機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

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機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)題目：X－Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院校： 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 2011年 12 月 24 日 目 錄 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的選用 1.5 檢測(cè)裝置的選用 2.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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 3.2銑削力的計(jì)算 3.3直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 3.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 3.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 3.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 3.7增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 4．工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制 5.工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的選用 7.設(shè)計(jì)總結(jié) 參考文獻(xiàn) [1]張建民.《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》第三版.高等教育出版社 [2]尹志強(qiáng).《系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》.機(jī)械工業(yè)出版社 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 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）加工材料為碳鋼； 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)導(dǎo)軌長(zhǎng)度為1260mm； 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； 11）移動(dòng)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(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)。 1.2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。 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 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 間隙機(jī)構(gòu)。為此，決定采用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。 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)，空載最快速度也只有3000mm/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。 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。 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(tái)、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。 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 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。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： (2) 1463N G=800N F=556N 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 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。 （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 1779N 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 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) (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(jí)取4級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N。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 v=400mm/min T=15000h . 8881N 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 。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，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670mm，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， 593N 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 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），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)HRC55。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 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 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)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） 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 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； ——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： r/min 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 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： 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： 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： r/min 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 （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=913N.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(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 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 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=[3000/(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(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。 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 與 說 明 主要結(jié)果 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，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 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。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，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6-25所示。 九、設(shè)計(jì)總結(jié) 通過此次課程設(shè)計(jì)，我不僅把知識(shí)融會(huì)貫通，而且豐富了大腦，同時(shí)在查找資料的過程中也了解了許多課外知識(shí)，開拓了視野，認(rèn)識(shí)了將來機(jī)械的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)知識(shí)方面和動(dòng)手能力方面有了質(zhì)的飛躍。 課程設(shè)計(jì)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(duì)學(xué)校所學(xué)知識(shí)的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又為今后走向社會(huì)的實(shí)際操作應(yīng)用鑄就了一個(gè)良好實(shí)踐，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)。 總之，不管學(xué)會(huì)的還是學(xué)不會(huì)的的確覺得困難比較多，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(gè)結(jié)論：知識(shí)必須通過應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值！有些東西以為學(xué)會(huì)了，但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會(huì)用的時(shí)候才是真的學(xué)會(huì)了。 在此要感謝我們的指導(dǎo)老師歐老師對(duì)我悉心的指導(dǎo)，感謝老師們給我的幫助。在設(shè)計(jì)過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)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(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不太好，但是在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。