XY工作臺(tái)課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)題 目： X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)： 機(jī)械電子工程 班級(jí)： 11機(jī)電1班 姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2014年12月5日目 錄第一章 概述31.1 數(shù)控工作臺(tái)簡(jiǎn)介31.2 設(shè)計(jì)任務(wù)31.3 設(shè)計(jì)思路及意義41.3.1 設(shè)計(jì)思路41.3.2 設(shè)計(jì)意義4第2章 總體方案的確定42.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇42.1.1 導(dǎo)軌副的選用42.1.2 絲杠螺母副的選用42.1.3 減速裝置的選用52.1.4 伺服電動(dòng)機(jī)的選用52.1.5 檢測(cè)裝置的選用52.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6第3章 X-Y機(jī)械部分設(shè)計(jì)63.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量63.2 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算73.3 銑削力的計(jì)算73

2、.4 直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型83.4.1 滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取83.4.2 距離額定壽命的計(jì)算83.5 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型93.5.1 最大工作載荷Fm的計(jì)算93.5.2 最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算93.5.3 初選型號(hào)93.5.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算103.5.5 剛度的驗(yàn)算103.5.6 壓桿穩(wěn)定性校核113.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用113.7步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型123.8 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用17第四章 X-Y數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)174.1 繪制進(jìn)給傳動(dòng)示意圖174.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)184.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用19結(jié) 論20參考文獻(xiàn)21第一章 概述1.1 數(shù)控工作

3、臺(tái)簡(jiǎn)介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)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(xiàn)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)。 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(guān)形式如圖1所示。其中，伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)

4、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(xiàn)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(zhuān)門(mén)廠(chǎng)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(zhuān)用的微機(jī)控制系統(tǒng)。1.2 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=6 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/

5、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170 mm170 mm，加工范圍為200 mm200mm；（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 =300 mm/min。1.3 設(shè)計(jì)思路及意義 設(shè)計(jì)思路1).根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，確定總體設(shè)計(jì)方案；2).機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型，包括工作平臺(tái)、減速箱、滾珠絲桿副、直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等。3). 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選型。4）完成上述計(jì)算后，繪制寄給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝備圖。5).工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第2章 總體方案的確定2.1 機(jī)械傳

6、動(dòng)部件的選擇2.1.1 導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)是用來(lái)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(xiàn)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)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。2.1.2 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(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，要滿(mǎn)足0.005mm的脈沖當(dāng)量和 0.01mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)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。2.1.3 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)

7、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)，所以采用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。2.1.4 伺服電動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書(shū)規(guī)定的脈沖量尚未達(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?xún)r(jià)比。2.1.5 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(kāi)環(huán)控制也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采

8、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。2.2 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(xiàn)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(mǎn)足任務(wù)書(shū)給

9、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(pán)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。系統(tǒng)總體框圖如下圖2所示圖2 系統(tǒng)總體框圖第3章 X-Y機(jī)械部分設(shè)計(jì)3.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量任務(wù)書(shū)中所給定的脈沖當(dāng)量是0.005mm。3.2 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(lái)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(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為800N。3.3 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

10、為碳鋼。則查表得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為： （1）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(chēng)銑削情況下，取最大銑削寬度ae=15mm，銑削深度ap=6mm，每齒進(jìn)給量mm，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式（1）求得最大銑削力： Fc=118150.850.10.7515-0.7361.03000.133 N1124N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查表，結(jié)合圖2，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 =1.1Fc1236.4N，F(xiàn)e =0.38Fc427.12N，F(xiàn)fn =0.25Fc281N， 工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力Fz= Fe =427N，受到

11、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(xiàn)方向），則縱向銑削力Fx= 1236N，徑向銑削力Fy =Ffn= 281N。 3.4 直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型3.4.1 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(xiàn)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。考慮最不利的情況，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： （2） 其中，移動(dòng)部件重量G800N，外加載荷F= Fz=427N，代入（2）式得最大工作載荷PC=627N=0.627kN。查表，根據(jù)工作載荷

12、PC=0.627kN，初選直線(xiàn)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Ca=7.94 kN，額定靜載荷C0a=9.5 kN。任務(wù)書(shū)規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為170mm170mm，加工范圍200mm200mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為520mm。3.4.2 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(guò)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，分別取硬度系數(shù)=1.0，溫度系數(shù)=1.00，接觸系數(shù)=0.81，精度系數(shù)=0.9， 載荷系數(shù)=1.5，得距離壽命： kmpCf

13、ffffLcaWRCTH862650)(3=遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿(mǎn)足要求。 3.5 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型3.5.1 最大工作載荷Fm的計(jì)算 當(dāng)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(xiàn)平行）Fx=1236N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線(xiàn)垂直）Fy =281N，受到垂向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz= 427N。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，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）= 1.11236 + 0.005 ( 427 + 281

14、 + 800 ) N 1367 N3.5.2 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=300mm/min，初選絲杠導(dǎo)程=5 mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph = 60 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=54（單位為：106 r）。查表，取載荷系數(shù)fW =1.2，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)fH=1.0，求得最大動(dòng)載荷：FQ 6200 N3.5.3 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，選擇濟(jì)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

