課程設(shè)計(jì)XY移動(dòng)平臺(tái)

1、課程設(shè)計(jì)說明書課題名稱X-Y工作平臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院專業(yè)機(jī)械電子工程班級(jí)學(xué)號(hào)姓名指導(dǎo)教師韓雄飛完成日期2021年1月10日摘要本文主要對(duì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)及限制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì).X-Y數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的根本部件,如數(shù)控車床的縱-橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銃床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件外表貼裝設(shè)備等.模塊化的X-Y數(shù)控工作臺(tái)通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副,以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成.其中,伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件用來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠,滾珠絲杠的螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng),完成工作臺(tái)在X、Y方向的直線移動(dòng).導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等

2、均已標(biāo)準(zhǔn)化,由專門廠家生產(chǎn),設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可.限制系統(tǒng)根據(jù)需要選用設(shè)計(jì)專用的微機(jī)限制系統(tǒng).關(guān)鍵字：X-Y數(shù)控工作臺(tái),滾珠絲杠螺母副,伺服電動(dòng)機(jī),微機(jī)限制系統(tǒng).1設(shè)計(jì)任務(wù)32總體方案確實(shí)定32.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇32.1.1導(dǎo)軌副的選用32.1.2絲杠螺母副的選用42.1.3減速裝置的選用42.1.4伺服電動(dòng)機(jī)的選用42. 1.5檢測裝置的選用42.2限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)53機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型63.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算63. 2銃削力的計(jì)算63. 3直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算73. 4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型83. 4.1最大工作載荷Fm的計(jì)算83. 4.2最大開工作載荷Fq的

3、計(jì)算83. 4.3初選型號(hào)93. 4.4傳動(dòng)效率打的計(jì)算93. 4.5剛度的驗(yàn)算93. 4.6壓桿穩(wěn)定性校核103. 5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用113. 6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型113.6.1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錯(cuò)誤！未定義書簽.3. 6.2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.錯(cuò)誤！未定義書簽.分快速空載和承受最大負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算：123. 6.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定153. 6.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核163.7增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用184步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用185限制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)196限制系統(tǒng)的局部軟件設(shè)計(jì)206.1輸入輸出分配206.2 人機(jī)

4、界面設(shè)計(jì)206.3 限制程序設(shè)計(jì)21參考文獻(xiàn)21附錄231設(shè)計(jì)任務(wù)題目：X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供給式數(shù)控銃床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái),主要參數(shù)如下：1立銃刀最大直徑d=25mm.2立銃刀齒數(shù)Z=2.3最大銃削寬度ae=20mm.4最大背吃刀量p=5mm.5） X、Y方向的脈沖當(dāng)量為=樂=0.005mm/脈沖.6） X、Y方向的定位精度均為±0.02mmo7工作臺(tái)面尺寸為450mmM450mm,加工范圍300mmM300mm.8工作臺(tái)最快移動(dòng)速度Vx=Vy=1800mm/min.9工作臺(tái)進(jìn)給移動(dòng)速度Vx=Vy=400mm/min.導(dǎo)軌組合：滾動(dòng)一一滾動(dòng)支承方式：雙推一

5、一簡支2總體方案確實(shí)定2.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇2.1.1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)控銃床的,需要承受的載荷不大,但脈沖當(dāng)量小,定位精度高,因此,決定選用直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副,它具有剛度高、制造簡單、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡單、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(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),需要滿足0.005mm的脈沖當(dāng)量和0.02mm的定位精度,滑動(dòng)絲杠副為能為力,只有選用滾珠絲杠副才能到達(dá).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.2.1.3減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后,為了圓整脈

6、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,決定采用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱.2.1.4伺服電動(dòng)機(jī)的選用任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未到達(dá)0.001mm定位精度也未到達(dá)微米級(jí),空載最快移動(dòng)速度也只有1800mm/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),以降低本錢,提升性價(jià)比.2.1.5檢測裝置的選用選用直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副選用滾珠絲杠副米用無間隙齒輪傳動(dòng)減速箱選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后,可選開環(huán)限制,也可選閉環(huán)限制.任務(wù)書所給的精

7、度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏高的,為了保證電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)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)限制,擬在電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的步距角相匹配.考慮到X、Y兩個(gè)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(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限制系統(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)控銃床上,其限制系統(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)的根本功能,所以限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)限制型.2對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)限制,

