XY工作臺開題報告

1、 開題報告設(shè)計的目的通過本次設(shè)計，使我們?nèi)娴?、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機床的基本內(nèi)容和基本知識，初步掌握數(shù)控機床的設(shè)計方法，并學(xué)會運用手冊標準等技術(shù)資料。學(xué)校安排畢業(yè)設(shè)計這一環(huán)節(jié)，是檢驗同學(xué)們在大學(xué)三年所學(xué)的知識，是同學(xué)們知識結(jié)構(gòu)的概括和總結(jié)，同時培養(yǎng)我們學(xué)生的創(chuàng)新意識、工程意識和動手能力。設(shè)計任務(wù)、設(shè)計內(nèi)容設(shè)計一個數(shù)控XY工作臺，包括：機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和基本應(yīng)用程序設(shè)計。技術(shù)要求(1）該工作臺可安裝在銑床上，用于銑削加工；(2）設(shè)計參數(shù)設(shè)計分組17:最大銑刀直徑=18 mm最大銑削寬度ae=8 mm最大銑削深度ap=3 mm加工材料:碳鋼設(shè)計可沿X向和Y向數(shù)控運動工作臺數(shù)控運動驅(qū)動力源可以采

2、用步進電機或交流伺服電機驅(qū)動，但是所選電機必須與該電機生產(chǎn)廠所列技術(shù)數(shù)據(jù)一致工作臺尺寸400*250（X、Y）工作臺工作行程：300*150（X/Y）脈沖當量;X向0。01mm/脈沖0.01mm/脈沖X/Y向最高工作進給速度:300mm/minX/Y/向最高空載快速速度700mm/minX/Y/Z向切削負載為：2000/2000/1000N工作最大重量（包括夾具）為150KG工作壽命每天8小時，連續(xù)工作5年，250天/年進給機械系統(tǒng)均為采用滾動（珠）絲杠副和滾動（珠）導(dǎo)軌副所設(shè)計的工作臺應(yīng)結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計參數(shù)與上述要求符合設(shè)計裝配圖應(yīng)表達正確，完整。技術(shù)標注規(guī)范，全面獨立完成設(shè)計，同學(xué)之間設(shè)計結(jié)

3、構(gòu)不允許雷同，否則認定抄襲改進機床參數(shù):技術(shù)規(guī)格型號X52K主軸端面至工作臺面距離（mm）300主軸中心線至床身垂直導(dǎo)軌軌間距離（mm）350主軸孔錐度7：24主軸孔徑（mm）25刀桿直徑（mm）28軸轉(zhuǎn)速（r/min）301500主軸軸向移動量（mm）70工作臺T型槽 槽數(shù) 寬度 槽距3 18 70總體方案確定（1）系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)由于工件在移動的過程中沒有進行切削，故應(yīng)用點位控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標控制?？紤]到定位精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動X-Y工作臺。（2）控制系統(tǒng)本設(shè)計采用了與MCS-51系列兼容的AT89S51單片機控制系統(tǒng)。它的

4、主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，有較高的性價比?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤、LED、I/O接口、光電偶合電路、步進電機、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。LED顯示數(shù)控工作臺的狀態(tài)。（3）X-Y工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運動載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的矩形滾珠導(dǎo)軌。采用滾珠導(dǎo)軌可減少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動?？紤]電機步距角和絲桿導(dǎo)程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。本

5、設(shè)計結(jié)合機電一體化課程教學(xué)環(huán)節(jié)需要，設(shè)計用微型計算機作為控制系統(tǒng)的X-Y工作臺。通過論述X-Y工作臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制電路接口設(shè)計,闡述了機電一體化設(shè)計中的共性和關(guān)鍵技術(shù). 關(guān)鍵詞：XY工作臺；微型計算機；機電一體化設(shè)計 數(shù)控XY工作臺設(shè)計數(shù)控XY工作臺設(shè)計說明書1 機械部分設(shè)計1.1 功能與技術(shù)參數(shù)分析 設(shè)計的最初環(huán)節(jié)必須理解和分析設(shè)計任務(wù)所提出的主要功能和技術(shù)指標。本次設(shè)計數(shù)控X-Y工作臺，提高了車床的加工精度和自動化水平，滿足多品種小批量零件加工的功能需求，提高生產(chǎn)率。工作臺系統(tǒng)總體框圖如圖所示:1.2原理構(gòu)思和技術(shù)路線確定針對設(shè)計任務(wù)的主要功能和技術(shù)指標要求提出一下原理性構(gòu)思。本次設(shè)計

