数控转塔冲床结构与运动控制系统设计

- 1 -1 前言1.1 设计的目的和意义为适应现代锻压机械行业的高速发展并且满足钣金加工行业的需求，现阶段数控冲床朝着高速度、 高效率和高精度的方向发展。数控冲床工作性能的提高，对数控转塔冲床提出了许多更新更高的要求。随着各种高新技术的引入，数控冲床的科技创新发展很快，功能更完善，许多性能指标（如冲孔频率、联动控制轴数、冲孔精度等）都有了很大程度的提高。在专业板金加工工厂，数控转塔冲床已成为不可缺少的通用设备。使用范围的扩展对机器的性能和加工工艺提出了新的要求，设备制造商和模具制造商始终将不断满足这些新的需求作为目标和前进的动力。数控转塔冲床在加工中可能存在以下情况：待加工板材超出机床工作台范围，加工中存在图素与夹钳死区干涉等。为了解决实际工作中的问题，对数控转塔冲床结构与运动控制系统的研究是必要而有意义的。1.2 国内外研究现状数控转塔冲床，作为金属板材冲压加工的关键设备和钣金加工的主要设备，到今天已经有近 50 年的应用和发展，数控转塔冲床 60 年代问世，至今已经走过30 年的发展历程，其结构、性能、模具和控制系统设计日臻完善，适使用范围已扩展延伸到高低压开关柜、邮电通讯设备、电梯、纺织机械制造、机车车辆制造、机床、中央空调设备、展示柜、文件柜、自动仓库等众多领域。其中，作为冲压动力源的主传动部件，也经历了机械式主传动、液压式主传动、伺服电机驱动式主传动等几个阶段的变化和发展。机械式主传动的传动机构也由原来的曲柄连杆机构延伸出冲压频率更高的曲柄肘杆机构，并开始与伺服电机相结合，这样就使冲床不仅保留了机械主传动结构成熟安全的优点又同时具备了许多液压主传动系统的优良特性。济南捷迈数控机械有限公司于 1983 年率先开发研制出中国第一台数控机械转塔式冲床、96 年中国第一台 30 吨四轴控制的数控液压转塔冲床，2005 年 5 月，又推出了一款最新的冲床产品SKYB31225C 型新型无摩擦离合器的机械式数控转塔冲床。数控转塔冲床在国外的发展也经历了几个阶段，90 年代后期，世界著名的数控转塔冲床模具专业制造商美国威尔逊国际机床工具公司，开发出数控转塔冲床使用的滚轮工具系列，在根本上发起了薄板冲压加工工艺的革命。日本的村田机械在 1994 年东京工作机械展上展出了世界上第一台全伺服电机驱动的数控转塔冲床。MOTORUM 上市后，因它优异可靠的性能和新颖美观的设计，即在第二年在由日刊工业新闻社主办的工业设计奖中获得日本通产大臣奖。而日本- 2 -AMADA 公司的 EM2510NT 型数控转塔冲床，则是将两台伺服电机分别连接于曲轴的两端，控制使其同步运转，保证对曲轴扭矩的足够输出，于此同时也可以获得很高的冲压频率。我国锻压机械行业和钣金加工的整体水平进步较快，特别是在一些高端产品的技术性能、结构等指标方面，已接近或超越国际先进水平。近年来，锻压机械行业不仅只停留在结构、性能、模具和控制系统等主要技术指标提高上，也开始注重机床的外观与色彩的人性化设计，随之也出现了不少精品，但是与国外许多知名品牌比较还存在着明显的差距。综上所述，我国的数控转塔冲床研究有很大的实用意义和进步空间。1.3 设计的主要内容当前，在锻压机械行业和板金冲压加工领域，数控转塔冲床以其冲压速度快、加工精度高、模具通用性强、产品灵活多样等特点得到广泛应用。使用范围的扩展对机器的性能、机构加工工艺以及控制程序提出了新的要求。例如：现在市场需求千变万化，为增强企业的竞争力和灵敏性，适应迅速多变的市场环境需要，满足市场小批量、多品种产品的要求，加工时就需要多种型号多种规格的加工刀具，因此在更换刀具的同时刀具库参数的修改要求简单快捷。实际的需要对数控转塔冲床结构、性能与运动控制系统有更多的要求，因此对数控转塔冲床的研究和改进是很有必要的。毕业设计的课题是数控转塔冲床与运动控制系统设计，主要包括机械部分和电气部分两部分的内容，内容需要包括机械部分总装图及配套零部件图，电气部分相关原理图机控制程序，主要计算内容：电机选型计算，齿轮选型计算，滚珠丝杠的设计计算，导轨及轴承的选用及工作台尺寸等，设计说明书：清楚调理阐述设计过程，符合设计要求。