用開環(huán)控制。一般來講，開環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性不成問題，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮精度方面的要求，通過合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。2.1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，典型的開環(huán)控制位置伺服系統(tǒng)是簡易數(shù)控機(jī)床（本實(shí)驗(yàn)室自制數(shù)控平臺(tái)）及X-Y數(shù)控工作臺(tái)等，其結(jié)構(gòu)原理如圖2-1所示。各種開環(huán)伺服系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)原理上大同小異，其方案設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是在圖2-1的基礎(chǔ)上選擇和確定各構(gòu)成環(huán)節(jié)的具體實(shí)現(xiàn)方案。機(jī)械執(zhí)行機(jī)械傳動(dòng)X軸步進(jìn)電機(jī)X軸驅(qū)動(dòng)器PLC機(jī)械執(zhí)行機(jī)械傳動(dòng)Y軸步進(jìn)電機(jī)Y軸驅(qū)動(dòng)器圖2-1 開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖1、執(zhí)行元件的選擇 選擇執(zhí)行元件時(shí)應(yīng)綜合考慮負(fù)載能力、調(diào)速范圍、運(yùn)行精度、可

11、控性、可靠性及體積、成本等多方面要求。開環(huán)系統(tǒng)中可采用步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等作為執(zhí)行元件，其中步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最為廣泛，一般情況下優(yōu)先選用步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)其負(fù)載能力不夠時(shí)，再考慮選用電液脈沖馬達(dá)等。2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)以輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)則多為直線運(yùn)動(dòng)。用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有齒輪齒條和絲杠螺母等。前者可獲得較大的傳動(dòng)比和較高的傳動(dòng)效率，所能傳遞的力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳動(dòng)間隙而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后者因結(jié)構(gòu)簡單、制造容易而廣泛使用。在步進(jìn)電機(jī)與絲杠之間運(yùn)動(dòng)的傳遞有多種方式，可將步進(jìn)電機(jī)與絲杠通過聯(lián)軸器直接連接，其

12、優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可獲得較高的速度，但對步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力要求較高；還可以通過減速器連接絲杠，通過減速比的選擇配湊脈沖當(dāng)量、扭矩和慣量；當(dāng)電動(dòng)機(jī)與絲杠中心距較大時(shí)，可采用同步齒形帶傳動(dòng)。3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對象，是實(shí)現(xiàn)實(shí)際操作的機(jī)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)具體操作對象及其特點(diǎn)來選擇和設(shè)計(jì)。一般來講，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中都包含有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇主要是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇。4、控制系統(tǒng)方案的選擇控制系統(tǒng)方案的選擇包括微控制器、步進(jìn)電機(jī)控制方式、驅(qū)動(dòng)電路等的選擇。常用的微控制器有單片機(jī)、PLC、微機(jī)插卡、微機(jī)并行口、串行口和下位機(jī)等，其中單片機(jī)由于在體積、成本、可靠性和控制指令功能等許多方面的優(yōu)越

13、性，在伺服系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)控制方式有硬件環(huán)行分配器控制和軟件環(huán)行分配器控制之分，對多相電機(jī)還有X相單X拍、X相2×X拍、X相雙X拍和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等控制方式，如三相步進(jìn)電機(jī)有3相單3拍、3相6拍、3相雙3拍和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等控制方式，對于控制電路有單一電壓控制、高低壓控制、恒流斬波控制、細(xì)分控制等電路。5、本次課程設(shè)計(jì)和綜合訓(xùn)練方案的選擇對于我們這次的課程設(shè)計(jì)和綜合訓(xùn)練，各種選擇不一定與實(shí)際自制數(shù)控平臺(tái)完全一致，可以根據(jù)任務(wù)書中給定的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇。執(zhí)行元件選用功率步進(jìn)電機(jī)，但步進(jìn)電機(jī)的功率需要通過計(jì)算后選定電機(jī)的型號（其網(wǎng)址是：http：/www.step-）；傳動(dòng)方案選擇帶有

