機電一體化課程設(shè)計X、Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計

1、機電一體化課程設(shè)計 X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計X方向的說明書 小組成員:王文樹、徐文院 系： 機械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 機械一班 姓 名： 王文樹 學(xué) 號： 11004020128 指導(dǎo)教師： 張曉宇 20目錄目錄1前言2第一章 課程設(shè)計的目的3第二章 課程設(shè)計內(nèi)容4第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案確定4第四章 機械傳動部件的計算、選型與設(shè)計6第五章 工作臺的進給控制系統(tǒng)設(shè)計14第六章 結(jié)束語18參考文獻18前言課程設(shè)計是機床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計可以初步樹立正確的設(shè)計思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學(xué)會運用手冊、標準、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問題

2、解決問題的實際能力，并在教師的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地運用課程和選修課程的知識，獨立完成規(guī)定的設(shè)計任務(wù)。一種經(jīng)濟型數(shù)控機床的控制系統(tǒng)，包括機床伺服系統(tǒng)和對該伺服系統(tǒng)進行控制的；其特征在于，還包括通過通信接口與通信的觸摸屏，所述觸摸屏包括：數(shù)據(jù)輸入模塊，用于輸入、修改被控參數(shù)的參數(shù)值和操作指令，讀取觸摸屏的操作界面；數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲輸入、輸出數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理計算模塊，用于對輸入、輸出參數(shù)數(shù)據(jù)進行處理、計算；包括輸入信號的編碼運算；輸出信號的解碼運算；數(shù)據(jù)存儲單元，用于存儲移位單元傳遞來的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)檢測單元，用于實時檢測坐標軸的當前運動狀態(tài)參數(shù)值，包括距離、速度值，以及控制方式參數(shù)值；數(shù)據(jù)比較單元，用于

3、將檢測單元檢測到的坐標軸當前運動狀態(tài)參數(shù)值、控制方式參數(shù)值與觸摸屏存儲模塊的設(shè)定值進行比較； X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計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)磁場對放入其中的通電導(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。本題目是步進電機，微型計算機，插補原理，匯編語言的綜合應(yīng)用，本題目設(shè)計得

4、到了老師的幫助和支持，最后在此表示感謝。本題目由共分六章，第一章課程設(shè)計的目的、意義及要求；第二章課程設(shè)計的內(nèi)容，第三章課程設(shè)計總體方案的確定；第四章主要涉及了機械系統(tǒng)設(shè)計；第五章主要涉及工作臺機械裝配圖的繪制；第六章主要涉及控制系統(tǒng)軟件設(shè)計；最后是結(jié)束語和參考文獻。因本人水平有限，錯誤和不足之處在所難免，處理問題也有不妥之處，敬請相關(guān)老師批評指正。第一章 課程設(shè)計的目的、意義及要求X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱-橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。因此，選擇X-Y數(shù)控工作臺作為機電綜合課程設(shè)計的內(nèi)容，對

5、于機電一體化專業(yè)的教學(xué)具有普遍意義。 模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作平臺、滾珠絲杠螺母副以及伺服電動機等部件構(gòu)成。其中，伺服電動機作為執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均已標準化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標準的工業(yè)控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。機電一體化課程設(shè)計是一個重要的時間性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合的運用所學(xué)的理論知識，獨立進行的設(shè)計訓(xùn)練，主要目的與要求：1、 通過設(shè)計，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握

6、數(shù)控機床的基本組成及其想怪知識，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。2、 通過對機械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握幾種典型傳動元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計計算及選用的方式3、 通過對機械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握常用伺服電機的工作原理、計算控制方法與控制驅(qū)動方式4、 培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并樹立“系統(tǒng)設(shè)計”的思想5、 鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊和標準、查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力第二章 課程設(shè)計的內(nèi)容 設(shè)計任務(wù)題目：X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一種供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：（1）立銑刀最大直徑d =15 mm；（2）立銑刀齒數(shù)Z=3；（3）最大銑削寬度ae=1

