X-Y數(shù)控工作臺的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計.doc

* * 理工大學(xué)課程設(shè)計X-Y數(shù)控工作臺的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班級： 機(jī) 電 * 班 教師： * * * 學(xué)號： * 學(xué)生： * * * 摘要本文主要是進(jìn)行X-Y數(shù)控工作臺的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)設(shè)計任務(wù)給定的工作尺寸，設(shè)計一種供應(yīng)式數(shù)控銑床的X-Y數(shù)控工作臺。首先，確定總體設(shè)計方案：其中主要對導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、檢測裝置的選用及控制系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行初步分析，再繪制總體方案圖。其次，進(jìn)行機(jī)械傳動部件的計算與選擇：主要進(jìn)行導(dǎo)軌上移動部件的重量估算，銑削力的計算，直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型，滾珠絲杠螺母副的計算與選型，步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用，步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型。本部分作為此設(shè)計重點(diǎn)，進(jìn)行了大量的分析、計算及驗算，最后得到了滿足任務(wù)規(guī)定尺寸的工作要求。再次，選用檢測裝置。本設(shè)計中選用了增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，確定電路為觀電隔離電路，以此來對工作臺的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行檢測，從而在反饋后對工作臺進(jìn)行實時調(diào)整。最后，控制系統(tǒng)的設(shè)計。此處主要通過進(jìn)給傳動系統(tǒng)來對硬件電路進(jìn)行設(shè)計，并繪制控制系統(tǒng)原理框圖；然后分析選用了步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源。關(guān)鍵字：X-Y數(shù)控工作臺 機(jī)電系統(tǒng) 導(dǎo)軌 滾珠絲杠螺母副 控制系統(tǒng)目錄1.引言32.設(shè)計任務(wù) 33.總體方案的確定 33.1 機(jī)械傳動部件的選擇33.1.1導(dǎo)軌副的選用 33.1.2絲杠螺母副的選用 43.1.3減速裝置的選用 43.1.4伺服電動機(jī)的選用 43.1.5檢測裝置的選用 43.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計43.3 繪制總體方案圖44.機(jī)械傳動部件的計算與選型54.1 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算54.2 銑削力的計算54.3 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型（縱向）64.3.1 塊承受工作載荷 的計算及導(dǎo)軌型號的選取 64.3.2 距離額定壽命L的計算 64.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 74.4.1 最大工作載荷Fm的計算74.4.2 最大動工作載荷FQ的計算74.4.3 初選型號74.4.4 傳動效率的計算74.4.5 剛度的驗算74.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核84.5 步進(jìn)電動機(jī)減速箱的選用84.6 步進(jìn)電動機(jī)的計算與選型84.6.1 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq 84.6.2 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 94.6.3 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 104.6.4 步進(jìn)電動機(jī)的性能校核 115. 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用116. 繪制進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖127. 工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計12 7.1數(shù)控系統(tǒng)硬件控制電路設(shè)計12 7.2輔助電路設(shè)計14 7.3系統(tǒng)控制軟件設(shè)計158步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源選用 16 8.1電動機(jī)特性分析及細(xì)分驅(qū)動控制16 8.2步進(jìn)電機(jī)電源驅(qū)動選用17總結(jié) 18參考文獻(xiàn) 181.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”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)。2.設(shè)計任務(wù)題目：X-Y數(shù)控工作臺的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)：設(shè)計X-Y數(shù)控工作臺的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計，其主要參數(shù)如下：1. 立銑刀最大直徑的；2. 立銑刀齒數(shù)；3. 最大銑削寬度；4. 最大背吃刀量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；7. X、Z方向的定位精度均為；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：。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)軌副的選用要設(shè)計X-Y數(shù)控車床工作臺用來配套立式數(shù)控銑床，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)。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0.005mm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。3.1.3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。3.1.4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2300mm/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。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 繪制總體方案圖圖一 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,來進(jìn)行重量估算。根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算X向和Y向工作臺承載重量和。設(shè)計工作臺示意圖如下:圖二 工作臺示意圖重量估算按:重量=體積*材料比重X向拖板(上拖板) 重量估算為: Y向拖板(下拖板) 重量估算為: 工作臺面重量估算： 電機(jī)重量估算為：120N夾具及工件等重量:130NX-Y工作臺運(yùn)動部分總重量為: 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： （1）由設(shè)計任務(wù)知銑刀的直徑為d，齒數(shù),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，每齒進(jìn)給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由（1）式求的最大銑削力： 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查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：,，。考慮立銑，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 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型4.3.1 塊承受工作載荷的計算及導(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?？紤]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： （2）其中，移動部件重量，外加載荷，代入式（2），得最大工作載荷。根據(jù)工作載荷=0.686kN，工作臺面尺寸為，加工范圍為等數(shù)值，并考慮一定的余量；查表初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列，其中X向?qū)к墳镴SA-LG35型，長度為2200m m，其額定動載荷，額定靜載荷；Y向?qū)к墳镴SA-LG20型，長度為760m m；其額定動載荷，額定靜載荷。4.3.2 距離額定壽命L的計算上述所取的KL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。由上可知，JSA-LG20系列所允許的靜載荷值更小，所以此處只需對它進(jìn)行驗算即可。分別取硬度系數(shù)，溫度系數(shù)，接觸系數(shù)，精度系數(shù)，載荷系數(shù)，代入下式，得距離壽命：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=2082N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=473N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=719N。