XY250数控工作台设计课程设计.doc

课程设计课程名称： 数控技术课程设计 学 院： 机械工程 专 业：机械设计制造及其自动化姓 名： 李加华 学 号： 0908030270 年 级： 机电094 任课教师： 杨文杰，杨绿 2013年1月12日贵州大学本科课程设计诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科课程设计任务书学生信息学号0908030270学院机械学院班级姓名李加华专业机械设计制造及其自动化机自094教师信息姓名杨文杰职称学历硕士教师信息姓名杨绿职称学历硕士任务书发出时间2012年12月20日论文（设计）题目XY250数控工作台设计论文（设计）起止时间2012年12月31日2013年1月18日共需周数3主要内容:1、 结合设计任务的要求拟定总体机械和电气控制设计方案。2、 根据拟定的机械设计方案进行二坐标数控工作台的机械结构设计计算和元件的选用。3、 根据拟定的电气设计方案进行数控系统控制电路的框图设计及驱动控制电路的计算和元件选用。4、 根据指定要求进行有关软件的流程图设计。5、 对指定的软件程序进行编写。6、 进行机械结构的工程图和电气原理图的绘制。主要要求:1、 方案拟定正确。2、 设计计算根据来源可靠，计算数据准确无误。3、 元气件选用正确规范符合国家颁布标准。4、 机械结构图纸绘制视图完整、符合最新国家标准，图面整洁、质量高。5、 电气部份图纸要求符合国家标准，图面布局合理、整洁、质量高。6、 机械和电气部份图纸总量为 1.5 张“0”号图量，其中含机械装配图12张、电气控制原理框图及计算机I/O接口和驱动控制电路等电气原理图12张。7、 课程设计说明书应阐述整个设计内容：如课题来源现实意义、总体方案确定、系统框图分析、电气执行元件的选用说明、机械传动和驱动电路的设计计算以及机械和电气的其它部分。说明书要突出重点和特色，图文并茂、文字通畅、计算正确、字迹清晰、内容完整。说明书页数不少于 20 页预期目标:设计出合理的XY机床工作台部分、电气控制原理框图、驱动控制电路及指定软件设计，撰写不低于2000字左右设计论文，并附录相关资料及设计图纸。计划进程:序号计划时间进程112.311.2课题调研及资料收集，研究问题及提出初步总体方案21.31.4总体方案论证及确定31.51.9机械部分方案论证确定及计算41.101.15电气部分方案论证确定及设计51.161.17撰写论文及绘制相关图纸61.18答辩主要参考文献:1 成大先. 机械设计手册(单行本 机械传动)M. 北京：化学工业出版社，2004.12 沈爱琴. 数控技术课程设计指导书Z. 贵阳：贵州工业大学机电教研室，1998.93 张毅刚. 单片机原理及应用M. 北京：高等教育出版社，2004.14 机电一体化技术手册编委会. 机电一体化技术手册M. 北京：机械工业出版社，1999.95 陆昆，奚大顺，李之权等. 电子设计技术M. 北京：电子科技大学出版社，1998.10XY 数控工作台设计数据说明 型号参数XY210XY230XY250导轨类型自定自定自定加速时间T0.1S0.2S0.3S台面以上最大重量30Kg40Kg50Kg工作台尺寸210*210230*230250*250滚珠丝杠螺距自定自定自定X坐标行程100mm150mm300mmY坐标行程80mm100mm120mm脉冲当量0.01mm/pluse0.01mm/pluse0.01mm/pluse定位精度0.04mm0.04mm0.04mm重复定位精度0.02mm0.02mm0.02mm工作台空载最快移动速度Vk1000 mm/min1200 mm/min1500 mm/min工作台进给最快移动速度400 mm/min400 mm/min400 mm/min步距角自定自定自定加工参数立铣刀最大直径D=15mm立铣刀齿数Z=3最大铣削宽度最大背吃刀量加工材料碳素钢或有色金属 贵州大学本科课程设计论文 第 45 页目 录摘 要III第一章前 言3第二章总体方案的拟定与论证3 3.1研究问题3 3.2总体方案的拟定与论证3第三章工作台传动装置的设计计算3 3.1 基本参数的3 3.2 滚珠丝杠副的设计计算及其型号与直径的选择.3 3.2.1 最大工作载荷的计算.3 3.2.2 最大计算动载荷的确定.3 3.2.3 滚珠丝杠副及其型号的选择.3 3.3 滚珠丝杠副刚度的验算.3 3.3.1 滚珠丝杠螺母几何参数.3 3.3.2 刚度的验算.3 3.4 丝杠的支承方式及轴承的选择.3 3.4.1 丝杠的支承方式.3 3.4.2 轴承的选择.3 3.5 滚珠丝杠副稳定性运算.3 3.6 滚珠丝杠副预紧力Fp确定.3 3.7 滚珠丝杠轴预紧拉伸力Fp1的确定.3 3.8 导轨的设计计算及参数的确定.3 3.9 计算电机轴上的惯量和转矩，选取步进电机.3 3.9.1 步进电机的传动计算.3 3.9.2 步进电机轴上的等效负载转矩M的计算.3 3.9.3 步进电机的初选.3 3.9.4 步进电机性能校核.3 3.10 设计中的其他问题.3 3.10.1机械传动部件的防护.3 3.10.2机械传动部件的润滑.3 3.10.3联轴器的选择.3第四章工作台电气控制部分设计与计算3 4.1控制系统结构的确定3 4.2 步进电机驱动电路控制设计与计算.3 4.2.1 步进电机的驱动电路设计流程.3 4.2.2 驱动电路的设计.3 4.2.3 驱动电源的选用，及驱动电源与控制器的接线方式.3 4.3 相关软件流程设计.3 4.4 零件加工程序清单.3第五章机械部分装配图的绘制3第六章总结3参 考 文 献3XY250数控工作台设计摘 要 当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。