x-y工作臺(tái)課程設(shè)計(jì)--數(shù)控x-y工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù) P1</p><p>　　二、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 P1</p><p>　　三、工作載荷分析及計(jì)算

2、 P2</p><p>　　四、滾珠絲杠螺母副的選型和校核 P3</p><p>　　五、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算 P5 </p><p

3、>　　六、電動(dòng)機(jī)的選型和校核 P7</p><p>　　七、步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì) P15</p><p>　　八、參考文獻(xiàn) P19</p>

4、;<p>　　附加一張數(shù)控系統(tǒng)框圖和一張軟件框圖</p><p><b>　　專業(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書</b></p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù) </b></p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控X-Y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。</p><p><b&g

5、t;　　1）設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　了解機(jī)電一體化化概念及機(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)電一體化產(chǎn)品的含義。</p><p>　　領(lǐng)會(huì)機(jī)電綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練的意義。</p><p>　　了解機(jī)電綜合設(shè)計(jì)的幾大步驟。 </p><p>　　2）設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 </p><p><b>　　設(shè)計(jì)參數(shù)：&l

6、t;/b></p><p>　　系統(tǒng)分辨率為0.01mm，最大銑刀直徑Φ=16mm，最大銑削寬度ae=5mm,最大銑削深度ap=2mm,加工材料為碳鋼，工作臺(tái)加工范圍X=200mm,Y=150mm，最大移動(dòng)速度Vmax=3m/min. </p><p>　　3）方案的分析、比較、論證 </p><p>　　本設(shè)計(jì)是一種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控工作臺(tái)，采用開環(huán)控制，主控裝置為

7、單片機(jī)，軟件環(huán)形脈沖輸出，驅(qū)動(dòng)電路為高低壓驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)變換機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副。</p><p>　　二、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 </p><p>　　1）脈沖當(dāng)量的確定：</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，等每脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角，這個(gè)轉(zhuǎn)角經(jīng)滾珠絲杠使工作臺(tái)移動(dòng)一定的距離。每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的工作臺(tái)的移距，稱為脈沖當(dāng)量或分辨率，記為δp

8、，單位為mm/脈沖。根據(jù)工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)所要求的精度來(lái)選定脈沖當(dāng)量?？紤]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。</p><p><b>　　2）傳動(dòng)比的計(jì)算：</b></p><p>　　傳動(dòng)比的計(jì)算公式 </p><p>　　其中，θb為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角，Lo為滾珠絲杠導(dǎo)程，δp為系統(tǒng)脈

9、沖當(dāng)量，由公式可知，系統(tǒng)的傳動(dòng)比與θb,δp,Lo有關(guān)。因此，要計(jì)算系統(tǒng)傳動(dòng)比，必須先確定θb,δp和Lo，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角的選用原則為：定位精度要求不高的控制系統(tǒng)選用步距角大、運(yùn)行頻率低的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；定位精度要求較高、運(yùn)行速度范圍較廣的控制系統(tǒng)，則應(yīng)選用步距角較小，運(yùn)行頻率較高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提高精度，采用聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)和絲杠直接連接。所以i=1，則θb×Lo=3.6，由于電動(dòng)機(jī)與絲杠直接聯(lián)接，為使所選電機(jī)的

10、扭矩要求不至過(guò)大，則絲杠導(dǎo)程應(yīng)選取較小值，經(jīng)查各公司產(chǎn)品目錄，初選南京華興電機(jī)制造有限公司出產(chǎn)的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)86BYG4501,θb=0.9º，初選絲杠Lo=4mm，D=16mm。</p><p>　　三、工作載荷分析及計(jì)算</p><p><b>　　銑削力的分析與計(jì)算</b></p><p>　　銑削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞

11、自身軸線加速回轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶</p><p>　　工件在垂直銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給。銑刀的類型很多，一般以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。這里選擇圓柱形的立銑刀，它的每一個(gè)齒相當(dāng)于一把車刀。</p><p>　　通常假定銑削時(shí)銑刀受到的銑削力作用在刀尖的某點(diǎn)上。設(shè)刀齒上受到切削力的合力為F，將F沿銑刀軸線、徑向和切向進(jìn)行分解，則分別為軸向銑削力FX，徑向銑削力FY和切向銑削力FZ。其中切