7、5 mm；（4）最大銑削深度ap=8 mm； （5）加工材料為碳素鋼；（6）X、Y方向的脈沖當量x =y=0.002mm/脈沖；（7）X、Y方向的定位精度均為±0.01 mm；（8）工作臺面尺寸為350 mm×350 mm， 加工范圍為450 mm×450 mm；（9）工作臺空載最快移動速度vxmax =vymax =2500mm/min；（10）工作臺進給最快移動速度vxmaxf =vymaxf =400 mm/min。第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定二、總體方案的確定 1機械傳動部件的選擇 （1）導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計的X-Y工作臺是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床，需

8、要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導(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)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。（2）絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，要滿足0.005mm的脈沖當量和 ±0.01mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達到。滾珠絲杠副的傳動精度高、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。（3）減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當量，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)。為

9、此本例決定采用無間隙齒輪傳動減速箱（4）伺服電動機的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有3000mm/min。因此，本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性/價比。（5）檢測裝置的選用 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)書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉(zhuǎn)過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速

10、。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進電動機的步距角相匹配。考慮到X、Y兩個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)計工作量，X、Y兩個坐標的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。2控制系統(tǒng)的設(shè)計 （1）設(shè)計的X-Y工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。（2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU，應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標。（3）要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴展程序存儲器、數(shù)

11、據(jù)存儲器、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)動電源，與步進電動機配套使用。第四章 機械部分設(shè)計4.1確定系統(tǒng)脈沖當量 任務(wù)書中所給定的脈沖當量是0.002mm4.2. 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算按照下導(dǎo)軌之上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。4.3 銑削力的計算設(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查得立銑時的銑削力計算公式為： （6-11）今選擇銑刀直徑d=15mm，齒數(shù)Z=3，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削

12、情況下，取最大銑削寬度ae=15mm，銑削深度ap=8mm，每齒進給量fz=0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速300r/min。則由式（6-11）求得最大銑削力： Fc=118×150.85×0.10.75×15-0.73×81.0×3000.13×3 N1463 N采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表3-5查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：Ff =1.1Fc1609N，F(xiàn)e =0.38Fc556N，F(xiàn)fn =0.25Fc366N 圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力Fz= Fe =556

13、N，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的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力Fx= Ff=1609N，徑向銑削力Fy =Ffn= 366N。4.4 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型（1）、滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂向載荷為：Fmax =G/4+F （6-12）其中，移動部件重量G800N，外加載荷F= Fz= 556N，代入（6-12）式得最大工作載荷PC=7

14、56N=0.756kN。查表3-41，根據(jù)工作載荷PC=0.756kN，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷Ca=7.94 kN，額定靜載荷C0a=9.5 kN。任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為350mm×350mm，加工范圍為450mm×450mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，按標準系列，選取導(dǎo)軌的長度為520mm。（2）、距離額定壽命的計算上述選取的KL系列JSA-LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為HRC60，工作溫度不超過100，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，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

15、.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： 6649 km遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。4.5 滾珠絲杠螺母副的計算與選型（1）最大工作載荷Fm的計算 承受最大銑削力時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1609N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy = 366N，受到垂向的載荷（與工作臺面垂直）Fz= 556N。已知移動部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載

16、荷Fm =KFx +（Fz+Fy+G）=1.1×1609+0.005×(556+366+800)N 1779 N（2）最大動載荷FQ的計算設(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Ph =5mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph = 80 r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000 h，代入L0=60nT/106，得絲杠壽命系數(shù)L0=72（單位為：106 r）。查表3-30，取載荷系數(shù)fW =1.2，滾道硬度為HRC60時，取硬度系數(shù)fH=1.0，代入式（3-23），求得最大動載荷： FQ 8881N（3）初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選

