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)

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1、 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) 1 引言 數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很 好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能 穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度提高生產(chǎn)效率。 X-Y 數(shù)控工作臺(tái)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—橫向進(jìn) 刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的 X-Y 工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表 面貼裝設(shè)備等。模塊化的 X-Y 數(shù)控工作臺(tái)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作、滾珠

2、 絲杠螺母副，以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行元件用來驅(qū)動(dòng)滾 珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在 X、Y方向 的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生 產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)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)。 2 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；

3、 2. 立銑刀齒數(shù) Z=3; 3. 最大銑削寬度 ae =15mm; 4. 最大背吃刀量 ap =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 xy =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： V =V=1500mm/min;

4、 xmaxf zmaxf 13. 工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度 : Vxmax f Vz max f 400mm/ min ; 3 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 0.01mm的

5、定位精度，滑動(dòng)絲杠副無能為力，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、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)書規(guī)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)

6、。因此決定采用無間隙齒輪 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，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書 所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏高，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)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(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)的步距角相匹配。 考慮到 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

7、、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

8、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 : 微 接 功 執(zhí) 機(jī)械 機(jī)械 口 放 行 型 傳動(dòng) 執(zhí)行 電 電 元 機(jī) 機(jī)構(gòu) 機(jī)構(gòu) 路 路 件 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖 4 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 500N 4.2 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

9、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： 0.85 0.75 0.73 1.0 0.13 (6-11) Fc 118ae f z d a p n Z 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，在不對(duì)稱銑削情 況下，取最大銑削寬度為 ae 15mm ，背吃刀量 ap =8mm ，每齒進(jìn)給量 f z 0.1mm ， 銑刀轉(zhuǎn)速 n=300r/min 。則由式（ 6-11 ）求的最大銑削力： FC=118 x150.85 x 0.1 0.75 x 15-

10、0.73 x 81.0 x 3000.13 x 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： Ff 1.1FC 1607N , Fe 0.38FC 556N ， Ffn 0.25FC 366N 。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 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(tái)的縱向，則縱向銑削力 Fx Ff 1607N ，徑向銑削力為 Fy

11、Ffn 366N 。 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)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

12、+ (Fz+Fy+G)=[1.1 1408+0.04 ( 556+366+500)]N 1827N 4.4.2 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 n=v/Ph=80r/min 。 取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h,代入 L0=60Nt/10 6, 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)

13、載荷： FQ 3 L 0 fwfHFm 9116N 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 名義直徑（中徑） D 20mm 螺 距 S 5mm

14、 螺 接觸角 45° 紋 鋼球直徑 d b 3.175mm 滾 道 螺紋滾道法面半徑 R 1.651mm E 0.0449mm 偏心距 螺紋升角 v 4° 33’ 螺桿外徑 d2 d 2 d 0.2 db 19.5mm 螺 名 稱 符號(hào) 計(jì)算公式及結(jié)果 桿 螺桿內(nèi)徑 d1 d1 d 2e 2r 16.79mm 螺桿接觸直徑 dz d

15、z d db cos 17.75mm 螺母螺紋外徑 D2 D z d 2e 2r 23.212mm 螺 螺母內(nèi)徑 D1 20.14mm 母 螺母凸緣外徑 D3 60mm 螺母配合外徑 D 36mm 螺母裝配總長度 L 51mm 4.4.4 選擇滾珠絲杠直徑時(shí)，還應(yīng)綜合考慮下列問題 絲杠工作長度 L，應(yīng)滿足控制中的行程要求。 L 應(yīng)為絲杠工作長度： l l 1 H l 3l 4

16、 式中， l 1 為控制系統(tǒng)中需要的行程（ l3 為滿 mm），H 為螺母的安裝高度（ mm）， 足行程以外的余量，一般 l 5 ~ 10 ， l 4 為由絲杠防護(hù)結(jié)構(gòu)確定的長度（ mm）， 于是： 橫向絲杠： lx 300 51 2 8 0 410mm 縱向絲杠： ly 120 51 2 8 0 230mm (1) 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，螺桿的總長度 l 總 應(yīng)為螺桿的工作長度 L 加上結(jié)構(gòu)長度。 橫向： l 總 401 178 579 mm 縱向： l 總

17、221 178 399 mm (2) 絲杠的長度還應(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： l 總 579 / 25 23.16 34~40 d 縱向： l 總 d 399 / 25 15.96 34~40 即滿足 l 總 d 34~40 (3) 因此，滾珠絲杠直徑可以都選為 d=25mm 4.4.5  傳動(dòng)效率 η 的計(jì)算 將公稱直徑 d0=20mm,導(dǎo)程 Ph =5mm,代入 λ=arctan[

18、P  h/( d0)] ，得絲杠螺旋升 角 λ =4°33′。將摩擦角 ψ=10′，代入 η=tan λ /tan( λ+ψ), 得傳動(dòng)效率 η=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=500mm； 鋼的彈性模量 E=2.1х105Mpa;查表得滾珠直徑 Dw=3.175mm，絲杠底徑 d2=16.2mm,絲杠截面積 S= d2 /4

