3628 銑床的數(shù)控X-Y工作臺(tái)設(shè)計(jì)

3628 銑床的數(shù)控X-Y工作臺(tái)設(shè)計(jì),銑床,數(shù)控,工作臺(tái),設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 共 21 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書銑床的數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：三號(hào)楷體 學(xué)號(hào)： 三號(hào)楷體 學(xué) 院： 三號(hào)楷體 專 業(yè)： 三號(hào)楷體 指導(dǎo)教師： 只寫名字，三號(hào)楷體 年 月第 2 頁(yè) 共 21 頁(yè)銑床的數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)設(shè)計(jì)摘 要X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。實(shí)現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度。降低成本,是微機(jī)控制技術(shù)的最簡(jiǎn)單的應(yīng)用。它充分的利用了危機(jī)的軟件硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制;使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大,精度和可靠性進(jìn)一步得到提高。X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用 8031 單片機(jī),及 2764,6264 存儲(chǔ)器及 8155 芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定的程序以實(shí)現(xiàn)一定的加工功能。其基本思想是:通過(guò)圓弧或者直線插補(bǔ)程序以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行幾何加工,每進(jìn)行一段加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn),同時(shí)通過(guò) 8155(1)將相應(yīng)的加工進(jìn)刀信息送至刀架庫(kù)中以實(shí)現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機(jī)和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所以實(shí)現(xiàn)了刀具對(duì)工件的加工。該控制系統(tǒng)采用軟件中斷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，條件明確在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控中應(yīng)用較多。中斷結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)便于修改和擴(kuò)充，編制較為方便，便于向多處理方向發(fā)展。X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)移成角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個(gè)脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；由于步進(jìn)電機(jī)通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目及時(shí)間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)放入其中的通電導(dǎo)體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時(shí)具有力的作用，從實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子才可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲杠作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。關(guān)鍵詞：X-Y 數(shù)控工作臺(tái) 絲杠螺母 步進(jìn)電機(jī)第 3 頁(yè) 共 21 頁(yè)AbstractElectrical System Design CNC XY table is a open-loop control system, its structure is simple. Easy to be implemented and can guarantee accuracy. Reduce costs, computer control technology is the most simple applications. Full use of its software and hardware features of the crisis in order to achieve the control of machine tools; to expand the processing machine, further improving the accuracy and reliability. CNC XY table design is the use of mechanical and electrical system 8031, and 2764,6264, and 8155 memory chips and other hardware, the control system hardware, the preparation of certain procedures in order to achieve a certain processing functions. The basic idea is: by circular or linear interpolation procedure in order to achieve geometric processing of parts, each to produce a certain period of the pulse processing Douyao to drive motor rotating, and at the same time by 8155 (1) to the appropriate feed processing Information sent to the turret to the library in order to achieve the appropriate tool path, motors and tools to achieve the tool so the relative motion of the workpieces. The control system uses software interrupt control system structure and subroutine structure is simple, clear conditions for the application of NC in the economy more. Interrupt structure, modular structure designed for easy modification and expansion of this structure, the preparation is more convenient, easy to deal with the multi-direction. Electrical System Design CNC XY table with stepper motors as actuators. Stepper motor is a pulse signal to the transfer of angular displacement of the electromechanical analog converter device. Its working principle is: each to a pulse will be generated in the stator circuit in a certain space rotating magnetic field; as stepper motor through the three-phase AC input pulse so the number and time interval different from the rotor rotation speed and rotation length are different. As the rotating magnetic field into which the power conductor when either the rotor magnetic field lines cutting the role of a force from the rotation to achieve a rotating magnetic field to force the rotor to rotate accordingly, so the rotor can lead screw for the rotor corresponding movement. Keywords: XY table CNC stepper motor screw nut 第 4 頁(yè) 共 21 頁(yè)目錄摘 要 .21.引言 .62.設(shè)計(jì)任務(wù) .63.總體方案的確定 .73.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 .73.1.1 導(dǎo)軌副的選用 .73.1.2 絲杠螺母副的選用 .73.1.3 減速裝置的選用 .73.1.4 伺服電動(dòng)機(jī)的選用 .73.1.5 檢測(cè)裝置的選用 .73.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .83.3 繪制總體方案圖 .84.機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 .84.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 .84.2 銑削力的計(jì)算 .84.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（縱向） .94.3.1 塊承受工作載荷 的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 .9maxF4.3.2 距離額定壽命 L 的計(jì)算 .94.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 .104.4.1 最大工作載荷 Fm 的計(jì)算 .104.4.2 最大動(dòng)工作載荷 FQ 的計(jì)算 .104.4.3 初選型號(hào) .104.4.4 傳動(dòng)效率 的計(jì)算 .104.4.5 剛度的驗(yàn)算 .114.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 .114.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 .114.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 .124.6.1 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.12第 5 頁(yè) 共 21 頁(yè)4.6.2 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.124.6.