立式數(shù)控銑床XY工作臺(tái)

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1、 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì) 立式數(shù)控銑床X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓名： 車煥生 學(xué)號(hào)： 1000107229 班級(jí)： 10 機(jī)電<2>班 學(xué)院：中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程 學(xué)院 指導(dǎo)老師：張遠(yuǎn)輝、徐立軍 目 錄 前言 1 一 、設(shè)計(jì)任務(wù) 2 1.1 課程設(shè)計(jì)時(shí)間 2 1.2 課程設(shè)計(jì)題目 2 1.3 課程設(shè)計(jì)任務(wù) 2 1.4 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 2 1.5 課程設(shè)計(jì)要求 2 二 、總體方案的確定 3 2.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 3 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 三 、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型

2、 4 3.1 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估計(jì) 4 3.2 銑削力的計(jì)算 5 3.3 導(dǎo)軌副計(jì)算和選型 6 3.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 7 3.5 步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用 9 3.6 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 9 3.7 編碼器（反饋電路）選型 13 四 、工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制 14 4.1 可參考課本圖6-23 XY數(shù)控工作臺(tái)裝配圖 14 五 、工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 5.1 電源電路 14 5.2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 15 5.3 鍵盤電路 17 5.4 顯示電路 18 5.5 傳感器電路 19 六 、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 20 6.1 驅(qū)動(dòng)電路 20 6.

3、2 光電隔離 20 七 、程序設(shè)計(jì) 21 7.1 功能 21 7.2 框圖 22 7.3 代碼 23 八 、總結(jié) 24 參考文獻(xiàn) 24 答辯記錄 25 前 言 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。因此，選擇X-Y數(shù)控工作臺(tái)作為機(jī)電綜合課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對(duì)于機(jī)電一體化專業(yè)的教學(xué)具有普遍意義。 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、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其外觀形式如圖1所示。其中，伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件

4、用來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動(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)等均已標(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，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)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)。 圖1 一、設(shè)計(jì)任務(wù) 1.1 課程設(shè)計(jì)時(shí)間 2013-2014學(xué)年，第1學(xué)期，第12周-13周，共2周 1.2 課程設(shè)計(jì)題目 立式數(shù)控銑床X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.3 課程設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，設(shè)計(jì)參數(shù)： 1）

5、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ae=15mm； 4）最大背吃刀量ap=8mm； 5）加工材料為碳素鋼； 6）X、Y方向的脈沖當(dāng)量δx=δy=0.005mm/脈沖； 7）X、Y方向的定位精度為0.01mm; 8）工作臺(tái)面尺寸為258mm258mm，加工范圍為278mm278mm； 9）工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度vxmax=vymax=3000mm/min； 10）工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度vxmaxf=vymaxf=400 mm/min。 1.4 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 1）結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)的要求擬定總體機(jī)械和電氣控制設(shè)計(jì)方案； 2）根據(jù)擬定的機(jī)械設(shè)計(jì)方

6、案進(jìn)行數(shù)控工作臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和元件的選用； 3）根據(jù)擬定的電氣設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)控制電路的框圖設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)控制電路的計(jì)算和元件選用； 4）軟件的流程圖設(shè)計(jì)； 5）部分軟件程序進(jìn)行編寫； 6）進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣圖的繪制； 7）編寫設(shè)計(jì)報(bào)告。 1.5 課程設(shè)計(jì)要求 1）方案擬定正確； 2）設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)來源可靠，計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤； 3）元?dú)饧x用正確規(guī)范符合標(biāo)準(zhǔn)； 4）X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖（A1圖一張，只要求剖視一個(gè)坐標(biāo)），控制系統(tǒng)電氣原理圖（A1圖一張），圖紙要求符合標(biāo)準(zhǔn)，圖面布局合理、整潔、質(zhì)量高； 5）課程設(shè)計(jì)說明書應(yīng)闡述整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容：總體方案確定、系統(tǒng)框