19、=206.12m m2 。 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 1 Fma/(ES) [1826 500/(2.1 105 206.12)]mm=0.0211mm。. (2) 根據(jù)公式 Z ( d0 / D W ) 3 ，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 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(shí)，取軸向預(yù)緊力 FYJ Fm /3=609N。則由式（ 3-27 ），求得滾珠與螺紋滾道間的接 觸變形量 2

20、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 2 =0.0012mm。 (3) 將以上算出的 1 和 2 代入 總 1 2 ，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度 500mm） 總 =0.0212mm=21.2 m 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 315~400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到 25 m ，可見絲杠剛度足夠。 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) fk =1；由絲杠底徑

21、 4 / 64 3380.88 4 ；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 取 d =16.2mm求得截面慣性矩 Id2 mm 2 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)過查閱相關(guān)資料，并結(jié)合本設(shè)計(jì)具體情況選擇“單推－單推”支承方式 通過查相關(guān)手冊(cè)，軸承選擇如下： 表 1 軸承參數(shù) 軸承 軸承 公

22、稱 額定動(dòng) 數(shù) 結(jié)構(gòu)尺寸 標(biāo)記 名稱 型號(hào) 直徑 載荷 量 推力 d=17mm,T=12mm, 滾動(dòng)軸承 51203GB/T 301—199517KN 球軸 51203 17mm 4 D=35mm 承 深溝 d=17mm,B=12mm, 9.58.K 球軸 6203 17mm 滾動(dòng)軸承 6203GB/T 276—94 4 D=40mm N 承 由上表可看出，軸承的額定動(dòng)載荷 Ca>C，所以所選軸

23、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 °。根據(jù)式（ 3-12 ），算得減速比： i ( P ) /(360 ) =（0.72 5）/ （360 0.01 ）=1 h 由此可見本機(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 l=500mm，導(dǎo)程 Ph=5

24、mm，材料密度 =7.85 10-5 kg/ cm2 ; 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： L R2 b R2 JS JZ 2 2 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 · 2 拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=0.617kg cm ; · 2 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為 Ⅱ 為五相混合式，五相驅(qū)動(dòng) Jw=0.517kg cm; 110BYG007- , 時(shí)的步距角為 0.72 °，從表查得該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm=11.5 kg·cm2。 則

25、加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J eq J m ( J w J s ) / i 2 12 . 434 kg . cm 2 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 Teq1 ， Teq1 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 Tamax ；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 Tf ；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 T0 。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)

26、效率很高，根據(jù)式（ 4-12）可知， T0 相對(duì)于 Tamax 和 Tf 很小，可以忽略不計(jì)。則有： Teq1 =Tamax +Tf （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)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩： 2 Jeqnm 1 (6-14) Tamax = 60ta 其中： vmax =300r/min (6-15) nm 360 式中 Vmax —空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為 3000mm/min； —步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為 0.72

27、 o ； —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 nm 所需時(shí)間 t 0.3 s ，傳動(dòng)鏈總效率 =0.75。則由 式（ 6-14 ）求得： 2 12.434 4 300 Ta max 10 0.1735N.m 60 0.3 0.75 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： Tf μ （ FZ G） Ph 0.04 500 5 0.0216N.m 2 i 2 0.75 1 (6-16)

28、 式中 ——導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)導(dǎo)軌取 0.04 Fz ——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： Teq1 =Tamax +Tf =0.197N m (6-17) 2) 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)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)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

29、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 T0 ， T0 相對(duì)于 Tf 和 Tt 很小，可以忽略不計(jì)。 則有： Teq2 =Tt +Tf （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 t 由公式（ 4-14）計(jì)算。有： T Tt FfPh 1609 0.005 1.73N.m 2 2 0.75 1 再由式（ 4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載 (Fz 556N) 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： Tf (Fz G

30、)Ph 0.04 (556 500) 0 .005 0.04557N.m 2 2 0.75 1 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： Teq2 =Tt +Tf =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： Teq max{ Teq1,Teq2} 1.77N.m 4.6.3 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

31、步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) Teq 來選擇步進(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： Tj max 4Teq 4 1.77N.m 7.08N.m （ 6-20 ） 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為 110B007-Ⅱ，查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tj max =9.45N m?？梢姡瑵M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)書給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度 Vmax f =400mm/min，脈沖當(dāng)量 0.01mm/ pluse/ 脈沖，由式（ 4-

32、16 ）求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng) 的運(yùn)行頻率 f max f [400 /(60 0.01)] 667HZ 。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 Tmax f 6N m，大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn) 矩 Teq2 =1.775N m，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)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度 vmax =1500mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率 f max [1500/(60 0.01)] 2500HZ 。在此頻率 下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 Tmax =5.8N m，大于快速空載起動(dòng)

