數(shù)控X-Y工作臺(tái)設(shè)計(jì)

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1、. 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題目：*-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 班級(jí)：11級(jí)機(jī)械2班 ：**q ** 指導(dǎo)教師： 日期：2014年6月30日 *-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 任務(wù)書(shū) 題目：*-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供立式數(shù)控銑床使用的*-Y數(shù)控工作臺(tái) 設(shè)計(jì)要求： 1、每6人一組數(shù)據(jù)，要求獨(dú)立完成。 2、圖紙要求：機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙2〔A2〕，控制原理圖一〔A1〕 3、設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)1份〔手寫(xiě)或電子版〕 第八組主要參數(shù)： 1. 立銑刀最大直徑的d=12mm； 2. 立銑刀齒數(shù)Z=2; 3. 最大銑削寬度=10mm; 4. 最大背吃刀量=

2、8mm; 5. 加工材料為碳鋼。 6. *、Y方向的脈沖當(dāng)量=0.01 mm/脈沖，=0.005mm/脈沖; 7. *、Z方向的定位精度均為mm; 8. 工作臺(tái)導(dǎo)軌長(zhǎng)度為900mm; 9.工作臺(tái)空載進(jìn)給最快移動(dòng)速度：v*=3000 mm/min ，vy=6000mm/min; 10.工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度:; 11.移動(dòng)部件總重量為960N； 12.絲杠有效行程為950mm； 目錄 1.引言：3 2.設(shè)計(jì)任務(wù)3 3.總體方案確實(shí)定4 3.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇4 導(dǎo)軌副的選用 絲杠螺母副的選用 減速裝置的選用 伺服電動(dòng)機(jī)的選用 檢測(cè)裝置的選用 3.2 控制

3、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4 3.3 繪制總體方案圖5 4.機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型5 4.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算5 4.2 銑削力的計(jì)算5 4.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型〔縱向〕6 4.3.1 塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 4.3.2 距離額定壽命L的計(jì)算 4.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型7 4.4.1 最大工作載荷Fm的計(jì)算 4.4.2 最大開(kāi)工作載荷FQ的計(jì)算 4.4.3 初選型號(hào) 4.4.4 傳動(dòng)效率η的計(jì)算 4.4.5 剛度的驗(yàn)算 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 4.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用8 4.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型8 4.6.1 計(jì)算加

4、在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq 4.6.2 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 4.6.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 4.6.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 5.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用12 6. 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖12 7．工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)12 8．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用14 9.致15 參考文獻(xiàn)15 1.引言： 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷開(kāi)展，極推動(dòng)了不同學(xué)科的穿插與滲透，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)的迅速開(kāi)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)構(gòu)造、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理

5、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〞為特征的開(kāi)展階段。 *-Y數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的根本部件，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*-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件外表貼裝設(shè)備等。 模塊化的*-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*、Y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)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門(mén)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

6、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*-Y工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供給式數(shù)控銑床使用的*-Y數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下： 9. 立銑刀最大直徑的d=12mm； 10. 立銑刀齒數(shù)Z=2; 11. 最大銑削寬度=10mm; 12. 最大背吃刀量=8mm; 13. 加工材料為碳鋼。 14. *、Y方向的脈沖當(dāng)量=0.01 mm/脈沖，=0.005mm/脈沖; 15. *、Z方向的定位精度均為mm; 16. 工作臺(tái)導(dǎo)軌長(zhǎng)度為900mm; 9.工作臺(tái)空載進(jìn)給最快移動(dòng)速度：v*=3000 mm/min ，vy=6000mm/min; 1

7、0.工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度:; 11.移動(dòng)部件總重量為960N； 12.絲杠有效行程為950mm； 3.總體方案確實(shí)定 3.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 3.1.1導(dǎo)軌副的選用 腰設(shè)計(jì)數(shù)控車床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動(dòng)效率高，構(gòu)造緊，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(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mm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到達(dá)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

8、可消除反向間隙。 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。 3.1.4伺服電動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書(shū)規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未到達(dá)0.001mm，定位精度也未到達(dá)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)。以降低本錢(qián)，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

