機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)方案

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目：X 丫數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)院校：_ 班級：_ 姓名：_學(xué)號：2011年12 月24 日目錄機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1 總體方案1.1導(dǎo)軌副的選用1.2絲桿螺母副的選用1.3減速裝置的選用1.4伺服電動機(jī)的選用1.5檢測裝置的選用2. 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3. 機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選型3.1導(dǎo)軌上移動部件的重量估算3.2銃削力的計(jì)算3.3直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型3.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型3.5步進(jìn)電動機(jī)減速箱的選用3.6步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型3.7增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用4工作臺機(jī)械裝配圖的繪制5. 工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6. 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源

2、的選用7. 設(shè)計(jì)總結(jié)參考文獻(xiàn).高等教育出版社機(jī)械工業(yè)出版社1 張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三版2 尹志強(qiáng).系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書設(shè)計(jì)計(jì)算與說明主要結(jié)果設(shè)計(jì)任務(wù)：題目：X-Y數(shù)控工作臺機(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，主要參數(shù)如下：1）立銑刀最大直徑d=15mm2）立銑刀齒數(shù)Z=3;3）最大銑削寬度ae=15mm；4）最大背吃刀量ap =8mm ；5）加工材料為碳鋼；6）X、Y方向的脈沖當(dāng)量®6°.005mm/脈沖；7） X、丫方向的定位精度均為±0.01mm ；8） 工作臺導(dǎo)軌長度為1260mm9）工作臺空載最快移動速度 vx =vy

3、 = 3000mm/min ；10） 工作臺進(jìn)給最快移動速度 Vxmaxf =vymax f = 400mm/min ；11）移動部件總重量為800N;12）絲桿有效行程為920mm一、總體方案的確定1機(jī)械傳動部件的選擇1.1導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺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(diǎn)。1.2絲桿螺母副的選用伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲桿螺母副轉(zhuǎn)換成 直線運(yùn)動，要滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量±0.01mm和的疋位精度，滑動滑動絲桿副無能

4、為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到。滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。1.3減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動部件折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消設(shè)計(jì)計(jì)算與說明主要結(jié)果間隙機(jī)構(gòu)。為此，決定米用無間隙齒輪傳動減速箱。1.4伺服電動機(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，空載最快速度也只有 3000mm/min因此，本設(shè)計(jì)不必米用咼檔次的伺服電動機(jī)，如交 流伺服電動機(jī)或直流伺服電動機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn) 電動機(jī)，如混合式步

5、進(jìn)電動機(jī)，以降低成本，提咼性價比。1.5檢測裝置的選用選用步進(jìn)電動機(jī)作為伺服電動機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進(jìn)電 動機(jī)來說還是偏高的，為了確保電動機(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，決定米用半閉環(huán)控制，擬在電動機(jī)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(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)電動機(jī)的步距角相匹配?？紤]到X、丫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(jì)工作量，X、丫兩個坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲桿螺母 畐9、減速裝置、伺服電動機(jī)，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(jì)1）設(shè)計(jì)的X-Y工作臺準(zhǔn)備

6、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）對于步進(jìn)電動機(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)一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴(kuò)展 程序儲存器、數(shù)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(jìn)電動機(jī)配套使用。三、機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選型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(jìn)行估算。包括工件、夾 具、工作平臺、上層電動機(jī)、減速箱、滾

7、珠絲杠副、直線滾動導(dǎo) 軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為 800M設(shè)計(jì)計(jì)算與說明主要結(jié)果2.銑削力的計(jì)算設(shè)零件的加工方式為立式銑削，米用硬質(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(jì)算公式為：l,/c 0.85 上 0.75 . _0.731.00.13“Fc =118鬼fzdap n Z今選擇銑刀直徑d=15mm齒數(shù)Z=3,為了計(jì)算最大銑削力，在不對稱銑削的情況下，取得最大銑削寬度a°=15mm，背吃刀量ap =8mm，每齒進(jìn)給量fz -0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min 。則由(1)式求得最大銑削力：Fc =118漢 150.85 漢0.10.75 漢15亠7

8、3 漢 81.0 匯 3000.13 漢 3N "463NFc S463N米用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表3-5查得，結(jié)合圖3-4a，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：Ff =1.1Fc “609N， Fe =0.38Fc %556N，F(xiàn)f "609NFm =0.25Fc肚366N。圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)在考慮立銑，則工Fe 龜 556 N作臺受到垂直方向的銑削力 Fz = Fe =556N，受到水平方向的銑Ffn %366N削力分別Ff和Ffn。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向(絲桿軸線方向)，貝U縱向銑削力Fx = Ff =1

