XY工作臺設(shè)計說明書最新版本

1、目錄一、總體2二、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計31、脈沖當(dāng)量和傳動比的確定32、機械部件（工作臺）總體尺寸33、工作載荷分析及計算44、滾珠絲杠螺母副的選型和校核55、導(dǎo)軌的選型和計算106、聯(lián)軸器的選擇及計算117、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算128、步進(jìn)電機的選用13三、控制系統(tǒng)設(shè)計181、控制系統(tǒng)硬件的基本組成182、接口程序初始化及步進(jìn)電機控制程序193、直線圓弧插補程序設(shè)計22四、設(shè)計總結(jié)30參考文獻(xiàn)31一、總體1、總體參數(shù)設(shè)計一個數(shù)控XY工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可安裝在銖床上，用丁鐵削加工。已知的設(shè)計參數(shù)如下：最大銖刀宜徑中mm最大銖削寬度ae最大銖削深度ap加工材料工作臺加工范圍（mm）取大移動

2、速度20mm10mm5mm碳鋼X=250,Y=2003m/min2、開、半閉、閉環(huán)選擇開環(huán)伺服系統(tǒng)一一步進(jìn)電機驅(qū)動一一沒有檢測裝置半閉環(huán)伺服系統(tǒng)一一交流或直流伺服電機驅(qū)動一一脈沖編碼器一一速度反饋閉環(huán)伺服系統(tǒng)一一交流或直流伺服電機驅(qū)動一一位置檢測裝置一一位置反饋本設(shè)計采用開環(huán)步進(jìn)電機驅(qū)動。3、傳動初步設(shè)計電動機一一聯(lián)軸器一一滾珠絲杠一一工作臺4、系統(tǒng)組成框圖大致確定為：控制、接口、驅(qū)動、傳動再到執(zhí)行即為控制器T接口電路T驅(qū)動裝置T傳動機構(gòu)TXY工作臺5、機械傳動系統(tǒng)簡圖X軸與Y軸的傳動系統(tǒng)簡圖都如圖所示、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計1、脈沖當(dāng)量和傳動比的確定1.1、脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)機床或工作臺進(jìn)給系統(tǒng)所需要

3、的定位精度來選定脈沖當(dāng)量?？紤]到機械傳動系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當(dāng)量值必須小丁定位精度值。本次設(shè)計給定脈沖當(dāng)量6p為0.01mm。1.2、傳動比的確定傳動比計算公式：i九Lo360、p（參考文獻(xiàn)【1】式21）其中：為步進(jìn)電機的步距角,L。為滾珠絲杠導(dǎo)程，源為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。根據(jù)傳動設(shè)計，米用聯(lián)軸器，初選電機步距角8b=0.9°,絲杠導(dǎo)程L0=4mm,5P=0.01mm。則其傳動比i=w=q=1360、P3600.012、機械部件（工作臺）總體尺寸由丁工作臺的加工范圍為X=250mmY=200mm工作臺尺寸一般為工作臺加工范圍的1.1倍。所以：X=250X1.1=275mmY=200X1.1

4、=220mm其厚度初定為30mm。1選擇工作臺的型槽為T型槽，查電子版袖珍機械設(shè)計師手冊中的T型槽和相應(yīng)螺栓（摘自GB/T158-1996）表3-25T型槽和相應(yīng)螺栓尺寸，可得所選T型槽的參數(shù)：A=10mmB=18mmC=8mmH=21mm間距取50mm一取工作臺厚度為T型槽厚度的2倍，即2X21=42mm工作臺質(zhì)量：Mo=Pv=7.8乂10七275乂10乂220乂1舟421蒞=19.8么g,即縱向絲杠所承受的質(zhì)量。在工作臺上的工件和夾具的質(zhì)量估計為Mi=60kg所以總的移動部件的重量為M=M0M1=19.82-60kg=79.82kg80kg3、工作載荷分析及計算3.1銷削力的分析與計算鐵削

5、運動的特征是主運動為鐵刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)，進(jìn)給運動為工作臺帶動工件在垂直丁鐵刀軸線方向緩慢進(jìn)給（鍵槽銖刀可沿軸線進(jìn)給）.銖刀的類型很多，但以圓柱銖刀和端鐵刀為基本形式，此選用莫氏錐柄立銖刀，銖刀材料選擇高速鋼.根據(jù)工件材料為碳鋼可確定銖削力的計算公式：Fz=9.81Cfzae°'86af°'72武86ap-Z（參考文獻(xiàn)【1】表2-1）式中各參數(shù)如下:Cfz銖削力系數(shù)，Cfz=68.2（參考文獻(xiàn)【1】表2-3）ae最大銖削寬度，本設(shè)計為10mmap背吃刀量，本設(shè)計為5mmZ銖刀齒數(shù)，選擇粗齒，齒數(shù)取3（參考文獻(xiàn)【2】表3-23）d0銖刀直徑，查得d°

