數(shù)控X-Y工作臺設(shè)計

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1、編號： 時間：2021年x月x日 書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟 頁碼：第16頁 共16頁 數(shù)控X-Y工作臺設(shè)計 目錄 1.引言： 3 2.設(shè)計任務(wù) 3 3.總體方案的確定 4 3.1 機(jī)械傳動部件的選擇 4 3.1.1導(dǎo)軌副的選用 3.1.2絲杠螺母副的選用 3.1.3減速裝置的選用 3.1.4伺服電動機(jī)的選用 3.1.5檢測裝置的選用 3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 4 3.3 繪制總體方案圖 5 4.機(jī)械傳動部件的計算與選型 5 4.1 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 5 4.2 銑削力的計算 5 4.3 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型（縱向） 6 4

2、.3.1 塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選取 4.3.2 距離額定壽命L的計算 4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 7 4.4.1 最大工作載荷Fm的計算 4.4.2 最大動工作載荷FQ的計算 4.4.3 初選型號 4.4.4 傳動效率η的計算 4.4.5 剛度的驗算 4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 4.5 步進(jìn)電動機(jī)減速箱的選用 8 4.6 步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型 8 4.6.1 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq 4.6.2 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq 4.6.3 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 4.6.4 步進(jìn)電動機(jī)的性能校核 5.增量

3、式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 12 6. 繪制進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖 12 7．工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計 12 8．步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源選用 14 9.致謝 15 參考文獻(xiàn) 15 1.引言： 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(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

4、”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。 X-Y數(shù)控工作臺是許多機(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、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。 模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動機(jī)做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌上運(yùn)動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(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)的工作控制計算機(jī)，也可以設(shè)計專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。

5、 2.設(shè)計任務(wù) 題目：數(shù)控X-Y工作臺設(shè)計 任務(wù)：設(shè)計一種供應(yīng)式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： 1. 立銑刀最大直徑的d=15mm； 2. 立銑刀齒數(shù)Z=3; 3. 最大銑削寬度=15mm; 4. 最大背吃刀量=8mm; 5. 加工材料為碳素鋼活有色金屬。 6. X、Y方向的脈沖當(dāng)量=0.01mm; 7. X、Z方向的定位精度均為0.04mm; 8. 重復(fù)定位精度為0.02mm; 9. 工作臺尺寸 250×250㎜; 10. X坐標(biāo)行程 300mm; 11. Y坐標(biāo)行程 120mm; 12. 工作臺空載進(jìn)給最快移動速度：Vxmaxf =Vz

6、maxf =1500mm/min; 13. 工作臺進(jìn)給最快移動速度:; 3.總體方案的確定 3.1 機(jī)械傳動部件的選擇 3.1.1導(dǎo)軌副的選用 腰設(shè)計數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度不是很高，因此選用直線滑動導(dǎo)軌副，它具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗和維修方便，導(dǎo)軌面較寬，承載能力大，剛度高。 3.1.2絲杠螺母副的選用 伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，需要滿足0.004mm沖當(dāng)量和mm的定位精度，滑動絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊

7、后可消除反向間隙。 3.1.3伺服電動機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.01mm，定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有因此1500mm/min，故本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動機(jī)。以降低成本，提高性價比。 3.1.5檢測裝置的選用 選用步進(jìn)電動機(jī)作為伺服電動機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進(jìn)電動機(jī)來說還是偏高，為了確保電動機(jī)在運(yùn)動過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機(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)電動機(jī)的步距角相匹配。

8、 考慮到X、Y兩個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)計工作量，X、Y兩個坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機(jī)以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。 3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 1）設(shè)計的X-Z工作臺準(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)計成連續(xù)控制型。 2）對于步進(jìn)電動機(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)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴(kuò)展程序存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電

9、路，串行接口電路等。 4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用。 3.3 繪制總體方案圖 總體方案圖如圖所示。 總體方案圖 4.機(jī)械傳動部件的計算與選型 4.1 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌座等,估計重量約為500N 4.2 銑削力的計算 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查得立銑時的銑削力計算公式為： (6-11) 今選擇銑刀的直徑為d=15mm，齒數(shù)Z=3,