14、降速齒輪箱的絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，但在已知絲杠導(dǎo)程和步進(jìn)電機(jī)步距角的情況下，必須計(jì)算降速齒輪箱傳動(dòng)比、查詢絲杠的型號，以滿足脈沖當(dāng)量的要求；執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用拖板導(dǎo)軌；控制系統(tǒng)中微控制器采用PLC，步進(jìn)電機(jī)控制方式采用帶有硬件環(huán)行分配器的驅(qū)動(dòng)器，在共地的情況下，給該驅(qū)動(dòng)器提供一路進(jìn)給脈沖、另一路高（低）電平方向控制電位即可。2.1.2 傳動(dòng)比計(jì)算和步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將脈沖信號變換成角位線（或線位移）的電磁裝置，步進(jìn)電機(jī)的角位移量和角速度分別與指令脈沖的數(shù)量和頻率成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，而且旋轉(zhuǎn)方向決定于脈沖電流的通電順序。因此只需控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電順序，便可控制

15、執(zhí)行部件位移、速度和運(yùn)動(dòng)方向。在無脈沖輸入時(shí)，在繞組電源激勵(lì)下機(jī)按其輸出扭矩的大小，可分為快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；按其勵(lì)磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相；按其工作原理可以分為永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。步進(jìn)伺服結(jié)構(gòu)簡單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動(dòng)速度越低。特別是步進(jìn)伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及舊設(shè)備改造。但近年發(fā)展起來PWM驅(qū)動(dòng)、微步驅(qū)動(dòng)、超微步驅(qū)動(dòng)和混合伺服技術(shù)，使得步進(jìn)伺服的性能提高到一個(gè)新的水平。1、減速器的傳動(dòng)比計(jì)算：i=P/360p其中：表示步進(jìn)電機(jī)步距角，兩個(gè)方向由任務(wù)書給出；：

16、表示絲杠的導(dǎo)程，兩個(gè)方向由任務(wù)書給出；：表示脈沖當(dāng)量，兩個(gè)方向由任務(wù)書給出。根據(jù)上述公式可以得出減速器傳動(dòng)比的大小。 X向： i1=p/（360p） =(0.75×3)/(360×0.005)=1.25Z向： i2=p/（360p） =(0.75×5)/(360×0.005)=2.08X方向脈沖個(gè)數(shù):n=Z方向脈沖個(gè)數(shù):n=2、步進(jìn)電機(jī)所需力矩計(jì)算：選擇步進(jìn)電機(jī)應(yīng)按照電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩T電機(jī)所需的最大轉(zhuǎn)矩Tmax 的原則，首先計(jì)算電機(jī)所需的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。作用在步進(jìn)電機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可按下面簡化公式計(jì)算：式中， 為啟動(dòng)加速引起的慣性力矩，為拖板重力和拖板上其

17、它力折算到電機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦力矩，為加工負(fù)載折算到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩，為因絲杠預(yù)緊引起的力折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩；為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為折算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為啟動(dòng)時(shí)的角加速度；由任務(wù)書中給出，由任務(wù)中的空載啟動(dòng)時(shí)間和最大進(jìn)給速度計(jì)算得到；：為絲杠導(dǎo)程，由任務(wù)書中給出；：為拖板重力和主切削力引起絲杠上的摩擦力， ，拖板重量由任務(wù)書中給出，注意：在計(jì)算縱向力時(shí)（選擇縱向電機(jī)），拖板重量為兩個(gè)拖板的重量之和，在計(jì)算橫向力（選擇橫向電機(jī)）時(shí)，為小拖板重量，鋼與鋼的摩擦系數(shù)可查資料，一般為0.050.2左右；：在選擇橫向電機(jī)時(shí)，為工作臺(tái)上的最大橫向載荷，通過給定吃刀抗力Fy得到；在選擇縱向電

18、機(jī)時(shí)，為工作臺(tái)上的最大縱向載荷，通過給定吃刀抗力Fx得到；：為絲杠螺母副的預(yù)緊力，設(shè)取的1/5 1/3 ；：為伺服進(jìn)給系統(tǒng)的總效率，取為0.8 ； ：為減速器傳動(dòng)比。Jm+Je=0.09N.m²啟動(dòng)時(shí) =Fu: 橫向力 Fu=(mg+Fz)×u =(200+1000)×0.1=120N 縱向力 Fu =(mg+Fz)×u =(600+200+1000)×0.1=180NFw: 橫向力 Fw=(mg+Fy)×u=(200+800)×0.1=100N 縱向力 Fw=(mg+Fx)×u=(600+500)×0.

