機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計

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1、 機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計 設(shè)計說明書 設(shè)計題目： X－Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 院校： 班級： 姓名： 學(xué)號： 2011年 12月 24日 目錄 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書 1．總體方案 1.1導(dǎo)軌副的選用 1.2絲桿螺母副的選用 1.3減速裝置的選用 1.4伺服電動機的選用 1.5檢測裝置的選用 2.控制系統(tǒng)的設(shè)計 3.機械傳動部件的計算與選型 3.1導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 3.2銑削力的計算 3.3直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型 3.4滾珠絲杠螺母副的計算與選型 3.5步進(jìn)電動機減速箱的選用 3.6步進(jìn)電動機

2、的計算與選型 3.7增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 4．工作臺機械裝配圖的繪制 5.工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計 6.步進(jìn)電動機驅(qū)動電源的選用 7.設(shè)計總結(jié) 參考文獻(xiàn) [1]張建民 .《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》第三版 .高等教育 [2]尹志強 .《系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》 .機械工業(yè) 設(shè)計計算與說明 主要結(jié)果 設(shè)計任務(wù)： 題目： X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計 任務(wù)：設(shè)計一種供立式數(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 d=15mm； 2）立銑刀齒數(shù) Z=3； 3）最大銑削寬度 a 15mm；

3、 e 4）最大背吃刀量 a 8mm； p 5）加工材料為碳鋼； 6）X、Y方向的脈沖當(dāng)量 x y 0.005mm/脈沖； 0.01mm； 7）X、Y方向的定位精度均為 8）工作臺導(dǎo)軌長度為 1260mm； 9）工作臺空載最快移動速度 v v 3000mm/ min； x y 10）工作臺進(jìn)給最快移動速度 vx max f v y max f 400mm/ min； 11）移動部件總重量為 800N； 12）絲桿有效行程為 920mm。 一、總體方案的確定 1機械傳動部件的選擇 1.1導(dǎo)

4、軌副的選用 要設(shè)計的 X-Y工作臺是用來配套輕型的 立式數(shù)控銑床的，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精 度高，因此，決定選用直線滾動導(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)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。 1.2絲桿螺母副的選用 伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過 絲桿螺母副轉(zhuǎn)換成 直線運動，要滿足 0.005mm的脈沖當(dāng)量 0.01mm和的定位精度，滑動滑動絲桿副無能為力，只有選用滾 珠絲桿副才能達(dá)到。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。 1.3減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動機和滾珠絲桿副以 后，為了

5、圓整脈沖當(dāng)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(yīng)有消 設(shè)計計算與說明 主要結(jié)果 間隙機構(gòu)。為此，決定采用無間隙齒輪傳動減速箱。 1.4伺服電動機的選用 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，空載最快速度也只有 3000mm/min。因此，本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，如交 流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進(jìn) 電動機，如混合式步進(jìn)電動機，以降低成本，提高性價比。 1.5檢測裝置的選用 選用步進(jìn)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。

6、任務(wù)書所給的精度對于步進(jìn)電 動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉(zhuǎn)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(yīng)與步進(jìn)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(shè)計工作量， X、Y兩個坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲桿螺母 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。 2.控制系統(tǒng)的設(shè)計 1)設(shè)計的 X-Y工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，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

7、功能，所以控 制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。 2)對于步進(jìn)電動機的半閉環(huán)控制，選用 MCS-51系列的 8位單 片機 AT89C52作為控制系統(tǒng)的 CPU，應(yīng)該能夠滿足任務(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，還需要擴(kuò)展 程序儲存器、數(shù)據(jù)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)動電源，與步進(jìn)電動機配套使用。 三、機械傳動部件的計算與選型 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、工作平臺、上層電動機、減

8、速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo) 軌副、導(dǎo)軌座等，估計重量約為 800N。 設(shè)計計算與說明 2.銑削力的計算 主要結(jié)果 設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)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： 0.85 e 0.75 z 0.73 1.0 0.13 p F 118a f d a n Z c (1) 今選擇銑刀直徑 d=15mm，齒數(shù) Z=3，為了計算最大銑削力， 在不對稱銑削的情況下，取得最大銑削寬度 ae 15mm，背吃刀 f

