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

1、<p><b>　　《機電一體化》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計</b></p><p>　　X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　院 系： </p><p>　　專 業(yè)： <

2、/p><p>　　班 級： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　目錄

3、</b></p><p><b>　　目錄1</b></p><p><b>　　前言2</b></p><p>　　第一章 課程設(shè)計的目的3</p><p>　　第二章 課程設(shè)計內(nèi)容4</p><p>　　第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案確定4</p&g

4、t;<p>　　第四章 機械部分設(shè)計6</p><p>　　第五章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計14</p><p>　　第六章 結(jié)束語18</p><p><b>　　參考文獻18</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　課程設(shè)計是機

5、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)。</p><p>　　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ＰＬＣ；其特征在于，還包括通過通信接口與ＰＬＣ通信的觸摸屏，所述觸摸屏包括：數(shù)據(jù)輸入

6、模塊，用于輸入、修改被控參數(shù)的參數(shù)值和操作指令，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

7、設(shè)定值進行比較； </p><p>　　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

8、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。因本人水平有限，錯誤和不足之處在所難免，處

9、理問題也有不妥之處，敬請相關(guān)老師批評指正。</p><p>　　課程設(shè)計的目的、意義及要求</p><p>　　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。 </p>

10、<p>　　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

11、制系統(tǒng)。</p><p>　　圖1 X-Y數(shù)控工作臺外形</p><p>　　《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：</p><p>　　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。</p><p&g

12、t;　　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</p><p>　　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、計算控制方法與控制驅(qū)動方式</p><p>　　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</p><p>　　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<

13、/p><p>　　第二章 課程設(shè)計的內(nèi)容 </p><p><b>　　設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　題目：X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　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，</p><p><b>　　主要參數(shù)如下：</b></

14、p><p>　?。?）立銑刀最大直徑d =15 mm；</p><p>　?。?）立銑刀齒數(shù)Z=3；</p><p>　?。?）最大銑削寬度ae=15 mm；</p><p>　　（4）最大銑削深度ap=8 mm； </p><p>　?。?）加工材料為碳素鋼或有色金屬；</p><p>　　

15、（6）X、Y方向的脈沖當量δx =δy=0.005mm/脈沖；</p><p>　?。?）X、Y方向的定位精度均為±0.01 mm；</p><p>　　（8）工作臺面尺寸為230 mm×230 mm，</p><p>　　加工范圍為300 mm×200 mm；</p><p>　?。?）工作臺空載最快移動速度v

16、xmax =vymax =3000 mm/min；</p><p>　?。?0）工作臺進給最快移動速度vxmaxf =vymaxf =1200 mm/min。</p><p>　　第三章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定</p><p><b>　　二、總體方案的確定</b></p><p>　　1．機械傳動部件的選擇</p

17、><p>　　（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。</p><p>　?。?）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，要滿足0.005mm的脈沖當量和 ±0.01mm的定

18、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。</p><p>　　（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</p><p>

19、　?。?）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。</p><p>　?。?）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

20、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。</p><p>　　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

21、的型號與規(guī)格。</p><p>　　2．控制系統(tǒng)的設(shè)計 </p><p>　?。?）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。</p><p>　?。?）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

22、的相關(guān)指標。</p><p>　　（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。</p><p>　　（4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。</p><p>　　第四章 機械部分設(shè)計</p><p>　　4.1確定系統(tǒng)脈沖當量<

23、;/p><p>　　任務(wù)書中所給定的脈沖當量是0.005mm</p><p>　　4.2. 導軌上移動部件的重量估算</p><p>　　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。</p><p>　　4.3 滾動導軌副的計算與選擇</p

24、><p>　　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）</p><p>　　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

25、銑削力： Fc=118×150.85×0.10.75×15-0.73×81.0×3000.13×3 N≈1463 N</p><p>　　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 =1.1Fc≈1609N，F(xiàn)e =0.38Fc≈556N，F(xiàn)fn =0.25Fc≈36

26、6N 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。</p><p>　　圖3-4 銑削力的分析 a）圓柱形銑刀銑削力 b）面銑刀銑削力</p><p>　?。?）、滑塊