6、XY數(shù)控工作臺可安裝在銑床上，用于銑削加工，采用步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動的，使結(jié)構(gòu)簡單，成本降低，采用單片機為核心的控制器件的數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化。同時工件或夾具安裝采用T型槽平臺結(jié)構(gòu)方式，以保證加工精度平穩(wěn)。1.3 機電一體化機械系統(tǒng)應(yīng)具備良好的伺服性能（即高精度、快速響應(yīng)性和穩(wěn)定性好）從而要求本次設(shè)計傳動機構(gòu)滿足以下幾方面：1.3.1 轉(zhuǎn)動慣量小 在不影響機械系統(tǒng)剛度的前提下，傳動機構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)盡量減小。否則，轉(zhuǎn)動慣量大會對系統(tǒng)造成不良影響，機械負載增大；系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，靈敏度下降；系統(tǒng)固有頻率減小，容易產(chǎn)生諧振。所以在設(shè)計傳動機構(gòu)時應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)動慣量。1.3.2 剛度大 剛度

7、是使彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力。大剛度對機械系統(tǒng)而言是有利的：伺服系統(tǒng)動力損失隨之減小。機構(gòu)固有頻率高，超出機構(gòu)的頻帶寬度，使之不易產(chǎn)生共振。增加閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以在設(shè)計時應(yīng)選用大的剛度的機構(gòu)1.4 脈沖當量的確定根據(jù)機床和工作臺進給系統(tǒng)，并且考慮到機械傳動的誤差存在，脈沖當量值必須小于定位精度值。本次設(shè)計給定的脈沖當量為=0.01.1.5 傳動比的計算設(shè)i為總傳動比。傳動比的計算公式為：，其中，為步進電動機的步距角，為滾珠絲杠的導(dǎo)程，為系統(tǒng)的脈沖當量。本次設(shè)計i=1，這樣有利于提高效率與簡化結(jié)構(gòu)。由于=0.01mm，所以設(shè)計電動機的步距角= 0.9符合要求。所以 L = i/

8、=13600.01/0.9 =4mmi=1所以本次設(shè)計用聯(lián)軸器,而不用齒輪對傳動，電動機先預(yù)選75BYG4501。具體詳情請查看 http:/www.chang-1.6 初步確定工作臺的尺寸及重量根據(jù)老師給定的工作臺行程范圍參數(shù)和假定的工件最大尺寸為銑削時，我們加工要用夾具夾緊工件就必須每邊留出裝夾具的尺寸40，所以最后確定工作臺尺寸為，考慮到剛度和強度問題，同時也考慮到T型槽的高度問題，最后我選工作臺的厚度為H=42mm，查閱有關(guān)資料，我選灰鑄鐵HT200作為工作臺的設(shè)計材料，HT200特點：適用用于軸承受中等載荷的零件。而密度所以工作臺的體積為查（機械零件切削加工工藝與技術(shù)標準實用手冊主編

9、：馮道，機械出版社出版，第1053頁）得T型槽A=18mm .C=12mm.H=30mm.B=30mm.那取工作臺高度為h=12+30=42mm。；工作臺質(zhì)量為： 1.7工作載荷分析及計算1.7.1 銑刀型號的選擇 （查金屬切削手冊第二版表9-7、表9-14、表9-13第100頁） 表9-7 名稱主要參數(shù)粗齒錐柄立銑刀直徑D總長L切削部分長度莫氏錐度號數(shù)前角后角螺旋角齒數(shù)Z181204023表9-14加工材料：碳鋼 硬度HB：300-425銑削速度V高速鋼刀具：9-20本設(shè)計中取每齒進給量為0.2.通常假定銑削時銑刀受到的銑削力是作用在刀尖的某點上，設(shè)刀齒上受到切削力的合力為F，將F沿著銑刀軸

10、線、徑向和切向進行分解，則分別為軸向銑削力，徑向銑削力和切向銑削力。其中切向銑削力是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗銑床電機功率即銑削功率最多。銑削力可按（設(shè)計指導(dǎo)書表2-2、表2-3第10頁）銑刀銑削力為：表示每齒進給量（），即銑刀每轉(zhuǎn)一個齒間角時，工件與銑刀的相對一定量，每齒進給量每轉(zhuǎn)進給量和工作臺進給速度三者之間的關(guān)系為：，式中Z為銑刀齒數(shù)，n為銑刀轉(zhuǎn)速，由表9-14查得銑刀銑削速度為，再由公式得銑刀的轉(zhuǎn)速為：；工作臺進給速度.1.7.2 進給工作臺工作載荷計算作用在工作臺上的合力與銑刀刀齒上受到的銑削力的合力F大小相同方向相反。合力就是設(shè)計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷，它可以沿

