數(shù)控銑床XY工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)臺(tái)設(shè)計(jì)

數(shù)控銑床XY工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)臺(tái)設(shè)計(jì),數(shù)控,銑床,XY,工作臺(tái),及其,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 目錄 一、總體 2 二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 1、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 3 2、機(jī)械部件(工作臺(tái))總體尺寸 4 3、工作載荷分析及計(jì)算 4 4、滾珠絲杠螺母副的選型和校核 6 5、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算 11 6、聯(lián)軸器的選擇及計(jì)算 12 7、傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 13 8、步進(jìn)電機(jī)的選用 14 三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 1、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 19 2、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 22 參考文獻(xiàn) 25 一、總體 1、總體參數(shù) 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控XY工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)。該工作臺(tái)可安裝在銑床上，用于銑削加工。已知的設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 最大銑刀直徑 最大銑削寬度 最大銑削深度 加工材料 工作臺(tái)加工范圍（mm） 最大移動(dòng)速度 20 mm 8 mm 4 mm 碳鋼 X=200，Y=150 3 m/min 2、開、半閉、閉環(huán)選擇 開環(huán)伺服系統(tǒng)——步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)——沒有檢測裝置 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)——交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)——脈沖編碼器——速度反饋 閉環(huán)伺服系統(tǒng)——交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)——位置檢測裝置——位置反饋 本設(shè)計(jì)采用開環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 3、傳動(dòng)初步設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī)——聯(lián)軸器——滾珠絲杠——工作臺(tái) 4、系統(tǒng)組成框圖 5、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖 X軸與Y軸的傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖都如圖所示 二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 1.1、脈沖當(dāng)量的確定 根據(jù)機(jī)床或工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)所需要的定位精度來選定脈沖當(dāng)量。考慮到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本次設(shè)計(jì)給定脈沖當(dāng)量 為 =0.01mm。 1.2、傳動(dòng)比的確定 傳動(dòng)比計(jì)算公式：　　　專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（2－1） 其中：為步進(jìn)電機(jī)的步距角，為滾珠絲杠導(dǎo)程，為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。根據(jù)傳動(dòng)設(shè)計(jì)，采用聯(lián)軸器， 選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為55BF009，其步矩角=，選絲杠規(guī)格為2004-3(FYND)　其導(dǎo)程為4mm，。 則其傳動(dòng)比 2、機(jī)械部件(工作臺(tái))總體尺寸 2、1初定工作臺(tái)的尺寸 由于工作臺(tái)的加工范圍為X＝200mm，Y＝150mm。工作臺(tái)尺寸一般為工作臺(tái)加工范圍的1.1倍。所以：X＝200×1.1＝220mm, Y＝150×1.1＝165mm，其厚度初定為30mm。 選擇工作臺(tái)的型槽為T型槽，查電子版《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊》中的T型槽和相應(yīng)螺栓(摘自GB/T158-1996) 表3-25T型槽和相應(yīng)螺栓尺寸，可得所選T型槽的參數(shù)： A＝10mm　　　B＝18mm C＝8mm　　 　H＝21mm 間距取50mm 一取工作臺(tái)厚度為T型槽厚度的2倍，即2×21＝42mm。 工作臺(tái)質(zhì)量：,即縱向絲杠所承受的質(zhì)量。 在工作臺(tái)上的工件和夾具的質(zhì)量估計(jì)為 所以總的移動(dòng)部件的重量為 3、工作載荷分析及計(jì)算 3.1銷削力的分析與計(jì)算 銑削運(yùn)動(dòng)的主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶動(dòng)工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給（鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)給）。 根據(jù)《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教程》選銑刀。