9、 z 0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速 n=300r/min。 量 a 8mm，每齒進(jìn)給量 p 則由(1)式求得最大銑削力： F 118 150.85 0.10.75 15 0.73 81.0 3000.13 3N 1463N c Fc 1463N 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表 3-5查得，結(jié)合圖 3-4a，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的 銑削力分別為： F 1.1F 1609N， F 0.38F 556N， F 1609N

10、f f c e c Ffn 0.25F 366N。圖 3-4a為臥銑情況，現(xiàn)在考慮立銑，則工 c F 556N e 作臺受到垂直方向的銑削力 F F 556N，受到水平方向的銑 F fn 366N z e 削力分別 F 和 F 。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的 fn f F 556 縱向（絲桿軸線方向），則縱向銑削力 F F 1609N，徑向銑 z x f N 削力 F y F fn 366 N。 F 1609N x

11、 3.直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型 F 366N y Fmax （1）滑塊承受工作載荷 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。本設(shè)計中的 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滑塊承擔(dān)， 則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： G G=800N F=556N Fmax F 4 (2) 設(shè)計計算與說明 主要結(jié)果 其中，移動部件重量 G=800N，外加載荷 F Fz 556N，代入式 （2），得最大工作載荷 Fm

12、ax 756N 0.756kN。 查表 3-41，根據(jù)工作載荷 Fmax 0.756KN，初選直線滾動導(dǎo) G 7.94kN， Fmax 0.756 kN 軌副的型號為 KL系列的 JSA-LG15型，其額定動載荷 a G 7.94kN a 額定靜載荷 G0a 9.5kN。 G0a 9.5kN （2）距離額定壽命 L的計算上述選取的 KL系列 JSA— LG15 型導(dǎo)軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過 100攝氏度，每 根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為 4級，工作速度

13、較低，載荷不大。 查表 3-36~表 3-40，分別取硬度系數(shù) f 1.0 、溫度系數(shù) H f C 0.81、精度系數(shù) f R 0.9 、載荷系數(shù) fT 1.00、接觸系數(shù) fW 1.5，代入式（ 3-33），的距離壽命： 3 L 6649 km f H f f f Ga T C R L 50 6649km fW Fmax 遠(yuǎn)大于期望值 50km，故距離額定壽命滿足要求。 4.滾珠絲杠螺母副的計算與選型 （1）最大工作載荷 F 的計算如前頁所述，在立銑時，工作 m

14、 臺受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行） F 1609N，受到橫 x 向的載荷（與絲杠軸線垂直） F 366N，受到垂直方向的載荷 y （與工作臺垂直） F 556N。 z 已知移動部件總重量 G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計算，查表 3-29，取顛覆力矩影響系數(shù) μ=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： F KFx (F F G) K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù) Fm 1779N m z y [1.1 1609 0.005 (556 366 8

15、00)] N 1779N （2）最大動載荷 F的計算設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的 Q 設(shè)計計算與說明 主要結(jié)果 P 5mm，則此時 最快進(jìn)給速度 v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程 h Ph 5mm v=400mm/min n 80r/min 絲杠轉(zhuǎn)速 n v/P 80r/min。 h L 60nT /106 0 取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h，代入 ， T=15000h 得絲杠壽命系數(shù) L 72 (單位為 106r)。 0 L 72 0

16、. fW 1.2，滾道硬度為 60HRC時， 查表 3-30，取載荷系數(shù) fW 1.2 f H 1.0 取硬度系數(shù) ，代入式（ 3-23），求得最大載荷： L f f F 8881N FQ 8881N FQ 3 0 W H m （3）初選型號根據(jù)計算出的最大載荷和初選的絲杠導(dǎo)程， 查表 3-31，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 G系列 2504-3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列，精度等級 取 4級，額定動載荷為

17、 9309N。大于 F ，滿足要求。 Q D 20mm o （4）傳動效率η的計算將公稱直徑 D 20mm，導(dǎo)程 o Ph 5mm arctanP / d 0 h Ph 5mm ，代入 ，得絲杠螺旋升角 ,， 4 33 tan /tan( )，得傳動 ,， =10′代入 4 55。將摩擦角 96.4% 效率 96.4%。 （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— 單推”的方式，見書后插頁圖 6-23。絲杠的兩端各采用一對推 理角接觸球軸承

