《機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)》

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1、 課程設(shè)計(jì) X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 教學(xué)單位: 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí): 13機(jī)電b 學(xué) 號(hào): 姓 名: 指導(dǎo)教師: 何偉 完成時(shí)間: 2017年1月10日 電子科技大學(xué)中山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 課程（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)任務(wù)書 題目 名稱 X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、 設(shè)計(jì) 目的 機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它的主要目的是掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。 設(shè)計(jì) 條件 學(xué) 號(hào)： 工作臺(tái)尺寸：220mm*240mm 設(shè)計(jì) 內(nèi)容 及 要求 設(shè)計(jì)數(shù)控銑床用X-Y工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)， 對(duì)總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇，畫出裝配圖。 設(shè)計(jì) 步驟 1. 總體方案設(shè)計(jì)。 2. 零部件的計(jì)算和選型。 3. 繪制裝配圖。 4. 撰寫設(shè)計(jì)說明書。 成果 形式 1. 裝配圖。 2. 設(shè)計(jì)說明書。 參考 文獻(xiàn) 尹志強(qiáng).機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書,機(jī)械工

3、業(yè)出版社，2007. 指導(dǎo) 教師 2017年 1 月 10 日 目 錄 1. 總體方案設(shè)計(jì) 1 1.1. 設(shè)計(jì)目的 1 1.2. 設(shè)計(jì)任務(wù) 1 1.3. 總體方案的確定 1 2. 機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 2 2.1. 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 2 3. 總結(jié) 3 4. 附錄 4 4.1. 機(jī)械裝配圖 4 (注意：目錄內(nèi)容宋體小四) II 1. 總體方案設(shè)計(jì) 1.1. 設(shè)計(jì)目的 機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過的機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等方面的知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的是： 1. 學(xué)習(xí)機(jī)

4、電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案擬定、分析與比較的方法。 2. 通過對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算方法與選用原則。如齒輪/同步帶減速裝置、蝸桿副、滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副等。 3. 通過對(duì)盡給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理、計(jì)算選擇方法與控制驅(qū)動(dòng)方式，學(xué)會(huì)選用典型的位移/速度傳感器；如交流、步進(jìn)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，直線光柵等。 4. 通過對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握一些典型硬件電路的設(shè)計(jì)方法和控制軟件的設(shè)計(jì)思路；如控制系統(tǒng)選用原則，CPU選擇、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、I/O接口擴(kuò)展、A/D與D/A配置、鍵盤與顯示電路設(shè)計(jì)等，以及控制系統(tǒng)的管理軟

5、件、伺服電動(dòng)機(jī)的控制軟件等。 5. 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并初步樹立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想。 6. 鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料以及撰寫科技論文的能力。 1.2. 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)任務(wù)和參數(shù)。 題目：X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，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； 4）最大背吃刀量； 5）加工材料為碳素鋼或者有色金屬； 6）X、Y方向的脈沖當(dāng)量/脈沖； 7）X、Y方向的定位精度均為； 8）工作臺(tái)面尺寸為220mm*240mm，加工范

6、圍為240mm*260mm； 9）工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度； 10）工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度； 1.3. 總體方案的確定 系統(tǒng)整體方案的確定。 1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 1.1導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)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(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)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 絲桿螺母副的選用 伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲桿螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和的定位精度，滑動(dòng)滑動(dòng)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(dòng)精度

7、高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。 減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。為此，決定采用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。 伺服電動(dòng)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(jí)，空載最快速度也只有3800mm/min。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。 檢測(cè)裝置的選用 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

8、作為伺服電動(dòng)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(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)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(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)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(dòng)機(jī)的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個(gè)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(jì)工作量，X、Y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲桿螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)，以及檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。 2.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1)設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)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(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的

9、基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。 2)對(duì)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)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(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還需要擴(kuò)展程序儲(chǔ)存器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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。 2.機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 1.4. 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 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(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直

10、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 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(shí)的銑削力計(jì)算公式為： (1) 今選擇銑刀直徑d=15mm，齒數(shù)Z=3，為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削的情況下，取得最大銑削寬度，背吃刀量，每齒進(jìn)給量，銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min。則由(1)式求得最大銑削力： 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，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(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力

11、分別為：，，。圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)在考慮立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向（絲桿軸線方向），則縱向銑削力，徑向銑削力。 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(hào)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。本設(shè)計(jì)中的X-Y工作臺(tái)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(tái)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向載荷為： (2)

12、 其中，移動(dòng)部件重量G=800N，外加載荷，代入式（2），得最大工作載荷。 查表3-41，根據(jù)工作載荷，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG15型，其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷。 任務(wù)書規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為220mm*240mm，加工范圍為240mm*260mm，考慮工作行程留有一定余量，查表，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌長(zhǎng)度為500mm和540mm，滾珠絲杠長(zhǎng)度應(yīng)為480mm和520mm。 （2）距離額定壽命L的計(jì)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(jí)，工作速度較低，載荷