11、著銑床工作臺運動分解為三個力：工作臺縱向進給方向載荷,工作臺橫向進給方向載荷和工作臺垂直進給方向載荷.工作臺工作載荷、和與銑刀的切向銑削力之間有一定的經(jīng)驗比值（見設(shè)計指導(dǎo)書表2-4第11頁）本設(shè)計采用不對稱銑削。分逆銑和順銑進行計算：逆銑中工作載荷：逆銑中工作臺載荷分別為,順銑中工作載荷:順銑中工作臺載荷分別為，經(jīng)分析，為了保證機床工作臺有更大的剛度來承受大的銑削力，取大的工作載荷值。，1.8 滾珠絲杠傳動設(shè)計與計算滾珠絲杠螺母副的承載能力用額定負荷表示，其動靜載強度計算原則與滾動軸承相類似。一般根據(jù)額定動負荷選用滾珠絲杠副，只有當n10r/min時，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式是工作表面的疲勞

12、點蝕，因此進行動載荷強度計算。 滾珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機構(gòu)。滾珠絲杠螺母副其它特點如下：運動極靈敏，低速時不會出現(xiàn)爬行；可以完全消除間隙并可預(yù)緊，故有較高的軸向剛度，反向定位精度高； 滾珠絲杠螺母副摩擦系數(shù)小，無自鎖，能實現(xiàn)可逆?zhèn)鲃樱?滾珠絲杠螺母副的滾珠循環(huán)方式一般分外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種滾珠絲桿螺母副的類型選擇主要種類.為了提高滾珠絲杠副的剛度和消除側(cè)隙, 預(yù)加載荷.常用的滾珠絲桿螺母副預(yù)緊方式有:雙螺母墊片式,雙螺母螺紋式,雙螺母螺紋式,雙螺母齒差式.2.8.1 滾珠絲杠螺母副的型號選擇根據(jù)設(shè)計要求在(a.螺紋式b.墊片式 b.墊片式 c.齒差式考慮其他因素的

13、影響所以滾珠絲杠副的參數(shù)選用：規(guī)格代號：FFZD2504-3公稱直徑：名義導(dǎo)程：=4絲杠底徑： 我選用雙螺母預(yù)緊。1.8.2 滾珠絲杠螺母副的校核最大工作載荷滾珠絲杠上的工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。本次設(shè)計選取的導(dǎo)軌類型為：矩形導(dǎo)軌；工作臺的上下分布：X向的工作臺設(shè)計在下層，Y向的設(shè)計在上層。可用下列實驗公式計算：矩形導(dǎo)軌 ,式中，分別為工作臺進給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷（N）;G為移動部件的重力（N）,根據(jù)設(shè)計的要求，大體估計G在1000N左右；

14、K和分別為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，對于滾動的矩形導(dǎo)軌：K=1.1,； 所以，滾珠絲杠的最大工作載荷： 最大動載荷C的計算及主要尺寸初選滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動載荷選用，最大動載荷計算原理與滾動軸承相同。滾珠絲杠最大動載荷C可用下式計算： 式中，L為工作壽命，單位為；n為絲杠轉(zhuǎn)速,;為最大切削力條件下的進給速度（）；為預(yù)選的滾珠絲杠的導(dǎo)程，待剛度驗算后再確定；為額定使用壽命（），可?。粸檫\轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊去1-1.2，一般情況取1.2-1.5，本設(shè)計取1.2。為滾珠絲杠工作載荷（N）.由上述有關(guān)公式進行計算得；因此，滾珠絲杠的最大動載荷：由于,所以可以選用這型號

15、的滾珠絲杠副。又由于，所以不需要考慮其另一種失效形式。 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為式中，為絲杠螺旋升角，可根據(jù)初選型號查出；為摩擦角約等于。滾珠絲杠副的傳動效率較高，一般取0.8-0.9之間。 剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平穩(wěn)性。滾珠絲杠的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾到的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計。螺母座設(shè)計得合理，其變形量也可忽略不計。絲杠軸承的軸向接觸變形計算方法可參考機械設(shè)計相關(guān)手冊。