由表3－23，根據(jù)最大銑刀直徑d＝20mm，最大銑削寬度，最大銑削深度選擇莫氏錐柄立銑刀，立銑刀各參數(shù)如下： 直徑范圍 推薦直徑 齒數(shù) > 標(biāo)準(zhǔn)系列 標(biāo)準(zhǔn)系列 粗齒 中齒 細(xì)齒 19 23.6 20 22 38 123 3 4 6 140 由表5－11 高速鋼立銑刀銑平面的銑削進(jìn)給量中選取 ，由專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表2－2查得高速鋼銑刀銑削力公式，選定銑刀轉(zhuǎn)速，由專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表2－3查得切削力公式中銑削力系數(shù)，因此銑削力為： 由表2－1和表2－2中表示每齒進(jìn)給量，即銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)，工件與銑刀的相對(duì)移動(dòng)量，每齒進(jìn)給量、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和工作臺(tái)進(jìn)給速度三者之間的關(guān)系為： 式中z為銑刀齒數(shù)，n為銑刀轉(zhuǎn)速 可得工作臺(tái)進(jìn)給速度 3.2進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷計(jì)算 作用在工作臺(tái)上的合力與銑刀刀齒上受到的銑削力的合力F大小相同，方向相反，合力就是設(shè)計(jì)和校核工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為三個(gè)力：工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷，工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷和工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷。 工作臺(tái)工作載荷、和與銑刀的切向銑削力之間有一定的經(jīng)驗(yàn)比值。因此，根據(jù)專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表2－4，查工作臺(tái)載荷與切向銑削力的經(jīng)驗(yàn)比值： 銑削條件 比值 不對(duì)稱銑削 逆銑 順銑 圓柱銑、立銑盤銑和成型銑 ／ 1.00～1.20 0.80～0.90 ／ 0.20～0.30 0.75～0.80 ／ 0.35～0.40 0.35～0.40 求出后，根據(jù)最大的經(jīng)驗(yàn)比算，即可計(jì)算出工作臺(tái)的計(jì)算載荷、和。 4、滾珠絲杠螺母副的選型和校核 4.1滾珠絲杠螺母副類型選擇 4.1.1主要類型 采用回珠器處在螺母之內(nèi)的鋼珠內(nèi)循環(huán)方式，另外，為了消除間隙和提高滾珠絲杠副的鋼度，可以預(yù)加載荷，使它在過盈的條件下工作，初步選用墊片預(yù)緊式。 4.1.2主要參數(shù)及代號(hào) 4.1.2.1滾珠絲杠副的主要參數(shù) ①公稱直徑，數(shù)控機(jī)床常用的進(jìn)給絲杠的公稱直徑為至，但這是X-Y工作臺(tái)，不用太大，初選。 ②基本導(dǎo)程(螺距)，由步距角、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比確定。 ③精度等級(jí)，一般選用4級(jí)~7級(jí)，數(shù)控機(jī)床及精密機(jī)械可選用2級(jí)~3級(jí)。它是滾珠絲杠副的重要指標(biāo)，直接影響定位精度、承載能力和接觸剛度。 4.1.2.2滾珠絲杠副的標(biāo)注 查專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書絲杠的特征代號(hào)見表2-6，初步選擇滾珠絲杠副為FDM1604-3，導(dǎo)軌面的硬度為58~64HRC。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》第三版第3卷成大先主編 表12-1-17 其具體參數(shù)如下： 規(guī)格代號(hào) 公稱直徑 公稱導(dǎo)程 滾珠直徑 螺旋升角 循環(huán)列數(shù) 額定動(dòng)載荷 額定靜載荷 接觸剛度 2504-3 25 4 3 3 8.2 23 654 4.2滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇及校核步驟 4.2.1最大工作載荷 滾珠絲杠上的工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。 采用實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算，對(duì)于三角形或綜合導(dǎo)軌 　　 專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（2-12） 式中：為工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷，為工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷，G為移動(dòng)部件的重力（N），K和分別為考慮顛覆力距影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，對(duì)于三角形或綜合導(dǎo)軌K＝1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌，取。所以： 4.2.2最大動(dòng)載C的計(jì)算及主要尺寸初選 滾動(dòng)絲杠最大動(dòng)載荷C可用下式計(jì)算： 　　　　　　專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（2-14） 式中：L為工作壽命，單位為，；n為絲杠轉(zhuǎn)速，；v為最大切削力條件下的進(jìn)給速度，為所預(yù)選的滾珠絲杠的導(dǎo)程，待剛度驗(yàn)算后再確定；t為額定使用壽命（h），可取t=15000h；為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1~1.2，一般情況取1.2~1.5，有沖擊振動(dòng)取1.5~2.5；為滾珠絲杠工作載荷（N）。 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動(dòng)載荷不得小于最大動(dòng)載荷C；。 取，而工作臺(tái)進(jìn)給速度，則工作壽命： 則 因?yàn)?，所以所選滾珠絲杠螺母副符合最大動(dòng)載荷要求。 4.2.3傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： 專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（2-15） 其中，為絲杠螺旋升角，可由，為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率較高，一般取0.8~0.9之間，可知，上式傳動(dòng)效率計(jì)算有效。 4.2.4剛度驗(yàn)算 4.2.4.1絲杠的拉壓變形量 滾珠絲杠計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量： 專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（2-15） 其中：為在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量，為絲杠的工作載荷，L為滾珠絲杠在支承件的受力長度，取，E為材料彈性模量，對(duì)鋼，A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積，，“+”號(hào)用于拉伸，“-”號(hào)用于壓縮。 則 4.2.4.2滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長度無關(guān)。有預(yù)緊時(shí)，可以使用下式計(jì)算： 專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（2-17） 其中：為滾珠直徑，為滾珠總數(shù)量，Z為一圈的滾珠數(shù)，，為滾珠絲杠的公稱直徑，為預(yù)緊力，為滾珠絲杠的工作載荷 查表可得 ， 由于當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時(shí)，值可減少一半左右。 