xy數(shù)控工作臺(tái)（機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)）

1、 前 言 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，例如數(shù)控車床的縱向-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)、電子元件表面的貼裝設(shè)等。因此，我選擇X-Y數(shù)控工作臺(tái)作為機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。 目 錄前 言1Part.A設(shè)計(jì)任務(wù)以及先期參數(shù)2Part.B總體方案的確定3Part.C機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型4Part.D工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制（附圖）13Part.E工作臺(tái)整體電路的設(shè)計(jì)(附圖)13Part.F工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)17Part.A設(shè)計(jì)任務(wù)以及先期參數(shù)選題：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)先期參數(shù)：（學(xué)

2、號(hào)：5號(hào)）1. 立銑刀最大直徑：d=16mm2. 立銑刀齒數(shù)：Z=3mm3. 最大銑削寬度：=16mm4. 最大背吃刀量：=6mm5. 加工材料：碳素鋼6. X、Y反向的脈沖當(dāng)量：0.005mm/脈沖7. X、Y方向的定位精度為：0.01mm8. 工作臺(tái)面尺寸為：330mm*330mm9. 銑刀加工范圍：350mm*350mm10. 工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度：4000mm/min11. 工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度：360mm/min12. 工件重量：50N13. 夾具重量：75N14. 工作平臺(tái)重量：50N15. 上層拖板重量計(jì)算方式：330mm*導(dǎo)軌長度*10mm*材料比重 N16. 上層電動(dòng)機(jī)重

3、量：50N17. 直線導(dǎo)軌副重量（包含導(dǎo)軌座）計(jì)算方式：導(dǎo)軌長度*0.5N/mm18. 減速箱重量：30N19. 滾珠絲杠副重量計(jì)算方式：導(dǎo)軌長度*0.4N/mm20. 每齒進(jìn)給量：=0.1mm21. 銑刀轉(zhuǎn)速：n=300r/min22. 直線導(dǎo)軌壽命期望值：50km23. 快速空載啟動(dòng)時(shí)加速時(shí)間T=0.4s24. 傳動(dòng)鏈總效率：0.7Part.B總體方案的確定1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇：a.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)控銑床的，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、安裝預(yù)緊方便等

4、優(yōu)點(diǎn)。 b.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mm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)動(dòng)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。 c.伺服電動(dòng)機(jī)的選用：在先期參數(shù)中，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)，空載最快的移動(dòng)速度也只有4000mm/min。因此，本方案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，可以選用性能稍好的步進(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。d.減速裝置的選用：選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與滾

5、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)有消除間隙機(jī)構(gòu)。為此，本方案采用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。e.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，也可以選閉環(huán)控制。先期參數(shù)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)的影響而發(fā)生失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動(dòng)機(jī)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。（Ps.考慮到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)工作量，X

6、、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)：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)控制器。b.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)該能夠滿足先期參數(shù)以及任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。c.要設(shè)計(jì)一個(gè)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。d.選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電機(jī)配套使用。Part.C機(jī)械傳動(dòng)部件的

7、計(jì)算與選型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G=800N。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)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則通過查表（教材表3-7）查得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為： .(1)現(xiàn)在根據(jù)先期參數(shù)，選擇銑刀直徑d=16mm，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，背吃刀量，每齒進(jìn)給量，銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min。根據(jù)公式并代入數(shù)據(jù)計(jì)算： 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值通過查表（教材表3-5）結(jié)

8、合圖示（教材圖示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：其中圖示（教材圖示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，受到水平方向的銑削力分別為?，F(xiàn)在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：縱向銑削力徑向銑削力3. 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型a.滑塊承受工作載荷的計(jì)算以及導(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。本方案中的X-Y工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支撐形式?？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直方向載荷為： .(2)其中，移動(dòng)部件重量G=800N，外加

9、載荷，帶入公式（2）進(jìn)行計(jì)算，由此獲得最大工作載荷： 通過查表（教材表3-41），根據(jù)工作載荷，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)載荷為，額定靜載荷為。先期參數(shù)給定的工作臺(tái)面尺寸為330mm*330mm，加工范圍為350mm*350mm，考慮工作行程中應(yīng)該留有一定的余量，通過查表（教材3-35），按照標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為700mm。b.距離額定壽命L的計(jì)算上述選取的KL系列JSA-LG15型導(dǎo)軌副的滾動(dòng)硬度為60HRC，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。通過查表（教材表3-36表3-40）分別取：硬度系數(shù)、溫度