16、可供滾珠絲杠支承使用的滾動軸承種類很多，最上面的那根絲桿軸承選用角接觸球軸承，最下面那根選用深溝球軸承。兩種軸承的承載能力好，因此，只要滾珠絲杠支承的剛度設(shè)計得好，軸承的軸向接觸變形在此可以不予考慮。絲杠的拉壓變形量滾珠絲杠應(yīng)計算滿載時拉壓變形量：式中，為工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（）；為絲杠的工作載荷（N）；L為滾珠絲杠在支承鍵的受力長度（）；E為材料彈性模量。對鋼；A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積?！?”號用于拉伸，“-”號用于壓縮。滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長度無關(guān)。可從工廠的產(chǎn)品樣品中查出，或用下式計算：有預(yù)緊時

17、：式中，為滾珠直徑（）；為滾珠總數(shù)量；Z為圈的滾珠數(shù)，3（內(nèi)循環(huán)）；為滾珠絲杠的公稱直徑（）；為預(yù)緊力（kgf,1kgf=9.8N）;為滾珠絲杠工作載荷（kgf,1kgf=9.8N），當滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時，值可減少一半左右。；滾珠絲杠副的剛度驗算絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。或者，由絲杠精度等級查出規(guī)定長度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長度上的變形量應(yīng)該比它小。否則，應(yīng)考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲杠副。所以，絲杠的總變形量為：絲杠作拉伸時：絲杠作壓縮時：；由于絲杠的總變形量都不大于機床進給系統(tǒng)定位精度值一半。所以滾珠

18、絲杠剛度適合。2.8.3 壓桿穩(wěn)定性驗算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為：式中，E為絲杠材料彈性模量，對鋼E=；I為截面慣性矩。對絲杠圓截面為絲杠最大工作長度（）；為絲杠支承方式系數(shù)，本設(shè)計選用一端固定，一端簡支。臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，則該滾珠絲杠不會失穩(wěn)。因此，滾珠絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為;，一般=2.5-4，考慮到絲杠自重對水平滾珠絲杠的影響可取，由公式計算可得遠遠大于，所以滾珠絲杠不會失穩(wěn)。所以初算的滾珠絲杠副：FFZD25004-3型號的滾珠絲杠副符合設(shè)計要求

19、。1.8.4滾珠絲杠螺母副的安裝連接尺寸查看見上面的表格和圖片。1.8.5滾動導(dǎo)軌的設(shè)計及計算滾動導(dǎo)軌副的預(yù)緊直線滾動導(dǎo)軌副分整體型直線導(dǎo)軌副和分離型直線導(dǎo)軌副。整體型直線滾動導(dǎo)軌副由制造廠選配不同直線鋼球的辦法來決定間隙和預(yù)緊。本設(shè)計采用整體型直線滾動導(dǎo)軌副。直線滾動導(dǎo)軌副的計算 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與滾動軸承相仿，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支承并不發(fā)生點蝕為依據(jù)。這個載荷稱為滾動導(dǎo)軌的額定動載荷，滑塊有4塊，所以每根導(dǎo)軌有2塊，所以每個滑塊上的工作載荷為：可從設(shè)計指導(dǎo)書上33頁中選取。我選用SGDA20S/T V/W型號的導(dǎo)軌。根據(jù)額定動載荷，由公

20、式計算滾動導(dǎo)軌的距離額定壽命： 式中，L為滾動導(dǎo)軌副的距離壽命（）；為額定動載荷（N），初選滾動導(dǎo)軌型號后，可從樣本中查出：F為每個滑塊上的工作載荷（N）；為硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為55HRC時，為溫度系數(shù)，當工作溫度不超過C時，；為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝兩個滑塊時，；為載荷/速度系數(shù)，無沖擊振動或時。一般滾子導(dǎo)軌的的距離壽命定為100km，L>100km，大于滾動導(dǎo)軌的期望壽命，所以選擇的滾動導(dǎo)軌符合設(shè)計的要求。 滾動導(dǎo)軌的長度選取由設(shè)計指導(dǎo)書的第33頁給出的公式：L=nL1+2L2得出：取X向?qū)к壍拈L度L=435mm；Y向的導(dǎo)軌長度L=400mm.1.8.6 滾動導(dǎo)軌