数控技术是用数字程序控制数控机械实现自动工作的技术，本次设计的数控工作台主要包含包含以下几个基本要素：机械总体方案的确定、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。主要是结合了机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。数控技术能够较好的解决多品种、小批量和复杂零件的加工以及生产过程自动化等问题，能够大大的减轻劳动力，缩短加工生产时间提高生产效率，数控技术已经广泛应用于数控机床及各类机电一体化产品上。关键词：数控技术， 控制驱动器， 滚珠丝杠 ，滚动导轨 ，步进电机 第一章 前 言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 数控机床课程设计是一个重要的而且很有必要的教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法；2、通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式；3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式；4、培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想；5、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力。 第二章 总体方案的拟定与论证 2.1研究问题总的方案的确定是设计过程中对于全篇论文的是很有必要的，主要包括传动部件的选择及设计，控制系统的设计和选择。根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案：进行系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。2.2总体方案的拟定与论证2.2.1、丝杠螺母副的选择步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度0.04mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是0.02mm和0.04mm的定位精度，滑动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。由于工作台最快的移动速度Vxmax = Vymax =1500mm/min，所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。2.2.2步进电机的选择选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有1500mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。2.2.3、导轨副的选用要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。 2.2.4、减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。2.2.5 工作台的结构简图 系统总体框图 第三章 工作台传动装置的设计计算 3.1 基本参数的预置3.1.1设计一套供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台主要参数如下：1、立铣刀最大直径的d=15mm，立铣刀齿数Z=3，最大铣削宽度=15mm最大背吃刀量=8mm，加工材料为碳素钢或有色金属。2、X、Z方向的定位精度均为0.04mm。3、工作台面尺寸为250mm250mm，加工范围为300mm120mm4、工作台空载进给最快移动速度： Vxmax = Vymax =1500mm/min，工作台进给最快移动速度:，加减速0.3s。3.1.2 工作台的初步设计：1、确定系统脉冲当量脉冲当量是个进给指令时工作位移量，应小于等于工作台的位置精度。一般为0.010.005mm。2、工作台外形尺寸及重量初步估算。根据给定的有效行程,估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。取X向导轨支承钢球的中心距为300mm ,Y向导轨支承钢球的中心距为120mm，设计工作简图。工作台简图工作台的尺寸： 250*250；重量：按重量=体积材料比重估算： Wx=X向拖板(上拖板)尺寸为:长*宽*高=重量：按重量=体积材料比重估算： Wx=Y向拖板尺寸：长*宽*高= 上导轨(含电机)估算重量为：240N夹具及工件重量:150NX-Y工作台运动部分总重量为:Wxy=288N+309N+240N+150N=987N 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为987N。3.2 滚珠丝杆副设计计算及其型号与直径选择初选丝杆材质钢，查材料成型基础有HRC 5860导程3.2.1 最大工作载荷的计算1、计算切削力根据设计任务，加工材料为碳素钢或有色金属及如下参数：立铣刀 最大直径的d=15mm立铣刀齿数Z=3最大切削宽度=15mm最大背吃刀量=8mm设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢。由【5】中P13页的表中，可知d=15mm的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：每齿进给量fz=0.1mm铣刀转速n=300r/min查【2】中P200表得立铣时切削力计算公式为：代如上式得： 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由【2】中查得，各铣削力之间的比值范围如下：=(1.01.2) 取1.1/=(0.20.3) 取0.25/=（0.350.4） 取0.38考虑逆铣时的情况，因为逆铣的情况的受力最大的情况，为了安全考虑这种最危险的工况。由此可估算三个方向的铣削力分别为： （与丝杠轴线平行） （与工作台面垂直） （与丝杠轴线垂直）考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削力为。 已知移动部件总重量G=987N，按滚动导轨计算，取颠覆力影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数查表可知u=0.00250.005,现取u=0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：=1.11352+0.005(307+468+987)=1496.01N3.2.2最大计算动载荷的确定设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程P=5mm,则此时丝杠转速=v/P=80r/min。预计滚珠丝杠的工作8年,每年算360天，每天工作8小时，由此得使用寿命为：T=83608=23040h，根据公式：其中 T使用寿命 23040 h 滚珠丝杠的当量转速 80r/min 求得：110.58N查表得，受中等冲击载荷取值范围，现取，滚道硬度为60HRC时，硬度影响系数取值，由课本机电一体化系统设计中P34有式代入数据得：3.2.3滚珠丝杠副型号及其直径的选择1、规格型号的初选 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GDM系列2505-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为25mm，导程为5mm，循环滚珠为4圈2系列，精度等级取5级，螺母安装尺寸L=90mm，额定动载荷为11921N，大于最大计算动载荷=9346.568N，满足要求。滚珠丝杠的长度+加工余量3.3 滚珠丝杠副刚度的验算3.3.1滚珠丝杠螺母几何参数滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位mm）名 称符 号计算公式和结果 丝杠滚道公称直径25螺距P5接触角钢球直径3.175螺纹滚道法面半径偏心距e=0.0449螺纹升角丝杆丝杠外径24.4丝杠底径21.2螺杆接触直径丝杠螺母螺母螺纹外径螺母内径（内循环）刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定-一端游动”的轴承配置形式。可知这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠，一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承,这样能承受集中力偶。丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。 1、滚珠丝杠滚道间的接触变形量，查表得相关公式，根据公式，求得单圈滚珠数Z=25；该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为42，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=200。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=499N。查相关公式，得，滚珠与螺纹滚道间接触变形 式中 Pa=1496N,=，因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取=0.00417mm。2、丝杠在工作载荷作用下的抗拉压变形 查课本机电一体化系统设计P35有滚珠丝杆受工作负载F和扭矩共同作用引起的每一导程的变化是Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算。Fy=307N （材料为钢）截面积S=352.81=3.53所以： cm丝杆因受扭矩所引起的导程变化量很小，可忽略，所以导程总误差查机电一体化系统设计P29表2-4知E5级精度的丝杆允许误差，故刚度足够。3.4丝杠的支承方式及轴承的选择3.4.1 丝杠的支承方式 由于采用的是内循环式的螺母，因为内循环方式在循环过程中始终与丝杆表面保持接触，它的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高，螺母的径向尺寸较小。