小型立式銑床工作臺(tái)升降和制動(dòng)裝置方案設(shè)計(jì)書(shū)37316

1、目 錄摘要 2第一章 總體設(shè)計(jì)方案擬定 31.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定與伺服系統(tǒng)的選擇 31.2機(jī)械傳動(dòng)方式 31.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選擇 3第二章機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 42.1設(shè)計(jì)參數(shù) 42.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 42.2.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力 42.2.2 計(jì)算最大動(dòng)載荷 C 52.2.3 滾珠絲杠螺母副的選型 52.2.4 傳動(dòng)效率計(jì)算 62.2.5 剛度的驗(yàn)算 62.2.6 穩(wěn)定性驗(yàn)算 82.2.7 滾珠絲杠副的幾何參數(shù) 92.3滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算與選擇 10滾動(dòng)導(dǎo)軌副的額定壽命 102.3.2 直線(xiàn)導(dǎo)軌副的參數(shù) 122.4 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選擇 12步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 12步

2、進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 13第三章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 183.1控制系統(tǒng) 183.2步進(jìn)電機(jī)介紹 183.3可編程邏輯控制器 193.4工作臺(tái)升降控制 20主要參考文獻(xiàn) 22摘要【摘要】：小型立式銑床工作臺(tái) 升降和制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)。數(shù)控機(jī)床的加工系統(tǒng)、 立體倉(cāng)庫(kù)中堆垛機(jī)的平面移動(dòng)系統(tǒng)、平面繪圖儀的繪圖系統(tǒng)等,盡管結(jié)構(gòu)和 功能各不相同，但基本原理相同。機(jī)電一體化系統(tǒng)是將機(jī)械系統(tǒng)與微電子系 統(tǒng)結(jié)合而形成的一個(gè)有機(jī)整體。本文通過(guò)對(duì)小型立式銑床工作臺(tái)的機(jī)械系 統(tǒng)、控制系統(tǒng)及接口電路的設(shè)計(jì)，闡述了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中共性和關(guān)鍵 的技術(shù)。本次課程設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)和研究小型立式銑床工作臺(tái) 及其電氣原理圖。確

3、定小型立式銑床工作臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)，選擇了螺旋傳動(dòng)，驗(yàn)算了螺旋傳動(dòng)的 剛度、穩(wěn)定性，壽命等參數(shù)；還設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌，根據(jù)其用途和使用要求，選擇 了直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副，確定了其類(lèi)型、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ?！娟P(guān)鍵詞】：小型立式數(shù)控銑床；滾珠絲杠螺母副；直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副；步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)；第一章總體設(shè)計(jì)方案擬定1.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定與伺服系統(tǒng)的選擇數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線(xiàn)控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。為了滿(mǎn)足小型立式銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)定位，暫停,急停等功能,故選擇連續(xù) 控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)有開(kāi)環(huán)和半閉環(huán)。考慮到工作臺(tái)實(shí)際位移的檢測(cè)，補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，利用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。1.2機(jī)械傳動(dòng)方式為了實(shí)

4、現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠。為了保證一定的傳動(dòng)精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母畐嘰同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除傳動(dòng)間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選擇三菱PLC具有結(jié)構(gòu)靈活，傳輸質(zhì)量高、速度快、帶寬穩(wěn)定，范圍廣，低成本，適用面廣等優(yōu)點(diǎn)。因此我們采用三菱PLC第二章機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算2.1設(shè)計(jì)參數(shù)1、 工作臺(tái)尺寸：長(zhǎng)*寬=500*3202、 工作臺(tái)升降行程：2503、工作臺(tái)總重：800N4、最高運(yùn)行速度：步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式：空載： 0.5m/mim ;切削：0.1m/min ；交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式：空載：8m/mim;切削：2m/min

5、；5、 系統(tǒng)分辨率：開(kāi)環(huán)模式：0.01mm/step ;半閉環(huán)模式 0.005mm/step ；6、 系統(tǒng)定位精度：開(kāi)環(huán)模式一 0.10mm;半閉環(huán)模式 一 0.01mm；7、切削負(fù)載：X 向 600N； 丫 向 800N； Z 向 1200N 。2.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型2.2.1計(jì)算進(jìn)給牽引力作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng) 件的重量和切削分力在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值的大小與導(dǎo)軌的型式有 關(guān)，由于在設(shè)計(jì)中采用的是加有導(dǎo)軌塊的滾動(dòng)導(dǎo)軌，所以選擇的計(jì)算公式為 矩形導(dǎo)軌的計(jì)算公式。計(jì)算公式為：Fm 二 KFx（Fz Fy G）（ 2-1）式中Fx X向切削分

