《數(shù)控機(jī)床》課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目：X—Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)班級(jí)：姓名：指導(dǎo)教師：機(jī)電一體化教研室2010年6月TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、設(shè)計(jì)目的3\o"CurrentDocument"二、設(shè)計(jì)任務(wù)3\o"CurrentDocument"三、總體方案的確定41、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇……4絲杠螺母副的選用4\o"CurrentDocument"導(dǎo)軌副的選用4\o"CurrentDocument"伺服電動(dòng)機(jī)的選用5\o"CurrentDocument"2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5\o"CurrentDocument"3、繪制總體方案圖5\o"CurrentDocument"四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型51、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算52、銑削力的計(jì)算6\o"CurrentDocument"五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型9\o"CurrentDocument"1、傳動(dòng)計(jì)算92、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Jeq10\o"CurrentDocument"3、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Teq10\o"CurrentDocument"4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定12\o"CurrentDocument"六、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型14\o"CurrentDocument"1、塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取14\o"CurrentDocument"2、距離額定壽命L的計(jì)算14\o"CurrentDocument"七、繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖15\o"CurrentDocument"八、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)15\o"CurrentDocument"九、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用18\o"CurrentDocument"結(jié)束語18參考文獻(xiàn)20一、設(shè)計(jì)目的《數(shù)控機(jī)床》課程設(shè)計(jì)是一個(gè)很重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的：1）通過本設(shè)計(jì)，使學(xué)生全面地，系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床得基本組成及其相關(guān)基本知識(shí)，學(xué)習(xí)總體方案擬定、分析與比較的方法。2）通過對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件得工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算方法及選用原則。3）通過伺服系統(tǒng)得設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電機(jī)得工作原理、計(jì)算選擇方法與控制驅(qū)動(dòng)方式。4）培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并初步樹立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想。5）鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料以及撰寫科技論文的能力。二、設(shè)計(jì)任務(wù)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下:立銑刀最大直徑的d=15mm；立銑刀齒數(shù)Z=3;最大銑削寬度a=15mm;最大背吃刀量J=8mm;加工材料為碳素鋼活有色金屬。6.7.8.9.X、Y方向的定位精度均為±0.02mm;工作臺(tái)尺寸230mmX230rn，加工范圍為6.7.8.9.xmaximex/?V-V-400mm/min;10.加減速0.4s總體方案的確定1、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇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0.02mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副不能達(dá)到要求，因此選用滾珠絲桿副，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)定性和臨界轉(zhuǎn)速較高導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)數(shù)控車床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且定位精度高，因此選用直線滾動(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，安裝預(yù)緊方便好且精度保持性等優(yōu)點(diǎn)。

選滾珠導(dǎo)軌，適合用于導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)部件重量小于200kg的機(jī)床，摩擦阻力小，制造容易，成本較低。（3）伺服電動(dòng)機(jī)的選用任務(wù)書規(guī)定的定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有因此3000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。以降低成本，提高性價(jià)比。2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1）設(shè)計(jì)的X-Z工作臺(tái)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(jì)成連續(xù)控制型。2）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)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(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，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。3、繪制總體方案圖總體方案圖如圖3.1所示。［微型I機(jī)機(jī)械機(jī)械-傳動(dòng)—-執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)圖3.1總體方案圖四、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型1、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算［微型I機(jī)機(jī)械機(jī)械-傳動(dòng)—-執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)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。2、銑削力的計(jì)算采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼，根據(jù)《金屬切屑原理與刀具》200頁表15-5得硬質(zhì)合金立銑刀銑削力經(jīng)驗(yàn)公式F=1180.85^0.75^-0-73々1.0乃0.1其中銑刀的直徑d=15mm，齒數(shù)Z=3,為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度氣=15mm，背吃刀量ap=8mm，查《切削用量簡(jiǎn)明手冊(cè)》可得，每齒進(jìn)給量￡=0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速乃=300/min。