9、609N，徑向銑Fz = 556N削力 F 丫 = F fn = 366 N。Fx =1609N3.直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型Fy = 366N(1)滑塊承受工作載荷Fmax的計(jì)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。本設(shè)計(jì)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。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：Fmax+FG=800N4 F=556N設(shè)計(jì)計(jì)算與說明主要結(jié)果其中，移動部件重量 G=800N外加載荷F =Fz = 556N，代入式Fmax = 0-756kN（2）,得最大工作載荷 Fmax =

10、756N =0.756kN。查表3-41，根據(jù)工作載荷Fmax二0.756KN，初選直線滾動導(dǎo)Ga 二 7.94kNG0a = 9.5kN軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷Ga =7.94kN，額定靜載荷 = 9.5kN o（2）距離額定壽命L的計(jì)算上述選取的KL系列JSA LG15 型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC工作溫度不超過100攝氏度，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九0、溫度系數(shù) fT =1.00、接觸系數(shù)fC =0.81、精度系數(shù)fR二°.9、載荷系數(shù) fw =1.5，代入式（3-3

11、3），的距離壽命：L 6649kmc3L= fHfTfCfR Ga =50 "649kmIfWFmax y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 如前頁所述，在立銑時，工作臺受到進(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，受到垂直方向的載荷（與工作臺垂直）Fz =556N o已知移動部件總重量 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，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù) 卩=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm =1779NFm

12、 二 KFx（Fz Fy G）-1.1 1609 0.005 （556 366 800） N 1779N（2）最大動載荷Fq的計(jì)算設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的R = 5mm v=400mm/minn = 80r/m inT=15000hL。=72fw = 1.2Fq =8881ND。= 20mmR = 5mm = 4 33”二 96.4%E=2.1 105MPad2 = 16.2mm設(shè)計(jì)計(jì)算與說明最快進(jìn)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 = 80r/min。6取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入Lo =60nT/10，6得絲杠壽命系數(shù)

13、L。= 72 （單位為10 r）。查表3-30，取載荷系數(shù)fw =1.2，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH i.°，代入式（3-23），求得最大載荷：Fq - Lo fW fH Fm : 8881N（3）初選型號 根據(jù)計(jì)算出的最大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2504-3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X 1列，精度等級 取4級，額定動載荷為9309N大于Fq，滿足要求。（4） 傳動效率n的計(jì)算將公稱直徑D。=20mm,導(dǎo)程Ph =5mm，代入二arctanPh /叫 &

14、#39;得絲杠螺旋升角 =4 55'，。將摩擦角=10z代入=ta門伽（），得傳動效率二 96.4%。（5）剛度的驗(yàn)算1）X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推一 單推”的方式，見書后插頁圖6-23。絲杠的兩端各采用一對推 理角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為5a=500mm；鋼的彈性模量E =2.1 10 MPa ；查表3-31，得滾珠直徑D w = 3.175mm，絲杠底徑d2 = 16.2mm，絲杠截面面積Sh叱；/4 = 206.12mm2。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/壓變形量設(shè)計(jì)計(jì)算與說明主要結(jié)果5E =Fm

15、a/(ES) =1779x500/(2.1x10 x 206.12)mm = 0.0205mm。2）根據(jù)公式Z Sdo/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)x列數(shù)為3x1，代入公式旺60ZL = Z K圈數(shù)江列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z送=60。絲杠預(yù)緊時，民=593N取軸向預(yù)緊力FYj =Fm/3 = 593N。則由式（3-27 ），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量拓0.0026mm。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 62俺0.0013mm。3）將以上算出的和§2代入°總二°°2，求得絲杠總變

16、咅總=21.8豈m形量(對應(yīng)跨度 500mm % = 0.0218mm=21.8Am。本例中，絲杠的有效行程為670mm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(dá)到25卩m可見絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（3-28 ）計(jì)算失穩(wěn)時的臨界載荷Fk。查表3-34，取支承系數(shù)fk 1 ;由絲杠底徑d2 =16.2mm求得截面慣性矩1 =/64俺3380.88mm4;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Fk = 9343N定處的距離a取最大值500mm代入式（3-28），得臨界載荷Fm=1779Nf 兀 2 EIFk - k 2

17、-9343N，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm-1779N，故絲杠Ka不會失穩(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)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也是為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進(jìn)電動機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與小齒輪連接，設(shè)計(jì)計(jì)算與說明主要結(jié)果 主要結(jié)口果滾珠絲杠的軸頭與大齒輪連接。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)， 采用圖3-8所以的彈簧錯齒法消除側(cè)隙。已知工作臺的脈沖當(dāng)量§ -0.005mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程a =0.75：Ph =5mm，初選步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角u 0.

