銑床的數(shù)控X-Y工作臺設(shè)計,銑床的數(shù)控X-Y工作臺設(shè)計,銑床,數(shù)控,工作臺,設(shè)計 第 1 頁 共 21 頁 畢業(yè)設(shè)計說明書 銑床的數(shù)控 X-Y 工作臺設(shè)計 學生姓名：三號楷體 學號： 三號楷體 學 院： 三號楷體 專 業(yè)： 三號楷體 指導教師： 只寫名字，三號楷體 年 月 第 2 頁 共 21 頁 銑床的數(shù)控 X-Y 工作臺設(shè)計 摘 要 X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單。實現(xiàn)方便而且能夠 保證一定的精度。降低成本,是微機控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用。它充分的利用了危機的軟 件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制;使機床的加工范圍擴大,精度和可靠性進一步得到提高。 X-Y 數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是利用 8031 單片機,及 2764,6264 存儲器及 8155 芯片等硬 件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定的程序以實現(xiàn)一定的加工功能。其基本思想是:通 過圓弧或者直線插補程序以實現(xiàn)對零件進行幾何加工,每進行一段加工都要產(chǎn)生一定的脈 沖以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn),同時通過 8155(1)將相應(yīng)的加工進刀信息送至刀架庫中以實現(xiàn)以之 相應(yīng)的走刀,電機和刀具的相對運動所以實現(xiàn)了刀具對工件的加工。該控制系統(tǒng)采用軟件 中斷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子程序結(jié)構(gòu)簡單，條件明確在經(jīng)濟型數(shù)控中應(yīng)用較多。中斷結(jié)構(gòu)采 用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計因為這種結(jié)構(gòu)便于修改和擴充，編制較為方便，便于向多處理方向發(fā) 展。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。 關(guān)鍵詞：X-Y 數(shù)控工作臺 絲杠螺母 步進電機 第 3 頁 共 21 頁 Abstract Electrical System Design CNC XY table is a open-loop control system, its structure is simple. Easy to be implemented and can guarantee accuracy. Reduce costs, computer control technology is the most simple applications. Full use of its software and hardware features of the crisis in order to achieve the control of machine tools; to expand the processing machine, further improving the accuracy and reliability. CNC XY table design is the use of mechanical and electrical system 8031, and 2764,6264, and 8155 memory chips and other hardware, the control system hardware, the preparation of certain procedures in order to achieve a certain processing functions. The basic idea is: by circular or linear interpolation procedure in order to achieve geometric processing of parts, each to produce a certain period of the pulse processing Douyao to drive motor rotating, and at the same time by 8155 (1) to the appropriate feed processing Information sent to the turret to the library in order to achieve the appropriate tool path, motors and tools to achieve the tool so the relative motion of the workpieces. The control system uses software interrupt control system structure and subroutine structure is simple, clear conditions for the application of NC in the economy more. Interrupt structure, modular structure designed for easy modification and expansion of this structure, the preparation is more convenient, easy to deal with the multi-direction. Electrical System Design CNC XY table with stepper motors as actuators. Stepper motor is a pulse signal to the transfer of angular displacement of the electromechanical analog converter device. Its working principle is: each to a pulse will be generated in the stator circuit in a certain space rotating magnetic field; as stepper motor through the three-phase AC input pulse so the number and time interval different from the rotor rotation speed and rotation length are different. As the rotating magnetic field into which the power conductor when either the rotor magnetic field lines cutting the role of a force from the rotation to achieve a rotating magnetic field to force the rotor to rotate accordingly, so the rotor can lead screw for the rotor corresponding movement. Keywords: XY table CNC stepper motor screw nut 第 4 頁 共 21 頁 目錄 摘 要 .2 1.