设计完成后，根据具体的设计方案，编写相关程序并调试、连接电路，进行仿真运行，观察设计效果，进行修改完善。机床根据加工要求，在控制程序的协调控制下进行工作，经电动机得驱动，滚珠丝杠的传动使板料在工作的 X、Y 方向定位，主传动系统负责模具的冲压控制和动力提供。进给机构由平面直角坐标系下的 X 轴和 Y 轴驱动系统所组成。被加工的板材被夹持在固定在固定在 X 轴 Y 轴的数个夹钳上。当 X 轴或 Y 轴按照数控系统的位置指令移动时，夹持在夹钳上的板材也跟随移动，从而在模具处按要求冲压出各种不同规格的孔。同时为了满足夹钳保护的需求，需要有专门的夹钳保护软件和夹钳保护区位置搜索指令来满足各种工作状况下的夹钳保护要求。数控系统主要完成回参控制、系统设置、IO 状态显示、手动加工设置、自动加工设置和加工仿真等几项功能。刀具库管理系统实现刀具库管理（进行刀具的添加、删除和参数修改，同时对刀具库所存刀具进行排序） 、刀塔设置（对刀塔工位进行设置和删除） 、刀塔- 3 -管理（刀塔上刀具的装卸） 。最后设计结束需要完成的工作量有：与课题有关的外文资料翻译一份（译文字数不少于 5000 字） ；毕业设计任务书一份；毕业设计方案一份；实习笔记一份；实习报告一份；设计计算说明书一份（字数不少于 1.2 万字，含插图折合字数） ；机械部分总装图及配套零部件图（绘图量不少于折合成图幅为 A0 号的图纸 1 张，其中手工绘图不少于折合成图幅为 A2 号的图纸 1 张，计算机辅助绘图不少于折合成图幅为 A2 号的图纸 1 张） ；电气部分相关原理图及控制程序；查阅文献类有关资料 15 篇以上（其中外文文献要在 2 篇以上） ；应用计算机进行设计、计算。- 4 -2 主传动系统设计2.1 主传动系统的几种形式2.1.1 机械式主传动机械式主传动系统由滑块、连杆、曲轴、离合器与制动器、飞轮和电机等机构组成，曲轴和滑块经连杆连接，将曲轴的旋转运动转化成滑块的直线运动，滑块的垂直上下运动带动模具的冲头将其压入待加工板材中，完成冲压工作。飞轮和电机通过皮带相连，飞轮储存能量。进行冲压时，离合器闭合，飞轮储存的能量经由曲柄连杆机构传递到冲头上，冲头上下运动，完成对板材的冲压。冲压结束时，离合器在冲头向上工作时脱开，飞轮不在给曲轴传递扭矩，于此同时制动器开始工作，使曲轴转动到上死点的位置停止。在机械式主传动系统中，离合器和制动器的性能直接影响主传动部件的使用寿命和工作效率。图 21 机械式主传动系统原理图- 5 -2.1.2 液压式主传动目前越来越多的数控转塔冲床采用液压式主传动系统，相比传统的机械式主传动系统，液压式主传动系统具有多方面的优点。如通过参数化改变冲头在整个冲压循环中的速度降低冲头接触板料时的速度，可以减轻冲压过程中的震动和冲击，可以减小冲压过程中产生的噪音。可以在电子卡程序中设定适当的上死点位置，可以减少冲头的行程，还可以用参数优化消除冲压与送料之间的间歇，以此来提高冲压频率。因为全行程能发出最大冲压力，冲头停止精度也高，所以适合完成一些滚压和拉伸的特殊成型工艺，进一步扩展了冲压工艺，还可以进行快速冲孔和高速打标。液压式主传动系统的结构和工作原理是连杆曲轴等机械结构，由液压站提供所需动力油缸和液压站通过主液压阀快连接，用专门的电子卡程序化控制整个系统的冲压动作，同时连接在油缸活塞杆上的电子传感器适合的给予测量和反馈，对冲头位置、行程及速度进行精确的控制。2.1.3 伺服电机驱动式主传动现在，伺服电机驱动主传动的结构形式主要有以下两种：（1） 在传统机械主传动系统的基础上，将伺服电机直接与曲轴相连，省去离合器制动器与飞轮。另外一种结构形式是伺服电机和曲轴通过减速机相连接，这样可以降低伺服电机的额定扭矩，但相应的最高冲压频率也会受到限制。（2） 伺服电机通过减速机与曲柄肘杆机构相连，该系统虽然结构比较复杂，但是利用曲柄肘杆机构特有的增力特性，可以降低伺服电机的负载扭矩，其最大的优点是曲柄旋转一周，滑块上下运动两次，可以完成两次冲压动作，这样就能够达到更高的冲压频率。