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 .144.6.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 .145.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 .156. 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 .167工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .168.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用 .18結(jié)束語(yǔ) .19致謝 .20參考文獻(xiàn) .21第 6 頁(yè) 共 21 頁(yè)1.引言現(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。當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。X-Y 數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的 X-Y 工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的 X-Y 數(shù)控工作臺(tái)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在 X、Y 方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。2.設(shè)計(jì)任務(wù)題目：銑床的數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)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)，主要參數(shù)如下：數(shù)控運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力源可以采用步進(jìn)電機(jī)或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是所選電機(jī)必須與該電機(jī)生產(chǎn)廠所列技術(shù)數(shù)據(jù)一致工作臺(tái)尺寸：350250mm(X/Y)工作臺(tái)工作行程：300mm(X)X 向最高工作進(jìn)給速度：200mm/min第 7 頁(yè) 共 21 頁(yè)X 向最高空載快進(jìn)速度：300mm/mi脈沖當(dāng)量要求為：X 向 0.01mm/脈沖工件最大重量（包括夾具）：200KG工作壽命每天 8 小時(shí)，連續(xù)工作 5 年，250 天/年進(jìn)給機(jī)械系統(tǒng)均采用滾動(dòng)絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)軌副；所設(shè)計(jì)的工作臺(tái)應(yīng)結(jié)構(gòu)合理、制造工藝性良好；設(shè)計(jì)裝配圖應(yīng)表達(dá)正確、完整，技術(shù)標(biāo)注規(guī)范、全面進(jìn)給機(jī)械系統(tǒng)均采用滾動(dòng)（珠）絲杠副和滾動(dòng)（珠）導(dǎo)軌副根據(jù)：絲杠支承端距離=工作行程+螺母長(zhǎng)度+ 安全余量+安裝長(zhǎng)度，估算 X 向滾珠絲杠支承端距離為 250mm，Y 向絲杠支承端距離為 350mm。3.總體方案的確定3.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇3.1.1 導(dǎo)軌副的選用腰設(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)。3.1.2 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(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足 0.003mm 邁沖當(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，0.2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。3.1.3 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(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。3.1.4 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 3000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(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。3.1.5 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(lái)說(shuō)還是偏高，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)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)編碼第 8 頁(yè) 共 21 頁(yè)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?？紤]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。3.2 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。3.3 繪制總體方案圖總體方案圖如圖所示。 微型機(jī) 接口電路 功放電路 執(zhí)行元件 機(jī) 械傳 動(dòng)機(jī) 構(gòu) 機(jī) 械執(zhí) 行機(jī) 構(gòu)總體方案圖4.機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型4.1 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(lái)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。4.2 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：(6-11)0.85.70.31.03cezp1afdanZF第 9 頁(yè) 共 21 頁(yè)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 ea15mm，背吃刀量 =8mm ，每齒進(jìn)給量 ，銑刀轉(zhuǎn)速pazf0.1m。則由式（6-11）求的最大銑削力：n30r/mi=0.850.750.731.0.131182cFN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查得，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為： , ， 。1.20fcF.38760ecF.2540NmcF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76ze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ffn縱向銑削力 ，徑向銑削力為 。20xfFN 40NymF4.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（縱向）4.3.1 塊承受工作載荷 的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取max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?？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：(6-12)maxGF4其中，移動(dòng)部件重量200N，外加載荷 ，代入式（6-12） ，得最大工760eFN作載荷 =810N=0.81kN。maxF查表根據(jù)工作載荷 =0.81kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為 KL 系列的 JSA-LG15maxF型，其額定動(dòng)載荷 ，額定靜載荷 。C7.94kN0aC9.5k任務(wù)書規(guī)定加工范圍為 350250，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為 520mm。4.3.2 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(guò)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。分別取硬度10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)HTcR第 10 頁(yè) 共 21 頁(yè)f =1.5，代入式（3-33） ，得距離壽命：wL= 3max()50htcrwffCKF?遠(yuǎn)大于期望值 50Km，故距離額定壽命滿足要求。4.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型4.4.1 最大工作載荷 Fm 的計(jì)算如前所述，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=2200N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=400N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz=760N.已知移動(dòng)部件總重量 G=200N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，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)=1.1 2200+0.005 (760+400+200)N 2400N。4.4.2 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，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（3-23） ，求得最大動(dòng)載荷：FQ= NfLmHw73304.4.3 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，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。4.4.4 傳動(dòng)效率 的計(jì)算將公稱直徑 d0=20mm,導(dǎo)程 Ph=5mm,代入 =arctanP h/( d0)，得絲杠螺旋升角=433。將摩擦角 =10，代入 =tan/tan(+),得傳動(dòng)效率 =96.4%。4.4.5 剛度的驗(yàn)算第 11 頁(yè) 共 21 頁(yè)(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。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=2.110 5Mpa;查表得滾珠直徑 Dw=3.175mm，絲杠底徑 d2=16.2mm,絲杠截面積 S= /4=206.12m 。2d2m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.。