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合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計 1 目錄 X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計3 X-Y NC Worktable Mechatronics System Design 4 第 1 章 緒 論 6 1.1 兩坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)課題研究意義6 1.2 兩坐標(biāo)系數(shù)控工作臺課題研究主要內(nèi)容 6 1.2.1 兩坐標(biāo)系系統(tǒng)的組成6 第 2 章 設(shè) 計 任 務(wù)7 2.1 機械系統(tǒng)設(shè)計7 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計7 第 3 章 設(shè) 計 總 方 案 的 確 定8 3.1、機械傳動部件的選擇8 3.1.1、絲杠螺母副的選擇8 3.1.2、導(dǎo)軌副的選用8 3.1.3、伺服電機的選用8 3.1.4、減速裝置的選用9 第 4 章 機 械 傳 動 部 件 的 計 算 和 選 擇9 4.1、導(dǎo)軌上移動部件的重量估算9 4.2、計算切削力 9 4.3、滾珠絲杠傳動設(shè)計計算及校驗10 4.3.1、最大工作載荷的計算11 4.3.2、最大計算動載荷的確定11 4.3.3 規(guī)格型號的初選11 4.3.4、傳動效率的計算12 4.3.5、剛度的驗算12 4.3.6、穩(wěn)定性的驗算13 4.3.7、臨界轉(zhuǎn)速的驗算13 4.3.8、滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定14 4.4、步進電機的傳動計算及電動機的選用14 4.4.1、傳動計算14 4.4.2、步進電動機的計算和選型15 4.4.3、步進電機軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M 的計算16 4.4.4、步進電機的初選17 XY 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 2 4.4.5、步進電機性能校核18 4.4.6、起動頻率的計算18 4.4.7、確定選型的步進電機的參數(shù)18 4.5、滾動導(dǎo)軌的設(shè)計計算 21 4.5.1、工作載荷的計算21 4.5.2、小時額定工作壽命的計算21 4.5.3、距離額定壽命計算21 4.5.4、額定動載荷計算21 4.5.5、產(chǎn)品選型22 4.5.6、安裝連接尺寸。22 第 5 章 其 余 附 件 的 選 擇23 5.1、聯(lián)軸器的選擇23 第 6 章、控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 24 6.1、驅(qū)動電路流程設(shè)計25 6.2、驅(qū)動電源的選用，及驅(qū)動電源與控制器的接線方式26 第 7 章控 制 系 統(tǒng) 的 部 分 軟 件 設(shè) 計27 7.1 存儲器與 I/O 芯片地址分配27 7.2、控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理程序 27 7.3、8255 芯片初始化子程序28 7.4、8279 芯片初始化子程序28 7.5、8279 控制 LED 顯示子程序 28 7.6、8279 管理鍵盤子程序30 7.7、INT1 中斷服務(wù)流程圖30 7.8、復(fù)位程序流程圖32 7.9、X 軸電機點動正轉(zhuǎn)程序流程圖33 7.10、繪制圖弧程序流程圖34 7.11、步進電機步進一步程序流程圖 35 第 8 章 結(jié) 論37 謝 辭 38 參 考 文 獻 39 附 錄 40 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計 3 X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 摘要： X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單。 實現(xiàn)方便而且能 夠保證一定的精度。它充分的利用了危機的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制;使機 床的加工范圍擴大,精度和可靠性進一步得到提高。X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)是利用 AT89S52 單片機,及 2764,6264 存儲器及 8255 芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上 編寫一定的程序以實現(xiàn)一定的加工功能。其基本思想是:通過圓弧或者直線插補程序 以實現(xiàn)對零件進行幾何加工,每進行一段加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動電機正反 轉(zhuǎn),同時通過8255將相應(yīng)的加工進刀信息送至刀架庫中以實現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機 和刀具的相對運動所以實現(xiàn)了刀具對工件的加工。該控制系統(tǒng)采用軟件中斷控制系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子程序結(jié)構(gòu)簡單，條件明確在經(jīng)濟型數(shù)控中應(yīng)用較多。中斷結(jié)構(gòu)采用模塊 化結(jié)構(gòu)設(shè)計因為這種結(jié)構(gòu)便于修改和擴充，編制較為方便，便于向多處理方向發(fā)展。 X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)采用步進電機作為驅(qū)動裝置。 