27、承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 </p><p>　　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：</p><p>　　Fmax =G/4+F （6-12）&l

28、t;/p><p>　　其中，移動部件重量G＝800N，外加載荷F= Fz= 556N，代入（6-12）式得最大工作載荷PC=756N=0.756kN。</p><p>　　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，額定靜載荷C0a=9.5 kN。</p><p>　　任務(wù)書規(guī)

29、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。</p><p>　　（2）、距離額定壽命的計算</p><p>　　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

30、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： </p>

31、<p><b>　　≈ 6649 km</b></p><p>　　遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。</p><p>　　4. 滾珠絲杠螺母副的計算與選型</p><p>　　（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）F

32、y = 366N，受到垂向的載荷（與工作臺面垂直）Fz= 556N。</p><p>　　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)μ=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷</p><p>　　Fm =KFx +μ（Fz+Fy+G）=[1.1×1609+0.005×(556+366+800)]

33、N≈ 1779 N</p><p>　　（2）最大動載荷FQ的計算</p><p>　　設(shè)工作臺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。</p><p>　　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

34、r）。</p><p>　　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</p><p><b>　?。?）初選型號</b></p><p>　　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

35、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。</p><p>　?。?）傳動效率η的計算 </p><p>　　將公稱直徑d0=25mm，導程Ph=6mm，代入λ= arctan[Ph/(πd0)]，得絲杠螺旋升角λ=4.

36、38°。將摩擦角φ=10′，代入η=tanλ / tan(λ+φ),得傳動效率η=96.3%。</p><p><b>　?。?）剛度的驗算</b></p><p>　　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

37、＝2.1×105 Mpa；查表3-32，得滾珠直徑 d2=3.969mm，絲杠底徑 =20.2 mm，絲杠截面積 S=πd22/4=320.47mm2。</p><p>　　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δ1=Fma/（ES）=[1779×500/（2.1 ×105×320.47）]mm≈ 0.0067 mm。</p>

38、;<p>　　2）根據(jù)公式Z＝(πd0/ 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δ2≈ 0.0024 mm。</p><p>　　因為絲杠加有預(yù)緊

39、力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取δ2=0.0012mm。</p><p>　　3）將以上算出的δ1和δ2代入δ總=δ1+δ2，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度500mm）δ總=0.0079mm=7.9μm。</p><p>　　由表3-27知,5級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時，行程偏差允許達到25μm，可見絲桿剛度足夠。</p><p>

40、;　　（6）壓桿穩(wěn)定性校核</p><p>　　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=πd24 /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)

41、。</p><p>　　綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。</p><p>　　5. 步進電動機減速箱的選用</p><p>　　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

42、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。</p><p>　　圖3-8 雙片薄齒輪錯齒調(diào)整機構(gòu)</p><p>　　1、2、6—齒輪 3—螺母 4、5—螺釘 7—拉簧</p><p>　　已知工作臺的脈沖當量δ=0.005 mm/脈沖，滾珠絲杠的導程Ph=6 mm，初選步進電動機的步距角α=0.75°。根據(jù)（3-12

43、）式，算得減速比：</p><p>　　i=(αPh)/(360δ) =(0.75×6)/(360×0.005)=5:2</p><p>　　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] mm＝55.5 mm，小

44、齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm</p><p>　　6. 步進電動機的計算與選型</p><p>　　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。</p><p>　?。?）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=25mm，總長l=500mm，導程Ph＝6mm，材料密度ρ=7.85×10-3 kg/cm3

45、；移動部件總重量G=800N;小齒輪寬度b1＝20mm，直徑d1=36 mm;大齒輪寬度b2＝20mm，直徑b2 =75 mm；傳動比i =5/2。</p><p>　　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

46、3;c m2大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量JZ2=4.877kg·c m2。</p><p>　　初選步進電動機型號為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/

47、 cm2</p><p>　　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。</p><p>　　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