51/()1570/(.1206.)mFaES(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，)3WZdD滾珠的圈數(shù) 列數(shù)為 3 1，代入公式 Z 圈數(shù) 列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 =60。絲杠預(yù)緊Z時(shí)，取軸向預(yù)緊力 /3=519N。則由式（3-27 ） ，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形YJmF量 mm。20.4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。2(3) 將以上算出的 和 代入 ，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度1212總500mm） =0.0192mm=19.2總 m5 級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在 315400mm 時(shí)，行程偏差允許達(dá)到 25 ，可見絲杠剛m度足夠。4.4.6 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。取支承系數(shù) =1；由絲杠底徑kfd2=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42/6Id4m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 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。4.5 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，滾珠絲杠的軸頭第 12 頁(yè) 共 21 頁(yè)與大齒輪相連。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)。已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量 =0.003mm/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） ，算得減速比：3.75=（0.75 5）/（360 0.003）=38/11()/360hiP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） 1/2mm=57mm,小齒輪厚度為 20mm，雙片大齒輪厚度均為 10mm。4.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型4.6.1 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=7.85 10-5kg/ ;移動(dòng)部件總重力 G=800N；小齒輪齒寬 b1=20mm.，直徑 d1=30mm，大2cm小齒輪齒寬 b2=20mm，直徑 d2=75mm；傳動(dòng)比 i=38/11。如表 4-1 所示，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：2SLRJ2ZRJb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 kgcm2212()/eqmZWSJJi4.6.2 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）可知， 包括三1eqT1eqT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)max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f第 13 頁(yè) 共 21 頁(yè)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0T率很高，根據(jù)式（4-12）可知， 相對(duì)于 和 很小，maxTf可以忽略不計(jì)。則有：= + 1eqaxf（6-13）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：= (6-14)maxT2160eqmaJnt其中： =1388.9r/min (6-15)3v式中 空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為 300mm/min；maxV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 =0.003mm/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-mn0.4ats0.714）求得：=0.264N.maxT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：= (6-16)f()0.5(80).5.01822.7/zhFGPNmi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 0zF傳動(dòng)鏈效率，取 0.7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：= + =0.2658N m (6-17) 1eqTmaxf90BYG2602 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線第 14 頁(yè) 共 21 頁(yè)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 2eqT由式（4-13）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2eqT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tT f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0TfTt不計(jì)。則有： = + （6-18）2eqTtf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：tTmNPFThft 38.01/387.0251再由式（4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載 情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)(6)zF時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： mNiPGFThzf 02.1/387.025.)4(5.2)(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：= + =0.382N.m （6-19）2eqTtf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： mNTeaea 382.0,mx214.6.3 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(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，eqT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：（6-20）mNTeai 528.13.04max初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為 90BYG2602，查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩 =6N m。axjT可見，滿足要求。4.6.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核第 15 頁(yè) 共 21 頁(yè)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=200mm/min，脈沖當(dāng)量 0.004mm/脈沖，由式（4-16）求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率maxfV。從 90BYG2602 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此ax20/(6.3)1f zH頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 5.6N m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =0.382N m，maxfT 2eqT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=300mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率 。在此頻率下，電動(dòng)maxv max30/(6.3)16f Hz機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 =1.7N m，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =0.2658N m，滿足要求。axT eqT3）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 =300mm/min 對(duì)應(yīng)axv的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為 。查表知 90BYG2602 電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá) 2000max16fHz以上，可見沒(méi)有超出上限。zH4）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)25.087eqJkgcm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 。24mJkgc 10qzfH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： 19.21/qL zemff HJ說(shuō)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 。194.2zH zH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。5.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。0.75 360/48第 16 頁(yè) 共 21 頁(yè)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(guò)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。6. 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖所示。伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 主 動(dòng)齒 輪從 動(dòng)齒 輪 滾 珠 絲 杠工 作 臺(tái)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖7工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(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(wú)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；第 17 頁(yè) 共 21 頁(yè)（12） 與 PC 機(jī)的串行通信。