10、為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量=8mm ，每齒進(jìn)給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式（6-11）求的最大銑削力： FC=118 x150.85x 0.10.75x 15-0.73x 81.0x 3000.13x 3N=1463N 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：,，。圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺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的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。 4.3 導(dǎo)軌的計算 由于使用的是雙矩形滑動導(dǎo)軌，故不要求

11、進(jìn)行相應(yīng)的計算。 4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 4.4.1 最大工作載荷Fm的計算 如前所述，在立銑時，工作臺受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1607N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=366N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=556N. 已知移動部件總重量G=500N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計算，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)=0.04。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.11408+0.04(556+366+500)]N1827N 4.4.2 最大動工作載荷FQ的計算 設(shè)工作臺在承受最

12、大銑削力時的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm,則此時絲杠轉(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，取硬度系數(shù)fH=1.0,代入式（3-23），求得最大動載荷： 4.4.3 初選型號 根據(jù)計算出的最大動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2005-4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，精度等級取5級

13、，額定動載荷為11082N，大于FQ，滿足要求。表3.1滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 名 稱 符號 計算公式及結(jié)果 螺 紋 滾 道 名義直徑（中徑） D 20mm 螺 距 S 5mm 接觸角 45° 鋼球直徑 3.175mm 螺紋滾道法面半徑 R 1.651mm 偏心距 E 0.0449mm 螺紋升角 4°33’ 螺 桿 螺桿外徑 名 稱 符號 計算公式及結(jié)果 螺桿內(nèi)徑 螺 母 螺桿接觸直徑 螺母螺紋外徑 螺母內(nèi)徑 20.14mm 螺母凸緣外徑

14、 60mm 螺母配合外徑 D 36mm 螺母裝配總長度 L 51mm 4.4.4 選擇滾珠絲杠直徑時，還應(yīng)綜合考慮下列問題 絲杠工作長度L，應(yīng)滿足控制中的行程要求。L應(yīng)為絲杠工作長度： 式中，為控制系統(tǒng)中需要的行程（mm），H為螺母的安裝高度（mm），為滿足行程以外的余量，一般，為由絲杠防護(hù)結(jié)構(gòu)確定的長度（mm），于是： 橫向絲杠： 縱向絲杠： (1) 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，螺桿的總長度應(yīng)為螺桿的工作長度L加上結(jié)構(gòu)長度。 橫向： 縱向： (2) 絲杠

15、的長度還應(yīng)滿足剛度的要求，根據(jù)剛度要求確定絲杠的直徑d 橫向： 縱向： 即滿足 (3) 因此，滾珠絲杠直徑可以都選為d=25mm 4.4.5 傳動效率η的計算 將公稱直徑d0=20mm,導(dǎo)程Ph=5mm,代入λ=arctan[Ph/(d0)]，得絲杠螺旋升角λ=4°33′。將摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動效率η=96.4%。 4.4.6 剛度的驗算 (1) X-Y工作臺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-對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為a=500mm

16、；鋼的彈性模量E=2.1х105Mpa;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。 忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量105mm=0.0211mm.。 (2) 根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為單螺母，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，取軸向預(yù)緊力/3=609N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量mm。 因為絲杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0012mm。 (3) 將以上算出的和代

17、入，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度500mm）=0.0212mm=21.2 本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時，行程偏差允許達(dá)到25，可見絲杠剛度足夠。 4.4.7 壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷FK。取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩3380.88；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動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，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 4.4.8 支承方式及軸承的選擇