7、圖分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機(jī)械傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)計(jì)算以及機(jī)械和電氣的其它部分。說明書要突出重點(diǎn)和特色，圖文并茂、文字通暢、計(jì)算正確、字跡清晰、內(nèi)容完整。說明書字?jǐn)?shù)不少于 6000字。 二、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 要設(shè)計(jì)數(shù)控銑床工作臺(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)。 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0.005mm脈沖當(dāng)量和0.01

8、的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無能為力，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。 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)。為此，本次采用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。 2.1.4伺服電動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書初選的脈沖當(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。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

9、一點(diǎn)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。 2.1.5檢測(cè)裝置的選用 選用步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(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)式編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電機(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)

10、 2.2.1坐標(biāo)系 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)該具有但坐標(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。 2.2.2 CPU 對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，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)。 2.2.3完整控制系統(tǒng) 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、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。 2.2.4電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 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

11、3.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 根據(jù)給定的有效行程,估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。 X向拖板(上拖板)尺寸為: 長(zhǎng)*寬*高=580*260*40 重量:按重量=體積*材料比重估算為: = N=470N Y向拖板(下拖板)尺寸為: 長(zhǎng)*寬*高= 重量=N=470N 上導(dǎo)軌(含電機(jī))估算重量為：240N 夾具及工件重量:150N X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為: 470N+470N+240N+150N=1330N 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

12、副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為1330N。 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。由表3-7查得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為： Fc=118ae0.85fz0.75d-0.73ap1.0n0.13Z 今選擇銑刀直徑d=15mm ，齒數(shù)Z=3，最大切削寬度=15mm ，最大背吃刀量=8mm ，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm ，銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min 。代入得 Fc=118150.850.10.7515-0.7381.03000.133≈1463N 采用立銑刀進(jìn)行圓柱洗削時(shí)，各銑削力之間的比值可由表3-5查得， =

13、(1.0~1.2) 取1.1 /=(0.2~0.3) 取0.25 /=（0.35~0.4） 取0.38 考慮逆銑時(shí)的情況，因?yàn)槟驺姷那闆r的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險(xiǎn)的工況。結(jié)合圖3-4a，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為： （與絲杠軸線平行） （與工作臺(tái)面垂直） （與絲杠軸線垂直） 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。 = =1609N F

14、y ==366N 3.3導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 3.3.1工作載荷的計(jì)算 工作載荷是影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素。本設(shè)計(jì)工作臺(tái)為水平布置，多采用雙導(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)，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動(dòng)部件重量G=1330N，外加載荷外加載荷，代入上式得最大工作載荷。 查表3-41，根據(jù)工作載荷Fmax=0.888KN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG20型，其額定動(dòng)載荷Ca=11.5KN，額定靜載荷C0a=14.5KN。 任務(wù)書

15、規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為258mm258mm，加工范圍為278mm278mm，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580mm。 3.3.2距離額定壽命L的計(jì)算 上述選取的KL系列JSA-LG20型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100℃，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)fH=1.0、溫度系數(shù)fT=1.00、接觸系數(shù)fC=0.81、精度系數(shù)fR=0.9、載荷系數(shù)fW=1.5，代入式(3-33)，得距離壽命： L= 350≈6649km 遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額

16、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=1609N，受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=366N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz=556N。 已知移動(dòng)部件總重量G=1330N，按滾動(dòng)導(dǎo)軌計(jì)算，查表3-29，取顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)u=0.0025—0.005,現(xiàn)取u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm=KFx+μ（Fz+Fy+G）=[1.11609+0.005（556+366+1330）] ≈1781N 3.4.2最大動(dòng)

17、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=60nT／106，得絲杠壽命系數(shù)=72x106r。 查表3-30，取載荷系數(shù)=1.2，滾道硬度為60HRC時(shí)，去硬度系數(shù)=1.0代入式(3-23),求得最大動(dòng)載荷： FQ=≈8881N 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，得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滾珠絲杠副，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循