8、選用三菱FX3U系歹1J的FX3U-48MT/ESS應(yīng)該能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo).3要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的限制系統(tǒng),在選擇限制器之后,還要擴(kuò)展輸入輸出設(shè)備選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)限制型三菱FX3U系列的FX3U-48MT/ESS4 選擇適宜的驅(qū)動(dòng)電源,與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用.3機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型計(jì)算Fc計(jì)算FfFeFfn計(jì)算FzFxFy3.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算根據(jù)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、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等,估計(jì)重量約1800N3.2銃削力的計(jì)算設(shè)零件的加工方式為立式銃削,采用硬質(zhì)合金立銃刀,工件的

9、材料為碳鋼.那么由表3-7查得立銃時(shí)的銃削力計(jì)算公式為：0.85.0.75._0.731.00.13;Fc=118aefzdapnZ今選擇銃刀的直徑為d=15mm齒數(shù)Z=2,為了計(jì)算最大銃削力,在不對(duì)稱銃削情況下,取最大銃削寬度為e=20mm,背吃刀量otp=5mm,每齒進(jìn)給量fz=0.1mm,銃刀轉(zhuǎn)速n=300r/min.那么由上式求的最大銃削力：Fc=118202150.10.75250735103000.133N：804N采用立銃刀進(jìn)行圓柱銃削時(shí),各銃削力之間的比值可由表3-5查得,結(jié)合圖3-4a,考慮逆銃時(shí)的情況,可估算三個(gè)方向的銃削力分別為：Ff=1.1Fc=1.1804：884NF

10、e=0.38Fc=0.38804306NFfrl=0.25Fc=0.25804：201Nnc圖3-4a為臥銃情況,現(xiàn)考慮立銃,那么工作臺(tái)受到重量約為1800NFc：804NcFf：884NFe:306NFfn：201NFz=306N垂直萬向的銃削力Fz=Fe=306N,受到水平方向的銃削力分別為Ff和Ffn.今將水平方向較大的銃削力分配Fx=884N給工作臺(tái)的縱向,那么縱向銃削力Fx=Ff=884N,徑向Fy=201N銃削力為Fy=Ffn=201N.3. 3直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算工作載荷是影響直線滑動(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.考慮最

11、不利的情況,即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承當(dāng),那么單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：Fmax=GF(3-1)4Fmax=931N其中,移動(dòng)部件重量G=1800N,外加載荷F=Fz=306N,代入式(3-1),得最大工作載荷Fmax=756N=0.756kN查表3-41,根據(jù)工彳載荷Fmax=0.756KN,初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA-LG15型,具額定動(dòng)載荷Ca=7.94KN額定靜載荷C0a=9.5KN選取導(dǎo)軌的長度為820mm任務(wù)書規(guī)定工彳臺(tái)面尺寸為450mmM450mm,加工范圍300mmM300mm,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

12、度為820mm滾杠最作算絲的工計(jì)珠副大上述選取的KL系列JSA-LG1腳導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC工作溫度不超過100C,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.查表3-363-40,分別取硬度系數(shù)fH=1.0,溫度系數(shù)載荷FmfT=1.00,接觸系數(shù)fc=0.81,精度系數(shù)fR=0.9,載荷系數(shù)fw=1.5,代入式3-33得距離壽命：L22176km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)算如前面所述,在立銃時(shí),工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷與絲杠軸線平行Fx=884N,受到橫向載荷與絲杠軸線垂直Fy=201

13、N,受到垂直方向的載荷與計(jì)算最大動(dòng)載荷Fq工作臺(tái)面垂直Fz=306N.移動(dòng)部件總重量G=1800N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,滑動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)=0.005o求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm二火FzFyG=1.18840.0053062021800:984NFm:984N查表3-30,取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為計(jì)算傳動(dòng)效率計(jì)算拉/壓變形量片計(jì)算滾珠與螺60HRCH,取硬度系數(shù)fH=1.0,代入下式,求得最大動(dòng)載荷：Fq=3L?wfHFm=3函1.21.0984=5109N3.4.3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,查表3-31,選擇

14、濟(jì)寧博特精密絲杠制造生產(chǎn)的GD系列2505-3型滾珠絲杠副,為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母式,其公稱直徑為20mm導(dǎo)程為5mm循環(huán)滾珠為3圈乂1系列,精度等級(jí)取5級(jí),額定動(dòng)載荷為9309N,大于Fq,滿足要求.3.4.4傳動(dòng)效率的計(jì)算將公稱直徑d0=20mm,導(dǎo)程Ph=5mm,代入入=arctanPh/Qd.,得絲杠螺旋升角入=4°33'.將摩擦角4二10',代入n=tan入/tan.+W,得傳動(dòng)效率ri=96.4%3.4.5剛度的驗(yàn)算1X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“雙推-簡支的方式.絲杠的一端安裝推力軸承與深溝球軸承,另一端僅安裝深溝球軸承,面對(duì)面組配,左、