6、力（N）；Fy 丫向切削分力（N）；Fz Z向切削分力（N）；G 移動(dòng)工作臺(tái)總重（N）；J導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌型式而不同；K 顛覆力矩影響系數(shù)。矩形導(dǎo)軌的 K = 1.1 ,.二=0.004 ,式中 Fz=12NQFy= 800 N ,Fx =600N , G =800N。代入計(jì)算得Fm =1.1 600 0.004 (1200 800 800) =671.2 N( 2-2)2.2.2計(jì)算最大動(dòng)載荷C選用滾珠絲杠副的直徑do時(shí)，必須保證在一定軸向載荷作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載 的最大值即稱(chēng)為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載C，F(xiàn)q =

7、L0 fw fh Fm用下式計(jì)算選擇:(2-3)ne1000 vsL 0(2-4)式中 Lh額 定壽命，15000h ; 絲杠轉(zhuǎn)速，r /min ；溫度系數(shù)，查表 3-23，工作溫度小于100 C ,取 ft=1 ；h硬度系數(shù)，查表3-24精度系數(shù)，查表 3-25 -負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，查表,fh =1 ；,取 fa =0.9 ；fk 可靠性系數(shù)，查表 初選導(dǎo)程L0 =5 mm，3-26 , fw =1.3 ;3-27，取 fk =0.62 ,由任務(wù)書(shū)可知 最大切削力下的速度Vs=0.1m/min，則可靠度為95 %。代入公式可計(jì)算得皿=1000 0.1 =20r/mine5Ph(2-5 )60 漢

8、 ne 匯T60 漢 20漢 15000 dOL0荷18106(2-6 )Fq =3 Lo fwfhFm =3 18 1.3 1 671.2 = 2286.75N(2-7 )2.2.3滾珠絲杠螺母副的選型根據(jù)以上算得的最大動(dòng)負(fù)載C在設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)中選用型號(hào)為GD2004-3 的滾珠絲杠，其名義直徑為 20mm,滾珠的排列為 4圈2列，額定動(dòng)載荷為 5243N , 滿(mǎn)足前面進(jìn)給方向的要求。精度等級(jí)按機(jī)電裝備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表4-15選為4級(jí)2.2.4 傳動(dòng)效率計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率： tg(2-8 )tg:式中絲杠螺旋升角；申一一摩擦角，滾珠絲杠的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f -0.003 0.004，其

9、摩擦角約等于10。由選用的GD2004-3的滾珠絲杠的相關(guān)數(shù)據(jù)可知絲杠螺旋升角為:(2-9)p4- -arctanh3 39兀 d03.14匯20代入公式計(jì)算得：=95.52%(2-10)2.2.5 剛度的驗(yàn)算先畫(huà)出此進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖所示.最大牽引力為 Fm =671.2N ,滾珠絲杠的 有效行程lv =250mm,滾珠絲 杠的余程le=16mm,絲杠 螺紋長(zhǎng)度取lu = 250+16 X 2+72=354mm,支撐跨度l1 = 550mm,絲杠 的全長(zhǎng) L=650mm。圖2-1 Z向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖滾珠絲杠副的軸向變行會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因 此應(yīng)考慮以下引起

10、軸向變形的因素：1）、絲杠的拉伸或壓縮變形量r-1在總的變形量中占的比重較大，可以用計(jì)算方法或查圖表的方法決 定，查圖4-6，根據(jù)下式計(jì)算：(2-11)Fma_ ES式中Fm 絲杠的最大工作載荷，單位為N；a滾珠絲杠 兩支承間的距離（mm）；E絲杠材料的彈性模量，鋼的E =2.1 105MPa ；S絲杠按底經(jīng)d2確定的截面積，單位為mm2計(jì)算得二 d?243.14 17.124二 229.54mmFmj672 550= 0.0077 mmES 2.1 105229.54(2-12)(2-13)2）、滾珠與螺紋滾道間接觸變形：2絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載的1/3.由于一端雙向

