数控铣床XY工作台-毕业设计

毕毕 业业 设设 计计 精品文档 1欢迎下载 茂名职业技术学院茂名职业技术学院 2 20 01 11 1 年年 1 12 2 月月 2 21 1 日日 数控铣床数控铣床 X YX Y 工作台设计工作台设计 摘摘要要 本设计是在数控机床工作原理之上设计一台简单的 经济型的x y 数 控铣床工作台 X Y 数控工作台的机电系统设计是一个开环控制系统 其 结构简单 实现方便而且能够保证一定的精度 降低成本 是微机控制技 术的最简单的应用 它充分的利用了微机的软件与硬件功能以实现对机床的控 制 使机床的加工范围扩大 精度和可靠性进一步得到提高 设计任务是完全 围绕数控机床工作原理而展开的 本设计充分体现了数控机床机械设备部分与 电气设备部分的紧密结合 X Y 数控工作台设计包括总体方案的设计 步进 电机的选用 传动装置的设计 电气控制部分的设计和相关软件的设计 本设 计的经济型数控工作台精度并不高 采用开环系统 机械传动部分采用步进电 机直接连接滚珠丝杠 从而驱动工作台进给 步进电机是一个将脉冲信号转移 成角位移的机电式数模转换器装置 其工作原理是 每给一个脉冲便在定子电 路中产生一定的空间旋转磁场 由于步进电机通的是三相交流电 所以输入的 脉冲数目及时间间隔不同 转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的 由 于旋转磁场对放入其中的通电导体即转子切割磁力线时具有力的作用 从实现 了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动 所以转子才可以实现转子带动丝杠 作相应的运动 关键词 X Y 数控工作台 设计任务 机械传动部件 控制系统 精品文档 2欢迎下载 CNCCNC XYXY tabletable designdesign AbstractAbstract The design is in the NC machine tool works on top of design a simple economical CNC xy table XY table CNC electromechanical system design is an open loop control system its structure is simple convenient and can guarantee to achieve a certain degree of accuracy Reduce costs is a computer controlled technology the simplest applications It is full advantage of the crisis in software and hardware capabilities in order to achieve the control of machine tools to expand the scope of processing machines precision and reliability and further enhanced Design task is completely around the NC machine tool works and carried out this design fully reflects the CNC machine tools and electrical equipment machinery and equipment part of the close combination of parts CNC XY table design includes the overall program design selection of stepper motors gear design electrical control part of the design and related software design The design of the economy is not high precision CNC table using open loop system mechanical transmission part is directly connected to ball screw stepping motor which drives table feed Stepper motor is a pulse signal will be transferred into the angular displacement of the electromechanical DAC device Its working principle is each to a pulse will be generated in the stator circuit in a certain space rotating magnetic field due to pass the three phase stepper motors AC Therefore the number of input pulses and the time interval is different from the rotation of the rotor rotation speed and the length of time 精品文档 3欢迎下载 are different