引言 .6 2.設(shè)計任務(wù) .6 3.總體方案的確定 .7 3.1 機械傳動部件的選擇 .7 3.1.1 導軌副的選用 .7 3.1.2 絲杠螺母副的選用 .7 3.1.3 減速裝置的選用 .7 3.1.4 伺服電動機的選用 .7 3.1.5 檢測裝置的選用 .7 3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 .8 3.3 繪制總體方案圖 .8 4.機械傳動部件的計算與選型 .8 4.1 導軌上移動部件的重量估算 .8 4.2 銑削力的計算 .8 4.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向） .9 4.3.1 塊承受工作載荷 的計算及導軌型號的選取 .9maxF 4.3.2 距離額定壽命 L 的計算 .9 4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 .10 4.4.1 最大工作載荷 Fm 的計算 .10 4.4.2 最大動工作載荷 FQ 的計算 .10 4.4.3 初選型號 .10 4.4.4 傳動效率 的計算 .10 4.4.5 剛度的驗算 .11 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 .11 4.5 步進電動機減速箱的選用 .11 4.6 步進電動機的計算與選型 .12 4.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 Jeq.12 第 5 頁 共 21 頁 4.6.2 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 Teq.12 4.6.3 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 .14 4.6.4 步進電動機的性能校核 .14 5.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 .15 6. 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖 .16 7工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計 .16 8.步進電動機的驅(qū)動電源選用 .18 結(jié)束語 .19 致謝 .20 參考文獻 .21 第 6 頁 共 21 頁 1.引言 現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領(lǐng)域 的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向 機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(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“機械電氣化”邁入了“機電一體 化”為特征的發(fā)展階段。 當今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用， 對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以 下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息 處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感 技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機械技術(shù)等多學科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新 一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微 型化方向發(fā)展。 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。 模塊化的 X-Y 數(shù)控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺 服電動機等部件構(gòu)成。其中伺服電動機做執(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軌上運動，完成工作臺在 X、Y 方向的直線移動。導軌副、滾珠絲 杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，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。控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機 控制系統(tǒng)。 2.設(shè)計任務(wù) 題目：銑床的數(shù)控 X-Y 工作臺設(shè)計 任務(wù)：設(shè)計一種供應(yīng)式數(shù)控銑床使用的 X-Y 數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： 數(shù)控運動驅(qū)動力源可以采用步進電機或交流伺服電機驅(qū)動，但是所選電機必須與該電 機生產(chǎn)廠所列技術(shù)數(shù)據(jù)一致 工作臺尺寸：350250mm(X/Y) 工作臺工作行程：300mm(X) X 向最高工作進給速度：200mm/min 第 7 頁 共 21 頁 X 向最高空載快進速度：300mm/mi 脈沖當量要求為：X 向 0.01mm/脈沖 工件最大重量（包括夾具）：200KG 工作壽命每天 8 小時，連續(xù)工作 5 年，250 天/年進給機械系統(tǒng)均采用滾動絲杠和滾動導 軌副； 所設(shè)計的工作臺應(yīng)結(jié)構(gòu)合理、制造工藝性良好； 設(shè)計裝配圖應(yīng)表達正確、完整，技術(shù)標注規(guī)范、全面進給機械系統(tǒng)均采用滾動（珠）絲 杠副和滾動（珠）導軌副根據(jù)：絲杠支承端距離=工作行程+螺母長度+ 安全余量+安裝長 度，估算 X 向滾珠絲杠支承端距離為 250mm，Y 向絲杠支承端距離為 350mm。 3.總體方案的確定 3.1 機械傳動部件的選擇 3.1.1 導軌副的選用 腰設(shè)計數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因 此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，安裝預 緊方便等優(yōu)點。 3.1.2 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)換成直線運動，需要滿足 0.003mm 邁 沖當量和 mm 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到要求，0.2 滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反 向間隙。 3.1.3 減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，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)， 選用無間隙齒輪傳動減速箱。 