(完整word版)X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說明書(最終版)

1、1 、設(shè)計(jì)任務(wù).22、總體方案的確定 .22.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 .22.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .32.3繪制系統(tǒng)組成框圖 .32.4繪制機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖 .33、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型.43.1脈沖當(dāng)量的確定 .43.2導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算.43.3傳動(dòng)部件、導(dǎo)向部件的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選用.43.3.1銑削力的計(jì)算 .43.3.2直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型.43.3.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型.53.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 .73.5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 .73.5.1計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq .73.5.2計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq .83.5.3

2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定.103.5.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 .104、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .114.1根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)主要考慮以下功能：.114.2數(shù)控系統(tǒng)的組成 .114.3 CPU 的選擇 .114.4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) .124.4.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理.124.4.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源選用 .134.5其它輔助電路設(shè)計(jì) .145、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .155.1接口程序初始化 .155.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 .155.2.1電機(jī)的控制電路原理及控制字.155.2.2電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序 .155.3圓弧插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì) .175.3.1逐點(diǎn)比較法 .175.3.2程序設(shè)

3、計(jì) .17參 考 文 獻(xiàn) .2011 、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控X-Y 工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)，該工作臺(tái)可安裝在銑床上， 用于銑削加工。 設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)最大銑刀直最大銑削最大銑削加工工作臺(tái)加工最大移動(dòng)分組徑 mm寬度 ae深度 ap材料范圍（ mm）速度220 mm8 mm5 mm碳鋼X=250，Y=1803m/min其它參數(shù)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，初令立銑刀齒數(shù)Z=3；X，Y 方向的脈沖當(dāng)量xy0.01mm/脈沖 ；X， Y 方向的定位精度均為0.02 mm。2、總體方案的確定2.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇（ 1）導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)的X-Y 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)

4、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）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)，要滿足0.01mm 的脈沖當(dāng)量和0.02 mm的定位精度， 滑動(dòng)絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。（ 3）減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副以后， 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，本設(shè)計(jì)決定采用無間

5、隙齒輪傳動(dòng)減速箱。（ 4）伺服電動(dòng)機(jī)的選用本設(shè)計(jì)中的脈沖當(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3m / 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，可以選用性能好一些的步進(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。（ 5）檢測裝置的選用伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán) 3 種控制方式。 開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不能達(dá)到較高水平的基本問題，但是步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會(huì)積累；轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負(fù)載大小、環(huán)境

6、條件的波動(dòng)而變化的特點(diǎn)。并且步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測與反饋控制的問題，結(jié)構(gòu)比較簡單， 易于控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也取得了可喜的發(fā)展。因此，在一定范圍內(nèi)， 這種采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。雖然閉環(huán)、 半閉環(huán)控制為實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具體的系統(tǒng)中，增加了位置檢測、反饋比較2及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了在安裝調(diào)試增加工作量和復(fù)雜性外，從控制理論的角度看，要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，其難度也將大為提高。為此，考慮到在普

7、通立式銑床上進(jìn)行改造，精度要求不是很高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。考慮到 X、Y 兩個(gè)方向的加工范圍接近，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(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)（ 1）、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(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制，選用 MCS-51系列的 8 位單片機(jī) AT89S51作為控制系統(tǒng)的 CPU，能夠滿足本設(shè)計(jì)給定的相關(guān)指標(biāo)。（ 3）

8、、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。（ 4）、選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。2.3 繪制系統(tǒng)組成框圖圖 2-12.4 繪制機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖-2圖 2-233、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型3.1 脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，考慮到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差存在。脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本設(shè)計(jì)確定的脈沖當(dāng)量為X方向（縱向），Y方向（橫向）的脈沖當(dāng)量xymm脈沖。0.01 /3.2 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算按照下導(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

9、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G 800N 。3.3 傳動(dòng)部件、導(dǎo)向部件的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選用銑削力的計(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1 表 3-7 查得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為：Fc 118ae0.85 fz0.75d 0.73 ap1.0n0.13z今選擇銑刀直徑d=20mm，齒數(shù) Z=3，為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae 8mm ，背吃刀量 ap5mm，每齒進(jìn)給量fz0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速 n300r / min 。則由上式可求得最大銑削力：Fc11880.85 0.10.752