15、， 其公稱(chēng)直徑為20 mm，導(dǎo)程為5 mm，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9309 N，大于FQ，3.5.4 傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱(chēng)直徑d0=20mm，導(dǎo)程Ph=5mm，代入= arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=433。將摩擦角=10，代入=tan / tan(+)，得傳動(dòng)效率 =96.4%。3.5.5 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。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E2.1 Mpa；查表，得滾珠直徑D=3.175mm，絲杠底徑d=16.2 mm，絲杠截

16、面積 S=d/4=206.12mm2。得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量1=Fma/（ES）=1779500/（2.1 206.12） mm 0.0158mm。2）根據(jù)公式 Z( )-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31，代入公：Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力 = /3=456N，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 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=0.0012mm。3）將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）0.0182 mm=18.2m。絲桿的有效行

17、程為330mm，由表知,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(jiàn)絲桿剛度足夠。3.5.6 壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk。查表，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑=16.2 mm，求得截面慣性矩 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(dòng)螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm，得臨界載荷 9343N，遠(yuǎn)大于工作載荷=1367N，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿(mǎn)足使用要求。3.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用為了滿(mǎn)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

18、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彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。圖5 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=5 mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.75，算得減速比： i=(Ph)/(360) =(0.755)/(3600.005)=25:12本設(shè)計(jì)選用大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75:36，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

19、.5 mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。3.7步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型1）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(chēng)直徑=20 mm，總長(zhǎng)l =500mm，導(dǎo)程5mm，材料密度 ；移動(dòng)部件總重量G=800N;小齒輪寬度20mm，直徑=36 mm;大齒輪寬度20mm，直徑=75 mm；傳動(dòng)比i =25/12。參照表，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下（具體計(jì)算過(guò)程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.617，拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣=0.517，小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.259，大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=4.877 。初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，為兩相混合式，二相四拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步

20、距角為0.75，則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 = +(+)/=5.642)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?？焖倏蛰d起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括三部分：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；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。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： =+ （3）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： （4） 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

21、為r/min； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。 其中： （5）式中空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書(shū)指定為3000mm/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，本例=0.005mm/脈沖。將以上各值代入式（5），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=0.4s，傳動(dòng)鏈總效率=0.7。則由式（4）求得：1.42（Nm）當(dāng)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）則由式（6），得：0.002（Nm）最后由式（3），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：= + = 1.422 N （7）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受

22、的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括三部分：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： = Tt + Tf （8）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(xiàn)方向的最大進(jìn)給載荷Fx=1609N ，則折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt有： 0.88（Nm）再計(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： = 0.004（Nm）最后由式（8），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受

23、的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： = Tt + Tf = 0.884 Nm （9） 經(jīng)過(guò)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： = max， = 1.422 Nm3）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，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(mǎn)足： Tjmax 41.422 Nm =5.688 Nm (10) 上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，查表得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax = 6 Nm ?？梢?jiàn)，滿(mǎn)足（10）式

24、的要求。4) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖，可求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 =400/(600.005)Hz 1333Hz。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線(xiàn)圖5可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩5.6Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.884Nm，滿(mǎn)足要求。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(shū)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度=3000mm/min，可求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率=3000/（600.005）Hz =10000Hz。在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=1.8 Nm，大于快速空

25、載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩= 1.422Nm，滿(mǎn)足要求。圖6 90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線(xiàn)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)速度=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率=10000Hz。查表知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的極限運(yùn)行頻率為20000Hz，可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。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電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，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=1800Hz?？汕蟪霾竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：=614Hz上式說(shuō)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

26、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)電動(dòng)機(jī)，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。3.8 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=，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。考慮到增量式旋轉(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，因此，編碼器的分辨率可選120線(xiàn)。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(guò)一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)

27、。選擇編碼器型號(hào)為：ZLK-A-120-05VO-10-H：盤(pán)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。第四章 X-Y數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖所示。 4.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(shū)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(kāi)關(guān)與按鈕信息；（2） 接受限位開(kāi)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

28、-51系列的8位單片機(jī)AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。W27C512用做程序存儲(chǔ)器，存放監(jiān)控程序；6264用來(lái)擴(kuò)展AT89S52的RAM存儲(chǔ)器存放調(diào)試和運(yùn)行的加工程序；8279用做鍵盤(pán)和LED顯示器借口，鍵盤(pán)主要是輸入工作臺(tái)方向，LED顯示器顯示當(dāng)前工作臺(tái)坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報(bào)警功能，并有越位開(kāi)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。圖11 進(jìn)給控制系統(tǒng)原理框圖4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用設(shè)計(jì)中X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為90BYG2602型，生產(chǎn)廠(chǎng)家為常州寶馬集團(tuán)公司。選擇與之匹配的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb型，輸入電壓為1000VAC，相電流為4A，分配方式為二相八拍。該驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線(xiàn)方式如圖所示。BD28Nb型驅(qū)動(dòng)電源接線(xiàn)圖4.4 驅(qū)動(dòng)電路流程設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)