X-Y 數(shù)控工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì) CPU 選用 ATMEL 公司的 8 位單片機(jī)AT89S52，由于 AT89S52 本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用做程序存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片 SRAM 芯片 6264 用做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存放用戶程序；由于數(shù)控工作臺(tái)還需要加入銑刀運(yùn)動(dòng)控制和程序輸入等指令，所以除設(shè)置了 XY 方向的控制指令鍵，操作開停鍵，急停鍵和復(fù)位鍵等外還采用 8279 來(lái)管理擴(kuò)展多種按鍵。8279是一種通用的可編程鍵盤顯示器接口芯片，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分提供掃描工作方式，可與 64 個(gè)按鍵的矩陣鍵盤進(jìn)行連接，能對(duì)鍵盤實(shí)行不間斷的自動(dòng)掃描，自動(dòng)消除抖動(dòng)，自動(dòng)識(shí)別按鍵并給出鍵值。顯示部分包括一組數(shù)碼顯示管和七只發(fā)光二極管。與 PC 機(jī)的串行通信經(jīng)過(guò) MAX233，可以采用 PC 機(jī)將編好的程序送入本系統(tǒng)?？刂撇竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要三個(gè)要素：方向轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。對(duì)于含有硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動(dòng)電源，方向取決于控制器送出的方向電頻的高低，轉(zhuǎn)角取決于控制送出的步進(jìn)脈沖個(gè)數(shù)，而轉(zhuǎn)速則取決于控制器發(fā)出的步進(jìn)脈沖的頻率。在步進(jìn)電動(dòng)的控制中，方向和轉(zhuǎn)角控制簡(jiǎn)單，而轉(zhuǎn)速控制則比較復(fù)雜。由于步進(jìn)電動(dòng)的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖頻率的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度的調(diào)節(jié)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)頻的軟件延時(shí)和硬件定時(shí)。采用軟件延時(shí)法實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，程序簡(jiǎn)單，不占用其他硬件資源；缺點(diǎn)是控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，CPU 不能做其他事。硬件定時(shí)要占用一個(gè)定時(shí)器。本設(shè)計(jì)沒(méi)有從硬件上布置，由于單片機(jī)功能強(qiáng)大，采用軟件延時(shí)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率低于它本身的起動(dòng)頻率時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以用運(yùn)行頻率直接起動(dòng)，并以該頻率連續(xù)運(yùn)行；需要停止的時(shí)候，可以從運(yùn)行頻率直接降到零，無(wú)需升降頻控制。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率 （為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有載起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)頻率）時(shí)，若直接用 起動(dòng)，由于頻率太高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)失步，甚至?xí)G步，甚至停轉(zhuǎn)；同樣在 頻率下突然停止，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)超程。因此，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行頻率 下工作時(shí)，就需要采用升降頻控制，以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從起動(dòng)頻率開始，逐漸加速升到運(yùn)行頻率 ，然后進(jìn)入勻速運(yùn)行，停止前的降頻可以看作是升頻的逆過(guò)程。雖然本設(shè)計(jì)采用了半閉環(huán)控制，加入了增量式編碼器作為反饋信號(hào)，但是在編程過(guò)程中仍需設(shè)計(jì)升降頻的部分，以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、精確。根據(jù)需要，可編寫出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的程序。AT89S52 指令與 80C51 指令完全兼容?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖所示。第 18 頁(yè) 共 21 頁(yè)復(fù) 位 電 路晶 振 電 路 螺 紋 光 柵 信 號(hào)操 作 面 板 開 關(guān) /按 鈕 信 號(hào)隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大 向 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)向 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)刀 架 電 動(dòng) 機(jī)卡 盤 電 動(dòng) 機(jī)主 軸 電 動(dòng) 機(jī)切 削 電 動(dòng) 機(jī)方 刀 架 位 信 號(hào)限 位 開 關(guān) 信 號(hào)交 流 變 頻 器 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) 單 片 機(jī) 并 行接 口芯 片825轉(zhuǎn) 換芯 片 03芯 片芯 片 624鍵 盤 與 顯 示 接 口芯 片 879串 行 口 芯片 3控制系統(tǒng)原理框圖8.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。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所示。BD28Nb 型驅(qū)動(dòng)電源接線圖第 19 頁(yè) 共 21 頁(yè)結(jié)束語(yǔ)整個(gè)系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)采用了 CM 系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。以提高整個(gè)系統(tǒng)的精神要求。伺服系統(tǒng)采用了直流伺服電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng)，而且其實(shí)軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動(dòng)，采用一個(gè)深溝來(lái)保證其徑向的圓跳動(dòng)。用 PWM 脈寬調(diào)制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)電壓的平均值，電路中采用了阻容滯后電路，來(lái)防止 H 型橋式功率放大器中兩對(duì) IGBT 功率管同時(shí)導(dǎo)通造成短路現(xiàn)象，能夠有效的控制伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，同時(shí)為了保證一定的精度的要求，系統(tǒng)又采用了光電編碼器作為位置檢測(cè)器，來(lái)檢測(cè)伺服電機(jī)的位置，通過(guò)單片機(jī)對(duì)光電編碼器反饋信號(hào)處理來(lái)達(dá)到預(yù)期的精度要求。在設(shè)計(jì)中我們兼顧經(jīng)濟(jì)性，考慮滿足精度的要求，因此對(duì)于設(shè)備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設(shè)計(jì)的成本較高。第 20 頁(yè) 共 21 頁(yè)致謝本人在畢業(yè)課題的設(shè)計(jì)中，學(xué)習(xí)了不少的新知識(shí)，既體會(huì)到了學(xué)習(xí)的重要性，也體會(huì)到了同時(shí)了解到了知道的重要性，剛踏入社會(huì)的我感謝學(xué)校具遠(yuǎn)瞻的規(guī)劃與教育，給予我良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓我在學(xué)校之時(shí)就理論和實(shí)踐相結(jié)合，打下了堅(jiān)固的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，為我們?cè)谶M(jìn)入工作環(huán)境創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)，并提供給我對(duì)學(xué)業(yè)及個(gè)人生涯發(fā)展的多元信息，幫助我們茁壯的成長(zhǎng)。感謝院系領(lǐng)導(dǎo)對(duì)我的關(guān)懷和重視，使我學(xué)得出色的專業(yè)知識(shí)，也讓我得以發(fā)揮自己的特長(zhǎng)，感悟到人生的意義，領(lǐng)會(huì)到素質(zhì)拓展的重要性，也讓我找到人生的價(jià)值。感謝三年來(lái)陪伴我們學(xué)習(xí)與生活的恩師，感謝您們對(duì)我精心的教育，感謝您們沒(méi)使我的學(xué)習(xí)變成勞作而成為一種快樂(lè)；.感謝您們讓我明白自身的價(jià)值；.感謝您們幫助我發(fā)現(xiàn)了自己的專長(zhǎng)，而且讓我把事情做得更好。感謝您們?nèi)萑涛业娜涡耘c錯(cuò)誤，不僅教會(huì)了我知識(shí)，更教會(huì)了我如何做事，如何做人。特別感謝恩師的諄諄教導(dǎo)，他的悉心指導(dǎo)與斧正，對(duì)于論文. 架構(gòu)之啟迪，及其內(nèi)容的細(xì)心斟酌與指導(dǎo)，倍極辛勞。第 21 頁(yè) 共 21 頁(yè)參考文獻(xiàn)1、高鐘毓機(jī)電控制工程北京：清華大學(xué)出版社，20022、劉助柏知識(shí)創(chuàng)新思維方法論北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19993、宋云奪. 宋云奪. 光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)的未來(lái)J. 光機(jī)電信息, 2003,(12).4、丁連紅. 機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)狀分析J. 中國(guó)科技信息, 2007,(12)5、張鵬萬(wàn),孫劍峰,李占平. 機(jī)電一體化中的接口技術(shù)J礦業(yè)工程, 2005,(06)6、王寶敏. 談機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)J. 