19、1=110NFo: 橫向力 Fo= Fw*1/4= 25N 縱向力 Fo=Fw*1/4=32.5N 由下式可得： 橫向： 縱向： 一般啟動(dòng)時(shí)為空載，于是空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：=+代入上式計(jì)算可得： 在最大外載荷下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： =+代入上式計(jì)算可得： 計(jì)算出的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式，選擇電機(jī)時(shí)還需除以一系數(shù)，設(shè)為X相2×X拍驅(qū)動(dòng)方式，則總負(fù)載轉(zhuǎn)矩取為： Tx= max4.779/0.8;0.1421/(0.30.5) =5.999N.m Tz= max5.96/0.8;0.10779/(0.30.5) =5.96N.m3.由啟動(dòng)最大頻率，步距角選取電

20、動(dòng)機(jī)：根據(jù)求出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，和給定的步距角，上網(wǎng)查詢步進(jìn)電機(jī)型號。步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.75°，計(jì)算得出負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為5.999 N·m和5.96N·m查得靜轉(zhuǎn)矩為8.0N·m，步距角0.75°的步進(jìn)電機(jī)型號為110BYG260B-0602。由網(wǎng)上查得參數(shù)見下圖和表：表2-1 電機(jī)主要參數(shù)型號相數(shù)步距角（DEG）電壓(V)電流(A)靜轉(zhuǎn)矩（Nm）空載運(yùn)行頻率 (KHZ)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Kg.cm2)接線備注110BYG260B2/40.75°/1.5°120-310 6 8.0 15 9.7 1圖2-2 110BYG250B系列型步

21、進(jìn)電機(jī)外形尺寸由上圖可知，當(dāng)脈沖頻率在1001000次/秒時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩比較穩(wěn)定。 4.確定齒輪傳動(dòng)(圓柱直齒齒輪減速器)由于i<3,故采用一級圓柱齒輪減速器,聯(lián)軸器連接電機(jī)與減速器.假設(shè)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的總效率為0.8由機(jī)械設(shè)計(jì)表12-8,取1=0.99,2=0.98,3=0.97則絲杠傳動(dòng)的效率X向電機(jī)各軸輸入輸出轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 Td1=6N.mI軸輸入轉(zhuǎn)矩 TI=Td×1=6×0.99=5.94N.mII軸輸入轉(zhuǎn)矩 TII=TI×2×3×i1=5.94×0.98×0.97×1.25=7.058N.m

22、I軸輸出轉(zhuǎn)矩 TI'=5.94×0.98=5.82N.mII軸輸出轉(zhuǎn)矩 TII'=7.058×0.98=6.92N.mZ向電機(jī)各軸輸入輸出轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 Td2=5.96N.mI軸輸入轉(zhuǎn)矩 TI2=Td2×1=5.96×0.99=5.9N.mII軸輸入轉(zhuǎn)矩 TII2=TI2×2×3×i2=5.9×0.98×0.97×2.08=11.67N.mI軸輸出轉(zhuǎn)矩 TI2'= 5.9×0.98=5.782N.mII軸輸出轉(zhuǎn)矩 TII2'=11.67×

23、0.98=11.44N,m 表2-2各軸轉(zhuǎn)矩 軸號 X向Z向轉(zhuǎn)矩T（N.m）轉(zhuǎn)矩T（N.m）輸入輸出輸入輸出電動(dòng)機(jī)軸65.96I5.945.825.95.782II7.0586.9211.6711.44傳動(dòng)比i1.252.082.2圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算2.2.1 X向齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算1.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，8級精度材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr，硬度為280HBS； 大齒輪材料為45鋼，硬度為240HBS， 二者材料硬度差為40HBS。選小齒輪齒數(shù)Z1=28，傳動(dòng)比i=1.25，則大齒輪齒數(shù)Z2=35。2. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

24、由設(shè)計(jì)公式進(jìn)行試算，即(1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算值試選載荷系數(shù) Kt=1.3由前面計(jì)算可知小齒輪上的轉(zhuǎn)矩T1=5.94N.m=5940N.mm由表選取齒寬系數(shù)d=1.0由表查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa½由圖按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hliml=600Mpa， 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hlim2=550Mpa；由式計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) n=1.3×1600/360×60=350r/min Nl=60nljLh=60×350×(1×12×8×300×15)=9.07 N2=N1/i=9.