13、不大。查表3-36~表3-40，分別取硬度系數(shù)、溫度系數(shù)、接觸系數(shù)、精度系數(shù)、載荷系數(shù)，代入式（3-33），的距離壽命： 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(jì)算與選型 （1）最大工作載荷的計(jì)算 如前頁(yè)所述，在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行），受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直），受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)垂直）。 已知移動(dòng)部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)μ=0.005 。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： （2）最

14、大動(dòng)載荷的計(jì)算 設(shè)工作臺(tái)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，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速。 取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入，得絲杠壽命系數(shù).6 (單位為r) 。 查表3-30，取載荷系數(shù)，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)，代入式（3-23），求得最大載荷： （3）初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)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列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N。

15、大于，滿足要求。 （4）傳動(dòng)效率η的計(jì)算 將公稱直徑，導(dǎo)程，代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角=10′代入，得傳動(dòng)效率。 （5）剛度的驗(yàn)算 1)X-Y工作臺(tái)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(yè)圖6-23。絲杠的兩端各采用一對(duì)推理角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm ；鋼的彈性模量；查表3-31，得滾珠直徑，絲杠底徑，絲杠截面面積。 忽略式（3-25）中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量。 2）根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為3×1，代入

16、公式，得滾珠總數(shù)量。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。 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)際變形量可減小一半，取。 3)將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）。 本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表3-27知，5級(jí)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，可見絲杠剛度足夠。 （6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（3-28）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷。查表3-34，取支承系數(shù)；由絲杠底徑求得截面慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動(dòng)螺母至軸

17、向固定處的距離a取最大值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷，遠(yuǎn)大于工作載荷，故絲杠不會(huì)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(dòng)機(jī)減速箱的選用 為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也是為了使?jié)L珠絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級(jí)減速，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與小齒輪連接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪連接。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖3-8所以的彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。 已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角。根據(jù)式（3-12）

18、，算得減速比： 本設(shè)計(jì)選用常州市新月電機(jī)有限公司生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為，齒數(shù)比為75:36，材料為45調(diào)制剛，齒表面淬硬后達(dá)55HRC。減速箱中心距為，小齒輪厚度為20，雙片大齒輪厚度均。 6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型參見第四章第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容。 （1）計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 已知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長(zhǎng)，導(dǎo)程，材料密度；移動(dòng)部件總重力；小齒輪度，直徑；大齒輪度，直徑；轉(zhuǎn)動(dòng)比。 如表4-1所示，算得各個(gè)零件部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下（具體計(jì)算過程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；拖板折算到絲杠上的

19、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，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(dòng)時(shí)步距角，從表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 則加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (2) 計(jì)算加子在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 分快速空載起動(dòng)和承受最大工作負(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)

20、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，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： (6-13) 根據(jù)式(4-9)，考慮傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的最大加速轉(zhuǎn)矩： （6-14） 式中——對(duì)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min； ——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速到n轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。 其中： （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

21、，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為； ——脈沖當(dāng)量，本例脈沖。 將以上各值代入式(6-15)，算得r/min 設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至n轉(zhuǎn)速所需時(shí)間t=0.4s，傳動(dòng)鏈總效率=0.7。則由式(6-14)求得： 由式(4-10)可知，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： （6-16） 式中——導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005; ——垂直方向的銑銷力，空載時(shí)取0; ——傳動(dòng)鏈總效率，取0.7。 則由式(6-16)，得： 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

22、負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 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T由式(4-13)可知，T包括三部：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T;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T;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T，T相對(duì)于T和T很小，可以忽略不計(jì)。則有： 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T由式(4-14)計(jì)算。本例中在對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷F=1609N.m，則有： 再由式(4-10)可知，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： 最后由式(

23、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)矩為： 經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為： （3） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 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)T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)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （6-20） 上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，由表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩?？梢?，滿足式(6-20)的要求。 （4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 1）最快工進(jìn)速度

24、時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺(tái)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(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率f=[400/(60*0.005)]Hz =1333hz。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖6-24可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，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(tái)最快空載移動(dòng)速度v=3000mm/min，仿照式(4-16)求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率f=[3800/(60*0.005)]Hz=10000Hz。從圖6-24查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起

25、動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。 4)最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 與最快空載移動(dòng)速度v=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為f=10000Hz。查表4-5可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000Hz，可見沒有超出上限。 5)起動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任務(wù)負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率 (查表4-5)。則由式(4-17)可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率： 上式說明，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614Hz。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100Hz(

26、即100脈沖/s)。 綜上所述，本例中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，滿足設(shè)計(jì)要求。 7. 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢驗(yàn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)的步距角相匹配。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角@=0。75°，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/@=480個(gè)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(hào)，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(gè)步進(jìn)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角