48、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：</p><p>　　Teq1=Tamax+Tf （6-13）</p><p>　　根據(jù)式（4-9），考慮傳動鏈的總效率η，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： &

49、lt;/p><p><b>　　（6-14）</b></p><p>　　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；</p><p>　　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。</p><p><b>　　其中：</b></p>

50、<p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　式中 nmax——空載最快移動速度，任務(wù)書指定為3000mm/min；</p><p>　　α ——步進電動機步距角，預(yù)選電動機為0.75º；</p><p>　　δ ——脈沖當量，本例δ=0.005mm/脈沖。</p><p>　　

51、將以上各值代入式（6-15），算得nm=1250r/min。</p><p>　　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η=0.7。則由式（6-14）求得： 1.42（N·m）</p><p>　　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：</p>

52、<p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　則由式（6-16），得： 0.002（N·m）</p><p>　　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：</p><p>　　Teq1=Tamax+ Tf =1.422 N

53、 （6-17）</p><p>　　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，Teq2 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：</

54、p><p>　　Teq2=Tt+Tf （6-18）</p><p>　　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：</p><p><b>　　0.88（N·m）&

55、lt;/b></p><p>　　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：</p><p>　　= 0.004（N·m）</p><p>　　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)

56、矩為： Teq2 = Tt + Tf = 0.884 N·m （6-19）</p><p>　　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 = max{Teq1 ，Teq2 } = 1.422 N·m</p><p>　?。?/p>

57、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：</p><p>　　Tjmax ≥ 4× = 4×1.422 N·m =5.688 N·m (6-20) &

58、lt;/p><p>　　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。</p><p>　?。?）步進電動機的性能校核</p><p>　　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

59、沖當量δ=0.005mm/脈沖由（4-16）式求出電動機對應(yīng)的運行頻率 </p><p>　　fmaxf =[400/(60×0.005)]Hz ≈1333Hz。</p><p>　　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，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf≈5.6N·m，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩Tmaxf=0.884N·m，滿足

60、要求。</p><p>　　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，

61、滿足要求。</p><p>　　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。</p><p>　　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

62、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.</p><p>　　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：</p><p><b>　　=614Hz</b></p><p>　　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

63、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）。</p><p>　　綜上所述，本例中工作臺的進給傳動選用90BYG2602步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。</p><p>　　7．增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 </p><p>　　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

64、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α=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/α=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。</p><p>　　本例選擇編碼器的型

65、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。</p><p>　　第五章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計</p><p>　　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

66、要實現(xiàn)半閉環(huán)的控制算法。</p><p>　　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：</p><p>　　接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；</p><p><b>　　接受限位開關(guān)信號；</b></p><p>　　控制X，Y向步進電動機的驅(qū)動器；</p><p>　　與PC機的串行通

67、信。</p><p>　　CPU選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52，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

68、路有復(fù)位電路，時鐘電路，越位報警指示電路。</p><p>　　進給控制系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　圖6</b></p><p><b>　　驅(qū)動電路流程設(shè)計</b></p><p>　　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

69、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。</p><p>　　圖7 步進電機驅(qū)動電路圖</p><p>　　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

70、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。</p><p>　　3、步進電動機驅(qū)動電源的選用</p><p>　　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

71、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。</p><p><b>　　第六章 結(jié)束語</b></p><p>　　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，電動機的工作原則，選擇控制驅(qū)動方式都有了一定的認識。在今后的學習生活

72、中，這次課程設(shè)計的經(jīng)歷將起到重要幫助作用。通過設(shè)計使我更加接近生產(chǎn)實際，鍛煉了將理論運用于實際的分析和解決實際問題的能力，鞏固、加深了有關(guān)機械設(shè)計方面的知識。</p><p>　　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，電動機的工作原則，選擇控制驅(qū)動方式都有了一定的認識。在今后的學習生活

73、中，這次課程設(shè)計的經(jīng)歷將起到重要幫助作用。</p><p>　　最后對在整個設(shè)計過程中對老師認真、耐心輔導表示衷心的感謝。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　尹志強.《機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計指導書》北京:機械工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　張建民. 《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》北京：