由于精度要求不高，又要符合经济型，支承方式选为双推-简支式，一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，其轴向刚度较低使用时应注意减少丝杠热变形的影响，双推可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。对于高精度、高速旋转的滚珠丝杠应该采用两端固定安装的方式，如下图所示：为了给丝杠施加预紧力，可采用两端固定方式并可在丝杠一段安装碟形弹簧和调整螺母，既能对丝杠施加预紧力，又能让弹簧来补偿丝杠的热变形，保持预紧力近乎不变。这种支承形式的刚度最高，只要轴承无间歇，丝杠的轴向刚度为一段的4倍。安装时需保持螺母与两端支承同轴，故结构复杂，工艺较难。3.4.2、轴承的选择 轴承的选择最终要根据所设计的和所选的丝杠轴来确定的。在这里可以先选择轴承的类型，初步确定为滚动轴承，因为滚动轴承可以减少摩擦，对轴和丝杠的损坏较小。轴承的选择，根据上面的计算滚珠丝杠的尺寸，查表选取轴承的型号为60002GHF轴承。因为选用两端固定的支承方式，采用的角接触球轴承，这种角接触球轴承是一种向心推力球轴承，是丝杠的支承轴承，常采用滚珠丝杠专用轴承，其接触角增大到60度，增加了滚珠数目，并减少了滚珠直径，使轴向刚度增大到普通向心推力轴承的2倍。3.5 滚珠丝杠副稳定性运算3.5.1稳定性的验算根据课本机电一体化系统设计中 P35式2-2有 Fk实际承受载荷的能力；丝杠稳定的支承系数，由于采用的是双推-简支式，取=2E钢的弹性模量I丝杠小径d2截面惯性矩，由丝杠底径d2=21.2mm求得截面惯性矩；K压杆稳定安全系数，K取3（丝杠卧式水平安装）；查表机电一体化系统设计P29有=160mm。代入公式，得F=125612N大于=9347N，故不会失稳，满足使用要求。3.6 滚珠丝杠副预紧力Fp确定 初步确定滚珠丝杠副的预紧方式为双螺母螺纹预紧调整式。如下图所示：预紧后两个螺母中的滚珠相向受力，从而消除轴向间歇。其特点是结构简单刚性好，预紧可靠，使用中调整方便。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或相对滑移。经验表明，适当选用较大的预紧力对螺纹连接的可靠性以及连接件的疲劳强度是有利的。 螺纹连接时丝杠预紧力的确定采用滚珠丝杠最大预紧力计算，通常，预紧力的大小根据最大轴向载荷的1/3计算。 当主机伺服进给系统的轴向刚度要求较高，并且最大轴向载荷Fmax出现的频率也高，或者有冲击载荷，预紧力不应该小于按轴向载荷计算的的1/3，即FpFmax/3；即 预紧力无法直接测量，而是根据预紧转矩间接测量，有专门的滚珠丝杠副动态预紧转矩测量仪。一般在设计丝杠时，图纸上的技术要求中都会给出预紧转矩的范围，用测量仪测出预紧转矩后，预紧转矩值除以力臂，即可得到预紧力，一般预紧力不是固定值，也是一个范围。关于力臂的计算，还要根据丝杠螺母法兰上的安装孔的位置来确定，不同规格的螺母，力臂也不尽相同.3.7 滚珠丝杠轴预紧拉伸力Fp1的确定 保证丝杠在最大轴向力作用下，在作用力方向上仍保持拉伸状态，预拉伸力应大于最大工作载荷的倍。即由【13】中P312中的1.4-78式有丝杠预拉伸力丝杠与床身之间的温差。对于恒温车间取=23d丝杠螺纹底径得到丝杠的预拉伸力该丝杠的预拉伸力足够大，满足要求。3.8 导轨的设计计算及参数确定1、滚动导轨的计算及参数和型号确定、工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量G=987N,外加载荷外加载荷得最大工作载荷。、小时额定工作寿命的计算预期工作台的工作寿命为8年，一年365天，取工作时间为360天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命、距离额定寿命计算由公式，从而得到式中：为小时额定工作寿命。 n为移动件每分钟往复次数（46）取5 S为移动件行程长度，由加工范围为300mm120mm取330mm代入数据 得：、额定动载荷计算由公式从而得到：式中：为额定动载荷 L为距离工作寿命，由上式可知为4652km F为滑块的工作载荷，由上式可知为668N代入数据得： =4213.78N、产品选型根据额定动载荷，选择滚动导轨，查滚动导轨生产厂家，选用南京工艺装备制造有限公司的GGB16BA型，相关尺寸如下图所示， 图4可知其额定动载荷C=6.07KN，大于4213.78N，故可知满足要求。参考网址 /product.asp?Action=Detail&ID=2839 计算电机轴上的惯量和转矩，选取步进电机 4.9.1 步进电机的传动计算1、因为该立式铣床的加工定位精度为0.04mm，脉冲当量为0.01mm/Hz，考虑到最初决定不用减速箱取减速比i=1算的电机步距角：=360i/Ph=0.72 由于传动比为1，则不需要选用减速箱，采用电动机轴与丝杠通过联轴器联接的方式。 2、步进电动机的计算和选择 a、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。1）、滚珠丝杠的转动惯量J由【12】中P119式5-2得：式中 D为丝杠公称直径D=25mm L为丝杠长度=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）=330+90+20+140+40=620 代入数据，得：J=0.772562010=1.86kg.2）、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量 由【12】P119中式5-3得：其中 M为工作台的（包括工件）的质量M= S为丝杠螺距S=5mm 代入数据，得： 3）、初选常州宝马前杨电机电器有限公司的90BYG5502型混合式步进电动机，可知其转子的转动惯量 所以 验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般比值控制在1/41之间，由此可见:,符合惯量匹配要求。