21、的潤滑與防護滾動導(dǎo)軌多采用潤滑脂潤滑，常用的牌號為ZL-2鋰基潤滑脂（GB/7324-87，2號）。它的優(yōu)點是不會泄漏，不需要經(jīng)常加油，缺點是塵屑進入后容易磨損導(dǎo)軌，因此對防護要求較高。容易被污染又難以防護的地方，可用潤滑油潤滑。防護則采用伸縮式防護方式。1.8.7聯(lián)軸器型號的選擇· 凸緣聯(lián)軸器（亦稱法蘭聯(lián)軸器），是利用螺栓連接兩凸緣（法蘭）盤式半聯(lián)軸器，兩個半聯(lián)軸器分別用鍵與兩軸聯(lián)接，以實現(xiàn)兩軸聯(lián)接，傳遞轉(zhuǎn)矩和運動。它結(jié)構(gòu)簡單、制造方成本低、工作可靠、裝拆、維護均較簡便，傳遞轉(zhuǎn)矩較大，能保證兩軸具有較高的對中精度，一般用于載荷平穩(wěn)、高速或傳動精度要求較高的軸系傳動。同時它不具備徑向

22、、軸向和角向的補償性能，使用時如果不能保證被聯(lián)接兩軸對中精度，將會降低聯(lián)軸器的使用壽命，傳動精度和傳動頻率，并引起振動和噪聲。從網(wǎng)上查到：· MST一體狹縫切割型金屬撓性聯(lián)軸器。 · 狹縫切割構(gòu)成的彈簧板，可容許偏心、偏角及軸向偏差。 · 高扭矩剛性和靈敏度。 · 順、逆時針回轉(zhuǎn)特性完全相同。 · 有鋁合金和不銹鋼兩種材質(zhì)。 · 外徑尺寸范圍863。選用范圍廣。··· 本次設(shè)計選用的聯(lián)軸器是MST-32聯(lián)軸器，同時根據(jù)聯(lián)軸器與電動機和滾珠絲杠軸端相連接，現(xiàn)選用連接電動機一端的；連接絲杠軸端的，L=41。&

23、#183; 根據(jù)滾珠絲杠軸頭尺寸并考慮與聯(lián)軸器連接的軸端直徑取為。· 具體的要求看下面的滾珠絲杠副軸頭尺寸推薦表。··· 1.9 步進機的選用· 1.9.1 根據(jù)脈沖當量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選擇電機型號· 步進機的選擇· 選擇步進機步距角時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的控制精度要求，運行速度要求來選擇合適的步距角。定位精度要求不高的控制系統(tǒng)可以選擇步進角大、運行頻率低的步進機；定位要求較高、運行速度范圍較廣的控制系統(tǒng)，則應(yīng)選擇步距角較小、運行頻率較高的步進機。從步進機技術(shù)參數(shù)表（2-18或表2-19）可查到步距角，從式（2-1）中可

24、知步距角及減速比i與脈沖當量絲桿導(dǎo)程有關(guān)。初選電機時應(yīng)合理選擇和i，并且滿足： =0.01mm. 先取=4mm.=0.9°i= 傳動系統(tǒng)等效傳動慣量計算傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負載，選用電動機時必須考慮，由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機軸同軸線，還存在個傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向點機軸的折算問題。最后，要計算整個傳動體折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量 轉(zhuǎn)動慣量的計算基本公式對于軸、軸承、齒輪、絲桿等圓柱體得轉(zhuǎn)動慣量計算公式為 (2-2)對于鋼材，材料密度為（kg/cm）,代入式有 (kgcm) 公式中:為圓柱體質(zhì)量（kg） D為圓柱體直

25、徑（cm） L為圓柱體長度（cm）。電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量可由表查出。注意，計算時，齒輪和工作臺均按實體計算（即齒輪軸孔和工作臺T型槽挖空的部分忽略不計），滾珠絲桿則按照滾珠絲桿的中徑為直徑的實心圓柱體計算。1.9.2 滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣量 折算按上述結(jié)論，滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣量折算到電機軸上為; i為絲桿與電機軸之間的總轉(zhuǎn)動比。所以 = = =0.799kgcm1.9.3.工作臺質(zhì)量折算工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲桿軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式進行 式中； 為絲桿導(dǎo)程（cm）；M為工作臺質(zhì)量（kg）。由上面的計算有M=11.76kg所以代入數(shù)據(jù)得 =0.0481.9.4 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 式中

26、： 為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量; 為電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。由表查得 = 0.132 kgcm。=0.979 kgcm。1.9.5 步進電機輸出轉(zhuǎn)矩的選擇步進電機最大的靜轉(zhuǎn)矩是指電機的定位轉(zhuǎn)矩（靜止狀態(tài)），是選擇步進電機的最基本的參數(shù)。步進電機的空載啟動轉(zhuǎn)矩是指電機沒有外加工作負載下的啟動，它和步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩有表（2-17）所示的關(guān)系。步進電機空載啟動轉(zhuǎn)矩可按下式計算 （2-24）式中，為空載啟動力矩（N cm）; 為空載啟動時運動部件由靜止上升到最大快進速度時，折算到電機上的力矩（N cm） ； 為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N cm） ； 為由于絲桿預(yù)緊，折算到電機軸上的附加摩擦力矩（N