12、向銑削力FZ是沿銑刀主運(yùn)動(dòng)方向的分力，它消耗銑床電機(jī)功率（即銑削功率）最多。銑削力FZ可按指導(dǎo)書上P10表2-2查得為：</p><p>　　Fz=9.811CFZ·ae0.86·af0.72·do-0.86·ap·Z</p><p>　　其中，公式中CF為銑削力系數(shù)，由按指導(dǎo)書上P10表2-3可查為CF=68.2，ae=5mm，do=16

13、mm，ap=2mm，查參考文獻(xiàn)（1）P303查得：Z=4</p><p>　　查參考文獻(xiàn)（1）P135表2.4-6可得：</p><p>　　af=0.05mm/z</p><p>　　所以FZ=9.81×68.2×50.86×0.050.72×16-0.86×2×4</p><p>

14、;<b>　　=228N</b></p><p><b>　　銑刀轉(zhuǎn)速n=</b></p><p>　　其中查參考文獻(xiàn)（1）P190表2.4-11可得：Cv=30mm/min,d為銑刀直徑</p><p>　　所以n=600r/min</p><p>　　進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷計(jì)算</p>

15、<p>　　作用在工作臺(tái)上的合力F’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FL，工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷Fc和工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷Fv。</p><p>　　從而可按指導(dǎo)書上P11表2-4可查得：</p><p>　　FL=1.2FZ=1.2×228=274N</p><p&

16、gt;　　FV=0.8Fz=0.8×228=182.4N</p><p>　　FC=0.4Fz=0.4×228=91.2N</p><p>　　四、滾珠絲杠螺母副的選型和校核</p><p>　　1、滾珠絲杠螺母副類型選擇。</p><p>　　這里初選深圳威遠(yuǎn)制造技術(shù)有限公司的內(nèi)循環(huán)式的滾珠絲杠螺母副BRH15A。為了消

17、除間隙和提高滾珠絲杠螺母副的剛度，這里對(duì)滾珠絲杠螺母副進(jìn)行預(yù)緊，可使預(yù)緊后的剛度提高到為無(wú)預(yù)緊時(shí)的2倍。這一般由制造廠調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲杠副的額定動(dòng)載荷有一定的比例。</p><p>　　2、滾珠絲杠螺母副參數(shù)計(jì)算和校核</p><p><b>　　1）最大工作載荷</b></p><p>　　滾珠絲杠螺母副的工作載荷Fm是指滾

18、珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠螺母副所承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。這里選燕尾導(dǎo)軌，可按指導(dǎo)書上P14公式2-11可得：</p><p>　　其中G為移動(dòng)部件的重力G=20Kg×9.8=192N,顛覆力矩影響實(shí)驗(yàn)系數(shù)K=1.4，導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)f’=0.0025。</p><p>　　所以Fm=1.4×274+0.0025(182.4+91.2+20×9

19、.8)=385N</p><p>　　2)、最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及重要尺寸初選</p><p>　　最大動(dòng)載荷C=·fm·Fm</p><p>　　其中：L為為壽命，單位為106r，選fm=2.5</p><p>　　L=60×1000vt/106Lo</p><p>　　而v為最大切削力時(shí)

20、的進(jìn)給速度：v=afnz=0.05×600×4=120mm/min</p><p>　　所以L=60×1000×0.12×1500÷4÷106=27</p><p>　　所以C=×2.5×385=2887.5</p><p>　　而所選的絲桿的最大動(dòng)載荷為4.35N·

21、m,所以適合.</p><p><b>　　3)傳動(dòng)效率計(jì)算</b></p><p>　　滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η為：</p><p><b>　　η=</b></p><p>　　其中：λ=arctan()=arctan(4÷3.14÷16)=4.552o</p>

22、<p>　　所以η=tg4.552o/tg(4.552o+10’)=0.9</p><p>　　符合滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率。 </p><p><b>　　4）剛度驗(yàn)算</b></p><p>　　滾珠絲桿副的軸向變形將引起絲桿導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。滾珠絲桿副的軸向變形包括絲桿的拉