25、07×/1.25=7.256×由圖取接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1=0.90 KHN2=0.98計(jì)算疲勞許用應(yīng)力取失效率1%，安全系數(shù)S=1，由式得 H1= KHN1×Hliml/S=0.90×600/1=540Mpa H2= KHN2×Hlim2/S=0.98×550/1=522.5Mpa試算小齒輪分度圓直徑d1t,帶入式中較小的值 = =28.40mm2）計(jì)算圓周速度 3) 計(jì)算齒寬 b=d×d1t=1.0×28.40=28.40mm4) 計(jì)算齒寬與齒高之比 b/h 模數(shù) mt= d1t/Z1=28.40/28=1

26、.0143 mm齒高 h=2.25 mt=2.282mm b/h=28.40/2.282=12.45 5) 計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù) V=0.5 m/s，7級精度，由圖查得動(dòng)載系數(shù) Kv=1.12直齒輪 KH=KF=1由表查得使用系數(shù) KA=1由表用插補(bǔ)法查得7級精度小齒輪相對支承對稱布置時(shí)，KH=1.421由b/h=8.89 ，KH=1.421 查圖得 KF=1.32；故載荷系數(shù) K=KA×Kv×KH×KH=1×1.12×1×1.421=1.5926) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所計(jì)算得的分度圓直徑，由式得 7) 計(jì)算模數(shù) m=d1/Z1=30.

27、38/28=1.085 mm圓整后取2mm(3)按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 1.確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1）查小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限FE1=500MPa，大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限FE2=380MPa 2）取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85,KFN2=0.88 3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4 4）計(jì)算載荷系數(shù)K K=KA×Kv×KH×KH=1×1.12×1×1.32=1.478 5) 查取齒形系數(shù) YFa1=2.80 YFa2=2.30 6) 查取應(yīng)力校正系數(shù) Ysa1=1.55 Ysa2=1

28、.722 7) 計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較 大齒輪的數(shù)值大 2.設(shè)計(jì)計(jì)算 取 m=1mm (4)幾何尺寸計(jì)算 1）計(jì)算分度圓直徑 2）計(jì)算中心距 3）計(jì)算齒輪寬度 取B2=62mm B1=50mm2.2.2 Z向齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算（一級）1. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1)選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，7級精度2)材料選擇。由表選擇小齒輪材料為40Cr，硬度為280HBS； 大齒輪材料為45鋼，硬度為240HBS， 二者材料硬度差為40HBS。3)選小齒輪齒數(shù)Z1=25，傳動(dòng)比i=2.08，則大齒輪齒數(shù)Z2=522. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)公式(10-9a)進(jìn)行試算，即(1)確定

29、公式內(nèi)的各計(jì)算值1試選載荷系數(shù) Kt=1.3由前面計(jì)算可知小齒輪上的轉(zhuǎn)矩T1=5900 N.mm由表選取齒寬系數(shù)d=1.0由表查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa½由圖按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hliml=600Mpa， 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hlim2=550Mpa；由式計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) (n=1.3×1600/360×60=350r/min) Nl=60nljLh=60×350×(1×12×8×300×15)=9.07× N2=N1/i=9.07× /2.08

