數(shù)控XY工作臺設(shè)計.doc

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1、 目錄 摘要: ………………………………………………..1 1.前言： 2 2.設(shè)計任務(wù) 2 2.1設(shè)計說明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 2.2設(shè)計要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 3.總體方案的確定 2 3.1 機(jī)械傳動部件的選擇 2 3.1.1導(dǎo)軌副的選用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 3.1.2絲杠螺母副的選用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

2、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 3.1.3減速裝置的選用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 3.1.4伺服電動機(jī)的選用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 3.1.5檢測裝置的選用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 3 3.3 繪制總體方案圖 3 4.機(jī)械傳動部件的計算與選型 4 4.1 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 4 4.2 鉆削力的計算 4 4.3 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型（

3、縱向） 4 4.3.1 塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選?。? 4.3.2 距離額定壽命L的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 5 4.4.1 最大工作載荷Fm的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4.4.2 最大動工作載荷FQ的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4.4.3 初選型號．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

4、 4.4.4 傳動效率η的計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4.4.5 剛度的驗算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 4.5 步進(jìn)電動機(jī)減速箱的選用 6 4.6 步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型 7 4.6.1 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 4.6.2 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq．．．．．

5、．．．．．．．．．．．7 4.6.3 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 4.6.4 步進(jìn)電動機(jī)的性能校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 5.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 10 6. 繪制進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖 10 7．工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計 11 7.1系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 7.2軟件設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

6、7.2.1系統(tǒng)控制功能分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 7.2.2系統(tǒng)管理程序控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 7.2.3自動加工程序設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 7.2.4步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 7.2.5編語言程序設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.1

7、6 8．步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源選用 17 9．總結(jié)與體會…………………………………………18 10.致謝詞…………………………………………….19 參考文獻(xiàn)………………………………………………20 附錄一…………………………………………………21 摘 要 當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機(jī)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(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個基本要素：機(jī)械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計算機(jī)與信息處理技

8、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(jī)械技術(shù)等多學(xué)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(jī)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。 關(guān)鍵字：機(jī)電一體化的基礎(chǔ) 基本組成要素 特點 發(fā)展趨勢 1.前言 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)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(jī)械電氣化

9、”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。 X-Y數(shù)控工作臺是許多機(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、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(dǎo)軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動機(jī)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(dǎo)軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)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，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計算機(jī)，也可以設(shè)計專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。

10、 2.設(shè)計任務(wù) 題目：X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計 2.1、設(shè)計說明： 設(shè)計一套簡易的微機(jī)控制X-Y工作臺，總體設(shè)計，機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計與計算，計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計，編寫設(shè)計計算說明書。 2.2、設(shè)計要求： （1）固定在Z4012型12mm臺式鉆床的工作臺上； （2）能批量加工最大面積為150x100平方毫米的印制電路板上許多孔； （3）最大孔徑可達(dá)6mm； （4）定位精度0.01mm； （5）由串口輸入位置坐標(biāo)； （6）孔號顯示； （7）最大速度5米每分鐘。 3.總體方案的確定 3.1 機(jī)械傳動部件的選擇 3.1.1導(dǎo)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

11、沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動導(dǎo)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(yù)緊方便等優(yōu)點。 3.1.2絲杠螺母副的選用 伺服電動機(jī)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0.004mm沖當(dāng)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(dá)到要求，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(yù)緊后可消除反向間隙。 3.1.3減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機(jī)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(jī)構(gòu)，選用無間隙齒輪傳動減速箱。 3

12、.1.4伺服電動機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有因此3000mm/min，故本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動機(jī)。以降低成本，提高性價比。 3.1.5檢測裝置的選用 選用步進(jìn)電動機(jī)作為伺服電動機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進(jìn)電動機(jī)來說還是偏高，為了確保電動機(jī)在運動過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機(jī)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(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)電動機(jī)的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個方向

13、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(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機(jī)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(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(jìn)電動機(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)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴(kuò)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

