X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

目錄1.引言：..........................................22.設(shè)計(jì)任務(wù)........................................2.........................3圖6-22X-Y數(shù)控工作臺(tái)外形..........................33.總體方案的確定..................................33.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇.................................................................................................33.1.1導(dǎo)軌副的選用..................................................................................................33.1.2絲杠螺母副的選用...........................................................................................33.1.3減速裝置的選用..............................................................................................33.1.4伺服電動(dòng)機(jī)的選用...........................................................................................43.1.5檢測(cè)裝置的選用..............................................................................................43.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)........................................................................................................43.3繪制總體方案圖........................................................................................................44.機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型.........................44.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算.......................................................................................54.2銑削力的計(jì)算............................................................................................................54.3直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（縱向）.....................................................................54.3.1塊承受工作載荷maxF的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取...............................................54.3.2距離額定壽命L的計(jì)算...................................................................................64.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型.................................................................................64.4.1最大工作載荷Fm的計(jì)算.................................................................................64.4.2最大動(dòng)工作載荷FQ的計(jì)算..............................................................................64.4.3初選型號(hào)........................................................................................................74.4.4傳動(dòng)效率η的計(jì)算..........................................................................................74.4.5剛度的驗(yàn)算.....................................................................................................74.4.6壓桿穩(wěn)定性校核..............................................................................................84.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用..........................................................................................84.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型..........................................................................................84.6.1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Jeq...................................................814.6.2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.............................................94.6.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定.......................................................................104.6.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核.................................................................................115.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用.........................126.繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖.........................127．控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)...........................128.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用.......................149.設(shè)計(jì)感想.......................................1510.參考文獻(xiàn)......................................162X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.引言：現(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。2.設(shè)計(jì)任務(wù)題目：X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供應(yīng)式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：立銑刀最大直徑的d=15mm；立銑刀齒數(shù)Z=3;最大銑削寬度ea=15mm;最大背吃刀量pa=7mm;加工材料為碳素鋼或有色金屬。X、Y方向的脈沖當(dāng)量xyδδ==0.005mm/脈沖;X、Z方向的定位精度均為01.0±m(xù)m;工作臺(tái)面尺寸為230mm230mm?，加工范圍為250mm250mm?;工作臺(tái)空載進(jìn)給最快移動(dòng)速度：maxmax3000mm/minxzVV==;工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度:maxmax400mm/minxfzfVV==;3圖6-22X-Y數(shù)控工作臺(tái)外形3.總體方案的確定3.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇3.1.1導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控車床工作臺(tái)用來(lái)配套立式數(shù)控銑床，需要承受的載荷不大，行程短，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度適中，因此選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有運(yùn)動(dòng)靈敏度高，牽引力小，移動(dòng)輕便；定位精度高，磨損小，無(wú)爬行現(xiàn)象，精度保持性好，潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維修方便。3.1.2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(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足0.004mm沖當(dāng)量和01.0±m(xù)m的定位精度，滑動(dòng)絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)：根據(jù)條件要求,選用內(nèi)循環(huán)的形式，內(nèi)循環(huán)的回路短,滾珠數(shù)目少,流暢性好,摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，且徑向尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，軸向剛度高,適用于各種高靈敏、高剛度的精密進(jìn)給定位系統(tǒng)。滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊：由于次立式工作臺(tái)有一定的定位精度要求，載荷不大，故選擇的調(diào)隙方式是墊片調(diào)隙式，這種調(diào)隙方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，但調(diào)整不方便。滾珠絲杠螺母副的支撐及軸端形式：由于絲杠為臥式安裝，工作臺(tái)行程不長(zhǎng)，其最快的移動(dòng)速度為maxymax3000mm/minxVV==，所需的轉(zhuǎn)速不高，且有一定的精度要求，故可以采用一端固定，一端游動(dòng)的支承形式。