工作臺(tái)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、目錄一、總體 2二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)31、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定32、機(jī)械部件(工作臺(tái))總體尺寸33、工作載荷分析及計(jì)算44、滾珠絲杠螺母副的選型和校核55、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算106、聯(lián)軸器的選擇及計(jì)算117、傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算128、步進(jìn)電機(jī)的選用13三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)181、控制系統(tǒng)硬件的基本組成182、接口程序初始化及步進(jìn)電機(jī)控制程序193、直線圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)22參考文獻(xiàn)30一、 總體1、總體參數(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控XY工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)。該工作臺(tái)可安裝在銑床上，用于銑削加工。已知的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：最大銑刀直徑最大銑削寬度最大銑削深度加工材料工作臺(tái)加工范圍（mm）最大移動(dòng)速度20 mm8 mm4

2、mm碳鋼X=200，Y=1503 m/min2、開(kāi)、半閉、閉環(huán)選擇開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)沒(méi)有檢測(cè)裝置半閉環(huán)伺服系統(tǒng)交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖編碼器速度反饋閉環(huán)伺服系統(tǒng)交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)位置檢測(cè)裝置位置反饋本設(shè)計(jì)采用開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。3、傳動(dòng)初步設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器滾珠絲杠工作臺(tái)4、系統(tǒng)組成框圖大致確定為：控制、接口、驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)再到執(zhí)行。即為5、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖X軸與Y軸的傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖都如圖所示二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定1.1、脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)機(jī)床或工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)所需要的定位精度來(lái)選定脈沖當(dāng)量?？紤]到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本次設(shè)計(jì)給定脈沖當(dāng)量

3、為0.01mm。1.2、傳動(dòng)比的確定傳動(dòng)比計(jì)算公式：專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)（21）其中：為步進(jìn)電機(jī)的步距角，為滾珠絲杠導(dǎo)程，為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。根據(jù)傳動(dòng)設(shè)計(jì)，采用聯(lián)軸器，初選電機(jī)步距角，絲杠導(dǎo)程，。則其傳動(dòng)比2、機(jī)械部件(工作臺(tái))總體尺寸由于工作臺(tái)的加工范圍為X200mm，Y150mm。工作臺(tái)尺寸一般為工作臺(tái)加工范圍的1.1倍。所以：X200×1.1220mm, Y150×1.1165mm，其厚度初定為30mm。選擇工作臺(tái)的型槽為T(mén)型槽，查電子版袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)中的T型槽和相應(yīng)螺栓(摘自GB/T158-1996) 表3-25T型槽和相應(yīng)螺栓尺寸，可得所選T型槽的參數(shù)：A10mm

4、B18mmC8mmH21mm間距取50mm一取工作臺(tái)厚度為T(mén)型槽厚度的2倍，即2×2142mm。工作臺(tái)質(zhì)量：,即縱向絲杠所承受的質(zhì)量。在工作臺(tái)上的工件和夾具的質(zhì)量估計(jì)為所以總的移動(dòng)部件的重量為3、工作載荷分析及計(jì)算3.1銷(xiāo)削力的分析與計(jì)算銑削運(yùn)動(dòng)的主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶動(dòng)工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給（鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)給）。根據(jù)機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教程選銑刀。由表316，根據(jù)最大銑刀直徑d20mm，最大銑削寬度，最大銑削深度選擇莫氏錐柄立銑刀，立銑刀各參數(shù)如下：直徑范圍推薦直徑齒數(shù)>標(biāo)準(zhǔn)系列標(biāo)準(zhǔn)系列粗齒中齒細(xì)齒1923.620223812

5、3346140由表511 高速鋼立銑刀銑平面的銑削進(jìn)給量中選取 ，由專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表22查得高速鋼銑刀銑削力公式，選定銑刀轉(zhuǎn)速，由專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表23查得切削力公式中銑削力系數(shù)，因此銑削力為：由表21和表22中表示每齒進(jìn)給量，即銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)，工件與銑刀的相對(duì)移動(dòng)量，每齒進(jìn)給量、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和工作臺(tái)進(jìn)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)速可得工作臺(tái)進(jìn)給速度3.2進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷計(jì)算作用在工作臺(tái)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(jì)和校核工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為三個(gè)力：工作臺(tái)縱向進(jìn)給力方