18、75。根據(jù)式（3-12），算得減速比：i =(o(Ph)/(3606) =(0.75x5)/(360x0.005) = 25/12i = 25/12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： 36，材料為45調(diào)制剛，齒表面淬硬后達(dá)HRC55減速箱中心距為（75 +36）匯25/12mm=55.5mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均10mm。6步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型參見第四章第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容。（1）計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 Jeq已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0 20mm，總長| = 500mm，導(dǎo)程d0

19、 = 20mm1 = 500mm33R =5mm，材料密度° =7.810 kg/cm ；移動部件總重力Ph = 5mmG =800 N ;小齒輪度b1 20mm，直徑d1 36mm ；大齒輪度b1 = 20mmb2 20mm，直徑 d2 =75mm ;轉(zhuǎn)動比 i =25/12。b2 = 20mm如表4-1所示，算得各個零件部件的轉(zhuǎn)動慣量如下（具體計(jì)算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js 2 ；Js = 0.617kg .cm2拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Jw 2 ；小齒輪的轉(zhuǎn)2JZ12動慣量JZ1 =°.259心.曲；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量2JZ22JZ2。初選步進(jìn)電動機(jī)型號為 9

20、0BYG2602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)動時步距角0.75 從表4-5設(shè)計(jì)計(jì)算與說明主要結(jié)果 主要結(jié)口果查得該型號電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm = 4kgQm 。Jm =4kg.cm2則加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：2 2Jeq = Jm +Jz1 +(Jz2 +Jw +Js)/i = 30.35kg .Cm2J eq = 30.35 kg .cm(2)計(jì)算加子在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1)快速空載起動時電動機(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時折算到電動機(jī)

21、轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Tamax ; 一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf ;還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式(4-12)可知，T。相對于Tamax和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq1= Ta max + Tf(6-13)根據(jù)式(4-9)，考慮傳動鏈的總效率，計(jì)算快速空載起動時折算至V電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的最大加速轉(zhuǎn)矩：十2兀Jeq門皿1amax60tn60ta(6-14)式中nm對空載最快移動速度的步進(jìn)電動機(jī)最咼轉(zhuǎn)速，單位為r/min ；t a 步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速到 n轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為S。其中：Vmax “nm

22、 一 3606(6-15)設(shè)計(jì)計(jì)算與說明主要結(jié)果式中Vmax空載最快移動速度，任務(wù)書指定為 3000mm/mina步進(jìn)電動機(jī)步距角，預(yù)選電動機(jī)為 0.75 ；&脈沖當(dāng)量，本例6 = 0.005mm/脈沖。將以上各值代入式(6-15)，算得nm=1250r/minnm = 1250r/mi n設(shè)步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至 n轉(zhuǎn)速所需時間t=0.4s，傳動鏈總效率n=0.7。則由式(6-14)求得：_4Tama1-42N mT2兀漢30.5"0 X1250 K1,Ta max =N m 拓 1.42N m由式(4-10)可知，移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：丁4(F

23、z+G)R1 £ '1 f2旳(6-16)式中卩導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取0.005;Fz垂直方向的銑銷力，空載時取0;口傳動鏈總效率，取0.7。則由式(6-16)，得：0.005x(0 +1000)x0.005 “門“Tf =N.m 跆 0.002 N .m2兀匯0.7江25/12Tf瘁最后由式(6-13)求得快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Teq1 = Ta max * Tf = 1.422 N . meq ia maxtTeq12)最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T由式(4-13)可知，T包括三部：一部分是折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T;

24、一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩T;還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 T，T相對于T和T很小，可以忽略不計(jì)。則有：設(shè)計(jì)計(jì)算與說明主要結(jié)果 主要結(jié)口果T eq2 = Tt + Tf其中，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T由式(4-14)計(jì)算。本例中在對滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷 F=1609N.m則有：nm = 1250將以上各值代入式(6-15)，算得nm=1250r/minr/mi n設(shè)步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至 n轉(zhuǎn)速所需時間t=0.4s，傳動鏈總效率口 =0.7。則由式(6-14)求得：4丁2兀漢30.35 0

25、0 X1250 K1Ta max =N m a： 1.422 N m由式(4-10)可知，移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上T 1 4221 a max1 fqq的摩擦轉(zhuǎn)矩為：N m丁_4(Fz+G)Phf2計(jì)式中卩導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取0.005;Fz垂直方向的銑銷力，空載時取0;口傳動鏈總效率，取0.7。則由式(6-16)，得：0.005 漢(0 +800)漢0.005Tf 一N .m 用 0.002 N .m2 兀 X0.7 漢 25/12最后由式(6-13)求得快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Teq1 =Teq1 =Tamax *Tf =1.422 N.m1.422 N

