銑床X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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沈陽理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院《機(jī)電一體化》課程設(shè)計(jì) 沈 陽 理 工 大 學(xué) 機(jī)電一體化 課程設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 題 目： X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 所屬系部： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2016年 6 月 12 日 目錄 摘要 3 1.設(shè)計(jì)任務(wù) 3 2.總體方案的確定 4 2.1 機(jī)械傳動部件的選擇 4 2.1.1導(dǎo)軌副的選用 4 2.1.2絲杠螺母副的選用 4 2.1.3減速裝置的選用 4 2.1.4伺服電動機(jī)的選用 5 2.1.5檢測裝置的選用 5 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 2.3 繪制總體方案圖 5 3.機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選型 6 3.1 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 6 3.2 銑削力的計(jì)算 6 3.3 直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（縱向） 6 3.3.1 塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取 6 3.3.2 距離額定壽命L的計(jì)算 7 3.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 7 3.4.1 最大工作載荷Fm的計(jì)算 7 3.4.2 最大動工作載荷FQ的計(jì)算 7 3.4.3 初選型號 8 3.4.4 傳動效率η的計(jì)算 8 3.4.5 剛度的驗(yàn)算 8 3.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 9 3.5 步進(jìn)電動機(jī)減速箱的選用 9 3.6 步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型 10 3.6.1 計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq 10 3.6.2 計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq 11 3.6.3 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定..............................12 3.6.4 步進(jìn)電動機(jī)的性能校核....................................12 4. 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 13 5. 繪制進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖 14 6． 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 14 7. 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源選用.......................................15 心得體會...........................................................16 致謝...............................................................18 參考文獻(xiàn)...........................................................18 附錄...............................................................18 X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)  摘要 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(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。 1.設(shè)計(jì)任務(wù) 題目：X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)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，外形如下1-1圖所示，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=7mm; （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=0.005mm/脈沖; （7）X、Z方向的定位精度均為mm; （8）工作臺面尺寸為，加工范圍為; （9）工作臺空載進(jìn)給最快移動速度：; （10）工作臺進(jìn)給最快移動速度:; 1-1：X-Y 數(shù)控工作臺外形圖 2.總體方案的確定 2.1 機(jī)械傳動部件的選擇 2.1.1導(dǎo)軌副的選用 設(shè)計(jì)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，定位精度高，因此選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊，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)電動機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動部件折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)，選用無間隙齒輪傳動減速箱。 2.1.4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0.001mm，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3000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的私服電動機(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。 2.1.5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。 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(jì)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。 2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1）設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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。 2.3 繪制總體方案圖 總體方案圖如圖2.1所示。 圖2.1 總體方案圖 3.機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選型 3.1 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(jì)重量約為800N. 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。則由表3-7（見參考文獻(xiàn) [1]）查得立銑時的銑削力計(jì)算公式為： (4-1) 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，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量=7mm ，每齒進(jìn)給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由式（4-1）求的最大銑削力： 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3-5（見參考文獻(xiàn) [1]）查得，結(jié)合圖3-4a，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。 3.3 直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型（縱向） 3.3.1 塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： (4-2) 其中，移動部件重量Ｇ＝800N，外加載荷，代入式（4-2），得最大工作載荷=686N=0.686kN。 查表3-41（見參考文獻(xiàn) [1]），根據(jù)工作載荷=0.686kN，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷，額定靜載荷。 任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為，加工范圍為，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)軌的長度為520mm。 3.3.2 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C，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3-36~表3-40（見參考文獻(xiàn) [1]），分別取硬度系數(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)f=1.5，代入式（3-33），得距離壽命： L= 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=1408N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=320N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=486N. 