27、 cm） 。各項力矩計算如下：a)加速度力矩 （2-25） （2-26） 式中： 為傳動系統(tǒng)各部件折算到電機上的總等效轉(zhuǎn)動慣量 （）； 為電機最大角加速度 ； 為運動部件最大快進速度對應(yīng)的電機最大轉(zhuǎn)速（r/min） ；t 為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間(s)取t =0.1s ； 為運動部件最大快進速度(mm/min) ； 為脈沖當量（mm/脈沖） ； 為初選電機的步距角 ()/步。 b) 空載摩擦力矩 （2-27）式中：G為運動部件的總重量（N）由于加工重力影響,取G=1000N； 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；i為齒輪傳動降速比；為傳動系統(tǒng)總效率，一般取 0.8 ; L0 為滾珠絲桿的基

28、本導(dǎo)程（cm）。c) 附加摩擦力矩 （Ncm） (2-28) （Ncm）式中： 為滾珠絲桿預(yù)加載荷，即預(yù)緊力，一般取的 的1/3 ；為進給牽引力（N）; 為滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率，一般取0.9。 按實際情況算出電機空載轉(zhuǎn)矩 ，根據(jù)指導(dǎo)書表2-17中的關(guān)系算出電機空載啟動時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩. =6.73 （Ncm）/=0.707. =9.52（Ncm） 運動部件正常工作（數(shù)控機床為工作臺開始工進時），電動機的啟動為帶負載啟動，其總負載轉(zhuǎn)矩 可按下式計算 (2-29)式中： 為作用在工作臺的合力 折算到電機上的轉(zhuǎn)矩。 可按下式計算 = (2-30) = FL2+FC2+FV2 =1501.3N

29、=根據(jù)實際情況按上式算出運動部件正常工作時的總負載轉(zhuǎn)矩 ，然后按下式算出運動部件正常運行時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩 (2-31) （Ncm） 取 按 和 中的較大者選取步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩 ，并要求 (2-32) =232（Ncm）1.9.6. 啟動矩頻特性校核 下圖所示是初選電機的的矩頻特性圖. 電機空載轉(zhuǎn)矩為 =14.62 （Ncm）時,允許啟動頻率yq為4200Hz.啟動頻率q=3000HZ<yq.因而步進電機啟動時一般不會丟步. 最后電機運行頻率達到最高運行頻率max=1000Vmax60S0=5000Hz 式中Vmax為運動部件最大快進速度(m/min).1.9.7.運行矩頻特性校核

30、要對快速進給運行和工作進給運行兩種工況分別校核,確?？爝M和工進時均不丟步. 快速進給運行矩步特性校核.快速進給時,快速進給力矩=2.89 （Ncm）由表中查到快進力矩對應(yīng)允許快進頻率ykJ為8000Hz>KJ.所以快進時不會丟步. 工進運行矩頻特性校核 工進時步進電機的運行頻率為GJ. GJ=1000VG60S0=353.3HZ式中,VG為最大工作進給速度(m/min).工進時步進電機運行所需力矩MGJ可按下式計算MGJ=M0+Mf+Mt =2.89+0.33+80.63=83.85（Ncm） =(1000+360)×0.42×3.14&#

31、215;0.9×1=0.33（Ncm） = =1132×0.42×3.14×0.9×1=80.63（Ncm） 查得工進時步進電機的運行頻率GJ 對應(yīng) MyGJ=2 N.m > MGJ.工進時一般不會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象. 步進電機的安裝尺寸 廠家提供的電機參數(shù)如下:外形圖：接線圖：從初選步進電機的運行矩頻特性曲線圖可以查到。對應(yīng)工進頻率查到的允許工進運行力矩值應(yīng)大于步進電機工進時所需力矩。也可校核工進頻率，即(允許工進頻率)。否則，步進電機在驅(qū)動工作臺時會丟步。這時，要采取措施降低工進進給速度或重選步進電機以滿足工進時運行矩頻特性