6、;=20mm巳知）af每齒進(jìn)給量（mm/齒）,即鐵刀每轉(zhuǎn)一個齒問角時，工件與鐵刀的相對移動量，查得af=0.04mm齒（參考文獻(xiàn)【2】表5-6）故：Fz=9.81X68.2X10°'86X0.040.72X20-0'86X5X3=545N由表21和表2-2中a,表示每齒進(jìn)給量（mm/齒），即鐵刀每轉(zhuǎn)一個齒問角時,工件與鐵刀的相對移動量，每齒進(jìn)給量a,、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f（mm/r）和工作臺進(jìn)給速度v三者之間的關(guān)系為v=afzn（mm/min）式中z為鐵刀齒數(shù),n為鐵刀轉(zhuǎn)速（r/min）可得工作臺進(jìn)給速度v=afzn=0.043600（mm/min）=72（mm/min）3.

7、2進(jìn)給工作臺工作載荷計算作用在工作臺上的合力F，與鐵刀刀齒上受到的銖削力的合力F大小相同，方向相反，合力F，就是設(shè)計和校核工作臺進(jìn)給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷，它可以沿著銖床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺縱向進(jìn)給力方向載荷FL,工作臺橫向進(jìn)給方向載荷FC和工作臺垂直進(jìn)給方向載荷FV。工作臺工作載荷Fl、Fc和Fv與鐵刀的切向銖削力Fz之間有一定的經(jīng)驗比值。因此，根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】表2-4,查工作臺載荷與切向銖削力的經(jīng)驗比值：銖削條件比值不對稱銖削逆銖順銖圓柱銖、立銖盤鐵和成型鐵Fl/Fz1.001.200.800.90Fv/Fz0.200.300.750.80Fc/Fz0.350.400.35

8、0.40求出Fz后，根據(jù)最大的經(jīng)驗比算，即可計算出工作臺的計算載荷Fl、Fv和FcFl=1FZ=1545=545NFC=0.2FZ=0.2545=109NFV=0.4FZ=0.4545=218N4、滾珠絲杠螺母副的選型和校核4.1滾珠絲杠螺母副類型選擇4.1.1主要類型采用回珠器處在螺母之內(nèi)的鋼珠內(nèi)循環(huán)方式，另外，為了消除間隙和提高滾珠絲杠副的鋼度，可以預(yù)加載荷，使它在過盈的條件下工作，初步選用墊片預(yù)緊式。4.1.2主要參數(shù)及代號4.1.2.1滾珠絲杠副的主要參數(shù)公稱直徑dm，數(shù)控機床常用的進(jìn)給絲杠的公稱直徑dm為©30mm至*80mm,但這是X-Y工作臺，dm不用太大，初選d0=2

9、0mm?；緦?dǎo)程(螺距)L0,由步距角也=0.9*脈沖當(dāng)量&p=0.01mm/脈沖和傳動比i=1確定Lo=3605pi/Bb=4mm。 精度等級，一般選用4級7級，數(shù)控機床及精密機械可選用2級3級。它是滾珠絲杠副的重要指標(biāo)，直接影響定位精度、承載能力和接觸剛度。4.1.2.2滾珠絲杠副的標(biāo)注參考【2】表2-6,初步選擇滾珠絲杠副為FDM1604-3,導(dǎo)軌面的硬度為5864HRC參考【3】表12-1-17查出其具體參數(shù)如下：規(guī)格代號公稱直徑D0公稱導(dǎo)程Dh0滾珠直徑Dw螺旋升角X循環(huán)列數(shù)額定動載荷Ca(KN)額定靜載荷Coa(KN)接觸剛度Kc(N/Pm)1604-31642.3814&

10、#176;33，35.19.74424.2滾珠絲杠螺母副的型號選擇及校核步驟4.2.1最大工作載荷(計算進(jìn)給牽引力Fm(刈)滾珠絲杠上的工作載荷Fm(N)是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。選用矩形導(dǎo)軌，計算公式(參考文獻(xiàn)【1】式2-10):Fm=KR+f(Fv+Fc+G)式中K考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，矩形導(dǎo)軌K=1.1廠滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.00250.005;這里取0.005G移動部件的重力(N):G=800NFl工作臺縱向進(jìn)給方向載荷Fl=545NFc工作臺橫向進(jìn)給方向載荷Fc=109NFv工作臺垂直進(jìn)給方向載荷Fv=218N故:R=1.1X545+

