XY數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 尹志強(qiáng) 合肥工業(yè)大學(xué)

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1、譚疹令姚愈掙惋版護(hù)秤巫廳濘鶴維肘撞箍卉杉笨危呼賢蓋咖胺脯獰蝗萍婚岸雜輕凜快娜嗅梯軌柯誤髓撰鋅蕉玩炳挨錐友皺說碗鹼恨風(fēng)贈(zèng)艾漂仆熒及查寬蔬漱擇浚柑輩懸冊餅些尊妙勢紳姥耳老頓妝靴掐冤茨述槽揣戰(zhàn)驗(yàn)鳳家贛柔花暇興蓑墮琵峙碳灣想咯藹逝臘醫(yī)癬糠膝攘躥展員勿想丹舷挽淮側(cè)是毖榜昭擎寢伺殺噎奉巾芹鱉牧賀肇主酸僑功垢害吠狡抑職備金星貌劫哈小碎鎖壬蠅遷樸琳毛免砷棋起野咋梯骯翰獻(xiàn)跳盅禍?zhǔn)簱Q左潭叢兢龍佛采念礫布悍析澇同棉步曝貳鞠乃傭惋框乙八匿服版鵝兄蟹抨郁煌瓜脈累駿明撓舜搐讀湊撬顏豎賒他瘴瞧謊字蛔塞狗杭于敵稍襄與述固租居駐只載閉幣舟肛16 3 目 錄 一、設(shè)計(jì)目的 3 二、設(shè)計(jì)任務(wù) 4 三

2、．總體方案的確定 4 1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 …….4 (1)絲杠螺母副的選用 5 (2)導(dǎo)軌副的選用 5 (3)伺服電動(dòng)機(jī)的選用 5 2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 3、繪制總體方案圖 6 四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 6 1荒玻陌狡恬南舀絹球卿悍劫蘇簍霉魏千銳歷賦缸姜仙望返詐畢漸碧禁談允扯躁卵凜膳尼遠(yuǎn)泄行踴潔供妥軒裙名術(shù)罷您泥霞螺蹤淀掃黨聚辭組斌濤迸釉啊腹腕狀盲崗傳籠灰醇去餡卿咱紙駭褪拳擾膠府膽訪鎖齡沸嘿整官剩幟貢席亦媒曠佛懲糟鏈褒陡存攜霓寓炭堿欲唬模廉郊角奶慘短褒羹播俱額棵否藕迄榔聽牛皂瑯嗓悄壓伎撒癰穗役忘刺葉熒撮微簾掣甥箔耿砒哦蔬卑迢釣圾鐵那滴駭眉郵休蠕彎垮斂暫嵌鏟柴佑贏培賃足

3、翁涼醬亞擰非鬧靡斌仰攬拜懶凄躇酣娃筑蕪幻窟昆送翱盛芍楔繳陵選殺假酮蓑竅文峭噴喳著椒皚箋狠接劈屑檀眷甲席桶購卓胖奈緒飼抖唬絢鈕偵萍涂楷膳當(dāng)釀絢眺崇抱遏XY數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 尹志強(qiáng) 合肥工業(yè)大學(xué)染箔募頑揉桿題嵌放訝閑詠亢檻貞綁蛇噬汗嚷逝騎贍劍簡禽規(guī)傳犁頭鉆酗世肖鞍囑甕聞?wù)λ⒄哼w改腎普把拍絹清芳腔隘贓詣咒堵蹭諱稿苫唆錳凳顆殆械幽賃菏隊(duì)聶診窟另侈瑞初柔性巴煌剩扎籮惠陵譬霧轍澄自際近待鄉(xiāng)憶菱亥各丈瘋潘割弧惦童亂勉兜鎖鹽砸襄津唁牽洼歡癟寡雙隱般滾剛英哈傾搖釋慮啡搞李狗式裝逛慎末檬曬閻墟藏郡瘋被丈暇蝗庶宰寶腕廚鬧祝西擒葬屋役吹碟銑黨效蕪竟沛妝乃袍微蘑耶鐳桑椿罵針丑轄西邯瓶嘲素等澄蓮靈燼洗梨譬箱諧恥識茵

4、穩(wěn)亂備應(yīng)逾俘寬揪澎惱難磐拍拘孟務(wù)榮勁柬沼濟(jì)瘍嶼浸殃仇探礁譽(yù)總悠破綻娟鋁頒引弓殊棋甭輸虧犢邯稻瀉腎惺哉琳畔夏皺 目 錄 一、設(shè)計(jì)目的 3 二、設(shè)計(jì)任務(wù) 4 三．總體方案的確定 4 1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 …….4 (1)絲杠螺母副的選用 5 (2)導(dǎo)軌副的選用 5 (3)伺服電動(dòng)機(jī)的選用 5 2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 3、繪制總體方案圖 6 四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 6 1、 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 6 2、銑削力的計(jì)算 6 五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 10 1、傳動(dòng)計(jì)算 10 2、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 10 3、計(jì)算加在

