x-y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)各專業(yè)全套優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書題 目： x-y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)系部名稱： 機(jī)械電子工程系 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)電1班學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：2014年12月華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)摘 要X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

,實(shí)用方便而且能夠保證一定的精度。X-Y數(shù)控工作臺(tái)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(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。因此，選擇X-Y數(shù)控工作臺(tái)作為課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對(duì)機(jī)械電子專業(yè)的學(xué)生具有普遍意義。本文結(jié)合普通數(shù)控銑床的基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一臺(tái) X-Y數(shù)控工作臺(tái)，為銑床的數(shù)控化奠定了基礎(chǔ)。首先，確定了 X-Y數(shù)控工作臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案，包括機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇和數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇如導(dǎo)軌副選用，絲桿螺母副的選用，減速裝置的選用，伺服電動(dòng)機(jī)的選擇等。其次，對(duì) X-Y數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)行機(jī)械部分設(shè)計(jì)，包括直線導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型，滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型等。最后，對(duì) X-Y數(shù)控工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到數(shù)控工作臺(tái)的基本要求，因本人水平有限，錯(cuò)誤和不足之處，敬請(qǐng)老師批評(píng)指正。關(guān)鍵字：X-Y數(shù)控工作臺(tái)，機(jī)電一體化系統(tǒng)，滾珠絲杠螺母副，伺服電動(dòng)機(jī)華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)目錄第1章概述...................................................................................................錯(cuò)誤！未定義書簽。1.1設(shè)計(jì)任務(wù)...................................................................................................錯(cuò)誤！未定義書簽。第2章總體方案的確定...................................................................................................................2.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇...................................................................................................................2.1.1導(dǎo)軌副的選用............................................................................................................................2.1.2絲杠螺母副的選用....................................................................................................................2.1.3減速裝置的選用........................................................................................................................2.1.4伺服電動(dòng)機(jī)的選用....................................................................................................................2.1.5檢測(cè)裝置的選用........................................................................................................................2.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).........................................................................................................................第3章繪制總體方案圖....................................................................................................................第4章機(jī)械傳動(dòng)部分的計(jì)算與選型.....................................................................................................4.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算........................................................................................................4.2 銑削力的計(jì)算...............................................................................................................................4.3 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 ...................................................................................................4.3.1 滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 ........................................................................4.3.2 距離額定壽命的計(jì)算 ................................................................................................................4.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 ...................................................................................................4.4.1 最大工作載荷 Fm的計(jì)算..........................................................................................................4.4.2 最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算..............................................................................................................4.4.3 初選型號(hào)....................................................................................................................................4.4.4 傳動(dòng)效率η的計(jì)算....................................................................................................................4.4.5 剛度的驗(yàn)算................................................................................................................................4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核........................................................................................................................4.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速箱的選用 ...........................................................................................................4.6 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 ...............................................................................................................4.7 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 ...........................................................................................................第5章工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)...........................................................................................................................第6章步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的使用.....................................................................................................................參考文獻(xiàn).........................................................................................................................................華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)一、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)一種供立式數(shù)控銑床使用的 X-Y數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：1）立銑刀最大直徑 d=15mm；2）立銑刀齒數(shù) Z=3；3）最大銑削寬度 ae=15mm；4）最大背吃刀量 ap=8mm；）加工材料為碳素鋼；）X、Y方向的脈沖當(dāng)量δx=δy=0.005mm/脈沖；）X、Y方向的定位精度均為±0.01mm；）工作臺(tái)導(dǎo)軌長(zhǎng)度為1260mm；9）工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度vxvy3000mm/min；10）工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度vxmax=vymax=3000mm/min；11）工作臺(tái)尺寸為230mm3230mm12）加工范圍偉250mm3250mm二、總體方案的確定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(lái)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)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)。2.1.2 絲桿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(guò)絲桿螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足 0.005mm的脈沖當(dāng)量±0.01mm和的定位精度，滑動(dòng)滑動(dòng)絲桿副無(wú)能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到。滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方式選用墊片調(diào)隙式，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、裝卸方便，適用于一般精度的機(jī)構(gòu)滾珠絲杠的安裝采用一端固定，一端游動(dòng)的方式，因其壓桿穩(wěn)定性和臨華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)界轉(zhuǎn)速較高。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)有消間隙結(jié)構(gòu)。為此，決定采用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速器。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)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快速度也只有3000mm/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。2.1.5 檢測(cè)裝置的選用選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(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(cè)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、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、絲桿螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)，以及檢測(cè)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)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)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU，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)完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU之后，還需要擴(kuò)展程序儲(chǔ)存器、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。選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。三、繪制總體方案圖總體方案圖如圖所示四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)4.1 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(lái)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、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為 800N。4.2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查得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為：Fc118ae0.85fz0.75d0.73a1p.0n0.13Z(1)今選擇銑刀直徑 d=15mm，齒數(shù)Z=3，為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削的情況下， 取得最大銑削寬度 ae 15mm，背吃刀量ap8mm，每齒進(jìn)給量fz0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min。則由(1)式求得最大銑削力：Fc=118×150.85×0.10.75×15-0.73×81.0×3000.13×3N≈1463N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Fc=1463N表查得，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削Ff=1609N力分別為F=1.1F≈1609N，F(xiàn)=0.38F≈556N，fcecfn=0.25c≈366N，F(xiàn)e=556NFF工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力F=F，受到水平方向F=366Nfnze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，F(xiàn)z=Fe=556N工作臺(tái)的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力xfF=F=1609N徑向銑削力y=fn=366NFF4.3直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型4.3.1滑塊承受工作載荷的計(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：PCGF4其中，移動(dòng)部件重量G=800N，外加載荷=F=556N，得最z