11、推力球軸承，一端采用深溝球軸承，而且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍實(shí)際變形量有預(yù)緊時(shí)按下式計(jì)算:6-0.0013.Fm ( 2-14)10器 DwFyjZ/10式中Dw 滾珠直徑，單位為 mmZ E滾珠總數(shù)量，Z廿 J圈數(shù)x列數(shù)；z單圈滾珠數(shù)，Za/Dw-3（內(nèi)循環(huán)），ZhMd/Dw（外循環(huán)）；Fyj 預(yù)緊力，單位為N(2-15)FYjFm 二1 671.2 二 223.7N33(2-17)Z = ：d0/Dw -3 = 3.14 20/2.381-3 = 24( 2-16)Z- 24 3 2 - 144=0.0013_ Fm103 DwFyjZ、2/10-0.0013671.2

12、3 I210,2.381 223.7 144 /10(2-18)=0.00089mm根據(jù)以上計(jì)算得：、=“丄=0.0077 0.00089 = 0.00859mm = 8.59m（ 2-19）由表3-27得4精度滾珠絲杠的有效行程在315以下時(shí)，行程允許的偏差為16m，小于要求的定位精度0.01mm合乎設(shè)計(jì)的要求。2.2.6 穩(wěn)定性驗(yàn)算對(duì)已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負(fù)載時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其有沒(méi)有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險(xiǎn)，產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載Fk用下式計(jì)算：fE 2eiFr-Fm（ 2-20）Ka式中E 絲杠材料彈性模量，對(duì)鋼E =2.1 105MPa ；I截面慣性矩（cm4）,絲杠

13、截面慣性矩I d；（ d2為絲杠螺紋的底徑）；a絲杠兩支承 間距離（cm）;fk絲杠的支承方式系數(shù)，由表3-34，取fk=1;K 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取為2.54，取K=3。根據(jù)前面的相關(guān)數(shù)據(jù)可知上式中的截面慣性矩：Id；17.1 4195.02mm4（2-21 ）6464絲杠兩支承端距離I =550mm=55cm，我所選用滾珠絲杠的支承方式是雙fz 二2El推-雙推,則查指導(dǎo)書(shū)中的表3-34可知fk =1則代入數(shù)據(jù)算得：(2-22 )12105 1022 4195.02 10 =9571.17N3 55Fk F(2-23 )滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。2.2.7 滾珠絲杠副的幾何參數(shù)表2-1滾珠絲杠的幾

14、何參數(shù)名稱(chēng)符號(hào)公式WD4506公稱(chēng)直徑d。20螺導(dǎo)程L。4接觸角P3=39 紋鋼球直徑dq2.381滾道法面半徑RR = 0.52dq1.238滾道偏心距ee =(R -dq2 sin P0.003螺紋升角Y7 = arctg %。j3=39 螺螺桿外徑dd1 =d -(0.20.25dlq19.524螺桿內(nèi)徑d1d1 =d0 +2e-2R17.533桿螺桿接觸直徑dzdz = d0 -dq cosP17.624螺螺紋直徑DD = d0 _2e + 2R22.467母螺母內(nèi)徑D1d1 =d。+(0.2 0.25 )dq20.4762.3滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算與選擇目前，滾動(dòng)導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用非常廣泛

15、，因?yàn)槠淠Σ料禂?shù) f =0.00250.005 ；動(dòng)、靜摩擦系數(shù)很接近，幾乎不受運(yùn)動(dòng)速度的變化的影響，運(yùn)動(dòng)輕便、靈活，所需驅(qū)動(dòng)功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好；低度運(yùn)動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，因而定位精度高，所以選用滾動(dòng)導(dǎo)軌。滾動(dòng)導(dǎo)軌副的額定壽命(1)、滾動(dòng)導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷的計(jì)算:由于要計(jì)算額定動(dòng)載荷首先需要計(jì)算出作用在滾動(dòng)導(dǎo)軌副上的載荷，由資料文獻(xiàn)可知作用在 滾動(dòng)導(dǎo)軌副上的載荷計(jì)算公式如下：式中的W為作用于同一平面內(nèi)的若干套導(dǎo)軌副的總載荷在這里我的設(shè) 計(jì)任務(wù)中指出了FZ 1200N，G =800N。貝UW 二 FZ G 二 2000N式中 L、L2、l2、l3 分別取 L1 = 160m