9、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。 考慮到*、Y兩個(gè)方向的加工圍一樣，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計(jì)工作量，*、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)裝置擬采用一樣的型號(hào)與規(guī)格。 3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1〕設(shè)計(jì)的*-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)的根本功能，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-5

10、1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(pán)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〕選擇適宜的驅(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 總體方案圖如下圖： 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)展估算。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 設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立

11、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： (6-11) 今選擇銑刀的直徑為d=12mm，齒數(shù)Z=2,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ae=10mm，背吃刀量=8mm ，每齒進(jìn)給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式〔6-11〕求的最大銑削力： Fc=118×120.85×0.10.75×10-0.73×81.0×3000.13×2N≈1280N 采用立銑刀進(jìn)展圓柱銑削時(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：,，。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，受到水

12、平方向的銑削力分別為和。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，徑向銑削力為。 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*-Y工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承當(dāng)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： (6-12) 其中，移動(dòng)部件重量Ｇ＝800N，外加載荷，代入式〔6-12〕，得最大工作載荷=686N=0.686kN。 查表根據(jù)工作載荷=0.686k

13、N，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，額定靜載荷。 任務(wù)書(shū)規(guī)定加工圍為200×150㎜，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表選取導(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)C，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。分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度系數(shù)f=1.00，接觸系數(shù)f=0.81，精度系數(shù)f=0.9，載荷系數(shù)f=1.5，代入式〔3-33〕，得距離壽命： L= 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

14、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〕F*=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. 移動(dòng)部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)展計(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)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm=KF*+(Fz+Fy+G)=[1.11408+0.005(486+320+800)]N1557N 4.4.2 最大開(kāi)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

15、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，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= 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，選擇博特精細(xì)絲杠制造生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為循環(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

16、率η的計(jì)算 將公稱直徑d0=20mm,導(dǎo)程Ph=5mm,代入λ=arctan[Ph/(d0)]，得絲杠螺旋升角λ=4°33′。將摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動(dòng)效率η=96.4%。 4.4.5 剛度的驗(yàn)算 (1) *-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;查表得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm,絲杠截面積S=/4=206.12m。 忽略式〔3-25〕中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷Fm作用下

17、產(chǎn)生的拉/壓變形量mm=0.0180mm.。 (2) 根據(jù)公式，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Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力/3=519N。則由式〔3-27〕，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量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=0.0012mm。 (3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量〔對(duì)應(yīng)跨度500mm〕=0.0192mm=19.2 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315~400mm時(shí)，行程偏差允許到達(dá)25，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。

18、 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。取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩3380.88；壓桿穩(wěn)定平安系數(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，

19、滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其齒輪設(shè)計(jì)成雙片構(gòu)造。 工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量=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=0.75°。根據(jù)式〔3-12〕，算得減速比： =〔0.755〕/〔3600.004〕=25/10 本設(shè)計(jì)選用市新月電機(jī)生產(chǎn)的F-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，齒外表淬硬后到達(dá)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 ：滾珠絲杠的

20、公稱直徑d0=20mm，總長(zhǎng)l=500mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;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： 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=0.125 kg·cm2；大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz2=4.877 kg·cm2。 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90YBG2602,為兩相混合式，由寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)的步距

21、角為0.75°，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=4 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： =5.087 kg·cm2 4.6.2 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)展計(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)矩由式〔4-8〕可知，包括三局部;一局部是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一局部是移動(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；還有一局部是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式〔4-12〕可知，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： =+

22、 〔6-13〕 根據(jù)式〔4-9〕，考慮傳動(dòng)鏈的總效率，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： = (6-14) 其中： =1562.5r/min (6-15) 式中—空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書(shū)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0.75； —脈沖當(dāng)量，本例=0.004mm/脈沖。 設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至所需時(shí)間，傳動(dòng)鏈總效率。則由式〔6-14〕求得： = 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： = (6-1

23、6) 90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線 式中——導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005 ——垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0 ——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： =+=0.2988Nm (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 由式〔4-13〕可知，包括三局部：一局部是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一局部是移動(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；還有一局部是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有：