18、環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級(jí)取5級(jí)，螺母安裝尺寸L=46mm，額定動(dòng)載荷為9309N，大于最大計(jì)算動(dòng)載荷FQ=8882N，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P=5mm,代入λ=arctan[Ph/(πd0)]，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。絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸球承，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E=2.1105MPa；查表3-31，得滾珠直

19、徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm，絲杠截面積S=πd22／4=206.12mm2 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δ1=Fm*a／（ES）≈0.0205mm。 2）根據(jù)公式Z=（πdo／Dw）-3，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FYJ=Fm／3=593N則由式3-27，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2≈0.0026mm。 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δ2=0.0013mm。 3）將

20、以上算出的δ1、δ2代入δ總=δ1+δ2，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）δ總=21.8μm。 本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表3-27知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315-400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25μm，可見絲杠剛度足夠。 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，取支承系數(shù)fK=1；由絲杠底徑d2=16.2mm，求得截面慣性矩I=πd24／64≈3380.88mm4；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560mm。代入式（3-28）得臨界載荷Fk≈9343N，遠(yuǎn)大于工作載荷F

21、m=1779N，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)量的色劑要求，增大步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使?jié)L珠絲和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)軸上盡可能小，在步進(jìn)電機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級(jí)減速，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與小齒輪連接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪聯(lián)接。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δ=0.005mm，滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph=5mm，初選步進(jìn)電機(jī)的步距角α=0.75，根據(jù) i=（αPh）／﹙360δ﹚=（0.75 x 5）/(360 x 0.005)

22、=25／12 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75:36，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒面淬硬后達(dá)55HRC。減速箱中心距為55.5mm，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=560mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度p=7.8510-3kg／cm；移動(dòng)部件總重力G=1330N；小齒輪寬度b1=20mm，直徑d1=36mm；大齒輪寬度b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動(dòng)比=25／12。 如表

23、4-1所示，算得各個(gè)零部件的轉(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Js=7.5210kg.㎡；拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw=5.210kg.㎡；小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz1=2.5910kgm；大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz2=4.877kgm。 由表4-3，初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為110BF003，為三相反應(yīng)式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，三相六拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為0.75，從表4-3查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=5.5kgcm。 則加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 Jeq=Jm+Jz1+（Jz2+Jw+Js）／i=8.27kgcm 3.6.2計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)

24、轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Meq 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）、快速空載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩M1。 由式（4-8）可知，Meq1包括三部分：一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Mamax ；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Mf；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩M0。因?yàn)闈L珠絲杠傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，M0相對(duì)于Mamax和Meq1很小，可以忽略不計(jì)。則有： Meq1=Mamax+Mf 加速力矩 式中：T=0.4s； nmax=（vmaxα）／（360δ） 式中： vmax——空

25、載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書制定為3000mm/min; α ——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.75； δ ——脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中δ=0.005mm/脈沖。 代入以上各值，算得nmax=1250r/min. 其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得： Mamax≈0.387Nm 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦力矩為： 其中：u為導(dǎo)軌副的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取u=0.005。其余參數(shù)同上。 代入數(shù)據(jù)得： Mf=0.005x(0+1330)x0.005/(2x3.14x25/12)=0.0036Nm 所以可知快速空載時(shí)電機(jī)所需力矩： Meq1=Mamax+Mf=0.390Nm 2）最大

26、工作負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩M2。 在不同工況下是不同的，考慮最大切削負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩 Meq2 =Mf+Mt 其中：為導(dǎo)軌摩擦力 F0=9.43N; S為絲杠螺距S=5mm; i為齒輪降速比25/12; η為傳動(dòng)鏈總效率，η=0.7—0.8，取0.7; 代入數(shù)據(jù)得： Mf=0.005Nm 其中：進(jìn)給方向的最大切削力Ft=Fx=1609N 其余參數(shù)同上。代入數(shù)據(jù)得： Mt=0.88Nm 由此都得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Meq2=Mf+Mt

