機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)X

1、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 系：專 業(yè)：班 級：姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：目錄目錄 1前言 2第一章 課程設(shè)計(jì)的目的 3.第二章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 4.第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案確定 4.第四章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 6.第五章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 1.4第六章 結(jié)束語 1.8.參考文獻(xiàn) 1.8.、尸、 亠前言課程設(shè)計(jì)是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。 通過課程設(shè)計(jì)可以 初步樹立正確的設(shè)計(jì)思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學(xué)會(huì)運(yùn)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(shí)際能力， 并在教師的指導(dǎo)下， 系統(tǒng)地運(yùn)用 課程和選修課程的知識，獨(dú)立完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。一種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床

2、的控制系統(tǒng)， 包括機(jī)床伺服系統(tǒng)和對該伺服系統(tǒng)進(jìn)行控 制的PLC;其特征在于，還包括通過通信接口與PLC通信的觸摸屏，所述觸摸屏包括：數(shù)據(jù)輸入模塊，用于輸入、修改被控參數(shù)的參數(shù)值和操作指令，讀取 觸摸屏的操作界面;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)輸入、輸出數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)處理計(jì)算模 塊，用于對輸入、輸出參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算;包括輸入信號的編碼運(yùn)算;輸 出信號的解碼運(yùn)算; 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元， 用于存儲(chǔ)移位單元傳遞來的數(shù)據(jù); 數(shù)據(jù)檢測 單元，用于實(shí)時(shí)檢測坐標(biāo)軸的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)值，包括距離、速度值，以及控 制方式參數(shù)值; 數(shù)據(jù)比較單元， 用于將檢測單元檢測到的坐標(biāo)軸當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參 數(shù)值、控制方式參數(shù)值與觸摸屏存儲(chǔ)模塊

3、的設(shè)定值進(jìn)行比較;X-Y 數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。 步進(jìn)電機(jī)是一個(gè) 將脈沖信號轉(zhuǎn)移成角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。 其工作原理是： 每給一個(gè)脈 沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場; 由于步進(jìn)電機(jī)通的是三相交流電所 以輸入的脈沖數(shù)目及時(shí)間間隔不同， 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時(shí)間的長短也是不同 的。由于旋轉(zhuǎn)磁場對放入其中的通電導(dǎo)體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時(shí)具有力的作用， 從 實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動(dòng)迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)， 所以轉(zhuǎn)子才可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲 杠作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。本題目是步進(jìn)電機(jī)，微型計(jì)算機(jī)，插補(bǔ)原理，匯編語言的綜合 應(yīng)用，本題目設(shè)計(jì)得到了老師的幫助和支持， 最后在此表示感謝。 本

4、題目由共分 六章，第一章課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求;第二章課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，第三章課 程設(shè)計(jì)總體方案的確定; 第四章主要涉及了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì); 第五章主要涉及工作 臺機(jī)械裝配圖的繪制; 第六章主要涉及控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì); 最后是結(jié)束語和參考 文獻(xiàn)。因本人水平有限，錯(cuò)誤和不足之處在所難免，處理問題也有不妥之處，敬 請相關(guān)老師批評指正。第一章 課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求X-Y數(shù)控工作臺是許多機(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、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元 件表面貼裝設(shè)備等。因此，選擇 X-Y數(shù)控工作臺作為機(jī)電綜合課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容， 對于機(jī)電一體化專業(yè)

5、的教學(xué)具有普遍意義。模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作平臺、滾珠絲杠 螺母副以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。 其外觀形式如圖1所示。其中，伺服電動(dòng)機(jī) 作為執(zhí)行元件用來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌上 運(yùn)動(dòng)，完成工作臺在X、丫方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電 動(dòng)機(jī)等均已標(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。控制 系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)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)。圖1 X-Y數(shù)控工作臺外形機(jī)電一體化課程設(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，獨(dú)立進(jìn)行的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的與要求

6、：1、通過設(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怪 知識，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。2、通過對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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、通過對機(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)立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并樹立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想5、鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫科技論文的能力第二章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容設(shè)計(jì)任務(wù)題目：X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供立式數(shù)控銑床使用的 X-Y 數(shù)控工作臺， 主要參數(shù)如下：( 1)立銑刀最大直徑 d =15 mm

7、；( 2)立銑刀齒數(shù) Z=3；( 3)最大銑削寬度 ae=15 mm；( 4)最大銑削深度 ap=8 mm；(5) 加工材料為碳素鋼或有色金屬；(6) X、Y方向的脈沖當(dāng)量 S x = S y=0.005mm脈沖；(7) X、丫方向的定位精度均為土 0.01 mm；(8) 工作臺面尺寸為 230 mmK 230 mm加工范圍為300 mm< 200 mm( 9)工作臺空載最快移動(dòng)速度 vxmax =vymax =3000 mm/min； (10)工作臺進(jìn)給最快移動(dòng)速度 vxmaxf =vymaxf =1200 mm/min。第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定、總體方案的確定1 機(jī)械傳動(dòng)部件的