23、壓變形、絲桿和螺母之間滾道的接觸變形、絲桿的扭轉(zhuǎn)變形和滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形。滾珠絲桿的扭轉(zhuǎn)變形較小，對(duì)縱向變形的影響更小，可忽略不計(jì)。螺母座只要設(shè)計(jì)合理其變形量也可忽略不計(jì)。絲桿軸承的軸向接觸變形計(jì)算方法可參機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)?？晒L珠絲桿支承使用的滾動(dòng)軸承種類很多，目前占優(yōu)勢(shì)的有：接觸角為60 的推力角接觸球軸承，可以背靠背或面對(duì)面組配，還可以三聯(lián)組配，四聯(lián)組配等，提高剛度和承載能力；滾針--推力圓柱滾子組合軸承，從雙向軸向支承絲桿，

24、剛度高，多用于重載。因此，只要滾珠絲桿支承的剛度設(shè)計(jì)得好，軸承的軸向接觸變形在此可以不予考慮。</p><p><b>　　絲桿的拉壓變形量</b></p><p>　　滾珠絲桿應(yīng)計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量</p><p>　　式中: δ1為工作載荷,Fm作用下絲桿總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量(mm); Fm為絲桿的工作載荷(N)Fm=385N;L為滾珠

25、絲桿在支承內(nèi)的受力長(zhǎng)度，按經(jīng)驗(yàn)公式Ｌ＝１.1×200+10×4=260mm;E為材料彈性模量E=20.6×104Mpa,;A為滾珠絲桿按內(nèi)徑確定的截面積A==151.7mm2；“+”號(hào)用于拉伸，“-” 號(hào)用于壓縮。</p><p>　　2、滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2</p><p>　　該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠的總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲桿長(zhǎng)度無(wú)關(guān)

26、，可從工廠的產(chǎn)品樣品中查出，或用下式計(jì)算</p><p><b>　　無(wú)預(yù)緊時(shí) </b></p><p><b>　　=0.0038 </b></p><p><b>　　=0.0013</b></p><p>　　工中:DW為滾珠直徑DW=2.381mm;Z∑為滾珠總數(shù)量

27、Z∑=22×2×3-3；；dm為滾珠絲桿的公稱直徑dm=16mm;）;Fm為滾珠絲桿工作載荷Fm=385N。</p><p>　　3、滾珠絲桿副剛度的驗(yàn)算</p><p>　　絲桿的總變形量δ=δ1+δ2應(yīng)小于允許的變形量。一般δ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(即為0.005mm)?；蛘?，由絲桿精度等級(jí)查出規(guī)定長(zhǎng)度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長(zhǎng)度上的變形量應(yīng)該比

28、它小，否則，應(yīng)考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲桿副。而總的變形量δ＝0.0032+0.0013=0.0045<0.005,所以變形量校核合格。</p><p><b>　　４、壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算</b></p><p>　　滾珠絲桿通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作負(fù)載過(guò)大，將使絲桿失去穩(wěn)定而產(chǎn)生屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk為</p><p&

29、gt;　　式中：E為絲桿材料彈性模量,對(duì)鋼E=20.6×104Mpa;I為截面慣性矩，對(duì)絲桿圓截面I=πd14/64(d1為絲桿內(nèi)徑（mm），I＝1831.5; 為絲桿支承方式系數(shù)，由于選用一端固定，一端簡(jiǎn)支的支承方式為2.0。)</p><p>　　臨界載荷FK與絲桿工作載荷Fm之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)nk,如果nk大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[nk],則該滾珠絲桿不會(huì)失穩(wěn)。因此滾珠絲桿穩(wěn)定條件斷為</

30、p><p>　　Fk==35050N</p><p>　　一般取[nk]=2.5～4，考慮到絲桿自重對(duì)水平絲桿的影響可取[nk]≥4。</p><p>　　五、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算</p><p>　　導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。滾動(dòng)導(dǎo)軌在兩導(dǎo)軌面間裝有球、滾子或滾針等滾動(dòng)元件，具有滾動(dòng)摩擦性質(zhì)，廣泛用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。這次設(shè)計(jì)選用滾動(dòng)導(dǎo)軌。</p&