則由上公式求得最大銑削力：F=118x0.85x0.10.75X15-0.73X81.0X3000.1x1C=1233N考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：Ff=1Fc=1356N，F(xiàn)e=0.38Fc=308N，F(xiàn)fm=469N則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力Fz=Fe=308N，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Fx=Ff=1356N，徑向銑削力Fy=Ffn=469N。杠螺母副的計(jì)算與選型（1）最大工作載荷Fm的計(jì)算在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）F=1356N，受x到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=308N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz=469N。已知移動(dòng)部件總質(zhì)量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，由《金屬切屑機(jī)床》126頁公式17-5得：Fm=KFx+r（Fz+Fy+G）=[1.1x1356+0.005x（469+308+500）]N'1498N取摩擦系數(shù)體0.005。取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1,求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：（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)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7=15000h，代入L0=60nT/106,得絲杠壽命系數(shù)L=72（單位為：106r）。查課本110頁表5-1,5-2，取載荷系數(shù)九二1.2，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)4=1.0，求得最大動(dòng)載荷：Fq^7478N（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《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》（上冊(cè)）967頁，選擇南京工藝裝備制造有限公司生產(chǎn)的FF2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式反向器螺母無預(yù)緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠總?cè)?shù)為3圈，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為9100N，大于Fq滿足要求。（4）傳動(dòng)效率n的計(jì)算將公稱直徑d0=20mm，導(dǎo)程Ph=5mm，代入住arctan[Ph/（nd0）]，得絲杠螺旋升角住4。33,。將摩擦角歹=10,，代入n=tanX/tan（k+^），得傳動(dòng)效率n=96.4%。（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撐均采用“單推-單推”的方式。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、右支撐的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1x105MPa；查《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》（上冊(cè)）967頁，得滾珠直徑Dw=3.5mm，絲杠底徑d2=16.9mm，絲杠截面積S二吼2/4=224.2mm2。則絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量：q=Fma/（ES）=1498x500/（2.1x105x224.2）^0.0159mmo2）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)x列數(shù)為3x1,代入公式：Z廣Zx圈數(shù)x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=631。則求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形時(shí).0027。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)際變形量可減少一半，取82=0.0013mmo17.23）將以上算出的81和82代入8總=81+82，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）8總=0.0172mm=17.2pm。本例中，絲杠的有效行程為350mm，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25^m，可見絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷F。查《現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》（上冊(cè)）er944、953頁，知當(dāng)滾珠絲杠的安裝方式為一端固定，一端游動(dòng)時(shí)，取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)f1=0.25（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500mm。代入式：-…fd4F=3.4x10i°L22得臨界載何F=4.324x103KN>Fm，0故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。（7）臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算：f2d查表得臨界轉(zhuǎn)速公式為：n=9910%lcL2c式中f2——絲杠支撐方式系數(shù)，一端固定一端游動(dòng)時(shí)f2=1.875Lc=500mm=0.5md2=d0-1.2Dw=15.8查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖5.7-93,當(dāng)支撐方式為G—T時(shí)n=9.423x103長(zhǎng)度L=500mm時(shí)交點(diǎn)在D=20的左側(cè)，所以臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算合格.（8）滾珠絲杠的選型以及安裝尺寸的確定絲杠工作長(zhǎng)度L，應(yīng)滿足控制中的行程要求。L應(yīng)為絲杠工作長(zhǎng)度：L=（1.05—1.1）行程+（10—14）Ph所以絲杠：L=1.1X250+14+5=350mm安裝方式為一端固定，一端游動(dòng)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。故滾珠絲杠的型號(hào)為FF2005-3型滾珠絲杠副內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式反向器螺母無預(yù)緊滾珠絲杠副。五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型1、傳動(dòng)計(jì)算為了滿足加工精度在0.01-0.02范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)控銑床、鉆床車床的脈沖當(dāng)量6可取0.005-0.01mm/Hz，因此取脈沖當(dāng)量6=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠的的導(dǎo)程Ph=5mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角a=0.72。越高。因?yàn)椴骄嘟窃叫?，?shù)控機(jī)床的控制精度。根據(jù)《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》式（5-18），算得減速比：i=（aP）/（3606）=（0.72乂5）/（360x0.01）=1h由此可見本機(jī)構(gòu)不必要選減速箱。