6、向載荷，工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷和工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷。工作臺(tái)工作載荷、和與銑刀的切向銑削力之間有一定的經(jīng)驗(yàn)比值。因此，根據(jù)專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表24，查工作臺(tái)載荷與切向銑削力的經(jīng)驗(yàn)比值：銑削條件比值不對(duì)稱(chēng)銑削逆銑順銑圓柱銑、立銑盤(pán)銑和成型銑1.001.200.800.900.200.300.750.800.350.400.350.40求出后，根據(jù)最大的經(jīng)驗(yàn)比算，即可計(jì)算出工作臺(tái)的計(jì)算載荷、和。4、滾珠絲杠螺母副的選型和校核4.1滾珠絲杠螺母副類(lèi)型選擇4.1.1主要類(lèi)型采用回珠器處在螺母之內(nèi)的鋼珠內(nèi)循環(huán)方式，另外，為了消除間隙和提高滾珠絲杠副的鋼度，可以預(yù)加載荷，使它在過(guò)盈的條件下工作，初步選

7、用墊片預(yù)緊式。4.1.2主要參數(shù)及代號(hào)4.1.2.1滾珠絲杠副的主要參數(shù)公稱(chēng)直徑，數(shù)控機(jī)床常用的進(jìn)給絲杠的公稱(chēng)直徑為至，但這是X-Y工作臺(tái)，不用太大，初選。基本導(dǎo)程(螺距)，由步距角、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比確定。精度等級(jí)，一般選用4級(jí)7級(jí)，數(shù)控機(jī)床及精密機(jī)械可選用2級(jí)3級(jí)。它是滾珠絲杠副的重要指標(biāo)，直接影響定位精度、承載能力和接觸剛度。4.1.2.2滾珠絲杠副的標(biāo)注查專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)絲杠的特征代號(hào)見(jiàn)表2-6，初步選擇滾珠絲杠副為FDM1604-3，導(dǎo)軌面的硬度為5864HRC。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第三版第3卷成大先主編 表12-1-17其具體參數(shù)如下：規(guī)格代號(hào)公稱(chēng)直徑公稱(chēng)導(dǎo)程滾珠直徑螺旋升角循環(huán)列數(shù)額

8、定動(dòng)載荷額定靜載荷接觸剛度2504-3254338.2236544.2滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇及校核步驟4.2.1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(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。采用實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算，對(duì)于三角形或綜合導(dǎo)軌專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)（2-12）式中：為工作臺(tái)縱向進(jìn)給力方向載荷，為工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷，G為移動(dòng)部件的重力（N），K和分別為考慮顛覆力距影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，對(duì)于三角形或綜合導(dǎo)軌K1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌，取。所以：4.2.2最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸初選滾動(dòng)絲杠最大動(dòng)載荷C可用下式計(jì)算：專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)（2-14）式中：L為工作

9、壽命，單位為，；n為絲杠轉(zhuǎn)速，；v為最大切削力條件下的進(jìn)給速度，為所預(yù)選的滾珠絲杠的導(dǎo)程，待剛度驗(yàn)算后再確定；t為額定使用壽命（h），可取t=15000h；為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無(wú)沖擊取11.2，一般情況取1.21.5，有沖擊振動(dòng)取1.52.5；為滾珠絲杠工作載荷（N）。初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動(dòng)載荷不得小于最大動(dòng)載荷C；。取，而工作臺(tái)進(jìn)給速度，則工作壽命：則因?yàn)?，所以所選滾珠絲杠螺母副符合最大動(dòng)載荷要求。4.2.3傳動(dòng)效率計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： 專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)（2-15）其中，為絲杠螺旋升角，可由，為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率

10、較高，一般取0.80.9之間，可知，上式傳動(dòng)效率計(jì)算有效。4.2.4剛度驗(yàn)算4.2.4.1絲杠的拉壓變形量滾珠絲杠計(jì)算滿(mǎn)載時(shí)拉壓變形量：專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)（2-15）其中：為在工作載荷作用下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量，為絲杠的工作載荷，L為滾珠絲杠在支承件的受力長(zhǎng)度，取，E為材料彈性模量，對(duì)鋼，A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積，“+”號(hào)用于拉伸，“-”號(hào)用于壓縮。則 4.2.4.2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(zhǎng)度無(wú)關(guān)。有預(yù)緊時(shí)，可以使用下式計(jì)算：專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)（2-17）其中：為滾珠直徑，為滾珠總數(shù)量，Z為一圈的滾珠數(shù)，為滾珠絲