步進電機是一個將脈沖信號轉(zhuǎn) 移成角位移的機電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個脈沖便在定子電路 中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場；由于步進電機通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目 及時間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時間的長短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場對 放入式中的通電導(dǎo)體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時具有力的作用，從實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動 迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，所以轉(zhuǎn)子才可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動絲杠作相應(yīng)的運動。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：X-YX-Y 數(shù)控工作臺；機電系統(tǒng)；微型計算機；數(shù)控工作臺；機電系統(tǒng)；微型計算機；62646264 存儲器存儲器 XY 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 4 X-Y NC Worktable Mechatronics System Design Abstract： CNC XY table is a mechanical and electrical systems open-loop control system, its structure is simple. Realization of convenience and can guarantee a certain accuracy. It full use of the software hardware crisis To achieve the functions of the machine control; to expand the scope of the processing machine tools, precision and reliability has been further improved. XY NC table is the use of mechanical and electrical systems SCM AT89S52, 2764,6264 and 8255 and memory chips and other hardware components , In the control system of hardware on the preparation of certain procedures in order to achieve a certain processing functions. The basic idea is: circular or linear interpolation procedures to achieve the geometry of the parts for processing, every section of the processing should have a certain impulse to Electric drives positive and, through 8255 corresponding to the processing of information sent to the turret into the knife in order to achieve the corresponding go to the knife, the electrical and tool to achieve the relative movement of the tool so the processing of the workpiece. The control system uses software interrupt control system structure and subroutine is simple, clear in the economic conditions in the application of NC more. Disruption of a modular structure because such a structure designed to facilitate revision and expansion, the establishment of more convenient, easy to handle and more direction. CNC XY table designed by mechanical and electrical systems as a stepping motor-driven devices. Stepper motor is a pulse will be transferred into angular displacement of the Electrical and Mechanical-DAC devices. Its working principle is: each to a pulse in the stator circuit will have a certain space in rotating magnetic field; because of the stepper motor is the three-phase AC-so enter the number of pulses and different time intervals, the rotation speed of the rotor and the length of rotation Are different. As the rotating magnetic field into which both the rotor cutting electricity conductor when a magnetic line of force, to achieve a rotating magnetic field from the 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計 5 force rotation for the corresponding rotor rotation, the rotor can achieve rotor lead screw for the corresponding movement. Keywords：X-Y NC Worktable; Mechatronics system; micro-computers; 6264 memory XY 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 6 第 1 章 緒 論 1.1 兩坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)課題研究意義 X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單.