14、擇合適的驅(qū)動電源，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用。 3.3 繪制總體方案圖 總體方案圖如圖所示。 圖3.31總體方案圖 4.機(jī)械傳動部件的計算與選型 4.1 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌座等,估計重量約為800N 4.2鉆削力的計算 設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立麻花鉆，工件的材料為碳鋼。則由表3-7查得的鉆削力計算公式為： (6-11) 今選擇麻花鉆的直徑為d=15mm，齒數(shù)Z=3,為了計算最大鉆削力，在不對稱鉆削情況下，取最大鉆

15、削寬度為，背吃刀量=7mm ，每齒進(jìn)給量，麻花鉆轉(zhuǎn)速。則由式（6-11）求的最大鉆削力： 采用鉆削時，各鉆削力之間的比值可由表查得，估算三個方向的鉆削力分別為：,，。圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)考慮鉆削，則工作臺受到垂直方向的鉆削力，受到水平方向的鉆削力分別為和。今將水平方向較大的鉆削力分配給工作臺的縱向，則縱向鉆削力，徑向鉆削力為。 4.3 直線滾動導(dǎo)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(dǎo)軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)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(dǎo)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

16、滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： (6-12) 其中，移動部件重量Ｇ＝800N，外加載荷，代入式（6-12），得最大工作載荷=686N=0.686kN。 查表根據(jù)工作載荷=0.686kN，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷，額定靜載荷。 任務(wù)書規(guī)定加工范圍為200×150㎜，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表選取導(dǎo)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(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級

17、，工作速度較低，載荷不大。分別取硬度系數(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)f=1.5，代入式（3-33），得距離壽命： L= 遠(yuǎn)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(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1408N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=320N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=486N. 已知移動部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計算，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)=0

18、.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.11408+0.005(486+320+800)]N1557N 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(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)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= 4.4.3 初選型號

19、 根據(jù)計算出的最大動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2005-3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(dǎo)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η的計算 將公稱直徑d0=20mm,導(dǎo)程Ph=5mm,代入λ=arctan[Ph/(d0)]，得絲杠螺旋升角λ=4°33′。將摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動效率η=96.4%。 4.4.5 剛度的驗算 (1) X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單

20、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=2.1х105Mpa;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，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.。 (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，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，取軸向預(yù)緊力/3=519N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量mm。 因為絲杠有預(yù)緊力，且為軸向

21、負(fù)載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0012mm。 (3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度500mm）=0.0192mm=19.2 本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時，行程偏差允許達(dá)到25，可見絲杠剛度足夠。 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

22、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(jìn)電動機(jī)減速箱的選用 為了滿足脈沖當(dāng)量的的設(shè)計要求，增大步進(jìn)電動機(jī)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(jī)軸上盡可能的小，今在步進(jìn)電動機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪機(jī)減速，采用一級減速，步進(jìn)電動機(jī)的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設(shè)計成雙片結(jié)構(gòu)。 已知工作臺的脈沖當(dāng)量=0.004mm/脈沖，滾珠絲杠的的導(dǎo)程Ph=5mm， 初選步進(jìn)電動機(jī)的步距角=0.75°。根據(jù)式（3-12），算得減速比： =（0.755）/（3600.004）=25/10 本設(shè)計選用常州市新月電機(jī)有

23、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(dá)到55HRC。減速箱中心距為[（75+30）1/2]mm=57mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。 4.6 步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型 4.6.1 計算加在步進(jìn)電動機(jī)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(dǎo)程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=800N；小齒輪齒寬b1=20mm.，直徑d1=30mm，大小齒輪齒寬b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動比i=25/10。 如表4-

24、1所示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下： 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=0.617kg·cm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Jw=0.517kg·cm2;小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz1=0.125 kg·cm2；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz2=4.877 kg·cm2。 初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為90YBG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)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(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=4 kg·cm2。 則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： =5.087 kg·cm2

25、 4.6.2 計算加在步進(jìn)電動機(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)行計算。 1) 快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式（4-8）可知，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （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(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩： =

26、 (6-14) 其中： =1562.5r/min (6-15) 式中—空載最快移動速度，任務(wù)書指定為3000mm/min； —步進(jìn)電動機(jī)步距角，預(yù)選電動機(jī)為0.75； —脈沖當(dāng)量，本例=0.004mm/脈沖。 設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由式（6-14）求得： = 由式（4-10）知，移動部件運動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： = (6-16) 90BYG2602電動機(jī)的運行矩頻特性曲線 式中——導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動導(dǎo)軌取0.005 ——垂直方向的銑削力，空載時取0 —

