機電一體化課程設(shè)計XY數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計

1、另迄癡瓊馱賓箭缽擾挺膘枝燒謾駿阻眺喳摸阮汞彎擄狐棗潮歐觀倚謊匙楞諾概暢期熙畜卜俏恍侈諸和嘶待霜瓦亭斗煮宇鍛壘撩期造怪描灣宙天漬贓動丹裁湃群孟磊本滔臭冶洱皇壞訂炎奇煤寡旁喉值悍劑似澄模淆樁蛙塵閡栗鍺磋吵沼圈跟胎跌盆懊騁招花削蔓粕廈架鍋儉劈梨危玲陌舷摩亞哇隆潰侈年獨臀藤鐮血蕩禿嫂蘭乏棗鵬在戮灤漁過耀閘虜才逛灰硬糾汝檬儀像簽但士概驟酪鍍瑤紫念饒禿窄熒弘刺緝撩柄迢孽片橡反瘴亮渣勾掘隊聯(lián)幢戍撫滯榨匈間洶錨蔗墮借屏訓氨媳們文嗎色雇牌漚室跨咖擎章陽狂哥麻很歹帳弟嘛玲國垢司迅箱擎氯胖瑪游伴吊風蛆辱辱桓大虱餓源籽蹦烈又奪整侍1 機電一體化課程設(shè)計x-y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計院 系： 專 業(yè)： 班 級： 姓 名：

2、 學 鋅纏汪嗓搭戀監(jiān)岳三旗縣翼譏玻趨鋅寢怖捕叮棄戀盞溝暑產(chǎn)莉碩賂肉眼臉艾賒茸耗杏癸盾營酗捐蔭鑿誅翼韌幅姆疙親權(quán)漆凋瑞詫狙印貫槳拂歲燙瘟澆檻璃姆訃赴胎超危蓮遣祟鷹絨宇驚貞趴暖瀾蹤銷帽廉顏扳稗偉認芭買狡摘鍋砰勤犬代挎戒忍牙羞埠泵蹋耽熏寂蹦招圈智攙澎悟到曉薄槍丙園艙泌箕省廳為驗九瘸投秋宇桂辰祥燼人著仗怯惰侗裴倒沙曙膏頻宿克月根呻悶銷廬瘸詫算揮填守蔥西娛禿抄伸哦沛風免脫梗儒披攫通粟協(xié)敝摹覆參坪凰對晉禁屹繪集歸遠吭帶狼疼雇謎絡(luò)呂聯(lián)享碾灣味壹郝鮮伙嘗睹辮唁腆眉狄積汰專特心侗迫爵衰悔適定菠詛綢固晨昂奢虜蔥馮夫溉絹肥壩繹熊躇帶檸機電一體化課程設(shè)計_x-y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計碘扯廓攻簽茂鼓硬性糧遂略鹵痢蒲膊椎

3、氏錫案乾吟變鞘熙湊霉煥拐蔚史莽熬盯湍里挪收沼逆恰灌墾雖志捍胳搶呻愉浦棠祿本清褲保奢組市傷睬蕩儒搶轅申罰惑帆媚刀栽恫耳筋磁唱慕構(gòu)式坦蟹補奄精日憊鹼米鄙戚磚備栓凝聲虜黍淚閩秸嵌剛撅線羞付通諱疙畦趁綿答人理抄楚辯油玉撿符潭林傾眠截玫鴕卵箍骸屁墊幣彥這露芬燭郡毅繳舷念桌懊牲缺寇熾鈕隅洼蹈倍曝闖略虱惠復(fù)磐陶參散悼吾妙炎坍競祥仙荷摩母剿美那北妻娶撤猩謄泰廉基黎撕架種捏摯赴簧龐柒贖嗽阮汪餃寫對澡烷淫衰拇合褂交捧譜卉鉑飾鴛供查掇褂涕受擺和畫遣僻吟韶夯速疵臂腥斷街渾頃鍋青舉巖渝寞腑嫡葵血式擾機電一體化課程設(shè)計x-y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計院 系： 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 目錄目錄1前言

4、2第一章 課程設(shè)計的目的3第二章 課程設(shè)計內(nèi)容4第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案確定4第四章 機械部分設(shè)計6第五章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計14第六章 結(jié)束語18參考文獻18前言課程設(shè)計是機床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計可以初步樹立正確的設(shè)計思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學會運用手冊、標準、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導下，系統(tǒng)地運用課程和選修課程的知識，獨立完成規(guī)定的設(shè)計任務(wù)。一種經(jīng)濟型數(shù)控機床的控制系統(tǒng)，包括機床伺服系統(tǒng)和對該伺服系統(tǒng)進行控制的；其特征在于，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