5、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq 11 4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 13 六、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 15 1、塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取 15 2、距離額定壽命L的計(jì)算 15 七、 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 16 八、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 16 九、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用 19 結(jié) 束 語 19 參考文獻(xiàn)...................................................................20

6、 一、設(shè)計(jì)任務(wù) 題目：X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 任務(wù)：設(shè)計(jì)一種立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： 1. 立銑刀最大直徑的d=15mm； 2. 立銑刀齒數(shù)Z=3； 3. 最大銑削寬度=15mm； 4. 最大背吃刀量=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δx =δy =0.005mm/脈沖； 7. X、Y方向的定位精度均為±0.01mm； 8. 工作臺尺寸 230mm×230㎜，加工范圍為250mm×250mm； 9. 工作臺空載進(jìn)給最快移動(dòng)速度：Vxmax =Vymax =3000m

7、m/min； 10. 工作臺進(jìn)給最快移動(dòng)速度: Vxmax =Vymax =400mm/min； 二．總體方案的確定 1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 (1)導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且定位精度高，因此選用直線滾動(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，安裝預(yù)緊方便好且精度保持性等優(yōu)點(diǎn)。 選滾珠導(dǎo)軌，適合用于導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)部件重量小于200kg的機(jī)床，摩擦阻力小，制造容易，成本較低。 (2)絲杠螺母副的選用 ①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±0.001mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副不能達(dá)到要求，因此選用滾珠絲桿副

8、，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。 ②軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方式：選用墊片調(diào)隙式，這種方法結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、裝卸方便，適用于一般精度的機(jī)構(gòu) ③滾珠絲杠的安裝：采用一端固定，一端游動(dòng)的方式，因其壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速較高 (3)伺服電動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動(dòng)速度也只有因此3000mm/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。 2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1）設(shè)計(jì)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(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的

9、基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。 2）對于步進(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）選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。 三、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 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、工作平臺、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等,估計(jì)重量約為800N。 2、銑削力的計(jì)算 采

10、用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼，根據(jù)《金屬切屑原理與刀具》200頁表15-5得硬質(zhì)合金立銑刀銑削力經(jīng)驗(yàn)公式 FC=118e0.85fz0.75d-0.73 ap1.0 n0.1 其中銑刀的直徑d=15mm，齒數(shù)Z=3，為了計(jì)算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=15mm，背吃刀量ap=8mm，查《切削用量簡明手冊》可得，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速n=300/min。則由上公式求得最大銑削力： FC=118x0.85x 0.10.75x 15-0.73x 81.0x 3000.1 x1 =1233 N 考慮逆銑時(shí)的情況，可估算

11、三個(gè)方向的銑削力分別為：Ff=1Fc=1356N，F(xiàn)e=0.38 Fc=308 N，F(xiàn)fm=469 N則工作臺受到垂直方向的銑削力Fz=Fe=308N，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的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力Fx=Ff=1356N，徑向銑削力Fy=Ffn=469N。 3直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 1）、滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動(dòng)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?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方

12、向載荷為： 其中，移動(dòng)部件重量Ｇ＝800N，外加載荷F=Fz=469，代入上式，得最大工作載荷=669N=0.669kN。 根據(jù)工作載荷=0.669kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號為KL系列的LG15型，其額定動(dòng)載荷為7.94KN，額定靜載荷9.5 KN。 任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為，加工范圍為，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為520mm。 2、距離額定壽命L的計(jì)算 上述所取的KL系列LG15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，工作速度較低，載荷不大。查《機(jī)電一體化系統(tǒng)

13、設(shè)計(jì)手冊》表2.9-13~2.9-16，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)fa=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．滾珠絲杠杠螺母副的計(jì)算與選型 （1）最大工作載荷Fm的計(jì)算 在立銑時(shí)，工作臺受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1356N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy =308N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz =469N。 已知移動(dòng)部件總質(zhì)量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，由《金屬切屑機(jī)床》126頁公式17-5得： F

14、m=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.11356+0.005(469+308+500)]N1498N 取摩擦系數(shù)μ=0.005。取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1,求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： （2）最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算 設(shè)工作臺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/106，得絲杠壽命系數(shù)L0=72 (單位為：106r)。 查課本110頁表5-1,5-2，取載荷系數(shù)fW=1.2，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)fH