27、，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。 本例選擇編碼器型號(hào)為ZLK—A—120—05VO—10—H：盤狀空心型?？讖?0mm，與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5V。每轉(zhuǎn)輸出120個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出，生 產(chǎn)廠家為長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。 6 5 4 3 2 1 0 10 圖6-24

28、 90BYG2602 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 的運(yùn)行矩頻特性曲線 四、工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制 在完成直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副、齒輪減速箱、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以及旋轉(zhuǎn)編碼器的計(jì)算與選型后，就可以著手繪制工作臺(tái)的機(jī)械裝配圖了。繪圖過程中的有關(guān)注意事項(xiàng)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(tái)機(jī)械裝配圖如數(shù)后插頁(yè)圖6-23所示。 五、工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) X-Y數(shù)控工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(dòng)機(jī)（編碼器）反饋信號(hào)的處理，在軟件上要實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)的控制算法。 六、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用 本例中X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為90B

29、YG2602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(dòng)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(dòng)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(jì)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢驗(yàn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)的步距角相匹配。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.75°，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)，需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/=480個(gè)步進(jìn)脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B相信號(hào)，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

30、，編碼器的分辨力可選120線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。 本例選擇編碼器型號(hào)為ZLK—A—120—05VO—10—H：盤狀空心型?？讖?0mm，與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5V。每轉(zhuǎn)輸出120個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出，生 產(chǎn)廠家為長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。 八、 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選用 本例中X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)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(dòng)電源與控制器的接線方式如系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》圖

31、6-25所示。 2. 總結(jié)總計(jì) （本次課程設(shè)計(jì)的體會(huì)和建議） 又一次的課程設(shè)計(jì)，通過此次的課程設(shè)計(jì)，把許多以前遺忘的知識(shí)又補(bǔ)了回來，以前不懂的知識(shí)現(xiàn)在也慢慢的理解了很多，對(duì)機(jī)械加工、制造等方面的認(rèn)識(shí)又更進(jìn)了一步。而且在此次課程設(shè)計(jì)中，通過自己查閱資料、思考以及詢問同學(xué)和老師，也鍛煉了自己獨(dú)立完成一項(xiàng)項(xiàng)目的能力，增進(jìn)了師生以及和朋友同學(xué)之間的感情。 作為一名即將踏入社會(huì)的準(zhǔn)畢業(yè)生來講，此次的課程設(shè)計(jì)是對(duì)自己之前所學(xué)知識(shí)的一種系統(tǒng)性的總結(jié)和綜合運(yùn)用，也是自己進(jìn)入社會(huì)工作前的一種實(shí)踐運(yùn)用，為以后的實(shí)際操作

32、等提供了一個(gè)指導(dǎo)方向和總結(jié)。課程設(shè)計(jì)是我對(duì)所學(xué)知識(shí)理論檢驗(yàn)與總結(jié)，能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計(jì)者獨(dú)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(jì)是老師對(duì)學(xué)生所做的一次執(zhí)手訓(xùn)練。其次，課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)是老師檢驗(yàn)其教學(xué)效果，改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量的絕好機(jī)會(huì)。我們通過實(shí)際操作，發(fā)現(xiàn)問題，反饋問題，解決問題，并提出一系列的措施和解決方案，也為下一屆的師弟們提供了一個(gè)更好的工作實(shí)踐環(huán)境。 在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的過程中，發(fā)現(xiàn)了一些問題，現(xiàn)在就我發(fā)現(xiàn)的一些問題進(jìn)行小小的總結(jié)：一、時(shí)間上安排。課程設(shè)計(jì)被安排到期末的這段時(shí)間，先不論考試多不多，課程多不多，像這種有操作性的實(shí)

33、踐項(xiàng)目，應(yīng)該預(yù)留更多的時(shí)間給同學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)且完善。二、大四的階段，專業(yè)知識(shí)固然重要，需要不斷鞏固更新，但是面向社會(huì)，同學(xué)們走出象牙塔需要時(shí)間的適應(yīng)，這部分也需要時(shí)間。綜上，個(gè)人認(rèn)為此課程設(shè)計(jì)的時(shí)間應(yīng)提前2-4周的時(shí)間進(jìn)行，讓同學(xué)們有更多的時(shí)間去準(zhǔn)備此課程以及將來畢業(yè)后工作的解決。 總而言之，在這過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題，在此就不一一列舉，其中也發(fā)現(xiàn)自己的一些問題，在此要感謝我們的指導(dǎo)老師何偉老師對(duì)我悉心的指導(dǎo)以及意見的指出，讓我發(fā)現(xiàn)了自己的不足，感謝老師和同學(xué)們給我的幫助。祝老師身體健康，合家歡樂，祝同學(xué)們，前程似錦，萬里鵬程。 3. 附錄 3.1. 機(jī)械裝配圖 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 1. 零部件的計(jì)算和選型（40分），得分： 2. 裝配圖（40分），得分： 3. 設(shè)計(jì)說明書（20分），得分： 總分： 課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 16