18、，面對面組配，左、右支承的中心距離約為 5 5 E 2.1 10 MPa E 2.1 10 MPa a=500mm；鋼的彈性模量 ；查表 3-31，得滾 珠直徑 D w 3.175mm，絲杠底徑 d 16.2mm，絲杠截面面積 2 d 16.2mm 2 2 2 S d / 4 206.12mm。 2 忽略式（ 3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷 的拉 /壓變形量 Fm作用下產(chǎn)生 設(shè)計計算與說明 主要結(jié)果 5 F a /(ES) [1779 500/(2

19、.1 10 206.12)]mm 0.0205mm m 1 Z ( d /D ) 3，求得單圈滾珠數(shù) Z=20；該型 。2）根據(jù)公式 0 w 號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為 31，代入公式 Z F 60 Z Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 Z 60。絲杠預(yù)緊時， 593N YJ 取軸向預(yù)緊力 FYJ F / 3 593N。則由式（ 3-27），求得滾珠 m 與螺紋滾道間的接觸變形量 0.0026mm。 2 因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的 1/3，所以實際變 形

20、量可減小一半，取 0.0013mm。 2 1 3)將以上算出的 和代入 2 1 2 ，求得絲杠總變 總 21.8 m 總 形量（對應(yīng)跨度 500mm） 0.0218mm 21.8 m。 總 本例中，絲杠的有效行程為 670mm，由表 3-27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 25μm，可見絲杠剛度足夠。 （6）壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式（ 3-28）計算失穩(wěn)時的臨 Fk f k 1 ；由絲杠底徑 界載荷 。查表 3-34，取支承系數(shù) 4 4 d 1

21、6.2mm求得截面慣性矩 I 2 d / 64 3380.88mm；壓桿 2 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 F 9343N k 定處的距離 a取最大值 500mm。代入式（ 3-28），得臨界載荷 F 1779N m 2 f k EI 9343N，遠(yuǎn)大于工作載荷 F 1779N，故絲杠 m Fk 2 Ka 不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求 5步進(jìn)電動機減速箱的選用 為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求，增大步進(jìn)電動機的輸出轉(zhuǎn) 矩，同時也是為

22、了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動 機轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進(jìn)電動機的輸出軸上安裝一套齒 輪減速箱。采用一級減速，步進(jìn)電機的輸出軸與小齒輪連接， 設(shè)計計算與說明 滾珠絲杠的軸頭與大齒輪連接。其中大齒輪設(shè)計成雙片結(jié)構(gòu)， 采用圖 3-8所以的彈簧錯齒法消除側(cè)隙。 主要結(jié)果 0.005mm/ 已知工作臺的脈沖當(dāng)量 脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程 0.75 0.75 。根據(jù)式（3-12）， ph 5mm，初選步進(jìn)電機的步進(jìn)角 算得減速比： i 25/12 i ( P )/(360 ) (0.75 5) /(360

23、 0.005) 25/12 h 本設(shè)計選用常州市新月電機有限公司生產(chǎn)的 JBF-3型齒 1mm 輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為 ，齒數(shù)比為 75：36，材料 HRC55。減速箱中心距為 為 45調(diào)制剛，齒表面淬硬后達(dá) (75 36) 25 /12 mm 55.5mm，小齒輪厚度為 20 mm 大齒輪厚度均 10mm 6步進(jìn)電動機的計算與選型 ，雙片 。 步進(jìn)電動機的計算與選型參見第四章第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容。 J eq （1）計算加在步進(jìn)電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 已知： d0 20mm l 500mm d0

24、 20mm，總長 l 500mm，導(dǎo)程 滾珠絲杠的公稱直徑 7.85 10 kg /cm3 3 Ph 5mm，材料密度 ；移動部件總重力 36mm；大齒輪度 P 5mm h b 20mm ，直徑 d G 800 N；小齒輪度 1 1 b1 20mm b2 20mm，直徑 d2 75mm；轉(zhuǎn)動比 i 25 /12。 b 20mm 2 如表 4-1所示，算得各個零件部件的轉(zhuǎn)動慣量如下（具 J 0.617kg.cm2 s 2 體計算過程從略）：滾珠絲杠

25、的轉(zhuǎn)動慣量 J 0.617kg.cm； s 2 拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量 ；小齒輪的轉(zhuǎn) JW 0.517kg.cm 0.259kg.cm2 J Z1 JZ 1 0.259kg.cm2 動慣量 ；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 J Z2 4.877kg.cm2 4.877kg.cm2 JZ 2 。 初選步進(jìn)電動機型號為 90BYG2602，為兩相混合式，由常州 0.75 ，從表 4-5 寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動時步距角 設(shè)計計算與說明 主要結(jié)果 4kg.cm2 J m J m 4kg.