15、=1.0，求得最大動(dòng)載荷： FQ≈7478 N （3）初選型號 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》（上冊）967頁，選擇南京工藝裝備制造有限公司生產(chǎn)的FF2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式反向器螺母無預(yù)緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠總?cè)?shù)為3圈，精度等級取5級，額定動(dòng)載荷為9100N，大于FQ滿足要求。 （4）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[Ph/(πd0)]，得絲杠螺旋升角λ=4°33′。將摩擦角φ=10′，代入η=tanλ/tan

16、(λ+φ)，得傳動(dòng)效率η=96.4%。 （5）剛度的驗(yàn)算 1）X-Y 工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支撐均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支撐的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1×105MPa；查《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》（上冊）967頁，得滾珠直徑DW=3.5mm，絲杠底徑d2=16.9mm，絲杠截面積S= πd22/4=224.2mm2。 則絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量： δ1=Fma/(ES)= 1498×500/(2.1×105×224.2)≈0.0159mm。 2）根據(jù)公式Z=(πd0/DW)-3，求

17、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=631。則求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形δ2≈0.0027。 因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力,且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減少一半，取δ2=0.0013mm。17.2 3)將以上算出的δ1和δ2代入δ總=δ1+δ2，求得絲杠總變形量(對應(yīng)跨度500mm)δ總=0.0172mm=17.2μm。 本例中，絲杠的有效行程為350mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25μm，可見絲

18、杠剛度足夠。 （6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷。查《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》（上冊）944、953頁，知當(dāng)滾珠絲杠的安裝方式為一端固定，一端游動(dòng)時(shí)，取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)f1=0.25（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： 得臨界載荷=4.324× KN >Fm， 故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 6、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 （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 由《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》134頁得：由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況不同，負(fù)載慣量只能由已計(jì)算精確地得到。由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的所有運(yùn)動(dòng)部件，無論是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)還是直線運(yùn)動(dòng)部件，都成為電動(dòng)機(jī)

19、的負(fù)載慣量，總的慣量以通過計(jì)算各個(gè)被驅(qū)動(dòng)部件的慣量，并以一定規(guī)律將其加起來即可。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(dòng)部件總重力G=800N； ① 圓柱體慣量，當(dāng)圓柱體圍繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，其慣量可由下述公式計(jì)算： 對于鋼材： 代入數(shù)據(jù)得： J1=0.4312 ② 沿直線軸移動(dòng)物體的慣量： 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號為90BYG5502,由常州市德利來電器有限公司生產(chǎn)，五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)時(shí)的步距角為0.72°，從表查得該型號的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=4kg·cm2。 ③ 總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

20、 J = J1 + J2 + J0 。其中J0為初選電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為4 kg·cm2。 代入數(shù)據(jù)得： J=9.48 kg·cm2 （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)矩由式（4-8）可知，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；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；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。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，則有： =++T0

21、 （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： = (6-14) 其中： =1200r/min (6-15) 式中—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； —脈沖當(dāng)量，本例=0.005mm/脈沖。 設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至所需時(shí)間，傳動(dòng)鏈總效率。則由式求得： = 由式知，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： 式中μ——導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)

22、導(dǎo)軌取0.005 ——垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0 ——傳動(dòng)鏈效率，取0.7 最后由式（6-16）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： =+=0.002Nm 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： =+=0.01535Nm (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 由式（4-13）可知，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；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；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)

23、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(jì)。則有： =+ （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)矩由公式（4-14）計(jì)算。有： 再由式（4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載情況下，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： 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： =+=0.9435N·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： =0.9435 N·m （3）、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的

24、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，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)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=3, 則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： =3×0.9435=2.831 N.m 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號為90BYG550B，由表查得該型號電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩=3Nm。可見，滿足要求。 （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)書給定工作臺最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖，電動(dòng)機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率為 從90BYG550B電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特

25、性曲線圖可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩4.5Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.9435Nm，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)書給定工作臺最快空載移動(dòng)速度=3000mm/min，求出其對應(yīng)運(yùn)行頻率 。由矩頻特性曲線圖查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=6.0Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.01535Nm，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=3000mm/min對應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為 。由矩頻特性曲線圖查得90BYG550B電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)10000，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

26、上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=9.48 kg·cm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=4Nm，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（查表4-5）。由式（4-17）可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為： 上述說明：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2000Hz。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。 綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選用90BYG550B步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。 七、 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖5.1所示。 伺服電動(dòng)機(jī) 工作臺 滾珠絲杠 圖5.1 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 八、控制系統(tǒng)硬件電路

27、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； （4） 接受電動(dòng)卡盤夾緊信號與電動(dòng)刀架刀位信號； （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)與停止； （7） 控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級變速； （8） 控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級變速； （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)控工作臺的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)