10、系數(shù)、接觸系數(shù)、精度系數(shù)、載荷系數(shù)，代入下式，并通過計(jì)算得到距離壽命：（滾動(dòng)體為球）由于11712km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a.最大工作載荷的計(jì)算 如上述提到的，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），受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直），受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）。已知移動(dòng)部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，通過查表（教材表3-29）取得顛覆力矩影響系數(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：b.最大動(dòng)載荷的計(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=360mm/min

11、，初選絲杠導(dǎo)程，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入，由此可計(jì)算出絲杠壽命系數(shù)（單位：）通過查表（教材表3-30）取載荷系數(shù)，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)，代入下式，求得最大動(dòng)載荷：c.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，通過查表（教材表3-31），選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造生產(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(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N，大于，滿足要求。d.傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑，導(dǎo)程，代入公式：，通過計(jì)算得到絲杠螺旋升角：。將摩擦角，代入公式：，計(jì)算得到

12、傳動(dòng)效率：e.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，詳見圖示（教材插圖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；通過查閱表格（教材表3-31），得滾珠直徑，絲杠底徑，絲杠截面積。忽略式子中的第二項(xiàng)，通過計(jì)算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量：。2）根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)；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：，得到滾珠總數(shù)量為51個(gè)。絲杠預(yù)緊時(shí)候，取軸向預(yù)緊力。則由公式：（有預(yù)緊）求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量為。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/

13、3，所以實(shí)際上，變形量可減小一半， Ps. 故本方案在這里取。3）將以上算出的，代入，求得絲杠總的形變量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）。在本方案中，絲杠的有效行程為330mm，由表格（教材表3-27）可知，5級(jí)精度的滾珠絲杠有效行程在315400時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25m，由此可見絲杠剛度足夠滿足要求。f.壓桿穩(wěn)定性的校核根據(jù)公式 .(3)計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷。通過查表（教材表3-34），取得支承系數(shù)；由絲杠底徑，求得截面慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(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。代入公式（3）中，計(jì)算得到臨界載荷：其遠(yuǎn)大于工作載荷N，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)，滿足方案要

14、求。*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，現(xiàn)在于不進(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)，采用圖示（教材圖3-8）方法：彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。 已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠的導(dǎo)程，初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角。根據(jù)公式，計(jì)算得到減速比： 本方案采用常州市新月電機(jī)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75:36，材料為45調(diào)質(zhì)

15、鋼，齒表面淬硬后達(dá)55HRC。減速箱中心距為：，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。6. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型a.計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由先期數(shù)據(jù)和之前的計(jì)算過程，已知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長，導(dǎo)程，材料密度；移動(dòng)部件總重力G=800N；小齒輪寬度，直徑；大齒輪寬度，直徑；傳動(dòng)比i=25:12。根據(jù)表格（教材表4-1）所示公式，計(jì)算得到以下各個(gè)零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下所示：1）滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：2）拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；3）小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；4）大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；初步選定步進(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)，二相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)

16、步距角為，從表格（教材表4-5）可查出該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：b.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)矩該計(jì)算分為快速空載啟動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1）快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由公式： .(4)可知，其包括三個(gè)部分：一部分是快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(dòng)到部件運(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。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)公式可知，相對(duì)于其他兩項(xiàng)很小，可以忽略不計(jì)。則有：根據(jù)以下的公式，考慮傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)折

17、算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： .(5)（Ps.式中： 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； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間，單位為s。）其中： .(6)（Ps.式中： 空載最快移動(dòng)速度，先期參數(shù)指定為4000mm/min； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為； 脈沖當(dāng)量，本方案中。）將上述各值代入公式（6），計(jì)算得到：（先期參數(shù)）設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間為=0.4s，傳動(dòng)鏈總效率，則由公式（5），計(jì)算得到：根據(jù)公式 .(7)可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：（Ps.式中： 導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005； 垂直方向的