3.1.3減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(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)，選用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。43.1.4伺服電動(dòng)機(jī)的選用任務(wù)書(shū)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(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有因此3000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的私服電動(dòng)機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。以降低成本，提高性價(jià)比。3.1.5檢測(cè)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(kāi)環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不受切削負(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(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(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(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。3.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1）設(shè)計(jì)的X-Z工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控車床上，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)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。2）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務(wù)書(shū)給定的相關(guān)指標(biāo)。3）要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴(kuò)展程序存儲(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。3.3繪制總體方案圖總體方案圖如圖3.1所示。圖3.1總體方案圖4.機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型4.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來(lái)進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌座等,估計(jì)重量約為800N.4.2銑削力的計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，加工材料為碳素鋼或有色金屬及如下參數(shù)：設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，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：0.850.750.731.00.13cezp118afdanZF-=(6-11今選擇銑刀的直徑為d=15mm，齒數(shù)Z=3,為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度為ea15mm=，背吃刀量pa=7mm，每齒進(jìn)給量zf0.1mm=，銑刀轉(zhuǎn)速n300r/min=。則由式（6-11）求的最大銑削力：0.850.750.731.00.13c118150.11573003N1280NF-=??????≈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《金屬切削原理與刀進(jìn)給力：fcF1.1F1408N=≈背向力：ecF0.38F486N=≈垂直進(jìn)給力：fncF0.25F320N=≈任務(wù)書(shū)要求臥銑，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力zeFF486N==，受到水平方向的銑削力分別為fF和fnF。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力xfFF1408N==，徑向銑削力為yfnFF320N==。4.3直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（縱向）4.3.1塊承受工作載荷maxF的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)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(tái)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，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：maxGFF4=+(6-12其中，移動(dòng)部件重量Ｇ＝800N，外加載荷zF=F486N=，代入式（6-12），得最大工作載荷maxF=686N=0.686kN。查表3-41，根據(jù)工作載荷maxF=0.686kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG15型，其額定動(dòng)載荷aC7.94kN=，額定靜載荷0aC9.5kN=。任務(wù)書(shū)規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為230mm230mm?，加工范圍為250mm250mm?，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(zhǎng)度為520mm。4.3.2距離額定壽命L的計(jì)算上述所取的KL系列JSA-LG25系列導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過(guò)100C，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級(jí)，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)fH=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：L=KmFCfffffawrcth562550(3max≈?????遠(yuǎn)大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。4.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型4.4.1最大工作載荷Fm的計(jì)算如前頁(yè)所述，在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1408N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=320N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz=486N.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)軌上的摩擦系數(shù)μ=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：xFF(FFeqyZkuG=+++=[1.1?1408+0.005?(486+320+800]N≈1557N4.4.2最大動(dòng)工作載荷FQ的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=80r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得絲杠壽命系數(shù)L0=72（單位為：106r）。查表3-30，取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)fH=1.0,代入式（3-23），求得最大動(dòng)載荷：FQ=NFffLmHw777330≈4.4.3初選型號(hào)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2005-3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20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈*1系列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N，大于FQ，滿足要求。4.4.4傳動(dòng)效率η的計(jì)算將公稱直徑mmd200=,導(dǎo)程mmPh5=,代入(/(arctan0dPhπλ=，得絲杠螺旋升角'334o=λ。將摩擦角'10=?，代入tan(/tan?λλη+=,得傳動(dòng)效率%4.96=η。4.4.5剛度的驗(yàn)算(1X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式，見(jiàn)書(shū)后插頁(yè)圖6-23。絲杠的兩端各采用-對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距約為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1х105Mpa;查表3-31，得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm,絲杠截面積S=22dπ/4=206.12m2m。忽略式（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51/([1557500/(2.110206.12]mFaESδ==???mm=0.0180mm.。根據(jù)公式0(/3WZdDπ=-，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)?列數(shù)為3?1，代入公式Z∑=Z?圈數(shù)?列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z∑=60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力YJmFF=/3=519N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量20.0024δ≈mm。因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取2δ=0.0012mm。將以上算出的1δ和2δ代入12δδδ=+總，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）δ總=0.0192mm=19.2mμ本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表3-27知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25mμ，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。4.4.6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3-34，取支承系數(shù)kf=1；由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩42/64Idπ=≈3380.884mm；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=1557N，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。4.5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?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上盡可能的小，今在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪機(jī)減速，采用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。