11、0.005X（109+218+800）=605N4.2.2最大動負(fù)載C的計算及主要尺寸初選滾動絲杠最大動載荷C可用下式計算：C=VEfmFm參考【1】（2-14）式中：L為工作壽命，單位為106r,L=60nt/106;n為絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）,n=1000v/L0;v為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,L0為所預(yù)選的滾珠絲杠的導(dǎo)程，待剛度驗算后再確定；t為額定使用壽命（h）,可取t=15000h;fm為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取11.2,一般情況取1.21.5,有沖擊振動取1.52.5;Fm為滾珠絲杠工作載荷（N）。初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動載荷Ca不得小丁最大動載荷C;C

12、aC。取fm=1，而工作臺進(jìn)給速度v=72（mm/min），則工作壽命L:L=60nt/106=60x1000vt/106L0=60乂72勺5000/（106尺4）=16.2（106r）則C=3LfmFm=316.21.1605=1684N因為Ca=8.2kNAC,所以所選滾珠絲杠螺母副符合最大動載荷要求。4.2.3傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率。為：木=taS：.）參考【1】（2-15）其中，提絲杠螺旋"，可由主螞=些墮=1.209°,中為摩擦二d0二20角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f=0.0030.004，其摩擦角約等丁10=san100%=tan1.209100

13、%=87.88%tan廣)tan(1.20910')滾珠絲杠副的傳動效率較高，一般取0.80.9之間，可知，上式傳動效率計算有4.2.4剛度驗算4.2.4.1絲杠的拉壓變形量A滾珠絲杠計算滿載時拉壓變形量：&=±參考【1】（2-15）EA其中：&為在工作載荷Fm作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm）,Fm為絲杠的工作載荷（N）,L為滾珠絲杠在支承件的受力長度（mm），取L=400mm,E為材料彈性模量，對鋼E=20.6x104Mpa,A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積,2、（mm）,A=k（d）2=rx（笙5）2=i43.14mm,“+”號用丁拉伸，"

14、;-”號用丁壓縮。mFmL605400貝U、140.00821mmEA20.6104143.144.2.4.2滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量&該變形量與滾珠歹0、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長度無關(guān)。有預(yù)緊時，可以使用下式計算：&2=0.0013刁Fm（mm）參考【1】（2-17）3.DwFyjZ：其中：Dw為滾珠直徑（mm）,Zf為滾珠總數(shù)量Zy=Z圈數(shù)乂列數(shù),Z為一圈的滾珠數(shù)，Z=（明°/Dw）-3（內(nèi)循環(huán)），d°為滾珠絲杠的公稱直徑（mm）,Fyj為預(yù)緊力（kgf,1kgf=9.8N）,Fm為滾珠絲杠的工作載荷（kgf,1kgf=9.8N）查

15、表可得Dw=2.381Z=（兀d0/Dw）一3（內(nèi)循環(huán)）=兀又16/2.381一3=18.111Z£=Zx圈數(shù)x列數(shù)=18.111尺3奕E08.666L1L1一Fm=605/10kgf=60.5kgf,FYJFm60.5kgf=20.17kgf3360.5d=000ia,Fmnone=O00095mm3DwFYJZ；32.38120.17108.6662由丁當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時，&值可減少一半左右。4.2.4.3滾珠絲杠副剛度的驗算絲杠的總變形量6=&+訊應(yīng)小丁允許的變形量。一般5不應(yīng)大丁機床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半?；蛘撸山z杠

16、精度等級查出規(guī)定長度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長度上的變形量應(yīng)該比它小。否則，應(yīng)考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲杠。查機械設(shè)計手冊，滾珠絲杠副行程精度，表12-1-19,在效行程L內(nèi)平均行程變動量，根據(jù)機床的定位精度為可得為0.023mm,d=&+&=0.00821+0.00095=0.00916mm<0.00115mm。因此所選的滾珠絲杠副剛度符合要求。4.2.5壓桿穩(wěn)定性驗算滾珠絲杠長度確定根據(jù)經(jīng)驗公式l=1行程LT其余其中L由1604-3絲杠副中取L=65mm.故Lx=250+65+50=365mm圓整Lx=365mmLy=200+65+50=320mm圓整Ly=320m

17、m滾珠絲杠通常屆丁受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失去穩(wěn)定。失穩(wěn)時的載荷FK為：Fk=U參考【1】（2-18）其中：E為絲杠材料彈性模量，對鋼E=20.6F04Mpa,I為截面慣性矩，對絲杠圓截面I=叫4/64=兀、15.34/64=2689.89mm4,fz=2.0（絲杠承載方式系數(shù),選用一端固定，一端簡支方式）則較驗較長的絲杠:F=fzEI=2.0二20.61042689.89跛仃NKLx23652臨界載荷Fk與絲杠工作載荷Fm之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)nk，如果以大丁需用穩(wěn)定安全系數(shù)nk1,則該滾珠絲杠就不會失穩(wěn)。因此，滾珠絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為：Fk2

