數(shù)控X-Y工作臺設計

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1、. 機電一體化課程設計說明書 題目：*-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 班級：11級機械2班 ：**q ** 指導教師： 日期：2014年6月30日 *-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 任務書 題目：*-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 設計任務：設計一種供立式數(shù)控銑床使用的*-Y數(shù)控工作臺 設計要求： 1、每6人一組數(shù)據(jù)，要求獨立完成。 2、圖紙要求：機械系統(tǒng)設計圖紙2〔A2〕，控制原理圖一〔A1〕 3、設計計算說明書1份〔手寫或電子版〕 第八組主要參數(shù)： 1. 立銑刀最大直徑的d=12mm； 2. 立銑刀齒數(shù)Z=2; 3. 最大銑削寬度=10mm; 4. 最大背吃刀量=

2、8mm; 5. 加工材料為碳鋼。 6. *、Y方向的脈沖當量=0.01 mm/脈沖，=0.005mm/脈沖; 7. *、Z方向的定位精度均為mm; 8. 工作臺導軌長度為900mm; 9.工作臺空載進給最快移動速度：v*=3000 mm/min ，vy=6000mm/min; 10.工作臺進給最快移動速度:; 11.移動部件總重量為960N； 12.絲杠有效行程為950mm； 目錄 1.引言：3 2.設計任務3 3.總體方案確實定4 3.1 機械傳動部件的選擇4 導軌副的選用 絲杠螺母副的選用 減速裝置的選用 伺服電動機的選用 檢測裝置的選用 3.2 控制

3、系統(tǒng)的設計4 3.3 繪制總體方案圖5 4.機械傳動部件的計算與選型5 4.1 導軌上移動部件的重量估算5 4.2 銑削力的計算5 4.3 直線滾動導軌副的計算與選型〔縱向〕6 4.3.1 塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取 4.3.2 距離額定壽命L的計算 4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型7 4.4.1 最大工作載荷Fm的計算 4.4.2 最大開工作載荷FQ的計算 4.4.3 初選型號 4.4.4 傳動效率η的計算 4.4.5 剛度的驗算 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 4.5 步進電動機減速箱的選用8 4.6 步進電動機的計算與選型8 4.6.1 計算加

4、在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq 4.6.2 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Teq 4.6.3 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 4.6.4 步進電動機的性能校核 5.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用12 6. 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖12 7．工作臺控制系統(tǒng)的設計12 8．步進電動機的驅(qū)動電源選用14 9.致15 參考文獻15 1.引言： 現(xiàn)代科學技術的不斷開展，極推動了不同學科的穿插與滲透，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開展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術構造、產(chǎn)品機構、功能與構成、生產(chǎn)方式及管理

5、體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由"機械電氣化〞邁入了"機電一體化〞為特征的開展階段。 *-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設備的根本部件，如數(shù)控車床的縱—橫向進刀機構、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的*-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件外表貼裝設備等。 模塊化的*-Y數(shù)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(qū)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*、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(chǎn)，設計時只需根據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工

6、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：數(shù)控*-Y工作臺機電系統(tǒng)設計 任務：設計一種供給式數(shù)控銑床使用的*-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： 9. 立銑刀最大直徑的d=12mm； 10. 立銑刀齒數(shù)Z=2; 11. 最大銑削寬度=10mm; 12. 最大背吃刀量=8mm; 13. 加工材料為碳鋼。 14. *、Y方向的脈沖當量=0.01 mm/脈沖，=0.005mm/脈沖; 15. *、Z方向的定位精度均為mm; 16. 工作臺導軌長度為900mm; 9.工作臺空載進給最快移動速度：v*=3000 mm/min ，vy=6000mm/min; 1

7、0.工作臺進給最快移動速度:; 11.移動部件總重量為960N； 12.絲杠有效行程為950mm； 3.總體方案確實定 3.1 機械傳動部件的選擇 3.1.1導軌副的選用 腰設計數(shù)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(shù)小，不易爬行，傳動效率高，構造緊，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(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到達要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后