31、gt;<p>　　1、滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和配置</p><p>　　直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌支承中，有滾動(dòng)體不作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)體作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，后者叫做直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副（塊）組件。</p><p>　　直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副包括導(dǎo)軌條和滑塊兩部分。導(dǎo)軌通常為兩根，裝在支承件上，每根導(dǎo)軌條上有兩塊滑塊，固定在移動(dòng)件上。如移動(dòng)件較長(zhǎng)，也可在一根導(dǎo)軌條上裝3個(gè)或3個(gè)以上滑塊。如移動(dòng)件

32、較寬，也可以用3 根或3 根以上的導(dǎo)軌條。如果移動(dòng)件的剛度較高，則少裝為好。在兩根導(dǎo)軌條中，一個(gè)為基準(zhǔn)導(dǎo)軌，上有基準(zhǔn)面A，滑塊上有基準(zhǔn)面B；另一條為從動(dòng)導(dǎo)軌。</p><p>　　2、滾動(dòng)導(dǎo)軌副的預(yù)緊</p><p>　　直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副分為整體型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副和分離型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。整體型的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副由制造廠用選型不同直線鋼球的辦法來(lái)決定間隙或預(yù)緊?？筛鶕?jù)要求的預(yù)緊訂貨，不需自己調(diào)整。

33、整體型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，應(yīng)由用戶根據(jù)需要，按規(guī)定的間隙進(jìn)行調(diào)整或預(yù)緊。</p><p>　　3、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算</p><p>　　直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與滾動(dòng)軸承相仿，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支承并不發(fā)生點(diǎn)蝕為依據(jù)。這個(gè)載荷稱為滾動(dòng)導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷Ca，可從產(chǎn)品樣本中查到。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Ca用下列公式進(jìn)行計(jì)算<

34、/p><p><b>　　滾動(dòng)體為滾子時(shí)</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=1×106m </b></p><p>　　大于期望的壽命，所以合格。</p><p>　　式中：L為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離壽命（km

35、）; Cao額定動(dòng)載荷(N),初選滾動(dòng)導(dǎo)軌型號(hào)后，可從樣本中查出；F為每個(gè)滑塊上的工作載荷（N）；為硬度系數(shù)導(dǎo)軌面的硬度為58～64HRC時(shí)，=1.0，為55HRC時(shí)=0.8，為50HRC時(shí)=0。53；為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過(guò)100°C時(shí)，=1；為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝兩個(gè)滑塊時(shí)=0.81, 裝三個(gè)滑塊時(shí)=0.72，裝四個(gè)滑塊時(shí)=0.66；為載荷/速度系數(shù)，無(wú)沖擊振動(dòng)或v≤15m/min時(shí)=1～1.5,輕沖擊振動(dòng)或15m

36、/min≤v≤60 m/min時(shí)=1.5～2,有沖擊振動(dòng)或v＞60 m/min時(shí)=2.0～3.5。一般球?qū)к壍木嚯x壽命定為50km，滾子導(dǎo)軌的距離壽命定為100km。</p><p>　　４、滾動(dòng)導(dǎo)軌和潤(rùn)滑與防護(hù)</p><p>　　滾動(dòng)導(dǎo)軌多采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。常用的牌號(hào)為ZL-2鋰基潤(rùn)滑脂（GB/7324-87，2號(hào)）。它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)泄漏，不需要經(jīng)常加油；缺點(diǎn)是塵屑進(jìn)入后易磨損導(dǎo)軌，因此對(duì)

37、防護(hù)要求較高。易被污染以難以防護(hù)的地方，可用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。</p><p>　　六、電動(dòng)機(jī)的選型和校核 </p><p>　　1) 初選步進(jìn)電機(jī) </p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用主要考慮三個(gè)問(wèn)題：1，步距角θb要滿足系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的要求；2，滿足最大靜轉(zhuǎn)矩的要求；3，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)頻率、工作運(yùn)行轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率必須滿足所選電機(jī)型號(hào)相應(yīng)的啟動(dòng)矩頻特牲和工作矩頻特牲

