第五組設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)大 連學(xué) 院機(jī)械專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書院（系）：機(jī)電業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)專學(xué)生 譚婷珊（2013022313） 全明智（2013022119） 王琰超（2013022419） 教 師：龍 日 期：2016-12-16學(xué)生學(xué)生指導(dǎo)完成大連大學(xué)步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)書01.11.21.31.4設(shè)計(jì)目的0原始條件0設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求0具體要求02 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定12.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定12.2 伺服系統(tǒng)的選擇12.3系統(tǒng)的選擇12.4 X、Y 工作臺(tái)的傳動(dòng)方式13.伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)33.1 工作臺(tái)的外形及. 33.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇33.3

2、 滾珠絲杠的選擇43.4 齒輪的選擇和參數(shù)計(jì)算63.5 滾動(dòng)導(dǎo)軌的選擇63.6 軸承的選擇74. 伺服系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)84.1 伺服系統(tǒng)的通電方式84.2 硬件環(huán)形分配器84.3 三相六拍脈沖分配環(huán)分表95 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)105.1 恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路106 區(qū)域判別法軌跡方案設(shè)計(jì)106.1 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)106.2 四象限圓弧插補(bǔ)偏差計(jì)算116.3 圓弧插補(bǔ)運(yùn)算環(huán)分表127 設(shè)計(jì)總結(jié)及體會(huì)13參 考 文 獻(xiàn)130步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)1步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1 設(shè)計(jì)目的在數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)等課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化訓(xùn)練開環(huán)伺服系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路原理設(shè)計(jì)等。旨在深化數(shù)控技術(shù)及

3、其應(yīng)用方面的基本知識(shí)和技能的掌握。1.2 原始條件1.工作臺(tái)工作行程：100 * 100；2.空載啟動(dòng)；3.工作臺(tái)面應(yīng)為 T 型槽結(jié)構(gòu)；臺(tái)面200×200。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.步進(jìn)電的選擇；2.X、Y 兩軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖設(shè)計(jì)（采用滾珠絲杠、滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)）；（0#圖 1 張）3.兩軸聯(lián)動(dòng)裝置三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（提倡）4.三相六拍通電方式硬件環(huán)形分配器和恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源電路原理圖設(shè)計(jì)；（1#圖 1 張）5.區(qū)域判別法軌跡方案設(shè)計(jì)；6.設(shè)計(jì)說(shuō)明書。1.4 具體要求1.滾珠絲杠雙支撐；2.電、絲杠同軸連接結(jié)構(gòu)；3. 雙列帶預(yù)緊螺母結(jié)構(gòu)4. 四象限圓弧插補(bǔ)程序流程圖。0步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)

4、單元設(shè)計(jì)2 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定、伺服系統(tǒng)及通電方式方案的確定、系統(tǒng)的選擇、進(jìn)行方案的分析。2.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)方式。2.2 伺服系統(tǒng)的選擇開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī)。開環(huán)系統(tǒng)由于沒有檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用?？紤]到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，在此采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。2.3系統(tǒng)的選擇采用 MCS-51 系列中的

5、8031 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。MCS-51 單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價(jià)比高。系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O 接口及光電電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和命令通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。2.4 X、Y 工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。系統(tǒng)總體框圖 2.1 所示。1步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)Y 向工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)圖

6、2.1 系統(tǒng)總體框圖2環(huán)分器驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器環(huán)分器控制器X 向工作臺(tái)步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)3.伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖.dwg3.1 工作臺(tái)的外形及根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工作臺(tái)面應(yīng)為 T 型槽結(jié)構(gòu)，臺(tái)面為 200×200。依照 GB158-59，確定其基本參數(shù)如表 3.1 所示，T 行槽結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示。表 3.1T 型槽參數(shù)a/mmb/mmc/mmh/mm工作臺(tái)總厚度/mm101671125圖 3.1T 型槽形狀結(jié)構(gòu)3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇，其型號(hào)為 55BF004 。并初步選定其步距角為根據(jù)要求選擇反應(yīng)式步進(jìn)電1.5°。而電機(jī)的其他基本參數(shù)如表 3.2 所示。3步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)

7、單元設(shè)計(jì)表 3.2 電機(jī)的主要參數(shù)名稱參數(shù)型號(hào)相數(shù)步距角(°) 電壓/V 電流/A保持轉(zhuǎn)矩/(N·m) 空載起動(dòng)頻/(step/s)電機(jī)主軸直徑（d）55BF00431.52730.49（5）2200655×60三相六拍外形/mm分配方式3.3 滾珠絲杠的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇帶預(yù)緊管路式法蘭 A 型雙螺母。該滾珠絲杠的螺母結(jié)構(gòu)圖如圖3.2 和圖 3.3 所示。其型號(hào)為 GR102FDD-AAFR，其他基本參數(shù)如表 3.3 所示。圖 3.2 法蘭A 型4步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)圖 3.3 管路式雙螺母表 3.3 滾珠絲杠的主要參數(shù)名稱參數(shù)型號(hào)絲杠外徑（d/mm）

