數(shù)控車床工作臺(tái)二維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、數(shù)控車床工作臺(tái)二維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 引言數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度提高生產(chǎn)效率。X-Y 數(shù)控工作臺(tái)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(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的X-Y 數(shù)控工作臺(tái)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在X、Y方向的直線

2、移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(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?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。2 設(shè)計(jì)任務(wù)題目：數(shù)控車床工作臺(tái)二維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(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：1. 立銑刀最大直徑的 d=15mm；2. 立銑刀齒數(shù) Z=3;3. 最大銑削寬度 ae =15mm;4. 最大背吃刀量 ap =8mm;5. 加工材料為碳素鋼活有色金屬。6. X、Y 方向的脈沖當(dāng)量 xy =0.01mm;7. X、Z 方向的定位精度均為 0.04mm;8. 重復(fù)定位精度為

3、0.02mm;9. 工作臺(tái)尺寸 250×250 ;10.X 坐標(biāo)行程 300mm;11.Y 坐標(biāo)行程 120mm;12.工作臺(tái)空載進(jìn)給最快移動(dòng)速度： V=V=1500mm/min;xmaxfzmaxf13.工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度 : Vxmax fVz max f400mm/ min ;3 總體方案確定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)數(shù)控車床X-Z 工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度不是很高，因此選用直線滑動(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)。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)需要通過絲

4、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0.01mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。3.1.3 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0.01mm，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1500mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(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。3.1.4 減速裝置的選用為了圓整脈沖當(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，需要設(shè)置減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。因此決定采

5、用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。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，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說還是偏高，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中不受切削負(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、 Z 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、Z 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)

6、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所示 :微接功執(zhí)機(jī)械機(jī)械口放行型傳動(dòng)執(zhí)行電電元機(jī)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)路路件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖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

7、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 500N4.2 銑削力的計(jì)算設(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：0.850.750.731.00.13(6-11)Fc 118ae f z da p nZ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ae15mm ，背吃刀量 ap =8mm ，每齒進(jìn)給量 f z0.1mm ，銑刀轉(zhuǎn)速 n=300r/min 。則由式（ 6-11 ）求的最大

8、銑削力：FC=118 x150.85 x 0.1 0.75 x 15-0.73 x 81.0 x 3000.13 x 3N=1463N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查得，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為： Ff1.1FC1607N , Fe 0.38FC 556N ，F(xiàn)fn 0.25FC366N 。圖 3-4a 為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力 Fz Fe556N ，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(tái)的縱向，則縱向銑削力Fx Ff1607N ，徑向銑削力為Fy Ffn 366N 。4.3 導(dǎo)軌

9、的計(jì)算由于使用的是雙矩形滑動(dòng)導(dǎo)軌，故不要求進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。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=1607N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=366N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直） Fz=556N.已知移動(dòng)部件總重量G=500N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，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)=0.04。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm=KFx+ (Fz+Fy+G)=1.11408+0.04( 556+366+500)N1827N4.4.2最大動(dòng)工作載荷 FQ的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)在承受最

10、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/10 6, 得絲杠壽命系數(shù) L0=72（單位為： 106r ）。查表，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：FQ3 L 0 fwfHFm9116N4.4.3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，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 G系列 2005-4 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20mm，導(dǎo)程為

11、 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11082N，大于 FQ，滿足要求。 表 3.1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名稱符號(hào)計(jì)算公式及結(jié)果名義直徑（中徑）D20mm螺距S5mm螺接觸角45°紋鋼球直徑d b3.175mm滾道螺紋滾道法面半徑R1.651mmE0.0449mm偏心距螺紋升角v4° 33螺桿外徑d2d 2 d0.2db 19.5mm螺名稱符號(hào)計(jì)算公式及結(jié)果桿螺桿內(nèi)徑d1d1d2e 2r16.79mm螺桿接觸直徑dzdzddb cos17.75mm螺母螺紋外徑D2D zd2e 2r23.212mm螺螺母內(nèi)徑D120.14mm母螺母凸緣外