As the rotating magnetic field into which the power of both the rotor conductor cutting magnetic field lines when the role of a force from the realization of the rotating magnetic field corresponding rotational force of rotor rotation so the rotor can be achieved only lead screw rotor corresponding movement KeywordsKeywords X Y CNC table design tasks mechanical transmission components control system 目 录 摘要摘要 1 AbstractAbstract 2 1 1 绪论 绪论 5 1 11 1 课题研究发展现课题研究发展现 状状 5 1 21 2 引言引言 5 2 2 设计任务设计任务 6 题目 题目 X YX Y 数控工作台系统设数控工作台系统设 计计 6 3 3 总体方案的确定总体方案的确定 7 3 13 1 机械传动部件的选择机械传动部件的选择 7 3 1 13 1 1 伺服电动机的选用伺服电动机的选用 7 3 1 23 1 2 导轨副的选用导轨副的选用 7 3 1 33 1 3 丝杠螺母副的选用丝杠螺母副的选用 7 3 1 43 1 4 减速装置的选用减速装置的选用 7 3 1 53 1 5 检测装置的选用检测装置的选用 7 3 23 2 控制系统的设计控制系统的设计 7 3 33 3 绘制总体方案图绘制总体方案图 8 4 4 机械传动部件的计算与选型机械传动部件的计算与选型 8 4 14 1 导轨上移动部件的重量估算导轨上移动部件的重量估算 8 4 24 2 铣削力的计算铣削力的计算 8 4 34 3 直线滚动导轨副的计算与选型 纵向 直线滚动导轨副的计算与选型 纵向 9 4 3 14 3 1 块承受工作载荷块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取的计算及导轨型号的选取 9 max F 精品文档 4欢迎下载 4 3 24 3 2 距离额定寿命距离额定寿命 L L 的计算的计算 9 4 44 4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型滚珠丝杠螺母副的计算与选型 10 4 4 14 4 1 最大工作载荷最大工作载荷 FmFm 的计算的计算 10 4 4 24 4 2 最大动工作载荷最大动工作载荷 FQFQ 的计算的计算 10 4 4 34 4 3 初选型号初选型号 10 4 4 44 4 4 传动效率传动效率 的计算的计算 10 4 4 54 4 5 刚度的验算刚度的验算 10 4 4 64 4 6 压杆稳定性校压杆稳定性校核 11 4 54 5 步进电动机减速箱的选用步进电动机减速箱的选用 11 4 64 6 步进电动机的计算与选型步进电动机的计算与选型 12 4 6 14 6 1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 J Jeq eq 12 4 6 24 6 2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 TeqTeq 12 4 6 34 6 3 步进电动机最大静转矩的选定步进电动机最大静转矩的选定 14 4 6 44 6 4 步进电动机的性能校核步进电动机的性能校核 14 4 74 7 增量式旋转编码器的选用增量式旋转编码器的选用 15 5 5 绘制进给传动系统示意图绘制进给传动系统示意图 16 谢辞谢辞 19 参考文献参考文献 20 精品文档 5欢迎下载 绪论绪论 1 11 1 课题研究发展现状课题研究发展现状 随着科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟 对数控加工技术 提出了更高的要求 超高速切削 超精密加工技术的应用 对数控机床的数控系统 伺服性能 主轴驱动 机床结构等提出了更高的性能指标 FMS 的迅速发展和 CIMS 的 不断成熟 又将对数控机床的可靠性 通信功能 人工智能和自适应控制等技术提出 更高的要求 随着微电子和计算机技术的发展 数控系统的性能日益完善 数控技术 的应用领域日益扩大 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 总方案的拟订数控技术是用数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术 它广泛应用于机械制造和自动化领域 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命 性的变化 使制造业成为工业化的象征 而且随着数控技术的不断发展和应用领域的 扩大 它对国计民生的一些重要行业 IT 汽车 轻工 医疗等 的发展起着越来越 重要的作用 随着科学技术不断发展 数控机床的发展也正朝着高性能 高精度 高 精品文档 6欢迎下载 速度 高柔性化 模块化和网络化方向发展 目前代表数控机床最前沿的坐标机床在 世界某些发达国家已经发展到 6 7 轴联动 已经实现了比较完善的闭环伺服控制 工 作台是机床上必不可少的部件 工作台的自动化能大大减轻劳动强度 