大眾科技, 2006,(05)7、王維剛. 淺談機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)J. 黑龍江科技信息, 2007,(02)8、楊春光. 我國(guó)機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)J. 科技促進(jìn)發(fā)展, 2007,(03)9、張毅剛.單片機(jī)原理與應(yīng)用M.北京:高等教育出版社,2003.10、張大明,彭旭昀,尚靜基.單片微機(jī)控制應(yīng)用技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.第 1 頁(yè) 共 21 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書銑床的數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：三號(hào)楷體 學(xué)號(hào)： 三號(hào)楷體 學(xué) 院： 三號(hào)楷體 專 業(yè)： 三號(hào)楷體 指導(dǎo)教師： 只寫名字，三號(hào)楷體 年 月第 2 頁(yè) 共 21 頁(yè)銑床的數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)設(shè)計(jì)摘 要X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。實(shí)現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度。降低成本,是微機(jī)控制技術(shù)的最簡(jiǎn)單的應(yīng)用。它充分的利用了危機(jī)的軟件硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制;使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大,精度和可靠性進(jìn)一步得到提高。X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用 8031 單片機(jī),及 2764,6264 存儲(chǔ)器及 8155 芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定的程序以實(shí)現(xiàn)一定的加工功能。其基本思想是:通過(guò)圓弧或者直線插補(bǔ)程序以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行幾何加工,每進(jìn)行一段加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn),同時(shí)通過(guò) 8155(1)將相應(yīng)的加工進(jìn)刀信息送至刀架庫(kù)中以實(shí)現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀,電機(jī)和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所以實(shí)現(xiàn)了刀具對(duì)工件的加工。該控制系統(tǒng)采用軟件中斷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，條件明確在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控中應(yīng)用較多。中斷結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)便于修改和擴(kuò)充，編制較為方便，便于向多處理方向發(fā)展。X-Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)移成角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是：每給一個(gè)脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；由于步進(jìn)電機(jī)通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目及時(shí)間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)放入其中的通電導(dǎo)體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時(shí)具有力的作用，從實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子才可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲杠作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。關(guān)鍵詞：X-Y 數(shù)控工作臺(tái) 絲杠螺母 步進(jìn)電機(jī)第 3 頁(yè) 共 21 頁(yè)AbstractElectrical System Design CNC XY table is a open-loop control system, its structure is simple. Easy to be implemented and can guarantee accuracy. Reduce costs, computer control technology is the most simple applications. Full use of its software and hardware features of the crisis in order to achieve the control of machine tools; to expand the processing machine, further improving the accuracy and reliability. CNC XY table design is the use of mechanical and electrical system 8031, and 2764,6264, and 8155 memory chips and other hardware, the control system hardware, the preparation of certain procedures in order to achieve a certain processing functions. The basic idea is: by circular or linear interpolation procedure in order to achieve geometric processing of parts, each to produce a certain period of the pulse processing Douyao to drive motor rotating, and at the same time by 8155 (1) to the appropriate feed processing Information sent to the turret to the library in order to achieve the appropriate tool path, motors and tools to achieve the tool so the relative motion of the workpieces. The control system uses software interrupt control system structure and subroutine structure is simple, clear conditions for the application of NC in the economy more. Interrupt structure, modular structure designed for easy modification and expansion of this structure, the preparation is more convenient, easy to deal with the multi-direction. Electrical System Design CNC XY table with stepper motors as actuators. Stepper motor is a pulse signal to the transfer of angular displacement of the electromechanical analog converter device. Its working principle is: each to a pulse will be generated in the stator circuit in a certain space rotating magnetic field; as stepper motor through the three-phase AC input pulse so the number and time interval different from the rotor rotation speed and rotation length are different. As the rotating magnetic field into which the power conductor when either the rotor magnetic field lines cutting the role of a force from the rotation to achieve a rotating magnetic field to force the rotor to rotate accordingly, so the rotor can lead screw for the rotor corresponding movement. Keywords: XY table CNC stepper motor screw nut 第 4 頁(yè) 共 21 頁(yè)目錄摘 要 .21.引言 .62.設(shè)計(jì)任務(wù) .63.總體方案的確定 .73.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 .73.1.1 導(dǎo)軌副的選用 .73.1.2 絲杠螺母副的選用 .73.1.3 減速裝置的選用 .73.1.4 伺服電動(dòng)機(jī)的選用 .73.1.5 檢測(cè)裝置的選用 .73.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .83.3 繪制總體方案圖 .84.機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 .84.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 .84.2 銑削力的計(jì)算 .84.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（縱向） .94.3.1 塊承受工作載荷 的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 .9maxF4.3.2 距離額定壽命 L 的計(jì)算 .94.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 .104.4.1 最大工作載荷 Fm 的計(jì)算 .104.4.2 最大動(dòng)工作載荷 FQ 的計(jì)算 .104.4.3 初選型號(hào) .104.4.4 傳動(dòng)效率 的計(jì)算 .104.4.5 剛度的驗(yàn)算 .114.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 .114.