11、杠的公稱(chēng)直徑，為預(yù)緊力，為滾珠絲杠的工作載荷查表可得，由于當(dāng)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(shí)，值可減少一半左右。4.2.4.3滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)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(jī)床進(jìn)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(jí)查出規(guī)定長(zhǎng)度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長(zhǎng)度上的變形量應(yīng)該比它小。否則，應(yīng)考慮選用較大公稱(chēng)直徑的滾珠絲杠。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，滾珠絲杠副行程精度，表12-1-19，在效行程L內(nèi)平均行程變動(dòng)量，根據(jù)機(jī)床的定位精度為可得為0.023mm，。因此所選的滾珠絲杠副剛度符合要求。4.2.5壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算滾珠絲杠長(zhǎng)度確定根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 其中L由1604-

12、3絲杠副中取L=65mm. 故 =250+65+50=365mm 圓整=365mm=200+65+50=320mm 圓整=320mm滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作負(fù)載過(guò)大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失去穩(wěn)定。失穩(wěn)時(shí)的載荷為：專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)（2-18）其中：E為絲杠材料彈性模量，對(duì)鋼，I為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面，（絲杠承載方式系數(shù)，選用一端固定，一端簡(jiǎn)支方式）則較驗(yàn)較長(zhǎng)的絲杠：臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱(chēng)為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于需用穩(wěn)定安全系數(shù)，則該滾珠絲杠就不會(huì)失穩(wěn)。因此，滾珠絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為：因此，所選滾珠絲杠符合穩(wěn)定性要求。4.2.6滾珠絲杠螺母副安裝連

13、接尺寸在確定絲杠副類(lèi)型及型號(hào)及進(jìn)行了傳動(dòng)效率、剛度和穩(wěn)定性校核后，還需要考慮其他一些設(shè)計(jì)事項(xiàng)。比如：避免絲杠外露；螺母在有效行程內(nèi)配置限位裝置，以免越程滾珠流失；滾珠絲杠必須潤(rùn)滑，常用鋰樹(shù)脂；絲杠副螺母安裝連接尺寸等。根據(jù)表2-12和圖2-12內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副（包括浮動(dòng)反向器及固定反向器）滾珠螺母安裝、連接尺寸：規(guī)格代號(hào)公稱(chēng)直徑公稱(chēng)導(dǎo)程滾珠螺母安裝、連接尺寸2504254406653115.5105.75、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算5.1滾動(dòng)導(dǎo)軌本設(shè)計(jì)采用整體型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，因?yàn)樗歉鶕?jù)預(yù)緊訂貨，不需要自己調(diào)整。5.2、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表2-16列出了上海組合夾具廠兩種型號(hào)（SG

14、DA和SGDB）直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的主要參數(shù)，其中為額定動(dòng)載荷，為額定靜載荷。初選GDA20滾動(dòng)導(dǎo)軌，根據(jù)指導(dǎo)書(shū)表2-16可得其導(dǎo)軌參數(shù)，其額定動(dòng)載荷。這個(gè)行走距離稱(chēng)為滾動(dòng)導(dǎo)軌的距離額定壽命，它可根據(jù)滾動(dòng)導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷用下列公式進(jìn)行計(jì)算：專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)（2-20）其中：L為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離壽命，F(xiàn)為每個(gè)滑塊上的工作載荷，為硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為5864HRC時(shí)，1.0，為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過(guò)時(shí)，為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝兩個(gè)滑塊時(shí)，為載荷/速度系數(shù)，無(wú)沖出振動(dòng)或時(shí)，取。 則滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離壽命L：從產(chǎn)品樣本中選定了滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)，計(jì)算距離壽命L或小時(shí)額定壽命，若L或大于滾動(dòng)導(dǎo)軌的