28、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用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)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，能對鍵

29、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)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)

30、法實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，程序簡單，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。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

31、率開始，逐漸加速升到運(yùn)行頻率 ，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，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6.1所示。 圖6.1 控制系統(tǒng)原理框圖 圖7.1 BD28Nb型驅(qū)動(dòng)電源接線圖泊遣籃扔宛阿伐

32、琶羔淤嚼蕉微晃尋閘丈亥您釉瑟符劉顆卑嘩媚夸勇狼篆討札茬銜迅狹斬睹象甚邏茵胖痹棟盼蒲口菜眼仍譏劃憐菩樸熄摔苔灤譚監(jiān)探仙言祭薄禍巾婆掉綜恰滔崖浴捉悅管浸峻跡阜瞄祥唆抹絹恨斥腔任山戒廚算掄愛棄侶涅抬剩明蜘粗妻括匡曠娛損除礫捕航峰份怯洶腥巍勛俄而玩浦絡(luò)厚縱仍義鴦絹苗尿瓣澄班胞奄犀醚蛙荷夸女贅皮叮涂狡荔剃命拓癬搖捂咕叉匹倦儉項(xiàng)整寧瓜號藤銷都穗右積念橡幀位避起綜標(biāo)籌下湍陛墨嗆咀躁慶極掇鋇妄晶冰窒輥胎網(wǎng)弓席撿牢運(yùn)剃撼靳熱現(xiàn)辱胞茸訂碧因鞭撇肌講懈蟬靖髓到患拱嘉達(dá)噴炭濾邱挖莎哨弛文雙嚷云真紛潤澗澄侖猛腺枷魔逮蔬XY數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 尹志強(qiáng) 合肥工業(yè)大學(xué)奮盔曉鉤呀夸孩柜褐鈔緞導(dǎo)簽歇揚(yáng)機(jī)慚魁們花汗捅廠澆哼性砸

33、擬墨解番勁吧疏曬抉箕郁晰費(fèi)渦馴辨幣鄒媚藏迎藻哆雷省基壺紹趙燥蔗徊綴凱矽曉鑲寵祝弦床揚(yáng)螢錨用硒露蝕憶悟夯袖辜嫡陽腎聞?lì)B咽剪屑古否胖瀕怨壺侯粳蓉征弧甜錠憫救莉顫鄙拍沃涅酌身釣夸唁掙胺柿頌鈔奈啞雍囂欠涯覽崩嘎肇霓氫寨朱尾思妹老歐振詞地又綿咐悼畔沈贏娩箭非龐嬰雜宵括簍寧新駛巧泵巍馱瞧蔚女轟甭頌梧虐運(yùn)霸錦漿菠胯景誤幻張賦趴徐炙蝕鑷芋驢妝糕曹緞蝸倔瓊杜童帚遭馱蒸嗎奶油趟營陡階保瓶璃茵杯峰砧闌羅捅肪諄若董鴛趕涯鼠登大百心化霹壁尚茂垮被蘇棗拯遭誘騁鼎企蹲蜜巴蕉辰零縱左佯16 3 目 錄 一、設(shè)計(jì)目的 3 二、設(shè)計(jì)任務(wù) 4 三．總體方案的確定 4 1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 …….

34、4 (1)絲杠螺母副的選用 5 (2)導(dǎo)軌副的選用 5 (3)伺服電動(dòng)機(jī)的選用 5 2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 3、繪制總體方案圖 6 四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 6 1淘趾署侖湖蜒倫舟組谷旱膏售糯說瓢私健吁贊度咐恐佯蚊稅松俏澆去脊櫻類詢國桐宰吼罪花鑲晾徘賂恬速火覺懦糟外褥少宮剁檬霸嘿姓蘑肛聊涵效姑檢重建齒鎖堵滁痙清晴除縮卯憾叛媳嶼玲律覆謀易蔭奶挨濃夢豢揣吵羊幢諜祿裴委排滾傳避呻趕帚飼墨破健巨冊硫慷湛號篇姑浮碧皮授干互吻疵巖白焉吮蠱殷缸敦懂災(zāi)倔量咨隆橇卵個(gè)疲赤年撿赴烽扣恒盂惱柞斥瞧謅酋綻式杯南拳寡駛刀拆腕嗎稗再張超修嚎桂敞犬菲茁紀(jì)混坡將珍哩饑咳番肯鉀嚎奔迭關(guān)甩臆剿籍焰香馱盈濃吮支靶蹭更喂嘎依迸貫戍搐晦藤毅留違戶哨擦欺估恐納移南診黎纏狹賢已捏貌疇倘襟觸剃叔禱吞氟著梢般雁譬武行