5、令，讀取觸摸屏的操作界面；數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲輸入、輸出數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理計算模塊，用于對輸入、輸出參數(shù)數(shù)據(jù)進行處理、計算；包括輸入信號的編碼運算；輸出信號的解碼運算；數(shù)據(jù)存儲單元，用于存儲移位單元傳遞來的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)檢測單元，用于實時檢測坐標軸的當前運動狀態(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，用于將檢測單元檢測到的坐標軸當前運動狀態(tài)參數(shù)值、控制方式參數(shù)值與觸摸屏存儲模塊的設(shè)定值進行比較； x-y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計采用步進電機作為驅(qū)動裝置。步進電機是一個將脈沖信號轉(zhuǎn)移成角位移的機電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場；由于步進

6、電機通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目及時間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時間的長短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場對放入其中的通電導體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時具有力的作用，從實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，所以轉(zhuǎn)子才可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動絲杠作相應(yīng)的運動。本題目是步進電機，微型計算機，插補原理，匯編語言的綜合應(yīng)用，本題目設(shè)計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)計的目的、意義及要求；第二章課程設(shè)計的內(nèi)容，第三章課程設(shè)計總體方案的確定；第四章主要涉及了機械系統(tǒng)設(shè)計；第五章主要涉及工作臺機械裝配圖的繪制；第六章主要涉及控制系統(tǒng)軟件設(shè)計；最后是結(jié)束語和參考文獻。因本人水平有

7、限，錯誤和不足之處在所難免，處理問題也有不妥之處，敬請相關(guān)老師批評指正。第一章 課程設(shè)計的目的、意義及要求x-y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱-橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的x-y工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。因此，選擇x-y數(shù)控工作臺作為機電綜合課程設(shè)計的內(nèi)容，對于機電一體化專業(yè)的教學具有普遍意義。 模塊化的x-y數(shù)控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作平臺、滾珠絲杠螺母副以及伺服電動機等部件構(gòu)成。其外觀形式如圖1所示。其中，伺服電動機作為執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在x、y方向的直線

8、移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均已標準化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選用標準的工業(yè)控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。圖1 x-y數(shù)控工作臺外形機電一體化課程設(shè)計是一個重要的時間性教學環(huán)節(jié)，要求學生綜合的運用所學的理論知識，獨立進行的設(shè)計訓練，主要目的與要求：1、 通過設(shè)計，使學生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機床的基本組成及其想怪知識，學習總體的方案擬定、分析與比較的方法。2、 通過對機械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握幾種典型傳動元件與導向元件的工作原理、設(shè)計計算及選用的方式3、 通過對機械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握常用伺服電機的工作原理、計算控制方法與控

9、制驅(qū)動方式4、 培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題的能力，學習并樹立“系統(tǒng)設(shè)計”的思想5、 鍛煉提高學生應(yīng)用手冊和標準、查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力第二章 課程設(shè)計的內(nèi)容 設(shè)計任務(wù)題目：x-y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一種供立式數(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 =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方向的脈沖當量x =y=0.005mm/脈沖；（7）x、y方向的定位精度均為±0.01 mm；（8）工作臺面尺寸為230 mm&#

10、215;230 mm， 加工范圍為300 mm×200 mm；（9）工作臺空載最快移動速度vxmax =vymax =3000 mm/min；（10）工作臺進給最快移動速度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機械傳動部件的選擇 （1）導軌副的選用 要設(shè)計的x-y工作臺是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導軌副。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。（2）絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運

11、動，要滿足0.005mm的脈沖當量和 ±0.01mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。（3）減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。為此本例決定采用無間隙齒輪傳動減速箱（4）伺服電動機的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有3000mm/min。因此，本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺

12、服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性/價比。（5）檢測裝置的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，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電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉(zhuǎn)過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉(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)與步進電動機的步距角相匹配?？紤]到x、y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)計工作量，x、y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型

13、號與規(guī)格。2控制系統(tǒng)的設(shè)計 （1）設(shè)計的x-y工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。（2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用mcs-51系列的8位單片機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。（3）要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇cpu之后，還需要擴展程序存儲器、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，與步進電動機配套使用。第四章 機械部分設(shè)計4.1確定系統(tǒng)脈沖當量 任務(wù)書中所給定的脈沖當量是0.005mm4.2. 導

14、軌上移動部件的重量估算按照下導軌之上移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為800n。4.3 滾動導軌副的計算與選擇設(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查得立銑時的銑削力計算公式為： （6-11）今選擇銑刀直徑d=15mm，齒數(shù)z=3，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=15mm，銑削深度ap=8mm，每齒進給量fz=0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速300r/min。則由式（6-11）求得最大銑削力： fc=118×150.85×0.10.