Fx=Ff=1609NFy=Ffn=366N大工作載荷 PC=756N=0.756kN。查表3-41，根據(jù)工作載荷 PC=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，其額定動(dòng)載荷Ca=7.94kN，額定靜載荷C0a=9.5kN。4.3.2 距離額定壽命 L的計(jì)算 上述選取的 KL系列JSA—LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為 HRC60，工作溫度不超過(guò) 100攝氏度，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為 4級(jí)，工作速度較低，

PC=0.756kNCa=7.94kNC0a=9.5kN華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)載荷不大。查表3-36~表3-40，分別取硬度系數(shù)fH=1.0、溫度系數(shù)fT1.00、接觸系數(shù)fC=0.81、精度系數(shù)fR=0.9、載荷系數(shù)fW=1.5，得距離壽命：L(fHfTfCfRCa)3506649kmfWpc遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。L=6649km4.4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型4.4.1最大工作載荷Fm的計(jì)算如前頁(yè)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） Fx=1609N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=366N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)垂直）Fz=556N。已知移動(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)μ=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：FmKFx(FzFyG)1779N4.4.2最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)Fm1779N的最快進(jìn)給速度 v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程 Ph=5mm，則此時(shí)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，取載荷系數(shù) fW=1.2，滾道硬度為 HRC60時(shí)，取硬度系數(shù) fH=1.0，求得最大載荷：FQ 3 L0fWfHFm 8881N4.4.3 初選型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表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2505-4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31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。4.4.4 傳動(dòng)效率η的計(jì)算 將公稱直徑 Do 20mm，導(dǎo)程

n=80r/minFQ 8881N華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)P 5mm，代入λ=arctan[P/(πd)]，得絲杠螺旋升角 λ=433′h h 0將摩擦角φ=10′代入η=tanλ/tan(λ+φ)，得傳動(dòng)效率 η=96.4%。4.4.5 剛度的驗(yàn)算1)X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推—單推”的方式，見(jiàn)書后插頁(yè)圖6-23。絲杠的兩端各采用一對(duì)推理角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距離約為 η=96.4%a=500mm；鋼的彈性模量 E＝2.1Mpa；查表3-31，得滾珠直徑 D=3.175mm，絲杠底徑d2 16.2mm，絲杠截面面積d22/4206.12mm2。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1Fma/(ES)0.0205mm.根據(jù)公式Z＝(d0/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)3列數(shù)為，代入公式Z＝Z3圈數(shù)3列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z=60。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊10.0205mm力FYJFm/3593N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量20.0026mm。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20.0013mm。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500mm）20.0026mm總0.0218mm=21.8μm。絲杠的有效行程為330mm，由表3-27知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在315～400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25μm，可見(jiàn)絲杠剛度足夠?？?21.8μm4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式（3-28）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 Fk。查表3-34，華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)取支承系數(shù) fk=1；由絲杠底徑 d2=16.2mm求得截面慣性矩Id24/643380.88mm4；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fk2EI9343NFk2Ka，500mm。代入式（3-28），得臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷 Fm 1779N，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。Fk 9343N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(dòng)機(jī)減速箱的選用Fm1779N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)也是為了使?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)電機(jī)的輸出軸與小齒輪連接，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪連接。其中大齒輪設(shè)計(jì)成雙片結(jié)構(gòu)，采用圖3-8所以的彈簧錯(cuò)齒法消除側(cè)隙。已知工作臺(tái)的脈沖當(dāng)量 δ=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph=5mm，初選步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角