8、導(dǎo)程（L/mm）滾球直徑（Db/mm） 絲杠底徑(d1/mm)回路數(shù)(回路×圈數(shù)) 基本動(dòng)載荷（N） 基本靜載荷（N）剛度 N/m螺母外徑（D/mm） 螺母總長(zhǎng)（L/mm） 安裝孔（p/mm）設(shè)置螺釘GR102FDD-AAFR102.528.32.5×127042012246032M45步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)3.4 齒輪的選擇和參數(shù)計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，考慮到該伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)論是電機(jī)主軸還是絲杠都較小，故在此采用無(wú)鍵連接。已知步進(jìn)電機(jī)歩距角 =1.5°，脈沖當(dāng)量=0.01，絲杠導(dǎo)程 L=2.5。依據(jù)公式=× Z1 

9、5;LZ1 = 24ÞZ 2360°Z 225取齒輪模數(shù)m=1，依據(jù)齒輪各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算公式得其各項(xiàng)基本參數(shù)如表3.4 所示。表 3.4 齒輪的主要參數(shù)參數(shù)名稱主動(dòng)齒輪 Z1從動(dòng)齒輪 Z2齒數(shù)分度圓直徑（d/mm） 齒頂高（ha/mm） 齒根高（hf/mm）齒寬（s/mm）角（/°）242411.25220252511.252203.5 滾動(dòng)導(dǎo)軌的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該伺服系統(tǒng)為高精度無(wú)載荷機(jī)構(gòu)，因此選擇相對(duì)較小承載力的 FL型的滾動(dòng)導(dǎo)軌。該導(dǎo)軌的基本結(jié)構(gòu)如圖 3.4 所示。并選用 SBG15FL 型導(dǎo)軌，其基本參數(shù)如表 3.5 所示。表 3.5分欄表安裝滑塊B&#

10、215;JM×l高度EW2寬度（W）L1J1KT總長(zhǎng)（L）243164738×30M5×1138.84.4217.256.56步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)圖 3.4 滾動(dòng)導(dǎo)軌3.6 軸承的選擇依據(jù)設(shè)計(jì)要求，為滾珠絲杠雙支撐，又考慮到該伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊載荷較小，故每根絲杠均采用一對(duì)深溝球軸承作為支撐。軸承型號(hào)為 698CE，圖 3.5 為深溝球軸承的外形，圖 3.6 為其安裝。其中 d=8,D=19,B=6,da=10,Da=17。圖 3.5 深溝球軸承外形圖 3.6 深溝球軸承安裝7步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)4.伺服系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)4.1 伺服系統(tǒng)的通電方式根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該

11、系統(tǒng)的是 X、Y 兩軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，且均為三相六拍的通電方式，其脈沖分配器的分配狀態(tài)均為 A-AB-B-BC-C-CA-A，若此為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，那么有 A-AC-C-CB-B-BA-A 為反轉(zhuǎn)。4.2 硬件環(huán)形分配器硬件脈沖分配器可采用分立元件（如觸發(fā)器，門電路等）搭成，如圖 4.1 所示為 X 向電機(jī)一簡(jiǎn)單的三相六拍脈沖分配器的邏輯電路，但該脈沖分配器體積大，成本高，可靠性差。故在此均采用 YB 系列國(guó)產(chǎn) TTL 集成脈沖分配器 YB013,，且該伺服系統(tǒng)的脈沖分配 原理圖如圖 4.2 所示。圖 4.1 步進(jìn)電機(jī)的三相六拍硬件環(huán)形分配器原理圖8步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)圖 4.2 三相六拍原

12、理圖4.3 三相六拍脈沖分配環(huán)分表根據(jù)系統(tǒng)的方式， 及三相六拍硬件環(huán)形分配器的通電方式A-AB-B-BC-C-CA-A，可得環(huán)分表如表 4.1 所示。表 4.1 三相六拍脈沖分配環(huán)分表序號(hào)通電方式CBA狀態(tài)字1A00101H2AB01103H3B01002H4BC11006H5C10004H6CA10105H7A00101H9步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)5.1 恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路這種電路單一高壓電源供電，以加快電流上升速度，并通過(guò)對(duì)繞組電流的檢測(cè)，控制功放管的開和關(guān)，使電流在脈沖持續(xù)期間始終保持在規(guī)定值上下，其波形如圖 5.1所示。這種電路出力大，功耗小，效率高且應(yīng)用廣。圖 5.1