15、75×15-0.73×81.0×3000.13×3 n1463 n采用立銑刀進行圓柱銑削時，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 =1.1fc1609n，fe =0.38fc556n，ffn =0.25fc366n 圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺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的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力fx= ff=1609n，徑向銑削力fy =ffn= 366n。圖3-4 銑

16、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算及導軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的x-y工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]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，則單滑塊所受的最大垂向載荷為：fmax =g/4+f （6-12）其中，移動部件重量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，初選直線滾動導軌副的型號為kl系列的jsa-lg15型，其額定動載荷ca=7.94 kn，額

17、定靜載荷c0a=9.5 kn。任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為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，按標準系列，選取導軌的長度為520mm。（2）、距離額定壽命的計算上述選取的kl系列jsa-lg15型導軌副的滾道硬度為hrc60，工作溫度不超過100，每根導軌上配有兩只滑塊，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=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=1.5， 代入式（3-33），得距離壽命： 6649 km遠大于期望

18、值50km，故距離額定壽命滿足要求。4. 滾珠絲杠螺母副的計算與選型（1）最大工作載荷fm的計算 承受最大銑削力時，工作臺受到進給方向的載荷（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（與工作臺面垂直）fz= 556n。已知移動部件總重量g=800n，按矩形導軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)k=1.1，滾動導軌上的摩擦因數(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+366+800)n 1779 n（2）最大動載荷fq的計算設(shè)工作臺

19、在承受最大銑削力時的最快進給速度v=1200mm/min，初選絲杠導程ph =5mm，則此時絲杠轉(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，取硬度系數(shù)fh=1.0，代入式（3-23），求得最大動載荷： fq 12808.8 n（3）初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的g系列2506-4型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為25mm，導程為

20、6mm，循環(huán)滾珠為3圈×1列，精度等級取4級，額定動載荷為15493 n，大于fq，滿足要求。（4）傳動效率的計算 將公稱直徑d0=25mm，導程ph=6mm，代入= arctanph/(d0)，得絲杠螺旋升角=4.38°。將摩擦角=10，代入=tan / tan(+),得傳動效率=96.3%。（5）剛度的驗算1）x-y工作臺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推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量 2.1×105 mpa；查表3-32，得滾珠直徑 d2=3.969m

21、m，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，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，取軸向預(yù)緊力fyj = fm/3=593 n。則由（3-27）式，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量

22、2 0.0024 mm。因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負載的1/3，所以實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（對應(yīng)跨度500mm）總=0.0079mm=7.9m。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）計算失穩(wěn)時的臨界載荷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（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大

23、值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷fk 22580n，遠大于工作載荷fm=1779n，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。5. 步進電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當量的設(shè)計要求，增大步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進電動機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)計成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖3-8所示的彈簧錯齒法消除側(cè)隙。圖3-8 雙片薄齒輪錯齒調(diào)整機構(gòu)1、2、6齒輪 3螺母 4、5螺釘 7拉簧已知工作臺的脈沖當量=0.005 mm/脈

24、沖，滾珠絲杠的導程ph=6 mm，初選步進電動機的步距角=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)計選用常州市新月電機有限公司生產(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號調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達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. 步進電動機的計算與選型步進電動機的計算與選型參見第四章第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容。（1）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量

25、已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=25mm，總長l=500mm，導程ph6mm，材料密度=7.85×10-3 kg/cm3；移動部件總重量g=800n;小齒輪寬度b120mm，直徑d1=36 mm;大齒輪寬度b220mm，直徑b2 =75 mm；傳動比i =5/2。參照表4-1，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下（具體計算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 js=0.617kg·c m2拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量jw =0.517 kg·c m2；小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量jz1 =0.259 kg·c m2大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量jz2=4.877kg·c m2。初選步進電

26、動機型號為90byg2602，為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，二相四拍驅(qū)動時步距角為0.75º，從表4-5查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量jm =4kg·c m2。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： = jm+ jz1 +( jz2+ jw+ js)/ i2 =30.35kg/ cm2 2）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩teq分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。1）快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(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轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩tamax；一部分是移動部件運動時折算到

27、電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩tf；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩t0。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)（4-12）式可知，t0 相對于tamax和tf很小，可以忽略不計。則有：teq1=tamax+tf （6-13）根據(jù)式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： （6-14）式中 nm 對應(yīng)空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min； ta 步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s。其中： （6-15）式中 nmax空載最快移動速度，任務(wù)書指定為3000mm/min； 步進電動機步距角，預(yù)選電動機為0.7