3.1.4 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，故本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式 步進電動機。以降低成本，提高性價比。 3.1.5 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，為了確保電動機在運動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 第 8 頁 共 21 頁 器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進電動機的步距 角相匹配。 考慮到 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 用相同的型號與規(guī)格。 3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 1）設(shè)計的 X-Z 工作臺準備用在數(shù)控車床上，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)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 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。 3）要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU 之后，還要擴展程序存儲器，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，與步進電動機配套使用。 3.3 繪制總體方案圖 總體方案圖如圖所示。 微型機 接口電路 功放電路 執(zhí)行元件 機 械傳 動機 構(gòu) 機 械執(zhí) 行機 構(gòu) 總體方案圖 4.機械傳動部件的計算與選型 4.1 導軌上移動部件的重量估算 按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動 機、減速箱、滾珠絲杠副、導軌座等,估計重量約為 800N。 4.2 銑削力的計算 設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表 3-7 查得立銑時的銑削力計算公式為： (6-11)0.85.70.31.03cezp1afdanZF 第 9 頁 共 21 頁 今選擇銑刀的直徑為 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， 取最大銑削寬度為 ea15mm，背吃刀量 =8mm ，每齒進給量 ，銑刀轉(zhuǎn)速pazf0.1m 。則由式（6-11）求的最大銑削力：n30r/mi= 0.850.750.731.0.131182cFN 采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表查得，考慮逆銑時的情況， 可估算三個方向的銑削力分別為： , ， 。1.20fcF.38760ecF.2540NmcF 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 ，受到76ze 水平方向的銑削力分別為 和 。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則ffn 縱向銑削力 ，徑向銑削力為 。20 xfFN 40NymF 4.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向） 4.3.1 塊承受工作載荷 的計算及導軌型號的選取max 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直方向載荷為： (6-12)maxGF4 其中，移動部件重量200N，外加載荷 ，代入式（6-12） ，得最大工760eFN 作載荷 =810N=0.81kN。maxF 查表根據(jù)工作載荷 =0.81kN，初選直線滾動導軌副的型號為 KL 系列的 JSA-LG15maxF 型，其額定動載荷 ，額定靜載荷 。C7.94kN0aC9.5k 任務(wù)書規(guī)定加工范圍為 350250，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表選取導軌 的長度為 520mm。 4.3.2 距離額定壽命 L 的計算 上述所取的 KL 系列 JSA-LG25 系列導軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過 C，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。分別取硬度10 系數(shù) f =1.0，溫度系數(shù) f =1.00，接觸系數(shù) f =0.81，精度系數(shù) f =0.9，載荷系數(shù)HTcR 第 10 頁 共 21 頁 f =1.5，代入式（3-33） ，得距離壽命：w L= 3max()50htcrwffCKF 遠大于期望值 50Km，故距離額定壽命滿足要求。 4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 4.4.1 最大工作載荷 Fm 的計算 如前所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=2200N,受 到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=400N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直） Fz=760N. 已知移動部件總重量 G=200N，按矩形導軌進行計算，取顛覆力矩影響系數(shù) K=1.1， 滾動導軌上的摩擦系數(shù) =0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm=KFx+ (Fz+Fy+G)=1.1 2200+0.005 (760+400+200)N 2400N。 4.4.2 最大動工作載荷 FQ 的計算 設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度 v=400mm/min，初選絲杠導程 Ph=5mm, 則此時絲杠轉(zhuǎn)速 n=v/Ph=80r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h,代入 L0=60Nt/106,得絲杠壽命系數(shù) L0=72（單位為： 106r） 。 查表，取載荷系數(shù) fw=1.2,滾道硬度為 60HRC 時，取硬度系數(shù) fH=1.0,代入式（3- 23） ，求得最大動載荷： FQ= NfLmHw7330 4.4.3 初選型號 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇濟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，其公稱直徑為 20mm，導程為 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 的計算 將公稱直徑 d0=20mm,導程 Ph=5mm,代入 =arctanP h/( d0)，得絲杠螺旋升角 =433。將摩擦角 =10，代入 =tan/tan(+),得傳動效率 =96.4%。 4.4.5 剛度的驗算 第 11 頁 共 21 頁 (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。