26、.m2)最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T由式(4-13)可知，T包括三部：一部分是折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T; 一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩T;還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 T，T相對于T和T很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq2 T +Tf設(shè)計(jì)計(jì)算與說明主要結(jié)果(6-18)其中，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T由式 (4-14)計(jì)算。本例中在對滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時候， 已知沿著 絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷 F=913N.m則有：丁FfR1609 漢0.005 KlnooKITt =N.m 吒2Bi2兀漢 0.7

27、 漢 25/12再由式(4-10)可知，移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸 上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：P(Fz+G)Ph 0.005 匯(556 +800)漢 0.005門“Tf 一 -20i2兀匯 0.7 匯 25/12最后由式(6-18)，求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所 承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Teq2 =Tt +Tf =0.884 N.m經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效 負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：T eq =maxTeq1,Teq2 =1.422 N.m(3) 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選疋 考慮到步進(jìn)電動機(jī) 的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)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)

28、。因此，根據(jù) T來選擇 步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：max 3 4Teq=(6-20)上述初選的步進(jìn)電動機(jī)型號為 90BYG2602由表4-5查得 該型號電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax =6N.m?？梢?，滿足式(6-20) 的要求。(4) 步進(jìn)電動機(jī)的性能校核1)最快工進(jìn)速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作 臺最快工進(jìn)速度 v=400mm/min脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖，由 式(4-16)求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率Tt 托 0 .88N .mT0.004N . mTeq2 =Teq =1.422 N.mTjmax

29、蘭max =6N.m6 =0.005m m/設(shè)計(jì)計(jì)算與說明主要結(jié)果 主要結(jié)口果f=400/(60*0.005)Hz =1333hz 。從 90BYG2602電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖6-24可以看出，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf托，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tmaxf 紀(jì) Teq2 ，滿足要求。Teq2 = 0.884N .m2）最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度v=3000mm/min仿照式（4-16）求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率 f=3000/(60*0.005)Hz=10000Hz。從圖 6-24 查得，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 Tmax=，大于快速

30、空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1 ，滿足要求。4）最快空載移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核與最快空載移動速度v=3000mm/min對應(yīng)的電動機(jī)運(yùn)行頻率為 f=10000Hz。查表4-5可知90BYG260電動機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá) 20000Hz,可見沒有超出上限。5）起動頻率的計(jì)算已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 Jm = 4kg.cm，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任務(wù)負(fù)載時的空載起動頻率fq= 1800Hz （查表4-5）。則由式（4-17）可以求出步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率：fq = 1800Hzfi_ = $= 614HzJ1 +Jeq / Jm上式說明，要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時不

31、失步，任何時候fL = 614Hz的起動頻率都必須小于614Hz=實(shí)際上，在米用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100Hz（即 100脈沖/s）。綜上所述，本例中工作臺的進(jìn)給傳動選用90BYG2602步進(jìn)電動機(jī)，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)電動機(jī)米用半閉環(huán)控制，可在電動機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢驗(yàn)電動機(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)電動機(jī)的步距角相匹配。主要結(jié)果設(shè)計(jì)計(jì)算與說明由步進(jìn)電動機(jī)的步距角 =0 75°,可知電動機(jī)轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時， 需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/=480個步進(jìn)脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)編 碼器輸出的A、B相信號

32、，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，編碼器的分辨力可選120線。這 樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖，電動機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器 對應(yīng)輸出一個脈沖信號。本例選擇編碼器型號為 ZLA-120-05VO-10- H:盤狀空 心型?？讖?0mm與電動機(jī)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(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。圖6-24 90BYG2602步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線四、工作臺機(jī)械裝配圖的繪制在完成直線滾動導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副、齒輪減速箱、步 進(jìn)電動機(jī)，以及旋轉(zhuǎn)編碼器的計(jì)算與選型后，就可以著手繪制工 作臺的機(jī)械裝

33、配圖了。繪圖過程中的有關(guān)注意事項(xiàng)參見本章第一 節(jié)相關(guān)內(nèi)容繪制后的 X-Y數(shù)控工作臺機(jī)械裝配圖如數(shù)后插頁圖 6-23所示。156-25 FD苗Nb呃動屯源接鏡國五、工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺的控制系統(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)電動機(jī)（編碼器）反 饋信號的處理，在軟件上要實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)的控制算法。六、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源的選用本例中X、Y向步進(jìn)電動機(jī)均為90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為常 州寶馬集團(tuán)與公司。查表4-14選擇與之配套的驅(qū)動電源為 BD28Nb 型，輸入電壓100VAC相電流4A,分配方式為二相八拍。該驅(qū)動 電源與控制器的接線方式如圖6-25所示。七、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電動機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動機(jī)的尾部 轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢驗(yàn)電動機(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)電動機(jī)的步距角相匹配。由 步進(jìn)電動機(jī)的步距角0=