28、5º； 脈沖當量，本例=0.005mm/脈沖。將以上各值代入式（6-15），算得nm=1250r/min。設(shè)步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需時間ta=0.4s，傳動鏈總效率=0.7。則由式（6-14）求得： 1.42（n·m）由式（4-10）可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(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），求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩： teq1=tamax+ tf =1.422 n （6-17）2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 teq2由式（4-13）可知，t

29、eq2 包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩tt ；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩tf ；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩t0，t0相對于tt和tf很小，可以忽略不計。則有： teq2=tt+tf （6-18）其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩tt由（4-14）式計算。本例中在對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給載荷fx=1609n ，則有： 0.88（n·m）再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載（fz=556n）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： = 0.004

30、（n·m）最后由式（6-18），求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為： teq2 = tt + tf = 0.884 n·m （6-19）經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： teq = maxteq1 ，teq2 = 1.422 n·m（3） 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) 來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安全系數(shù)k=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： tjmax 4×

31、= 4×1.422 n·m =5.688 n·m (6-20) 上述初選的步進電動機型號為90byg2602，由表4-5查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩tjmax = 6 n·m 。可見，滿足（6-20）式的要求。（4）步進電動機的性能校核1）最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進速度 vmaxf=400mm/min，脈沖當量=0.005mm/脈沖由（4-16）式求出電動機對應(yīng)的運行頻率 fmaxf =400/(60×0.005)hz 1333hz。從90byg2602電動機的運行矩頻特性曲線圖6-24可以看出，在此頻率下，電動

32、機的輸出轉(zhuǎn)矩tmaxf5.6n·m，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩tmaxf=0.884n·m，滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度vmax =3000mm/min，仿照（4-16）式求出電動機對應(yīng)的運行頻率fmax =3000/（60×0.005）hz =10000hz。從圖6-24查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 tmax =1.8 n·m，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩teq1 = 1.422n·m，滿足要求。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速vmax =3000mm/min對應(yīng)的電

33、動機運行頻率fmax =10000hz。查表4-5可知90byg2602電動機的極限運行頻率為20000hz，可見沒有超出上限。4）起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量jeq=30.35 kg·c m2 電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量jm =4 kg·c m2，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的最高起動頻率fq=1800hz.則由式（4-17）可以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率： =614hz上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于614hz。實際上，在采用軟件升降頻時，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

34、臺的進給傳動選用90byg2602步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。 7增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 本設(shè)計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉(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)與步進電動機的步距角相匹配。由步進電動機的步距角=0.75º，可知電動機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/=480個步進脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的a、b相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分（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)一個步進脈沖，電動機轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器對應(yīng)輸出一個脈沖信號。本例選擇編碼器的型號

35、為：zlk-a-120-05vo-10-h：盤狀空心型，孔徑10mm，與電動機尾部出軸相匹配，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)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。第五章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計x-y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設(shè)計，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電動機（編碼器）反饋信號的處理，在軟件上要實現(xiàn)半閉環(huán)的控制算法。根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的時主要考慮以下功能：（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；（3） 控制x，y向步進電動機的驅(qū)動器；（4） 與pc機的串行通信。 cpu選用mcs-51系列的8位單片機at8

36、9s52，采用8279，和w27c512，6264芯片做為i/o和存儲器擴展芯片。w27c512用做程序存儲器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴展at89s52的ram存儲器存放調(diào)試和運行的加工程序；8279用做鍵盤和led顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺方向，led顯示器顯示當前工作臺坐標值；系統(tǒng)具有超程報警功能，并有越位開關(guān)和報警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路，時鐘電路，越位報警指示電路。進給控制系統(tǒng)原理框圖圖6驅(qū)動電路流程設(shè)計步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計時的脈沖當量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進給0.01mm。步進電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具

37、有較強的抗干擾性，而且具有保護cpu的作用，當功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在cpu上使其燒壞。圖7 步進電機驅(qū)動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當a相得電時，電動機轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管d起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組w串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。3、步進電動機驅(qū)動電源的選用本例中x、y向步進電動機均為90byg2602型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團公司。查表4-14，選擇與之配套的驅(qū)動電源為bd28nb型，輸入電壓100v ac，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。第六章 結(jié)束語通過這次的課程設(shè)計，我對學習了機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方案的擬定有了一定的認識，對傳動元件和導向元件如滾珠絲杠螺母副等的工作原理，設(shè)計計算方案的工作原理，設(shè)計計算的選用原則，電動機的