絲杠的 兩端各采用-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=500mm；鋼 的彈性模量 E=2.110 5Mpa;查表得滾珠直徑 Dw=3.175mm，絲杠底徑 d2=16.2mm,絲杠截面 積 S= /4=206.12m 。2d2m 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 mm=0.0180mm.。51/()1570/(.1206.)mFaES (2) 根據(jù)公式 ，求得單圈滾珠數(shù) Z=20；該型號絲杠為單螺母，)3WZdD 滾珠的圈數(shù) 列數(shù)為 3 1，代入公式 Z 圈數(shù) 列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 =60。絲杠預緊Z 時，取軸向預緊力 /3=519N。則由式（3-27 ） ，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形YJmF 量 mm。20.4 因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的 1/3，所以實際變形量可以減少一半，取 =0.0012mm。2 (3) 將以上算出的 和 代入 ，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度1212總 500mm） =0.0192mm=19.2總 m 5 級精度滾珠絲杠有效行程在 315400mm 時，行程偏差允許達到 25 ，可見絲杠剛m 度足夠。 4.4.6 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。取支承系數(shù) =1；由絲杠底徑kf d2=16.2mm 求得截面慣性矩 3380.88 ；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 取 3（絲杠臥42/6Id4m 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 FK=1557N，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 步進電動機減速箱的選用 為了滿足脈沖當量的的設(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軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安 裝一套齒輪機減速，采用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭 第 12 頁 共 21 頁 與大齒輪相連。其中大齒輪設(shè)計成雙片結(jié)構(gòu)。 已知工作臺的脈沖當量 =0.003mm/脈沖，滾珠絲杠的的導程 Ph=5mm， 初選步進電 動機的步距角 =0.75。根據(jù)式（3-12） ，算得減速比：3.75 =（0.75 5）/（360 0.003）=38/11()/360hiP 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 調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達到 55HRC。減速箱中心距 為（75+30） 1/2mm=57mm,小齒輪厚度為 20mm，雙片大齒輪厚度均為 10mm。 4.6 步進電動機的計算與選型 4.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑 d0=20mm，總長 l=500mm，導程 Ph=5mm，材料密度 =7.85 10-5kg/ ;移動部件總重力 G=800N；小齒輪齒寬 b1=20mm.，直徑 d1=30mm，大2cm 小齒輪齒寬 b2=20mm，直徑 d2=75mm；傳動比 i=38/11。 如表 4-1 所示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下： 2SLRJ2ZRJb 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 Js=0.617kgcm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量 Jw=0.517kgcm2;小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 Jz1=0.125 kgcm2；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 Jz2=4.877 kgcm2。 初選步進電動機的型號為 90YBG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，二 相八拍驅(qū)動時的步距角為 0.75，從表查得該型號的電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 Jm=4 kgcm2。 則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： =5.087 kgcm2212()/eqmZWSJJi 4.6.2 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 Teq 分快速空載和承受最大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 由式（4-8）可知， 包括三1eqT1eqT 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 ；一部分是移動max 部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電f 第 13 頁 共 21 頁 動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 。因為滾珠絲杠副傳動效0T 率很高，根據(jù)式（4-12）可知， 相對于 和 很小，maxTf 可以忽略不計。則有： = + 1eqaxf （6-13） 根據(jù)式（4-9） ，考慮傳動鏈的總效率 ，計算空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上最大加 速轉(zhuǎn)矩： = (6-14)maxT2160eqmaJnt 其中： =1388.9r/min (6-15)3v 式中 空載最快移動速度，任務(wù)書指定為 300mm/min；maxV 步進電動機步距角，預選電動機為 0.75 ； 脈沖當量，本例 =0.003mm/脈沖。 設(shè)步進電機由靜止加速至 所需時間 ，傳動鏈總效率 。則由式（6-mn0.4ats0.7 14）求得： =0.264N.maxT 由式（4-10）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)f()0.5(80).5.01822.7/zhFGPNmi 式中 導軌的摩擦因素，滾動導軌取 0.005 垂直方向的銑削力，空載時取 0zF 傳動鏈效率，取 0.7 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： = + =0.2658N m (6-17) 1eqTmaxf 90BYG2602 電動機的運行矩 頻特性曲線 第 14 頁 共 21 頁 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 2eqT 由式（4-13）可知， 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2eqT 轉(zhuǎn)矩 ；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 ；還有一部分是滾tT f 珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 ， 相對于 和 很小，可以忽略0TfTt 不計。