26、cm2 查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 。 則加在步進(jìn)電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： J eq Jm J z1 (J z2 J w J ) / i 2 30.35kg.cm2 s J eq 30.35 kg .cm 2 Teq 2)計算加子在步進(jìn)電機轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ( 分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計算。 Teq1 1 ）快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式(4-8)可知， T 包括三部分：一部分是快速空載起動 eq1 Ta max 時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 ；一部

27、分是移 T f；還有一 動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn) 矩 T 。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式 (4-12)可知， 0 T0 相對于 Ta max和T f 很小，可以忽略不計。則有： Teq1 Tamax T f (6-13) 根據(jù)式 (4-9)，考慮傳動鏈的總效率 ，計算快速空載 起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸的最大加速轉(zhuǎn)矩： 2 J nm eq 1 Tamax 60ta （6-14） 式中 n ——對空載最快移動速度的步進(jìn)電動機最高轉(zhuǎn)速， m 單位為

28、 r/min； t a ——步進(jìn)電動機由靜止到加速到 n轉(zhuǎn)速所需的時間， 單位為 s。 其中： vmax nm 360 （6-15） 設(shè)計計算與說明 主要結(jié)果 式中 v ——空載最快移動速度，任務(wù)書指定為 3000mm/min； max ——步進(jìn)電動機步距角，預(yù)選電動機為 ——脈沖當(dāng)量，本例 0.005mm /脈沖。 將以上各值代入式 (6-15)，算得 n 1250r/min ； 0.75 n 1250r/min m m 設(shè)步進(jìn)電動機由靜止到加速至 n轉(zhuǎn)速所需時間 t=0

29、.4s， 傳動鏈總效率 =0.7。則由式 (6-14)求得： Ta max 1.42N m 4 2 30.5 10 1250 N m 1.42N m Ta max 60 0.4 0.7 由式(4-10)可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上 的摩擦轉(zhuǎn)矩為： (F G)Ph z T f 2 i （6-16） 式中——導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取 0.005; Fz ——垂直方向的銑銷力，空載時取 0; ——傳動鏈總效率，取 0.7。 則由式 (6-16

30、)，得： Tf 0.005 (0 1000) 0.005 N.m 0.002N.m 2 0.7 25/12 T f 0.002N.m 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(fù)載轉(zhuǎn)矩： Teq1 1.422N.m Teq1 Tamax T 1.422N.m f 2)最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式(4-13)可知，T包括三部：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上 的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T;一部分是移動部件運動時折算到電動 機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 T;還有一部分是滾珠絲杠

31、預(yù)緊后折算到 T 電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 T，T相對于 T和 T很小，可以 忽略不計。則有： 設(shè)計計算與說明 主要結(jié)果 Teq2 T Tf t 其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T由式 (4-14)計算。本例中在對滾珠絲杠進(jìn)行計算的時候，已知沿著 絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷 F=1609N.m，則有： n 1250 m 將以上各值代入式 (6-15)，算得 n 1250r/min m r/min 設(shè)步進(jìn)電動機由靜止到加速至 n轉(zhuǎn)速所需時間 t=0.4s， 傳動

32、鏈總效率 =0.7。則由式 (6-14)求得： 2 30.35 10 4 1250 N m 1.422N m 60 0.4 0.7 Ta max Tamax 1.422 N m 由式(4-10)可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上 的摩擦轉(zhuǎn)矩為： (F G)Ph z T f 2 i 式中——導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取 0.005; Fz ——垂直方向的銑銷力，空載時取 0; ——傳動鏈總效率，取 0.7。 則由式 (6-16)，得： 0.005

33、 (0 800) 0.005 N.m 0.002 N.m 2 0.7 25 /12 T f 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(fù)載轉(zhuǎn)矩： T eq 1 Teq1 Tamax T 1.422N.m f 1.422 N .m 2)最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式(4-13)可知，T包括三部：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上 的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T;一部分是移動部件運動時折算到電動 機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 T;還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到 T 電動機