12、徑D360mm螺母配合外徑D36mm螺母裝配總長(zhǎng)度L51mm4.4.4 選擇滾珠絲杠直徑時(shí)，還應(yīng)綜合考慮下列問題絲杠工作長(zhǎng)度 L，應(yīng)滿足控制中的行程要求。 L 應(yīng)為絲杠工作長(zhǎng)度：ll 1Hl 3l 4式中，l 1為控制系統(tǒng)中需要的行程（l3為滿mm），H 為螺母的安裝高度（ mm），足行程以外的余量，一般 l5 10 ， l 4 為由絲杠防護(hù)結(jié)構(gòu)確定的長(zhǎng)度（ mm），于是：橫向絲杠：lx30051280410mm縱向絲杠：ly12051280230mm(1) 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，螺桿的總長(zhǎng)度 l 總 應(yīng)為螺桿的工作長(zhǎng)度 L 加上結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。橫向：l 總401178579 mm縱向：l 總2211783

13、99 mm(2)絲杠的長(zhǎng)度還應(yīng)滿足剛度的要求，根據(jù)剛度要求確定絲杠的直徑d橫向：l 總579 / 2523.163440d縱向：l 總 d399 / 2515.963440即滿足 l 總d3440(3) 因此，滾珠絲杠直徑可以都選為 d=25mm4.4.5傳動(dòng)效率 的計(jì)算將公稱直徑 d0=20mm,導(dǎo)程 Ph =5mm,代入 =arctanPh/(d0) ，得絲杠螺旋升角 =4°33。將摩擦角 =10，代入 =tan /tan( +), 得傳動(dòng)效率=96.4%。4.4.6剛度的驗(yàn)算(1) X-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。絲杠的兩端各采用 - 對(duì)推力

14、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=2.1105Mpa;查表得滾珠直徑 Dw=3.175mm，絲杠底徑 d2=16.2mm,絲杠截面積 S= d2 /4=206.12m m2 。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 1 Fma/(ES) 1826 500/(2.1 105 206.12)mm=0.0211mm。.(2) 根據(jù)公式 Z( d0 / D W ) 3 ，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 31，代入公式 ZZ 圈數(shù) 列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 Z =60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸

15、向預(yù)緊力FYJFm /3=609N。則由式（ 3-27 ），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量20.0024mm。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2 =0.0012mm。(3) 將以上算出的1 和 2 代入 總12 ，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）總 =0.0212mm=21.2 m本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表知， 5 級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25m ，可見絲杠剛度足夠。4.4.7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。取支承系數(shù) fk =1；由絲杠底徑4/ 643380.88

16、4；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 取d =16.2mm求得截面慣性矩 Id2mm23（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。4.4.8支承方式及軸承的選擇經(jīng)過查閱相關(guān)資料，并結(jié)合本設(shè)計(jì)具體情況選擇“單推單推”支承方式通過查相關(guān)手冊(cè)，軸承選擇如下：表 1軸承參數(shù)軸承軸承公稱額定動(dòng)數(shù)結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)記名稱型號(hào)直徑載荷量推力d=17mm,T=12mm,滾動(dòng)軸承 51203GB/T 301199517KN球軸5120317mm4D=35mm承深溝d=17mm,B=12mm,

17、9.58.K球軸620317mm滾動(dòng)軸承 6203GB/T 276944D=40mmN承由上表可看出，軸承的額定動(dòng)載荷 Ca>C，所以所選軸承在給定的工作條件下的預(yù)期的壽命內(nèi)安全 。4.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)比已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量=0.01mm/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=0.72 °。根據(jù)式（ 3-12 ），算得減速比：i ( P ) /(360 ) =（0.725）/ （3600.01 ）=1h由此可見本機(jī)構(gòu)不必要選減速箱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

18、長(zhǎng) l=500mm，導(dǎo)程 Ph=5mm，材料密度=7.8510-5 kg/ cm2 ; 移動(dòng)部件總重力 G=500N傳動(dòng)比 i=1 算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：L R2b R2JSJZ22滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量· 2 拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=0.617kg cm ;·2初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為 為五相混合式，五相驅(qū)動(dòng)Jw=0.517kgcm;110BYG007- ,時(shí)的步距角為 0.72 °，從表查得該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm=11.5 kg·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：J eqJ m( J wJ s ) / i 212.