10、0 0.7351.03000.133434N采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由1 表 3-5 查得，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，所以為了安全， 應(yīng)考慮這種最危險(xiǎn)的工況?？晒浪闳齻€(gè)方向的銑削力分別為：Ff1.1477N ， Fe0.38Fc165N ， F fn 0.25Fc109N 。上述情況為臥銑情況，現(xiàn)Fc考慮立銑， 則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力FzFe 165N ，受到水平方向的銑削力分別為Ff 和 Ffn 。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力 FxF f477N ，徑向銑削力 FyFfn109N 。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副

11、的計(jì)算與選型（ 1）滑塊承受工作載荷Fmax 的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本設(shè)計(jì)中的X-Y 工作臺(tái)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(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：FmaxGF4其中，移動(dòng)部件重量 G800N ，外加載荷 FFz 165N ，代入上式，得最大直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為 KL 系 列 的JSA-LG15型4工作載荷 Fmax 365N0.365kN 。查1 表 3-41 ，根據(jù)工作載荷Fmax 0.365kN ，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL 系列的 JSA-LG15型，其

12、額定動(dòng)載荷 Ca7.94kN ，額定靜載荷 C0a 9.5kN 。本設(shè)計(jì)規(guī)定的工作臺(tái)加工范圍為250mm×180mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定的余量，查1 表 3-35 ，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為580mm。（ 2）距離額定壽命 L 的計(jì)算上述選取的 KL 系列的 JSA-LG15 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1 表 3-36 表 3-40 ，分別取硬度系數(shù)f H 1.0 、溫度系數(shù) fT1.00 、接觸系數(shù) f C0.81 、精度系數(shù) f R 0.9 、載荷系數(shù) fW1.5 ，代 1式（ 3

13、-33 ），得距離壽命：L( f H fT f C fRC a ) 3 5059083kmfWFmax遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型（ 1）最大工作載荷 Fm 的計(jì)算如前面所述，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）Fx477N ，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy 109N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz165N 。已知移動(dòng)部件總重量G800N ，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查1 表 3-29 ，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1 ，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)0.005 。求得滾珠絲杠副的最大工滾珠絲杠作載荷：螺母副的FmKFxFz Fy G1

14、.1 477 0.005165 109800 N 530N型號(hào)為濟(jì)寧博特精（ 2）最大動(dòng)載荷 FQ 的計(jì)算密絲杠制造有限公設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力是的最快進(jìn)給速度v400mm/ min ，初選絲杠導(dǎo)程司生產(chǎn)的G 系 列Ph4mm，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速nv / Ph 100r / min 。1604 3型取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入 L60nT /10 6 ，得絲杠壽命系數(shù)0L090 （單位為： 106 r ）5查1 表 3-30 ，取載荷系數(shù)fW1.2 ，滾道硬度為 60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)fH1.0 ，代入 1 式（ 3-23 ），求得最大動(dòng)載荷：FQ3 L0 fW fH Fm285

15、0N（ 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1表 3-31 ，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 G系列 1604 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16mm，導(dǎo)程為 4mm，循環(huán)滾珠為 3 圈× 1 列，精度等級(jí)取5 級(jí)，額定動(dòng)載荷為4612N，大于 FQ ，滿足要求。（ 4）傳動(dòng)效率 的計(jì)算將公稱直徑 d016mm ，導(dǎo)程 Ph4mm ，代入arctan Ph /d0，得絲杠螺旋升角4 33' 。將摩擦角=10'，代入tan / tan() ，得傳動(dòng)效率96.4%。（ 5）剛度的驗(yàn)算1）X-Y 工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠

16、副的支承均采用“單推單推”的方式，見附圖“X-Y 數(shù)控工作臺(tái)裝配圖”。絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離約為a560mm；鋼的強(qiáng)性模量 E 2.1105 MPa ；查 1表 3-31 ，得滾珠直徑 Dw2.381mm，絲杠底徑 d2 13.1mm，絲杠截面積Sd22 / 4 134.78mm2。忽略 1 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1Fm a / ( ES)530560/ (2.1105 134.78) mm0.0105mm 。2）根據(jù)公式Z ( d0 / D w ) 3，求得單圈滾珠數(shù)Z 21；該型號(hào)絲

