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)21.1課程設(shè)計(jì)時(shí)間21.2課程設(shè)計(jì)題目21.3課程設(shè)計(jì)任務(wù)21.4課程設(shè)計(jì)內(nèi)容21.5課程設(shè)計(jì)要求2二、總體方案的確定32.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇32.2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43.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估計(jì)43.2銑削力的計(jì)算53.3導(dǎo)軌副計(jì)算和選型63.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型73.5步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用93.6步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型93.7編碼器（反饋電路）選

2、型13四、工作臺(tái)機(jī)械裝配圖的繪制144.1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)145.1電源電路145.2存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路155.3鍵盤電路175.4顯示電路185.5傳感器電路19六、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)206.1驅(qū)動(dòng)電路206.2光電隔離20七、程序設(shè)計(jì)217.1功能217.2框圖227.3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

3、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)行元件用來(lái)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

4、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）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x=y=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)

5、計(jì)方案；2）根據(jù)擬定的機(jī)械設(shè)計(jì)方案進(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(lái)源可靠，計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)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)框圖分析、電氣

6、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(lái)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的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)能為力，只有選用

7、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(wú)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

8、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(lái)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)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

9、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:

10、 長(zhǎng)*寬*高=580*260*40重量:按重量=體積*材料比重估算為: = N=470NY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:150NX-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(lái)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-

11、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=118150.850.10.7515-0.7381.03000.1331463N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， =(1.01.2) 取1.1/=(0.20.3) 取0.25/=（0.350.4） 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）

12、 （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 Fy =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

13、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：

14、 L= 3506649km遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求.3.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型3.4.1最大工作載荷Fm的計(jì)算如前頁(yè)所述，在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=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=0.00250.005,現(xiàn)取u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm=KFx+（Fz+Fy+G）=1.11609+0.005（556+366+1330） 17

15、81N3.4.2最大動(dòng)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=60nT106，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=8881N3.4.3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，循環(huán)滾珠為3圈1列，精度等級(jí)

16、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)效率的計(jì)算將公稱直徑d0=20mm,導(dǎo)程P=5mm,代入=arctanPh/(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%。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，得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm，絲杠截面積S=d2

17、24=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1=Fm*a（ES）0.0205mm。2）根據(jù)公式Z=（doDw）-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=Fm3=593N則由式3-27，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量20.0026mm。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2=0.0013mm。3）將以上算出的1、2代入總=1+2，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）總=21.8m。本例中，絲杠的有效行程為

18、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25m，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=d24643380.88mm4；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Fk9343N，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm=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

19、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=0.005mm，滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph=5mm，初選步進(jìn)電機(jī)的步距角=0.75，根據(jù) i=（Ph）360=（0.75 x 5）/(360 x 0.005)=2512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

20、，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=7.8510-3kgcm；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=2512。如表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)

21、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=8.27kgcm3.6.2計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)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

22、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=（vmax）（360）式中：vmax空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書制定為3000mm/min; 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.75； 脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中=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：Mamax0.387Nm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

23、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=0.390Nm2）最大工作負(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;為傳動(dòng)鏈總效率，=0.70.8，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

24、效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Meq2=Mf+Mt=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=0.885Nm3.6.3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(lái)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： Tjmax4Meq=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)機(jī)的性能校核1

25、）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=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/(600.0051333Hz。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/(600.005)=10000Hz。由圖6-24查得

26、，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)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)

27、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=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)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

28、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-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

29、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、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

30、用，輸出+24V直流電壓用來(lái)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(lái)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。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

31、的EEPROM芯片作為程序存儲(chǔ)器，用來(lái)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，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

32、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(lái)。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)QA740210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(lái)。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-1

33、0-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)QA740908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

34、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

35、離開來(lái)，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6.1.1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

36、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 到？ N Y 返回 Y 7.3代碼 I8255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，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口 MOV A , 0FFH ；預(yù)置PA口全：“1” MOVX DP

37、TR , 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)毫秒）DELAY: MOV TMOD , #01H MOV TH0 , #0B1H MOV TL0 , #0E0H SETB TRO SETB ETO SETB EA MOV TH0 , #0B1H MOV TL0 , #0E0H RETIII.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.

38、0 CALL DELAY DJNZ 0FH ,LOOP1 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)到了一些以前沒學(xué)到

39、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(wàn)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