4.2.4.3滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算 絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。或者，由絲杠精度等級(jí)查出規(guī)定長度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長度上的變形量應(yīng)該比它小。否則，應(yīng)考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲杠。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，滾珠絲杠副行程精度，表12-1-19，在有效行程L內(nèi)平均行程變動(dòng)量，根據(jù)機(jī)床的定位精度可得為0.023mm，。因此所選的滾珠絲杠副剛度符合要求。 4.2.5壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠長度確定 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 其中L由1604-3絲杠副中取L=65mm. 故 =250+65+50=365mm 圓整=365mm =200+65+50=320mm 圓整=320mm 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失去穩(wěn)定。失穩(wěn)時(shí)的載荷為： 專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（2-18）　 其中：E為絲杠材料彈性模量，對(duì)鋼，I為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面，（絲杠承載方式系數(shù)，選用一端固定，一端簡支方式） 則較驗(yàn)較長的絲杠： 臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于需用穩(wěn)定安全系數(shù)，則該滾珠絲杠就不會(huì)失穩(wěn)。因此，滾珠絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為： 因此，所選滾珠絲杠符合穩(wěn)定性要求。 4.2.6滾珠絲杠螺母副安裝連接尺寸 在確定絲杠副類型及型號(hào)及進(jìn)行了傳動(dòng)效率、剛度和穩(wěn)定性校核后，還需要考慮其他一些設(shè)計(jì)事項(xiàng)。比如：避免絲杠外露；螺母在有效行程內(nèi)配置限位裝置，以免越程滾珠流失；滾珠絲杠必須潤滑，常用鋰樹脂；絲杠副螺母安裝連接尺寸等。 根據(jù)表2-12和圖2-12內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副（包括浮動(dòng)反向器及固定反向器）滾珠螺母安裝、連接尺寸： 規(guī)格代號(hào) 公稱直徑 公稱導(dǎo)程 滾珠螺母安裝、連接尺寸 2504 25 4 40 66 53 11 5.5 10 5.7 5、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算 5.1滾動(dòng)導(dǎo)軌 本設(shè)計(jì)采用整體型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，因?yàn)樗歉鶕?jù)預(yù)緊訂貨，不需要自己調(diào)整。 5.2、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算 專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表2-16列出了上海組合夾具廠兩種型號(hào)（SGDA和SGDB）直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的主要參數(shù)，其中為額定動(dòng)載荷，為額定靜載荷。 初選GDA20滾動(dòng)導(dǎo)軌，根據(jù)指導(dǎo)書表2-16可得其導(dǎo)軌參數(shù)，其額定動(dòng)載荷。 這個(gè)行走距離稱為滾動(dòng)導(dǎo)軌的距離額定壽命，它可根據(jù)滾動(dòng)導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷用下列公式進(jìn)行計(jì)算： 專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（2-20） 其中：L為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離壽命，F(xiàn)為每個(gè)滑塊上的工作載荷，，為硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為58~64HRC時(shí)，＝1.0，為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過時(shí)，，為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝兩個(gè)滑塊時(shí)，為載荷/速度系數(shù)，無沖出振動(dòng)或時(shí)，取。 則滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離壽命L： 從產(chǎn)品樣本中選定了滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)，計(jì)算距離壽命L或小時(shí)額定壽命，若L或大于滾動(dòng)導(dǎo)軌的期望壽命時(shí)，則滿足設(shè)計(jì)要求，初選的滾動(dòng)導(dǎo)軌副即可采用。 由于，所以初選的滾動(dòng)導(dǎo)軌副滿足要求。 6、聯(lián)軸器的選擇及計(jì)算 初步選用GH1系列螺紋線聯(lián)軸器，其特點(diǎn)：重量輕，體積??；高強(qiáng)度鋁合金材料，陽極氧化處理；具有抗油污耐腐蝕功能；可吸收振動(dòng)，補(bǔ)償徑向，角度偏差和零回轉(zhuǎn)間隙；適用于馬達(dá)，編碼器，絲桿傳動(dòng)，機(jī)床平臺(tái)；微電機(jī)等精密產(chǎn)業(yè)機(jī)械。 初選：GH1-19-□□□□ ，其中：GH1表示系列號(hào)，19表示外徑為19mm。注:系列號(hào)后面不帶C為頂緊固定方式 外型尺寸:(單位為mm) 規(guī)格型號(hào) D L L1 M 可做最大內(nèi)徑 GH2-32-□□□□ 32 41 6.0 M4 14 技術(shù)參數(shù) 規(guī)格型號(hào) 扭矩（N/M） 糾纏能力 最高轉(zhuǎn)速(rpm) 擰緊力矩(N.m) 額定 最大 徑向(mm) 軸向(mm) 角度(0) GH1-19-□□□□ 4.5 9 0.15 ±0.1 1.0 10000 1.7 GH1-19-□□□□，□□□□由計(jì)算得出，其中一個(gè)為絲杠跟聯(lián)軸器連接尺寸，另一個(gè)為電機(jī)軸跟聯(lián)軸器的配合尺寸。已知可做最大內(nèi)徑為10，則選絲杠端與聯(lián)軸器配合尺寸為10mm。 7、傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 由于傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸的折算問題。