機(jī)電一體化95917

1、機(jī)電一體化技術(shù)課程設(shè)計(jì)姓名： 秦帥班級(jí)： 09機(jī)本一（2）小班學(xué)號(hào)： 200901701113機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用 數(shù)控車床工作臺(tái)二維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、機(jī)電一體化技術(shù)的概念、組成及應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)是將機(jī)械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、信號(hào)變換技術(shù)等多種技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，并綜合應(yīng)用到實(shí)際中去的綜合技術(shù)。是現(xiàn)代化的自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備幾乎可以說(shuō)都是機(jī)電一體化的設(shè)備。一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)中一般由結(jié)構(gòu)組成要素、動(dòng)力組成要素、運(yùn)動(dòng)組成要素、感知組成要素、職能組成要素五大組成要素有機(jī)結(jié)合而成。機(jī)械本體（結(jié)構(gòu)組成要素）是系統(tǒng)的所有功能要素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，一般包括有機(jī)身、框架

2、、支撐、聯(lián)接等。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分（動(dòng)力組成要素）依據(jù)系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力以使系統(tǒng)正常運(yùn)行。測(cè)試傳感部分（感知組成要素）對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行所需要的本身和外部環(huán)境的各種參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并變成可識(shí)別的信號(hào)，傳輸給信息處理單元，經(jīng)過(guò)分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息?？刂萍靶畔⑻幚聿糠郑毮芙M成要素）將來(lái)之測(cè)試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進(jìn)行集中、存儲(chǔ)、分析、加工處理后，按照信息處理結(jié)果和規(guī)定的程序與節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的的運(yùn)行。執(zhí)行機(jī)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)組成要素）<BR>；根據(jù)控制及信息處理部分發(fā)出的指令，完成規(guī)定的動(dòng)作和功能。機(jī)電一體化系統(tǒng)一般由機(jī)械本體、檢測(cè)傳感部分、電

3、子控制單元、執(zhí)行器和動(dòng)力源5個(gè)組成部分構(gòu)成。機(jī)電一體化技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有： （一）數(shù)控機(jī)床。 1、總線式、模塊化、緊湊型的結(jié)構(gòu)，即采用多CPU、多主總線的體系結(jié)構(gòu)。 2、開(kāi)放性設(shè)計(jì)，即硬件體系結(jié)構(gòu)和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標(biāo)準(zhǔn)，能最大限度地提高用戶的使用效益。 3、智能化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)能提供面向車間的編程技術(shù)和實(shí)現(xiàn)二、三維加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機(jī)制。 4、能實(shí)現(xiàn)多過(guò)程、多通道控制，即具有一臺(tái)機(jī)床同時(shí)完成多個(gè)獨(dú)立加工任務(wù)或控制多臺(tái)和多種機(jī)床的能力，并將刀具破損檢測(cè)、物料搬運(yùn)、機(jī)械手等控制都集成到系統(tǒng)中去。 5、以單板、單片機(jī)作為控制機(jī)，加上專用芯片及模板組成

4、結(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)控裝置。 （二）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)打破原有部門之間的界線，以制造為基干來(lái)控制“物流”和“信息流”，實(shí)現(xiàn)從經(jīng)營(yíng)決策、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)到生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的有機(jī)結(jié)合。企業(yè)集成度的提高可以使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到更好的優(yōu)化，各種生產(chǎn)要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮。 （三）柔性制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)化的制造系統(tǒng)，主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、料盤、自動(dòng)搬運(yùn)小車和自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)等組成。特別適于多品種、中小批量、設(shè)計(jì)更改頻繁的離散零件的批量生產(chǎn)。 （四）工業(yè)機(jī)器人。目前，被廣泛應(yīng)用的為第3代機(jī)器人即智能機(jī)器人，具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維、判斷和決策

5、，在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立行動(dòng)，與第5代計(jì)算機(jī)關(guān)系密切。二、設(shè)計(jì)任務(wù)題目：數(shù)控車床工作臺(tái)二維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供應(yīng)式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：1. 立銑刀最大直徑的d=15mm；2. 立銑刀齒數(shù)Z=3;3. 最大銑削寬度=15mm;4. 最大背吃刀量=8mm;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=0.01mm;7. X、Z方向的定位精度均為0.04mm;8. 重復(fù)定位精度為0.02mm;9. 工作臺(tái)尺寸 250×250;10. X坐標(biāo)行程 300mm;11. Y坐標(biāo)行程 120mm;12. 工作臺(tái)空載進(jìn)給最快移動(dòng)速度：Vxmaxf