38、。</p><p>　　根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)距初選擇電機(jī)型號(hào)</p><p><b>　　1，步距角的選擇</b></p><p>　　步距角選定為0.9º。</p><p>　　2，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的選擇</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩（靜止?fàn)?/p>

39、態(tài)），是選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最基本參數(shù)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mka是指電機(jī)在沒(méi)有外加載荷下啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩有表2-7所示的關(guān)系。</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算</p><p>　　式中Mkq為空載啟動(dòng)力矩（N·cm）;Mka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；Mkf為空載時(shí)折算到電機(jī)上摩擦力力矩；Mo為

40、由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦加矩。各項(xiàng)力矩計(jì)算如下：</p><p><b>　　加速度力矩</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=6.4N·cm</b></p><p>　　式中：JΣ為傳動(dòng)系統(tǒng)各部件折算到電機(jī)上的總

41、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣（kg·cm2）;ε為電動(dòng)機(jī)最大角加速度（rad/s2）;nmax為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（r/min）;t為運(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（s）本設(shè)計(jì)為t=0.1s；Vmax為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度（mm/min）本設(shè)計(jì)為3m/min; θb為初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角本設(shè)計(jì)為0.9º，δp為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量本設(shè)計(jì)為0.01mm/脈沖。</p><p>　　J

42、D為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：由產(chǎn)品手冊(cè)查得JD=0.6kg·cm2 </p><p>　　JC為絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算公式為：</p><p>　　JG為工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的折算慣量，計(jì)算公式為：</p><p><b>　　空載摩擦力矩</b></p><p>　?。蚹f=（N·cm）</p

43、><p>　　式中：G為運(yùn)動(dòng)部件的總重量(N);f’為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)本設(shè)計(jì)為f’=0.005，i為傳動(dòng)比，本設(shè)計(jì)為1，n為傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，本設(shè)計(jì)為n=0.8，Lo為滾珠絲杠基本導(dǎo)程本設(shè)計(jì)為0.4cm。</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　附加摩擦力矩</b></p><p&g

44、t;　　式中：FYJ為滾珠絲杠預(yù)加載荷，即預(yù)緊力，一般取Fm的三分之一；Fm為進(jìn)給牽引力；no為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，本設(shè)計(jì)取0.9。</p><p><b>　　綜合上述結(jié)果：</b></p><p>　　按表2-19中的關(guān)系算出電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)所需要的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶載荷啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算<

45、/p><p>　　MF’為作用在工作臺(tái)上的合力F’折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩。MF’可按下式計(jì)算</p><p><b>　　帶載荷時(shí)的Mka</b></p><p><b>　　所以：</b></p><p>　　按Mjmax1和Mjmax2中的較大者選取步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax，并要求</p&

46、gt;<p>　　Mjmax≥max｛Mjmax1,Mjmax2｝</p><p>　　查得初選電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為1.6N·m，符合要求。</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)的驗(yàn)算 </b></p><p>　　傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 </p><p>　　傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量量是一種慣負(fù)載，

47、選用電機(jī)時(shí)必須加以考慮。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳動(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)慣量量向電機(jī)軸的折算問(wèn)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。</p><p>　　對(duì)于軸、軸承、聯(lián)軸器、絲杠等圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量量計(jì)算公式為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　對(duì)于鋼

48、材，材料密度為7.8(g/cm2)，代入公式(2-2)，有</p><p>　　式中:MC為圓柱體質(zhì)量(kg)；D為圓柱體直徑（cm）；L為圓柱體長(zhǎng)度（cm）。電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JD可由表2-18、2-19查出。</p><p>　　計(jì)算時(shí)，齒輪和工作臺(tái)均按實(shí)體計(jì)算（即齒輪軸孔和工作臺(tái)T型槽挖空的部分忽略不計(jì)），滾珠絲杠則按照滾珠絲杠的中徑為直徑的實(shí)心圓柱體計(jì)算。</p>&l

49、t;p>　　由于此次設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)主要用于輕載的工作環(huán)境下，且所選軸承和聯(lián)軸器質(zhì)量比較少，所以計(jì)算總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)可忽略。以下只計(jì)算絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量量。</p><p>　　滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS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，此設(shè)計(jì)中為電機(jī)與絲杠直接聯(lián)接。=1.所以滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS折算到電機(jī)軸上為</p><p>　　D=2㎝,L=33.1㎝；代入式得</p