8、選擇（1）導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)的 X-Y 工作臺是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床， 需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、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)。（2）絲杠螺母副的選用 伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和 土0.01mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副 無能為力， 只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。 滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度高、 動(dòng)態(tài)響應(yīng) 快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。（3）減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈 沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸

9、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)。 為此本例決定采用無間隙齒輪傳動(dòng)減速 箱（4）伺服電動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到 0.001mm定位精 度也未達(dá)到微米級，空載最快移動(dòng)速度也只有 3000mm/min因此，本設(shè)計(jì)不必 采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)， 如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等， 可以選用性 能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性 /價(jià)比。（5）檢測裝置的選用 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開環(huán)控制 也可選閉環(huán)控制。 任務(wù)書所給的精度對于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏高的， 為了確保 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不受

10、切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制， 擬在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn) 速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配?？紤]到 X、Y 兩個(gè)方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減 少設(shè)計(jì)工作量， X、Y 兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī) 以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（ 1）設(shè)計(jì)的 X-Y 工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上， 其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位、 兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）對于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，選用 MCS-5 1系列的 8 位

11、單片機(jī) AT89C52 作為控制系統(tǒng)的CPU應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。（3）要設(shè)計(jì)一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU之后，還需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等。（4）選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用第四章機(jī)械部分設(shè)計(jì)4.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量任務(wù)書中所給定的脈沖當(dāng)量是0.005mm4.2.導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(dǎo)軌之上移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺、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800M4.3滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選擇設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金

12、立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表3-7查得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為：巳=118空齊；.7站.7富0n0.10Z（6-11）今選擇銑刀直徑d=15mm齒數(shù)Z=3,為了計(jì)算最大銑削力，在不對稱銑削情況下， 取最大銑削寬度 ae=15mm銑削深度 ap=8mm每齒進(jìn)給量fz=0.1mm,銑刀轉(zhuǎn)速300r/min。則由式（6-11）求得最大銑削力：Fc=1 18X 150.85 X 0.1 0.75 x 15-0.73 X 81.0 X 3000.13 X 3 N 1463 N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表3-5查得，結(jié)合圖3-4a，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：

13、Ff=1.1Fc 1609N,Fe =0.38 Fc556N, Ffn =0.25Fc366N圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力Fz= Fe=556N受到水平方向的銑削力分別為 Ff和Ffn。 今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力 Fx= Ff=1609N,徑向銑削力 Fy =Ffn = 366No圖3-4 銑削力的分析a ）圓柱形銑刀銑削力b ）面銑刀銑削力（1）、滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，

14、即垂直于臺 面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂向載荷為：Fmax =G/4+=（6-12）其中，移動(dòng)部件重量 J 800N外加載荷F=Fz=556N,代入（6-12）式得最大工作載荷Pc=756N=0.756kN查表3-41，根據(jù)工作載荷PC=0.756kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號為 KL系 列的JSA-LG15型，其額定動(dòng)載荷Ca=7.94 kN，額定靜載荷 C=9.5 kN。任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為 230mM 230mm加工范圍為 300mM2 00mm考 慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為520mm（2）、距離額定壽命的計(jì)算上述選取

15、的KL系列JSA-LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為HRC60工作溫度不超 過100C，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為 4級，工作速度較低，載荷不大。 查表3-36表3-40，分別取硬度系數(shù) 作=1.0，溫度系數(shù)fT=1.00，接觸系數(shù) fC=0.81，精度系數(shù)fR=0.9，載荷系數(shù)fW=1.5，代入式（3-33），得距離壽命：3L = ' fH 仃 fC fRx 50 6649 k m< f WPC 丿遠(yuǎn)大于期望值50km,故距離額定壽命滿足要求。4. 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型(1) 最大工作載荷Fm的計(jì)算承受最大銑削力時(shí)，工作臺受到進(jìn)給方向的載荷(與絲杠軸線平行)Fx=1609N

16、受到橫向的載荷(與絲杠軸線垂直)Fy=366N, 受到垂向的載荷(與工作臺面垂直)Fz= 556N已知移動(dòng)部件總重量G=800N按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表 3-29，取顛覆力 矩影響系數(shù)K=1.1 ,滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù) 卩=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工 作載荷Fm=KF + y (Fz+Fy+G) =1.1 X 1609+0.005 X (556+366+800)N 1779 N(2) 最大動(dòng)載荷Fq的計(jì)算設(shè)工作臺在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=1200mm/min初選絲杠導(dǎo)程Ph =5mm則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/ Ph = 240 r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000 h,