15、右支承的中央距約為a=700mm鋼的彈性模量E=2.1x105MPa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=兀df/4=206.12mm2.忽略式3-25中的第二項(xiàng),算得絲杠在工作載Fq=5109N選GD系列2505-3型滾珠絲杠副,為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母式ri=96.4%紋滾道間的接觸變形量s2荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量:S1：0.0113mmS1=Fma/(ES)=984父500/(2.1父105X206.12)%0.0113mm2根據(jù)公式Z=nd0/Dw-3,求得單圈滾珠數(shù)Z=20;該型號(hào)絲杠為單螺母,滾珠的圈數(shù)M列數(shù)為3x1,代入公式

16、Z£=Zm圈數(shù)父列數(shù),得滾珠總數(shù)量Zz=60o絲杠預(yù)緊時(shí),取軸向預(yù)緊力Fyj=Fm/3=328N.那么由式3-27,求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量:計(jì)算絲杠總變形量飛心、%=0.0013Fm10VdwFyjZ|/10328=0.0013.=0.0018mm1033.175328602/10由于絲杠有預(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2=0.0009mm2=0.0009mm計(jì)算臨界載荷3將以上算出的5和%代入5=61+82,求得絲杠總變形量對(duì)應(yīng)跨度720mmS總=0.0122mm=12.2m絲杠的有效行程為346mm由表3-27知,5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在

17、315400mm寸,行程偏差允許到達(dá)25Rm,可見絲杠剛度足夠.6總=12.2Rm絲杠剛度足夠得臨界載荷:fk二KaEI264720.92NFK：64720.92N遠(yuǎn)大于工作載荷Fm=984N,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絲杠不會(huì)失穩(wěn)3.5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),采用圖3-8所示的彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙.工作臺(tái)的脈

18、沖當(dāng)量、：=0.005mm/脈沖,滾珠絲杠的導(dǎo)程R=5mm,初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角«=1.200根據(jù)式(3-12),算得減速比：i=(1Ph)/(360、)=(1.25)/(3600.008)=25/12本設(shè)計(jì)選用常州市新月電機(jī)生產(chǎn)的JBF-3型齒輪減速箱.大小齒輪,S數(shù)均為1mm齒數(shù)比75:36,材料為45調(diào)質(zhì)鋼,齒外表淬硬后達(dá)55HRC減速箱中央距為(75+36)M1/2mm=55.5mm,小齒輪厚度為滾杠動(dòng)量算絲轉(zhuǎn)'-S計(jì)珠的慣J20mm雙片大齒輪厚度均為10mm3.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型3.6.1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：滾珠絲杠的公稱直徑do=2

19、0mm,總長l=500mm,導(dǎo)程R=5mm,材料密度P=7.85m10工kg/cm3;移動(dòng)部件總重力G=1800N小齒輪寬度b=20mm,直徑d1=36mm;大齒輪寬度b2=20mm,直徑d2=75mm,傳動(dòng)比i=25/12.計(jì)算板折到絲上的動(dòng)慣如表4-1所示,算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下:Js二LPR4Jw_34二507.85101,22kgcm:0.617kgcm2Js:0.617kgcm滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：JwPh2m.計(jì)在電轉(zhuǎn)的2：0.517kgcm拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw%0.517kgcm22小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：Jz1=0.259kgcm2大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：Jz2=4.877k

20、gcm2Jw：-0.517kgcmJeq初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90BYG3502為三相混合式,由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn),三相三拍驅(qū)動(dòng)時(shí)的步距角為0.750,從表4-5查得該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣Jm=4kgcm2那么加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:Jeq=JmJz1Jz2WJs)/i'30.35kg市2Jeq=30.35kgcm3.6.2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(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T由式4-8可知,Teqi包括三局部：一局部是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Tamax；一局部是移動(dòng)部件