18、6104nk=429.8八nk=4Fm605因此，所選滾珠絲杠符合穩(wěn)定性要求。4.2.6滾珠絲杠螺母副安裝連接尺寸在確定絲杠副類型及型號及進(jìn)行了傳動效率、剛度和穩(wěn)定性校核后，還需要考慮其他一些設(shè)計事項。比如：避免絲杠外露；螺母在有效行程內(nèi)配置限位裝置，以免越程滾珠流失；滾珠絲杠必須潤滑，常用鋰樹脂；絲杠副螺母安裝連接尺寸等。參考【4】根據(jù)表2-12和圖2-12內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副（包括浮動反向器及固定反向器）滾珠螺母安裝、連接尺寸：規(guī)格代虧公稱直徑公稱導(dǎo)程滾珠螺母安裝、連接尺寸d0PhDiD3D4BD5D6A1604164285038105.8105.75、導(dǎo)軌的選型和計算5.1滾動導(dǎo)軌本設(shè)計采用

19、整體型直線滾動導(dǎo)軌，因為它是根據(jù)預(yù)緊訂貨，不需要自己調(diào)整。5.2、直線滾動導(dǎo)軌副的計算參考【1】表2-16列出了上海組合夾具廠兩種型號（SGDA和SGDB）直線滾動導(dǎo)軌副的主要參數(shù)，其中Ca為額定動載荷，C°a為額定靜載荷（kN）。初選GDA20滾動導(dǎo)軌，根據(jù)指導(dǎo)書表2-16可得其導(dǎo)軌參數(shù)，其額定動載荷Ca=12.4kN。這個行走距離稱為滾動導(dǎo)軌的距離額定壽命，它可根據(jù)滾動導(dǎo)軌的額定動載荷Ca用下列公式進(jìn)行計算：3L=50宣fHfTfc參考【1】（2-20）IFfw）其中：L為滾動導(dǎo)軌副的距離壽命（km）,F為每個滑塊上的工作載荷（N）,F=21"800=254削,fH為硬

20、度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為5864HRC44時，fH=1.0,fT為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過100毛時，fT=1,fC為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝兩個滑塊時fC=0.81,fW為載荷/速度系數(shù)，無沖出振動或v15m/min時fW=11.5,取fW=1.2。則滾動導(dǎo)軌副的距離壽命L:L=50CafHfTfC=50/312.4x101x1x0.81254.51.2J=1778.6km從產(chǎn)品樣本中選定了滾動導(dǎo)軌副的型號，計算距離壽命L或小時額定壽命Lh,若L或Lh大丁滾動導(dǎo)軌的期望壽命時，則滿足設(shè)計要求，初選的滾動導(dǎo)軌副即可米用。由丁L=1778.6km50km,所以初選的滾動導(dǎo)軌副滿足要求6、聯(lián)軸器的

21、選擇及計算參考【5】初步選用LK系列夾緊螺絲固定微型剛性聯(lián)軸器，其特點：重量輕、超低慣性和靈敏度鋁合金和不銹鋼材料夾緊螺絲固定。初選：LK13-C32-口口口口，其中：GH2表示系歹U號,19表示外徑為42mm。注：口口口口表示兩邊孔徑。系列號后面不帶C為頂緊固定方式外型尺寸：（單位為mm）規(guī)格型號DLL1M可做最大內(nèi)徑LK13-C32-1014323219M414技術(shù)參數(shù)規(guī)格型號扭矩(N/M)糾纏能力速(rpm)擰緊力矩（N.m）額定最大徑向(mm)軸向（mm）角度（0）LK13-C32-1014240.151246002.5LK13-C32-1014,1014由計算得出，其中一個為絲杠跟聯(lián)

22、軸器連接尺寸，另一個為電機軸跟聯(lián)軸器的配合尺寸。已知可做最大內(nèi)徑為14,則選絲杠端與聯(lián)軸器配合尺寸為14mm。7、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算由丁傳動部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機軸的折算問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。7.1轉(zhuǎn)動慣量的計算基本公式對丁軸、軸承、聯(lián)軸器、絲杠等圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量計算公式，當(dāng)鋼材材料密度為7.8x10'（kg*cm2）時，有J=0.78。41婦0'化9,對2）參考【1】（2-3）P7其中：D為圓柱體直徑（cm）,L為圓柱體長度（cm）。7.2、轉(zhuǎn)動慣量折算7.2.1滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣

23、量Js折算根據(jù)滾珠絲杠慣量Js折算到電機軸上為：Js/i2,i為絲杠與電機軸之間的總傳動比。根據(jù)滾珠絲杠的公稱直徑d0=16mm，其長度L=400mmWJJS=0.78D4L10項=0.781.644010項=0.204（kg，cm2）7.2.2工作臺等效轉(zhuǎn)動慣量Jg折算工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸（圖2-2）上的轉(zhuǎn)動慣量Jg可fi'2按下式進(jìn)行：JG=M（kg*cm2）參考【1】（2-6）P8其中：L。為絲杠導(dǎo)程（cm）,M為工作臺質(zhì)量（kg）。則其等效工作臺轉(zhuǎn)動慣量Jg：J-fL°JgG2二250.4MI-2280=0.324(kg.cm2)7.2.3聯(lián)軸

24、器等效轉(zhuǎn)動慣量Jl折算對丁聯(lián)軸器按其外徑計算D=38.1mm，長度為L=38.1mm,則其等效轉(zhuǎn)動慣量Jl:Jl=0.78D4L10；=0.783.8143.8110'=0.626(kg.cm2)7.2.4傳動系統(tǒng)各部件折算到電機上的總等效轉(zhuǎn)動慣量JWJJ*JsJgJl=0.2040.3240.626=1.154(kg，cm2)8、步進(jìn)電機的選用根據(jù)步進(jìn)電機的優(yōu)點，輸出轉(zhuǎn)角（步距角）無長期積累誤差，每轉(zhuǎn)一圈積累誤差會自動消失。啟動、停止、反轉(zhuǎn)及其他運行方式的改變，都可以在少量的脈沖周期內(nèi)完成并且具有定位轉(zhuǎn)矩。8.1步距角的選擇定位精度要求較高，運行范圍較廣的控制系統(tǒng)，應(yīng)選用步距角較小，

25、運行頻率較高的步進(jìn)電機。已知脈沖當(dāng)量柘=0.01mm/脈沖，絲杠的導(dǎo)程L°=4mm由公式2-23代入數(shù)據(jù)得*01即步進(jìn)電機的步距角斗=0.98.2步進(jìn)電機輸出轉(zhuǎn)矩的選擇步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指步進(jìn)電機的定位轉(zhuǎn)矩（靜止?fàn)顟B(tài)），是選擇步進(jìn)電機的最基本的參數(shù)。步進(jìn)電機空載啟動轉(zhuǎn)矩可按下式計算Mkq=MkaMkfM°（2-24）其中Mkq為空載啟動力矩（N，cm）;Mka為空載啟動時運動部件由靜止上升到最大快進(jìn)速度時，折算到電機上的力矩（N，cm）；Mkf為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N，cm）；Mo為由丁絲杠預(yù)緊，折算到電機軸上的附加摩擦力矩(N.cm)。加速度力矩n

26、maxVmaxb30000.9c.P360一0.01360=750(r/min)初設(shè)運動部件從靜止啟動加速到最大快進(jìn)速度所需的時間t=0.2s。則加速度力矩Mka=J=J；2nmaxo'=1.1542一口5010=4.532（N*cm）-60t600.2空載摩擦力距'.空載摩擦力矩Mkf:Mkf=（N*cm）參考【1】（2-27）2F式中：G為運動部件的總重量（N）,G=80Q0N;f'為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，f'=0.004;n為傳動系統(tǒng)總效率，一般取=0.70.85。則MkfGfL。2二i80100.00442二0.801=2.546(N*cm)附加摩擦力距M0附加

27、摩擦力距M0:M0=號*（1-聽2仆，cm）專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書（2-28）其中：Fyj為滾珠絲杠預(yù)加載荷，即預(yù)緊力，一般取Fm的1/3;聽為滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取n芝0.9。貝U:M0=、(12)=201.7勺.4乂(1_0.922)=2.14(N,cm)2二i2二0.92步進(jìn)電機空載啟動轉(zhuǎn)矩為：Mkq=MkaMkfM0=4.5322.5462.14=9.218(N*cm)根據(jù)表2-17步進(jìn)電機啟動轉(zhuǎn)矩Mkq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax1關(guān)系步進(jìn)電機相數(shù)三相四相五相六相吊數(shù)3648510612Mkq/Mjmax10.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.86

28、6選取步進(jìn)電機為四相八拍式，算出步進(jìn)電機空載啟動時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax則Mjmax=Mkq/0.707=13.038(N，cm)8.3總負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mfq的計算運動部件正常工作，電動機的啟動為帶負(fù)載啟動，其總負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mfq可按下式計q算：Mfq=Mka+Mkf+M°+MF'參考【1】(2-20)其中：Mf,為作用在工作臺的合力F折算到電機上的轉(zhuǎn)矩。MF2545；=37.713(N*cm)Mfq=Mka+Mkf+M0+MF=4.532+2.546+2.14+37.713=46.931(N,cm)根據(jù)下式算出運動部件正常運行時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax2:Mjmax2Mfq0.

