機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)_XY數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 系：專 業(yè)：班 級(jí)：姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：目錄目錄1前言2第一章 課程設(shè)計(jì)的目的3第二章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容4第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案確定4第四章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)6第五章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)14第六章 結(jié)束語(yǔ)18參考文獻(xiàn)18前言課程設(shè)計(jì)是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計(jì)可以初步樹立正確的設(shè)計(jì)思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學(xué)會(huì)運(yùn)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實(shí)際能力，并在教師的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地運(yùn)用課程和選修課程的知識(shí)，獨(dú)立完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。一種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)，包括機(jī)床伺服系統(tǒng)和對(duì)該伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制的；其特

2、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(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)輸入、輸出數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理計(jì)算模塊，用于對(duì)輸入、輸出參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算；包括輸入信號(hào)的編碼運(yùn)算；輸出信號(hào)的解碼運(yùn)算；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)移位單元傳遞來的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)檢測(cè)單元，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)坐標(biāo)軸的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)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，用于將檢測(cè)單元檢測(cè)到的坐標(biāo)軸當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)值、控制方式參數(shù)值與觸摸屏存儲(chǔ)模塊的設(shè)定值進(jìn)行比較；X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)將脈沖信號(hào)

3、轉(zhuǎn)移成角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個(gè)脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；由于步進(jìn)電機(jī)通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目及時(shí)間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)放入其中的通電導(dǎo)體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時(shí)具有力的作用，從實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子才可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲杠作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。本題目是步進(jìn)電機(jī)，微型計(jì)算機(jī)，插補(bǔ)原理，匯編語(yǔ)言的綜合應(yīng)用，本題目設(shè)計(jì)得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(jì)的目的、意義及要求；第二章課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，第三章課程設(shè)計(jì)總體方案的確定；第四章主要涉及了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4、；第五章主要涉及工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制；第六章主要涉及控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；最后是結(jié)束語(yǔ)和參考文獻(xiàn)。因本人水平有限，錯(cuò)誤和不足之處在所難免，處理問題也有不妥之處，敬請(qǐng)相關(guān)老師批評(píng)指正。第一章 課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求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。因此，選擇X-Y數(shù)控工作臺(tái)作為機(jī)電綜合課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對(duì)于機(jī)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(tái)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其外觀形式如圖1所示。其中，伺服電動(dòng)

5、機(jī)作為執(zhí)行元件用來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動(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方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均已標(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，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)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)。圖1 X-Y數(shù)控工作臺(tái)外形機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的時(shí)間性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合的運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的與要求：1、 通過設(shè)計(jì)，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本組成及其想怪知識(shí)，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。2、 通過對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元

6、件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算及選用的方式3、 通過對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電機(jī)的工作原理、計(jì)算控制方法與控制驅(qū)動(dòng)方式4、 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)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(jì)”的思想5、 鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫科技論文的能力第二章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容設(shè)計(jì)任務(wù)題目：X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供立式數(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d =15 mm；（2）立銑刀齒數(shù)Z=3；（3）最大銑削寬度ae=15 mm；（4）最大銑削深度ap=8 mm；（5）加工材料為碳素鋼或有色金屬；（6）X、Y方向的脈沖當(dāng)量x =y=0.005mm

7、/脈沖；（7）X、Y方向的定位精度均為±0.01 mm；（8）工作臺(tái)面尺寸為230 mm×230 mm，加工范圍為300 mm×200 mm；（9）工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度vxmax =vymax =3000 mm/min；（10）工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度vxmaxf =vymaxf =1200 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(jī)械傳動(dòng)部件的選擇（1）導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊

8、、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。（2）絲杠螺母副的選用伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和 ±0.01mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動(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）減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副以后，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)。為此本例決定采用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱（4）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0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空

9、載最快移動(dòng)速度也只有3000mm/min。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性/價(jià)比。（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)來說還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)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)編碼器的分辨率應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配?？紤]到X、Y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

10、作量，X、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)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，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)應(yīng)該設(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)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(biāo)。（3）要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)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。第四章 機(jī)

11、械部分設(shè)計(jì)4.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 任務(wù)書中所給定的脈沖當(dāng)量是0.005mm4.2. 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(dǎo)軌之上移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為800N。4.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選擇設(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：（6-11）今選擇銑刀直徑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ae=15mm，銑削深度ap=8mm，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速300r/min。則由式（6

12、-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(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由表3-5查得，結(jié)合圖3-4a，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)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(tái)受到垂直方向的銑削力Fz= Fe =556N，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（絲杠軸線方向），則縱向

13、銑削力Fx= Ff=1609N，徑向銑削力Fy=Ffn=366N。圖3-4 銑削力的分析 a）圓柱形銑刀銑削力 b）面銑刀銑削力（1）、滑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X-Y工作臺(tái)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(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂向載荷為：Fmax =G/4+F（6-12）其中，移動(dòng)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=756N=0.756kN。查表3-41，根據(jù)工作載荷PC=0.756kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的

14、型號(hào)為KL系列的JSA-LG15型，其額定動(dòng)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(tái)面尺寸為230mm×230mm，加工范圍為300mm×200mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為520mm。（2）、距離額定壽命的計(jì)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(jí)，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=1.0，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=

15、1.5， 代入式（3-33），得距離壽命： 6649 km遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。4. 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型（1）最大工作載荷Fm的計(jì)算承受最大銑削力時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)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(tái)面垂直）Fz=556N。已知移動(dòng)部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)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荷Fm =KFx +（Fz+Fy+G）=1.1×1609+0.005×(556+36