50、><p><b>　　工作臺(tái)質(zhì)量折算</b></p><p>　　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上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JG可按下式進(jìn)行計(jì)算</p><p>　　式中：L0為絲杠導(dǎo)程（cm）；M為工作臺(tái)質(zhì)量（kg）。</p><p>　　L0=0.4㎝；M=30kg.代入式得</p><p>　　式

51、中，為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，=；所以</p><p>　　=0.46+0.413+0.122 =0.995 </p><p><b>　　啟動(dòng)矩頻特性校核 </b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。</p><p>　　前面提出的，僅僅是指初選專機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保

52、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。以后還要對(duì)快進(jìn)、工進(jìn)的運(yùn)行矩頻特性校核。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。</p><p><b>　　突跳啟動(dòng)</b></p><p>　　在零時(shí)刻（t1=0）。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率從零突跳為最大運(yùn)行頻率，即瞬間=。事實(shí)上，突跳是不可能瞬間完成的。但突跳過(guò)程極短，

53、則速力矩很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是不可避免的。因此突跳啟動(dòng)是很少使用的。</p><p><b>　　升速啟動(dòng)</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時(shí)刻（t1=0），啟動(dòng)頻率=0。</p><p>　　在一段時(shí)間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高的運(yùn)行速度，此時(shí)相應(yīng)的運(yùn)行頻率為。因此，當(dāng)，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，啟

54、動(dòng)頻率已與最高運(yùn)行頻率相等，即=。在整個(gè)升速、勻速運(yùn)行、降速過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時(shí)間足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過(guò)程緩慢，空載啟動(dòng)力矩中的加速力矩項(xiàng)不會(huì)很大，一般不會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，但是降低了工作效率。升速時(shí)間過(guò)短，則步進(jìn)電機(jī) 啟動(dòng)力矩中的加速力矩項(xiàng)就會(huì)很大，所以需要校核啟動(dòng)矩頻特性。</p><p>　　從初選步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線（圖2-21）中以已知的空載啟動(dòng)力矩值找出對(duì)應(yīng)的允

55、許啟動(dòng)頻率</p><p>　　運(yùn)行矩頻特性校核 。啟動(dòng)頻率應(yīng)少于允許啟動(dòng)頻率，即〈，才能保證不丟步。</p><p>　　如果〉，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)丟步。這時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)纳ń担┧倏刂拼胧?，比如延長(zhǎng)升速時(shí)間，直到滿足要求，或者分段啟動(dòng)，每段啟動(dòng)頻率僅為最高運(yùn)行頻率的幾分之一，即分幾個(gè)升速階段使啟動(dòng)頻率降下來(lái)，從而滿足啟動(dòng)矩頻特性曲線的要求，最后電機(jī)運(yùn)行頻率達(dá)到最高運(yùn)行頻率，最高運(yùn)行頻率

56、可按下式計(jì)算</p><p><b>　　=（Hz） </b></p><p>　　式中： 為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度（m/min）。</p><p>　　而電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為15000HZ></p><p><b>　　運(yùn)行矩頻特性校核</b></p><p>　　要

57、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，確快進(jìn)和工進(jìn)時(shí)均不丟步。</p><p>　　1、快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性校核</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率可按式（2-33）計(jì)算。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)算公式只保留了式（2-24）中的后兩項(xiàng)，即</p><p>　　=+=0.04+1.72=1.76N&

58、#183;cm</p><p>　　式中： 為附加摩擦力矩（N·cm），見式（2-28）；為快進(jìn)時(shí)，拍片到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N·cm），見式（2-27）。</p><p>　　從圖2-22中可查到初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線。以已知快進(jìn)力矩值找出對(duì)應(yīng)允許快進(jìn)頻率。實(shí)際最高快進(jìn)頻率應(yīng)小于允許快進(jìn)頻率，〈。否則，快進(jìn)時(shí)要丟步?；蛘?，對(duì)應(yīng)查到的允許快進(jìn)運(yùn)行力矩值應(yīng)大于步進(jìn)