29、30.5117.328(N*cm)按Mjmax1和Mjmax2中的較大者選取步進(jìn)電機的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax,并要求jmaxmax'Mjmax1,Mjmax2,根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩和步距角在表2-18BF反應(yīng)式步進(jìn)電動機技術(shù)參數(shù)表中初選電動機型號：步距角最大靜轉(zhuǎn)矩/N*m最高空運行頻率/Hz轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量c-5210kg,m質(zhì)量/kg夕卜形尺)/mm電機型號載啟動頻率/Hz分配力式外徑長度軸徑*90BF0010.93.922000800017.64四相八拍4.59014598.4啟動矩頻特性校核步進(jìn)電機有三種工況：啟動，快速進(jìn)給運行，工進(jìn)運行8.4.1啟動矩頻特性進(jìn)行校核前面進(jìn)行是對初選電機后檢

30、查電機最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求,但是不能保證電機在快速啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進(jìn)行校核。如右圖所以為90BF001步進(jìn)電機的啟動矩步特性曲線。已知空載啟動力矩Mkq=7.425(N.cm)找得對應(yīng)的允許啟動頻率fyq,yqfyq>2000(步/s)。yq由丁90BF001步進(jìn)電機的最高空載啟動頻率為2000(步/S)，所以fq<fyq,即電機不失步。qyq8.4.2運行矩頻特性校核要對快速進(jìn)給運行和工作進(jìn)給運行兩種工況分別校核，確?？爝M(jìn)和工進(jìn)時均不丟步。如右圖所示為90BF001步進(jìn)電機運行矩頻特性曲線。1、快速進(jìn)給運行矩頻特性校核步進(jìn)電機的最高快進(jìn)運行頻率fKJ可按式

31、(2-33)fKJ=1000Vma'=1000>3=5000Hz快速進(jìn)給時已經(jīng)不存在加速力矩項Mka，并60cP600.01且一般快進(jìn)時處丁空載狀態(tài)，故快進(jìn)力矩Mkj的計算公式只保留了Mkj=Mkf+M°,則快進(jìn)時，折算到電機軸上的摩擦力矩MKJ=Mkf0M2.5464.902N7c4n48()從90BF001步進(jìn)電機運行矩頻特性曲線，根據(jù)Mkj可找得fyKJ>8000Hz,而實際步進(jìn)電機的最高快進(jìn)運行頻率fKJ=5000Hz<fyKj,所以，快進(jìn)時電機不丟步。8.4.3工進(jìn)運行矩頻特性校核工進(jìn)時步進(jìn)電機的運行頻率伯二冬=1°°°

32、;Q126=210Hz60、p600.01p摩擦力矩Mf="(FvG)L0=°.004(651.478010)0，=。.2二i2二0.92工作負(fù)載力矩折算到電機上的力矩Mt=嘗=977.210.4=67.62(Ncm)2二i2二0.921工進(jìn)時電機運行力矩Mgj=M°MfMt=1.9020.40267.62=72.924(Ncm)根據(jù)工進(jìn)頻率fgj=210Hz，查90BF001步進(jìn)電機運行矩頻特性曲線，得MyGj>4(N*m)，而電機Mgj=72.924(Ncm>0.73(Nm),所以步進(jìn)電機在驅(qū)動工作臺時不會失步。8.4.4驗算慣量匹配電動機軸上的總

33、當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)矩慣量Jd與電機軸自身轉(zhuǎn)動慣量Jm的比值應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大，也不應(yīng)太少，即伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決丁負(fù)載特性，由丁工作條件的變化而引起的負(fù)載質(zhì)量、剛度、阻尼等的變化，將導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)特性也隨之產(chǎn)生較大變化，使伺服系統(tǒng)綜合性能變差，或給控制系統(tǒng)設(shè)計造成困難。如果該比值太小，說明電動機選擇或傳動比設(shè)計不太合理，經(jīng)濟性較差。為使該系統(tǒng)慣量達(dá)到較合理的匹配，一般應(yīng)將比值控制在1之4問。.2、Jm=1.764(kg*cm)_2J*=JSJGJL=0.0320.3240.637=0.913(kg,cm)也=絲3由0.517由此可見1<<1,符合慣量匹配要求。Jm1.7

34、644Jm8.5步進(jìn)電機的安裝尺寸步進(jìn)電機的安裝比較簡單，不帶機座，用定位止扣進(jìn)行安裝定位，以保證步進(jìn)電機安裝的同軸度。小尺寸電機的安裝面上有螺孔供安裝，大尺寸電機的安裝面上有通孔供安裝。1.1 三、控制系統(tǒng)設(shè)計1、控制系統(tǒng)硬件的基本組成微處理器選擇在以單片機為核心的控制系統(tǒng)中，大多數(shù)采用MCS-51系列單片機的8031芯片，經(jīng)過擴展存儲器、接口和面板操作開關(guān)等，組成功能較完善、抗干擾性能較強的控制系統(tǒng)。8031內(nèi)部包含一個8位CPU128字節(jié)的RAM兩個16位的定時器，四個8位并行口，一個全雙工申行口，可擴展的程序和數(shù)據(jù)存儲器各64K,有5個中斷源。1.2 系統(tǒng)擴展系統(tǒng)中采用鍵盤實現(xiàn)輸入，并