6、=Vzmaxf =1500mm/min;工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度: 三、總體方案確定3.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇3.1.1導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)數(shù)控車床X-Z工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度不是很高，因此選用直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、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(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足0.004mm沖當(dāng)量和mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。3.1.3伺服電動(dòng)機(jī)的選用任務(wù)書(shū)規(guī)

7、定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.01mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有因此1500mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。以降低成本，提高性價(jià)比。3.1.4減速裝置的選用為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，需要設(shè)置減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。因此決定采用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。3.1.5檢測(cè)裝置的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸

8、上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)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(dòng)機(jī)的步距角相匹配?？紤]到X、Z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、Z兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)以及檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)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(tái)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，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。2）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)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(shū)給定的相關(guān)指標(biāo)。3）要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在

9、選擇CPU之后，還要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)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(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。3.3 繪制總體方案圖總體方案圖如圖所示:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖四、 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型4.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來(lái)進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌座等,估計(jì)重量約為500N4.2 銑削力的計(jì)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(shí)的銑削力計(jì)算公式為： (6-11)今選擇銑刀的直徑為d=15mm，齒數(shù)Z=3,為了計(jì)算最大銑削力，在

10、不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量=8mm ，每齒進(jìn)給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式（6-11）求的最大銑削力：FC=118 x150.85x 0.10.75x 15-0.73x 81.0x 3000.13x 3N=1463N 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由表查得，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：,，。圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力，受到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(tái)的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。4.3 導(dǎo)軌的計(jì)算由于使用的是雙矩形滑動(dòng)導(dǎo)軌，故不要求進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。4.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)

11、算與選型4.4.1 最大工作載荷Fm的計(jì)算如前所述，在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1607N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=366N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz=556N.已知移動(dòng)部件總重量G=500N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)=0.04。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.11408+0.04(556+366+500)N1827N4.4.2 最大動(dòng)工作載荷FQ的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速

12、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(shí)，取硬度系數(shù)fH=1.0,代入式（3-23），求得最大動(dòng)載荷：4.4.3 初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列2005-4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20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈*1系列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為11082N，大于FQ，滿足要求。表3.1滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名 稱符號(hào)計(jì)算公式及結(jié)果螺紋滾道名

13、義直徑（中徑）D20mm螺 距S5mm接觸角 45°鋼球直徑3.175mm螺紋滾道法面半徑R1.651mm偏心距E0.0449mm螺紋升角 4°33螺桿螺桿外徑名 稱符號(hào)計(jì)算公式及結(jié)果螺桿內(nèi)徑螺母螺桿接觸直徑螺母螺紋外徑螺母內(nèi)徑20.14mm螺母凸緣外徑60mm螺母配合外徑D36mm螺母裝配總長(zhǎng)度L51mm4.4.4 選擇滾珠絲杠直徑時(shí)，還應(yīng)綜合考慮下列問(wèn)題絲杠工作長(zhǎng)度L，應(yīng)滿足控制中的行程要求。L應(yīng)為絲杠工作長(zhǎng)度： 式中，為控制系統(tǒng)中需要的行程（mm），H為螺母的安裝高度（mm），為滿足行程以外的余量，一般，為由絲杠防護(hù)結(jié)構(gòu)確定的長(zhǎng)度（mm），于是：橫向絲杠： 縱向絲杠：

14、 (1) 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，螺桿的總長(zhǎng)度應(yīng)為螺桿的工作長(zhǎng)度L加上結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。橫向： 縱向： (2) 絲杠的長(zhǎng)度還應(yīng)滿足剛度的要求，根據(jù)剛度要求確定絲杠的直徑d橫向： 縱向： 即滿足(3) 因此，滾珠絲杠直徑可以都選為d=25mm4.4.5 傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑d0=20mm,導(dǎo)程Ph=5mm,代入=arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=4°33。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動(dòng)效率=96.4%。4.4.6 剛度的驗(yàn)算(1) X-Y工作臺(tái)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(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距約為a=

15、500mm；鋼的彈性模量E=2.1105Mpa;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。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105mm=0.0211mm.。(2) 根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力/3=609N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量mm。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=0.0012mm。(3) 將以上算出的和代入，求得

16、絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）=0.0212mm=21.2本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。4.4.7 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FK。取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑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（絲杠臥式水平安裝）；滾動(dòng)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(huì)失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。4.4.8 支承方式及軸承的選擇經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料，并結(jié)合本設(shè)計(jì)具體