伺服电机驱动的主传动系统，不仅保留了机械式主传动系统成熟可靠的优点，而且具备了液压主传动系统的许多特性，其优点主要有以下几点：（1） 提高效率。伺服电机驱动的主传动系统的速度和滑块行程都能够任意调整，可以设定合适的速度并选择冲压所需的最短行程，同步送料，有效的提高生产率。（2） 优化工艺。通过精确设定滑块的停止位置，可以提高成型模具的加工精度。通过优化程序来控制滑块以适应各种冲压模式。- 6 -（3） 节省能源。传统的机械式主传动系统由电机带动飞轮旋转并积聚能量，在冲压过程中，飞轮能量消耗，在返回上死点位置时又重新积累。对于伺服电机驱动的主传动系统，则无需储备能量，伺服电机不需要一直工作，只在冲压时启动并提供能量。而且，由于没有了离合器制动器和飞轮，整个系统的结构更简单，电能消耗便大大降低。通过上述对数控转塔主传动系统各种类型的分析和比较，确定在本次设计中采用伺服电机驱动的主传动系统。2.2 伺服电机主传动系统的结构类型机械式主传动系统最早采用的是曲柄滑块机构。但是在长期的实践工作过程中，逐渐发现这类机构存在很大的缺点：（1）滑块在上下运动的过程中加速度和速度较大，容易导致零件在拉伸成型过程中撕裂或起皱；（2）上下模和模的瞬间冲击力较大，会造成主机和模具的使用寿命降低；（3）负荷工作区域的行程短，不适应深拉伸工艺的要求。为了满足锻压机械行业和钣金加工行业的需求，人们在主传动系统的机构形式上进行了大量的改进和实验，研制出了更多形式的机械传动机构。（1） 偏置式曲柄滑块式按滑块与曲柄回转中心位置的不同可以分为三种形式，如图 2.2 所示，分为结点正置式、结点正偏置和结点负偏置。其中正偏置和负偏置都能改变压力机的行程曲线。这类偏置式曲柄滑块结构主要用于板料的落料、冲孔、整形、切边和局部成型等。机构简单，使用范围广，但是仅能满足一般的冲压工艺要求。图 2.2 曲柄滑块机构三种类型- 7 -（2） 肘杆式机构肘杆式机构在压力机中也是应用的比较早并且比较广泛的结构。相对于曲柄滑块机构，肘杆机构适合更大范围面的工艺要求，我们可以通过对多种方案的比较，选择合适的力能特性以及符合速度曲的机线构型和参数。此外肘杆式机构简单可靠、易于维护、传动效率高。图 2.3 肘杆式机构三种类型如图 2.4 所示，在这三种肘杆主传动机构中，滑块行程从大到小的排列顺序依次是肘杆式机构，双肘杆式机构，拉力肘杆式机构。图 2.4 肘杆机构滑块位移曲线（3） 多杆式主传动结构- 8 -多杆式主传动结构是由多杆驱动机构按特定的组合关系构成的，利用多杆机构的连杆曲线和急回特性，可以使滑块得到一个较为理想的压力曲线。在一个行程中，滑块能够从上死点位置快速运行到工作区域，到达工作区域后滑块速度缓慢，滑到到达下死点位置时，在较长的时间内能够几乎处于停止的状态，完成整个冲压拉伸的工作。冲压工作完成后，能够快速返回到上死点位置。通过对上述主传动系统结构的分析比较可以看出：选用偏置的曲柄连杆机构作为伺服电机的转传动系统，结构简单，工件的变形形态可以通过调整连杆的结点偏置值来改变。肘杆机构相对于曲柄滑块机构增加了两个杆件，却大大的改变了主传动系统的动力特性和运动特性。多连杆机构能够产生所需的保压时间和急回曲线，满足不同的延伸冲压工艺的要求。2.3 伺服电机主传动系统结构选型主传动多杆机构备选方案由伺服电机驱动的主传动系统有几种不同的机械结构形式，我们需要选择、设计合适的机械结构，尽量使所设计的数控转塔冲床具有高运行效率，强的承载能力，平稳的工作状态，同时结构要方便调整。伺服电机主传动系统的设计要求如下：（1） 满足冲压工作中冲床滑块工作行程的不同冲压工作速度，保证冲压的质量。（2） 尽可能高的滑块空程和回程速度，提高冲压加工效率。- 9 -图 2.5 主传动系统多干机构选型（3） 具有增利作用，尽可能减轻冲压力对伺服电机的冲击影响。（4） 伺服电机应尽量远离滑块，以减轻冲压力对伺服电机的冲击。综合比较、分析上述机械机构和伺服电机主传动系统的设计要求可知，曲柄滑块机构具有急回特性，肘杆机构具有放大冲压力的特性。