數(shù)控銑床X-Y工作臺設(shè)計(jì)

1、數(shù)控銃床X-Y1：作臺設(shè)計(jì)目錄1弓I言：32. 設(shè)計(jì)任務(wù)43. 總體方案的確定43. 1機(jī)械傳動部件的選擇43. 1. 1導(dǎo)軌副的選用3.1.2絲杠螺母副的選用3.1.3減速裝置的選用3. 1.4伺服電動機(jī)的選用3. 1. 5檢測裝置的選用3.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)43. 3繪制總體方案圖64. 機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選型64. 1導(dǎo)軌上移動部件的重量估算64.2銃削力的計(jì)算64.3直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（縱向）74. 3. 1塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取4. 3.2距離額定壽命L的計(jì)算4.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型74. 4. 1最大工作載荷Fm的計(jì)算4.4.2最大動工作載荷FQ的計(jì)算

2、4.4.3初選型號4.4. 4傳動效率n的計(jì)算4.4.5剛度的驗(yàn)算4. 4. 6壓桿穩(wěn)定性校核4.5步進(jìn)電動機(jī)減速箱的選用94.6步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型84. 6. 1計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Je,4. 6. 2計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq4.6.3步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定4.6.4步進(jìn)電動機(jī)的性能校核5. 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用126. 繪制進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖 147. 工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)158. 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源選用 169. 致謝17參考文獻(xiàn)181.引言:現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交義與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的 技術(shù)革命與改造。在機(jī)械

3、工程領(lǐng)域，山于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械 工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn) 方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了 “機(jī)電一體化”為 特征的發(fā)展階段。X-Y數(shù)控工作臺是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱一橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、 數(shù)控銃床和數(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。 模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服 電動機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動機(jī)做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑 塊和工作平臺在導(dǎo)軌上運(yùn)動，完成工作臺在X

4、、Y方向的直線移動。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺 母副和伺服電動機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，山專門廠家生產(chǎn)，設(shè)訃時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可。 控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制訃算機(jī)，也可以設(shè)訃專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。2. 設(shè)計(jì)任務(wù)題目：數(shù)控X-Y工作臺設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供應(yīng)式數(shù)控銃床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下:1. 立銃刀最大直徑的d二15mm；2. 立銃刀齒數(shù)Z二3;3. 最大銃削寬度代二15mm；4. 最大背吃刀量勺,二7mm;5. 加工材料為碳素鋼活有色金屬。6. X、Y方向的脈沖當(dāng)量Q =Q.二0.004mm;7. X、Z方向的定位精度均為土O.Olmm;8. 加工范圍為200X150 mm

5、;9. 工作臺空載進(jìn)給最快移動速度：匕喚=匕喚=3000mm/min;10. 工作臺進(jìn)給最快移動速®: Vvmax/ = Kmax/ = 400mm/ min ;3. 總體方案的確定 3. 1機(jī)械傳動部件的選擇3. 1. 1導(dǎo)軌副的選用腰設(shè)計(jì)數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此 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，安裝預(yù)緊方 便等優(yōu)點(diǎn)。3.1.2絲杠螺母副的選用伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，需要滿足0. 004mm沖當(dāng) 量和土O.Olmm的定位精度，滑動絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要

6、求，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。3. 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)有消間隙機(jī)構(gòu)， 選用無間隙齒輪傳動減速箱。3. 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，空載最快移動 速度也只有因此3000mm/min,故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動機(jī)，因此可以選用混合 式步進(jìn)電動機(jī)。以降低成本，提高性價(jià)比。3. 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

7、，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，為了確保電動機(jī)在運(yùn)動過程中不受切削負(fù)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(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、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、伺服電動機(jī)以及檢測裝置擬采用 相同的型號與規(guī)格。3.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1) 設(shè)計(jì)的X-Z工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控車床上，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

8、控制系統(tǒng)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)AT89S52作為控制系統(tǒng) 的CPU,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，還要擴(kuò)展程序存儲器，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。3.3繪制總體方案圖總體方案圖如圖所示。功放電路行元件機(jī)械I傳動機(jī)構(gòu)機(jī)械執(zhí)彳亍和L構(gòu)總體方案圖4. 機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選型4.1導(dǎo)軌上移動部件的重量佔(zhàn)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、工作臺、上層電動機(jī)、 減速箱、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌

9、座等，估計(jì)重量約為800N4.2銃削力的計(jì)算設(shè)零件的加工方式為立式銃削，采用硬質(zhì)合金立銃刀，工件的材料為碳鋼。則山表3-7 查得立銃時(shí)的銃削力計(jì)算公式為：F = llSaffdan01 吃(6-11)今選擇銃刀的直徑為d二15mm,齒數(shù)Z二3,為了計(jì)算最大銃削力，在不對稱銃削情況下, 取最大銃削寬度為ac=15mm ,背吃刀量二7mm ,每齒進(jìn)給量fz=O.lmm,銃刀轉(zhuǎn)速 n=300r/min。則由式(6-11)求的最大銃削力：=118x15°-85x0.1°75 xl5-0-73x7I0x300°卩x3N«l280N采用立銃刀進(jìn)行圓柱銃削時(shí)，各銃削力

10、之間的比值可由表查得，考慮逆銃時(shí)的情況， 可估算三個(gè)方向的銃削力分別為：F, =1.戌T408N ,耳=0.38瓦&486N , 兔=0.25耳&320N。圖3-4a為臥銃情況，現(xiàn)考慮立銃，則工作臺受到垂直方向的銃削力 E=£=486N,受到水平方向的銃削力分別為耳和兔。今將水平方向較大的銃削力分配 給工作臺的縱向，則縱向銃削力Fx =F, =1408N,徑向銃削力為E=E=32ON。4.3直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（縱向）4. 3. 1塊承受工作載荷的計(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。本例中的X-Y工作臺為水平布 置，采用雙導(dǎo)軌、四

11、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(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：仏=f + F（6-其中，移動部件重量G=800N,外加載荷F=FZ = 486N ,代入式（6-12）,得最大工作 載荷 F喚二686N二0. 686kNo查表根據(jù)工作載荷二0.686kN,初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG15 型，其額定動載荷Ca = 7.94kN ,額定靜載荷COa = 9.5kN o任務(wù)書規(guī)定加工范圍為200X150 mm,考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表選取導(dǎo)軌 的長度為520mm。4. 3. 2距離額定壽命L的計(jì)算上述所取的KL系列JSA-

12、LG25系列導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC,工作溫度不超過100 C,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。分別取硬度系數(shù)f”二1.0, 溫度系數(shù)f產(chǎn)1.00,接觸系數(shù)fc二0.81,精度系數(shù)“二0.9,載荷系數(shù)fw二1.5,代入式（3-33）,得距離壽命：冃葩嚴(yán) x訐）冬恥5625血遠(yuǎn)大于期望值50Kni,故距離額定壽命滿足要求。4.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型4. 4. 1最大工作載荷Fm的計(jì)算如前所述，在立銃時(shí)，工作臺受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx二1408N,受 到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy二320N,受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz二486

13、N.已知移動部件總重量0800N,按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，取顛覆力矩影響系數(shù)K二1.1,滾 動導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)“二0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm二KFx+“（Fz+Fy+G）二1. 1x1408+0. 005x （486+320+800） N 1557X4.4. 2最大動工作載荷FQ的計(jì)算設(shè)工作臺在承受最大銃削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v二400mm/min,初選絲杠導(dǎo)程Ph二5mm, 則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=80r/mino取滾珠絲杠的使用壽命T二15000h,代入L0=60Nt/106,得絲杠壽命系數(shù)L0二72 （單位為: 106r ）o查表，取載荷系數(shù)fw二1. 2,滾道硬度為6

14、0HRC時(shí)，取硬度系數(shù)fH=l. 0,代入式（3-23）, 求得最大動載荷：Fq二州九九你嚴(yán)7773N4.4.3初選型號根據(jù)計(jì)算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，選擇濟(jì)宇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，其公稱直徑為20mm, 導(dǎo)程為5mm,循環(huán)滾珠為3圈*1系列，精度等級取5級，額定動載荷為9309N,大于Fq, 滿足要求。4.4.4傳動效率n的計(jì)算將公稱直徑d。二20mm,導(dǎo)程PHmm,代入X CretanPh/（ndo）,得絲杠螺旋升角入二4° 33' o將摩擦角巾=10 ,代入n=tanX/tan（X + 4&#

15、187;）,得傳動效率耳=96. 4%。4.4.5剛度的驗(yàn)算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。絲杠的兩端各釆 用-對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為a二500mm：鋼的彈性模量 E二2. 1 x lOipa;查表得滾珠直徑Df3. 175mm，絲杠底徑 216. 2mm,絲杠截面積 S= rtdy /4=206. 12mwi2。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 &、= Fma / （ES） = 1557 x 500 / （2.1 x 10s x206.12）mm=0. 0180mm.。(2)根

16、據(jù)公式Z = (/0/Dlv)-3,求得單圈滾珠數(shù)Z二20；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Zz=Zx圈數(shù)x列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Zg二60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸 向預(yù)緊力FYJ=F,n /3=519No則由式(3-27 ),求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 a 0.0024mm。因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3,所以實(shí)際變形量可以減少一半，取島二0. 0012mm。 將以上算出的靳和心代入咚=4+0，求得絲杠總變形量(對應(yīng)跨度500mm) 6 二0. 0192mm二 19. 2 pm本例中，絲杠的有效行程為330mm,山表知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315400mm