32、要求。所以，初算的型號為：75BYG4501的步進電機符合設(shè)計的要求.2.控制系統(tǒng)設(shè)計 2.1控制系統(tǒng)硬件的基本組成 本設(shè)計采用開環(huán)控制系統(tǒng).硬件的基本組成如下圖:控制對象(設(shè)備)驅(qū)動系統(tǒng)控制微機鍵盤顯示輔助控制 在以單片機為核心的控制系統(tǒng)中,大多采用MCS-51系列單片機的8031芯片,經(jīng)過擴展存儲器,接口和面板操作開關(guān)等,組成完善,抗干擾性能強的控制系統(tǒng).8031內(nèi)部包含一個8位CPU,128字節(jié)的RAM,兩個16位的定時器,四個8位并行口,一個全雙工串行口,可擴展的程序和數(shù)據(jù)存儲器各64KB,有5 個中斷源. 本系統(tǒng)電路是用MCS51系列單片機組成的控制系統(tǒng)，采用8031作CPU，擴展了

33、兩片2764芯片、一片6264芯片、兩片8155芯片,一片74LS138芯片和一片74LS373芯片.2.2 步進電機控制電路2.2.1 步進電機開環(huán)驅(qū)動原理 步進電機主要分三類:反應(yīng)式,永磁式,以及永磁感應(yīng)子式.步進電動機開環(huán)伺服系統(tǒng)由脈沖信號源,脈沖分配器,功率放大器和步進電動機組成.2.2.2脈沖分配 脈沖分配器是將控制脈沖按規(guī)定的通電方式分配到各相,該分配可由硬件來實現(xiàn).要微機控制系統(tǒng)中,脈沖分配由軟件來完成,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3四位分別輸出時序脈沖,經(jīng)光電隔離,驅(qū)動放大使步進電機運轉(zhuǎn).2.3.驅(qū)動電路由微機根據(jù)控制要求發(fā)出的脈沖,并并依次將脈沖分配給各相繞組,因其功

34、率很小,電壓幅度不足5V,電流為mA級,必須經(jīng)過驅(qū)動器將信號電流放大到若干安培,才能驅(qū)動步進電機. 本設(shè)計選用高低壓驅(qū)動電路. 無脈沖時,T1,T2,T3,T4均截止,電機繞組La中無電流通過,電機不轉(zhuǎn). 有脈沖時, T1,T2, T4飽和導(dǎo)通,在T2由截止到飽和期間,其集電極電流急速增加,在變壓器次級感生一個電壓,使T3導(dǎo)通,80V高壓經(jīng)高壓管T3加入La上,使電流迅速上升,T2進入穩(wěn)壓狀態(tài),Tp初級電流暫時恒定,次級的感應(yīng)電壓降到0,T3截止,12V低壓電流經(jīng)D2加到繞組La上,維持La中的電流為恒定值.輸入脈沖結(jié)束后, T1,T2,T3,T4又均截止,儲存在La中的能量通過18的電阻和二

35、極管泄放.2.4.控制系統(tǒng)軟件的組成及結(jié)構(gòu). 以單片機為核心的數(shù)控微機控制系統(tǒng)軟件一般包括監(jiān)控模塊,插補計算模塊,步進電機控制模塊等. 本設(shè)計采用主程序加中斷程序結(jié)構(gòu).主程序運行過程中,實時中斷程序不斷插入,共同完成機電設(shè)備的控制.2.4.1.步進電機控制模塊 由表5-4四相八拍脈沖分配控制數(shù)據(jù)表可知,當從8031的P1口輸出數(shù)據(jù)EEH時,X向和Y向兩個步進電動機的A相繞組都通電; 當輸出數(shù)據(jù)ECH時,Y向步進電動機的A相通電,X向步進電動機的A,B相都通電;當按節(jié)拍序號順序循環(huán)控制時,步進電動機正轉(zhuǎn); 當按節(jié)拍序號倒序循環(huán)控制時,步進電動機反轉(zhuǎn).對應(yīng)子程序:XPD: CLR 01H MOV

36、R1,#52HMOV C,02HAJMP PPDYPD: SETB 01H MOV R1,#53HMOV C,03HPPD: JC PPD2INC R1CJNE R1,#09H,PPD3MOV R1,#01HAJMP PPD3PPD2: DEC R1CJME R1,#00H,PPD3MOV R1,#08HPPD3:MOV A,R1ADD A,#01HMOVC A,RA+PCAJMP PPD5TABLE: DB: 0EEH,0CCH,0DDH,99H DB: 0BBH,33H,77H,66H PPD5: JB 01H.PPD6ANL A,#0FHANL 55H,#0F0HORL 55H,ARET