59、電機(jī)快速進(jìn)給力矩,否則步進(jìn)電機(jī)快速進(jìn)給時(shí)會(huì)丟步。不滿足運(yùn)行矩頻特性要求時(shí)，要降低快速進(jìn)給速度或重選更大的步進(jìn)電機(jī)直到滿足運(yùn)行矩頻特性要求 。就注意，運(yùn)行矩頻特性曲線與啟動(dòng)矩頻特性曲線是不同的。</p><p>　　2、工進(jìn)運(yùn)行矩頻特性校核</p><p>　　工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率為</p><p>　　= =200（Hz）</p><p>

60、;　　式中： 為最大工作進(jìn)給速度（m/min）</p><p>　　工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩可近下式計(jì)算</p><p>　　（N·m） (2-36)</p><p>　　式中： 為附加摩擦力矩（N·cm），見式（2-27）；為摩擦力矩（N·cm），一般情況下， 工進(jìn)時(shí)有切削力的，工作臺(tái)上垂直進(jìn)給方向載荷不等于零；為折算到電機(jī)軸

61、上的工作負(fù)載力矩，對(duì)于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)則是切削力矩負(fù)載。</p><p><b>　　N·m</b></p><p><b>　　N·cm</b></p><p>　　式中： 為沿進(jìn)給方向的切削負(fù)載，=；Fv為垂直方向作用于工作臺(tái)的載荷（N）。</p><p>　　所以，＝1.7

62、2＋0.067+79.4=21.187N·cm</p><p>　　從圖2-22中查到初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線。對(duì)應(yīng)工進(jìn)頻率查到的允許工進(jìn)運(yùn)行力矩=1.6N·m大于步進(jìn)電機(jī)工進(jìn)時(shí)所需力矩</p><p>　　七、步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　1、控制系統(tǒng)硬件的組成</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)開球伺服系統(tǒng)

63、是由脈沖信號(hào)源、脈沖分配器、功率放大器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)四部分所組成的。</p><p>　　控制系統(tǒng)軟件的組成及結(jié)構(gòu)</p><p>　　控制系統(tǒng)軟件是為了完成機(jī)電設(shè)備的各項(xiàng)功能而編制的。由于各和機(jī)電設(shè)備所完成的功能和控制方法的不同，其軟件在結(jié)構(gòu)和規(guī)模上也不盡相同。以單片機(jī)為核心的數(shù)控微機(jī)控制系統(tǒng)軟件一般包括監(jiān)控模塊、插補(bǔ)計(jì)算模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、誤差補(bǔ)償模塊等。</p>&l

64、t;p>　　監(jiān)控程序一般包括系統(tǒng)初始化、命令處理循環(huán)、零件加工程序或作業(yè)程序輸入、編輯、指令分析執(zhí)行以及系統(tǒng)自檢等。</p><p>　　常用的機(jī)電系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu)有：子程序結(jié)構(gòu)、主程序加中斷程序結(jié)構(gòu)以及中斷程序結(jié)構(gòu)。</p><p>　　XY工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)一般都由直線插補(bǔ)程序和圓弧插補(bǔ)程序來(lái)完成。每一象限逆圓弧插補(bǔ)程序如下：</p><p>　　XL EQU

65、 18H</p><p>　　SH EQU 19H</p><p>　　YL EQU 28H</p><p>　　YH EQU 29H</p><p>　　XeL EQU 1AH</p><p>　　XeH EQU 1BH </p><p>　　YeL EQU 2AH&

66、lt;/p><p>　　YeH EQU 2BH</p><p>　　FL EQU 2CH</p><p>　　FH EQU 2DH</p><p>　　ORG 2400H</p><p>　　MAIN: MOV SP, #60H</p><p>　　MOV 70H, #08H&

67、lt;/p><p>　　MOV XL,#80H;XL</p><p>　　MOV XH, #0CH;XH</p><p>　　MOV YeL,#80H;YeL</p><p>　　MOV YeH,#0CH;YeH</p><p>　　MOV XeL,#00H;XeL</p><p>　　M

68、OV XeH,#00H;XeH</p><p>　　MOV YL,#00H;YL</p><p>　　MOV YH,#00H;YH</p><p>　　MOV FL,#00H;FL</p><p>　　MOV FH,#00JH;FH</p><p>　　LP3: MOV A,FH</p>