已知移動部件總重量G=4500N，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)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： 4.4.2 最大動工作載荷的計算設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快進(jìn)給速度，初選絲杠導(dǎo)程,則此時絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠的使用壽命,代入,得絲杠壽命系數(shù)（單位為：106r）。查表，取載荷系數(shù),滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù),代入下式，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CDM系列3205-5型滾珠絲杠副，為外循環(huán)插管埋入式反向器雙螺母預(yù)緊式，其公稱直徑為32mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為系列，精度等級取5級，額定動載荷為17998N，大于，滿足要求。4.4.4 傳動效率的計算將公稱直徑,導(dǎo)程,代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角，代入,得傳動效率。4.4.5 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；鋼的彈性模量；查表得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=28.2mm,絲杠截面積。忽略式下中的第二項，算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量（2）根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=28；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=280。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力/3=773N。由下式求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 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=0.0005mm。（3）將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度500mm）=0.0358mm=35.8。本例中絲杠的有效行程為850mm，查表知5級精度滾珠絲杠有效行程在8001000mm時，行程偏差允許達(dá)到40，可見絲杠剛度足夠。4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑d2=28.2mm求得截面慣性矩31043；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2000mm。代入下式得臨界載荷，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。4.5 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)計成雙片結(jié)構(gòu)。已知工作臺的脈沖當(dāng)量=0.005mm/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），算得減速比：=（0.755）/（3600.005）=25/12本設(shè)計選用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，齒表面淬硬后達(dá)到55HRC。減速箱中心距為（75+36）1/2mm=55.5mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。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 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=32mm，總長l=2000mm，導(dǎo)程，材料密度，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=25/12。計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，拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量，小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量，大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量。初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為110BC380F,為三相混合式，三相六拍驅(qū)動時的步距角為0.75，從表查得該型號的電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：=14.643 kgcm24.6.2 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩：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，其中包括三部分：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。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，其中 相對于和很小，可以忽略不計。則有：=+ 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：= 其中： =958.3r/min式中：空載最快移動速度，任務(wù)書指定為2300mm/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=0.005mm/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。則由上式由式（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： 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：=+=0.5363Nm 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)矩同樣包括三部分：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。則有： =+ 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： 最后求最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：=+= 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)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：初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為110BC380F，查得該型號電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩=11.76Nm?？梢?，滿足要求。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=700mm/min，脈沖當(dāng)量脈沖，求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率。從110BC380F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)的輸出轉(zhuǎn)矩6.6Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1.149Nm，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=2300mm/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=4.4Nm，大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.5363Nm，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=2300mm/min對應(yīng)的電動機(jī)運(yùn)行頻率為。查表知110BC380F電動機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)12000，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。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。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110BC380F步進(jìn)電動機(jī)，完全滿足設(shè)計要求。其具體參數(shù)如下：型號反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)110BC380F相數(shù)步距角電壓電流最大靜轉(zhuǎn)矩空載起動頻率空載運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)動慣量30.75/1.580300V6A11.76N.m1200Hz12000Hz95.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]增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B、C三相信號，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)計選用的編碼器型號為：ZLK-120Z-05VO-10-H 通用型，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/C信號為電壓輸出。