18、銑削力，此時(shí)處于空載，故為0。 ）最后由上述決定式計(jì)算得到：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)矩由公式： .(8)其同樣包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載；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；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，其相對(duì)于其他兩項(xiàng)很小，可以忽略不計(jì)。則有:其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由公式計(jì)算得到：（根據(jù)先期數(shù)據(jù)，在對(duì)滾珠絲杠計(jì)算時(shí)，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷） 在由公式計(jì)算得到垂直方向承受最大工作載荷（）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：最后由上述決定式計(jì)算得到：經(jīng)過

19、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： c.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電機(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)距時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。本方案中的安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)距應(yīng)滿足：上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，由查表（教材表4-5）查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)距為。由此可知滿足上述要求。d.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)矩校核先期數(shù)據(jù)給定的工作臺(tái)最快工進(jìn)速度，脈沖當(dāng)量為，由公式可以通過計(jì)算求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率為：。從90BY

20、G2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，故滿足要求。2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核先期參數(shù)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度，仿照上述公式求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率為由圖中查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因而滿足要求。3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與最快空載移動(dòng)速度4000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為。通過查表（教材表4-5）可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)到20000Hz，由此可見，未超出上限，符合要求。4）啟動(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，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

21、軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率通過查表（教材表4-5）可知為。則由公式可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)頻率：上式說明，想要保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不發(fā)生失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于1159Hz。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，本方案中工作臺(tái)所采用的進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)90BYG2602完全滿足設(shè)計(jì)需求。7. 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本方案所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動(dòng)機(jī)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。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)

22、時(shí)候，需要控制系統(tǒng)發(fā)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，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)過一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。 本方案選擇編碼器的型號(hào)為ZLK-A-120-05VO-10-H:盤狀空心型，孔徑10mm，與電動(dòng)機(jī)尾部輸出軸相匹配，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)廠家為長春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)。Part.D工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制（附圖）在完成了以上幾個(gè)部分：直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副、齒輪減速箱、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以及旋轉(zhuǎn)編碼器的計(jì)算與選型后，接下來進(jìn)行機(jī)械裝配圖的繪制。此部分內(nèi)容詳細(xì)（制圖）請(qǐng)見隨報(bào)

23、告附的A2圖紙Part.E工作臺(tái)整體電路的設(shè)計(jì)(附圖)此部分內(nèi)容詳細(xì)（制圖）請(qǐng)見隨報(bào)告附的A2圖紙1 根據(jù)任務(wù)書的要求，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） USB轉(zhuǎn)2線串口電路；（2） 4路電源電路；（3） 接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn),調(diào)速（5功能）；（4） LCD1602液晶顯示；（5） 接受車床限位開關(guān)信號(hào)；（6） 編碼器行程檢測(cè)電路（光柵）；（7） 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。1. CPU選用 MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89C52，采用8279。8279用做鍵盤和LED液晶顯示屏接口，鍵盤主要是輸入工作臺(tái)方向，LED液晶顯示屏顯示當(dāng)前工作臺(tái)坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報(bào)警功能，并有越

24、位開關(guān)和報(bào)警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，越位報(bào)警指示電路。MCS_15系列單片機(jī)是集中CPU，I/O端口及部分RAM等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。1個(gè)8位的CPU，128B RAM，4個(gè)8位并行I/O口，1個(gè)全雙工串行口，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器。2. 電源電路 電源電路采用市電通過變壓器變壓后,利用整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電.進(jìn)而采用穩(wěn)壓電源芯片7805、7912以及7812,供單片機(jī)和外部用電設(shè)備用電.采用單獨(dú)供電給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的供電源并不在控制電路上。 三.步

25、進(jìn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，不但取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身的性能，也取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)劣。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接收到一個(gè)脈沖信號(hào)（來自控制器），它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的 四.1602液晶顯示屏 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有

26、間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形.利用8279同時(shí)對(duì)1602進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入/輸出. 5. 編碼器行程檢測(cè)電路 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，每秒輸出120個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出。供電電壓為5v所以可以直接接入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量.采用逆變傳感器，基于對(duì)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)輸出脈沖的變化進(jìn)行探測(cè)，采用逆變傳感器。 其它輔助電路設(shè)計(jì)（1）8051的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘可由內(nèi)部方式產(chǎn)生，內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1，XTAL2引腳上外接定時(shí)元件。MCS-51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器得輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL1。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電路，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。（2）復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms 以上高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)