3.9.2 步进电机轴上的等效负载转矩M的计算1、承受的负载转矩在不同工况下是不同的，考虑最大切削负载时电动机所需力矩由【12】中P121式5-10得：其中 （见【12】P122中表5-5）其中: 为折算到电动机轴上的总惯量=7.8510kg. T系统时间常数，由任务书知为T=0.3S 切削时的转速为300r/min得： N.m ，其中： 为导轨摩擦力 S为丝杠螺距S=5mmi为齿轮降速比，已计算出为1为传动链总效率，=0.70.8，取0.8代入数据 得： 其中： 为最大轴向预紧力，Famax=Fz=468N为滚珠丝杠未预紧时的效率，=0.960.9 代入数据 得：其中：进给方向的最大切削力，代入数据得：Nm由此得等效负载转矩： 2、快速空载时电动机所需力矩M由【12】中P121式5-9得：加速力矩其中：代入数据得：力矩摩擦其中：u为导轨副的摩擦因数，滚动导轨取 u=0.005代入数据得：附加摩擦力矩：代入数据得：所以可知快速空载时电机所需的负载：比较和，取其较大者，就是最大等效负载，即：=1.47N.m3.9.3 步进电机的初选 考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降低时，其输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此按最大等效负载M考虑一定的安全系数，取=3，则步进电机的最大静转矩应满足： 由所选的电机型号参数可知，最大静转矩 Nm，可知满足要求。3.9.4 步进电机性能校核1、最快工进速度时电动机时输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量/脉冲，求出电动机对应的运行频率。从90BYG5502电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩4Nm，远远大于最大工作负载转矩=2.21Nm，满足要求。2、最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=1500mm/min，求出其对应运行频fmax=1500/(600.01)=2500Hz。由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩=3.5Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.86Nm，满足要求。3、最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=1500mm/min对应的电动机运行频率为。查矩频特性曲线图中相应表格，可知90BYG5502电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。4、起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。步进电动机克服惯性负载的起动频率为：说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG5502步进电动机，完全满足设计要求。5、确定选型的步进电机的参数所选电动机参数如下图所示：所选步进电机的矩频特性曲线图如下：参考网址 /product.asp?Action=Detail&ID=283.10 设计中的其他问题4.10.1 机械传动部件的防护 滚珠丝杠副可用防尘密封圈或者防护套来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副。使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维持其传动精度、延长其使用寿命。3.10.2 机械传动部件的润滑 常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类，润滑脂一般在装配时放进滚珠螺母滚到内进行定期润滑的作用，使用润滑油时应注意经常通过注油孔进行住油。3.10.3 联轴器的选择 刚性联轴器结构比较简单，制造容易， 免维护，超强抗油以及耐腐蚀，即使承受负载时也无任何回转间隙，即便是有偏差产生负荷时，刚性联轴器还是刚性传递扭矩。适用于安装底座刚性好、对中精度较高、冲击载荷不大、对减振要求不高的中小功率轴系传动。根据选出的电机和丝杠的参数，选用沈阳光宇科技有限公司的LK13-C32-1012型刚性联轴器。参考网址 /asp/cpzx-show.asp?productid=1753 第四章 工作台电气控制部分设计与计算4.1 控制系统结构的确定 设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。对于步进电动机的开环控制系统，选用MCS-51系列的8位单片机ADT-9162作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。 