24、 =+ 〔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)矩由公式〔4-14〕計(jì)算。有： 再由式〔4-10〕計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載情況下，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： 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： =+=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： 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)來(lái)選擇步

25、進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮平安系數(shù)。取K=4, 則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 〔6-20〕 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90BYG2602，查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩=6Nm?？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=400mm/min，脈沖當(dāng)量/脈沖，由式〔4-16〕求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。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5.6Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.643Nm，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

26、工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度=3000mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率。在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=1.7Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.2988Nm，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=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為。查表知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000，可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。 4〕起動(dòng)頻率的計(jì)算 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，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。由式〔4-17〕可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克制慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為： 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。實(shí)際上

27、，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有100。 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，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)展電子四細(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

28、編碼器型號(hào)為：ZLK-A-120-05VO-10-H 盤(pán)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)示意圖如下圖。 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(shū)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(pán)數(shù)據(jù)，控制LED顯示 （2） 承受操作面板的開(kāi)關(guān)與按鈕信息； （3） 承受車床限位開(kāi)關(guān)信號(hào)； （4） 承受電動(dòng)卡盤(pán)夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)； （5） 控制*，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)與停頓； （7

29、） 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)/停頓； （10） 控制電動(dòng)卡盤(pán)的夾緊與松開(kāi)； （11） 控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀； （12） 與PC機(jī)的串行通信。 *-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)還需要參加銑

30、刀運(yùn)動(dòng)控制和程序輸入等指令，所以除設(shè)置了*﹑Y方向的控制指令鍵，操作開(kāi)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(pán)顯示器接口芯片，它能完成鍵盤(pán)輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤(pán)局部提供掃描工作方式，可與64個(gè)按鍵的矩陣鍵盤(pán)進(jìn)展連接，能對(duì)鍵盤(pán)實(shí)行不連續(xù)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。顯示局部包括一組數(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(guò)MA*233，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上下，轉(zhuǎn)角取決于控制送出的

31、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)速控制則比擬復(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(guò)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(méi)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；需要停頓的時(shí)候，可以從運(yùn)行頻率直接降到零，

32、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)，假設(shè)直接用 起動(dòng)，由于頻率太高，步進(jìn)電動(dòng)時(shí)機(jī)失步，甚至?xí)G步，甚至停轉(zhuǎn)；同樣在 頻率下突然停頓，步進(jìn)電動(dòng)時(shí)機(jī)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(kāi)場(chǎng)，逐漸加速升到運(yùn)行頻率 ，然后進(jìn)入勻速運(yùn)行，停頓前的降頻可以看作是升頻的逆過(guò)程。雖然本設(shè)計(jì)采用了半閉環(huán)控制，參加了增量式編碼器作為反應(yīng)信號(hào)，但是在編程過(guò)程中仍需設(shè)計(jì)升降頻的局部，以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、準(zhǔn)確。根據(jù)需要，可編寫(xiě)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)原理框圖如下

33、圖。 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*、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為寶馬集團(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下圖。 BD28Nb型驅(qū)動(dòng)電源接線圖 9.致 在此感幫助我的同學(xué)和教師，這次課程設(shè)計(jì)的完成，離不開(kāi)教師和同學(xué)的指導(dǎo)、幫助和鼓勵(lì)。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)學(xué)習(xí)了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的擬定有了一定的認(rèn)識(shí)，對(duì)傳動(dòng)元件和導(dǎo)向元件如滾珠絲杠螺母副等的工作原理，設(shè)計(jì)計(jì)算方案的工作原理，設(shè)計(jì)計(jì)算的選用原則，電動(dòng)機(jī)的工作原則，選擇控制驅(qū)動(dòng)方式都有了一定的認(rèn)識(shí)。在今后的學(xué)習(xí)生活中，這次課程設(shè)計(jì)的經(jīng)歷將起到重要幫助作用。 近兩年的學(xué)習(xí)就要告一段落，感那些愛(ài)我的人真誠(chéng)的陪伴…… 參考文獻(xiàn) 〔1〕"機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)" 志強(qiáng)等編著 :機(jī)械工業(yè) 〔2〕"機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)" 曾勵(lì)主編 :高等教育 . >