銑床的數控X-Y工作臺設計

銑床的數控X-Y工作臺設計,銑床的數控X-Y工作臺設計,銑床,數控,工作臺,設計 第 1 頁 共 21 頁 畢業(yè)設計說明書 銑床的數控 X-Y 工作臺設計 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 銑床的數控 X-Y 工作臺設計 摘 要 X-Y 數控工作臺機電系統(tǒng)設計 是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結構簡單。實現方便而且能夠 保證一定的精度。降低成本,是微機控制技術的最簡單的應用。它充分的利用了危機的軟 件硬件功能以實現對機床的控制;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 數控工作臺機電系統(tǒng)設計是利用 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對零件進行幾何加工,每進行一段加工都要產生一定的脈 沖以驅動電機正反轉,同時通過 8155(1)將相應的加工進刀信息送至刀架庫中以實現以之 相應的走刀,電機和刀具的相對運動所以實現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)結構及子程序結構簡單，條件明確在經濟型數控中應用較多。中斷結構采 用模塊化結構設計因為這種結構便于修改和擴充，編制較為方便，便于向多處理方向發(fā) 展。X-Y 數控工作臺機電系統(tǒng)設計采用步進電機作為驅動裝置。步進電機是一個將脈沖信 號轉移成角位移的機電式數模轉換器裝置。其工作原理是：每給一個脈沖便在定子電路 中產生一定的空間旋轉磁場；由于步進電機通的是三相交流電所以輸入的脈沖數目及時 間間隔不同，轉子的旋轉快慢及旋轉時間的長短也是不同的。由于旋轉磁場對放入其中 的通電導體既轉子切割磁力線時具有力的作用，從實現了旋轉磁場的轉動迫使轉子作相 應的轉動，所以轉子才可以實現轉子帶動絲杠作相應的運動。 關鍵詞：X-Y 數控工作臺 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.設計任務 .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軸上的總轉動慣量 Jeq.12 第 5 頁 共 21 頁 4.6.2 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩 Teq.12 4.6.3 步進電動機最大靜轉矩的選定 .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)的設計 .16 8.步進電動機的驅動電源選用 .18 結束語 .19 致謝 .20 參考文獻 .21 第 6 頁 共 21 頁 1.引言 現代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域 的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發(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)的技術結構、產品機構、功能與構成、 生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體 化”為特征的發(fā)展階段。 當今世界電子技術迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術領域得到了廣泛應用， 對各領域技術的發(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)，應包含以 下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構、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、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感 技術、伺服傳動技術和機械技術等多學科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(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 數控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車床的縱橫向進刀機構、 數控銑床和數控鉆床的 X-Y 工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。 模塊化的 X-Y 數控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺 服電動機等部件構成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅動滾珠絲杠，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，設計時只需根據工作載荷選取 即可?？刂葡到y(tǒng)根據需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機 控制系統(tǒng)。 2.設計任務 題目：銑床的數控 X-Y 工作臺設計 任務：設計一種供應式數控銑床使用的 X-Y 數控工作臺，主要參數如下： 數控運動驅動力源可以采用步進電機或交流伺服電機驅動，但是所選電機必須與該電 機生產廠所列技術數據一致 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； 所設計的工作臺應結構合理、制造工藝性良好； 設計裝配圖應表達正確、完整，技術標注規(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：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 腰設計數控車床工作臺，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，它具有摩擦系數小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預 緊方便等優(yōu)點。 3.1.2 絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，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)響應快、運轉平穩(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矩， 降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構， 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軸上安裝增量式旋轉編碼 第 8 頁 共 21 頁 器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應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)的設計 1）設計的 X-Z 工作臺準備用在數控車床上，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位，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，能夠滿足任務書給定的相關指標。 3）要設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 轉換電路，串行接口電路等。 4）選擇合適的驅動電源，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 機 械執(zhí) 行機 構 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 設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，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 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。考慮最不利的情況，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 任務書規(guī)定加工范圍為 350250，考慮工作行程應留有一定余量，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 f =1.0，溫度系數 f =1.00，接觸系數 f =0.81，精度系數 f =0.9，載荷系數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 K=1.1， 滾動導軌上的摩擦系數 =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 L0=72（單位為： 106r） 。 查表，取載荷系數 fw=1.2,滾道硬度為 60HRC 時，取硬度系數 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 生產的 G 系列 2005-3 型滾珠絲杠副，為內循環(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 作用下產生的拉/壓變形量 mm=0.0180mm.。51/()1570/(.1206.)mFaES (2) 根據公式 ，求得單圈滾珠數 Z=20；該型號絲杠為單螺母，)3WZdD 滾珠的圈數 列數為 3 1，代入公式 Z 圈數 列數，得滾珠總數量 =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 根據公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷 FK。取支承系數 =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 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計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也為了使?jié)L珠 絲杠和工作臺的轉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。其中大齒輪設計成雙片結構。 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。根據式（3-12） ，算得減速比：3.75 =（0.75 5）/（360 0.003）=38/11()/360hiP 本設計選用常州市新月電機有限公司生產的 JBF-3 型齒輪減速箱。大小齒輪模數均 為 1mm，齒數比為 75：30，材料為 45 調質鋼，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軸上的總轉動慣量 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動慣量如下： 2SLRJ2ZRJb 滾珠絲杠的轉動慣量 Js=0.617kgcm2;拖板折算到絲杠上的轉動慣量 Jw=0.517kgcm2;小齒輪的轉動慣量 Jz1=0.125 kgcm2；大齒輪的轉動慣量 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，二 相八拍驅動時的步距角為 0.75，從表查得該型號的電動機轉子的轉動慣量 Jm=4 kgcm2。 