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。已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量δ=0.004mm/脈沖，滾珠絲杠的的導(dǎo)程Ph=5mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角α=0.75°。根據(jù)式（3-12），算得減速比：(/(360hiPαδ==（0.75?5）/（360?0.004）=25/10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調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)到55HRC。減速箱中心距為[（75+30）?1/2]mm=57mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。4.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型4.6.1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Jeq已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長(zhǎng)l=500mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度ρ=7.85?10-5kg/2cm;移動(dòng)部件總重力G=800N；小齒輪齒寬b1=20mm.，直徑d1=30mm，大小齒輪齒寬b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動(dòng)比i=25/10。如表4-1所示，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：22SLRJπρ=22ZRJπρ=b滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=0.617kg·cm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw=0.517kg·cm2;小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz1=0.125kg·cm2；大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz2=4.877kg·cm2。初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90YBG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)的步距角為0.75°，從表（4-5）查得該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=4kg·cm2。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：212(/eqmZZWSJJJJJJi=++++=5.087kg·cm24.6.2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分快速空載和承受最大負(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1eqT由式（4-8）可知，1eqT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maxaT；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fT；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0T。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，T相對(duì)于maxaT和fT很小，可以忽略不計(jì)。則有：1eqT=maxaT+fT（6-13）根據(jù)式（4-9），考慮傳動(dòng)鏈的總效率η，計(jì)算空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩：maxaT=2160eqmaJntπη?(6-14其中：max360mvnαδ==1562.5r/min(6-15式中maxV—空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書(shū)指定為3000mm/min；α—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.75；δ—脈沖當(dāng)量，本例δ=0.004mm/脈沖。設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至mn所需時(shí)間0.4ats=，傳動(dòng)鏈總效率0.7η=。則由式（6-14）求得：maxaT=425.087101562.50.297600.40.7Nmπ-???≈???由式（4-10）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：fT=(0.005(08000.0050.0018220.725/10zhFGPNmiμπηπ+?+?=≈???(6-16式中η——導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005zF——垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0η——傳動(dòng)鏈效率，取0.7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)載轉(zhuǎn)矩：1eqT=maxaT+fT=0.2988N?m(6-172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2eqT由式（4-13）可知，2eqT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fT；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0T，0T相對(duì)于fT和tT很小，可以忽略不計(jì)。則有：2eqT=tT+fT（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由公式（4-14）計(jì)算。有：14080.0050.64220.725/10fhtFPTNmiπηπ?==≈????再由式（4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載(556zFN=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：(0.005(4868000.0050.0029220.725/10zhfFGPTNmiμπηπ+?+?==≈???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：2eqT=tT+fT=0.643N/m（6-19）最后求得在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：12max{,}0.643eqeqeqTTTNm==?4.6.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(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)eqT來(lái)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)。取K=4,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：max440.6432.572jeqTTNm≥=?=?（6-20）初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90BYG2602，由表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩maxjT=6N?m?？梢?jiàn)，滿足要求。4.6.4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)的輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度maxfV=400mm/min，脈沖當(dāng)量0.004mmδ=/脈沖，由式（4-16）求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率max[400/(600.004]1667fzfH=?≈。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖4.1可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩maxfT≈5.6N?m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩2eqT=0.643N?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(shū)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度maxv=3000mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率max[3000/(600.004]12500fHZ=?=。由圖4.1查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩maxT=1.7N?m，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩1eqT=0.2988N?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maxv=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為max12500fHZ=。查表4-5可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000zH，可見(jiàn)沒(méi)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25.087eqJkgcm=?，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量24mJkgcm=?，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率1800qzfH=（查表4-5）。由式（4-17）可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為：1194.24LzffH==圖4.190BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線說(shuō)明：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1194.24zH。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100zH。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90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。5.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(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角00.75α=，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360/480α=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(hào)，可以送到四倍頻電路進(jìn)行電子四細(xì)分，因此，編碼器的分辨力可選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(guò)一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。此次設(shè)計(jì)選用的編碼器型號(hào)為：ZLK-A-120-05VO-10-H盤狀空