15、期望壽命時(shí)，則滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，初選的滾動(dòng)導(dǎo)軌副即可采用。由于，所以初選的滾動(dòng)導(dǎo)軌副滿(mǎn)足要求。6、聯(lián)軸器的選擇及計(jì)算初步選用GH1系列螺紋線聯(lián)軸器，其特點(diǎn)：重量輕，體積??；高強(qiáng)度鋁合金材料，陽(yáng)極氧化處理；具有抗油污耐腐蝕功能；可吸收振動(dòng)，補(bǔ)償徑向，角度偏差和零回轉(zhuǎn)間隙；適用于馬達(dá)，編碼器，絲桿傳動(dòng)，機(jī)床平臺(tái)；微電機(jī)等精密產(chǎn)業(yè)機(jī)械。初選：GH1-19- ，其中：GH1表示系列號(hào)，19表示外徑為19mm。注:系列號(hào)后面不帶C為頂緊固定方式外型尺寸:(單位為mm)規(guī)格型號(hào)DLL1M可做最大內(nèi)徑GH2-32-32416.0M414技術(shù)參數(shù)規(guī)格型號(hào)扭矩（N/M）糾纏能力最高轉(zhuǎn)速(rpm)擰緊力矩(N.m)額

16、定最大徑向(mm)軸向(mm)角度(0)GH1-19-4.590.15±0.11.0100001.7GH1-19-，由計(jì)算得出，其中一個(gè)為絲杠跟聯(lián)軸器連接尺寸，另一個(gè)為電機(jī)軸跟聯(lián)軸器的配合尺寸。已知可做最大內(nèi)徑為10，則選絲杠端與聯(lián)軸器配合尺寸為10mm。7、傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算由于傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸的折算問(wèn)題。最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。7.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算基本公式對(duì)于軸、軸承、聯(lián)軸器、絲杠等圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式，當(dāng)鋼材材料密度為時(shí)，有 指導(dǎo)書(shū)（2-3）P7其中：D為圓柱體直徑，L為

17、圓柱體長(zhǎng)度。7.2、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算7.2.1滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算根據(jù)滾珠絲杠慣量折算到電機(jī)軸上為：，為絲杠與電機(jī)軸之間的總傳動(dòng)比。根據(jù)滾珠絲杠的公稱(chēng)直徑，其長(zhǎng)度則7.2.2工作臺(tái)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸（圖2-2）上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式進(jìn)行： 指導(dǎo)書(shū)（2-6）P8其中：為絲杠導(dǎo)程，為工作臺(tái)質(zhì)量。則其等效工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：7.2.3聯(lián)軸器等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算對(duì)于聯(lián)軸器按其外徑計(jì)算，長(zhǎng)度為，則其等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：7.2.4傳動(dòng)系統(tǒng)各部件折算到電機(jī)上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：則8、步進(jìn)電機(jī)的選用根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，輸出轉(zhuǎn)角（步距角）無(wú)長(zhǎng)期積累誤差，每轉(zhuǎn)一圈積累誤差會(huì)自動(dòng)消失。啟動(dòng)、停止

18、、反轉(zhuǎn)及其他運(yùn)行方式的改變，都可以在少量的脈沖周期內(nèi)完成并且具有定位轉(zhuǎn)矩。8.1步距角的選擇定位精度要求較高，運(yùn)行范圍較廣的控制系統(tǒng)，應(yīng)選用步距角較小，運(yùn)行頻率較高的步進(jìn)電機(jī)。已知脈沖當(dāng)量，絲杠的導(dǎo)程=4mm由公式2-23 即步進(jìn)電機(jī)的步距角8.2步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的選擇步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩（靜止?fàn)顟B(tài)），是選擇步進(jìn)電機(jī)的最基本的參數(shù)。步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算 (2-24)其中為空載啟動(dòng)力矩；為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止上升到最大快進(jìn)速度時(shí)，折算到電機(jī)上的力矩；為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。加速度力矩由 初設(shè)運(yùn)動(dòng)部件從靜止

19、啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間。則 加速度力矩空載摩擦力距空載摩擦力矩： 專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)(2-27)式中：G為運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N），；為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，；為傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般取=0.70.85。則附加摩擦力距附加摩擦力距：專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)(2-28)其中：為滾珠絲杠預(yù)加載荷，即預(yù)緊力，一般取的1/3；為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取。則：步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：根據(jù)表2-17步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩關(guān)系步進(jìn)電機(jī)相數(shù)三相四相五相六相拍數(shù)36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866選取步進(jìn)電機(jī)為四相八拍式，算出步進(jìn)電機(jī)空載啟