提高劳动生产 率 数控工作台设计在生产实践中还有很多现实意义和经济效益 随着经济的发展 机械行业的许多普通机床和闲置设备 经过数控改造以后 不但可以提高加工精度和 劳动生产率 而且能有效的适应多品种 小批量的市场经济的需要 使之更有效的发 挥经济效益和社会效益 1 21 2 引言引言 数控机床集计算机技术 电子技术 自动控制 传感测量 机械制造 网络通信技 术于一体 是典型的机电一体化产品 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 计机技术的迅 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 2 2 设计任务设计任务 题目 X Y 数控工作台系统设计 任务 设计一种供应式数控铣床使用的 X Y 数控工作台 主要参数如下 1 立铣刀最大直径的 d 15mm 2 立铣刀齿数 Z 3 3 最大铣削宽度 15mm e a 4 最大背吃刀量 8mm p a 5 加工材料为碳素钢活有色金属 6 X Y 方向的脉冲当量 0 004mm xy 7 X Z 方向的定位精度均为mm 02 0 8 工作台面尺寸为 加工范围为 230mm230mm 250mm250mm 9 工作台空载进给最快移动速度 maxmax 3000mm min xz VV 10 工作台进给最快移动速度 加减速 0 4s maxmax 400mm min xfzf VV 精品文档 7欢迎下载 3 3 总体方案的确定总体方案的确定 3 13 1 机械传动部件的选择机械传动部件的选择 3 1 13 1 1 伺服电动机的选用伺服电动机的选用 任务书规定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 移动速度也只有因此 3000mm min 故本设计不必采用高档次的私服电动机 因此可以 选用混合式步进电动机 以降低成本 提高性价比 3 1 23 1 2 导轨副的选用导轨副的选用 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 3 1 33 1 3 丝杠螺母副的选用丝杠螺母副的选用 伺服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 0 004mm 脉冲当量和mm 的定位精度 滑动丝杠副无能为力 只有选用滚珠丝杠副才能达02 0 到要求 滚珠丝杠螺母副的传动精度高 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 3 1 43 1 4 减速装置的选用减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后 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 选用无间隙齿轮传动减速箱 3 1 53 1 5 检测装置的选用检测装置的选用 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 精品文档 8欢迎下载 给的精度对于步进电动机来说还是偏高 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 决定采用半闭环控制 拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋 转编码器 用以检测电动机的转角与转速 增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动 机的步距角相匹配 考虑到 X Y 两个方向的加工范围相同 承受的工作载荷相差不大 为了减少设计 工作量 X Y 两个坐标的导轨副 丝杠螺母副 减速装置 伺服电动机以及检测装置 拟采用相同的型号与规格 3 23 2 控制系统的设计控制系统的设计 1 设计的 X Z 工作台准备用在数控铣床 其控制系统应该具有单坐标定位 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 2 对于步进电动机的半闭环控制 选用 MCS 51 系列的 8 位单片机 AT89S52 作为控制 系统的 CPU 能够满足任务书给定的相关指标 3 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 键盘与显示 电路 I O 接口电路 D A 转换电路 串行接口电路等 4 选择合适的驱动电源 与步进电动机配套使用 3 33 3 绘制总体方案图绘制总体方案图 总体方案图如图 3 1 所示 微 型 机 接 口 电 路 功 放 电 路 执 行 元 件 机械 传动 机构 机械 执行 机构 图 3 1 总体方案图 4 4 机械传动部件的计算与选型机械传动部件的计算与选型 4 14 1 导轨上移动部件的重量估算导轨上移动部件的重量估算 按照导轨上面移动部件的重量来进行估算 包括工件 夹具 工作台 上层电动 机 减速箱 滚珠丝杠副 导轨座等 估计重量约为 800N 4 24 2 铣削力的计算铣削力的计算 设零件的加工方式为立式铣削 采用硬质合金立铣刀 工件的材料为碳钢 则由 表 3 7 查得立铣时的铣削力计算公式为 0 850 750 731 00 13 cezp 118afda nZF 今选择铣刀的直径为 d 15mm 齿数 Z 3 为了计算最大铣削力 在不对称铣削情况 精品文档 9欢迎下载 下 取最大铣削宽度为 背吃刀量 