17、的絲杠導(dǎo)程，查表3-31，選擇濟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列，精度等級取5級，額定動載荷為9039 N，大于FQ，滿足要求。（4）傳動效率的計算 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(+),得傳動效率=96.4%。（5）剛度的驗算1）X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式，見書后圖6-23。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面

18、組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量 2.1×105 Mpa；查表3-32，得滾珠直徑 d2=3.175mm，絲杠底徑 =16.2 mm，絲杠截面積 S=d22/4=206.12mm2。忽略式（3-25）中的第二項，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）=1779×500/（2.1 ×105×206.12）mm 0.0205 mm。2）根據(jù)公式Z(d0/ Dw)-3,求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為3×1，代入公式：Z =Z×圈數(shù)×列數(shù)

19、，得滾珠總數(shù)量 Z =60。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力FYJ = Fm/3=593 N。則由（3-27）式，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2 0.0026mm。因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取2=0.0013mm。3）將以上算出的1和2代入總=1+2，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度500mm）總=0.0218mm=21.8m。由表3-27知,5級精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時，行程偏差允許達到25m，可見絲桿剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk。查表3-31，取支承系數(shù)fk=1；由絲杠底徑d2=16.2 mm，求

20、得截面慣性矩 I=d24 /64 3380.88 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a取最大值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷Fk 9343N，遠大于工作載荷Fm=1779N，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。4.6 步進電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當量的設(shè)計要求，增大步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進電動機的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯(lián)接。其中大齒輪設(shè)計成雙片結(jié)構(gòu)，采用彈簧錯齒法消

21、除側(cè)隙。已知工作臺的脈沖當量=0.002 mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph=6 mm，初選步進電動機的步距角=0.75°。根據(jù)（3-12）式，算得減速比： i=(Ph)/(360)=(0.75×6)/(360×0.002)=25:4 本設(shè)計選用常州市新月電機有限公司生產(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75:12，材料為45號調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達HRC55。減速箱中心距為 (75+12)×1/2 mm43.5 mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm4.7 步進電動機的計算與選型（1）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動

22、慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長l=500mm，導(dǎo)程Ph5mm，材料密度=7.85×10-3 kg/cm3；移動部件總重量G=800N;小齒輪寬度b120mm，直徑d1=12mm;大齒輪寬度b220mm，直徑b2 =75 mm；傳動比i =25/4。參照表4-1，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 JS=0.617kg·c m2拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Jw =0.507 kg·c m2；小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量JZ1 =0.0032 kg·c m2大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量JZ2=4.877kg·c m2。初

23、選步進電動機型號為110BYG3502，為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，二相四拍驅(qū)動時步距角為0.6º，從表4-5查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm =15kg·c m2。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： = Jm+ JZ1 +( JZ2+ Jw+ JS)/ i2 =15.16kg/ cm2 2）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。1）快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩Teq1由式（4-8）可知，Teq1包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Tamax；一部分是移動部件運

24、動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)（4-12）式可知，T0 相對于Tamax和Tf很小，可以忽略不計。則有：Teq1=Tamax+Tf （6-13）根據(jù)式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： （6-14）式中 nm 對應(yīng)空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min； ta 步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s。其中： （6-15）式中 nmax空載最快移動速度，任務(wù)書指定為2500mm/min； 步進電動機步距角，預(yù)選電動

25、機為0.6º； 脈沖當量，本例=0.002mm/脈沖。將以上各值代入式（6-15），算得nm=2083r/min。設(shè)步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時間ta=0.4s，傳動鏈總效率=0.7。則由式（6-14）求得： 1.18（N·m）由式（4-10）可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：（6-16）則由式（6-16），得： 0.0006（N·m）最后由式（6-13），求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩： Teq1=Tamax+ Tf =1.18N .m （6-17）2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 Teq2由式（4-1

26、3）可知，Teq2 包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩Tt ；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf ；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0，T0相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計。則有： Teq2=Tt+Tf （6-18）其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩Tt由（4-14）式計算。本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷Fx=1609N ，則有： 0.29（N·m）再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載（Fz=556N）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： =