17、代入L°=60nT/106,得絲杠壽命系數(shù)L°=216 (單位為：106 r )。查表3-30，取載荷系數(shù)fW=1.2，滾道硬度為HRC60寸，取硬度系數(shù)=1.0, 代入式(3-23),求得最大動(dòng)載荷：Fq =；心fW fH Fm12808.8 N(3) 初選型號根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表3-31，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 G系列2506-4型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器 單螺母式，其公稱直徑為25mm導(dǎo)程為6mm循環(huán)滾珠為3圈X 1列，精度等級 取4級，額定動(dòng)載荷為15493 N,大于Fq,滿足要求。(4) 傳動(dòng)效率n的計(jì)算將公稱直徑do

18、=25mm導(dǎo)程Ph=6mm代入入=arctan Ph/( n do)，得絲杠螺 旋升角入=4.38 °。將摩擦角© =10',代入n =tan入/ tan (入+ ),得傳動(dòng)效 率 n =96.3%o(5) 剛度的驗(yàn)算1) X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式，見 書后圖6-23。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右 支承的中心距離約為a=500mm鋼的彈性模量 =2.1 X 105 Mpa查表3-32，得滾 珠直徑 d2=3.969mm 絲杠底徑=20.2 mm，絲杠截面積 S= n d22/4=320.47mni。忽

19、略式(3-25)中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變 形量 $ i=Fma/ （ES =1779X 500/ （ 2.1 X 105 X 320.47） m葉 0.0 067 mm2）根據(jù)公式Z= （ n d/ DW）-3,求得單圈滾珠數(shù)Z=20;該型號絲杠為單螺母， 滾珠的圈數(shù)X列數(shù)為 3X 1，代入公式：ZE =Z X圈數(shù)X列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 ZE =60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力 Fyj = Fm/3=593 N。則由（3-27）式，求得滾珠 與螺紋滾道間的接觸變形量 S仟0.002 4 mm因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1 /3 ，所以實(shí)際變形量可減小一半，取 S

20、 2=0.0012mm3）將以上算出的$1和$2 代入$總=$1+$2，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度 500mm S 總=0.0079mm=7.9卩 m由表3-27知,5級精度滾珠絲杠有效行程在 315400mm寸，行程偏差允許達(dá) 到25卩m可見絲桿剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式（3-28 ）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk。查表3-31，取支承系數(shù)fk=1； 由絲杠底徑d2=20.2 mm,求得截面慣性矩1= n d?4 /648172.88 mm ;壓桿穩(wěn) 定安全系數(shù)K取3 （絲杠臥式水平安裝）；滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離 a取最 大值500mm代入式（3-28 ），得臨界載荷Fk 2258

21、0N遠(yuǎn)大于工作載荷Fn=1779N 故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。5. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使 滾珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上盡可能地小， 今在步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與小齒輪 聯(lián)接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖 3-8 所示的彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。圖3-8雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整機(jī)構(gòu)1、2、6齒輪3 螺母4、5螺釘7 拉簧已知工作臺的脈沖當(dāng)量 S =0.005 mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程 Ph=6 mm初選 步進(jìn)電

22、動(dòng)機(jī)的步距角a =0.75。根據(jù)(3-12)式，算得減速比：i =( a Ph)/(360 S ) =(0.75 X 6)/(360 X 0.005)=5: 2本設(shè)計(jì)選用常州市新月電機(jī)有限公司生產(chǎn)的 JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪 模數(shù)均為1mm齒數(shù)比為75:30，材料為45號調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá) HRC55 減速箱中心距為(75+36) X 1/2 mm= 55.5 mm,小齒輪厚度為20mm雙片大齒 輪厚度均為10mm6. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型參見第四章第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容。(1)計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑 do=25mm 總長 I

23、=500mm 導(dǎo)程 Ph= 6mm 材料密度 p =7.85 X 10-3 kg/cm3;移動(dòng) 部件總重量 G=800N;小齒輪寬度b1 = 20mm直徑d1=36 mm大齒輪寬度b2=20mm 直徑b2 =75 mm 傳動(dòng)比i =5/2。參照表4-1，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下(具體計(jì)算過程從略)：滾珠 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS=0.617kg c vm拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jw=0.517 kg cm；小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jzi =0.259 kg c m大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jz2=4.877kg c吊。初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號為90BYG2602為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公司生 產(chǎn)，二相四拍驅(qū)

24、動(dòng)時(shí)步距角為0.75O，從表4-5查得該型號電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量Jm=4kg c m。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：Jeq Jm+ Jz1 +（ Jz2+2 2Jw+ J s）/ i=30.35kg/ cm2）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1）快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teql由式（4-8 ）可知，Teql包括三部分：一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 Tamax； 一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf ；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T。因