則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為： =5.087 kgcm2212()/eqmZWSJJi 4.6.2 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩 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軸所承受的負載轉矩 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軸上的最大加速轉矩 ；一部分是移動max 部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩 ；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電f 第 13 頁 共 21 頁 動機轉軸上的附加摩擦轉矩 。因為滾珠絲杠副傳動效0T 率很高，根據式（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軸上最大加 速轉矩： = (6-14)maxT2160eqmaJnt 其中： =1388.9r/min (6-15)3v 式中 空載最快移動速度，任務書指定為 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，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： = (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軸所承受的負載轉矩： = + =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)下電動機轉軸所承受的負載轉矩 2eqT 由式（4-13）可知， 包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載2eqT 轉矩 ；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩 ；還有一部分是滾tT f 珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩 ， 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軸上的最大工作負載轉矩 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 時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩： 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)下電動機轉軸所承受的負載轉矩： = + =0.382N.m （6-19）2eqTtf 最后求得在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為： mNTeaea 382.0,mx21 4.6.3 步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉 矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據 來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，eqT 需要考慮安全系數。取 K=4, 則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： （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矩校核 任務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，電動機的輸出轉矩 5.6N m，遠遠大于最大工作負載轉矩 =0.382N m，maxfT 2eqT 滿足要求。 2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度 =300mm/min，求出其對應運行頻率 。在此頻率下，電動maxv max30/(6.3)16f Hz 機的輸出轉矩 =1.7N m，大于快速空載起動時的負載轉矩 =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 已知電動機轉軸上的總轉動慣量 ，電動機轉25.087eqJkgcm 子的轉動慣量 ，電動機轉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 足設計要求。 5.增量式旋轉編碼器的選用 本設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軸上安裝增量式旋轉 編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的 步距角 ，可知電動機轉動一轉時，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，電動機轉過一個步 距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。 此次設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)的設計 根據任務書的要求，設計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能： （1） 接收鍵盤數據，控制 LED 顯示 （2） 接受操作面板的開關與按鈕信息； （3） 接受車床限位開關信號； （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 向步進電動機的驅動器； （6） 控制主軸的正轉，反轉與停止； （7） 控制多速電動機，實現主軸有級變速； （8） 控制交流變頻器，實現主軸無級變速； （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 數控工作臺的控制系統(tǒng)設計，控制系統(tǒng)根據需要，可以選取用標準的工作控制計 算機，也可以設計專用的微機控制系統(tǒng)。本設計 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 用做數據存儲器，存放用戶程序； 由于數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碼顯示管和 七只發(fā)光二極管。與 PC 機的串行通信經過 MAX233，可以采用 PC 機將編好的程序送入本 系統(tǒng)?？刂撇竭M電動機的轉動需要三個要素：方向轉角和轉速。對于含有硬件環(huán)形分 配器的驅動電源，方向取決于控制器送出的方向電頻的高低，轉角取決于控制送出的步 進脈沖個數，而轉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 向和轉角控制簡單，而轉速控制則比較復雜。由于步進電動的轉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節(jié)，實質上就是對步進電動機的速度的調節(jié)。步進 電動機的調頻的軟件延時和硬件定時。采用軟件延時法實現速度的調節(jié)，程序簡單，不 占用其他硬件資源；缺點是控制電動機轉動的過程中，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；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計升降頻的部分，以使步進電動機運行平穩(wěn)、 精確。根據需要，可編寫出驅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 /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 信 號交 流 變 頻 器 主 軸 電 動 機 單 片 機 并 行接 口芯 片825轉 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.步進電動機的驅動電源選用 設計中 X、Y 向步進電動機均為 90BYG2602 型，生產廠家為常州寶馬集團公司。選擇 與之匹配的驅動電源為 BD28Nb 型，輸入電壓為 1000VAC，相電流為 4A，分配方式為二相 八拍。該驅動電源與控制器的接線方式如圖所示。 BD28Nb 型驅動電源接線圖 第 19 頁 共 21 頁 結束語 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軸器 直接與滾珠絲杠連接驅動絲杠傳動，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 脈寬調制電路來實現伺服電機電壓的 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 時導通造成短路現象，能夠有效的控制伺服電機的正轉、反轉及轉速，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。在設計中我們兼顧經濟 性，考慮滿足精度的要求，因此對于設備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設計的 成本較高。 第 20 頁 共 21 頁 致謝 本人在畢業(yè)課題的設計中，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合，打下了堅固的理論和實踐 基礎，為我們在進入工作環(huán)境創(chuàng)造了良好的基礎，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。 感謝院系領導對我的關懷和重視，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，領會到素質拓展的重要性，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) 現了自己的專長，而且讓我把事情做得更好。感謝您們容忍我的任性與錯誤，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. 架構之啟迪，及其內容 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. 光機電一體化產業(yè)的未來J. 光機電信息, 2003,(12). 4、丁連紅. 機電一體化技術發(fā)展趨勢和現狀分析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J礦業(yè)工程, 2005,(06) 6、王寶敏. 談機電一體化技術的發(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的現狀和發(fā)展趨勢J. 科技促進發(fā)展, 2007,(03) 9、張毅剛.單片機原理與應用M.北京:高等教育出版社,2003. 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