α=0.75°。根據(jù)式（3-12），算得減速比：i=(αP)/(360δ)=(0.7535)/(36030.005)=25/12h本設(shè)計(jì)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)制剛，齒表面淬硬后達(dá)55HRC。i==25/12減速箱中心距為[(75+36)31/2]mm＝ 55.5mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均 10mm。4.6步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型（1）計(jì)算加在步進(jìn)電機(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d0=20mm，總長(zhǎng)l=500mm，導(dǎo)程Ph＝5mm，材料密度7.85103kg/cm3；移動(dòng)部件總重力=800N；小齒輪度b1＝20mm，直徑d1=36mm；大齒輪度b2＝G20mm，直徑d2=75mm；轉(zhuǎn)動(dòng)比i =25/12。如表4-1所示，算得各個(gè)零件部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下（具體華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程從略）：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS=0.617kgcm2；拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JW=0.517kgcm2；小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ10.259kg.cm2；大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz2=4.877kgcm2初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 90BYG2602，為兩相混合式，二相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角 0.75o，從表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。則加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：Jeq=Jm+Jz1+(Jz2+JW+JS)/i2=30.35kgcm2(2)計(jì)算加子在步進(jìn)電機(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。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式(4-12)可知，T0相對(duì)于Tamax和Tf很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq1=Tamax+Tf（3）根據(jù)式(4-9)，考慮傳動(dòng)鏈的總效率η，計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的最大加速轉(zhuǎn)矩：2Jn1Tamaxeqm（4）60ta式中 nm——對(duì)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)由靜止到加速到 n轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。

2Jeq=30.3kgcm華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)vmax其中：nm （5）360式中vmax——空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為 3000mm/min；α ——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為 0.75；——脈沖當(dāng)量， δ=0.005mm/脈沖。將以上各值代入，算得 nm=1250r/min設(shè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至n轉(zhuǎn)速所需時(shí)間ta=0.4s，傳動(dòng)鏈總效率η=0.7。則由式（4）求得：230.351041250Tamax600.40.71.42（N·m）由式(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（6）式中 ——導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取 0.005;Fz——垂直方向的銑銷力，空載時(shí)取 0;——傳動(dòng)鏈總效率，取 0.7。則由式(6)，得：Tf0.005(0800)0.005N.m0.002N.m20.725/12最后由式(3)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=Tamax +Tf=1.422N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T由式(4-13)可知，T包括三部：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;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T;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T，T相對(duì)于T和T很小，可以忽略不計(jì)。則有：Teq2=Tt+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 T由式