則有： = + （6-18）2eqTtf 其中折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩 由公式（4-14）計算。有：tTmNPFThft 38.01/387.0251 再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載 情況下，移動部件運動(6)zF 時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： mNiPGFThzf 02.1/387.025.)4(5.2)( 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： = + =0.382N.m （6-19）2eqTtf 最后求得在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩為： mNTeaea 382.0,mx21 4.6.3 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，eqT 需要考慮安全系數(shù)。取 K=4, 則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （6-20）mNTeai 528.13.04max 初選步進電動機的型號為 90BYG2602，查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩 =6N m。axjT 可見，滿足要求。 4.6.4 步進電動機的性能校核 第 15 頁 共 21 頁 1)最快工進速度時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進速度 =200mm/min，脈沖當量 0.004mm/脈沖，由式（4-16）求出電動機對應(yīng)的運行頻率maxfV 。從 90BYG2602 電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此ax20/(6.3)1f zH 頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 5.6N m，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩 =0.382N m，maxfT 2eqT 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 =300mm/min，求出其對應(yīng)運行頻率 。在此頻率下，電動maxv max30/(6.3)16f Hz 機的輸出轉(zhuǎn)矩 =1.7N m，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩 =0.2658N m，滿足要求。axT eqT 3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度 =300mm/min 對應(yīng)axv 的電動機運行頻率為 。查表知 90BYG2602 電動機的空載運行頻率可達 2000max16fHz 以上，可見沒有超出上限。zH 4）起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 ，電動機轉(zhuǎn)25.087eqJkgcm 子的轉(zhuǎn)動慣量 ，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率 。24mJkgc 10qzfH 由式（4-17）可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為： 19.21/qL zemff HJ 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 。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有 100 。194.2zH zH 綜上所述，本次設(shè)計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用 90BYG2602 步進電動機，完全滿 足設(shè)計要求。 5.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)編碼器的分辨力應(yīng)與步進電動機的 步距角 ，可知電動機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出 個步進脈沖。0.75 360/48 第 16 頁 共 21 頁 考慮到增量式旋轉(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，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。 此次設(shè)計選用的編碼器型號為：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，每秒輸出 120 個 A/B 脈沖，信號為電壓輸出。 6. 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖 進給傳動系統(tǒng)示意圖如圖所示。 伺 服 電 動 機 主 動齒 輪從 動齒 輪 滾 珠 絲 杠工 作 臺 進給傳動系統(tǒng)示意圖 7工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計 根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能： （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 向步進電動機的驅(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，實現(xiàn)主軸有級變速； （8） 控制交流變頻器，實現(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； 第 17 頁 共 21 頁 （12） 與 PC 機的串行通信。 X-Y 數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工作控制計 算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。本設(shè)計 CPU 選用 ATMEL 公司的 8 位單片機 AT89S52，由于 AT89S52 本身資源有限，所以擴展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用做程序存 儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴展了一片 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銑刀運動控制和程序輸入等指令，所以除設(shè)置了 XY 方向的 控制指令鍵，操作開停鍵，急停鍵和復位鍵等外還采用 8279 來管理擴展多種按鍵。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種功能。