20、動(dòng)時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩則 8.3總負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件正常工作，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)為帶負(fù)載啟動(dòng)，其總負(fù)載轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算：專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)(2-20)其中：為作用在工作臺(tái)的合力F折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)下式算出運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩：按和中的較大者選取步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，并要求根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩和步距角在表2-18 BF反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)表中初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)：電機(jī)型號(hào)步距角最大靜轉(zhuǎn)矩最高空載啟動(dòng)頻率運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分配方式質(zhì)量外形尺寸外徑長(zhǎng)度軸徑90BF0010.93.922000800017.64四相八拍4.59014598.4啟動(dòng)矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)，快速進(jìn)

21、給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核前面進(jìn)行是對(duì)初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿(mǎn)足要求，但是不能保證電機(jī)在快速啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。如右圖所以為90BF001步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩步特性曲線。已知空載啟動(dòng)力矩找得對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率，。由于90BF001步進(jìn)電機(jī)的最高空載啟動(dòng)頻率為2000，所以，即電機(jī)不失步。運(yùn)行矩頻特性校核要對(duì)快速進(jìn)給運(yùn)行和工作進(jìn)給運(yùn)行兩種工況分別校核，確保快進(jìn)和工進(jìn)時(shí)均不丟步。如右圖所示為90BF001步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線。1、快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率可按式(2-33)快速進(jìn)給時(shí)已經(jīng)不存在加速力矩項(xiàng)，并且一般快進(jìn)時(shí)處于空

22、載狀態(tài)，故快進(jìn)力矩的計(jì)算公式只保留了，則快進(jìn)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩從90BF001步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線，根據(jù)可找得，而實(shí)際步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率，所以，快進(jìn)時(shí)電機(jī)不丟步。工進(jìn)運(yùn)行矩頻特性校核工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率摩擦力矩工作負(fù)載力矩折算到電機(jī)上的力矩工進(jìn)時(shí)電機(jī)運(yùn)行力矩根據(jù)工進(jìn)頻率，查90BF001步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線，得，而電機(jī)，所以步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)不會(huì)失步。驗(yàn)算慣量匹配電動(dòng)機(jī)軸上的總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)矩慣量與電機(jī)軸自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大，也不應(yīng)太少，即伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于負(fù)載特性，由于工作條件的變化而引起的負(fù)載質(zhì)量、剛度、阻尼等的變化，

23、將導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性也隨之產(chǎn)生較大變化，使伺服系統(tǒng)綜合性能變差，或給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成困難。如果該比值太小，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)選擇或傳動(dòng)比設(shè)計(jì)不太合理，經(jīng)濟(jì)性較差。為使該系統(tǒng)慣量達(dá)到較合理的匹配，一般應(yīng)將比值控制在之間。，由此可見(jiàn)，符合慣量匹配要求。8.5步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸步進(jìn)電機(jī)的安裝比較簡(jiǎn)單，不帶機(jī)座，用定位止扣進(jìn)行安裝定位，以保證步進(jìn)電機(jī)安裝的同軸度。小尺寸電機(jī)的安裝面上有螺孔供安裝，大尺寸電機(jī)的安裝面上有通孔供安裝。三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、 控制系統(tǒng)硬件的基本組成1.1 微處理器選擇在以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中，大多數(shù)采用MCS-51系列單片機(jī)的8031芯片，經(jīng)過(guò)擴(kuò)展存儲(chǔ)器、接口和面板操作開(kāi)關(guān)等，組成

24、功能較完善、抗干擾性能較強(qiáng)的控制系統(tǒng)。8031內(nèi)部包含一個(gè)8位CPU，128字節(jié)的RAM，兩個(gè)16位的定時(shí)器，四個(gè)8位并行口，一個(gè)全雙工串行口，可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各64K，有5個(gè)中斷源。1.2 系統(tǒng)擴(kuò)展系統(tǒng)中采用鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)輸入，并采用LED顯示器，它們均需要占用較多芯片口線，所以該系統(tǒng)需要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。可編程并行接口8255A是一種應(yīng)用廣泛的并行接口擴(kuò)展器件。它具有三個(gè)8位并行口PA、PB、PC，由此提供了24條口線。1.3 顯示模塊與鍵盤(pán)連接如圖3-2，通過(guò)P1口及譯碼器的鍵盤(pán)和顯示接口電路。這里由P1口的準(zhǔn)雙向口功能可以實(shí)現(xiàn)一口多用。首先，使P1口的低4位輸出字形代碼；P1口的高4位輸