37、PPD6; ANLA,#0F0HANL 55H,#0FHORL 55H,ARET說明: 標號XPD和YPD分別為向X向及Y向步進電機分配脈沖時的子程序入口;位02H,03H分別是X向,Y向步進電動機正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)標志位;55H為脈沖分配控制數(shù)據(jù)緩沖單元.2.4.2.直線插補程序設(shè)計 用逐點比較法進行直線插補計算.設(shè)計程序時,在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點坐標值Xe,Ye,動點坐標值X,Y,偏差Fm.所有的數(shù)據(jù)必須進行初始化,如置初始值,X,Y向步進電機初態(tài)(控制字). 插補程序所用的內(nèi)存單元如下:28H29H2AH2BH2CH70HXeYeXYFmD0D7任一位D1 D0為X向電機控制位.D0=1運行,

38、D0=0停止;D1=1正轉(zhuǎn),D1=0反轉(zhuǎn).D3 D2為Y向電機控制位.D2=1運行,D2=0停止;D3=1正轉(zhuǎn),D1=3反轉(zhuǎn).第一象限直線插補程序框圖如下:第一象限直線插補程序如下: ORG 2000HMAIN: MOV SP,#60HLP4: MOV 28H,#0C8H:Xe MOV 29H,#0C9H;Ye MOV 2AH,#00H;X MOV 2BH,#00H;Y MOV 2EH,#00H;F MOV 70H,#0AHLP3: MOV A,2EH JB ACC.7,LP1 MOV A,70HSETB ACC.0CLR ACC.2MOV 70H,A;置控制字0B,+X方向進給LCALL M

39、OTR ;調(diào)用步進電機的控制子程序,+X方向進給一步LCALL DELAYMOV A,2EHSUBB A,29H; F-XeINC 2AH;X+1AJMP LP2LP1: MOV 70H,A;置控制字0E,+Y方向進給LCALL MOTR ;調(diào)用步進電機的控制子程序,+Y方向進給一步LCALL DELAYMOV A,2EHADD A,28H;F+XeLP2: MOV 2EH,AMOV A,28HCJME A,2AH,LP3;Xe=X?RET程序中MOTR為步進電動機的控制子程序.2.4.3.鍵盤輸入程序在機電系統(tǒng)的人機接口中，當需要操作者輸入的指令或參數(shù)比較多時，可以選擇鍵盤作為輸入接口。（1

40、）矩陣式鍵盤工作原理由一組行線與一組列線交叉構(gòu)成，按鍵位于交叉點上，為對各個鍵進行區(qū)別，可以按一定規(guī)律分別為各個鍵命名鍵號。（2）鍵輸入程序設(shè)計方法在輸入鍵輸入程序時，應(yīng)考慮下面四項功能：1） 判斷鍵盤上有無鍵閉合2） 判斷閉合鍵鍵號3） 去除鍵的機械抖動4） 使控制微機對鍵的一次閉合僅作一次處理 根據(jù)以上四項功能要求，可按鍵盤輸入程序框圖編制相應(yīng)的鍵盤輸入程序。 ACALL KS1 ；判是否有鍵閉合 JNZ KEY1 KEY0: RETKEY1: ACALL KS2 ；調(diào)求鍵值子程序 MOV 20H,A ACALL DL10 ；調(diào)延時子程序 ACALL KS2 CJNE A,20H,KEY0

41、KEY2: ACALL KS1 ；判鍵釋放否 JNZ KEY2 ACALL DL10 ACALL KS1 JNZ KEY2 RETKS1: MOV P1,#00H MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL AKS2: MOV P1,#0FEH ；PC0=0 MOV 21H,#00H ；列首號存21H中 MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS20 ；零列有鍵閉合 MOV P1,#0FDH ；PC1=0 MOV 21H,#04H MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS20 ；一列有鍵閉合 MOV P1,#0FBH ；PC2=0 MOV

42、 21H,#08H MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS20 ；二列有鍵閉合 MOV P1,#F7H ；PC3=0 MOV 21H,#0CH MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS20 ；三列有鍵閉合 MOV P1,EFH ；PC4=0 MOV 21H,#00H MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS20 ；四列有鍵閉合 MOV P1,#DFH ；PC5=0 MOV 21H,#04H MOV A,P1 ORL A,#0F0H CPL A JNZ KS20 ；五列有鍵閉合 MOV A,#0FFH ；錯誤處理 RETKS20: ADD A,#03H ；加偏移量 MOVC A,