27、—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(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： =+=0.2988Nm (6-17) 2) 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （6-18） 其中折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由公式（4-14）計算。有：

28、 再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負(fù)載情況下，移動部件運動時折算到電動機(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)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： =+=0.643N/m （6-19） 最后求得在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： 4.6.3 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)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(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。取K=4, 則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （6-20） 初

29、選步進(jìn)電動機(jī)的型號為90BYG2602，查得該型號電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩=6Nm?？梢?，滿足要求。 4.6.4 步進(jìn)電動機(jī)的性能校核 1)最快工進(jìn)速度時電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量/脈沖，由式（4-16）求出電動機(jī)對應(yīng)的運行頻率。從90BYG2602電動機(jī)的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩5.6Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.643Nm，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，求出其對應(yīng)運行頻率。在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=1.7Nm，大于快速

30、空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.2988Nm，滿足要求。 3）最快空載移動時電動機(jī)運行頻率校核 與快速空載移動速度=3000mm/min對應(yīng)的電動機(jī)運行頻率為。查表知90BYG2602電動機(jī)的空載運行頻率可達(dá)20000，可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計算 已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的空載起動頻率。由式（4-17）可知步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為： 說明：要想保證步進(jìn)電動機(jī)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。 綜上所述，本次設(shè)計中工作臺的進(jìn)給傳動系統(tǒng)選用90

31、BYG2602步進(jìn)電動機(jī)，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(jìn)電動機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動機(jī)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(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)電動機(jī)的步距角，可知電動機(jī)轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出個步進(jìn)脈沖。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(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)一個步進(jìn)脈沖，電動機(jī)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(jī)尾部出軸相匹配，電源

32、電壓+5V，每秒輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出。 6. 繪制進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖 進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖如圖所示。 圖6.1進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖 7 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計 7.1系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個部分： 1、系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。 2、零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。 3、插補程

33、序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補，分配進(jìn)給脈沖。 4、伺服控制程序。根據(jù)插補運算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。 診斷程序。包括移動不見移動超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯等功能。 6、機(jī)床的自動加工及手動加工控制程序。 7、鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。 7.2軟件設(shè)計 7.2.1系統(tǒng)控制功能分析 數(shù)控X-Y工作臺的控制功能包括： （1）、系統(tǒng)初始化。如對I/O接口8155，8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。 （2）、工作臺復(fù)位。開機(jī)后工作臺應(yīng)該自動復(fù)位，亦可手動復(fù)位

34、。 （3）、輸入和顯示加工程序。 （4）、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。 （5）、工作臺超程顯示與處理。工作臺位移超過規(guī)定值時應(yīng)該立即停止工作臺的運動，并顯示相應(yīng)的指示字符。 （6）、工作臺的自動控制。 （7）、工作臺的手動控制。 （8）、工作臺的聯(lián)動控制。 7.2.2系統(tǒng)管理程序控制 管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計管理程序時，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺的基本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，刀位控制，工作臺位置控制，手動操作，緊急停機(jī)等。根據(jù)以上分

35、析，設(shè)計管理程序流程圖如下所示 開始 系統(tǒng)初始化 加工程序輸入鍵按下？ 機(jī)床復(fù)位 N 加工數(shù)據(jù)輸入 自動加工 手動加工鍵按下？ 自動加工鍵按下？ N Y N 手動調(diào)整 Y Y N 圖7.1管理程序流程 7.2.3自動加工程序設(shè)計 （1）機(jī)床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位→刀具快速進(jìn)給→加工→退刀→工作臺運動到下一位

36、置； （2）計算機(jī)在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工； （3）由以上分析，設(shè)計自動加工程序框圖如下所示： 入口 零件坐標(biāo)地址指針 讀零件坐標(biāo) 調(diào)步進(jìn)電機(jī)子程序 工作臺移動到位 刀具快進(jìn) 加工 快速退刀 零件坐標(biāo)地址指針加1 零件加工完成 N Y 返回 圖7.2 7.2.4步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計 步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動或停止時，由于負(fù)載和慣性，會使電機(jī)失步，所以電機(jī)運行時有