17、杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為 3× 1，代入公式： ZZ圈數(shù)列數(shù) ，得滾珠總數(shù)量 Z63 。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力FYJFm / 3 177N 。則由 1 式（ 3-27 ），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量20.0013mm 。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3 ，所以實(shí)際變形量可減小一半，取2 0.00065 mm 。3）將以上算出的1 和2 代入總12 ，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度560mm）總 0.01115mm 11.15 m 。本設(shè)計(jì)中，絲杠的有效行程為330mm，由 1 表 3-27 知， 5 級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時(shí)，行程偏差允許

18、達(dá)到25m ，可見絲杠剛度足夠。（ 6）壓桿穩(wěn)定性校核6根據(jù) 1 公式（ 3-28 ）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk 。查 1 表 3-34 ，取支承系數(shù)fk 1 ；由絲杠底徑d2 13.1mm ，求得截面慣性矩 Id24 /641445.62mm4；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 1 式（ 3-28 ），得臨界載荷 Fk 3185N ，遠(yuǎn)大于工作載荷Fm530N ，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。3.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使?jié)L珠步進(jìn)電

19、動(dòng)絲杠和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上盡可能地小，今在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸機(jī)減速箱上安裝一套齒輪減速箱。采用一級(jí)減速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲的型號(hào)為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1 圖 3-8所示的彈簧錯(cuò)常州市新齒法消除側(cè)隙。月電機(jī)有限公司生已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量xy 0.01/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程h4mm，產(chǎn)的 JBFmmP初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角1.5。根據(jù) 1式（ 3-12），算得減速比：3 型i (Ph ) / (360) (1.54) / (3600.01) 5 / 3本設(shè)計(jì)選用常州市新月電機(jī)有限公司生產(chǎn)的JBF3 型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1

20、mm，齒數(shù)比為 60:36 ，材料為 45 調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)55HRC。減速箱中心距為60361/ 2 mm 48mm小齒輪厚度為 20mm，雙片大齒輪厚度均為 10mm。3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)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d016mm ，總長 l560mm ，導(dǎo)程 Ph4mm ，材料密度7.8510 3 kg / cm3 ；移動(dòng)部件總重力G800N ；小齒輪寬度b120mm ，直徑 d136mm ；大齒輪寬度b220mm ，直徑 d260mm ；傳動(dòng)比步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)的i 5/ 3 。90BYG2602，如1 表 4-1

21、 所示，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：四相八拍驅(qū)L R4567.85 10 3 0.84動(dòng)時(shí)步距角滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js0.283kg cm2 ；為 1.522托板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw( Ph)2 mi( 0.4 )280 0.324kg cm2 ；227LR427.8510小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz122LR427.8510大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz222341.80.259kg cm2 ；3341.998kg cm2 。初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)90BYG2602，為四相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，四相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為 1.5，從 1 表 4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm4kg cm2

22、。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：JeqJmJ z ( z1 ) 2J zJs mi ( Ph ) 24 0.259(5) 2(1.998 0.283 0.324) 11.50kg cm21z2223計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq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）快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1由1 式（ 4-8 ）可知， Teq1 包括三部分：一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 Tamax ；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf ；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0 。

23、因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)1 式（ 4-12 ）可知，T0 相對(duì)于 Ta max 和 Tf很小 - ，可以忽略不計(jì)。則有：Teq1Ta max Tf根據(jù) 1 式（ 4-9），考慮傳動(dòng)鏈的總效率，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：Ta max2Jeqnm 160ta式中 nm 對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r / min ；ta 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm 轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。其中：nmvmax360式中 vmax 空載最快移動(dòng)速度，本設(shè)計(jì)指定為3000mm/ min ；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為1.5 ；8脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中xy0.01/脈

24、沖。mm將以上各值代入 1 式（ 6-15 ），算得 nm1250r / min 。設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm 轉(zhuǎn)速所需時(shí)間 ta0.4s，傳動(dòng)鏈總效率0.7 。則由 1 式（ 6-14 ）求得：Ta max2 11.50 10 4 1250 N m 0.54 N m600.40.7由1 式（ 4-10 ）可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：( FzG) PhTfi2式中導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005 ；Fz 垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0；傳動(dòng)鏈總效率，取 0.7 。則由 1式（ 6-16 ），得：Tf0.005 (0800)0.004 N m 0.002 N m2

25、0.7 5/ 3最后由 1 式（ 6-13 ），求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Teq1Ta maxTf0.542 N m（2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2由1 式（ 4-13 ）可知， T包括三部分：一部分是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T ；eq2t一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 T0 。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù) 1 式（ 4-12 ）可知，T0 相對(duì)于 Ta max和 Tf 很小 - ，可以忽略不計(jì)。則有：Teq2TtTf其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工