2、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J2、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J由《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》134頁得：由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況不同，負(fù)載慣量只能由已計(jì)算精確地得到。由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的所有運(yùn)動(dòng)部件，無論是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)還是直線運(yùn)動(dòng)部件，都成為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載慣量，總的慣量以通過計(jì)算各個(gè)被驅(qū)動(dòng)部件的慣量，并以一定規(guī)律將其加起來即可。滾珠絲杠的公稱直徑d=20mm，總長(zhǎng)0l=500mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度p=7.85x10-5kg/cm2;移動(dòng)部件總重力G=800N；圓柱體慣量，當(dāng)圓柱體圍繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，其慣量可由下述公式計(jì)算：J二啤X106對(duì)于鋼材：J=0.77D4LX10-12代入數(shù)據(jù)得：J1=0.4312X10-4kg?m2沿直線軸移動(dòng)物體的慣量：J」二|2Mx10-6=5.1694X10-4kg?m22k2兀n）初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90BYG5502,由常州市德利來電器有限公司生產(chǎn)，五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)時(shí)的步距角為0.72°，從表查得該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=4kg?cm2。m總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=J1+J2+J0。其中J0為初選電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為4kg?cm2。代入數(shù)據(jù)得：J=9.48kg?cm23、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，T］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r;一amax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0;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『。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，則有:根據(jù)式（4-9），Te高，根據(jù)式（4-12）可知，則有:根據(jù)式（4-9），Te「Tmx+TT0考慮傳動(dòng)鏈的總效率R（6-13）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:T="MmT="Mmx-

amax60t門n=360^=600r/min式中v—空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為3000mm/min；其中:(6-14)(6-15)a—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為0.72；5—脈沖當(dāng)量，本例5=0.01mm/脈沖。設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至n所需時(shí)間t=0.4s，傳動(dòng)鏈總效命=0.7。則由式求得：T=2^=13.03X10-3N-mamax9.6T由式知，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：T="J）匕=0.005x（0+800）x0.005=4.55、10一3n?mf2nni2兀x0.7x1式中門——導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動(dòng)導(dǎo)軌取0.005L——垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0r——傳動(dòng)鏈效率，取0.7由式知，由于絲杠預(yù)緊引起的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦力矩為：T=￡mZ（1頊2）x103=376X0.005（—09>10一3.0.0711x10-3N?m02RKi02兀x0.7x1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：T=t+T+T=0.1765N?m（6-17）eq1amaxf02）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，T2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;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「；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：T=T+T（6-18）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由公式（4-14）計(jì)算。有：tT=LL=1656X0.°°55.88N?mt2兀邛?2兀x0.7x1.0再由式（4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（F廣556N）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：T=z+G扁=0.005心2+80°）x0.005=0.007n?mf2叫i2兀x0.7x1.0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:T=t+T=1.887N-m（6-19）最后求得在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：T=maxTT21.887N?m4、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)。取K=3,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：T>4T=3X1.887=5.661N.m初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為110BYG550B，由表查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)

矩t=6.8N.m?？梢?，滿足要求。5、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)速度k=400mm/min，脈沖當(dāng)量5=0.01mm/脈沖，電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率為f啞f=[400/（60x0.01）]w667Hz。從90BYG5002電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tfw4.5N.m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩t=1.887N.m，滿足要求。2）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y=3000mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率f=3000w5000Hz。由矩頻特性曲線maxmax60X0.01圖查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩t=6.0N.m，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=0.1765N.m，滿足要求。3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核與快速空載移動(dòng)速度y=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為f=3000w5000Hz。由矩頻特性曲線圖查得max60X0.0190BYG5002電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)10000h，可見沒有超出上限。4）啟動(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J=9.48kg?cm2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量T=4N.m，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率f=1800H為:（查表4-5）。由式（4-17）可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率f=1800H為:w1000H1+J