最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 7.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算基本公式 對(duì)于軸、軸承、聯(lián)軸器、絲杠等圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式，當(dāng)鋼材材料密度為時(shí)，有 指導(dǎo)書（2-3）P7 其中：D為圓柱體直徑，L為圓柱體長度。 7.2、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算 7.2.1滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算 根據(jù)滾珠絲杠慣量折算到電機(jī)軸上為：，為絲杠與電機(jī)軸之間的總傳動(dòng)比。 根據(jù)滾珠絲杠的公稱直徑，其長度 則 7.2.2工作臺(tái)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算 工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸（圖2-2）上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式進(jìn)行： 指導(dǎo)書（2-6）P8 其中：為絲杠導(dǎo)程，為工作臺(tái)質(zhì)量。則其等效工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 7.2.3聯(lián)軸器等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算 對(duì)于聯(lián)軸器按其外徑計(jì)算，長度為，則其等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 7.2.4傳動(dòng)系統(tǒng)各部件折算到電機(jī)上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 則 8、步進(jìn)電機(jī)的選用 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，輸出轉(zhuǎn)角（步距角）無長期積累誤差，每轉(zhuǎn)一圈積累誤差會(huì)自動(dòng)消失。啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)及其他運(yùn)行方式的改變，都可以在少量的脈沖周期內(nèi)完成并且具有定位轉(zhuǎn)矩。 8.1步距角的選擇 定位精度要求較高，運(yùn)行范圍較廣的控制系統(tǒng)，應(yīng)選用步距角較小，運(yùn)行頻率較高的步進(jìn)電機(jī)。已知脈沖當(dāng)量，絲杠的導(dǎo)程=4mm 由公式2-23 即步進(jìn)電機(jī)的步距角 8.2步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩（靜止?fàn)顟B(tài)），是選擇步進(jìn)電機(jī)的最基本的參數(shù)。步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算　 (2-24) 其中為空載啟動(dòng)力矩；為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止上升到最大快進(jìn)速度時(shí)，折算到電機(jī)上的力矩；為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。 ①加速度力矩　　　　　由 初設(shè)運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間。 則 加速度力矩 ②空載摩擦力矩　　　 空載摩擦力矩： 專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(2-27) 式中：G為運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N），；為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，；為傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般取=0.7~0.85。 則 ③附加摩擦力矩　 附加摩擦力距： 專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(2-28) 其中：為滾珠絲杠預(yù)加載荷，即預(yù)緊力，一般取的1/3；為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取。則： 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為： 根據(jù)表2-17步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩關(guān)系 步進(jìn)電機(jī) 相數(shù) 三相 四相 五相 六相 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 選取步進(jìn)電機(jī)為三相六拍式，算出步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩 則 8.3總負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 運(yùn)動(dòng)部件正常工作，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)為帶負(fù)載啟動(dòng)，其總負(fù)載轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算： 專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(2-20) 其中：為作用在工作臺(tái)的合力F折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)下式算出運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩： 按和中的較大者選取步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩，并要求 根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩和步距角在表2-18 BF反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)表中初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)： 電機(jī) 型號(hào) 步距角 最大靜 轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動(dòng)頻率 運(yùn)行 頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量 分配方式 質(zhì)量 外形尺寸 外徑 長度 軸徑 90BF001 0.9 3.92 2000 8000 17.64 四相八拍 4.5 90 145 9 8.4啟動(dòng)矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)有三種工況：啟動(dòng)，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。 