實現(xiàn)方便而且 能夠保證一定的精度.降低成本,是微機控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用.它充分的利用了 危機的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制;使機床的加工范圍擴大,精度和可靠性進 一步得到提高. 1.2 兩坐標(biāo)系數(shù)控工作臺課題研究主要內(nèi)容 X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是利用 AT89S52 單片機,及 2764,6264 存儲器及 8255 芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定的程序以實現(xiàn)一定的加工功能. 其基本思想是:通過圓弧或者直線插補程序以實現(xiàn)對零件進行幾何加工,每進行一段 加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn),同時通過 8255 將相應(yīng)的加工進刀信息 送至刀架庫中以實現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機和刀具的相對運動所以實現(xiàn)了刀具對工 件的加工。 1.2.1 兩坐標(biāo)系系統(tǒng)的組成 經(jīng)濟型數(shù)控機床驅(qū)動電機采用步進電機，多數(shù)采用開環(huán)控制，需要選擇和計算主 要機械傳動部件，如滾珠絲杠，螺母副和步進電機等，繪制機床進給傳動機構(gòu)裝配 圖，繪制單片機控制系統(tǒng)的硬件線路圖。 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計 7 第 2 章 設(shè) 計 任 務(wù) 題目：X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計一套供立式數(shù)控銑床使用的 X-Y 數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： 2.1 機械系統(tǒng)設(shè)計 1. 立銑刀最大直徑的 d=15mm，立銑刀齒數(shù) Z=3，最大銑削寬度 c a=15mm； 2. 最大背吃刀量 p a=8mm，加工材料為碳素鋼或有色金屬； 3. X、Z 方向的定位精度均為0.02mm； 4. 工作臺面尺寸為230mm230mm，加工范圍為250mm250mm； 5. 工作臺空載進給最快移動速度： maxmax 3000mm/ min xy VV，工作臺進給最 快移動速度: maxymax 400mm/ min xff VV，加減速 0.4s。 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 1. 設(shè)計的 X-Y 工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控制，兩 坐標(biāo)直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計成連續(xù)控制型。 2. 對于步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用 MCS-51 系列的 8 位單片機 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)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU 之后，還要擴展程序存儲器，I/O 接口電路，串行接口電路等。 4. 選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。 XY 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 8 第 3 章 設(shè) 計 總 方 案 的 確 定 3.1、機械傳動部件的選擇 3.1.1、絲杠螺母副的選擇 步進電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足初選 0.01mm 脈沖當(dāng)量，因為定位精度0.02mm，對于機械傳動要有一定的精度損失，大 約是 1/3-1/2 的定位精度，現(xiàn)取為 1/2，即是0.01mm 和0.02mm 的定位精度，滑 動絲杠副無法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、 動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 同時選用內(nèi)循環(huán)的形式，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸結(jié)構(gòu)緊 湊，軸向剛度高。 由于定位精度不高，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)簡單， 剛性好，裝卸方便。 由于工作臺最快的移動速度 maxymax 3000mm/min x VV， 所需的轉(zhuǎn)速不高， 故可以采用 一般的安裝方法，即一端固定，一端游動的軸承配置形式。 3.1.2、導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高， 因此選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊， 安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。 