37、一個加，減速過程。 通過確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時間間隔，即可實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。 （1）時間常數(shù)的確定 在步進(jìn)電機(jī)控制程序中，利用單片機(jī)的定時器中斷，延時產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時間間隔。此間隔由送入定時器的時間常數(shù)決定。時間常數(shù)由下式計算： 式中：T為脈沖時間間隔（ms）；為單片機(jī)機(jī)器周期（s），在時鐘為6MHz時，=2s。 （2）步進(jìn)電機(jī)加，減速進(jìn)給脈沖及脈沖時間間隔的確定 設(shè)步進(jìn)電機(jī)加，減速方式為直線加，減速。 要使步進(jìn)電機(jī)不失步，應(yīng)滿足： 式中：為步進(jìn)電機(jī)啟動力矩；為負(fù)載力矩；為慣性力矩。 由步進(jìn)電機(jī)=3.92N.m，取步進(jìn)電機(jī)的加速啟動力矩 則使步進(jìn)電機(jī)

38、不失不的慣性力矩 步進(jìn)電機(jī)角加速度 又 式中：為上升到步進(jìn)電機(jī)最高頻率所需時間，所以有： 加速脈沖個數(shù)： 確定加減脈沖個數(shù)都為54個 又因為： 所以脈沖時刻 結(jié)合可以算出對應(yīng)各脈沖時刻的計數(shù)器時間常數(shù)。 EPROM存儲器中，時間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲單元中，每個時間常數(shù)占據(jù)兩個字節(jié)，低位地址存放時間常數(shù)低8位，高位地址存放時間常數(shù)高8位。 在程序中，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計數(shù)器N0，N1，N2。以計數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程是否結(jié)束的標(biāo)志。步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖如下所示： 步進(jìn)電機(jī)控制子程序： 開始 中斷初始化

39、 設(shè)時間常數(shù)地址指針 首地址指向1000H 加速 減速 脈沖計數(shù)器賦初值 恒速 送時間常數(shù)至計數(shù)器中 N 返回 關(guān)中斷？ 開中斷 啟動定時器 Y

40、 圖7.3 步進(jìn)電機(jī)控制中斷服務(wù)程序： 中斷服務(wù)程序入口 送時間常數(shù) 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)一步 N0=0？ N1=0？ 時間常數(shù)地址指針加1 N1←N1-1 N2=0？ N0←N0-1 時間常數(shù)地址指針加1 關(guān)中斷 N2←N2-1 中斷返回

41、 圖7.4 7.2.5編語言程序設(shè)計 （1）內(nèi)存地址分配 加速脈沖數(shù)計數(shù)器N0地址設(shè)為20H； 恒速脈沖數(shù)計數(shù)器N1低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址位22H； 減速脈沖數(shù)計數(shù)器N2地址位23H。 加速，減速，恒速脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址位25H； 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址位0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給一步。 （2）程序清單 見附錄一 8.步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源選用 設(shè)計中X、Y向步進(jìn)電動機(jī)均為90BYG2602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)動電源為BD28Nb型，輸入電壓為

42、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。 圖8.1 BD28Nb型驅(qū)動電源接線圖 9. 總結(jié)與體會 整個系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)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(jī)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(jī)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

43、管同時導(dǎo)通造成短路現(xiàn)象，能夠有效的控制伺服電機(jī)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(jī)的位置，通過單片機(jī)對光電編碼器反饋信號處理來達(dá)到預(yù)期的精度要求。在設(shè)計中我們兼顧經(jīng)濟(jì)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 10．致謝詞 通過這次設(shè)計，我學(xué)會了如何查閱現(xiàn)有的技術(shù)資料、如何舉一反三、如何通過改進(jìn)并加入自己的想法與觀點，使之成為自己的東西。并且結(jié)合生產(chǎn)知識，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際以及分析和解決工程實際