伺服电机主传动系统应同时包括这两种典型机构。曲柄滑块机构的设计主要是连杆系数的选择，肘杆机构的设计主要是根据肘杆和连接方式的不同选择类型。现有的肘杆机构主要有以下几种类型：(1)三角形连杆肘杆机构三角形连杆指的是与上、下肘杆连接的曲柄连杆是一个三角形。该机构通过四根轴将上、下肘杆、连杆和滑块连接起来。此结构的肘瓦是整体的，装配时不需要进行配合研究，所以加工和维修都很方便。但是结构承受的力较大，所以导致结构尺寸也变大，整机重量和高度都有所增加。、（2）等长肘杆机构等长肘杆机构的上、下肘杆式等长的，肘杆粗而短，肘杆镶在滑块及肘杆的凹面上，通过肘轴传递力，肘轴作用面上有较大的挤压力。这类肘杆机构装配方便，结构紧凑。但是因为它的接触面积大，所以会对机构的刚性有负面影响。- 10 -（3） 不等长肘杆机构不等长肘杆机构的上、下肘杆是不等长的。上肘瓦放在上肘杆上下肘瓦放在滑块体上，用压板挡住，防止肘瓦因为定位销被剪断搓出的现象，可以通过调节此结构两肘杆的长度来实现力的放大比例。在上面介绍的三类肘杆机构中，等长肘杆机构的工作行程和滑块行程都很小，有增力作用，但是公称力不大，三角形连杆肘杆机构能够增加滑块的行程，加大对力的放大作用，但同也有刚性减弱、机构尺寸大等缺点；不等长肘杆机构结构简单，刚性高，可获得较大的增力作用，一般主传动结构都可以使用。综上所述，本设计中采用不等长肘杆机构作为伺服主传动系统的机械结构。2.4 伺服电机主传动系统的组成通过上面对主传动系统机构的分析，决定本次设计中采用肘杆式伺服主传动体统机构，如图图 2.6 所示，伺服电机 2 通过减速机构 2 驱动曲柄 3 转动，经由连杆4 和过渡杆 5 将驱动力传递给肘杆机构 6，再通过连杆 7 最终将动力传递到滑块 8。肘杆式伺服主传动系统可借助肘杆机构起到增力作用，还可以通过伺服电机的调速获得理想的压力曲线，同时可以通过肘杆和过渡杆吸收压力机工作时的冲击能量，避免伺服电机受到冲击力的影响。图 2.6 主传动系统的组成- 11 -图 2.7 主传动系统机构简图图 2.7 为肘杆式主传动系统机构简图，是由曲柄滑块机构与肘杆机构串接而形成的，伺服电机驱动曲柄 O A，当系统摆杆 O D 杆与 DE 杆在一条直线上时，滑块 E11的位置为下死点位 BDC；当摆杆 O D 的摆偏角达到 时，滑块 E 到达上死点位maxTDC。2.5 主传动系统机构各杆件的长度确定在数控转塔冲床系统的设计过程中首要考虑的就是滑块的最大行程，本次设计中最大行程定位 32mm，需要根据设计要求调整各杆件的长度以满足设计要求。滑块行程与各杆件长度的关系为：S =R （2.1）E2max22maxsin1cos1=arcsin （2.2）ax21R= （2.3）2L取 R =70mm，R =120mm，L =300mm，L =630mm 时，代入数据得：1212=arcsin =35.6853max07- 12 -= =263014S =120 =30.309mmE 6835.sin2146853.cos 2在这种情况下滑块的最大行程为 30.309mm 小于 32mm，所以所取的数据是满足要求的。2.6 主传动用伺服电机的选择选择合适的伺服电机首先要考虑的就是冲床在冲压过程中消耗的能量。消耗最大的一部分就是板材变形功，冲压设备的能力就是根据它来确定的，实际上就是冲压板材的过程中凸模在工作过程中做的功。凸模所作的功 A 近似的表达为：A=0.315Fh （2.4）0式中，F冲床公称力（ N）h 板材厚度（m）0本设计中公称力为 F=300KN，最大板材厚度 h =6.35mm，代入数据：0A=0.315 300 10 6.35 10 =600.075J33根据公称经验，一次冲压所需的能量为A =1.8A=1.8 600.075=1080.135JT系统要求的最 高冲孔频率 n=600hpm，因为肘杆机构曲柄旋转一圈冲头可以完成两次冲压工作，也就是一次冲压曲柄只需旋转半周，那么曲柄的工作周期为：T= = = minr= sr= =0.2srf12nn1206系统进行一次冲压工作，伺服电机的平均功率 P 为：aP = = =10.801KWaAT2.01358考虑伺服电机的安全运转因素，乘以一个安全系数 K，一般 K 取 1.21.6，这里取K=1.3，那么在 n=600hpm 时，得伺服电机空位：P=KP =1.3 10.801=14.041KWa- 13 -根据以上计算和设计需要，选用额定功率为 15KW 的 FANUC-18P 伺服电机，其额定转速为 1500rmin。