19、 434kg. 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 Teq1 ， Teq1 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 T0 。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，T0 相對(duì)于 Tamax 和 Tf 很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq1 =Tamax +Tf（6-13 ）根據(jù)式（ 4-9 ），考慮傳動(dòng)鏈的總效

20、率 ，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：2Jeqnm 1(6-14)Tamax =60ta其中：vmax=300r/min(6-15)nm360式中 Vmax 空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為3000mm/min；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.72 o ；脈沖當(dāng)量，本例=0.01mm/脈沖。設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至nm 所需時(shí)間 t0.3s，傳動(dòng)鏈總效率=0.75。則由式（ 6-14 ）求得：212.4344300Ta max100.1735N.m600.30.75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：Tf （ FZG） Ph0.0450050.02

21、16N.m2i20.751(6-16)式中導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.04Fz 垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0傳動(dòng)鏈效率，取0.75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：Teq1 =Tamax +Tf =0.197N m(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 Teq2Teq2 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T0 ， T0 相對(duì)于 Tf 和 Tt 很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq2 =Tt +

22、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t 由公式（ 4-14）計(jì)算。有：TTtFfPh16090.0051.73N.m220.751再由式（ 4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載(Fz556N) 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(FzG)Ph0.04 (556500)0 .0050.04557N.m220.751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：Teq2 =Tt +Tf =1.77N/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：Teqmax Teq1,Teq21.77N.m4.6.3步

23、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)Teq 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：Tj max 4Teq4 1.77N.m 7.08N.m（ 6-20 ）初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為110B007-，查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tj max =9.45N m?？梢?，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)書給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度Vmax f =400mm/min，脈沖當(dāng)量0.01mm/ pluse/

24、 脈沖，由式（ 4-16 ）求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 f max f 400 /(600.01) 667HZ 。從 90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax f6N m，大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq2 =1.775N 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(tái)最快空載移動(dòng)速度vmax =1500mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率f max1500/(600.01)2500HZ 。在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 Tmax =5.8N m，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1 =0.197N m，滿足要求。3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)

25、運(yùn)行頻率校核與快速空載移動(dòng)速度 vmax =1500mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為 f max 30000HZ 。查表知 110BYG007-電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá) 30000H z ，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Jeq12.434kg.cm2 ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)2子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm11.5kg.cm ，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fq1800H z 。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：fqfL1244Hz1Jeq / Jm說明：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1244Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻

26、時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有100 H z 。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 110BYG007-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0，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0.75360/480 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(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)

27、計(jì)選用的編碼器型號(hào)為：ZLK-A-120-05VO-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，每秒輸出 120 個(gè) A/B 脈沖，信號(hào)為電壓輸出。6 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖所示：從動(dòng)工作臺(tái)齒輪伺服電動(dòng)機(jī)主動(dòng)滾珠絲齒輪杠進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖7 工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能：（1） 接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示（2） 接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；（3） 接受車床限位開關(guān)信號(hào)；（4） 接受電動(dòng)卡盤夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)；（5） 控制 X， Z 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；（6） 控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)

28、與停止；（7） 控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級(jí)變速；（8） 控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無(wú)級(jí)變速；（9） 控制切削液泵啟動(dòng) / 停止；（10）控制電動(dòng)卡盤的夾緊與松開；（11）控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀；（12）與 PC機(jī)的串行通信。X-Y 數(shù)控工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)CPU選用 ATMEL公司的 8 位單片機(jī) AT89S52，由于 AT89S52本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片EPROM芯片 W27C512用做程序存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片SRAM芯片 6264 用做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存放用戶程序；由于數(shù)控工作臺(tái)還需要

29、加入銑刀運(yùn)動(dòng)控制和程序輸入等指令，所以除設(shè)置了 XY 方向的控制指令鍵，操作開停鍵，急停鍵和復(fù)位鍵等外還采用8279來(lái)管理擴(kuò)展多種按鍵。 8279 是一種通用的可編程鍵盤顯示器接口芯片，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分提供掃描工作方式，可與64 個(gè)按鍵的矩陣鍵盤進(jìn)行連接，能對(duì)鍵盤實(shí)行不間斷的自動(dòng)掃描，自動(dòng)消除抖動(dòng)，自動(dòng)識(shí)別按鍵并給出鍵值。顯示部分包括一組數(shù)碼顯示管和七只發(fā)光二極管。與PC機(jī)的串行通信經(jīng)過MAX233，可以采用 PC機(jī)將編好的程序送入本系統(tǒng)?？刂撇竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要三個(gè)要素：方向轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。對(duì)于含有硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動(dòng)電源，方向取決于控制器送出的方向電頻的高低，轉(zhuǎn)角取