16、6+800)N 1779 N（2）最大動(dòng)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=1200mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph =5mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph = 240 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=216（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(shí)，取硬度系數(shù)fH=1.0，代入式（3-23），求得最大動(dòng)載荷：FQ 12808.8 N（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，查表3-31，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2506-4型滾珠絲杠

17、副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為25mm，導(dǎo)程為6mm，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為15493 N，大于FQ，滿足要求。（4）傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑d0=25mm，導(dǎo)程Ph=6mm，代入= arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=4.38°。將摩擦角=10，代入=tan / tan(+),得傳動(dòng)效率=96.3%。（5）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，見書后圖6-23。絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量2.1×10

18、5Mpa；查表3-32，得滾珠直徑d2=3.969mm，絲杠底徑 =20.2 mm，絲杠截面積S=d22/4=320.47mm2。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）=1779×500/（2.1 ×105×320.47）mm 0.0067 mm。2）根據(jù)公式Z(d0/Dw)-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3×1，代入公式：Z=Z×圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 Z =60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力FYJ= Fm/3=593 N。則由（3

19、-27）式，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2 0.0024 mm。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減小一半，取2=0.0012mm。3）將以上算出的1和2代入總=1+2，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）總=0.0079mm=7.9m。由表3-27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，可見絲桿剛度足夠。（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。查表3-31，取支承系數(shù)fk=1；由絲杠底徑d2=20.2 mm，求得截面慣性矩I=d24 /64 8172.88 mm ；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K 取3（絲杠臥式水平

20、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 22580N，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm=1779N，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。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)轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖3-8所示的彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。圖3-8 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整機(jī)構(gòu)1、2、6齒輪 3螺母 4、5螺釘 7拉簧

21、已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量=0.005 mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph=6 mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.75°。根據(jù)（3-12）式，算得減速比：i=(Ph)/(360) =(0.75×6)/(360×0.005)=5:2本設(shè)計(jì)選用常州市新月電機(jī)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75:30，材料為45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)HRC55。減速箱中心距為 (75+36)×1/2 mm55.5 mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm6. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型參見第四章第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容。（1

22、）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=25mm，總長(zhǎng)l=500mm，導(dǎo)程Ph6mm，材料密度=7.85×10-3 kg/cm3；移動(dòng)部件總重量G=800N;小齒輪寬度b120mm，直徑d1=36 mm;大齒輪寬度b220mm，直徑b2 =75 mm；傳動(dòng)比i =5/2。參照表4-1，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下（具體計(jì)算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS=0.617kg·c m2拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw =0.517 kg·c m2；小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ1 =0.259 kg·c m2大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ2=4.877

23、kg·c m2。初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，二相四拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為0.75º，從表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm =4kg·c m2。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： = Jm+ JZ1 +( JZ2+ Jw+ JS)/ i2 =30.35kg/cm2 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分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(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由式（4-8）可知，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Tam

24、ax；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)（4-12）式可知，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)鏈的總效率，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：（6-14）式中 nm對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min；ta 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。其中：（6-15）式中 nmax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

25、角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.75º； 脈沖當(dāng)量，本例=0.005mm/脈沖。將以上各值代入式（6-15），算得nm=1250r/min。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時(shí)間ta=0.4s，傳動(dòng)鏈總效率=0.7。則由式（6-14）求得：1.42（N·m）由式（4-10）可知，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：（6-16）則由式（6-16），得：0.002（N·m）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 =1.422 N （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Teq2由式（4-

26、13）可知，Teq2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Tt和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq2=Tt+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Tt由（4-14）式計(jì)算。本例中在對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷Fx=1609N，則有： 0.88（N·m）再由式（4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（Fz=556N）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：= 0.0

27、04（N·m）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)矩為：Teq2 = Tt+ Tf = 0.884 N·m （6-19）經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： Teq= maxTeq1，Teq2 = 1.422 N·m（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)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： Tjmax 4× = 4&

28、#215;1.422 N·m =5.688 N·m (6-20) 上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，由表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax = 6 N·m ?？梢姡瑵M足（6-20）式的要求。（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)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度vmaxf=400mm/min，脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖由（4-16）式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmaxf =400/(60×0.005)Hz 1333Hz。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖6-24可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T

29、maxf5.6N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tmaxf=0.884N·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=3000mm/min，仿照（4-16）式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmax=3000/（60×0.005）Hz =10000Hz。從圖6-24查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax=1.8 N·m，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1 = 1.422N·m，滿足要求。3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核最快空載移動(dòng)速vmax=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率fmax=100

30、00Hz。查表4-5可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的極限運(yùn)行頻率為20000Hz，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Jeq=30.35 kg·c m2電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm =4kg·c m2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高起動(dòng)頻率fq=1800Hz.則由式（4-17）可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：=614Hz上式說明，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614Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。綜上所述，本例中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用90BYG2602步進(jìn)

31、電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。 7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)編碼器的分辨率應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.75º，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360/=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（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)。本例選擇編碼器的型號(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，每轉(zhuǎn)輸出120個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出，生產(chǎn)廠家為長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。第五章系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以參考本章第一節(jié)的車床數(shù)控系統(tǒng)，但在硬件電路上需要考慮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（編碼器）反饋信號(hào)的處理，在軟件上要實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)的控制算法。根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)主要考慮以下功能：（1） 接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；（2） 接受限位開關(guān)信號(hào)；（3） 控制X，Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；（4） 與PC機(jī)的串行通信。 CPU選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52，采用8279，和W27C