25、出一個(gè)位掃描字，經(jīng)38譯碼器后顯示某一位，并持續(xù)1ms。各位掃描一遍之后，關(guān)掉顯示。其次，使P1口的高4位轉(zhuǎn)為輸入方式，使P1口的低4位輸出鍵掃描信號(hào)，有鍵按下時(shí)，轉(zhuǎn)入鍵譯碼和處理程序。圖32 通過(guò)P1口及譯碼器的鍵盤(pán)和顯示接口電路1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)主要涉及脈沖分配器的選擇問(wèn)題和驅(qū)動(dòng)電路的選擇問(wèn)題。時(shí)下脈沖分配器主要有兩種：一種是硬件脈沖分配器（國(guó)內(nèi)主要有YB系列），另外一種是軟件脈沖分配器。軟件脈沖分配器不需要額外的電路，相應(yīng)的降低了系統(tǒng)的成本，雖然這種方法占用了一定的計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間，但是在該設(shè)備中計(jì)算機(jī)有足夠的資源來(lái)?yè)?dān)當(dāng)買(mǎi)中分配任務(wù)。該系統(tǒng)采用軟件來(lái)經(jīng)行脈沖

26、分配更為合理。單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口電路如圖33。圖33 單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口電路2、接口程序初始化及步進(jìn)電機(jī)控制程序2.1 8255A初始化程序INTT: MOV DX, 8255A控制端口MOV AL, 86HOUT DX, ALMOV AL, 05HOUT DX, AL2.2 40H類(lèi)型中斷服務(wù)程序MOV DX, 8255AIN AL, DXIRET2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 電機(jī)的控制電路原理及控制字節(jié)拍通電相控制字正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)二進(jìn)制十六進(jìn)制18A0000000101H27AB0000001103H36B0000001002H45BC0000011006H54C0000010004H63C

27、D0000010105H72D0000011006H81DA0000011107H設(shè)電機(jī)總的運(yùn)行步數(shù)放在R4，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶(hù)標(biāo)志位F1（D5）中，當(dāng)F1為0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，為1時(shí)則反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時(shí)P1端口的輸出控制字01H,03H,02H,06H,04H,05H存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元20H27H中，28H中存放結(jié)束標(biāo)志00H，在29H2EH的存儲(chǔ)單元內(nèi)反轉(zhuǎn)時(shí)P1端口的輸出控制字01H,05H,04H,06H,02H,03H,在2DH單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志00H。電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序PUSH A ；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)MOV R4, #N ；設(shè)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器CLR C；ORL C, D5H ；轉(zhuǎn)向標(biāo)

28、志為1轉(zhuǎn)移JC ROTE；MOV R0, #20 ；正轉(zhuǎn)控制字首址指針AJMP LOOP；ROTE: MOV R0, #27H ；反轉(zhuǎn)控制字首地址LOOP: MOV A, R0；MOV P1, A ；輸出控制字ACALL DELAY ；延時(shí)INC R0 ；指針加1MOV A, #00H；ORL A, R0；JZ TRL；LOOP1: DJNZ R4, LOOP ；步數(shù)步為0轉(zhuǎn)移POP A ；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)RET； ；返回TPL: MOV A, R0；CLR A；SUBB A, #06H；MOV R0, A；恢復(fù)控制字首指針AJMP LOOP1；DELAY: MOV R2, #M；DELAY1: MO

29、V A, #M1；LOOP: DEC A；JNZ LOOP；DJNZ R2, DELAY1；RET；3、直線圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)在機(jī)電設(shè)備中，執(zhí)行部件如要實(shí)現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線的路徑運(yùn)動(dòng)，必須通過(guò)兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的合成來(lái)完成。在數(shù)控機(jī)床中，這是由X、Y兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)，按照插補(bǔ)控制原理實(shí)現(xiàn)的。3.1直線插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì)用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算，每走一步，都需要以下四個(gè)步驟：偏差判別：判別偏差或，從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算公式。坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號(hào)，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個(gè)方向進(jìn)給。偏差計(jì)算：進(jìn)給一步后，計(jì)算新的加工偏差。終點(diǎn)判別：進(jìn)給一步后，終點(diǎn)計(jì)算器減1.