30、決于控制送出的步進(jìn)脈沖個(gè)數(shù)，而轉(zhuǎn)速則取決于控制器發(fā)出的步進(jìn)脈沖的頻率。在步進(jìn)電動(dòng)的控制中，方向和轉(zhuǎn)角控制簡(jiǎn)單，而轉(zhuǎn)速控制則比較復(fù)雜。由于步進(jìn)電動(dòng)的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖頻率的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度的調(diào)節(jié)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)頻的軟件延時(shí)和硬件定時(shí)。采用軟件延時(shí)法實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，程序簡(jiǎn)單，不占用其他硬件資源；缺點(diǎn)是控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，CPU不能做其他事。硬件定時(shí)要占用一個(gè)定時(shí)器。本設(shè)計(jì)沒有從硬件上布置，由于單片機(jī)功能強(qiáng)大，采用軟件延時(shí)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率低于它本身的起動(dòng)頻率時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以用運(yùn)行頻率直接起動(dòng)，并以該頻率連續(xù)運(yùn)行；需要停止的時(shí)候，可以從運(yùn)行頻

31、率直接降到零，無(wú)需升降頻控制。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率（為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有載起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)頻率）時(shí)，若直接用起動(dòng)，由于頻率太高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)失步，甚至?xí)G步，甚至停轉(zhuǎn)；同樣在 頻率下突然停止，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)超程。因此，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行頻率 下工作時(shí)，就需要采用升降頻控制，以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從起動(dòng)頻率開始，逐漸加速升到運(yùn)行頻率 ，然后進(jìn)入勻速運(yùn)行，停止前的降頻可以看作是升頻的逆過程。雖然本設(shè)計(jì)采用了半閉環(huán)控制，加入了增量式編碼器作為反饋信號(hào)，但是在編程過程中仍需設(shè)計(jì)升降頻的部分，以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、精確。根據(jù)需要，可編寫出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的程序。 AT89S52指令與 80C51指令完全兼容。控制系統(tǒng)原理

32、框圖如圖所示。復(fù)位電路并行晶振電路接口芯片芯片8255芯片6264隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)刀架電動(dòng)機(jī)卡盤電動(dòng)機(jī)主軸電動(dòng)機(jī)切削電動(dòng)機(jī)方刀架位信號(hào)限位開關(guān)信號(hào)單片機(jī)/ 轉(zhuǎn)換交流變頻器主軸電動(dòng)機(jī)芯片 0832鍵盤與顯示接口芯片8279螺紋光柵信號(hào)串行口芯片233操作面板開/按關(guān)鈕信號(hào)控制系統(tǒng)原理框圖8 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用設(shè)計(jì)中 X、 Y 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司。選擇與之匹配的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb型，輸入電壓為 1000VAC，相電流為 4A，分配方式為二相八拍。該驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線方式如圖所示。BD28Nb型驅(qū)動(dòng)電源接線圖9 設(shè)計(jì)感言本學(xué)期我們開設(shè)了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課程，是我們機(jī)械專業(yè)的專業(yè)必修課，與實(shí)際聯(lián)系是非常緊密的。學(xué)習(xí)任何知識(shí)，除了從理論上求知，還要去實(shí)踐、探索。所以這學(xué)期末的課程設(shè)計(jì)是很及時(shí)的、很必要的。這樣不僅加深我們對(duì)知識(shí)的掌握，知道了如何去應(yīng)用，真正的做到了學(xué)以致用。在實(shí)踐中我學(xué)會(huì)了進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的方案分析、比較、擬定；掌握了機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法；掌握了機(jī)電系統(tǒng)的部分工作原理；學(xué)會(huì)了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟和典型零件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和選型計(jì)算方法、提高了結(jié)構(gòu)分析能力和設(shè)計(jì)能力。通過對(duì)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，掌握了微機(jī)的選用、存儲(chǔ)器的選用與擴(kuò)展等。