銑床X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院《機(jī)電一體化》課程設(shè)計(jì) 沈 陽 理 工 大 學(xué) 機(jī)電一體化 課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 題 目： X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 所屬系部： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2016年 6 月 12 日 目錄 摘要 3 1.設(shè)計(jì)任務(wù) 3 2.總體方案的確定 4 2.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 4 2.1.1導(dǎo)軌副的選用 4 2.1.2絲杠螺母副的選用 4 2.1.3減速裝置的選用 4 2.1.4伺服電動(dòng)機(jī)的選用 5 2.1.5檢測(cè)裝置的選用 5 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 2.3 繪制總體方案圖 5 3.機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 6 3.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 6 3.2 銑削力的計(jì)算 6 3.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（縱向） 6 3.3.1 塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 6 3.3.2 距離額定壽命L的計(jì)算 7 3.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 7 3.4.1 最大工作載荷Fm的計(jì)算 7 3.4.2 最大動(dòng)工作載荷FQ的計(jì)算 7 3.4.3 初選型號(hào) 8 3.4.4 傳動(dòng)效率η的計(jì)算 8 3.4.5 剛度的驗(yàn)算 8 3.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 9 3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 9 3.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 10 3.6.1 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 10 3.6.2 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 11 3.6.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定..............................12 3.6.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核....................................12 4. 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 13 5. 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 14 6． 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 14 7. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用.......................................15 心得體會(huì)...........................................................16 致謝...............................................................18 參考文獻(xiàn)...........................................................18 附錄...............................................................18 X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)  摘要 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。 1.設(shè)計(jì)任務(wù) 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)一種供應(yīng)式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，外形如下1-1圖所示，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=7mm; （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=0.005mm/脈沖; （7）X、Z方向的定位精度均為mm; （8）工作臺(tái)面尺寸為，加工范圍為; （9）工作臺(tái)空載進(jìn)給最快移動(dòng)速度：; （10）工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度:; 1-1：X-Y 數(shù)控工作臺(tái)外形圖 2.總體方案的確定 2.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 2.1.1導(dǎo)軌副的選用 設(shè)計(jì)數(shù)控車床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，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)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 2.1.2絲杠螺母副的選用 伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足0.004mm沖當(dāng)量和mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，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(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 2.1.3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)，選用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。 2.1.4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)不必采用高檔次的私服電動(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。 2.1.5檢測(cè)裝置的選用 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)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、絲杠螺母副、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。 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1）設(shè)計(jì)的X-Z工作臺(tái)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)的基本功能，所以控制系統(tǒng)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)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(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴(kuò)展程序存儲(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。 2.3 繪制總體方案圖 總體方案圖如圖2.1所示。 圖2.1 總體方案圖 3.機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 3.1 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、工作臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌座等,估計(jì)重量約為800N. 3.2 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（見參考文獻(xiàn) [1]）查得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為： (4-1) 今選擇銑刀的直徑為d=15mm，齒數(shù)Z=3,為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量=7mm ，每齒進(jìn)給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式（4-1）求的最大銑削力： 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（見參考文獻(xiàn) [1]）查得，結(jié)合圖3-4a，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：,，。圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)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為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。 3.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（縱向） 3.3.1 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。本例中的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。考慮最不利的情況，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： (4-2) 其中，移動(dòng)部件重量Ｇ＝800N，外加載荷，代入式（4-2），得最大工作載荷=686N=0.686kN。 查表3-41（見參考文獻(xiàn) [1]），根據(jù)工作載荷=0.686kN，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，加工范圍為，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表3-35，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為520mm。 3.3.2 距離額定壽命L的計(jì)算 上述所取的KL系列JSA-LG25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(jí)，工作速度較低，載荷不大。查表3-36~表3-40（見參考文獻(xiàn) [1]），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(yuǎn)大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。 3.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 3.4.1 最大工作載荷Fm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）Fx=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(tái)面垂直）Fz=486N. 