3.1.3、伺服電機的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計 9 給的精度對于步進電動機來說還是偏低，為了確保電動機在運動過程中不受切削負(fù) 載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務(wù)書初選的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到 0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有 3000mm/min,故本設(shè) 計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高 性價比。 3.1.4、減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運 動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)，如果要選用減 速裝置，則應(yīng)選用無間隙齒輪傳動減速箱。 第 4 章 機 械 傳 動 部 件 的 計 算 和 選 擇 4.1、導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、 上層電動機、 減速箱、 滾珠絲杠副、 直線滾動導(dǎo)軌副、 導(dǎo)軌座等， 估計重量約為 800N。 4.2、計算切削力 根據(jù)設(shè)計任務(wù)，加工材料為碳素鋼或有色金屬及如下參數(shù)： 立銑刀最大直徑的 d=15mm， 立銑刀齒數(shù) Z=3， 最大切削寬度 e a=15mm 最大背吃刀量 p a=8mm， XY 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 10 設(shè)零件的加工方式為立式加工，采用硬質(zhì)合金銑刀，工件材料為碳素鋼。由【5】 中 P13 頁的表中，可知 d=15mm 的硬質(zhì)合金立銑刀最大的切削參數(shù)如下： 每齒進給量 fz=0.1mm 銑刀轉(zhuǎn)速 n=300r/min 由【2】中 P200,查得立銑時切削力計算公式為： 0.850.750.731.00.10 cezp 118afdanZF 代如上式得： 0.850.750.731.00.10 c 118 150.11583003N1229NF 采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由【2】中查得，各銑削力 之間的比值范圍如下： f F / c F=(1.01.2)取 1.1 fn F/ c F=(0.20.3)取 0.25 e F/ c F=（0.350.4）取 0.38 考慮逆銑時的情況，因為逆銑的情況的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危 險的工況。由此可估算三個方向的銑削力分別為： fc F1.1F1356N ec F0.38F468N fnc F0.25F308N 考慮立銑， 則工作臺受到垂直方向的銑削力 z F， 受到水平方向的銑削力分別為 f F 和 fn F 今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向， 則縱向銑削力 x F， 徑向銑削力 為 y F。 xf FF1352N yfn FF307N ze FF467N 4.3、滾珠絲杠傳動設(shè)計計算及校驗 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計 11 4.3.1、最大工作載荷的計算 已知移動部件總重量 G=800N，按滾動導(dǎo)軌計算，由【3】中 P389，取顛覆力影響 系數(shù) K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)查【1】中 P162 可知 u=0.00250.005,現(xiàn)取 u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： x FF(FF) eqyZ kuG =1.11352+0.005(307+467+800) =1500N 4.3.2、最大計算動載荷的確定 設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度 v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程 P=5mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速 eq n=v/P=80r/min。 預(yù)計滾珠絲杠的工作五年,每天工作八小時，由此得使用壽命為 T=5360 8=14400h，根據(jù)【1】中 P162，公式 10-23 得： 6 60 10 eq n T T = 6 10N 式中: T使用壽命14400 h N循環(huán)次數(shù) eq n滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速80r/min 求得： 6 60 80 14400 10 T 72 （ 6 10 r） 查【1】中 P110，表 10-29、10-30 得，受中等沖擊載荷取值范圍1.21.5 d f ， 現(xiàn)取1.3 d f ，滾道硬度為 60HRC 時，硬度影響系數(shù)取值1.0 h f ，由【1】中 P109， 式 5-3 3 cdheq CT f f F 代入數(shù)據(jù)得： 3 69 1.3 1.0 1495 c C 8112N 4.3.3 規(guī)格型號的初選 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程， 查網(wǎng)上生產(chǎn)該型號的生產(chǎn)廠家的資 料，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 GDM 系列 2005-3 型滾珠絲杠副，為 內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為 20mm，導(dǎo)程為 5mm， 循環(huán)滾珠為 3 圈2 系列，精度等級取 5 級，額定動載荷為 9309N，大于最大計算動 載荷 c C=7971，滿足要求。 