16、m，L2 = 200mm, l2 = 150mm，l 將上面的數(shù)據(jù)代入相應(yīng)的公式中可得到P =卩2 = =卩4=啞=2000漢250 =15625N 2 1603 二 250mm2Li(2-24)滑塊上的工作載荷巳Pc =1562.5N根據(jù)工作載荷選型號(hào)為SBG15FL勺導(dǎo)軌，其參數(shù)為C = 8.5kN，C=13.7kN 。(2)、滾動(dòng)導(dǎo)軌副的額定壽命1、額定壽命計(jì)算其計(jì)算公式如下Cc)(2-25)式中 L額定壽命；c 額定動(dòng)載荷；巳滑塊上的工作載荷；ft 溫度系數(shù)；運(yùn)行時(shí)的溫度小于fc 接觸系數(shù)；導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)為100查相關(guān)資料可的ft2查相關(guān)資料 fc二0.81 ；= 1.00 ；精度系數(shù)

17、；精度等級(jí)為4級(jí)查相關(guān)資料 fa =1 ；-載荷系數(shù)；fw .3 ；硬度系數(shù)；滾道硬度不得低于 使用壽命用公式HRC58故通常取fh 二1LhL 103-2/ 60(2-26)式中l(wèi)v單向行程lv =250 ；N每分鐘往返次數(shù)。1SvVs= 0.2 次(2-27)初選直線(xiàn)導(dǎo)軌副型參為SBG15FL 額定動(dòng)載 C=8500N。代入公式計(jì)算得:=50L =50(X：1 1 0.81 11.38.5 )31.5625)(2-28)二 2094.9km2、壽命時(shí)間的計(jì)算= 349150h15000h(2-29)L 103 _2094.9 1032lvn 602 0.25 0.2 60故初選型號(hào)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)

18、要求。232 直線(xiàn)導(dǎo)軌副的參數(shù)Mro31 il IOW型號(hào)安裝尺今脅塊尺寸H寬度L安裝孔尺寸LiKT連柵1Bx JMST、NSBG 15 FL242.6514758B30X30M5M438.821JS7.23.S452.4步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用矩，同時(shí)也為為了滿(mǎn)足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求，增大的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)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)軸上盡可能地小，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。米用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出 軸與小齒輪連接，滾珠絲桿的軸頭與大齒輪連接。已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量= 0.005mm/脈沖，滾珠絲桿的導(dǎo)程為Ph - 4mm ,初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

19、的步距角為:-0.75，算得減速比:_Ph360 一 754360 0.005 (2-30 )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75:45，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面硬后達(dá) 55HRG減速箱中心距為75+45)%L60mm，小齒輪厚度為 20mm大齒輪厚度為 20步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型(1 )計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq已知：滾珠絲桿的公稱(chēng)直徑d0二20mm，總長(zhǎng)為L(zhǎng) = 650mm，導(dǎo)程為 Ph -4mm，材料密度 7.85 10； kg. cm3，工作臺(tái)總重為 G =800N，小齒輪寬 度為0 =20mm，直徑為d

20、45mm，大齒輪寬度為b2 =20mm，直徑為 dy = 75mm ;傳動(dòng)比為 i = 5 3。由表4-1，算得各部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：1) 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Js=0.78D4L 10*(2-31 )式中 D圓柱體直徑 (cm);L圓柱體長(zhǎng)度或原度(cm);丫鋼材的密度7.8 10 kg/cm3從設(shè)計(jì)的零件中可知絲杠的公稱(chēng)直徑為2cm,把絲杠近似的看成一個(gè)圓柱體則D = 4.5cm，考慮到我的任務(wù)書(shū)中的尺寸比較大，對(duì)與絲杠支撐端以外 的絲杠對(duì)總體的影響較小所以忽略不記，則取L = 65cm o根據(jù)以上的數(shù)據(jù)代入公式算得：Js =0.78D4L 10- =0.78 24 65 102=0.73