18、 經(jīng)過查閱相關(guān)資料，并結(jié)合本設(shè)計具體情況選擇“單推－單推”支承方式 通過查相關(guān)手冊，軸承選擇如下： 軸承參數(shù) 軸承 名稱 軸承 型號 公稱 直徑 結(jié)構(gòu)尺寸 標(biāo)記 額定動載荷 數(shù) 量 推力球軸承 51203 17mm d=17mm,T=12mm, D=35mm 滾動軸承51203GB/T 301—1995 17KN 4 深溝球軸承 6203 17mm d=17mm,B=12mm, D=40mm 滾動軸承6203GB/T 276—94 9.58.KN 4 由上表可看出，軸承的額定動載荷Ca>C，所以所選軸承在給定的工作

19、條件下的預(yù)期的壽命內(nèi)安全。 4.5 步進(jìn)電動機(jī)傳動比 已知工作臺的脈沖當(dāng)量=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠的的導(dǎo)程Ph=5mm， 初選步進(jìn)電動機(jī)的步距角=0.72°。根據(jù)式（3-12），算得減速比： =（0.725）/（3600.01）=1 由此可見本機(jī)構(gòu)不必要選減速箱 4.6 步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型 4.6.1 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長l=500mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=500N傳動比i=1算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：

20、 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=0.617kg·cm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Jw=0.517kg·cm2;初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為110BYG007-Ⅱ,為五相混合式，五相驅(qū)動時的步距角為0.72°，從表查得該型號的電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=11.5 kg·cm2。 則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： 4.6.2 計算加在步進(jìn)電動機(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)行計算。 1) 快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部

21、分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （6-13） 根據(jù)式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩： = (6-14) 其中： =300r/min (6-15) 式中—空載最快移動速度，任務(wù)書指定為3000mm/min； —步進(jìn)電動機(jī)步距角，預(yù)選電動機(jī)為0.72； —脈沖當(dāng)量，本例=0.01mm/脈沖。 設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至

22、所需時間，傳動鏈總效率=0.75。則由式（6-14）求得： 由式（4-10）知，移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： (6-16) 式中——導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動導(dǎo)軌取0.04 ——垂直方向的銑削力，空載時取0 ——傳動鏈效率，取0.75 最后由式（6-13）求得快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： =+=0.197Nm (6-17) 2) 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 包括三部分：一部分是折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠

23、絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （6-18） 其中折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由公式（4-14）計算。有： 再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負(fù)載情況下，移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： 最后由式（6-18），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： =+=1.77N/m （6-19） 最后求得在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： 4.6.3 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)

24、電動機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。取K=4, 則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （6-20） 初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為110B007-Ⅱ，查得該型號電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩=9.45Nm?？梢姡瑵M足要求。 4.6.4 步進(jìn)電動機(jī)的性能校核 1)最快工進(jìn)速度時電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量/脈沖，由式（4-16）求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率。從90BYG2602電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機(jī)的

25、輸出轉(zhuǎn)矩6Nm，大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1.775Nm，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度=1500mm/min，求出其對應(yīng)運(yùn)行頻率。在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=5.8Nm，大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.197Nm，滿足要求。 3）最快空載移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核 與快速空載移動速度=1500mm/min對應(yīng)的電動機(jī)運(yùn)行頻率為。查表知110BYG007-Ⅱ電動機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)30000，可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計算 已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的空載起動頻率。由式（4-

26、17）可知步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為： 說明：要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于1244 Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100。 綜上所述，本次設(shè)計中工作臺的進(jìn)給傳動系統(tǒng)選用110BYG007-Ⅱ步進(jìn)電動機(jī)，完全滿足設(shè)計要求。 5.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 本設(shè)計所選步進(jìn)電動機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機(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)電動機(jī)的步距角，可知電動機(jī)轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出個步進(jìn)脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B相信號，可以送到

27、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)一個步進(jìn)脈沖，電動機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器對應(yīng)輸出一個脈沖信號。 此次設(shè)計選用的編碼器型號為：ZLK-A-120-05VO-10-H 盤狀空心型，孔徑10mm，與電動機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每秒輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出。 6. 繪制進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖 進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖如圖所示。 進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖 7．工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計 根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能： （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