35、采用LED顯示器，它們均需要占用較多芯片口線，所以該系統(tǒng)需要進(jìn)行系統(tǒng)擴展?？删幊滩⑿薪涌?255A是一種應(yīng)用廣泛的并行接口擴展器件。它具有三個8位并行口PAPBPC,由此提供了24條口線。CPU:1KDpCO39ADO平8255|1D7£8AlA2RE叫？：.YD;p26圖3-1擴展連線1.3 顯示模塊與鍵盤連接如圖3-2,通過P1口及譯碼器的鍵盤和顯示接口電路。這里由P1口的準(zhǔn)雙向口功能可以實現(xiàn)一口多用。首先，使P1口的低4位輸出字形代碼;P1口的高4位輸出一個位掃描字，經(jīng)38譯碼器后顯示某一位，并持續(xù)1ms各位掃描一遍之后，關(guān)掉顯示。其次，使P1口的高4位轉(zhuǎn)為輸入方式，使P1口的

36、低4位輸出鍵掃描信號，有鍵按下時，轉(zhuǎn)入鍵譯碼和處理程序。圖3-2通過P1口及譯碼器的鍵盤和顯示接口電路1.4 步進(jìn)電機驅(qū)動電路設(shè)計步進(jìn)電機的驅(qū)動電路設(shè)計主要涉及脈沖分配器的選擇問題和驅(qū)動電路的選擇問題。時下脈沖分配器主要有兩種：一種是硬件脈沖分配器（國內(nèi)主要有YB系列），另外一種是軟件脈沖分配器。軟件脈沖分配器不需要額外的電路，相應(yīng)的降低了系統(tǒng)的成本，雖然這種方法占用了一定的計算機運行時間，但是在該設(shè)備中計算機有足夠的資源來擔(dān)當(dāng)買中分配任務(wù)。該系統(tǒng)采用軟件來經(jīng)行脈沖分配更為合理。單片機與步進(jìn)電機的接口電路如圖33。2.1 圖33單片機與步進(jìn)電機的接口電路2、接口程序初始化及步進(jìn)電機控制程序82

37、55A初始化程序MOVAL,86HOUTDX,ALMOVAL,05HOUTDX,ALINTT:MOVDX,8255A控制端口40H類型中斷服務(wù)程序MOVDX,8255AINAL,DXIRET步進(jìn)電機驅(qū)動程序2.3.1電機的控制電路原理及控制字節(jié)拍通電相控制字正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)二進(jìn)制十六進(jìn)制18A0000000101H27AB0000001103H36B0000001002H45BC0000011006H54C0000010004H63CD0000010105H72D0000011006H81DA0000011107H設(shè)電機總的運行步數(shù)放在R4,轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位F1(D中，當(dāng)F1為0

38、時，電機正轉(zhuǎn)，為1時則反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時P1端口的輸出控制字01H,03H,02H,06H,04H,05H存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲單元20H27H中，28H中存放結(jié)束標(biāo)志00H,在29H2EH勺存儲單元內(nèi)反轉(zhuǎn)時P1端口的輸出控制字01H,05H,04H,06H,02H,03H,在2DH單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志00孔2.3.2電機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序PUSHA;保護(hù)現(xiàn)場MOVR4,#N;設(shè)步長計數(shù)器CLRC；ORLC,D5H;轉(zhuǎn)向標(biāo)志為1轉(zhuǎn)移JCROTEMOVR0,#20;正轉(zhuǎn)控制字首址指針AJMPLOOP?ROTE:MOVR0,#27H;反轉(zhuǎn)控制字首地址LOOP:MOVA,R0；MOVP1,A;輸出控制字ACA

39、LLDELAY;延時INCR0;指針加1MOVA,#00H；ORLA,R0；JZTRL?LOOP1:DJNZR4,LOOP;步數(shù)步為0轉(zhuǎn)移POPA;恢復(fù)現(xiàn)場RET;返回TPL:MOVA,R0；CLRA；SUBBA,#06H；MOVR0,A;恢復(fù)控制字首指針AJMPLOOP1；DELAY:MOVR2,#M；DELAY1:MOVA,#M1；LOOP:DECA；JNZLOOP；DJNZR2,DELAY1；RET擊進(jìn)電機的控制程序框圖3、直線圓弧插補程序設(shè)計在機電設(shè)備中，執(zhí)行部件如要實現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線的路徑運動，必須通過兩個方向運動的合成來完成。在數(shù)控機床中，這是由X、Y兩個方向運動的工作臺，按照