XY 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 12 4.3.4、傳動效率的計算 將公稱直徑 d0=20mm,導(dǎo)程 P=5mm,代入=arctanP/(d0)，得絲杠螺旋升角 =433。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動效率=96.4%。 4.3.5、剛度的驗算 X-Y 工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“一端固定，一端游動”的軸承配 置形式。由【1】中 P162 的 10-23 可知這種安裝適用于較高精度、中等載荷的絲杠， 一端采用深溝球軸承，一端采用一對背對背角接觸球軸承,這樣能承受集中力偶。 絲杠螺母的剛度的驗算可以用接觸量來校核。 1、 滾珠絲杠滾道間的接觸變形量， 查 【3】 中相關(guān)公式， 根據(jù)公式 0/W Zdd， 求得單圈滾珠數(shù) Z=20；該型號絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為 32，代入公式 ZZ圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z=120。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力 eq FyF/3=498N。查【3】中相關(guān)公式，得， 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 ： 33 1 0.0013/ wy Pad F z 式中鋼球直徑 w d=3.175mm 33 1 0.0013/ wy Pad F z = 33 0.0013 1495/3.175 498 1200.0014。 因為絲杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的 1/3，所以實際變形量可以減少一半，取 1 =0.0007mm。 2、絲杠在工作載荷 max F作用下的抗拉壓變形 2 絲杠采用的是一端采用深溝球軸承， 一端采用一對背對背角接觸球軸承的配置形 式，軸承的中心距 a=560mm,鋼的彈性模量 E=2.110 5MPa,由表一中可知，滾珠直徑 w d=3.175mm,絲杠底徑 2 d=16.2mm，則絲杠的截面積 S= 2 2 d / 4=206.12 2 mm,由【7】 中，式 3-35 2 F/ eqa ES 式中最大工作載荷Feq=1495N 中心距 a=560mm 彈性模量 E=2.110 5MPa 截面積 S= 2 2 d / 4=206.12 2 mm 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計 13 代入以上數(shù)據(jù)，得， 2 =0.019mm 3、則總變形量為： 12 0.00070.0190.019719.7mmum 總 本例中，絲杠的有效行程為 500mm，由【3】中知，5 級精度滾珠絲杠有效行程在 400500mm 時，行程偏差允許達(dá)到 30m，可見絲杠剛度足夠。 4.3.6、穩(wěn)定性的驗算 根據(jù)【3】中 式 5.7-17 2 2 EI L K k a f P 。 式中取支承系數(shù) k f=2； 由絲杠底徑 d2=16.2mm 求得截面慣性矩 4 2 /64Id3380.88 4 mm； 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 取 3（絲杠臥式水平安裝） ； 滾動螺母至軸向固定處的距離 L=a 取最大值 560mm。 代入公式，得 Pa=14896 N 大于 c C=7533N，故不會失穩(wěn)，滿足使用要求。 4.3.7、臨界轉(zhuǎn)速的驗算 對于絲杠有可能發(fā)生共振，需驗算其臨界轉(zhuǎn)速，不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為 臨界轉(zhuǎn)速 c n，由【2】中 P111 式 5-10 得： 2 22 c 2 f d n9910 Lc 式中 20w dd1.2D20-1.23.175=1mm c L為臨界轉(zhuǎn)速計算長度 c2 L16.2d 2 f為絲杠支承方式系數(shù) 2 f=3.927（一端固定，一端游動） 代入數(shù)據(jù)得： c n6100 / minr 臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會發(fā)生共振。 XY 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 14 4.3.8、滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定 由以上驗算可知，選用 GDM2005 型的絲杠，完全符合滿足所需要求，故確定選用 該型號， 由表一可知絲杠所需的安裝連接尺寸 表 4-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)（單位 mm） 絲杠滾道 名稱符號計算公式和結(jié)果 公稱直徑 0 d20 螺距P5 接觸角45 鋼球直徑 w d3.175 螺紋滾道法面半徑R0.521.651 w Rd 偏心距e0.0449e 螺紋升角 arc4 33 h w P tg d 絲桿 絲杠外徑 1 d19.3 絲杠底徑 2 d16.2 螺桿接觸直徑 z dcos17.75 zwb ddd 絲杠螺母螺母螺紋外徑D 0 2223.212DdeR 螺母內(nèi)徑（內(nèi)循環(huán)） 1 D20.14 4.4、步進電機的傳動計算及電動機的選用 4.4.1、傳動計算 因為該銑床的加工精度為0.02mm，考慮到機械傳動部分造成的精度損失，故選 用銑床的脈沖當(dāng)量為 0.01mm/Hz， 初選步進電動機的步距角=0.72。由【1】中 P121 式 5-18 得：傳動比 i= 360360 0.011 t0.72 5 i 由于傳動比為 1，則不需要選用減速箱，采用電動機軸與絲杠通過聯(lián)軸器聯(lián)接的 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計 15 方式。 4.4.2、步進電動機的計算和選型 1、步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算?？