21、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；還有一局部是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩T0o由于滾珠絲杠副傳動(dòng)效率很高,根據(jù)式4-12可知,To相對(duì)于Tamax和Tf很小,可以忽略不計(jì).那么有：Teqi=Tamax+Tf6-13根據(jù)式4-9,考慮傳動(dòng)鏈的總效率刈,計(jì)算空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩:Tamax(6-14)2tJeqnm160ta一a式中:nm一對(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一步進(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So其中:nm360、空動(dòng)算動(dòng)軸大轉(zhuǎn)算起折電轉(zhuǎn)最速計(jì)載時(shí)到機(jī)上加式中:max0r/min=3500r

22、/min3600.0083Vmax一空載最快移動(dòng)速度,任務(wù)書指定為1800mm/min口一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角,預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.75二；每一脈沖當(dāng)量,本例每=0.005mm/J永沖.nm=600r/min設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至nm所需時(shí)間ta=0.4s,折電轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)算到機(jī)上擦計(jì)算動(dòng)軸摩矩傳動(dòng)鏈總效率n=0.70那么由式6-14求得:Tamax2yJeqnm1k-2二30.3510工600N600.40.7m:0.851NmTamax0.851Nmamax由式4-10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:快載時(shí)機(jī)所的轉(zhuǎn)算空動(dòng)動(dòng)軸受載Teq計(jì)速起電轉(zhuǎn)承負(fù)矩式中Tf二(FzG)Ph0.005

23、018000.0052二0.7(25/12)n一導(dǎo)軌的摩擦因素,滾動(dòng)導(dǎo)軌取Fz一垂直方向的銃削力,空載時(shí)取m:0.005NmTf：0.005Nm0.005;0；狗一傳動(dòng)鏈總效率,取0.7.最后由式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：Teq1=0.856NmTeq1=Tamax+Tf=0.8510.005Nm=0.856Nm2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由式4-13可知,Teq2包括三局部：一局部是折折電轉(zhuǎn)的算到機(jī)上計(jì)算動(dòng)軸算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tt；一局部是移動(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;還有一局部是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)

24、機(jī)轉(zhuǎn)軸上的工載大負(fù)矩最作Q移件時(shí)到機(jī)上擦f算部動(dòng)算動(dòng)軸摩計(jì)動(dòng)運(yùn)折電轉(zhuǎn)的Q最作狀電轉(zhuǎn)承負(fù)矩算工載下機(jī)所的轉(zhuǎn)計(jì)大負(fù)態(tài)動(dòng)軸受載加進(jìn)機(jī)上效轉(zhuǎn)算步動(dòng)軸等載計(jì)在電轉(zhuǎn)的負(fù)步動(dòng)最轉(zhuǎn)axTeq算電的靜矩計(jì)進(jìn)機(jī)大矩附加摩擦轉(zhuǎn)矩To,To相對(duì)于Tf和Tt很小,可以忽略不計(jì).那么有：Teq2=1+Tf其中,折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩I由公式4-14計(jì)算.沿著絲桿軸線方向的最大進(jìn)給載荷Fx=884N,那么有:FfR2二i8840.0052二0.7(25/12)Nm:0.48Nm再由式4-10計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載Fz=306N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)Ph2二i0

25、.00530618000.0052二0.7(25/12)Nm：0.006Nm最后由式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：Teq2=Tt+Tf=0.480.006Nm=0.486Nm經(jīng)過上述計(jì)算后,得到加在在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Teq=maxTeq1,Teq2=0.856Nm3.6.3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Tt：0.48NmTf:0.006NmTeq2=0.486NmTeq-0.856Nm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),需要考慮平

26、安系數(shù).取平安系數(shù)K=4,那么步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足:Tjmax=3.424Nmmax_4Teq=40.856Nm=3.424Nm校核最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90BYG35O2由表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=6Nm可見,初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)滿足要求才兩足要求.Tmaxf3.6.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快工進(jìn)Vmaxf=400mm/min,脈沖當(dāng)量每=0.005mm/脈沖,由式4-16求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmaxfVmaxf40060c600.005Hz=1333Hz.從90BYG3502Tmaxf

27、：15Nm電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖1-1可以看出在此頻率下,電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf上5.6Nm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩,滿足要求N大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=0.486Nm,滿足要求.f/Hz圖1-190BYG3502步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tmax2最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度頻率fmaxvmax6071800Hz之6000Hz.600.005由圖1.1查得,在此頻率下,電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax電1.8Nm,校核最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=0.856Nm,滿足要求.3最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)