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)軌上的摩擦系數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.11408+0.005(486+320+800)]N1557N 3.4.2 最大動(dòng)工作載荷FQ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）。 查表3-30（見參考文獻(xiàn) [1]），取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)fH=1.0,代入式FQ=，求得最大動(dòng)載荷： FQ= 3.4.3 初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表3-31（見參考文獻(xiàn) [1]），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系列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N，大于FQ，滿足要求。 3.4.4 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/(d0)]，得絲杠螺旋升角λ=433′。將摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動(dòng)效率η=96.4%。 3.4.5 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-對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)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3-31，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(xiàng)，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(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(hào)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(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力/3=519N。則由式（3-27）（見參考文獻(xiàn) [1]），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量mm。 因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)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(duì)應(yīng)跨度500mm）=0.0192mm=19.2 本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表3-27（見參考文獻(xiàn) [1]）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25，可見絲杠剛度足夠。 3.4.6 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FK。查表3-34（見參考文獻(xiàn) [1]），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)定安全系數(shù)K取3（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（3-28）（見參考文獻(xiàn) [1]），得臨界載荷FK=1557N，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。 3.5 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)軸上盡可能的小，今在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪機(jī)減速，采用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖3-8所示的彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。 已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量=0.004mm/脈沖，滾珠絲杠的的導(dǎo)程Ph=5mm， 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角=0.75。根據(jù)式（3-12）（見參考文獻(xiàn) [1]），算得減速比： =（0.755）/（3600.004）=25/10 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1mm，齒數(shù)比為75：30，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)到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。 3.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 3.6.1 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 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長(zhǎng)l=500mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動(dòng)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(dòng)比i=25/10。 如表4-1所示，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下： 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=0.617kgcm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw=0.517kgcm2;小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz1=0.125 kgcm2；大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz2=4.877 kgcm2。 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90YBG2602,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)的步距角為0.75，從表（4-5）（見參考文獻(xiàn) [1]）查得該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=4 kgcm2。 則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： =5.087 kgcm2 3.6.2 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）（見參考文獻(xiàn) [1]）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，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： =+ （4-3） 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： = (4-4) 其中： =1562.5r/min (4-5) 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0.75； —脈沖當(dāng)量，本例=0.004mm/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（6-14）求得： = 由式（4-10）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： = (4-6) 式中——導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)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（6-13）（見參考文獻(xiàn) [1]）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： =+=0.2988Nm (4-7) 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）（見參考文獻(xiàn) [1]）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)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： =+ （4-8） 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）（見參考文獻(xiàn) [1]）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載情況下， 圖3-1 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： =+=0.643N/m （4-9） 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： 3.6.3 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)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=4, 則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （4-10） 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(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=6Nm?？梢?，滿足要求。 3.6.4 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(tái)最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量/脈沖，由式（4-16）求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖4.1可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩5.6Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.643Nm，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=3000mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率。由圖4.1查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=1.7Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.2988Nm，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(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為。查表4-5（見參考文獻(xiàn) [1]）可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000，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)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率（查表4-5）（見參考文獻(xiàn) [1]）。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： (4-11) 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。