13、恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路波形6 區(qū)域判別法軌跡方案設(shè)計(jì)6.1 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)逐點(diǎn)比較法就是刀具或工件每走一步較，以決定下一步進(jìn)給的方向，使之逼近驟：系統(tǒng)都將點(diǎn)與給定的圖形軌跡相比軌跡。所以每走一步都需要以下四個(gè)步1） 偏差判別：Fi0 或 FiO，從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算方向進(jìn)給。2） 坐標(biāo)計(jì)算和進(jìn)給。1步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)3）偏差計(jì)算：進(jìn)給一步后計(jì)算新的偏差。4）終點(diǎn)判別：進(jìn)給一步后，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器，若為零，表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)，不為零則返回第一步繼續(xù)插補(bǔ)。圓弧插補(bǔ)計(jì)算流程如圖 6.1 所示。圖 6.1 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)流程6.2 四象限圓弧插補(bǔ)偏差計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用逐點(diǎn)比較

14、法在第四象限進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，選圓弧軌跡的形式為順時(shí)針方向。設(shè)圓弧起點(diǎn)為 A(5,0)，終點(diǎn)為 B(0，5)，圓弧半徑 R=5。那么依據(jù)圖 6.1 的流程，當(dāng) Fi0 時(shí)，x=-1； 當(dāng) FiO 時(shí)，y=-1。則該圓弧插補(bǔ)的示意圖如圖 6.2 所示。1步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)圖 6.3 圓弧插補(bǔ)示意圖6.3 圓弧插補(bǔ)運(yùn)算環(huán)分表完該圓弧，刀具沿 X、Y 軸應(yīng)走的總步數(shù)為å= |0-5|+|5-0|=10開始時(shí)刀具在起點(diǎn) A 處，即在圓弧上，F(xiàn)0=0。插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程見表 6.1 所示。表 6.1 四象限圓弧插補(bǔ)偏差計(jì)算序號(hào)偏差判別進(jìn)給新坐標(biāo)、新偏差計(jì)算終點(diǎn)判別12345678910F0=0 F

15、1=-9 F2=-8 F3=-5 F4=0 F5=-7 F6=0 F7=-5 F8=4F9=1x=-1x1=4,y1=0,F1=F0-2xe+1=-9i=0 i=1 i=2 i=3 i=4 i=5 i=6 i=7 i=8i=9y=-1x2=4,y2=-1,F2=F1-2y1+1=-8y=-1x3=4,y3=-2,F3=F2-2y2+1=-5y=-1x4=4,y4=-3,F4=F3-2y3+1=0x=-1x5=3,y5=-3,F5=F4-2x4+1=-7y=-1x6=3,y6=-4,F6=F5-2y4+1=0x=-1x7=2,y7=-4,F7=F6-2x6+1=-5y=-1x8=2,y8=-5,

16、F8=F7-2y7+1=4x=-1x9=1,y8=-5,F9=F8-2x8+1=1x=-1y9=-5,F10=F9-2x9+1=0系統(tǒng)電路圖.dwg1步進(jìn)電的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)7 設(shè)計(jì)總結(jié)及體會(huì)通過(guò)本次專業(yè)課程設(shè)計(jì)我們不僅鞏固了所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，鍛煉自析處理問題的能力，并將知識(shí)融入實(shí)物的操作與設(shè)計(jì)，也促使我們努力去與同學(xué)交流、討論、合作、學(xué)習(xí)。同時(shí)與了解到了了豐富的經(jīng)驗(yàn)。本次課程設(shè)計(jì)是步進(jìn)電世界的前沿技術(shù)，為今后我們?cè)跈C(jī)械行業(yè)的工作積累的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)，主要是在數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)等課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化訓(xùn)練開環(huán)伺服系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路原理設(shè)計(jì)等。旨在深化數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用方面的基本知識(shí)和技能的掌握。設(shè)計(jì)過(guò)程包括絲杠的計(jì)算、選擇，工作臺(tái)外形及重量初步估算，滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選擇，步進(jìn)電機(jī)的選擇，三相六拍通電方式的圖設(shè)計(jì)和恒流斬波驅(qū)動(dòng)電源電路原理圖設(shè)計(jì)。方案，X、Y 兩軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配世上無(wú)難事只怕有心人。有心幫助下，本次“步進(jìn)電的悉心指導(dǎo)、同組成員的積極努力和其他同學(xué)的熱的兩軸聯(lián)動(dòng)單元設(shè)計(jì)”終于大功告成。我們亦受益匪淺，不僅培養(yǎng)了認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，還讓我們明白何為團(tuán)隊(duì)精神。相信此次課程設(shè)計(jì)定能為我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。在今后的道路上我們要繼續(xù)保持這種認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，為我們的遠(yuǎn)大前程奮斗。參考 文 獻(xiàn)123456789李育錫.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).北京:高等教