3 进给传动系统设计3.1 滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.1.1 横向进给丝杠 X1.计算进给率引力 F (N)m横向进给为直线滚动导轨 矩形(GGB 型)F =KF +f (F +F +G) （3.1）mxy式中 F 、 F 、 F X、Y、Z 轴的主要作用力， （N） ；xyzG移动部件的重量， （N） ；K考虑颠覆力矩影响的实验系数；f 导轨上的摩擦系数，随导轨形式而不同。矩形导轨 K=1.1 滚动导轨 f =0.00250.005，此处取 f =0.005 X、Y 轴的进给运动是为了移动板料，移动过程中受到摩擦阻力，在冲床工作时- 14 -受到挤压力，这几个力相对于 Z 轴的冲压力是很微小的，所以在此计算中忽略，即取 F =F =0N，xyZ 轴取公称力 F =300KN，z移动部件重量为 X 轴工作台重量，Y 轴工作台重量和工件最大重量之和，即G=2700+900+500=4100N.F =0.005（300000+5100）=1520.5Nm2.计算最大动载荷 CC= f F (3.2)3LwmL= (3.3)610Tnn= (3.4) 0Lvs式中，L 滚珠丝杠导程，初选 L =10mm；0 0v 最大进给速度，可去板料最大移动速度 v =3mmin；s sT使用寿命，按 15000h 计算；f 运转系数，一般运转取 f =1.21.5,此处取 f =1.2；wwwL寿命、以 10 转为 1 单位。6n= =300rmin103L= =27065C= 1.21520.5=11792.9N3273.滚珠丝杠螺母副的选型查阅机电专业课程设计指导书附录 A 表 3，可采用 W L5006 外循环螺纹调1整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1 列 2.5 圈，其额定动载荷为 18200N，精度等级按表315 选为 3 级。4.传动效率计算= (3.5)tan式中， 螺旋升角，W L6010 =2 11 ；10- 15 -摩擦角取 10 ；滚动摩擦系数 0.0030.004。= =0.929012tan3.1.2 纵向进给丝杠 Y1.计算进给率引力 F (N)m移动部件重量为 Y 轴工作台重量和工件最大重量之和，即 G=900+500=1400N.F =0.005（300000+1400）=1507Nm2. 计算最大动载荷 CC= 1.21507=11688.2N32703.滚珠丝杠螺母副的选型查阅机电专业课程设计指导书附录 A 表 3，同样可采用 W L5006 外循环螺1纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1 列 2.5 圈，其额定动载荷为 18200N，精度等级按表 315 选为 3 级。4.传动效率计算= =0.929012tan3.2 齿轮传动比计算已确定横、纵向进给脉冲当量 =0.01，p滚珠丝杠导程 L =10mm，0初选步进电机步距角为 0.75 度。可计算出传动比 i= = =0.48036bp175.考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到溜板的行程，故此处可采用两级齿轮降速：i= = =0.4821z435- 16 -取 z =24，z =40，z =20，z =251234因进给传动齿轮受力不大，模数 m 取 2,有关参数请参照表 3.1。