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 .114.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 .124.6.1 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.12第 5 頁(yè) 共 21 頁(yè)4.6.2 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.124.6.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 .144.6.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 .145.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 .156. 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 .167工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .168.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用 .18結(jié)束語(yǔ) .19致謝 .20參考文獻(xiàn) .21第 6 頁(yè) 共 21 頁(yè)1.引言現(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。當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。X-Y 數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的 X-Y 工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的 X-Y 數(shù)控工作臺(tái)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在 X、Y 方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。2.設(shè)計(jì)任務(wù)題目：銑床的數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)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)，主要參數(shù)如下：數(shù)控運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力源可以采用步進(jìn)電機(jī)或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但是所選電機(jī)必須與該電機(jī)生產(chǎn)廠所列技術(shù)數(shù)據(jù)一致工作臺(tái)尺寸：350250mm(X/Y)工作臺(tái)工作行程：300mm(X)X 向最高工作進(jìn)給速度：200mm/min第 7 頁(yè) 共 21 頁(yè)X 向最高空載快進(jìn)速度：300mm/mi脈沖當(dāng)量要求為：X 向 0.01mm/脈沖工件最大重量（包括夾具）：200KG工作壽命每天 8 小時(shí)，連續(xù)工作 5 年，250 天/年進(jìn)給機(jī)械系統(tǒng)均采用滾動(dòng)絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)軌副；所設(shè)計(jì)的工作臺(tái)應(yīng)結(jié)構(gòu)合理、制造工藝性良好；設(shè)計(jì)裝配圖應(yīng)表達(dá)正確、完整，技術(shù)標(biāo)注規(guī)范、全面進(jìn)給機(jī)械系統(tǒng)均采用滾動(dòng)（珠）絲杠副和滾動(dòng)（珠）導(dǎo)軌副根據(jù)：絲杠支承端距離=工作行程+螺母長(zhǎng)度+ 安全余量+安裝長(zhǎng)度，估算 X 向滾珠絲杠支承端距離為 250mm，Y 向絲杠支承端距離為 350mm。3.總體方案的確定3.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇3.1.1 導(dǎo)軌副的選用腰設(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)。3.1.2 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(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足 0.003mm 邁沖當(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，0.2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。3.1.3 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(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。3.1.4 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 3000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(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。3.1.5 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(lái)說(shuō)還是偏高，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)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)編碼第 8 頁(yè) 共 21 頁(yè)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?？紤]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。3.2 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。3.3 繪制總體方案圖總體方案圖如圖所示。 微型機(jī) 接口電路 功放電路 執(zhí)行元件 機(jī) 械傳 動(dòng)機(jī) 構(gòu) 機(jī) 械執(zhí) 行機(jī) 構(gòu)總體方案圖4.機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型4.1 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(lái)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。4.2 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：(6-11)0.85.70.31.03cezp1afdanZF第 9 頁(yè) 共 21 頁(yè)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 ea15mm，背吃刀量 =8mm ，每齒進(jìn)給量 ，銑刀轉(zhuǎn)速pazf0.1m。則由式（6-11）求的最大銑削力：n30r/mi=0.850.750.731.0.131182cFN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查得，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為： , ， 。1.20fcF.38760ecF.2540NmcF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76ze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ffn縱向銑削力 ，徑向銑削力為 。20xfFN 40NymF4.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（縱向）4.3.1 塊承受工作載荷 的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取max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：(6-12)maxGF4其中，移動(dòng)部件重量200N，外加載荷 ，代入式（6-12） ，得最大工760eFN作載荷 =810N=0.81kN。maxF查表根據(jù)工作載荷 =0.81kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為 KL 系列的 JSA-LG15maxF型，其額定動(dòng)載荷 ，額定靜載荷 。C7.94kN0aC9.5k任務(wù)書規(guī)定加工范圍為 350250，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為 520mm。4.3.2 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(guò)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。分別取硬度10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)HTcR第 10 頁(yè) 共 21 頁(yè)f =1.5，代入式（3-33） ，得距離壽命：wL= 3max()50htcrwffCKF?遠(yuǎn)大于期望值 50Km，故距離額定壽命滿足要求。4.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型4.4.1 最大工作載荷 Fm 的計(jì)算如前所述，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=2200N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=400N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz=760N.已知移動(dòng)部件總重量 G=200N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，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)=1.1 2200+0.005 (760+400+200)N 2400N。4.4.2 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，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（3-23） ，求得最大動(dòng)載荷：FQ= NfLmHw73304.4.3 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，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。4.4.4 傳動(dòng)效率 的計(jì)算將公稱直徑 d0=20mm,導(dǎo)程 Ph=5mm,代入 =arctanP h/( d0)，得絲杠螺旋升角=433。將摩擦角 =10，代入 =tan/tan(+),得傳動(dòng)效率 =96.4%。4.4.5 剛度的驗(yàn)算第 11 頁(yè) 共 21 頁(yè)(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。