27、 0.0012 （N·m）最后由式（6-18），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為： Teq2 = Tt + Tf = 0.02912 N·m （6-19）經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： Teq = maxTeq1 ，Teq2 = 1.18N.m（3） 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) 來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： Tjmax 4

28、5; = 4×1.18N·m =4.72 N·m (6-20) 上述初選的步進電動機型號為110BYG3502，由表4-5查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax = 16 N·m ?？梢?，滿足（6-20）式的要求。（4）步進電動機的性能校核1）最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進速度 vmaxf=400mm/min，脈沖當量=0.002mm/脈沖由（4-16）式求出電動機對應(yīng)的運行頻率 fmaxf =400/(60×0.002)Hz 3333Hz。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖6-24可以看出，在此頻率下，

29、電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf5.6N·m，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩Tmaxf=0.029N·m，滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度vmax =2500mm/min，仿照（4-16）式求出電動機對應(yīng)的運行頻率fmax =2500/（60×0.002）Hz =20833Hz。從圖6-24查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 Tmax =1.6 N·m，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩Teq1 = 1.18N·m，滿足要求。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速vmax =2500mm/min對應(yīng)的

30、電動機運行頻率fmax =20833Hz。查表4-5可知110BYG3502電動機的極限運行頻率為30000Hz，可見沒有超出上限。4）起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq=15.16kg·c m2 電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm =15 kg·c m2，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的最高起動頻率fq=1800Hz.則由式（4-17）可以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率： =1269Hz上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于1269Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。綜上所述，本

31、例中工作臺的進給傳動選用110BYG3502步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。4.8增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 本設(shè)計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率應(yīng)與步進電動機的步距角相匹配。由步進電動機的步距角=0.6º，可知電動機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/=600個步進脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分（見第四章第五節(jié)相關(guān)內(nèi)容），因此，編碼器的分辨率可選150線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器對應(yīng)輸出一個脈沖信號。本例選擇編

32、碼器的型號為：ZLK-A-150-05VO-10-H：盤狀空心型，孔徑10mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出，生產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。4.9步進電機驅(qū)動電源的選用 X向步進電機為110BYG3502型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團公司。查表4-14，選擇與之配套的驅(qū)動電源為BD3A型，輸入電壓為220VAC，相電流5A。第五章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：（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；（4） 控制X，Y伺服電動機的

33、驅(qū)動器；（5） 控制絲桿的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止；（6） 控制多速電動機，實現(xiàn)主軸有級變速；（7） 與PC機的串行通信。X-Y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。本設(shè)計CPU選用ATMEL公司的8位單片機AT89S52，由于AT89S52本身資源有限，所以擴展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；由于數(shù)控工作臺還需要加入銑刀運動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來管理擴展多種按

34、鍵。運動控制卡選用AMPCI9102型號 控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示?？刂瞥绦蚣捌涿姘宓脑O(shè)計運用VB軟件對運動控制卡進行編程，在PC機上實現(xiàn)軟件對工作臺的控制，達到預(yù)定的運動目的。下圖為PC機上控制面板的設(shè)計：Option ExplicitDim xe As Long, ye As Long, speed As DoubleDim lowspd_x As Double, lowspd_y As DoubleDim highspd_x As Double, highspd_y As DoubleDim Acc_xy As Double, maxspd_xy As DoubleDim glTotal

35、Axes As Long '當前計算機中軸數(shù)Dim glTotalCards As Long '當前計算機中卡數(shù)'*'該函數(shù)對板卡進行設(shè)置，可在窗體加載時調(diào)用Private Function SetBoard() As Integer Dim Rtn As Integer, i As Integer Rtn = auto_set() '對板卡進行自動設(shè)置 If Rtn <= 0 Then '若自動設(shè)置錯誤則返回0 SetBoard = -1 glTotalAxes = Rtn Exit Function End If glTotalAxes