步进电机驱动流程图1、机床数控系统的硬件电路设计包由以下四部分组成： 1）、主控制器：就是中央处理单元CPU。2）、总线：包括数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）。3）、存储器：包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4）、接口：即I/O输入/输出接口电路。 数控系统的硬件结构框图如下：外部设备控制对象信号变换I/O接口CPU存储器RAM ROM 控制系统硬件框图除此之外，还要根据数控系统的要求配备一些外围设备和信号变换电路。其中信号变换电路是A/D转换、D/A转换、光电隔离、功率放大等，是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。它们可根据控制系统的要求选取。2、主控制器CPU的选择： 在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下要素： 1）、时钟频率和字长（控制数据处理的速度）； 2）、可扩展存储器（ROM/RAM）的容量； 3）、指令系统功能是否强； 4）、I/O口扩展的能力； 5）、开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。3、存储器扩展电路的设计: 1）、程序存储器扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM。其型号分别是2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分别是2k、4k、8k、16k、32k。要注意8031所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。2）、地址锁存器74LS373 单片机规定P0口提供低8位地址线，同时又要作数据线，所以是分时输出低8位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提供低8位地址信息，一般采用74LS373作为地址锁存器，并由CPU发出地址允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。3）、有关程序存储器和地址锁存器的接线图参见控制部分的电气原理图。4）、数据存储器的扩展因为8031内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的要求，需扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116和6264静态RAM数据存储器，其选用的规则与EPROM程序存储器的要求相同。有关它的接线图也参见控制部分的电气原理图。 5）、译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机连接。单片机数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送，故要进行片选控制。片内有多个字节单元时，还要进行片内地址选则。由于外围芯片与数据存储器统一编址，因此，单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码方法。4、I/O口扩展电路设计:8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可提供给用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此在大部分应用系统中都不可避免的要进行I/O口扩展。其中通用可编程接口芯片8155与微机的接口较为简单，是微机系统中广泛使用的接口芯片。5、键盘、显示接口电路:键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都用行列式键盘，即用I/O口线组成行、列接构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器），为了方便显示图形，也有用CRT接口显示方式的系统。6、步进电机驱动电路:步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机，在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲数成正比，转速仅与控制脉冲频率成正比。在多数情况下，用步进电机作为执行元件的数控系统中不需要A/D或D/A转换，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济型数控机床最主要的一种的伺服驱动单元。步进电机的驱动电路由图5所示四部分组成。脉冲分配器计算机接口步进电机光电隔离器功率放大器步进电机驱动电路1）、计算机接口在数控系统中，步进电机接口电路至关重要。没有它将无法实现微机对步进电机的控制。如前所述，8031系列单片机含有4个并行输入/输出口，提供32根I/O线。其中P1口可供用户使用，作为步进电机及其他控制对象的接口。也可以采用8155或8255（8255功能与8155相似，可参看有关资料）等可编程并行输入、输出接口芯片设计扩展接口电路，来控制步进电机与其它外部设备。2）、脉冲环形分配器脉冲分配器又叫环形分配器，是驱动步进电机比不可少的环节。步