34、轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 T，T相對于 T和 T很小，可以 忽略不計。則有： Teq2 T Tf t 設(shè)計計算與說明 主要結(jié)果 （6-18） 其中，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T由式 (4-14)計算。本例中在對滾珠絲杠進(jìn)行計算的時候，已知沿著 絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷 F=913N.m，則有： F Ph T t N .m 0 .88 f 1609 0.005 0.7 25/12 Tt N.m 0.88N.m 2 i 2 再由式 (4-10)可知，移動部件運動時，

35、折算到電動機轉(zhuǎn)軸 上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： (F G)P 0.005 (556 800) 0.005 N.m 0.004N.m z h Tf 2 i 2 0.7 25 /12 T 0 . 004 f N .m 最后由式 (6-18)，求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所 承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： Teq2 Teq2 T Tf 0.884N.m t 0.884N.m 經(jīng)過上述計算后，得到加在步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效 Teq 負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： 1.422N.m T eq max{ T

36、 ,T } 1.422N.m eq1 eq2 （3）步進(jìn)電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動機 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) T來選擇 步進(jìn)電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本例中取安 Tj max 全系數(shù) K=4，則步進(jìn)電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： 5.688N.m T j max 4Teq 4 1.422N .m 5.688N.m （6-20） T jmax 6N.m 上述初選的步進(jìn)電動機型號為 90BY

37、G2602，由表 4-5查得 該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩 Tjmax 6N.m?？梢姡瑵M足式 (6-20) 的要求。 （4）步進(jìn)電動機的性能校核 0.005m m/ 1）最快工進(jìn)速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作 臺最快工進(jìn)速度 v=400mm/min，脈沖當(dāng)量 =0.005mm/脈沖，由 式(4-16)求出電動機對應(yīng)的運行頻率 設(shè)計計算與說明 主要結(jié)果 f=[400/(60*0.005)]Hz =1333hz 。從 90BYG2602電動機的 運行矩頻特性曲線圖 6-24可以看出，在此頻率下，電動機的輸 出轉(zhuǎn)矩 Tmax

38、 f 5.6N.m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tmax f 5.6N.m Teq2 0.884N.m，滿足要求。 Teq2 0.884N.m 2)最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最 快空載移動速度 v=3000mm/min，仿照式 (4-16)求出電動機對應(yīng) 的運行頻率 f=[3000/(60*0.005)]Hz=10000Hz。從圖 6-24查得， 在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 Tmax 1.8N.m，大于快速空載 起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq1 1.4

39、22N.m，滿足要求。 4)最快空載移動時電動機運行頻率校核 與最快空載移動 速度 v=3000mm/min對應(yīng)的電動機運行頻率為 f=10000Hz。查表 4-5可知 90BYG2602電動機的空載運行頻率可達(dá) 20000Hz，可見 沒有超出上限。 5)起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 2 2 Jeq 30.35kg.cm，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 Jm 4kg.cm，電動 機轉(zhuǎn)軸不帶任務(wù)負(fù)載時的空載起動頻率 f q 1800Hz (查表 4-5)。則由式 (4-17)可以求出步進(jìn)電動機克服慣性負(fù)載的起動

40、 f q 1800Hz 頻率： fq fL 614Hz 1 J / J m eq 上式說明，要想保證步進(jìn)電動機起動時不失步，任何時候 的起動頻率都必須小于 614Hz。實際上，在采用軟件升降頻時， 起動頻率選得更低，通常只有 100Hz(即 100脈沖/s)。 綜上所述，本例中工作臺的進(jìn)給傳動選用 90BYG2602步進(jìn) 電動機，滿足設(shè)計要求。 f L 614Hz 7.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 本設(shè)計所選步進(jìn)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，用以檢驗電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。 增量式旋轉(zhuǎn)編

41、碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動機的步距角相匹配。 設(shè)計計算與說明 主要結(jié)果 由步進(jìn)電動機的步距角 @=0。75，可知電動機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時， 需要控制系統(tǒng)發(fā)出 360/@=480個步進(jìn)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(jìn)行電子四細(xì)分（見 第四章第五節(jié)相關(guān)內(nèi)容），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，電動機轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器 對應(yīng)輸出一個脈沖信號。 本例選擇編碼器型號為 ZLK— A— 120— 05VO— 10— H：盤狀空 心型?？讖? 10mm，與電動機尾部出軸相匹配，