33、時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq1 =0.197N m，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 vmax =1500mm/min對(duì) 應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為 f max 30000HZ 。查表知 110BYG007Ⅱ-電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá) 30000H z ，可見沒有超出上限。 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 Jeq 12.434kg.cm2 ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 2 子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm 11.5kg.cm ，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 fq 1800H z 。由式（ 4-17）可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)

34、載的起動(dòng)頻率為： fq fL 1244Hz 1 Jeq / Jm 說明：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 1244 Hz。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 H z 。 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 110BYG007Ⅱ-步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。 5 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選 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

35、力應(yīng)與步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)的步距角 0 ，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 0.75 360/ 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(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)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(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。 6 繪制進(jìn)給

36、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： 從動(dòng) 工作臺(tái) 齒輪 伺服電動(dòng)機(jī) 主動(dòng) 滾珠絲 齒輪 杠 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 7 工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 根據(jù)任務(wù)書的要求，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） 接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息； （3） 接受車床限位開關(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） 控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)

37、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； （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；

38、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 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 MAX233，可以采用 PC機(jī)

39、將編好的程序送入本系統(tǒng)?？刂撇竭M(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(dòng)的控制中，方向和轉(zhuǎn)角控制簡(jiǎn)單，而轉(zhuǎn) 速控制則比較復(fù)雜。由于步進(jìn)電動(dòng)的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以對(duì)步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)脈沖頻率的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度的調(diào)節(jié)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)頻的 軟件延時(shí)和硬件定時(shí)。采用軟件延時(shí)法實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，程序簡(jiǎn)單，不占用其他硬 件資源；缺點(diǎn)是控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中， CPU不能做其他事。

40、硬件定時(shí)要占用一 個(gè)定時(shí)器。本設(shè)計(jì)沒有從硬件上布置，由于單片機(jī)功能強(qiáng)大，采用軟件延時(shí)。當(dāng)步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率低于它本身的起動(dòng)頻率時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以用運(yùn)行頻率直接起 動(dòng)，并以該頻率連續(xù)運(yùn)行；需要停止的時(shí)候，可以從運(yùn)行頻率直接降到零，無需升 降頻控制。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率 （為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有載起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)頻率）時(shí)， 若直接用 起動(dòng)，由于頻率太高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)失步，甚至?xí)G步，甚至停轉(zhuǎn)；同樣 在 頻率下突然停止，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)超程。因此，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行頻率 下工作時(shí)，就需要采用升降頻控制，以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從起動(dòng)頻率開始，逐漸加速升到運(yùn)行

41、 頻率 ，然后進(jìn)入勻速運(yùn)行，停止前的降頻可以看作是升頻的逆過程。雖然本設(shè)計(jì)采用了半閉環(huán)控制，加入了增量式編碼器作為反饋信號(hào)，但是在編程過程中仍需設(shè)計(jì)升降頻的部分，以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、精確。根據(jù)需要，可編寫出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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。 復(fù)位電路 并行 晶振電路 接口 芯片 芯片 8255 芯片6264  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

42、  向步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 刀架電動(dòng)機(jī) 卡盤電動(dòng)機(jī) 主軸電動(dòng)機(jī) 切削電動(dòng)機(jī) 方刀架位信號(hào) 限位開關(guān)信號(hào) 單片機(jī) / 轉(zhuǎn)換 交流變頻器 主軸電動(dòng)機(jī) 芯片 0832 鍵盤與顯示接口 芯片8279 螺紋光柵信號(hào) 串行口芯 片233 操作面板開/按關(guān)鈕信號(hào) 控制系統(tǒng)原理框圖 8 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用 設(shè)計(jì)中 X、 Y 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為 90BYG260

43、2型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司。 選擇與之匹配的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源與控制器的接線方式如圖所示。 BD28Nb型驅(qū)動(dòng)電源接線圖 9 設(shè)計(jì)感言 本學(xué)期我們開設(shè)了《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》這門課程，是我們機(jī)械專業(yè)的專業(yè) 必修課，與實(shí)際聯(lián)系是非常緊密的。學(xué)習(xí)任何知識(shí)，除了從理論上求知，還要去實(shí) 踐、探索。所以這學(xué)期末的課程設(shè)計(jì)是很及時(shí)的、很必要的。這樣不僅加深我們對(duì) 知識(shí)的掌握，知道了如何去應(yīng)用，真正的做到了學(xué)以致用。 在實(shí)踐中我學(xué)會(huì)了進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的方案分析、比較、擬定；掌握 了機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法；掌握了機(jī)電系統(tǒng)的部分工作原理；學(xué)會(huì)了機(jī)械系統(tǒng)設(shè) 計(jì)步驟和典型零件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和選型計(jì)算方法、提高了結(jié)構(gòu)分析能力和設(shè)計(jì)能 力。通過對(duì)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，掌握了微機(jī)的選用、存儲(chǔ)器的選用與擴(kuò)展等。