69、<p>　　JNB ACC.7,LP1</p><p>　　MIV A,70H</p><p>　　SETB ACC.2</p><p>　　CLR ACC.0;</p><p>　　LCALL MOTR;</p><p>　　MOV R1,#28H;</p><p>

70、　　MOV R0,#1CH;</p><p>　　MOV R7,#02H;</p><p>　　LCALL MULT2;2*Y</p><p>　　ADD: CLR C</p><p><b>　　MOV A,FL</b></p><p>　　ADDC A,1CH</p>

71、;<p><b>　　MOV FL,A</b></p><p><b>　　MOV A,FH</b></p><p>　　ADDC A,1DH;F+2Y</p><p><b>　　MOV FH,A</b></p><p><b>　　VLR

72、C</b></p><p><b>　　MOV A,UL</b></p><p>　　ADD A,#01H</p><p>　　MOV 28H,A</p><p><b>　　MOV A,YH</b></p><p>　　ADDC A,#00H</

73、p><p><b>　　MOV YH,A</b></p><p><b>　　CLR C </b></p><p><b>　　MOV A,FL</b></p><p>　　ADD A,#01H</p><p><b>　　MOV FL,

74、A</b></p><p><b>　　MOV A,FH</b></p><p>　　ADDC A,#00H</p><p>　　MOV FH,A; +2Y+1</p><p><b>　　AJMP LP2</b></p><p>　　LP1: M

75、OV A,70H</p><p>　　SETB ACC.0</p><p>　　MOV 70H,A;</p><p>　　LCALL MOTR</p><p>　　MOV R1,#18H;XL</p><p>　　MOV R0,#1CH</p><p>　　MOV R7,#02H&

76、lt;/p><p>　　LCALL MULT2;0*X</p><p>　　SUB: CLR C</p><p><b>　　MOV A,FL</b></p><p>　　SUBB A,1CH</p><p><b>　　MOV FL,A</b></p>

77、;<p><b>　　MOV A,FH</b></p><p>　　SUBB A,1DH</p><p>　　MOV FH,A;F-2</p><p><b>　　CLR C </b></p><p><b>　　MOV A,XL</b></p&g

78、t;<p>　　SUVV A,#00H</p><p>　　MOV XH,A;X-1</p><p><b>　　CLR C</b></p><p><b>　　MOV A,FL</b></p><p>　　ADD A,#01H</p><p>　　M

79、OV FH,A;F-2X+1</p><p>　　Lp2: MOV A,YH</p><p>　　CJNE A,YeH,LP3A;YH=YeH?</p><p><b>　　MOV A,YL</b></p><p>　　CJNE A,YeL,LP3A;YL=YeL?</p><p&g

80、t;　　LP3: AJMP LP3</p><p>　　ORG 2500H</p><p>　　MULT2: PUSH PSW;</p><p><b>　　PUSH A</b></p><p><b>　　PUSH B</b></p><p><b

81、>　　CLR C</b></p><p>　　MOV R2,#00H</p><p>　　SH1: MOV A,@R1</p><p>　　MOV B,#02H</p><p><b>　　MUL AB</b></p><p><b>　　POP PS

82、W</b></p><p>　　ADDC A,R2</p><p>　　MOV @R0,A</p><p><b>　　INC R0</b></p><p><b>　　INC R1</b></p><p>　　DJNZ R7,SH1</p>

83、<p><b>　　POP B</b></p><p><b>　　POP PSW</b></p><p><b>　　RET </b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　吳國(guó)梁主編，《銑工實(shí)用技術(shù)手冊(cè)》；

84、江蘇科學(xué)技術(shù)出版社。</p><p>　　周開勤主編，《機(jī)械零件手冊(cè)》；高等教育出版社。</p><p>　　濮良貴 紀(jì)名剛主編，《機(jī)械設(shè)計(jì)》；高等教育出版社。</p><p>　　王太辰主編，《中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典》；江西科學(xué)技術(shù)出版社。</p><p>　　周灝主編，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》；機(jī)械工業(yè)出版社。</p><p>