17、時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25“加，可見絲杠剛度足夠。4. 4. 6壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式(3-28)計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷F,：。取支承系數(shù)人二1；山絲杠底徑出二16. 2mm求 得截面慣性矩/=/64«3380. 88 W；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取最大值500mm。代入式(3-28),得臨界載荷F.F1557N, 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。4.5步進(jìn)電動機(jī)減速箱的選用為了滿足脈沖當(dāng)量的的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)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(jī)軸上盡可能的小，今在步進(jìn)電動機(jī)的

18、輸出軸上安裝一 套齒輪機(jī)減速，采用一級減速，步進(jìn)電動機(jī)的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒 輪相連。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)。已知工作臺的脈沖當(dāng)量"0. 004mm/脈沖，滾珠絲杠的的導(dǎo)程PHmm,初選步進(jìn)電動 機(jī)的步距角a=0. 75°。根據(jù)式(3-12),算得減速比：Z = (tz/>,)/(36OJ)= (0. 75x5) / (360x0. 004) =25/10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： 30,材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)到55HRC。減速箱中心距為 (75+30) xl/2

19、mm=57mm,小齒輪厚度為20mm,雙片大齒輪厚度均為10mm。4.6步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型4. 6. 1計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量K已知：滾珠絲杠的公稱宜徑d<)二20mm，總長l=500mm,導(dǎo)程Ph二5mm,材料密度 q二7. 85xl0_skg/cm2 ;移動部件總重力G二800N；小齒輪齒寬b訐20mm.,直徑d訐30mm,大小 齒輪齒寬bF20mm,直徑dp75mm；傳動比i二25/10。如表4-1所示，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下:_ nLpR1_ 兀hpR，52-z 2滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量L=0. 617kg cm;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量"0. 5

20、17kg cm' 小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jsl=0. 125 kgcm3；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量J孑4. 877 kgcm%初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為90YBG2602,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(shí)的步距角為0. 75° ,從表查得該型號的電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量人二4 kgcm'。則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：Jc(/ =Jm + J/A +G/z2 +丿* + 丿s)/j'=5. 087 kg cm:4. 6. 2計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載和承受最大負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1)快速空載起動時(shí)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

21、7；切由式(4-8)可知，7；”包括三部分； 一部分是快速空載起動時(shí)折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩7；喚；一部分是移動部件運(yùn) 動時(shí)折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩7；;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7；。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式(4-12)可知，7；相對于7；皿 和7；很小，可以忽略不計(jì)。則有：<6-13)根據(jù)式(4-9),考慮傳動鏈的總效率，計(jì)算空載起動時(shí)折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加 速轉(zhuǎn)矩：60/ “其中:= W=1562-5r/min(6-15)(6-14)式中匕仆空載最快移動速度，任務(wù)書指定為3000mm/min；a 一步進(jìn)電動機(jī)步距角，預(yù)選電動

22、機(jī)為0. 75 ° ；5脈沖當(dāng)量，本例6 =0. 004mm/脈沖。設(shè)步進(jìn)電機(jī)曲靜止加速至坷，所需時(shí)間ta = 0.45 ,傳動鏈總效率 =0.7。則由式(6-14) 求得：Emax曠 x5625“297n”60x0.4x0.7曲式(4-10)知，移動部件運(yùn)動時(shí), 折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為:1010- 10?f/Hz圖90BYG2602步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行拒頻蒔性曲線90BYG2602電動機(jī)的運(yùn)行矩 頻特性曲線1408x0.0052xx07x25/10« 0.64/V m“(W+G)£ _ 0.005x(0 +800)x0.005 2兀幣2x0.7x25/10(

23、6-16)式中77導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動導(dǎo)軌取0.005Fz垂直方向的銃削力，空載時(shí)取0一一傳動鏈效率，取0.7最后山式(6-13)求得快速空載起動時(shí)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩:產(chǎn)人喚+0二02988Nm(6-17)2)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2由式(4-13)可知，漏2包括三部分：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)矩人；一部分是移動部件運(yùn)動時(shí)折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩7;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)矩兀，刁)相對于7；和7；很小，可以忽略不計(jì)。 則有：TTF(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7；山公式(4-14)計(jì)

24、算。有:再由式(4-10)計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載(巴=556N)情況下，移動部件運(yùn)動時(shí) 折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：Tf =a00029N 加MF； +G)E _ 0.005x(486+ 800)x0.0052 兀2x0.7x25/10(6-19)最后山式(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: Tei!2 = T+Tt =0. 643N/m最后求得在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：為=max7；g,7；g2=0.643N 加4.6.3步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電圧影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn) 矩會下降，可能造成丟步