27、=0.885Nm 經(jīng)上述計(jì)算后。得到加在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： Meq=Meq1Meq2=0.885Nm 3.6.3步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)的影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸入轉(zhuǎn)矩也會(huì)下降，可能會(huì)造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此,根據(jù)等效負(fù)載Meq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)k，取k=4則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： Tjmax≧4Meq=40.885=3.54Nm 上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為110BF003，由表4-3查得該型號(hào)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=7.84Nm，滿足上式要求。 3.6.4步進(jìn)電動(dòng)

28、機(jī)的性能校核 1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)時(shí)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δ=0.005/脈 圖2 110BF003型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線 沖，求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmaxf=400/(600.005﹚≈1333Hz。從所選電動(dòng)機(jī)(110BF003)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖（圖2）可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩3.5Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.885Nm，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，由式(4-16)求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻fmax=[3000/(

29、600.005)]=10000Hz。由圖6-24查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=1.0Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.390Nm，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fmax=10000Hz。查表4-3可知110BF003電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)14000，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Jeq=8.27kgcm ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=5.5kgcm ，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fq=1400Hz（查表4-3）。由式(4-17)可知步進(jìn)電動(dòng)

30、機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為： fL= =885Hz 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885Hz。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（即100脈沖/s）。 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110BF003步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。 3.7增量式旋轉(zhuǎn)編碼器選型 本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動(dòng)機(jī)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)電機(jī)的步距角相匹配。由步進(jìn)電機(jī)的步距角α=0.75可知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，需要控制系統(tǒng)發(fā)出480個(gè)脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)

31、編碼器輸出的A、B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)出一個(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)。 本次選擇編碼器型號(hào)為ZLK-A-120-05VO-10-H：盤狀空心型，孔徑10mm，與電動(dòng)機(jī)尾部輸出軸相匹配，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。 四、工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制 4.1 XY數(shù)控工作臺(tái)裝配圖 4.1.1增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝 本次設(shè)計(jì)的X-Y數(shù)控工作臺(tái)采用兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，需要配套兩個(gè)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，型號(hào)為ZLK-A-

32、120-05VO-10-H，編碼器安裝在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)尾部。 4.1.2傳感器的安裝 當(dāng)被測(cè)對(duì)象是導(dǎo)電物，或者可以被固定在一塊金屬板上，一般都選用電感式接近開關(guān)。電感式接近開關(guān)響應(yīng)頻率高、抗干擾性能好、價(jià)格也較低。因此，本次設(shè)計(jì)的X-Y數(shù)控工作臺(tái)采用電感式接近開關(guān)作為工作臺(tái)的限位開關(guān)，一共四個(gè)，安裝在工作臺(tái)底座的兩端。 五、工作臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1電源電路 圖5.1所以為本次X-Y數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)的電源。220V的交流電經(jīng)過隔離變壓后，輸出三組低壓交流電壓：9V、11V和24V。分別對(duì)這三組低壓交流電源采用KBPC108進(jìn)行橋式整流，電容濾波和穩(wěn)壓管穩(wěn)壓處理（分別采用MC705、

33、MC7812、MC7824三端固定穩(wěn)壓管），最終分別輸出+5V直流電壓供給CPU、光電隔離芯片以及其他芯片使用，輸出+12V直流給計(jì)數(shù)器芯片和譯碼器芯片使用，輸出+24V直流電壓用來驅(qū)動(dòng)LCD顯示器。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源由外部穩(wěn)壓源提供。 圖5.1電源電路 5.2存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 本次選用的CPU為單片微機(jī)AT89S52，其內(nèi)部具有8K可編程的Flash存儲(chǔ)器，容量較小，不能滿足實(shí)際需要。因此需要在外部進(jìn)行擴(kuò)展，配置外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。還有就是I/O口，在微控制器內(nèi)部設(shè)置的用來與外設(shè)鏈接的I/O接口不足以鏈接較多的外圍設(shè)備，因此也需要進(jìn)行擴(kuò)展。其擴(kuò)展如圖5.2.0所示。