Jm說明: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1000Hz。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100h。說明: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110BYG550B步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。六、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型1、塊承受工作載荷^max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。本例中的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:Fmax=+F其中，移動(dòng)部件重量G=800N，外加載荷F=F=469，代入上式，得最大工z作載荷F=669N=0.669kN。根據(jù)工作載荷F=0.669kN，初選直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的LG15型，其額定動(dòng)載荷為7.94KN，額定靜載荷9.5KN。任務(wù)書規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為230mmx230mm，加工范圍為250mmx250mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為520mm。2、距離額定壽命L的計(jì)算上述所取的KL系列LG15系列導(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《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表2.9-13~2.9-16，分別取硬度系數(shù)f^=1.0，溫度系數(shù)f技1.00，接觸系數(shù)fc=0.81，精度系數(shù)fa=0.9，載荷系數(shù)fw=1.5，代入式(3-33)，得距離壽命:L=50=17204Km'1x1x0.81x8.7]3*0.669x1.5/遠(yuǎn)大于期望值L=50=17204Km七、繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖5.1所示。圖5.1進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖八、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(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)，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(hào)；（4）接受電動(dòng)卡盤夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)；（5）控制X，Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；（6）控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止；（7）控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級(jí)變速；（8）控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級(jí)變速；（9）控制切削液泵啟動(dòng)/停止；（10）控制電動(dòng)卡盤的夾緊與松開;（11）控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀；與PC機(jī)的串行通信。X-Y數(shù)控工作臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)CPU選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52,由于AT89S52本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存放用戶程序；由于數(shù)控工作臺(tái)還需要加入銑刀運(yùn)動(dòng)控制和程序輸入等指令，所以除設(shè)置了乂、Y方向的控制指令鍵，操作開停鍵，急停鍵和復(fù)位鍵等外還采用8279來管理擴(kuò)展多種按鍵。8279是一種通用的可編程鍵盤顯示器接口芯片，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分提供掃描工作方式，可與64個(gè)按鍵的矩陣鍵盤進(jìn)行連接，能對(duì)鍵盤實(shí)行不間斷的自動(dòng)掃描，自動(dòng)消除抖動(dòng)，自動(dòng)識(shí)別按鍵并給出鍵值。顯示部分包括一組數(shù)碼顯示管和七只發(fā)光二極管。與PC機(jī)的串行通信經(jīng)過MAX233,可以采用PC機(jī)將編好的程序送入本系統(tǒng)。控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要三個(gè)要素：方向、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。對(duì)于含有硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動(dòng)電源，方向取決于控制器送出的方向電頻的高低，轉(zhuǎn)角取決于控制送出的步進(jìn)脈沖個(gè)數(shù)，而轉(zhuǎn)速則取決于控制器發(fā)出的步進(jìn)脈沖的頻率。在步進(jìn)電動(dòng)的控制中，方向和轉(zhuǎn)角控制簡(jiǎn)單，而轉(zhuǎn)速控制則比較復(fù)雜。由于步進(jìn)電動(dòng)的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖頻率的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度的調(diào)節(jié)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)頻的軟件延時(shí)和硬件定時(shí)。采用軟件延時(shí)法實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，程序簡(jiǎn)單，不占用其他硬件資源；缺點(diǎn)是控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，CPU不能做其他事。硬件定時(shí)要占用一個(gè)定時(shí)器。本設(shè)計(jì)沒有從硬件上布置，由于單片機(jī)功能強(qiáng)大，采用軟件延時(shí)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率低于它本身的起動(dòng)頻率時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以用運(yùn)行頻率直接起動(dòng)，并以該頻率連續(xù)運(yùn)行；需要停止的時(shí)候，可以從運(yùn)行頻率直接降到零，無需升降頻控制。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率（為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有載起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)頻率）時(shí)，若直接用起動(dòng)，由于頻率太高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)失步，甚至?xí)G步，甚至停轉(zhuǎn)；同樣在頻率下突然停止，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)會(huì)超程。因此，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行