30、=4.36×由圖取接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1=0.90 KHN2=0.95計(jì)算疲勞許用應(yīng)力取失效率1%，安全系數(shù)S=1，由式（10-12）得 H1= KHN1×Hliml/S=0.90×600/1=540Mpa H2= KHN2×Hlim2/S=0.58×550/1=522.5Mpa(2)計(jì)算 試算小齒輪分度圓直徑d1t,帶入式中較小的值 2）計(jì)算圓周速度 3) 計(jì)算齒寬 4) 計(jì)算齒寬與齒高之比 b/h 模數(shù) 齒高 5) 計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù) V=0.49 m/s，7級精度，由圖查得動(dòng)載系數(shù) Kv=1.03直齒輪 KH=KF=1由表查得使用系數(shù)

31、KA=1由表用插補(bǔ)法查得7級精度小齒輪相對支承非對稱布置時(shí)，KH=1.421由b/h=8.89 ，KH=1.421 查圖得 KF=1.32；故載荷系數(shù) K=KA×Kv×KH×KH=1×1.03×1×1.421=1.4646) 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所計(jì)算得的分度圓直徑，由式得 7) 計(jì)算模數(shù) 取 模數(shù) m=2 mm (3)按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 1.確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1）查小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限FE1=500MPa； 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限FE2=380MPa 2）取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.85, KF

32、N2=0.88 3) 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4 4）計(jì)算載荷系數(shù)K 5) 查取齒形系數(shù) YFa1=2.80 YFa2=2.40 6) 查取應(yīng)力校正系數(shù) Ysa1=1.55 Ysa2=1.67 7) 計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較 大齒輪的數(shù)值大 2.設(shè)計(jì)計(jì)算 取 m=1mm (4)幾何尺寸計(jì)算 1)分度圓直徑 2)計(jì)算中心距 3)計(jì)算齒輪寬度 取B2=30mm B1=35m2.3 聯(lián)軸器選擇根據(jù)電機(jī)尺寸選擇聯(lián)軸器為彈性套柱銷聯(lián)軸器LT2，聯(lián)軸器尺寸如下表所示：表2-3聯(lián)軸器型號額定轉(zhuǎn)矩Tn（N.m）許用轉(zhuǎn)速n（r/min）軸孔直徑d/mm軸孔長度D/mmD2*/mmA/

33、mm轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kgm2質(zhì)量/kgLT216550016328030180.0011.64 2.4軸承選擇假定軸承的壽命(1) X軸方向： = =176.5N 試選擇角接觸球軸承7204C型軸承 d=20mm, D=47mm , B=14mmC=11.2KN ， 11.2KN 所以所選軸承符合要求 。（2）Z 軸方向：同上選擇角接觸球軸承7204C型軸承2.5 鍵的選擇（1）X軸方向: 1）高速軸：連軸器處：半圓鍵GB/T1099-1979, bhL=47.5192）低速軸：齒輪連接處：圓頭平鍵A型GB1096-79, bhL=8728（2）Z軸方向：1）高速軸：連軸器處：半圓鍵GB/T1099

34、-1979, bhL=47.5192）低速軸：齒輪連接處：圓頭平鍵A型GB1096-79, bhL=87282.6 齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)X方向：d1160mm，所以小齒輪做成實(shí)心的。雖然d2160mm，但是大齒輪與絲杠連接，因此不能做成實(shí)心的，應(yīng)根據(jù)絲杠來定。Z方向：同理：d1160mm，所以小齒輪做成實(shí)心的雖然d2160mm，但是大齒輪與絲杠連接，因此不能做成實(shí)心的，應(yīng)根據(jù)絲杠來定。2.7傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和圖形繪制圖2-2 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖由前面計(jì)算得到的傳動(dòng)比確定減速箱的傳動(dòng)級數(shù)，一般在3，且總轉(zhuǎn)動(dòng)量與電機(jī)軸上的主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比5時(shí)，考慮采用兩級傳動(dòng)減速箱，即,采用等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則,傳動(dòng)