42、電源電壓 +5V。每 轉(zhuǎn)輸出 120個 A/B脈沖，信號為電壓輸出，生 產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。 6 5 4 3 2 1 0 10 102 103 10 4 圖 6-24 90BYG2602步進(jìn)電動機 的運行矩頻特性曲線 四、工作臺機械裝配圖的繪制 在完成直線滾動導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副、齒輪減速箱、步 進(jìn)電動機，以及旋轉(zhuǎn)編碼器的計算與選型后，就可以著手繪制工 作臺的機械裝配圖了。繪圖過程中的有關(guān)注意事項參見本章第一 節(jié)相關(guān)內(nèi)容繪制后的 X-Y數(shù)控工作臺機械裝配圖如數(shù)后插頁圖 6-23所示。 五、工作臺控

43、制系統(tǒng)的設(shè)計 X-Y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設(shè)計，可以參考本章第一節(jié)的車 床數(shù)控系統(tǒng)，但在硬件電路上需要考慮步進(jìn)電動機（編碼器）反 饋信號的處理，在軟件上要實現(xiàn)半閉環(huán)的控制算法。 六、步進(jìn)電動機驅(qū)動電源的選用 本例中 X、Y向步進(jìn)電動機均為 90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為常 州寶馬集團(tuán)與公司。查表 4-14選擇與之配套的驅(qū)動電源為 BD28Nb 型，輸入電壓 100VAC，相電流 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 6-25所示。 七、增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 本設(shè)計所選步進(jìn)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

44、量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢驗電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動機的步距角相匹配。由 步進(jìn)電動機的步距角 =0.75，可知電動機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時，需要控 制系統(tǒng)發(fā)出 360/ =480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（見第四 章第五節(jié)相關(guān)內(nèi)容），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，電動機轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器對應(yīng) 輸出一個脈沖信號。 本例選擇編碼器型號為 ZLK— A— 120— 05VO— 10— H：盤狀空 心型?？讖? 10mm，

45、與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓 +5V。每 轉(zhuǎn)輸出 120個 A/B脈沖，信號為電壓輸出，生 產(chǎn)廠家為長春光機數(shù)顯技術(shù)有限公司。 八、步進(jìn)電機驅(qū)動器的選用 本例中 X、Y向步進(jìn)電動機均為 90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為常 州寶馬集團(tuán)與公司。查表 4-14選擇與之配套的驅(qū)動電源為 BD28Nb 型，輸入電壓 100VAC，相電流 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系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》圖 6-25 所示。 九、設(shè)計總結(jié) 通過此次課程設(shè)計，我不僅把知識融會貫通，而且豐富了大 腦，同時在查找資料的過程中也了解

46、了許多課外知識，開拓了視 野，認(rèn)識了將來機械的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)知識方面和動手 能力方面有了質(zhì)的飛躍。 課程設(shè)計是我作為一名學(xué)生即將完成學(xué)業(yè)的一次作業(yè)，他既 是對學(xué)校所學(xué)知識的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又為今后走向社會的 實際操作應(yīng)用鑄就了一個良好實踐，課程設(shè)計是我對所學(xué)知識理 論檢驗與總結(jié)，能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計者獨立分析和解決問題的能 力；是我在校期間向?qū)W校所交的一份綜和性作業(yè)，從老師的角度 來說，指導(dǎo)做課程設(shè)計是老師對學(xué)生所做的一次執(zhí)手訓(xùn)練。 其次， 課程設(shè)計的指導(dǎo)是老師檢驗其教學(xué)效果，改進(jìn)教學(xué)方法 學(xué)質(zhì)量的絕好機會。 ，提高教 總之，不管學(xué)會的還是學(xué)不會的的確覺得困難

47、比較多，真是 萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負(fù)的 感覺。此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應(yīng)用才能實現(xiàn)其價 值！有些東西以為學(xué)會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事， 所以我認(rèn)為只有到真正會用的時候才是真的學(xué)會了。 在此要感謝我們的指導(dǎo)老師歐老師對我悉心的指導(dǎo)，感謝老 師們給我的幫助。在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與 同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少 知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂 得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作 能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。 而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探 索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計做的也不太好，但是在 設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計的最大收獲和財富，使 我終身受益。