34、 5.2.1程序存儲(chǔ)器 本次選用的CPU是ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)，該芯片內(nèi)含有8KB的EEPROM，為電擦除型?，F(xiàn)選用Winbond公司生產(chǎn)的W27C512擴(kuò)展為64KB的EEPROM芯片作為程序存儲(chǔ)器，用來存放控制系統(tǒng)的各種程序。其擴(kuò)展電路如圖5.2.1所示。 如圖5.2.1程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 5.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展與程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展的原理相同，擴(kuò)展電路也類似，所以此次省略。 5.2.3通訊接口 通訊接口是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)通訊的接口電路。本次設(shè)計(jì)采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232芯片

35、，是專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5v單電源供電。因?yàn)镻C機(jī)串口輸出電壓為12V，因此通過MAX232轉(zhuǎn)換后可以輸出+5V和0V的高低電平，和單片機(jī)進(jìn)行通訊。通訊接口電路如圖5.2.3所示。 圖5.2.3通訊接口電路 5.3 鍵盤電路 本次設(shè)計(jì)采用行列式鍵盤。芯片采用Intel的8255鍵盤擴(kuò)展芯片，8255的PB口輸出作為鍵盤的行掃描線，8255的PC口輸入作為鍵盤的列回掃線。其電路如圖5.3所示。 圖5.3鍵盤電路 5.4 顯示電路 本次將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)并將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來。旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)到的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)Q

36、A740210倍頻器處理后，輸出的脈沖經(jīng)計(jì)數(shù)器MC14553計(jì)數(shù)以及譯碼器CD4543譯碼后在七段數(shù)碼管顯示出來。其電路如圖5.4所示。 圖5.4顯示電路 5.5 傳感器電路 本次設(shè)計(jì)工作臺(tái)有兩個(gè)部位用到傳感器，一個(gè)是步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器，另一個(gè)是限位開關(guān)的。 5.5.1編碼器電路 本次選用編碼器型號(hào)為ZLK-A-120-05VO-10-H，盤狀空心型，孔徑10mm，與電動(dòng)機(jī)尾部輸出軸相匹配，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。采用QA740210四倍頻接收旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B兩路信號(hào)，經(jīng)QA74090

37、8計(jì)數(shù)器處理后傳輸給CPU處理，CPU再控制步進(jìn)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)控制需要。編碼器電路如圖5.5.1所示。 圖5.5.1編碼器電路 5.5.2限位開關(guān)電路 本次選用的限位開關(guān)采用電感式接近開關(guān)，型號(hào)為FA12-4LA，工作電壓為10-30V。接近開關(guān)的輸入信號(hào)經(jīng)過光電(芯片TLP521-1)隔離后，送給芯片8255進(jìn)行處理。限位開關(guān)電路如圖5.5.2所示。 圖5.5.2限位開關(guān)電路 六、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 6.1驅(qū)動(dòng)電路 本次采用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為110BF003，反應(yīng)式三相六拍，步距角0.75，工作電壓80V，電流6A。圖6.1.0為本次采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的的相電壓

38、波形圖。由于功率較大，因此采用大功率三極管3DD15(NPN型)作為開關(guān)三極管。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖6.1.1所示。步進(jìn)時(shí)鐘 A相波形 B相波形 C相波形 圖6.1.0 三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（正轉(zhuǎn)） 圖6.1.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 6.2光電隔離 本次設(shè)計(jì)中，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和限位開關(guān)檢測(cè)電路中都使用到光電隔離，采用TLP521-1芯片，如圖6.1.1。使用光電隔離的目的在于從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使測(cè)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)僅保持信號(hào)聯(lián)系，而不直接發(fā)生電的聯(lián)系。隔離的實(shí)質(zhì)是把引進(jìn)的干擾通道切斷，從而達(dá)到隔離現(xiàn)場(chǎng)干擾的目的。光電隔離電路如圖6