8、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(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)定的脈沖當量尚未到達0.001mm，定位精度也未到達微米級，空載最快移動速度也只有因此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。以降低本錢，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

9、高，為了確保電動機在運動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)編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。 考慮到*、Y兩個方向的加工圍一樣，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，*、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一樣的型號與規(guī)格。 3.2 控制系統(tǒng)的設計 1〕設計的*-Z工作臺準備用在數(shù)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根本功能，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-5

10、1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(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。 4〕選擇適宜的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。 3.3 繪制總體方案圖 總體方案圖如下圖： 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展估算。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(zhì)合金立

11、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) 今選擇銑刀的直徑為d=12mm，齒數(shù)Z=2,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ae=10mm，背吃刀量=8mm ，每齒進給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式〔6-11〕求的最大銑削力： Fc=118×120.85×0.10.75×10-0.73×81.0×3000.13×2N≈1280N 采用立銑刀進展圓柱銑削時，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：,，。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，受到水

12、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，則縱向銑削力，徑向銑削力為。 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 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*-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當，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=0.686k

13、N，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，額定靜載荷。 任務書規(guī)定加工圍為200×150㎜，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

14、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〕F*=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. 移動部件總重量G=800N，按矩形導軌進展計算，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm=KF*+(Fz+Fy+G)=[1.11408+0.005(486+320+800)]N1557N 4.4.2 最大開工作載荷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

15、導程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 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇博特精細絲杠制造生產(chǎn)的G系列2005-3型滾珠絲杠副，為循環(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

16、率η的計算 將公稱直徑d0=20mm,導程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) *-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=2.1х105Mpa;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

17、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。絲杠預緊時，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量mm。 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。 (3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量〔對應跨度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，行程偏差允許到達25，可見絲杠剛度足夠。

18、 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)定平安系數(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(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，

19、滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其齒輪設計成雙片構造。 工作臺的脈沖當量=0.004mm/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(jù)式〔3-12〕，算得減速比： =〔0.755〕/〔3600.004〕=25/10 本設計選用市新月電機生產(chǎn)的F-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，齒外表淬硬后到達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 步進電動機的計算與選型 4.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq ：滾珠絲杠的

20、公稱直徑d0=20mm，總長l=500mm，導程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4-1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。 初選步進電動機的型號為90YBG2602,為兩相混合式，由寶馬集團公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動時的步距

21、角為0.75°，從表查得該型號的電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=4 kg·cm2。 則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： =5.087 kg·cm2 4.6.2 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Teq 分快速空載和承受最大負載兩種情況進展計算。 1) 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式〔4-8〕可知，包括三局部;一局部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；一局部是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一局部是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(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： =+

22、 〔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轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩： = (6-14) 其中： =1562.5r/min (6-15) 式中—空載最快移動速度，任務書指定為3000mm/min； —步進電動機步距角，預選電動機為0.75； —脈沖當量，本例=0.004mm/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〔6-14〕求得： = 由式〔4-10〕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： = (6-1

23、6) 90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線 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0 ——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(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩： =+=0.2988Nm (6-17) 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 由式〔4-13〕可知，包括三局部：一局部是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩；一局部是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一局部是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉(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：

24、 =+ 〔6-18〕 其中折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩由公式〔4-14〕計算。有： 再由式〔4-10〕計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： 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)矩： =+=0.643N/m 〔6-19〕 最后求得在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩為： 4.6.3 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

25、進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮平安系數(shù)。取K=4, 則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應滿足： 〔6-20〕 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(zhuǎn)矩=6Nm?？梢?，滿足要求。 4.6.4 步進電動機的性能校核 1)最快工進速度時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度=400mm/min，脈沖當量/脈沖，由式〔4-16〕求出電動機對應的運行頻率。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩5.6Nm，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩=0.643Nm，滿足要求。 2〕最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務書給定