傓D(zhuǎn)動慣量 J 主要包括電動機轉(zhuǎn)子 的轉(zhuǎn)動慣量、滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量。 a、滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 J 。對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算 由 【1】中 P134 式 5-28 得： 412 0.7710JD L 式中 ： D為絲杠公稱直徑 D=20mm L為絲杠長度 L=560mm 代入數(shù)據(jù)，得： J=0.7720 4 56010 12 =6.910 5 kg. b、滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量。由【1】中式 5-29 得： 26 2 ()10 2 s JM 式中：M 為工作臺的（包括工件）的質(zhì)量： M= 800 9.8 G g =81.6kg S 為絲杠螺距 S=5mm 代入數(shù)據(jù)，得： 2652 2 5 ()81.6 105.2 10. 2 Jkg m c、初選常州寶馬前楊電機電器有限公司的 90YG5502 型混合式步進電動機，可知 其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 4 3 4 10 kg.J 所以： 123d JJJJ=6.910 5 +5.210 5 +410 4 =5.1610 4 Nm 驗算慣量匹配，電動機軸向慣量比值應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太 大也不應(yīng)太小，即伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性取決于負(fù)載特性。為使該系統(tǒng)慣量達(dá)到較合 理的配合，一般比值控制在 1/41 之間，由于 XY 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 16 4 3 4 4 10 0.78 5.16 10 d J J 由此可見: 3 1 1 4 d J J ,符合慣量匹配要求。 4.4.3、步進電機軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M 的計算 a、承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在不同工況下是不同的，考慮最大切削負(fù)載時電動 機所需力矩，由【1】中 P132 式 5-25 得： 10atft MMMMM 式中： r J為折算到電動機軸上的總慣量 r J= d J=5.1610 4 T系統(tǒng)時間常數(shù)，由任務(wù)書知為 T=0.4s t n切削時的轉(zhuǎn)速為 300r/min 9.6 r at J n M T ，得： 4 2 5.16 10300 4.03 10 9.6 0.4 at M Nm 3 0 10 2 f F S M i 式中： 0 F為導(dǎo)軌摩擦力 0 ()(469800) 0.0056.3 Z FFG uN S為絲杠螺距 S=5mm I為齒輪降速比，已計算出為 1 為傳動鏈總效率，=0.70.8，取 0.8 代入數(shù)據(jù)，得： 3 6.27 10 f M Nm 23 max 00 (1) 10 2 a FS M i 式中： maxa F為最大軸向載荷， max 503 3 eq a F FN 0 為滾珠絲杠未預(yù)緊時的效率， 0 =0.950.9 代入數(shù)據(jù)，得： 0 0.048M Nm 合肥工業(yè)大學(xué) 2010 年機電一體化自考本科畢業(yè)設(shè)計 17 3 10 2 t t FS M i 式中： t F進給方向的最大切削力1356 tx FFN 代入數(shù)據(jù)，得：1.34 t M Nm 由此都得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 10 1.46 atft MMMMMNm b、快速空載時電動機所需力矩 M。由【1】中 P132 式 5-24 得： max0af MMMM 加速力矩 max max 9.6 r a J n M T 式中： max max 3000 600 / min 5 h V nr P 代入數(shù)據(jù)，得： max 0.06 a MNm 力矩摩擦 3 0 10 2 f F S M i 式中：u 為導(dǎo)軌副的摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取 u=0.005 代入數(shù)據(jù)，得：0.0004 f MNm 附加摩擦力矩： 23 max 00 (1) 10 2 a FS M i 代入數(shù)據(jù)，得： 0 0.048M Nm 所以可知快速空載時點擊所需力矩： 2max0af MMMM =0.06+0.0004+0.048 =0.1084 Nm 比較 1 M和 2 M，取其較大者，就是最大等效負(fù)載，即：M= 1 M=1.46N.M 4.4.4、步進電機的初選 考慮到步進電機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)的影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其 輸入轉(zhuǎn)矩也會下降，可能會造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)，因此按最大等效負(fù)載 M 考慮一定 的安全系數(shù)，取=3，則步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： max 33 1.464.38 j TM Nm 由所選的電機型號參數(shù)可知，最大轉(zhuǎn)矩 max 5 j TNm，可知滿足要求。 XY 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 18 4.4.5、步進電機性能校核 a 、最快工進速度時電動機時輸出轉(zhuǎn)矩校核。任務(wù)書給定工作臺最快工進速 度 max f V=400mm/min，脈沖當(dāng)量0.01mm/脈沖，求出電動機對應(yīng)的運行頻率 max 400/(60 0.01)667 f fHz。從 90BYG5502 電動機的運行矩頻特性曲線圖可以