8.4.1啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核 前面進(jìn)行是對(duì)初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)在快速啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。 如右圖所以為90BF001步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線。 已知空載啟動(dòng)力矩 找得對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率，。 由于90BF001步進(jìn)電機(jī)的最高空載啟動(dòng)頻率為2000，所以，即電機(jī)不失步。 8.4.2運(yùn)行矩頻特性校核 要對(duì)快速進(jìn)給運(yùn)行和工作進(jìn)給運(yùn)行兩種工況分別校核，確保快進(jìn)和工進(jìn)時(shí)均不丟步。如右圖所示為90BF001步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線。 1、快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率可按式(2-33) 快速進(jìn)給時(shí)已經(jīng)不存在加速力矩項(xiàng)，并且一般快進(jìn)時(shí)處于空載狀態(tài)，故快進(jìn)力矩的計(jì)算公式只保留了，則快進(jìn)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 從90BF001步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線，根據(jù)可找得，而實(shí)際步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率，所以，快進(jìn)時(shí)電機(jī)不丟步。 8.4.3工進(jìn)運(yùn)行矩頻特性校核 工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率 摩擦力矩 工作負(fù)載力矩折算到電機(jī)上的力矩 工進(jìn)時(shí)電機(jī)運(yùn)行力矩 根據(jù)工進(jìn)頻率，查90BF001步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線，得，而電機(jī)，所以步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)不會(huì)失步。 8.4.4驗(yàn)算慣量匹配 電動(dòng)機(jī)軸上的總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)矩慣量與電機(jī)軸自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大，也不應(yīng)太少，即伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于負(fù)載特性，由于工作條件的變化而引起的負(fù)載質(zhì)量、剛度、阻尼等的變化，將導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性也隨之產(chǎn)生較大變化，使伺服系統(tǒng)綜合性能變差，或給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成困難。如果該比值太小，說明電動(dòng)機(jī)選擇或傳動(dòng)比設(shè)計(jì)不太合理，經(jīng)濟(jì)性較差。為使該系統(tǒng)慣量達(dá)到較合理的匹配，一般應(yīng)將比值控制在之間。 ，由此可見，，符合慣量匹配要求。 8.5步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸 步進(jìn)電機(jī)的安裝比較簡單，不帶機(jī)座，用定位止扣進(jìn)行安裝定位，以保證步進(jìn)電機(jī)安裝的同軸度。小尺寸電機(jī)的安裝面上有螺孔供安裝，大尺寸電機(jī)的安裝面上有通孔供安裝。 三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) （一）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成： 1、主控制器。即中央處理單元CPU 2、總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。 3、存儲(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 4、接口。即I/O輸入輸出接口。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示： 圖5-1 （二）主控制器ＣＰＵ的選擇 ＭＣＳ－５１系列單片機(jī)是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用８０３１芯片作為主控芯片。 （三）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) （1）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型號(hào)有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為２k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時(shí)要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時(shí)序的匹配。８０３１所能讀取的時(shí)間必須大于ＥＰＲＯＭ所要求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。 于8031芯片的口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線的，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是742S373。 （2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 由于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)供用戶使用，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，這里我選用6264(8Kx8)。 （3）譯碼電路 由于這里擴(kuò)展的容量較大，擴(kuò)展多個(gè)外圍芯片。因此，這里使用譯碼法來進(jìn)行編址。譯碼電路可使用現(xiàn)有的譯碼芯片，這里我們選用3-8譯碼器（74LS138）。這種芯片，輸入端占用3根最高位地址線，剩余的13根低位地址線可作為片內(nèi)地址線，74LS138譯碼器的8根輸出線分別對(duì)應(yīng)8個(gè)8K字節(jié)的地址空間。 （4）Ｉ／Ｏ擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) (a).通用可編程接口芯片８１５５ ８０３１單片機(jī)共有４個(gè)８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用戶使用的只有Ｐ1口及部分Ｐ3 口線。