8mm 每齿进给量 铣 e a15mm p a z f0 1mm 刀转速 则求的最大铣削力 n 300r min NNFc146433008151 015118 13 0 0 173 0 75 0 85 0 采用立铣刀进行圆柱铣削时 各铣削力之间的比值可查得 根据设计考虑逆铣时 的情况 可估算三个方向的铣削力分别为 NNN366F25 0 F 556F38 0 F 1610F1 1F cfncecf 现考虑立铣 则工作台受到垂直方向的铣削力 N556FF ez 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 f F fn F 的纵向 则纵向铣削力 N1610FF fx 径向铣削力为 N366FF fny 4 34 3 直线滚动导轨副的计算与选型 纵向 直线滚动导轨副的计算与选型 纵向 4 3 14 3 1 块承受工作载荷块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取的计算及导轨型号的选取 max F 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素 本例中的 X Y 工作台为水 平布置 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 则单滑块所受的最大垂直方向载荷为 max G FF 4 其中 移动部件重量 800N 外加载荷 N556FF z 代入式上式得最大工作载荷 756N 0 756kN max F 查书籍得 根据工作载荷 0 756kN 初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系列的 max F JSA LG15 型 其额定动载荷 额定静载荷 a C7 94kN 0a C9 5kN 任务书规定工作台面尺寸为 230 x230mm 加工范围为 考虑工250mm250mm 精品文档 10欢迎下载 作行程应留有一定余量 按标准系列 选取导轨的长度为 520mm 4 3 24 3 2 距离额定寿命距离额定寿命 L L 的计算的计算 上述所取的 KL 系列 JSA LG25 系列导轨副的滚道硬度为 60HRC 工作温度不超过 C 每根导轨上配有两只滑块 精度为 4 级 工作速度较低 载荷不大 分别取硬100 度系数 f 1 0 温度系数 f 1 00 接触系数 f 0 81 精度系数 f 0 9 载荷系 HT c R 数 f 1 5 代入下式得距离寿命 w Km F C f ffff L a w rcth 664450 3 max 远大于期望值 50Km 故距离额定寿命满足要求 4 44 4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4 4 14 4 1 最大工作载荷最大工作载荷 FmFm 的计算的计算 如前页所述 在立铣时 工作台受到进给方向的载荷 与丝杠轴线平 行 Fx 1610N 受到横向载荷 与丝杠轴线垂直 Fy 366N 受到垂直方向的载荷 与 工作台面垂直 Fz 556N 已知移动部件总重量 G 800N 按矩形导轨进行计算 根据情况取颠覆 力矩影响系数 K 1 1 滚动导轨上的摩擦系数 0 005 求得滚珠丝杠副的最大工作 载荷 Fm KFx Fz Fy G 1 11610 0 005 556 366 800 N1857N 4 4 24 4 2 最大动工作载荷最大动工作载荷 FQFQ 的计算的计算 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 Ph 5mm 则此时丝杠转速 n v Ph 80r min 取滚珠丝杠的使用寿命 T 15000h 代入 L0 60Nt 106 得丝杠寿命系数 L0 72 单位 为 106r 取载荷系数 fw 1 2 滚道硬度为 60HRC 时 取硬度系数 fH 1 0 代入下式求得最大 动载荷 NFffLF mHwQ 9271 3 0 4 4 34 4 3 初选型号初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程 选择济宁博特精密丝杠制造有限公 司生产的 G 系列 2005 3 型滚珠丝杠副 为内循环固定反向器单螺母式 其公称直径为 20mm 导程为 5mm 循环滚珠为 3 圈 1 系列 精度等级取 5 级 额定动载荷为 9309N 大于 FQ 满足要求 4 4 44 4 4 传动效率传动效率 的计算的计算 精品文档 11欢迎下载 将公称直径 d0 20mm 导程 Ph 5mm 代入 arctan Ph d0 得丝杠螺旋升角 4 33 将摩擦角 10 代入 tan tan 得传动效率 96 4 4 4 54 4 5 刚度的验算刚度的验算 1 X Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用 单推 单推 的方式 丝杠的两端 各采用 对推力角接触球轴承 面对面组配 左 右支承的中心距约为 a 500mm 钢的 弹性模量 E 2 1 105Mpa 查得滚珠直径 Dw 3 175mm 丝杠底径 d2 16 2mm 丝杠截面积 S 4 206 12m 2 2 d 2 m 根据 4 4 1 公式求算得丝杠在工作载荷 Fm 作用下产生的拉 压变形量 mm0186 0 mm12 206101 2 5001857 5 1 ESaFm 2 根据公式 求得单圈滚珠数 Z 20 该型号丝杠为单螺 0 3 W