表 3.1 传动齿轮几何参数齿数 24 40 20 25分度圆 d=mz 48 80 40 50齿顶圆 d =d+2ma52 84 44 54齿根圆 d =d-2 1.25mf43 75 35 45齿宽 (610)m 20 20 20 20中心距 A=(d +d )21 64 453.3 步进电机的计算和选型3.3.1 横向进给步进电机计算1.等效转动惯量计算计算简图见图 3.1。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J （kg cm ）可由2下式计算：- 17 -图 3.1 转动惯量计算简图J =J +J +（ ） （3.6）m12z 204232)( LgGJzJs式中 J 步进电机转子转动惯量（kg cm ）2J 、 J 、 J 、 J 齿轮 z 、 z 、 z 、 z 的转动惯量（kg cm ）123412342J 滚动丝杠的转动惯量（kg cm ）s 参考同类型机床，初选反应式步进电机 150BF，其转子转动 J =10kg cm 。m2J =0.78 10 d L =0.78 10 4.8 2=0.828 kg cm1341342J =0.78 10 d L =0.78 10 8.0 2=6.390 kg cm22J =0.78 10 d L =0.78 10 4.0 2=0.399 kg cm3343342J =0.78 10 d L =0.78 10 5.0 2=0.975 kg cm44表 3.2 滚珠丝杠的转动惯量- 18 -丝杠名义直径（mm）导程（mm）1m 长丝杠的转动惯量（kg cm ）210 35.765012 31.98横向进给丝杠长度取 1000mm，L =10mm 则丝杠的转动惯量0J =35.76 1.00=35.760kg cms2= =10.608 kg cm20LgG218.942代入上式：J =10+0.828+ =24.180 kg cm532 608.17.359.05439.0.62 2考虑步进电机与传动系统惯量相匹配问题，J J =1024.180=0.414m基本满足惯量匹配的要求。2.电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：（1）快速空载启动力矩 M起在快速空载启动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：M =M +M +M （3.7）起 max f0M =J = J 10 = J 10 （3.8）max t260n2-amxt6n2-n = （3.9）maxpv0b3代入数据，n = =625rminmax1.0365.7启动加速时间 t =30msa- 19 -M =24.180 10 =527.258N cmmax 03.6252折算到电机轴上的摩擦力矩 M ：fM = = （3.10）fiLF20iLGfz0 传动链总效率，一般可取 =0.70.85，此处取 =0.8 代入数据，M = =630.515 N cmf48.02.1305.附加摩擦力矩 MM = （1- ）= （1- ） （3.11）0iLFp2020iLFm31020滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取 0.9，此处取 =0.90 00代入数据，M = =39.933 N cm029.0148.2531上述三项合计：M =527.258+630.515+39.933=1197.706N cm起（2）快速移动时所需力矩 M 。快M = M + M （3.12）快 f0M =630.515+39.933=670.448 N cm快 （3）最大切削负载时所学力矩 M 。切M = M + M +M （3.13）切 f0tM = （3.14）ti2xLFM = =0 N cmt 8.4021- 20 -M =630.515+39.933+0=670.448 N cm切 上面计算可也看出， M 、 M 和 M 三种工况下，以快速空载启动所需力矩最大，起 快 切以此作为初选步进电机的依据。