因此要進(jìn)行Ｉ／Ｏ口的擴(kuò)展。８１５５與微機(jī)接口較簡單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。 （四）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) （1）脈沖分配器 步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器YB013。 （2）光電隔離電路 在步進(jìn)待年紀(jì)驅(qū)動(dòng)電路中，一般在接口電路與功率放大器之間家上光電隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電偶合器作為光電隔離電路。 （3）功率放大器 環(huán)型分配器的輸出脈沖很小，還遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，不許將它放大，以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這里采用的功率放大電路如下圖所示： 圖5-2功率放大器 （五）其它輔助電路設(shè)計(jì) （１）８０３１的時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘可由內(nèi)部方式產(chǎn)生，內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTA，XTA引腳上外接定時(shí)元件。如下圖所示 圖5-3時(shí)鐘電路 （２）復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位電路都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引腳上出現(xiàn)10ms 以上高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從0000Ｈ單元開始執(zhí)行程序 圖5-4復(fù)位電路 2、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 進(jìn)給控制系統(tǒng)原理框圖 （一）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(shí)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(gè)部分： （1）系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)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(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。 （4）伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)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。 （5）診斷程序。包括移動(dòng)不見移動(dòng)超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯(cuò)等功能。 （6）機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)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。 （二）系統(tǒng)控制功能分析 數(shù)控X-Y工作臺(tái)的控制功能包括： （1）、系統(tǒng)初始化。如對(duì)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(tái)復(fù)位。開機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。 （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(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。 （6）、工作臺(tái)的自動(dòng)控制。 （7）、工作臺(tái)的手動(dòng)控制。 （8）、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。 （三）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(jì)管理程序時(shí)，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(tái)的基本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位控制，工作臺(tái)位置控制，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。 （四）自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì) （1）機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位→刀具快速進(jìn)給→加工→退刀→工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置； （2）計(jì)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； 附圖一、程序框圖 附圖二、數(shù)控系統(tǒng)框圖 參考文獻(xiàn) [1]　機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)　 　李育錫　主編　　　　　　　高等教育出版社　 [2]　畫法幾何與機(jī)械制圖（第二版）機(jī)械類　近機(jī)類　　馮開平　左宗義　主編　　　　　　　　　華南理工大學(xué)出版社 [3] 機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版） 濮良貴　紀(jì)名剛　主編　　　高等教育出版社 [4] 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 于駿一 鄒青 　主編　　　機(jī)械工業(yè)出版社 [5] 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)（第二版） 關(guān)慧貞　馮辛安 主編　 機(jī)械工業(yè)出版社 [6] 機(jī)電一體化技術(shù)（第二版） 孫衛(wèi)青　李建勇　主編　　科學(xué)出版社 [7] 專業(yè)課課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書　　　工程學(xué)院機(jī)械系 　　　　廣東海洋大學(xué) [8] 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教程 鄒青　主編　　　機(jī)械工業(yè)出版社 [9] 單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用　王宏　唐煒等　主編　華中科技大學(xué)出版社 [10] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（新版） [11] 袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊 第 26 頁 共 26 頁