36、 = Rtn Rtn = init_board If Rtn <= 0 Then SetBoard = -2 glTotalCards = Rtn Exit Function End If glTotalCards = Rtn For i = 1 To glTotalAxes '設(shè)置各軸的減速、限位、原點、報警信號為低電平有效 set_sd_logic i, 0 set_el_logic i, 0 set_org_logic i, 0 set_alm_logic i, 0 Next i SetBoard = 0End FunctionPrivate Sub cmdSuddenSt

37、op_Click() Dim i As Long, lMaxAxes As Long lMaxAxes = get_max_axe() For i = 1 To lMaxAxes sudden_stop i Next i sudden_stop_listEnd Sub'*'讀取用戶設(shè)置的運動參數(shù)Private Sub GetParam() lowspd_x = Val(txtlowspdx.Text) '低速 lowspd_y = Val(txtlowspdy.Text) highspd_x = Val(txthighspdx.Text) '高速 highspd

38、_y = Val(txthighspdy.Text) Acc_xy = Val(txtAccxy.Text) '加速度 maxspd_xy = Val(txtmaxspdxy.Text) xe = Val(txtxe.Text) '移動距離 ye = Val(txtye.Text) speed = Val(txtspeed.Text) If Chefxian_x.Value = 1 Then xe = -xe Else xe = xe End If If CheFxiang_y.Value = 1 Then ye = -ye Else ye = ye End If set_ma

39、xspeed 1, maxspd_xy set_maxspeed 2, maxspd_xy set_conspeed 1, lowspd_x '設(shè)置常速運動參數(shù) set_conspeed 2, lowspd_y set_profile 1, lowspd_x, highspd_x, Acc_xy '設(shè)置梯形速度運動參數(shù) set_profile 2, lowspd_y, highspd_y, Acc_xy set_vector_conspeed speed '設(shè)置矢量運動參數(shù) End SubPrivate Sub Command4_Click()GetParamopen_

40、listoutport_bit 1, 1, 0con_pmove 1, 1000arc_final 1, 2, -1, 2000, 0, 1000arc_final 1, 2, 1, 2000, 0, 1000arc_final 1, 2, -1, 2000, 0, 1000con_pmove 1, 1000arc_final 1, 2, -1, 866.02, 1500, 1000con_line2 1, -4000, 2, 6928.2arc_final 1, 2, -1, -1732, 0, 1000con_line2 1, -4000, 2, -6928.2arc_final 1, 2

41、, -1, 866.02, -1500, 1000outport_bit 1, 1, 1close_listEnd SubPrivate Sub Comreset_Click() reset_pos 1 reset_pos 2End SubPrivate Sub ComXCON_Click()GetParamcon_pmove 1, xeEnd SubPrivate Sub ComYCON_Click()GetParamcon_pmove 2, yeEnd SubPrivate Sub ComXFAST_Click()GetParamfast_pmove 1, xeEnd SubPrivate

42、 Sub ComYFAST_Click()GetParamfast_pmove 2, yeEnd SubPrivate Sub Command1_Click()GetParamopen_listoutport_bit 1, 1, 0con_pmove 1, xecon_pmove 2, yecon_line2 1, -xe, 2, -yeoutport_bit 1, 1, 1close_list End SubPrivate Sub Command2_Click()Dim n As Long, m As Integer, x_step As Long, y_step As LongGetParamn = Abs(xe) + Abs(ye)m = 0If xe >= 0 Thenx_step = 1Elsex_step = -1End IfIf ye >= 0 Theny_step = 1Elsey_step = -1End Ifopen_listoutport_bit 1, 1, 0Do While n > 0 If m >= 0 Then con_pmove 1, x_step m = m - Abs(ye) n = n - 1 Else con_pmove 2, y_step m = m + Abs(xe) n = n - 1 End I