已知移動部件總重量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(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)=[1.11408+0.005(486+320+800)]N1557N 3.4.2 最大動工作載荷FQ的計(jì)算 設(shè)工作臺在承受最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3-30（見參考文獻(xiàn) [1]），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FQ=，求得最大動載荷： FQ= 3.4.3 初選型號 根據(jù)計(jì)算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表3-31（見參考文獻(xiàn) [1]），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，精度等級取5級，額定動載荷為9309N，大于FQ，滿足要求。 3.4.4 傳動效率η的計(jì)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=433′。將摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動效率η=96.4%。 3.4.5 剛度的驗(yàn)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，見書后插頁圖6-23。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；鋼的彈性模量E=2.1х105Mpa;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=/4=206.12m。 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.。 (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=519N。則由式（3-27）（見參考文獻(xiàn) [1]），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量mm。 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。 (3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度500mm）=0.0192mm=19.2 本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表3-27（見參考文獻(xiàn) [1]）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。 3.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（3-28）計(jì)算失穩(wěn)時的臨界載荷FK。查表3-34（見參考文獻(xiàn) [1]），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）（見參考文獻(xiàn) [1]），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。 3.5 步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機(jī)軸上盡可能的小，今在步進(jìn)電動機(jī)的輸出軸上安裝一套齒輪機(jī)減速，采用一級減速，步進(jìn)電動機(jī)的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖3-8所示的彈簧錯齒法消除側(cè)隙。 已知工作臺的脈沖當(dāng)量=0.004mm/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=0.75。根據(jù)式（3-12）（見參考文獻(xiàn) [1]），算得減速比： =（0.755）/（3600.004）=25/10 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）1/2]mm=57mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。 3.6 步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型 3.6.1 計(jì)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=800N；小齒輪齒寬b1=20mm.，直徑d1=30mm，大小齒輪齒寬b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動比i=25/10。 如表4-1所示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下： 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=0.617kgcm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Jw=0.517kgcm2;小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz1=0.125 kgcm2；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz2=4.877 kgcm2。 初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為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)動時的步距角為0.75，從表（4-5）（見參考文獻(xiàn) [1]）查得該型號的電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=4 kgcm2。 則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： =5.087 kgcm2 3.6.2 計(jì)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(jì)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)矩由式（4-8）（見參考文獻(xiàn) [1]）可知，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?yàn)闈L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(jì)。則有： =+ （4-3） 根據(jù)式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計(jì)算空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩： = (4-4) 其中： =1562.5r/min (4-5) 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0.75； —脈沖當(dāng)量，本例=0.004mm/脈沖。 設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。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： = (4-6) 式中——導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動導(dǎo)軌取0.005 ——垂直方向的銑削力，空載時取0 ——傳動鏈效率，取0.7 最后由式（6-13）（見參考文獻(xiàn) [1]）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： =+=0.2988Nm (4-7) 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 由式（4-13）（見參考文獻(xiàn) [1]）可知，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(jì)。則有： =+ （4-8） 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(jì)算。有： 再由式（4-10）（見參考文獻(xiàn) [1]）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載情況下， 圖3-1 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： =+=0.643N/m （4-9） 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： 3.6.3 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)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： （4-10） 初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為90BYG2602，由表4-5查得該型號電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩=6Nm?？梢?，滿足要求。 3.6.4 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4.1可以看出在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩5.6Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.643Nm，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=3000mm/min，求出其對應(yīng)運(yùn)行頻率。由圖4.1查得，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=1.7Nm，大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.2988Nm，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=3000mm/min對應(yīng)的電動機(jī)運(yùn)行頻率為。