25、，英至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)7；來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)， 需要考慮安全系數(shù)。取K二4,則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：TmM >4Te(l = 4x0.643 = 2.572Nm(6-20)初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為90BYG2602，查得該型號電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩7；nm=6N-mo可 見，滿足要求。4.6.4步進(jìn)電動機(jī)的性能校核1) 最快工進(jìn)速度時(shí)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進(jìn)速度 Vux/=400mm/min，脈沖當(dāng)量3 = 0.004“/脈沖，曲式(4-16)求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率 /maxZ = 400/(60 X 0.004)« 1667o從90BYG

26、2602電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出 在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩人疵 «5. 6N-m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T說二0. 643N-m, 滿足要求。2) 最快空載移動時(shí)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 vmax=3000mm/min,求出其對應(yīng)運(yùn)行頻率人邱=3000/(60x0.004) = 12500HZ。在此頻率下, 電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩4=1. 7N-m,大于快速空載起動時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0. 2988N-m,滿足要 求。3) 最快空載移動時(shí)電動機(jī)運(yùn)行頻率校核 與快速空載移動速度vmax =3000mm/min對應(yīng)的電動機(jī)運(yùn)行頻率為/max = 125OO/

27、7Z。查表知90BYG2602電動機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000,可見沒有超出上限。4)起動頻率的汁算 已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量幾=5.087畑S電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn) 動慣量Jllt=4kg-cm2 ,電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動頻率人=18000。由式(4-17)可知步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為:= 1194.24/7,說明：要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動頻率都必須小于1194.240。實(shí)際上，在釆用軟件升降頻時(shí)，起動頻率選得更低，通常只有1000。綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺的進(jìn)給傳動系統(tǒng)選用90BYG2602步進(jìn)電動機(jī)，完全滿足 設(shè)計(jì)要求。5. 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的

28、選用本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電動機(jī)釆用半閉環(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a = 0.75°,可知電動機(jī)轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時(shí)，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/a = 480個(gè)步進(jìn)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(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，電動機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角， 編碼器對應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號。此次設(shè)計(jì)選用的編碼器型號為：ZLK-A-120-05V0-10-H盤狀空心型，孔徑10mm,與電 動機(jī)尾部出軸相匹配，電源電圧+5V,每秒輸

29、出120個(gè)A/B脈沖，信號為電壓輸出。6. 繪制進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖如圖所示。進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖7. 工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)訃控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能:（1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示（2）接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；（3）接受車床限位開關(guān)信號；（4）接受電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；（5）控制X, Z向步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器：（6）控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止；（7）控制多速電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級變速；（8）控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級變速；（9）控制切削液泵啟動/停止；（10）控制電動卡盤的夾緊與松開；（11）控制電動刀架的自動選刀；（12

30、）與PC機(jī)的串行通信。X-Y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì) 算札也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)CPU選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52, 由于AT89S52本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片EPROH芯片W27C512用做程序存儲器，存放 系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；由于數(shù)控工 作臺還需要加入銃刀運(yùn)動控制和程序輸入等指令，所以除設(shè)置了 X、Y方向的控制指令鍵, 操作開停鍵，急停鍵和復(fù)位鍵等外還采用8279來管理擴(kuò)展多種按鍵。8279是一種通用的 可編程鍵盤顯示器接口芯片，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩

31、種功能。鍵盤部分提供掃描 工作方式，可與64個(gè)按鍵的矩陣鍵盤進(jìn)行連接，能對鍵盤實(shí)行不間斷的自動掃描，自動 消除抖動，自動識別按鍵并給出鍵值。顯示部分包括一組數(shù)碼顯示管和七只發(fā)光二極管。 與PC機(jī)的審行通信經(jīng)過MAX233,可以釆用PC機(jī)將編好的程序送入本系統(tǒng)?？刂撇竭M(jìn)電動 機(jī)的轉(zhuǎn)動需要三個(gè)要素：方向、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。對于含有硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動電源，方向 取決于控制器送出的方向電頻的高低，轉(zhuǎn)角取決于控制送出的步進(jìn)脈沖個(gè)數(shù)，而轉(zhuǎn)速則取 決于控制器發(fā)出的步進(jìn)脈沖的頻率。在步進(jìn)電動的控制中，方向和轉(zhuǎn)角控制簡單，而轉(zhuǎn)速 控制則比較復(fù)朵。由于步進(jìn)電動的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以對步進(jìn)電動機(jī)脈沖頻 率的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)上就是對步進(jìn)電動機(jī)的速