21、7kg cm(2-32)2）工作臺(tái)折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量其公式為:Jt12n(2-33)式中 G工作臺(tái)重量 （N）；= 800N，g重力加速度（9.8m/s2）；L0絲杠導(dǎo)程(cm) ; L0 = 0.4cm代入公式Jt2 2L G空800 (2兀丿g (2兀丿 9.8X0220.0033kg cm(2-34)3）小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J z144_3-衛(wèi)竺-314 5 2 785 10 二 0.632kg 卅3232(2-35)4）大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J z2二 d24b2 ?323.14 7.54 2 7.85 10322=4.874kg cm(2-36)初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90BYG260

22、2,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(dòng)時(shí)的步距角為:=0.75，從表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm = 4kg cm2則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：Jeq = Jm Jz1Jz2 Jw Js 2=4 0.6324.874 0.0033 0.737 53（ 2-37）2二 6.577kg cm（2）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載啟動(dòng)和承受最大工作載荷兩種情況計(jì)算。1）快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1，Teq1包括三部分：一部分是快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Ta max ； 一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折

23、算到電動(dòng)機(jī)的轉(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)的轉(zhuǎn)軸上的附加T0。因?yàn)闈L珠絲杠副的傳動(dòng)效率(2-38 )很高，T。相對(duì)于Tamax和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有:Teql = Ta maxTf考慮傳動(dòng)鏈的 總效率，計(jì)算快速空 載啟動(dòng)時(shí) 折算到電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn) 軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩為:式中nmtaTa max2Je qnm160ta(2-39)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，單位為r min ；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為(2-40)式中空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書(shū)指定為二 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為一一脈沖當(dāng)量。將以上各值代入得vmax0.

24、5 r min ；0.75 ；沁 500 0.75 = 208r.min360、.360 0.005(2-41)效率設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間ta =0.4s，傳動(dòng)鏈的總= 0.7。貝UTa max2Jeqnm 1 彳 6.577 10一4 208 =0.051N m60ta60 0.4 0.7(2-42)移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為:(2-43)式中J導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.004 ；Vmax一 360、0；Fz垂直方向的銑削力，空載為傳動(dòng)鏈的總效率. -0.7。則:(2-44)丁彳Fz G O.。40 800 0.。04 二 0W2n m2 i2

25、二 0.7 53得快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩:Teqi 二 Tamax Tf 二 0.052 0.002 二 0.054N m2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2 , Teq2包括三 部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)的轉(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)的轉(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)的轉(zhuǎn)軸上的附加To。因?yàn)闈L珠絲杠副的傳動(dòng)效率很高，To相對(duì)于Tt和Tf很小，可以忽略不計(jì)，則有：Teq2 =Tt Tf（ 2-45）其中，折算到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tamax由式4-14計(jì)算。在對(duì)滾珠絲杠進(jìn)

26、行計(jì)算時(shí)，已知沿著絲杠軸線(xiàn)方向的最大進(jìn)給載荷 Fz =1200N，則:FzPh2二 i1200 0.0042- 0.7 5 3-0.655N(2-46)再計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載的情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：(2-47)丁彳Fz GR0041200 800.004 “004Nm2i2兀漢0.7漢5 3最后求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Teq2 = Tt Tf =0.655 0.004 = 0.659N m（ 2-48 ）則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Teq 二 maxTeq1,Teq2 二 0.659N m（ 2-49）（3

27、 ）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，根據(jù)Teq來(lái)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)。取K = 3，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿(mǎn)足：Tjmax 3Teq =3 0.659 =1.977N m( 2-50)上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，由表4-5差得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為 Tjmax = 6N m。可見(jiàn)，滿(mǎn)足要求。（4 ）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核工作臺(tái)最快工進(jìn)速度為Vmaxf =100mm min，脈沖當(dāng)量為人=0.005mm/

28、脈沖，則電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率為fmaxf 二 100. 60 0.005333Hz（ 2-51 ）從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線(xiàn)圖可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī) 的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf =5.6N m，遠(yuǎn) 大于最大 工作負(fù)載轉(zhuǎn) 矩Teq2 = 0.659N m， 滿(mǎn)足要求。2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度為vmax = 500 mm min，電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmax = 500 60 0.005 丨-1667Hz（ 2-52）在此頻率下， 電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax = 2.4N m，大于最大 工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq1 = 0.054N m，滿(mǎn)足要求。3）最