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(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選用90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。 4.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，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，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，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。 此次設(shè)計(jì)選用的編碼器型號(hào)為：ZLK-A-120-05VO-10-H 盤狀空心型，孔徑10mm，與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每秒輸出120個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出。 5. 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。 圖5.1 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 6．控制系統(tǒng)硬件電路設(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(hào)； （4） 接受電動(dòng)卡盤夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)； （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(jí)變速； （8） 控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級(jí)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。 CPU選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。W27C512用做程序存儲(chǔ)器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴(kuò)展AT89S52的RAM存儲(chǔ)器存放調(diào)試和運(yùn)行的加工程序；8279用做鍵盤和LED顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺(tái)方向，LED顯示器顯示當(dāng)前工作臺(tái)坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報(bào)警功能，并有越位開關(guān)和報(bào)警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，越位報(bào)警指示電路。 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 7.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用 設(shè)計(jì)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)公司。查表4-14，選擇與之匹配的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源與控制器的接線方式如圖7.1所示。 圖7-1 圖8.1 BD28Nb型驅(qū)動(dòng)電源接線圖 心得體會(huì) 本次課程設(shè)計(jì)是綜合性的課程設(shè)計(jì)，將以前所學(xué)到的機(jī)械與電氣的知識(shí)結(jié)合到一起，可以說是綜合性的訓(xùn)練。這次課程設(shè)計(jì)跨越機(jī)械和電氣兩大學(xué)科。在設(shè)計(jì)時(shí)要聯(lián)系機(jī)械部分和電氣控制部分作為一個(gè)有機(jī)的整體來考慮，本次設(shè)計(jì)是一個(gè)機(jī)械和電氣有機(jī)組合的系統(tǒng)是一個(gè)整體。如果單方面考慮其中一項(xiàng)必定是做不出來的。 這次課程設(shè)計(jì)涉及到機(jī)電一體化的知識(shí)，與以前單純的機(jī)械設(shè)計(jì)不一樣，有了更多的收獲，體會(huì)也很多。在這次設(shè)計(jì)中我也學(xué)會(huì)了很多新東西，包括一些軟件的應(yīng)用。當(dāng)然最重要的是學(xué)到了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些基本方法。加深了對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理解，初步了解了一些常用工業(yè)控制元器件和掌握它們的使用方法。知道了設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)電一體化的系統(tǒng)需要考慮到哪些方面，做個(gè)部分設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該先哪里后哪里的先后順序，讓我在以后的設(shè)計(jì)中會(huì)有一個(gè)清晰地思路，而避免走太多彎路。這次設(shè)計(jì)中那我了解了運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)的基本特性、使用方法，以及它們之間所需要的匹配關(guān)系。 通過這次課程設(shè)計(jì)我深深地意識(shí)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性，任何一個(gè)都不能單獨(dú)存在。平時(shí)理論知識(shí)學(xué)的很好，但是在課程設(shè)計(jì)中并不能得心應(yīng)手，會(huì)遇到很多不能解決的實(shí)際問題，這就需要加強(qiáng)實(shí)踐能力，一個(gè)同學(xué)的知識(shí)變成多個(gè)同學(xué)的知識(shí)，多個(gè)同學(xué)的知識(shí)變成一個(gè)同學(xué)的知識(shí)，這樣才能互相促進(jìn)、相互提高。另外，經(jīng)過復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專業(yè)知識(shí)使得設(shè)計(jì)思路清晰系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)使我更加接近生產(chǎn)實(shí)際，鍛煉了將理論運(yùn)用于實(shí)際的分析和解決實(shí)際問題的能力，鞏固、加深了有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。 還有很重要的一點(diǎn)是讓我體會(huì)到了一個(gè)設(shè)計(jì)者的精神。在設(shè)計(jì)過程中既要自己不斷思考、創(chuàng)造，又要注意借用現(xiàn)有的資料，掌握了查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)、及相關(guān)技術(shù)資料的基本技能以及計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。 通過對(duì)通用機(jī)械零件、常用機(jī)械傳動(dòng)或簡(jiǎn)單機(jī)械的設(shè)計(jì)，使我掌握了一般機(jī)電一體化的程序設(shè)計(jì)和基本方法，有助于樹立正確的工程設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立、全面、科學(xué)的設(shè)計(jì)能力。 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中遇到問題及解決方案如下： 首先，在繪制裝配圖過程中，有些繪圖尺寸不夠詳細(xì)導(dǎo)致無法繪制。我們無奈之下利用手工測(cè)量的方式，一個(gè)點(diǎn)，一條線細(xì)致入微的以1:1的比例測(cè)量，最終攻克了難關(guān)。 其次，我們?cè)诶L制電氣原理圖的過程中遇到一些問題不知道那個(gè)系列的單片機(jī)最適合用在數(shù)控工作臺(tái)上面，后來我們通過查閱相關(guān)技術(shù)資料和參考書最終我們?cè)凇稒C(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)踐》一書中得到答案。本次設(shè)計(jì)中我們采用MCS-51系列8031單片機(jī)為主控器。擴(kuò)展存儲(chǔ)器電路為1片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲(chǔ)器拓展為4K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器拓展為8K.. 另外，我們?cè)诶L制裝配圖過程中軸承內(nèi)徑的選擇遇到啦困難，后來我們通過《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》和《機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》一書得知器軸承內(nèi)徑的選擇是根據(jù)主軸大徑的尺寸來基本確定的，而且有些特殊地方還需找正校驗(yàn)，合理之后才能與之相匹配。才能合理的設(shè)計(jì)出完整精準(zhǔn)的思路，從而使之整體設(shè)計(jì)又拉更具權(quán)威性的知識(shí)體系。 最后，我們對(duì)課程設(shè)計(jì)說明書的排版，設(shè)計(jì)格式，和具體設(shè)計(jì)項(xiàng)目思路不清，后來我們請(qǐng)教老師，經(jīng)過劉老師的耐心細(xì)致的講解我們很快就寫好啦X-Y數(shù)控工作臺(tái)課程設(shè)計(jì)書明書。從此次課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)到拉好多關(guān)于機(jī)電一體化的相關(guān)知識(shí)，也嘗試了平時(shí)課堂上從未學(xué)到的設(shè)計(jì)理念和思路，希望在以后的學(xué)習(xí)中不斷鍛煉自己在機(jī)電一體化方面的相關(guān)知識(shí)。豐富業(yè)余生活。 致謝 在此感謝幫助我的同學(xué)和老師，這次課程設(shè)計(jì)的完成，離不開老師和同學(xué)的指導(dǎo)、幫助和鼓勵(lì)。通過這次的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)學(xué)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的擬定有了一定的認(rèn)識(shí)，對(duì)傳動(dòng)元件和導(dǎo)向元件如滾珠絲杠螺母副等的工作原理，設(shè)計(jì)計(jì)算方案的工作原理，設(shè)計(jì)計(jì)算的選用原則，電動(dòng)機(jī)的工作原則，選擇控制驅(qū)動(dòng)方式都有了一定的認(rèn)識(shí)。在今后的學(xué)習(xí)生活中，這次課程設(shè)計(jì)的經(jīng)歷將起到重要幫助作用。最后對(duì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中對(duì)老師認(rèn)真、耐心輔導(dǎo)表示衷心的感謝 參考文獻(xiàn) 【1】 尹志強(qiáng)編著.， 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 . 北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社 ，2007.5. 【2】 王田苗， 丑武圣編著， .機(jī)電控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社，2003. 【3】 侯力， 樊慶文等編著， 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社，2004. 【4】 張君安編著， 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：兵器工業(yè)出版社，1997. 附錄 19