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=2.110 5Mpa;查表得滾珠直徑 Dw=3.175mm，絲杠底徑 d2=16.2mm,絲杠截面積 S= /4=206.12m 。2d2m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.。51/()1570/(.1206.)mFaES(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，)3WZdD滾珠的圈數(shù) 列數(shù)為 3 1，代入公式 Z 圈數(shù) 列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 =60。絲杠預(yù)緊Z時(shí)，取軸向預(yù)緊力 /3=519N。則由式（3-27 ） ，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形YJmF量 mm。20.4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。2(3) 將以上算出的 和 代入 ，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度1212總500mm） =0.0192mm=19.2總 m5 級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在 315400mm 時(shí)，行程偏差允許達(dá)到 25 ，可見絲杠剛m度足夠。4.4.6 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。取支承系數(shù) =1；由絲杠底徑kfd2=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42/6Id4m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 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。4.5 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，滾珠絲杠的軸頭第 12 頁(yè) 共 21 頁(yè)與大齒輪相連。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)。已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量 =0.003mm/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） ，算得減速比：3.75=（0.75 5）/（360 0.003）=38/11()/360hiP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） 1/2mm=57mm,小齒輪厚度為 20mm，雙片大齒輪厚度均為 10mm。4.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型4.6.1 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=7.85 10-5kg/ ;移動(dòng)部件總重力 G=800N；小齒輪齒寬 b1=20mm.，直徑 d1=30mm，大2cm小齒輪齒寬 b2=20mm，直徑 d2=75mm；傳動(dòng)比 i=38/11。如表 4-1 所示，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：2SLRJ2ZRJb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 kgcm2212()/eqmZWSJJi4.6.2 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）可知， 包括三1eqT1eqT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)max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f第 13 頁(yè) 共 21 頁(yè)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0T率很高，根據(jù)式（4-12）可知， 相對(duì)于 和 很小，maxTf可以忽略不計(jì)。則有：= + 1eqaxf（6-13）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：= (6-14)maxT2160eqmaJnt其中： =1388.9r/min (6-15)3v式中 空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為 300mm/min；maxV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 =0.003mm/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-mn0.4ats0.714）求得：=0.264N.maxT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：= (6-16)f()0.5(80).5.01822.7/zhFGPNmi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 0zF傳動(dòng)鏈效率，取 0.7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：= + =0.2658N m (6-17) 1eqTmaxf90BYG2602 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線第 14 頁(yè) 共 21 頁(yè)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 2eqT由式（4-13）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2eqT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tT f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0TfTt不計(jì)。則有： = + （6-18）2eqTtf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：tTmNPFThft 38.01/387.0251再由式（4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載 情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)(6)zF時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： mNiPGFThzf 02.1/387.025.)4(5.2)(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：= + =0.382N.m （6-19）2eqTtf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： mNTeaea 382.0,mx214.6.3 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(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，eqT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：（6-20）mNTeai 528.13.04max初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為 90BYG2602，查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩 =6N m。axjT可見，滿足要求。4.6.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核第 15 頁(yè) 共 21 頁(yè)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=200mm/min，脈沖當(dāng)量 0.004mm/脈沖，由式（4-16）求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率maxfV。從 90BYG2602 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此ax20/(6.3)1f zH頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 5.6N m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =0.382N m，maxfT 2eqT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=300mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率 。在此頻率下，電動(dòng)maxv max30/(6.3)16f Hz機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 =1.7N m，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =0.2658N m，滿足要求。axT eqT3）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 =300mm/min 對(duì)應(yīng)axv的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為 。查表知 90BYG2602 電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá) 2000max16fHz以上，可見沒(méi)有超出上限。zH4）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)25.087eqJkgcm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 。24mJkgc 10qzfH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： 19.21/qL zemff HJ說(shuō)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 。194.2zH zH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。5.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。0.75 360/48第 16 頁(yè) 共 21 頁(yè)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(guò)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。6. 繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖所示。伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 主 動(dòng)齒 輪從 動(dòng)齒 輪 滾 珠 絲 杠工 作 臺(tái)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖7工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(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(wú)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；第 17 頁(yè) 共 21 頁(yè)（12） 與 PC 機(jī)的串行通信。X-Y 數(shù)控工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì) CPU 選用 ATMEL 公司的 8 位單片機(jī)AT89S52，由于 AT89S52 本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用做程序存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片 SRAM 芯片 6264 用做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存放用戶程序；由于數(shù)控工作臺(tái)還需要加入銑刀運(yùn)動(dòng)控制和程序輸入等指令，所以除設(shè)置了 XY 方向的控制指令鍵，操作開停鍵，急停鍵和復(fù)位鍵等外還采用 8279 來(lái)管理擴(kuò)展多種按鍵。8279是一種通用的可編程鍵盤顯示器接口芯片，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分提供掃描工作方式，可與 64 個(gè)按鍵的矩陣鍵盤進(jìn)行連接，能對(duì)鍵盤實(shí)行不間斷的自動(dòng)掃描，自動(dòng)消除抖動(dòng)，自動(dòng)識(shí)別按鍵并給出鍵值。顯示部分包括一組數(shù)碼顯示管和七只發(fā)光二極管。與 PC 機(jī)的串行通信經(jīng)過(guò) MAX233，可以采用 PC 機(jī)將編好的程序送入本系統(tǒng)?？刂撇竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要三個(gè)要素：方向轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。對(duì)于含有硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動(dòng)電源，方向取決于控制器送出的方向電頻的高低，轉(zhuǎn)角取決于控制送出的步進(jìn)脈沖個(gè)數(shù)，而轉(zhuǎn)速則取決于控制器發(fā)出的步進(jìn)脈沖的頻率。在步進(jìn)電動(dòng)的控制中，方向和轉(zhuǎn)角控制簡(jiǎn)單，而轉(zhuǎn)速控制則比較復(fù)雜。由于步進(jìn)電動(dòng)的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖頻率的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度的調(diào)節(jié)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)頻的軟件延時(shí)和硬件定時(shí)。采用軟件延時(shí)法實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，程序簡(jiǎn)單，不占用其他硬件資源；缺點(diǎn)是控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，CPU 不能做其他事。硬件定時(shí)要占用一個(gè)定時(shí)器。本設(shè)計(jì)沒(méi)有從硬件上布置，由于單片機(jī)功能強(qiáng)大，采用軟件延時(shí)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率低于它本身的起動(dòng)頻率時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以用運(yùn)行頻率直接起動(dòng)，并以該頻率連續(xù)運(yùn)行；需要停止的時(shí)候，可以從運(yùn)行頻率直接降到零，無(wú)需升降頻控制。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率 （為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有載起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)頻率）時(shí)，若直接用 起動(dòng)，由于頻率太高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)失步，甚至?xí)G步，甚至停轉(zhuǎn)；同樣在 頻率下突然停止，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)超程。因此，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行頻率 下工作時(shí)，就需要采用升降頻控制，以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從起動(dòng)頻率開始，逐漸加速升到運(yùn)行頻率 ，然后進(jìn)入勻速運(yùn)行，停止前的降頻可以看作是升頻的逆過(guò)程。雖然本設(shè)計(jì)采用了半閉環(huán)控制，加入了增量式編碼器作為反饋信號(hào)，但是在編程過(guò)程中仍需設(shè)計(jì)升降頻的部分，以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、精確。根據(jù)需要，可編寫出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的程序。AT89S52 指令與 80C51 指令完全兼容。控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。第 18 頁(yè) 共 21 頁(yè)復(fù) 位 電 路晶 振 電 路 螺 紋 光 柵 信 號(hào)操 作 面 板 開 關(guān) /按 鈕 信 號(hào)隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大 向 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)向 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)刀 架 電 動(dòng) 機(jī)卡 盤 電 動(dòng) 機(jī)主 軸 電 動(dòng) 機(jī)切 削 電 動(dòng) 機(jī)方 刀 架 位 信 號(hào)限 位 開 關(guān) 信 號(hào)交 流 變 頻 器 主 軸 電 動(dòng) 機(jī) 單 片 機(jī) 并 行接 口芯 片825轉(zhuǎn) 換芯 片 03芯 片芯 片 624鍵 盤 與 顯 示 接 口芯 片 879串 行 口 芯片 3控制系統(tǒng)原理框圖8.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。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所示。BD28Nb 型驅(qū)動(dòng)電源接線圖第 19 頁(yè) 共 21 頁(yè)結(jié)束語(yǔ)整個(gè)系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)給系統(tǒng)采用了 CM 系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。以提高整個(gè)系統(tǒng)的精神要求。伺服系統(tǒng)采用了直流伺服電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng)，而且其實(shí)軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動(dòng)，采用一個(gè)深溝來(lái)保證其徑向的圓跳動(dòng)。用 PWM 脈寬調(diào)制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)電壓的平均值，電路中采用了阻容滯后電路，來(lái)防止 H 型橋式功率放大器中兩對(duì) IGBT 功率管同時(shí)導(dǎo)通造成短路現(xiàn)象，能夠有效的控制伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，同時(shí)為了保證一定的精度的要求，系統(tǒng)又采用了光電編碼器作為位置檢測(cè)器，來(lái)檢測(cè)伺服電機(jī)的位置，通過(guò)單片機(jī)對(duì)光電編碼器反饋信號(hào)處理來(lái)達(dá)到預(yù)期的精度要求。在設(shè)計(jì)中我們兼顧經(jīng)濟(jì)性，考慮滿足精度的要求，因此對(duì)于設(shè)備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設(shè)計(jì)的成本較高。第 20 頁(yè) 共 21 頁(yè)致謝本人在畢業(yè)課題的設(shè)計(jì)中，學(xué)習(xí)了不少的新知識(shí)，既體會(huì)到了學(xué)習(xí)的重要性，也體會(huì)到了同時(shí)了解到了知道的重要性，剛踏入社會(huì)的我感謝學(xué)校具遠(yuǎn)瞻的規(guī)劃與教育，給予我良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓我在學(xué)校之時(shí)就理論和實(shí)踐相結(jié)合，打下了堅(jiān)固的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，為我們?cè)谶M(jìn)入工作環(huán)境創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)，并提供給我對(duì)學(xué)業(yè)及個(gè)人生涯發(fā)展的多元信息，幫助我們茁壯的成長(zhǎng)。感謝院系領(lǐng)導(dǎo)對(duì)我的關(guān)懷和重視，使我學(xué)得出色的專業(yè)知識(shí)，也讓我得以發(fā)揮自己的特長(zhǎng)，感悟到人生的意義，領(lǐng)會(huì)到素質(zhì)拓展的重要性，也讓我找到人生的價(jià)值。感謝三年來(lái)陪伴我們學(xué)習(xí)與生活的恩師，感謝您們對(duì)我精心的教育，感謝您們沒(méi)使我的學(xué)習(xí)變成勞作而成為一種快樂(lè)；.感謝您們讓我明白自身的價(jià)值；.感謝您們幫助我發(fā)現(xiàn)了自己的專長(zhǎng)，而且讓我把事情做得更好。感謝您們?nèi)萑涛业娜涡耘c錯(cuò)誤，不僅教會(huì)了我知識(shí)，更教會(huì)了我如何做事，如何做人。特別感謝恩師的諄諄教導(dǎo)，他的悉心指導(dǎo)與斧正，對(duì)于論文. 架構(gòu)之啟迪，及其內(nèi)容的細(xì)心斟酌與指導(dǎo)，倍極辛勞。第 21 頁(yè) 共 21 頁(yè)參考文獻(xiàn)1、高鐘毓機(jī)電控制工程北京：清華大學(xué)出版社，20022、劉助柏知識(shí)創(chuàng)新思維方法論北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19993、宋云奪. 宋云奪. 光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)的未來(lái)J. 光機(jī)電信息, 2003,(12).4、丁連紅. 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