28、運(yùn)行頻率校核與最快速空載移動(dòng)速度vmax=1800mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為fmax比6000Hz.查表4-5可知90BYG3502t動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000Hz,可見沒有超出上限.計(jì)算起動(dòng)頻率4起動(dòng)頻率的計(jì)算上電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq=30.35kgcm2,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=4kgcm2,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fq=1800Hz查表4-5.由式4-17可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為：Tmax：1.8Nm大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,滿足要求空載運(yùn)行頻率沒有超出上限fL=fqJeq/Jm1800-130.35/4Hz:614Hz上式說明

29、,要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步,任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于614Hz0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,本次設(shè)計(jì)中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選用90BYG3502步進(jìn)電動(dòng)機(jī),完全滿足設(shè)計(jì)要求.fL:614Hz起動(dòng)頻率滿足要求90BYG3502步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完全vmax=1800mm/min,仿照式4-16求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行滿足設(shè)計(jì)要求3.7增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用半閉環(huán)限制,可在電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的步距角o.=0.75口,可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一

30、轉(zhuǎn)時(shí),需要限制系統(tǒng)發(fā)出360/a=480個(gè)步進(jìn)脈沖.考慮到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B相信號(hào),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.這樣限制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角,編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào).此次設(shè)計(jì)選用的編碼器型號(hào)為：ZLK-A-120-05VO-10-H盤狀空心型,孔徑10mm與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配,電源電壓+5V,每秒輸出120個(gè)A/B脈沖,信號(hào)為電壓輸出,生產(chǎn)廠家為長春光機(jī)數(shù)顯技術(shù).4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用編碼器型號(hào)為：ZLK-A-120-05VO-10-H盤狀空心型設(shè)計(jì)中X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為90BYG35021,生產(chǎn)廠家為常州寶馬

31、集團(tuán)公司.查表4-14,選擇與之匹配的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nkffl,輸入電壓為1000VAC相電流為4A,分配方式為二相八拍.該驅(qū)動(dòng)電源與限制器的接線方式如圖1-3所示.眈沖惇2ZV克友書事驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb型,輸入電壓為100VAC相電流為3A,分配方式為二相八拍圖1-3BD28Nb驅(qū)動(dòng)電源的接線圖5限制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書的要求,設(shè)計(jì)限制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能：(1)接收鍵盤數(shù)據(jù),顯示定位坐標(biāo)；選用三菱GOT1050-QBBD-C圖形操作終端(2)接受限位開關(guān)信號(hào)；(3)限制X,Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；為了方便輸入和顯示定位數(shù)值,選用三菱GOT1050-QBBD-C形操

32、作終端,該設(shè)備具有觸摸功能,通過RS-232接口與PLC進(jìn)行通信,能方便的修改和顯示PLC的內(nèi)部狀態(tài)和數(shù)據(jù).6限制系統(tǒng)的局部軟件設(shè)計(jì)6. 1輸入輸出分配X0X軸編碼器A相X13XDOGX1X軸編碼器B相X14丫DOGX2急停X15XJOG+X3Y軸編碼器A相X16XJOG-X4Y軸編碼器B相X17YJOG+X5X軸自動(dòng)定位X20YJOG-X6Y軸自動(dòng)定位X21X正向極限X7急?；謴?fù)X22X反向極限X10增量/絕對(duì)選擇X23Y正向極限X11X軸回原點(diǎn)X24Y反向極限X12Y軸回原點(diǎn)X25速度選擇表6.1輸入分配表Y0X軸脈沖輸出Y4X軸方向信號(hào)輸出Y1Y軸脈沖輸出Y5X軸方向信號(hào)輸出表6.2輸出

33、分配表6.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)使用三菱GTDesigners軟件設(shè)計(jì)hmi人機(jī)界面,用于與PLC進(jìn)行交互.X定位值9.320急停T定位值0.00x當(dāng)前值0.00丫當(dāng)前值0.00圖6.1人機(jī)界面設(shè)計(jì)1X定位值Y定位值X當(dāng)前值Y當(dāng)前值.00.00圖6.2人機(jī)界面設(shè)計(jì)26.3 限制程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)點(diǎn)動(dòng)程序和自動(dòng)定位程序并對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)編碼器反應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理,在軟件上要實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)的算法.具體程序見附錄.1尹志強(qiáng).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,2007.2高鐘毓.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.3張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社,2004.4徐志毅.機(jī)電一體化實(shí)用技術(shù).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1995.5林述溫.機(jī)電裝備設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)工業(yè)出版社,2002.6吳宗澤