35、比應(yīng)該“前小后大”，也就是的布置方式，最后確定各齒輪模數(shù)、齒數(shù)、厚度及電機(jī)軸和絲杠的連接，并使用AutoCAD軟件繪制傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝配三視圖，標(biāo)注尺寸和公差。第三章 機(jī)電伺服系統(tǒng)微控制器電器線路及程序設(shè)計(jì)3.1開環(huán)控制系統(tǒng)圖3-1為開環(huán)機(jī)電伺服系統(tǒng)微控制器信號流動(dòng)原理框圖。開環(huán)系統(tǒng)是最簡單的進(jìn)給系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。這種系統(tǒng)不需要對實(shí)際位移和速度進(jìn)行測量，更無需將所測得的實(shí)際位置和速度反饋到系統(tǒng)的輸入端，與輸入的指令位置和速度進(jìn)行比較，故稱之

36、為開環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度、齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的導(dǎo)程或節(jié)距精度以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特性。此類系統(tǒng)的位移精度較低，其定位精度一般可達(dá)±0.02 mm。如果采取螺距誤差補(bǔ)償和傳動(dòng)間隙補(bǔ)償?shù)却胧?，定位精度可提高?#177;0. 0l mm。此外，由于步進(jìn)電機(jī)性能的限制，開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給速度也受到限制，在脈沖當(dāng)量為0.0lmm時(shí)，一般不超過5mmin。開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較簡單，調(diào)試、維修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。在一般要求精度不太高的機(jī)床上曾得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)60年代，日本生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床幾乎全部采用功率步進(jìn)電機(jī)和電液脈沖馬達(dá)的開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)。20世

37、紀(jì)70年代初我國也曾仿造過這種開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，但是歐美等國卻很少采用開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)。進(jìn)入20世紀(jì)70年代中期，日本生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床也改用了直流或交流伺服電機(jī)的半閉環(huán)和閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)。3.2 三菱PLC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)表3-1 IO地址分配表輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)地址功能地址功能X0啟動(dòng)Y0M1脈沖X1停止Y1M2脈沖X2復(fù)位Y2M1方向X5搖柄X+Y3M2方向X6搖柄X-Y4M1使能X7搖柄Y+Y5M2使能X10搖柄Y+Y6啟動(dòng)指示X11緊停Y7停止指示X12Y10復(fù)位指示X13Y11X14X軸左限位Y12X15X軸右限位Y13X16Y軸前限位 Y14X17Y軸后限位Y15 X20圖3-1 PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)

38、電機(jī)接線圖與單片機(jī)要求相同，本電路應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)的插補(bǔ)進(jìn)給，和進(jìn)刀退刀的動(dòng)作，由于使用晶體管輸出使該快速發(fā)出脈沖的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)成為可能。電路接線如圖3-1所示，該驅(qū)動(dòng)裝置由PLC系統(tǒng)（包括：機(jī)價(jià)、電源、CPU、輸入模塊、輸出模塊等）、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)電源、步進(jìn)電機(jī)等組成。圖中所示是驅(qū)動(dòng)器中含有硬件環(huán)型分配器的驅(qū)動(dòng)方式，其中使用Y0(Y1)口線接PUL-，提供一定頻率的脈沖信號，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按與給定頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，改變脈沖信號的頻率便可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Y2(Y3)口線接DIR-，通過高低電平轉(zhuǎn)換改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向，如設(shè)Y2(Y3)高電平為正轉(zhuǎn)，則低電平為反轉(zhuǎn)；PUL+、

39、DIR+、ENA+、開關(guān)電源+24v都連接在一起，其余接線如圖3-1所示。接通電源后，PLC上的LED指示步進(jìn)電機(jī)得電情況，兩個(gè)輸入按鈕分別控制兩個(gè)方向的反轉(zhuǎn)后退，點(diǎn)擊輸入按鈕使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)后退，若需要兩個(gè)方向都能反轉(zhuǎn)后退和前進(jìn)進(jìn)給，需再加上兩個(gè)向前按鈕。3.3 PLC插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)概述PLC控制步進(jìn)電機(jī)程序的主要任務(wù)：（1）控制旋轉(zhuǎn)方向（2）按順序傳送控制脈沖（3）判斷步數(shù)是否走完。本課程設(shè)計(jì)和綜合訓(xùn)練可根據(jù)給定數(shù)控平臺(tái)X方向與Z方向的絲杠的導(dǎo)程Lx和Lz、步進(jìn)電機(jī)步距角x、z和脈沖當(dāng)量x、z，若要讓工作臺(tái)向前行進(jìn)amm，則步進(jìn)電機(jī)需要運(yùn)行a / x（z）的步數(shù)。本次設(shè)計(jì)由于指標(biāo)中有最大進(jìn)給速