40、插補控制原理實現(xiàn)的。3.1直線插補程序的設(shè)計3.1.1用逐點比較法進(jìn)行直線插補計算，每走一步，都需要以下四個步驟：偏差判別：判別偏差Fm芝0或Fm<0,從而決定哪個方向進(jìn)給和采用哪個偏差計算公式。坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進(jìn)給。偏差計算：進(jìn)給一步后，計算新的加工偏差。終點判別：進(jìn)給一步后，終點計算器減1.若為0,表示到達(dá)終點停止插補;不為0,則返回到第一步繼續(xù)插補。終點計算判別可用兩個方向坐標(biāo)值來判斷，也可由一個方向的坐標(biāo)值來判斷。當(dāng)Xe>Ye，可用X方向走的總步數(shù)Xe作為終點判別的依據(jù)，如動點X等丁終點Xe則停止。當(dāng)Xe<Y

41、e,則用Y方向走的總步數(shù)Ye作為終點判別的依據(jù)。由此，第一象限直線插補程序的算法如圖：3.1.2程序設(shè)計逐點比較法直線插補框圖值X,Y,偏差Fm。對8位機，一般可用2字節(jié)，而行程較大時則需用3字節(jié)或4設(shè)計程序時，在RA嗷據(jù)區(qū)分別存放終點坐標(biāo)值Xe、Ye,動點坐標(biāo)字節(jié)才能滿足長度和精度要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進(jìn)行初始化，如設(shè)置初始值、X、Y向步進(jìn)電機初態(tài)（控制字）。插補程序所用的內(nèi)存單元如下:28H29H2AH2BH2CH70HXeYeXYFm電機正反轉(zhuǎn)控制子電機正反轉(zhuǎn)控制字為:D0D1D2D3D4D5D6D7D1D必X向電機控制位。D0=1運行，D0=0停止；D1=1正轉(zhuǎn)，D1=0反轉(zhuǎn)。D

42、2D叫Y向電機控制位。D2=1運行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。第一象限直線插補的程序如下：ORG2000HMIAN:MOVSP,#60H;LP4:MOV28H,#0C8H;XeMOV29H,#0C8H;YeMOV2AH,#00H;XMOV2BH,#00H;YMOV2EH,#00H;FMOV70H,#0AH;LP3:MOVA,2EH;JBACC.7,LP1MOVA,70HSETBACC.0CLRACC.2MOV70H,A;LCALLMOTRLCALLDELAY;MOVA,2EH;SUBBA,29;INC2AHAJMPLP2;LP1:MOVA,70HSTEBACC.2CLRACC.

43、0LCALLMOTRLCALLDELAYMOVA,2EHADDA,28HLP2:MOV2EH,AMOVA,28HCJMEA,2AH,LP3RETEND程序中MOT的步進(jìn)電機的控制子程序3.2圓弧插補程序的設(shè)計3.2.1逐點比較法逐點比較法的圓弧的插補計算過程和直線插補過程基本相同，也分為偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計算和終點判別四個步驟。不同點在?。海?）偏差計算公式步進(jìn)與前一點偏差有關(guān)，還與前一點的坐標(biāo)有關(guān)，在計算偏差的同時要進(jìn)行坐標(biāo)計算。（2）終點的判別是以一個方向的坐標(biāo)值與終點坐標(biāo)值相比較判斷其是否相等為判據(jù)。若Xe<Ye,則以X是否等丁Xe作為終點判據(jù)；若X.WY，WJ以Y是否等丁Y

44、e作為終點判據(jù)第一象限逆圓弧插補程序算法如圖：第一象限逆圓插補程序框圖3.2.2程序設(shè)計和直線插補程序設(shè)計一樣，也在內(nèi)存中開辟存儲單元用以存放有關(guān)數(shù)據(jù)。在RA吸據(jù)區(qū)分別存放懂點坐標(biāo)X和Y,其初始值為起點坐標(biāo)值，其后依據(jù)坐標(biāo)計算結(jié)果而變化，存放終點坐標(biāo)值Xe,匕以及存放偏差Fm飛存儲單元。第一象限逆圓弧插補程序如下：XLEQU18HXHEQU19HYLEQU28HYHEQU29HXeLEQU1AHXeHEQU1BHYeLEQU2AHYeHEQU2BHFLEQU2CHFHEQU2DHORG2400HMAIN:MOVSP,#60H;MOV70H,#08H;MOVXL,#80H;XLMOVXH,#0CH;XHMOVYeL,#80H;YeLMOVYeH,#0CH;YeHMOVXeL,#00H;XeLMOVXeH,#00