28、息； （3） 接受車床限位開關(guān)信號； （4） 接受電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號； （5） 控制X，Z向步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器； （6） 控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止； （7） 控制多速電動機(jī)，實現(xiàn)主軸有級變速； （8） 控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速； （9） 控制切削液泵啟動/停止； （10） 控制電動卡盤的夾緊與松開； （11） 控制電動刀架的自動選刀； （12） 與PC機(jī)的串行通信。 X-Y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計算機(jī)，也可以設(shè)計專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計CPU選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52，由于AT89

29、S52本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器，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)存儲器，存放用戶程序；由于數(shù)控工作臺還需要加入銑刀運(yùn)動控制和程序輸入等指令，所以除設(shè)置了X﹑Y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個按鍵的矩陣鍵盤進(jìn)行連接，能對鍵盤實行不間斷的自動掃描，自動消除抖動，自動識別按鍵并給出鍵值。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MAX233，

30、可以采用PC機(jī)將編好的程序送入本系統(tǒng)?？刂撇竭M(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動需要三個要素：方向﹑轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。對于含有硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動電源，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)電動的控制中，方向和轉(zhuǎn)角控制簡單，而轉(zhuǎn)速控制則比較復(fù)雜。由于步進(jìn)電動的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以對步進(jìn)電動機(jī)脈沖頻率的調(diào)節(jié)，實質(zhì)上就是對步進(jìn)電動機(jī)的速度的調(diào)節(jié)。步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)頻的軟件延時和硬件定時。采用軟件延時法實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，程序簡單，不占用其他硬件資源；缺點(diǎn)是控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動的過程中，CPU不能做其他事。硬件定時要占用一個定時器。本設(shè)計沒有從硬件上

31、布置，由于單片機(jī)功能強(qiáng)大，采用軟件延時。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行頻率低于它本身的起動頻率時，步進(jìn)電動機(jī)可以用運(yùn)行頻率直接起動，并以該頻率連續(xù)運(yùn)行；需要停止的時候，可以從運(yùn)行頻率直接降到零，無需升降頻控制。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行頻率 （為步進(jìn)電動機(jī)有載起動時的起動頻率）時，若直接用 起動，由于頻率太高，步進(jìn)電動機(jī)會失步，甚至?xí)G步，甚至停轉(zhuǎn)；同樣在 頻率下突然停止，步進(jìn)電動機(jī)會超程。因此，當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)在運(yùn)行頻率 下工作時，就需要采用升降頻控制，以使步進(jìn)電動機(jī)從起動頻率開始，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程。雖然本設(shè)計采用了半閉環(huán)控制，加入了增量式編碼器作為反饋信

32、號，但是在編程過程中仍需設(shè)計升降頻的部分，以使步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、精確。根據(jù)需要，可編寫出驅(qū)動步進(jìn)電動機(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。 控制系統(tǒng)原理框圖 8.步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源選用 設(shè)計中X、Y向步進(jìn)電動機(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)動電源與控制器的接線方式如圖所示。 BD28Nb型驅(qū)動電源接線圖 9.致謝 在此感謝幫助我的同學(xué)和老師，這次課程設(shè)計的完成，離不開老師和

33、同學(xué)的指導(dǎo)、幫助和鼓勵。通過這次的課程設(shè)計，我對學(xué)習(xí)了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計方案的擬定有了一定的認(rèn)識，對傳動元件和導(dǎo)向元件如滾珠絲杠螺母副等的工作原理，設(shè)計計算方案的工作原理，設(shè)計計算的選用原則，電動機(jī)的工作原則，選擇控制驅(qū)動方式都有了一定的認(rèn)識。在今后的學(xué)習(xí)生活中，這次課程設(shè)計的經(jīng)歷將起到重要幫助作用。 近兩年的學(xué)習(xí)就要告一段落，感謝那些愛我的人真誠的陪伴…… 參考文獻(xiàn) （1）機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書 尹志強(qiáng)等編著 北京:機(jī)械工業(yè)出版社 （2）機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計 曾勵主編 北京:高等教育出版社 第 16 頁 共 16 頁