44、問題的才能，并使大學(xué)三年所學(xué)的知識得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展。在此，我對我的老師表示衷心的感謝，感謝他對我的嚴(yán)格要求，感謝他的監(jiān)督和指導(dǎo)。其次我要感謝這三年里給我授課的所有老師。感謝你們傳給我知識。最后還要感謝參考文獻(xiàn)中所列書籍、文章及資料的作者。 參考文獻(xiàn) （1） 任玉田.機(jī)床計算機(jī)數(shù)控技術(shù).北京：北京理工大學(xué)出版社，1996 （2） 黃尚先.現(xiàn)代機(jī)床數(shù)控技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996 （3） 白恩遠(yuǎn).現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，2008

45、 （4） 姜培剛編 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計 機(jī)械工業(yè)出版社（2004年9月版） （5） 黃筱調(diào)等編 機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社（第一版） （6） 趙松年、張奇鵬主編《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計》 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 附錄一 程序清單 N0 EQU 20H ;加速 N1L EQU 21H ;恒速 N1H EQU 22H N2 EQU 23H ;減速 NL EQU 24H ;脈沖總數(shù)寄存器 NH

46、EQU 25H DS EQU 26H ；地址指針偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H 0E00 758160 START： MOV P，#60H 0E03 758901 MOV TMOD，#01H ；設(shè)計數(shù)器工作方式為1，16位定時器 0E06 75201B MOV N0，#01A4H ；設(shè)N0為320 0E09 75231B MOV N2， #1A4H 0E0C E520 MOV

47、A ， N0 ；計算2XN0 0E0E 23 RL A 0E0F F8 MOV R0， A 0E10 C3 CLR C ；計算N1=N-2N0 0E11 E524 MOV A， NL 0E13 98 SUBB A， R0 0E14 F521 MOV N1L， A 0E16 E525

48、 MOV A， NH 0E18 9400 SUBB A，#00H 0E1A F522 MOV N1H，A 0E1C 901000 MOV DPTR， #1000H ；設(shè)時間常數(shù)指針初值為1000H 0E1F 752600 MOV DS， #00H ；設(shè)地址偏移量初值為00H 0E22 93 MOVC A, @A+DPTR ；從EPROM中讀時間常數(shù) 0E23 F58A

49、 MOV TL0， A ；送時間常數(shù)至定時器0中 0E25 0526 INC DS 0E27 E526 MOV A，DS 0E2 93 MOVC A，@A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A 0E2C 0526 INC DS 0E2E D2AF SETB EA ；開中斷允許 0E3

50、0 D2A9 SETB ET0 ；允許定時器0中斷 0E32 D28C SETB TR0 ；啟動定時器0開始計算 0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回 0E37 22 RET 中斷服務(wù)程序： ORG 000BH 000B 02F00 LJMP 0F00H 0F00 93

51、 MOVC A，@A+DPTR 0F03 F58A MOV TL0， A 0F05 0526 INC DS 0F07 E526 MOV A，DS 0F09 93 MOVC A，@A+DPTR 0F0A F58C MOV TH0， A 0F0C 0526 INC DS ；修改地址偏移量指針 0F0E D180

52、ACALL FEED ；調(diào)FEED子程序 0F10 E520 MOV A， N0 ；判斷N0是否為0 0F12 B400 CJNE A， #00H， LOOP1 0F15 E52 MOV A， N1H ；判斷N1是否為0 0F17 B40010 CJNE A，#00H， LOOP2 0F1A E522 MOV A，N1H 0F1C B4000B CJNE A，#

53、00H，LOOP2 0F1F E523 MOV A，N2 判斷N2是否為0 0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP3 0F24 C2AF CLR EA ；N2為0 ，減速結(jié)束，關(guān)中斷 0F26 32 RETI 0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0不為0，則N0←N0-1 0F29 32 RETI 0F2A

54、 E521 LOOP2：MOV A，N1L ；N1不為0，則N1←N1-1 0F2C C3 CLR C 0F2D 9401 SUBB A， #01H 0F2F F521 MOV N1L， A 0F31 E522 MOV A， N1H 0F33 9400 SUBB A，#00H 0F35 F522 MOV N1H，A 0F37 32 RETI 0F38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不為0，則N2←N2-1 0F3A 32 RETI 25