26、作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt 由 1式（ 4-14 ）計(jì)算。本設(shè)計(jì)中在對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給載荷Fx477N ，則有：TtFf Ph477 0.0042 i20.7N m 0.26 N m5 / 39再由 1 式（ 4-10 ）計(jì)算垂直方向承受最大工作載荷（Fz165N ）情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：Tf( FzG)Ph0.005(165 800)0.004 N m 0.003N m2i20.7 5/3最后由 1 式（ 6-18 ），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Teq2TtTf0.263N m經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

27、轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：Teqmax Teq1, Teq20.542N m3.5.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)， 其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降， 可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq 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)。本設(shè)計(jì)取安全系數(shù) K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：Tj max4Teq 4 0.542 N m2.168N m上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，由 1 表 4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tj max6N m ?？梢姡瑵M足 1 式（ 6-20 ）的要求。3.5.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核

28、（ 1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核設(shè)工作臺(tái)最快工進(jìn)速度vmax f400mm/ min ，脈沖當(dāng)量xy 0.01mm / 脈沖 ，由 1 式（ 4-16 ）求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmax f400 / 60 0.01Hz667Hz 。從 90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線即下圖可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax f5.8N m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T0.263N m ，滿足要求。eq2圖 3-1 90BYG2602 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線10（ 2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核本設(shè)計(jì)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度vmax3000mm / min ，仿照

29、1式（ 4-16 ）求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 fmax 3000/ 60 0.01Hz 5000Hz 。從上圖查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax 3.8N m ，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1 0.542N m，滿足要求。（ 3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與最快空載移動(dòng)速度 vmax 3000mm / min 對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為fmax10000 Hz 。查 1 表4-5 可知 90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000Hz ，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 11.50kg cm2 ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm 4kg

30、 cm2 ，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1800 （查 1 表 4-5 ）。則由 1式（ 4-17 ）可以求出步fqHz進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：fLfq1914HzJeq / Jm上式說明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于914Hz 。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100Hz （即 100脈沖 / s）。綜上所述，本設(shè)計(jì)中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。4、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)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

31、的開關(guān)與按鈕信息；（ 3） 接受車床限位開關(guān)信號(hào)；（ 4） 控制 X， Z 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；4.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成數(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(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。4、接口。即I/O 輸入輸出接口。4.3 CPU 的選擇從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來看，選用較老的8051 單片機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無疑提高了設(shè)11計(jì)價(jià)格，而選用高性能的16 位 MCS-96又顯得過于浪費(fèi)。生產(chǎn)基于51 為內(nèi)核的單片機(jī)的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在 CMOS器件生產(chǎn)領(lǐng)

32、域ATMEL公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的 AT89 系列單片機(jī)內(nèi)含F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)掉電也不影響信息的保存；它和80C51 插座兼容，并且采用靜態(tài)時(shí)鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件 CPU選用 AT89S51， AT表示 ATMEL公司的產(chǎn)品， 9 表示內(nèi)含 Flash存儲(chǔ)器， S 表示含有串行下載 Flash 存儲(chǔ)器。AT89S51的性能參數(shù)為： Flash 存儲(chǔ)器容量為4KB、 16 位定時(shí)器 2 個(gè)、中斷源6 個(gè)（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、 外部中斷0、外部中斷 1、定時(shí)器0 和定時(shí)器1 中斷）、RAM為 128B、

33、14 位的計(jì)數(shù)器 WDT、I/O 口共有 32 個(gè)。復(fù)位電路晶振電路隔離放大X 向步進(jìn)電機(jī)EPROM并行接口芯片芯片8255Y 相步進(jìn)2764隔離放大CPU電機(jī)AT89S51單片機(jī)SRAM限位開關(guān)芯片隔離放大信號(hào)6264鍵 盤 與 顯操作面板開關(guān) /按鈕信號(hào)示接口芯片圖 4-1控制系統(tǒng)原理框圖4.4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)， 步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、 定位和退刀時(shí)能快速運(yùn)行、工作時(shí)能帶動(dòng)工作臺(tái)并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運(yùn)行。在定位和退刀時(shí)電磁鐵吸合使繪筆抬起，繪圖時(shí)能及時(shí)釋放磁力使筆尖壓下。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和工作原理步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