29、快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與最快空載移動(dòng)速度vmax二500mm mi n對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率 fmax = 1667Hz。查表4-5可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000Hz,可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。4）啟動(dòng)頻率計(jì)算已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq =6.577kg cm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm =4kg cm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載啟動(dòng)頻率fq = 1800Hz。則 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率 為：fq.1JeqJm1800.16.577 4= 1107 Hz(2-53)上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于 1107H

30、 z.綜上所述， 工作臺(tái)選用的 90BYG2602電動(dòng)機(jī)，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求第三章微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1控制系統(tǒng)隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍，它與計(jì)算機(jī)有效結(jié) 合，可進(jìn)行模擬量控制，具有遠(yuǎn)程通信功能等，有人將其稱(chēng)為現(xiàn)代工業(yè)控制 的三大支柱（即PIE，機(jī)器人，CA CAM之一。目前PLC已廣泛應(yīng)用于冶金、 礦業(yè)、機(jī)械、輕工等領(lǐng)域，為工業(yè)自動(dòng)化提供了有力的工具。由于步進(jìn)電機(jī) 具有精度高、慣性小、工作可靠，能實(shí)現(xiàn)高精度快速開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)，被廣 泛應(yīng)用在各種不同的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)作為一種常用的電氣執(zhí)行元 件

31、，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制通常有兩種方法：一種是采用專(zhuān)用控制器，這種控制器主要由脈沖信號(hào)發(fā)生器、環(huán)形脈沖分配器和功率放大器組成；另一種是 用PLC主控單元加位控單元實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制，該方法提高了通用化程度， 單位控單元價(jià)格昂貴，甚至遠(yuǎn)高于主控單元?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)電源的脈沖與方向信號(hào)源常用數(shù)控系統(tǒng)，但對(duì)于一些在運(yùn)行過(guò)程中移動(dòng)距離和速度均需確定的具體設(shè)備，采用 PLC是 一種理想的技術(shù)方案。在操作面板上設(shè)定移動(dòng)距離、 速度和方向，通過(guò) PLC的運(yùn)算產(chǎn)生脈沖、方向信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，達(dá)到對(duì)距離、速度、方向控制的目的。操作面板上的位置旋鈕控制移動(dòng)的距離，速度旋鈕控制移動(dòng)的速

32、度，方向按鈕控制移動(dòng)的方向，啟/停按鈕控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止。在實(shí)際系統(tǒng)中，位置與速度往往需要分成幾擋，故 位置、速度旋鈕可選用波段開(kāi)關(guān)，通過(guò)對(duì)波段開(kāi)關(guān)的不同跳線(xiàn)進(jìn)行編碼，可 減少操作面板與 PLC的連線(xiàn)數(shù)量，同時(shí)也減少了 PLC的輸入點(diǎn)數(shù)，節(jié)省了成本。3.2步進(jìn)電機(jī)介紹步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)位移或角位移。在自動(dòng)控制裝置中作 為執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前進(jìn)一步，故又稱(chēng)脈沖電動(dòng) 機(jī)。其速度與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)（即脈沖頻率）成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電的相序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和方向

33、。步進(jìn)電機(jī)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是過(guò)載性好。其轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響，不像普通電機(jī)，當(dāng)負(fù)載加 大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)速度下降的情況，步進(jìn)電機(jī)使用時(shí)對(duì)速度和位置都有嚴(yán)格要 求。二是控制方便。步進(jìn)電機(jī)是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯。三是整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的機(jī)械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整困難，使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)后，使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單和緊湊。測(cè)速電機(jī)是將轉(zhuǎn) 速轉(zhuǎn)換成電壓， 并傳遞到輸入端作為反饋信號(hào)。測(cè)速電機(jī)為一種輔助型電機(jī)，在普通直流電機(jī)的尾端安裝測(cè)速電機(jī)，通過(guò)測(cè)速電機(jī)所產(chǎn)生的電壓反饋給直 流電源，來(lái)達(dá)到控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運(yùn)行可靠。如采 用位置檢測(cè)和速度反饋，亦可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已廣泛地應(yīng)用于數(shù) 字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、自動(dòng)記錄儀、 鐘表等之中，另外在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、印刷設(shè)備等中亦有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式、反應(yīng)式和混合式。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大?；旌鲜讲竭M(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相、三相和五相：兩相步 進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度，混合式步進(jìn)電機(jī)隨著相數(shù)（通電繞組數(shù)）的增加，步進(jìn)角減小，