25、為滾珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)（有：4-12 ）式可知，To相對于Tamax和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則Teq1=Tamax+Tf（6-13）根據(jù)式（4-9），考慮傳動(dòng)鏈的總效率n，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：JeqnmiT a m ax :60ta n式中 nm其中:（6-14）-對應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min ；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至 nm轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。Vmax nm -360(6-15)式中nmax空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為3000mm/mina步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為S脈沖當(dāng)量，本例 S =0.005mm脈沖0

26、.75o ;將以上各值代入式（6-15），算得nm=1250r/min。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時(shí)間 2兀況30.35X0Ta maxta=0.4S，傳動(dòng)鏈總效率 1250&60 0.4 0.7n =0.7。則由式（6-14）求得:1.42(N - m)Tf叮Fz G)R2沙i(6-16)(N - m)由式（4-10）可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為:則由式(6-16)，得: Tf = °.°°5 5( ° * 巒臉0.0052兀 x0.7x25/12最后由式（6-13），求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載

27、轉(zhuǎn)矩：Teq1=Tamax+ Tf =1.422 N（6-17 ）2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2由式（4-13）可知,Teq2包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt ； 一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf ;還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T。，T0相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq2=Tt+Tf（6-18）其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt由（4-14）式計(jì)算。本例中在對滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷Fx=1609N，則有：TFfP?1609漢

28、0.005t _ 2兀耳 0.882兀疋 0.7工 25/12 （N，m再由式（4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（Fz=556N情況下，移動(dòng)部 件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：Tf（Fz G）Ph = O.005（556 迦）O.005 , 0.0042- i2- 0.7 25/12最后由式（6-18），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Teq2 = Tt + Tf = 0.884 N m（6-19）經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：Teq = ma> Teq1 ， Teq2 = 1.422 N 5（3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選

29、定考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵 轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K=4,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足:Tjmax > 4 X = 4 X 1.422 N m =5.688 N m (6 -20)上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號為 90BYG2602由表4-5查得該型號電動(dòng)機(jī)的最 大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax = 6 N m。可見，滿足（6-20）式的要求。（4）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)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺最快工進(jìn)速度Vmax=400mm/min脈沖當(dāng)量

30、S =0.005mm脈沖由（4-16）式求出電動(dòng)機(jī)對應(yīng)的運(yùn) 行頻率maxf =400/(60 X 0.005)Hz1333Hz.從90BYG260血?jiǎng)訖C(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖 6-24可以看出，在此頻率下， 電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf"5.6N m遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tmaxf=0.884N m 滿足要求。2） 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺最快空載移 動(dòng)速度vmax=3000mm/min仿照（4-16）式求出電動(dòng)機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率 f max=3000/（60X 0.005） Hz =10000H不 從圖6-24查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 Tmax =1

31、.8 N m大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1 = 1.422N m滿足要求。3） 最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核最快空載移動(dòng)速Vmax=3000mm/min 對應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率fmax=10000Hz查表4-5可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的極限運(yùn) 行頻率為20000Hz可見沒有超出上限。4） 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 Jeq=30.35 kg -c m 電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm =4 kg c m2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高起動(dòng)頻 率 fq=1800Hz.則由式（4-17）可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：上式說明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步， 任

32、何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于614Hz。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100Hz（即100脈沖/s ）綜上所述，本例中工作臺的進(jìn)給傳動(dòng)選用 90BYG260步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足 設(shè)計(jì)要求。/Hz7.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng) 與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角a =0.75o，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)，需要控制系統(tǒng)發(fā)出 360/ a =480個(gè)步進(jìn)脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)編 碼器輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進(jìn)行電子四細(xì)分（見第

33、四章第五 節(jié)相關(guān)內(nèi)容），因此，編碼器的分辨率可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn) 脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，編碼器對應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號。本例選擇編碼器的型號為：ZLK-A-120-05V0-10-H:盤狀空心型，孔徑10mm 與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓 +5V,每轉(zhuǎn)輸出120個(gè)A/B脈沖，信號為電 壓輸出，生產(chǎn)廠家為長春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。第五章系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以參考本章第一節(jié)的車床數(shù)控系統(tǒng)，但 在硬件電路上需要考慮步進(jìn)電動(dòng)機(jī) （編碼器）反饋信號的處理，在軟件上要實(shí)現(xiàn) 半閉環(huán)的控制算法。根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)主要考慮以下功能：（1）接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；（2）接受限位開關(guān)信號；（3）控制X，丫向步進(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 W27C5126264 芯片做為I/O和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。W27C51用做程序存儲(chǔ)器，存放監(jiān)控程