从机电专业课程设计指导书表 3-22 查出，当步进电机为五相十拍时= =0.951maxjqM最大静力矩M = = =1259.417axjq951.076按此最大静转矩从表 3-22 查出，150BF002 型最大静转矩为 13.72 N cm。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机启动矩频特性和运行矩频特性。3.计算步进电机空载启动频率f = （3.15）kpv601max代入数据，f = =5000Hzk01.63从表 3-22 中查出 150BF002 型步进电机允许的最高空载启动频率为 2800Hz，再从图 3-17 查出 150BF002 步进电机启动矩频特性曲线如图所示。从图看出，当步进电机启动时，f =2500Hz 时，M=100N cm。远远不能满足此机床所要求的空载启动起 力矩，直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现） ，将启动频率降到 1000Hz 时，启动力矩可增高到 588.4N cm，然后在电路上在采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。3.3.2 纵向进给步进电机计算纵向进给相比横向进给对电机的要求稍微低一点，所以纵向进给也选用150BF002 型步进电机也是完全可以满足要求的。- 21 -4 控制系统设计PC 机主要有两类普通 PC 机和工业 PC 机，普通 PC 机是以微机为主体，配上系统软件和外设组成，由 PC 机组成的控制系统可以充分利用 PC 机原有的资源，但是PC 机本来是用作办公自动化得，所以对操作环境有一定的要求，因此，普通 PC 机多用于数据采集等环境比较好的场合，而对于干扰、振动环境就应该采用工业 PC 机。工业 PC 机的结构经过加固，元件经过严格筛选，有良好的抗干扰性，工作可靠并且保留了普通 PC 机接线及接口标准。用工业 PC 机设计控制系统的过程就是选用或设计相应接口模板，开发控制软件的过程。- 22 -此部分设计选用 PC 机控制，需要实现对两台步进电机和一台伺服电机的启动停止，正反转，以及调速控制，对于进给系统要能够控制行程开关并有报警控制，当超过导轨界限时能够实现自动报警。4.1 步进电机控制系统系统选用的硬件包括 PC 机、74LS245、74LS688、74LS244、74LS139、74LS273以及反向启动器、光电耦合器 TLP-521、功率驱动电路芯片 MC1416。图 4.1 步进电机开环控制系统简图1.74LS24574LS245 总线驱动器是我们常用的芯片，用来驱动 LED 或者其他的设备，是 8路同相的三态双向总线收发器，能够双向传输数据。同时具有双向三态功能，既可以输出也可以输入数据。当 片 选 端 /CE 低 电 平 有 效 时 ， DIR=“0”， 信 号 由 B 向 A 传 输 ； DIR=“1”， 信 号 由 A 向 B 传 输 ； 当 CE 为 高 电 平 时 ， A、 B 均 为 高阻 态 。 - 23 -图 4.2 2. 74LS688双四位比较器，对板卡基地址进行选择，不同的开关闭合基地址从不同的段开始。P02 P14P26 P38P411 P513P615 P717Q03 Q15Q27 Q39Q412 Q514Q616 Q718G1P=Q 19U?74ALS688图 4.3 3. 74LS24474LS244 是 3 态 8 位的缓冲器，一般用作总线驱动器。74LS244 没有锁存的功能，地址锁存器只是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上的地址代码暂存起来。它 主 要 用 于 三 态 输 出 ， 作 为 地 址 驱 动 器 ， 时 钟 驱 动 器 和 总 线 驱 动 器 ， 定- 24 -向 发 送 器 等