鍵 盤部分提供掃描工作方式，可與 64 個按鍵的矩陣鍵盤進行連接，能對鍵盤實行不間斷的 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 機的串行通信經(jīng)過 MAX233，可以采用 PC 機將編好的程序送入本 系統(tǒng)。控制步進電動機的轉(zhuǎn)動需要三個要素：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 進脈沖個數(shù)，而轉(zhuǎn)速則取決于控制器發(fā)出的步進脈沖的頻率。在步進電動的控制中，方 向和轉(zhuǎn)角控制簡單，而轉(zhuǎn)速控制則比較復雜。由于步進電動的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻 率，所以對步進電動機脈沖頻率的調(diào)節(jié)，實質(zhì)上就是對步進電動機的速度的調(diào)節(jié)。步進 電動機的調(diào)頻的軟件延時和硬件定時。采用軟件延時法實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，程序簡單，不 占用其他硬件資源；缺點是控制電動機轉(zhuǎn)動的過程中，CPU 不能做其他事。硬件定時要占 用一個定時器。本設(shè)計沒有從硬件上布置，由于單片機功能強大，采用軟件延時。當步 進電動機的運行頻率低于它本身的起動頻率時，步進電動機可以用運行頻率直接起動， 并以該頻率連續(xù)運行；需要停止的時候，可以從運行頻率直接降到零，無需升降頻控制。 當步進電動機的運行頻率 （為步進電動機有載起動時的起動頻率）時，若直接用 起動， 由于頻率太高，步進電動機會失步，甚至會丟步，甚至停轉(zhuǎn)；同樣在 頻率下突然停止， 步進電動機會超程。因此，當步進電動機在運行頻率 下工作時，就需要采用升降頻控制， 以使步進電動機從起動頻率開始，逐漸加速升到運行頻率 ，然后進入勻速運行，停止前 的降頻可以看作是升頻的逆過程。雖然本設(shè)計采用了半閉環(huán)控制，加入了增量式編碼器 作為反饋信號，但是在編程過程中仍需設(shè)計升降頻的部分，以使步進電動機運行平穩(wěn)、 精確。根據(jù)需要，可編寫出驅(qū)動步進電動機的程序。AT89S52 指令與 80C51 指令完全兼容。 控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。 第 18 頁 共 21 頁 復 位 電 路晶 振 電 路 螺 紋 光 柵 信 號操 作 面 板 開 關(guān) /按 鈕 信 號隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大 向 步 進 電 動 機向 步 進 電 動 機刀 架 電 動 機卡 盤 電 動 機主 軸 電 動 機切 削 電 動 機方 刀 架 位 信 號限 位 開 關(guān) 信 號交 流 變 頻 器 主 軸 電 動 機 單 片 機 并 行接 口芯 片825轉(zhuǎn) 換芯 片 03芯 片芯 片 624鍵 盤 與 顯 示 接 口芯 片 879串 行 口 芯片 3 控制系統(tǒng)原理框圖 8.步進電動機的驅(qū)動電源選用 設(shè)計中 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。選擇 與之匹配的驅(qū)動電源為 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)動電源與控制器的接線方式如圖所示。 BD28Nb 型驅(qū)動電源接線圖 第 19 頁 共 21 頁 結(jié)束語 整個系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，進給系統(tǒng)采用了 CM 系列滾珠絲桿副，其型號為： CM2005-5。以提高整個系統(tǒng)的精神要求。伺服系統(tǒng)采用了直流伺服電機通過彈性聯(lián)軸器 直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動絲杠傳動，而且其實軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄 動，采用一個深溝來保證其徑向的圓跳動。用 PWM 脈寬調(diào)制電路來實現(xiàn)伺服電機電壓的 平均值，電路中采用了阻容滯后電路，來防止 H 型橋式功率放大器中兩對 IGBT 功率管同 時導通造成短路現(xiàn)象，能夠有效的控制伺服電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，同時為了保證一 定的精度的要求，系統(tǒng)又采用了光電編碼器作為位置檢測器，來檢測伺服電機的位置， 通過單片機對光電編碼器反饋信號處理來達到預期的精度要求。在設(shè)計中我們兼顧經(jīng)濟 性，考慮滿足精度的要求，因此對于設(shè)備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設(shè)計的 成本較高。 第 20 頁 共 21 頁 致謝 本人在畢業(yè)課題的設(shè)計中，學習了不少的新知識，既體會到了學習的重要性，也體 會到了同時了解到了知道的重要性，剛踏入社會的我感謝學校具遠瞻的規(guī)劃與教育，給 予我良好的學習環(huán)境，讓我在學校之時就理論和實踐相結(jié)合，打下了堅固的理論和實踐 基礎(chǔ)，為我們在進入工作環(huán)境創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)，并提供給我對學業(yè)及個人生涯發(fā)展的 多元信息，幫助我們茁壯的成長。 感謝院系領(lǐng)導對我的關(guān)懷和重視，使我學得出色的專業(yè)知識，也讓我得以發(fā)揮自己 的特長，感悟到人生的意義，領(lǐng)會到素質(zhì)拓展的重要性，也讓我找到人生的價值。 感謝三年來陪伴我們學習與生活的恩師，感謝您們對我精心的教育，感謝您們沒使 我的學習變成勞作而成為一種快樂；.感謝您們讓我明白自身的價值；.感謝您們幫助我發(fā) 現(xiàn)了自己的專長，而且讓我把事情做得更好。感謝您們?nèi)萑涛业娜涡耘c錯誤，不僅教會 了我知識，更教會了我如何做事，如何做人。 特別感謝恩師的諄諄教導，他的悉心指導與斧正，對于論文. 架構(gòu)之啟迪，及其內(nèi)容 的細心斟酌與指導，倍極辛勞。 第 21 頁 共 21 頁 參考文獻 1、高鐘毓機電控制工程北京：清華大學出版社，2002 2、劉助柏知識創(chuàng)新思維方法論北京：機械工業(yè)出版社，1999 3、宋云奪. 宋云奪. 光機電一體化產(chǎn)業(yè)的未來J. 光機電信息, 2003,(12). 4、丁連紅. 機電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀分析J. 中國科技信息, 2007,(12) 5、張鵬萬,孫劍峰,李占平. 機電一體化中的接口技術(shù)J礦業(yè)工程, 2005,(06) 6、王寶敏. 談機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢J. 大眾科技, 2006,(05) 7、王維剛. 淺談機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢J. 黑龍江科技信息, 2007,(02) 8、楊春光. 我國機電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢J. 科技促進發(fā)展, 2007,(03) 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