39、.1.1所示。 七、程序設(shè)計(jì) 7.1功能 本次X-Y數(shù)控工作臺(tái)的控制功能包括： 1) 讀取并接收操作面板的開關(guān)、按鈕信息； 2) 讀取并接收限位開關(guān)信號(hào)、旋轉(zhuǎn)編碼器反饋信號(hào)； 3) 控制X，Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器； 4) 輸入顯示和鍵盤掃描； 5) 與PC機(jī)的串行通信。 7.2框圖 7.2.1進(jìn)給控制系統(tǒng)框圖 7.2.2步進(jìn)電機(jī)控制子程序框圖 步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí)，由于負(fù)載和慣性，會(huì)使電機(jī)失步，所以電機(jī)運(yùn)行時(shí)有一個(gè)加，減速過程。通過確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。 開始

40、 中斷初始化 設(shè)時(shí)間常數(shù)地址指針 首地址指向1000H 加速？減速？恒速？ 脈沖計(jì)數(shù)器賦初值 送時(shí)間常數(shù)至計(jì)數(shù)器中 開中斷 啟動(dòng)定時(shí)器 脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 定時(shí)時(shí)間

41、 到？ N Y 返回 Y 7.3代碼 I．8255芯片初始化子程序. B255：MOV DPTR , #8FFFH ；指向8255的控制口地址 MOV A , #10001001b ；PA口輸出，ＰＢ口輸出，PC口輸入，均為方式0 MOVX @DPTR , A ；控制字被寫入 MOV DPTR ,#3FFCH ；指向PA

42、口 MOV A , 0FFH ；預(yù)置PA口全：“1” MOVX @DPTR , A ； 輸出全“1”到PA口 MOV DPTR , #3FFDH；指向PB口 MOV A , #OFFH ；預(yù)置PB口全“1” MOV @DPTR ,A ；輸出全“1”到PB口 RET II．延遲子程序（延時(shí)２０毫秒） DELAY: MOV TMOD , #01H MOV TH0 , #0B1H MOV TL0 , #0

43、E0H SETB TRO SETB ETO SETB EA MOV TH0 , #0B1H MOV TL0 , #0E0H RET III.步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)100步子程序 MOV OFH , #100 LOOP: SETB P1.1 SETB P1.0 NOP NOP CLR P1.0 CALL DELAY DJNZ 0FH ,LOOP1

44、 RET 八、總結(jié) 此次課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)過去所學(xué)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行了一個(gè)全面的綜合的運(yùn)用，也是對(duì)過去所學(xué)的知識(shí)的一次檢驗(yàn)。在設(shè)計(jì)的過程中遇到了不少問題，這都需要我對(duì)過去所學(xué)知識(shí)進(jìn)行全面的溫習(xí)，通過查缺補(bǔ)漏，以前所學(xué)過的知識(shí)包括機(jī)械、電路、電子技術(shù)、單片機(jī)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)也得到了相應(yīng)的加強(qiáng)。機(jī)電一體化這門課是一門綜合性特別強(qiáng)的科目，經(jīng)過反復(fù)的復(fù)習(xí)和整理所學(xué)的專業(yè)知識(shí)才使得此次設(shè)計(jì)得以完成。本次設(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、電子、控制等方面的知識(shí)。 通過本次設(shè)計(jì)，我也學(xué)到了一些以前沒

45、學(xué)到過的知識(shí)，特別是對(duì)一些特定芯片的了解，知道其功能使用方法。設(shè)計(jì)的過程是很累的，也遇到了不少難題，其中我得到了同學(xué)和老師的很多幫助，在此，我很感謝本次課程設(shè)計(jì)的老師及幫助過我的同學(xué)。 參考文獻(xiàn) [1]合肥工業(yè)大學(xué) 尹志強(qiáng).機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007. [2]北京理工大學(xué) 張建民. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：北京理工大學(xué)出版社，2012. [3]清華大學(xué) 萬福君. MCS-51單片機(jī)原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2008. 答辯記錄 答辯人： 車煥生 班級(jí)： 10機(jī)電2 課程設(shè)計(jì)題目： 立式數(shù)控銑床X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電設(shè)計(jì) 答辯情況記錄： 答辯總體結(jié)論： 記 錄 人： 年 月 日 指導(dǎo)教師： 26