查表4-5（見參考文獻(xiàn) [1]）可知90BYG2602電動機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000，可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計(jì)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（查表4-5）（見參考文獻(xiàn) [1]）。由式（4-17）可知步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為： (4-11) 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。實(shí)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(jì)中工作臺的進(jìn)給傳動系統(tǒng)選用90BYG2602步進(jìn)電動機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。 4.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 本設(shè)計(jì)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(jì)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。 5. 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5.1所示。 圖5.1 進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖 6．控制系統(tǒng)硬件電路設(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； （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(shí)現(xiàn)主軸有級變速； （8） 控制交流變頻器，實(shí)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。 CPU選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲器擴(kuò)展芯片。W27C512用做程序存儲器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴(kuò)展AT89S52的RAM存儲器存放調(diào)試和運(yùn)行的加工程序；8279用做鍵盤和LED顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺方向，LED顯示器顯示當(dāng)前工作臺坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報警功能，并有越位開關(guān)和報警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路，時鐘電路，越位報警指示電路。 控制系統(tǒng)原理框圖如圖6.1所示。 圖6.1 控制系統(tǒng)原理框圖 7.步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源選用 設(shè)計(jì)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。查表4-14，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7.1所示。 圖7-1 圖8.1 BD28Nb型驅(qū)動電源接線圖 心得體會 本次課程設(shè)計(jì)是綜合性的課程設(shè)計(jì)，將以前所學(xué)到的機(jī)械與電氣的知識結(jié)合到一起，可以說是綜合性的訓(xùn)練。這次課程設(shè)計(jì)跨越機(jī)械和電氣兩大學(xué)科。在設(shè)計(jì)時要聯(lián)系機(jī)械部分和電氣控制部分作為一個有機(jī)的整體來考慮，本次設(shè)計(jì)是一個機(jī)械和電氣有機(jī)組合的系統(tǒng)是一個整體。如果單方面考慮其中一項(xiàng)必定是做不出來的。 這次課程設(shè)計(jì)涉及到機(jī)電一體化的知識，與以前單純的機(jī)械設(shè)計(jì)不一樣，有了更多的收獲，體會也很多。在這次設(shè)計(jì)中我也學(xué)會了很多新東西，包括一些軟件的應(yīng)用。當(dāng)然最重要的是學(xué)到了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些基本方法。加深了對機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理解，初步了解了一些常用工業(yè)控制元器件和掌握它們的使用方法。知道了設(shè)計(jì)一個機(jī)電一體化的系統(tǒng)需要考慮到哪些方面，做個部分設(shè)計(jì)時應(yīng)該先哪里后哪里的先后順序，讓我在以后的設(shè)計(jì)中會有一個清晰地思路，而避免走太多彎路。這次設(shè)計(jì)中那我了解了運(yùn)動控制卡、驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)的基本特性、使用方法，以及它們之間所需要的匹配關(guān)系。 通過這次課程設(shè)計(jì)我深深地意識到理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性，任何一個都不能單獨(dú)存在。平時理論知識學(xué)的很好，但是在課程設(shè)計(jì)中并不能得心應(yīng)手，會遇到很多不能解決的實(shí)際問題，這就需要加強(qiáng)實(shí)踐能力，一個同學(xué)的知識變成多個同學(xué)的知識，多個同學(xué)的知識變成一個同學(xué)的知識，這樣才能互相促進(jìn)、相互提高。另外，經(jīng)過復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專業(yè)知識使得設(shè)計(jì)思路清晰系統(tǒng)。通過設(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)械設(shè)計(jì)方面的知識。 還有很重要的一點(diǎn)是讓我體會到了一個設(shè)計(jì)者的精神。在設(shè)計(jì)過程中既要自己不斷思考、創(chuàng)造，又要注意借用現(xiàn)有的資料，掌握了查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關(guān)技術(shù)資料的基本技能以及計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。 通過對通用機(jī)械零件、常用機(jī)械傳動或簡單機(jī)械的設(shè)計(jì)，使我掌握了一般機(jī)電一體化的程序設(shè)計(jì)和基本方法，有助于樹立正確的工程設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立、全面、科學(xué)的設(shè)計(jì)能力。 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中遇到問題及解決方案如下： 首先，在繪制裝配圖過程中，有些繪圖尺寸不夠詳細(xì)導(dǎo)致無法繪制。我們無奈之下利用手工測量的方式，一個點(diǎn)，一條線細(xì)致入微的以1:1的比例測量，最終攻克了難關(guān)。 其次，我們在繪制電氣原理圖的過程中遇到一些問題不知道那個系列的單片機(jī)最適合用在數(shù)控工作臺上面，后來我們通過查閱相關(guān)技術(shù)資料和參考書最終我們在《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)踐》一書中得到答案。本次設(shè)計(jì)中我們采用MCS-51系列8031單片機(jī)為主控器。擴(kuò)展存儲器電路為1片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲器拓展為4K數(shù)據(jù)存儲器拓展為8K.. 另外，我們在繪制裝配圖過程中軸承內(nèi)徑的選擇遇到啦困難，后來我們通過《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》和《機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)》一書得知器軸承內(nèi)徑的選擇是根據(jù)主軸大徑的尺寸來基本確定的，而且有些特殊地方還需找正校驗(yàn)，合理之后才能與之相匹配。才能合理的設(shè)計(jì)出完整精準(zhǔn)的思路，從而使之整體設(shè)計(jì)又拉更具權(quán)威性的知識體系。 最后，我們對課程設(shè)計(jì)說明書的排版，設(shè)計(jì)格式，和具體設(shè)計(jì)項(xiàng)目思路不清，后來我們請教老師，經(jīng)過劉老師的耐心細(xì)致的講解我們很快就寫好啦X-Y數(shù)控工作臺課程設(shè)計(jì)書明書。從此次課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)到拉好多關(guān)于機(jī)電一體化的相關(guān)知識，也嘗試了平時課堂上從未學(xué)到的設(shè)計(jì)理念和思路，希望在以后的學(xué)習(xí)中不斷鍛煉自己在機(jī)電一體化方面的相關(guān)知識。豐富業(yè)余生活。 致謝 在此感謝幫助我的同學(xué)和老師，這次課程設(shè)計(jì)的完成，離不開老師和同學(xué)的指導(dǎo)、幫助和鼓勵。通過這次的課程設(shè)計(jì)，我對學(xué)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)算方案的工作原理，設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)的經(jīng)歷將起到重要幫助作用。最后對在整個設(shè)計(jì)過程中對老師認(rèn)真、耐心輔導(dǎo)表示衷心的感謝 參考文獻(xiàn) 【1】 尹志強(qiáng)編著.， 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 . 北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社 ，2007.5. 【2】 王田苗， 丑武圣編著， .機(jī)電控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社，2003. 【3】 侯力， 樊慶文等編著， 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社，2004. 【4】 張君安編著， 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：兵器工業(yè)出版社，1997. 附錄 19