26、工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，求出其對應運行頻率。在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩=1.7Nm，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩=0.2988Nm，滿足要求。 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=3000mm/min對應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20000，可見沒有超出上限。 4〕起動頻率的計算 電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率。由式〔4-17〕可知步進電動機克制慣性負載的起動頻率為： 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

27、，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(zhuǎn)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(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)編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角，可知電動機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出個步進脈沖?？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展電子四細分，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(zhuǎn)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

28、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)示意圖如下圖。 進給傳動系統(tǒng)示意圖 7．工作臺控制系統(tǒng)的設計 根據(jù)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(shù)據(jù)，控制LED顯示 （2） 承受操作面板的開關與按鈕信息； （3） 承受車床限位開關信號； （4） 承受電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號； （5） 控制*，Z向步進電動機的驅(qū)動器； （6） 控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停頓； （7

29、） 控制多速電動機，實現(xiàn)主軸有級變速； （8） 控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速； （9） 控制切削液泵啟動/停頓； （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； （12） 與PC機的串行通信。 *-Y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設計，控制系統(tǒng)根據(jù)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(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；由于數(shù)控工作臺還需要參加銑

30、刀運動控制和程序輸入等指令，所以除設置了*﹑Y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。鍵盤局部提供掃描工作方式，可與64個按鍵的矩陣鍵盤進展連接，能對鍵盤實行不連續(xù)的自動掃描，自動消除抖動，自動識別按鍵并給出鍵值。顯示局部包括一組數(shù)碼顯示管和七只發(fā)光二極管。與PC機的串行通信經(jīng)過MA*233，可以采用PC機將編好的程序送入本系統(tǒng)。控制步進電動機的轉(zhuǎn)動需要三個要素：方向﹑轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。對于含有硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動電源，方向取決于控制器送出的方向電頻的上下，轉(zhuǎn)角取決于控制送出的

31、步進脈沖個數(shù)，而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角控制簡單，而轉(zhuǎn)速控制則比擬復雜。由于步進電動的轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)，實質(zhì)上就是對步進電動機的速度的調(diào)節(jié)。步進電動機的調(diào)頻的軟件延時和硬件定時。采用軟件延時法實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，程序簡單，不占用其他硬件資源；缺點是控制電動機轉(zhuǎn)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；需要停頓的時候，可以從運行頻率直接降到零，

32、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，假設直接用 起動，由于頻率太高，步進電動時機失步，甚至會丟步，甚至停轉(zhuǎn)；同樣在 頻率下突然停頓，步進電動時機超程。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場，逐漸加速升到運行頻率 ，然后進入勻速運行，停頓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，參加了增量式編碼器作為反應信號，但是在編程過程中仍需設計升降頻的局部，以使步進電動機運行平穩(wěn)、準確。根據(jù)需要，可編寫出驅(qū)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)原理框圖如下

33、圖。 控制系統(tǒng)原理框圖 8.步進電動機的驅(qū)動電源選用 設計中*、Y向步進電動機均為90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為寶馬集團公司。選擇與之匹配的驅(qū)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(qū)動電源與控制器的接線方式如下圖。 BD28Nb型驅(qū)動電源接線圖 9.致 在此感幫助我的同學和教師，這次課程設計的完成，離不開教師和同學的指導、幫助和鼓勵。通過這次的課程設計，我對學習了機電一體化系統(tǒng)設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，設計計算方案的工作原理，設計計算的選用原則，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。在今后的學習生活中，這次課程設計的經(jīng)歷將起到重要幫助作用。 近兩年的學習就要告一段落，感那些愛我的人真誠的陪伴…… 參考文獻 〔1〕"機電一體化系統(tǒng)課程設計指導書" 志強等編著 :機械工業(yè) 〔2〕"機電一體化系統(tǒng)設計" 曾勵主編 :高等教育 . >