40、度，設(shè)步進(jìn)電機(jī)步距角為0.9度，例如要求運(yùn)行角速度為30r/min, 即180度/秒（140步/秒），則運(yùn)行一步為7143us ，所以輸出高低電平脈沖后各延時(shí)3572us即可達(dá)到上述目的。步進(jìn)電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)的響應(yīng)頻率比較低（100250步/秒）,而電機(jī)啟動(dòng)后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作頻率又遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。所以必須采取啟動(dòng)時(shí)以低于響應(yīng)頻率的速度運(yùn)行，然后慢慢加速，加速到響應(yīng)頻率后，就以此速率恒速運(yùn)行。當(dāng)快到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，又使其慢慢減速，在低于響應(yīng)頻率的速率下運(yùn)行，直到走完規(guī)定的步數(shù)后停機(jī)。因此，在啟動(dòng)或停機(jī)的過程中，可以均勻減少或增加延時(shí)時(shí)間（此次設(shè)計(jì)的延時(shí)可采用軟件循環(huán)延時(shí)，也可以采用定時(shí)器延時(shí)）。3.3.1

41、逐點(diǎn)比較法順圓弧插補(bǔ)根據(jù)以前學(xué)過的知識(shí)可知，偏差計(jì)算是逐點(diǎn)比較法關(guān)鍵的一步，下面以第二象限圓弧為例導(dǎo)出偏差的計(jì)算公式。 如圖所示，假定順圓弧SR3的起點(diǎn)為S(XS,YS)，終點(diǎn)E的坐標(biāo)為（xe, ye）。當(dāng)動(dòng)點(diǎn)在圓弧上或在圓弧外側(cè)區(qū)域時(shí)， 應(yīng)+X方向進(jìn)給一步；圖3-2第三象限順圓弧插補(bǔ)當(dāng)動(dòng)點(diǎn)在圓弧內(nèi)側(cè)區(qū)域時(shí)，應(yīng)+Y方向進(jìn)給一步；當(dāng)時(shí)向（+y）軸進(jìn)給一部，則新的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)為：新動(dòng)點(diǎn)偏差函數(shù)為 當(dāng)時(shí)，向（-X）方向進(jìn)給一步，則新的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)為新的動(dòng)點(diǎn)偏差函數(shù)為圖3-3四個(gè)象限圓弧插補(bǔ)偏差計(jì)算與進(jìn)給方向 （1）SR1 NR2 （X軸反向）； SR1 NR4 （Y軸反向）； SR1 SR3 （X軸、Y軸同

42、時(shí)反向）； SR1、 NR2、 SR3和NR4這四種線型的偏差計(jì)算公式都相同。 NR1 SR2 （X軸反向）； SR1 SR4 （Y軸反向）； SR1 NR3 （X軸、Y軸同時(shí)反向）； NR1、 SR2、 NR3和SR4這四種線型的偏差計(jì)算公式也都相同。 （2） SR1 NR1 （ X、Y對調(diào)）； NR1 SR1 （ X、Y對調(diào)）； 可見，通過對調(diào)X、Y信號和改變進(jìn)給方向，各個(gè)象限不同走向的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)都可以通過進(jìn)行第一象限順圓弧的插補(bǔ)計(jì)算或第一象限逆圓弧的插補(bǔ)計(jì)算來完成。如圖所示，設(shè)要加工圓弧SE，圓弧的圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)，圓弧的起點(diǎn)S（XS,YS）、終點(diǎn)E（XE,YE）,圓弧半徑為R。令瞬時(shí)加工點(diǎn)為i（xi,yi）,它與圓心的距離為Ri。比較Ri和R，可以比較他們的平方值。Ri2=Xi2+yi2R2=x02+y02因此可得圓弧偏差判別式如下： Fi=Ri2-R2=xi2+yi2-R2 若Fi=0,表明加工點(diǎn)i在圓弧上；F