Tamax 1.42N.mTf 0.002N.mTeq1=1.422N華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)(4-14)計(jì)算。本例中在對(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 Fx=1609N，則有：tFfPh16090.0050.88（N2m）T2i20.725/12再由式(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)Ph0.004N.mTfi2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)矩為：TTTf0.884Nmeq2t.經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為：Tmax{TTNmeqeq1,eq2}1.422.（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) T來(lái)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)。本例中取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：Teq20.884N.mTjmax4Teq41.422N.m5.688N.m上述初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為90BYG2602，由表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax6N.m?？梢?jiàn)，滿足要求。Teq1.422N.m（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)輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度v=400mm/min，脈沖當(dāng)量=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f=[400/(60*0.005)]Hz=1333hz。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖6-24可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩5.6maxf.Teq2 0.884N.m，滿足要求。最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)與最快空載移動(dòng)速度v=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為f=10000Hz。查表4-5可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000Hz，可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。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Jeq30.35kg.cm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm4kg.cm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任務(wù)負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率 fq 1800Hz(查表4-5)。則由式(4-17)可以 Tmaxf 5.6N.m求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率：fqfL 614Hz1 Jeq/Jm上式說(shuō)明，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 614Hz。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，本例中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，滿足設(shè)計(jì)要求。4.7 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)控制，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，用以檢驗(yàn)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)的步距角相匹配由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角@=0。75°，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)，fL614Hz需要控制系統(tǒng)發(fā)出360/@=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，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(gè)步進(jìn)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。選擇編碼器型號(hào)為ZLK—A—120—05VO—10—H：盤狀空心型?？讖?0mm，與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5V。每轉(zhuǎn)輸出120個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出。華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)五、工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 在硬件電路上需要考慮步進(jìn)電機(jī)（編碼器）反饋信號(hào)的處理，在軟件上實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)的控制算法六、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的使用本設(shè)計(jì)中的X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為90BYGC2602型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)有限公司，查表4-14，選擇與之配套的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb型，輸入電壓100VAC,相電流為4A，分配方式為二相八拍。該驅(qū)動(dòng)電源與控制華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我不僅把知識(shí)融會(huì)貫通，而且豐富了大腦，同時(shí)在查找資料的過(guò)程中也了解了許多課外知識(shí)，開(kāi)拓了視野，認(rèn)識(shí)了將來(lái)機(jī)械電子的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)知識(shí)方面和動(dòng)手能力方面有了質(zhì)的飛躍。不管學(xué)會(huì)的還是學(xué)不會(huì)的的確覺(jué)得困難比較多，真是萬(wàn)事開(kāi)頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負(fù)的感覺(jué)。此外，還得出一個(gè)結(jié)論：知識(shí)必須通過(guò)應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值！有些東西以為學(xué)會(huì)了，但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會(huì)用的時(shí)候才是真的學(xué)會(huì)了。本論文是在我的指導(dǎo)老師萬(wàn)智輝老師的親切關(guān)懷與細(xì)心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到論文的最終完成，萬(wàn)老師始終都給予了細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，并且在耐心指導(dǎo)論文之余，萬(wàn)老師仍不忘拓展我們的技能掌握。值得一提的是，萬(wàn)老師對(duì)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)，在他的身上，我們可以感受到一個(gè)學(xué)者的嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)，這些都讓我們獲益菲淺，并且將終生受用無(wú)窮。希望借此機(jī)會(huì)向萬(wàn)老師表示最衷心的感謝！在此要感謝我們的指導(dǎo)老師萬(wàn)老師對(duì)我悉心的指導(dǎo)，感謝老師們給我的幫助。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我通過(guò)查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹(shù)立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不太好，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)尹志強(qiáng).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.王只行，鄧宗全.機(jī)械原理.北京:高等教育出版社，2006.趙則祥.公差配合與質(zhì)量控制.開(kāi)封：河南大學(xué)出版社，1999.牛永生，李力.機(jī)械制造技術(shù).西安：陜西科技大學(xué)，2002黃大宇，梅英.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).長(zhǎng)春:吉林大學(xué)出版社,2006濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2006大連理工大學(xué)工程圖學(xué)教研室.機(jī)械制圖.北京：高等教育出版社，2007巫付專，王曉雷.控制電機(jī)及其應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2008倪小軍，單片機(jī)原理與接口技術(shù)教程.北京：清華大學(xué)出版社，2009陳興云、姜慶華.數(shù)控機(jī)床編程與加工.北京:機(jī)械工業(yè)出版社2009王兵.數(shù)控車床加工工藝與編程操作.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009田林紅.數(shù)控技術(shù).鄭州大學(xué)出版社，2008劉淑華.數(shù)控機(jī)床與編程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社2001張春良.數(shù)控加工技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2011JosephE.Shigley，CharlesR.Mischke.MechanicaiEngineeringDesign.英文版.原書第6版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2002RobertL.Mott.MachineElementsinMechanicalDesign.英文版.原書第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003M.F.Spotts,T.E.Shoup.DesignofMachineElements.英文版.原書第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開(kāi)發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)華東交通大學(xué)理工學(xué)院課程設(shè)計(jì)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究單片機(jī)