圖三 光電編碼器原理圖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。 圖四 進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖7工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計7.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件控制電路設(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。（一）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：1、主控制器。即中央處理單元CPU2、總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。3、存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲器。4、接口。即I/O輸入輸出接口。（二）主控制器CPU的選擇MCS_15系列單片機(jī)是集中CPU，I/O端口及部分RAM等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計選用8031芯片作為主控芯片。 8031內(nèi)部包括1個8位的CPU，128B RAM，21個特殊功能寄存器（SFR）、4個8位并行I/O口，1個全雙工串行口，2個16位定時器/計時器。單片內(nèi)無程序儲存器，需外擴(kuò)EPROM芯片。（三）存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計（1）程序存儲器的擴(kuò)展 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲器芯片大多采用EPROM芯片。其型號有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為2k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時要考慮CPU與EPROM時序的匹配。8031所能讀取的時間必須大于EPROM所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇2764芯片作為本次設(shè)計的程序存儲器擴(kuò)展用芯片。于8031芯片的P0口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線的，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是742S373。（2）數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 由于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)供用戶使用，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。常用的數(shù)據(jù)存儲器有6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，這里選用6264(8Kx8)。（3）譯碼電路 由于這里擴(kuò)展的容量較大，擴(kuò)展多個外圍芯片。因此，這里使用譯碼法來進(jìn)行編址。譯碼電路可使用現(xiàn)有的譯碼芯片，這里我們選用3-8譯碼器（74LS138）。這種芯片，輸入端占用3根最高位地址線，剩余的13根低位地址線可作為片內(nèi)地址線，74LS138譯碼器的8根輸出線分別對應(yīng)8個8K字節(jié)的地址空間。（4）擴(kuò)展電路設(shè)計(a).通用可編程接口芯片81558031單片機(jī)共有個位并行I/O接口，但供用戶使用的只有P1口及部分P3 口線。因此要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。8155與微機(jī)接口較簡單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。晶振電路EPROM芯片2764SRAM芯片626鍵盤與顯示接口芯片8279串行口芯片MAX233CPU8031單片機(jī)并行接口芯片8155隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大操作面板開關(guān)/按鈕信號螺紋光柵信號D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832交流變頻器主軸電動機(jī)X向步進(jìn)電動機(jī)Y向步進(jìn)電動機(jī)方刀架位信號刀架電動機(jī)主軸電動機(jī)復(fù)位電路限位開關(guān)信號隔離放大 圖五 控制系統(tǒng)原理框圖7.2其它輔助電路設(shè)計（1）8031的時鐘電路單片機(jī)的時鐘可由內(nèi)部方式產(chǎn)生，內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1，XTAL2引腳上外接定時元件。MCS-51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器得輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL1。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電路，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。如下圖所示圖六 時鐘電路（2）復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms 以上高電平，單片機(jī)便實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從0000H單元開始執(zhí)行程序。復(fù)位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機(jī)器周期的S5P2, 施密特觸發(fā)器輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。圖七 復(fù)位電路7.3系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計（一）系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個部分：（1）系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。（2）零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。（3）插補(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。（4）伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。（5）診斷程序。包括移動不見移動超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯等功能。（6）機(jī)床的自動加工及手動加工控制程序。（7）鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。（二）系統(tǒng)控制功能分析數(shù)控X-Y工作臺的控制功能包括：（1）、系統(tǒng)初始化。如對I/O接口8155，8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。（2）、工作臺復(fù)位。開機(jī)后工作臺應(yīng)該自動復(fù)位，亦可手動復(fù)位。（3）、輸入和顯示加工程序。（4）、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。（5）、工作臺超程顯示與處理。工作臺位移超過規(guī)定值時應(yīng)該立即停止工作臺的運(yùn)動，并顯示相應(yīng)的指示字符。（6）、工作臺的自動控制。（7）、工作臺的手動控制。（8）、工作臺的聯(lián)動控制。（三）系統(tǒng)管理程序控制管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計管理程序時，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺的基本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，刀位控制，工作臺位置控制，手動操作，緊急停機(jī)等。（四）自動加工程序設(shè)計（1）機(jī)床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位刀具快速進(jìn)給加工退刀工作臺運(yùn)動到下一位置；（2）計算機(jī)在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工；8.步進(jìn)電動機(jī)的控制及驅(qū)動電源選用8.1電動機(jī)特性分析及細(xì)分驅(qū)動控制步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計采用集成脈沖分配器YB013。A相波形B相波形C相波形 圖八 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)）由于步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。步進(jìn)電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，不但取決于步進(jìn)電動機(jī)自身的性能，也取決于步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的優(yōu)劣。步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號（來自控制器），它就驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。步進(jìn)電動機(jī)不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源（步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器）。控制器（脈沖信號發(fā)生器）可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移