17、情況選擇“單推單推”支承方式通過(guò)查相關(guān)手冊(cè)，軸承選擇如下：表1 軸承參數(shù)軸承名稱軸承型號(hào)公稱直徑結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)記額定動(dòng)載荷數(shù)量推力球軸承5120317mmd=17mm,T=12mm,D=35mm滾動(dòng)軸承51203GB/T 301199517KN4深溝球軸承620317mmd=17mm,B=12mm,D=40mm滾動(dòng)軸承6203GB/T 276949.58.KN4 由上表可看出，軸承的額定動(dòng)載荷Ca>C，所以所選軸承在給定的工作條件下的預(yù)期的壽命內(nèi)安全。4.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)比已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠的的導(dǎo)程Ph=5mm， 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.72°

18、。根據(jù)式（3-12），算得減速比：=（0.725）/（3600.01）=1 由此可見(jiàn)本機(jī)構(gòu)不必要選減速箱4.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型4.6.1 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長(zhǎng)l=500mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動(dòng)部件總重力G=500N傳動(dòng)比i=1算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下： 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=0.617kg·cm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw=0.517kg·cm2;初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為110BYG007-,為五相混合式，五相驅(qū)動(dòng)時(shí)的步距角為0.72°，從表

19、查得該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=11.5 kg·cm2。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：4.6.2 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，包括三部分;一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有：=+ （6-13）根據(jù)式（4-9），考慮傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算空載起動(dòng)時(shí)折算到

20、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩：= (6-14)其中： =300r/min (6-15)式中空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書(shū)指定為3000mm/min；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.72；脈沖當(dāng)量，本例=0.01mm/脈沖。設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至所需時(shí)間，傳動(dòng)鏈總效率=0.75。則由式（6-14）求得：由式（4-10）知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： (6-16)式中導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.04垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0傳動(dòng)鏈效率，取0.75最后由式（6-13）求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： =+=0.197Nm (6-17) 2) 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

21、軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： =+ （6-18）其中折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由公式（4-14）計(jì)算。有：再由式（4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：最后由式（6-18），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：=+=1.77N/m （6-19）最后求得在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：4.6.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定

22、 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)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=4, 則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （6-20）初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為110B007-，查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩=9.45Nm。可見(jiàn)，滿足要求。4.6.4 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)的輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量/脈沖，由式（4-16）求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩6Nm，大于

23、最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1.775Nm，滿足要求。2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度=1500mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率。在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=5.8Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.197Nm，滿足要求。3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 與快速空載移動(dòng)速度=1500mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為。查表知110BYG007-電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)30000，可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。4）起動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率。由式（4-17）可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻

24、率為：說(shuō)明：要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于1244Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有100。綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選用110BYG007-步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。五、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選則本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)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(dòng)機(jī)的步距角，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)，需要控制系統(tǒng)發(fā)出個(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(hào)，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)

25、一個(gè)步進(jìn)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。此次設(shè)計(jì)選用的編碼器型號(hào)為：ZLK-A-120-05VO-10-H 盤狀空心型，孔徑10mm，與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每秒輸出120個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出。六、 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖所示： 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖七、工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)與按鈕信息；（3） 接受車床限位開(kāi)關(guān)信號(hào)；（4） 接受電動(dòng)卡盤夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)；（5） 控制X，Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；（6）

26、 控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止；（7） 控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級(jí)變速；（8） 控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無(wú)級(jí)變速；（9） 控制切削液泵啟動(dòng)/停止；（10） 控制電動(dòng)卡盤的夾緊與松開(kāi)；（11） 控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀；（12） 與PC機(jī)的串行通信。X-Y數(shù)控工作臺(tái)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)算機(jī)，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EPROM芯片W27C512用做程序存儲(chǔ)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(chǔ)器，存放用戶程序；由于數(shù)控工作臺(tái)還需要加入銑刀運(yùn)動(dòng)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(kāi)停鍵，急停鍵和復(fù)位鍵等外還采用8279來(lái)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(duì)鍵盤實(shí)行不間斷的自動(dòng)掃描，自動(dòng)消除抖動(dòng)，自動(dòng)識(shí)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)的串行通信經(jīng)過(guò)MAX233，可以采用PC機(jī)將編好的程序送入本系統(tǒng)。控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要三個(gè)要素：方向轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。對(duì)于含有硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動(dòng)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