30、若為0，表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)；不為0，則返回到第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)算判別可用兩個(gè)方向坐標(biāo)值來(lái)判斷，也可由一個(gè)方向的坐標(biāo)值來(lái)判斷。當(dāng)，可用X方向走的總步數(shù)作為終點(diǎn)判別的依據(jù)，如動(dòng)點(diǎn)X等于終點(diǎn)則停止。當(dāng)，則用Y方向走的總步數(shù)作為終點(diǎn)判別的依據(jù)。由此，第一象限直線插補(bǔ)程序的算法如圖：程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)程序時(shí)，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值、，動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值X,Y，偏差。對(duì)8位機(jī)，一般可用2字節(jié)，而行程較大時(shí)則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿(mǎn)足長(zhǎng)度和精度要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進(jìn)行初始化，如設(shè)置初始值、X、Y向步進(jìn)電機(jī)初態(tài)（控制字）。插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXY電機(jī)正反轉(zhuǎn)

31、控制字電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：D0D1D2D3D4D5D6D7D1D0為X向電機(jī)控制位。D0=1運(yùn)行，D0=0停止；D1=1正轉(zhuǎn)，D1=0反轉(zhuǎn)。D2D3為Y向電機(jī)控制位。D2=1運(yùn)行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。第一象限直線插補(bǔ)的程序如下：ORG 2000HMIAN: MOV SP, #60H；LP4: MOV 28H,#0C8H； MOV 29H,#0C8H； MOV 2AH,#00H； X MOV 2BH,#00H； Y MOV 2EH,#00H； F MOV 70H,#0AH；LP3: MOV A,2EH； JB ACC.7,LP1 MOV A,70H SETB ACC.0 C

32、LR ACC.2 MOV 70H,A； LCALL MOTR； LCALL DELAY； MOV A,2EH；SUBB A,29；INC 2AH；AJMP LP2；LP1: MOV A,70H STEB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A,2EH ADD A,28HLP2: MOV 2EH,A MOV A,28H CJME A,2AH,LP3 RETEND程序中MOTR為步進(jìn)電機(jī)的控制子程序。3.2圓弧插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì)逐點(diǎn)比較法逐點(diǎn)比較法的圓弧的插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程和直線插補(bǔ)過(guò)程基本相同，也分為偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)步驟。不同點(diǎn)在

33、于：（1）偏差計(jì)算公式步進(jìn)與前一點(diǎn)偏差有關(guān)，還與前一點(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān)，在計(jì)算偏差的同時(shí)要進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。（2）終點(diǎn)的判別是以一個(gè)方向的坐標(biāo)值與終點(diǎn)坐標(biāo)值相比較判斷其是否相等為判據(jù)。若，則以X是否等于作為終點(diǎn)判據(jù)；若，則以Y是否等于作為終點(diǎn)判據(jù)。第一象限逆圓弧插補(bǔ)程序算法如圖：程序設(shè)計(jì)和直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)一樣，也在內(nèi)存中開(kāi)辟存儲(chǔ)單元用以存放有關(guān)數(shù)據(jù)。在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放懂點(diǎn)坐標(biāo)X和Y，其初始值為起點(diǎn)坐標(biāo)值，其后依據(jù)坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果而變化，存放終點(diǎn)坐標(biāo)值，以及存放偏差飛存儲(chǔ)單元。第一象限逆圓弧插補(bǔ)程序如下： XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29HL EQU 1AHH EQU 1BHL EQU 2AHH EQU 2BH FL EQU 2CH FH EQU 2DHORG 2400HMAIN: MOV SP,#60H; MOV 70H,#08H; MOV XL,#80H;XL MOV XH,#0CH;XH MOV L,#80H;L MOV H,#0CH;H MOV L,#00H;L MOV H,#00H;H MOV YL,#00H;YL MOV YH,#00H;YH MOV FL,#00H;FL MOV FH,#00H;FHLP3: MO