ZdD 母 滚珠的圈数列数为 31 代入公式Z圈数列数 得滚珠总数量 Z 60 丝杠预紧时 取轴向预紧力 3 619N 由公式求得滚珠与螺纹滚道间Z YJm FF 的接触变形量 mm0029 0 2 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 0015mm 2 3 将以上算出的和代入 求得丝杠总变形量 对应跨度 500mm 1 2 12 总 0 0201mm 20 1 总m 本例中 丝杠的有效行程为 330mm 5 级精度滚珠丝杠有效行程在 315 400mm 时 行程偏差允许达到 25 可见丝杠刚度足够 m 4 4 64 4 6 压杆稳定性校压杆稳定性校核 根据公式计算失稳时的临界载荷 FK 取支承系数 1 k f 由丝杠底径 d2 16 2mm 求得截面惯性矩 3380 88 4 2 64Id 4 mm 压杆稳定安全系数 K 取 3 丝杠卧式水平安装 滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取 最大值 500mm 再求得临界载荷 FK 1857N 故丝杠不会失稳 综上所述 初选的滚珠丝杠副满足使用要求 精品文档 12欢迎下载 4 54 5 步进电动机减速箱的选用步进电动机减速箱的选用 为了满足脉冲当量的的设计要求 增大步进电动机的输出转矩 同时也为了使滚 珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小 今 在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速 采用一级减速 步进电动机的输出轴 与齿轮相连 滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连 其中大齿轮设计成双片结构 采用适量 弹簧错齿法消除侧隙 已知工作台的脉冲当量 0 004mm 脉冲 滚珠丝杠的的导程 Ph 5mm 初选步进 电动机的步距角 0 75 根据下式算得减速比 0 755 3600 004 25 10 360 h iP 本设计选用常州市新月电机有限公司生产的 JBF 3 型齿轮减速箱 大小齿轮模数 均为 1mm 齿数比为 75 30 材料为 45 调质钢 齿表面淬硬后达到 55HRC 减速箱中 心距为 75 30 1 2 mm 57mm 小齿轮厚度为 20mm 双片大齿轮厚度均为 10mm 4 64 6 步进电动机的计算与选型步进电动机的计算与选型 4 6 14 6 1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 J Jeq eq 已知 滚珠丝杠的公称直径 d0 20mm 总长 l 500mm 导程 Ph 5mm 材料密度 7 8510 5kg 移动部件总重力 G 800N 小齿轮齿宽 b1 20mm 直径 2 cm d1 30mm 大小齿轮齿宽 b2 20mm 直径 d2 75mm 传动比 i 25 10 算得各个零部件的转动惯量如下 2 2 S L R J 2 2 Z R J b 滚珠丝杠的转动惯量 Js 0 617kg cm2 拖板折算到丝杠上的转动惯量 Jw 0 517kg cm2 小齿轮的转动惯量 Jz1 0 125 kg cm2 大齿轮的转动惯量 Jz2 4 877 kg cm2 初选步进电动机的型号为 90YBG2602 为两相混合式 由常州宝马集团公司生产 二相八拍驱动时的步距角为 0 75 该型号的电动机转子的转动惯量 Jm 4 kg cm2 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为 5 087 kg cm2 2 12 eqmZZWS JJJJJJi 4 6 24 6 2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 TeqTeq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算 1 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由式子可知 包括 1eq T 1eq T 三部分 一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 一部分 maxa T 是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 还有一部分是滚珠丝杠预紧后 f T 精品文档 13欢迎下载 折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 因为滚珠丝杠副传动效率很高 根据式子可 0 T 知 相对于和很小 可以忽 0 T maxa T f T 略不计 则有 1eq T maxa T f T 根据公式 考虑传动链的总效率 计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加 速转矩 maxa T 2 1 60 eqm a J n t 其中 1562 5r min max 360 m v n 式中 空载最快移动速度 任务书指定为 3000mm min max V 步进电动机步距角 预选电动机为 0 75 脉冲当量 本例 0 004mm 脉冲 设步进电机由静止加速至所需时间 传动链总效率 则由上 m n0 4 a ts 0 7 式求得 maxa T 4 25 087 101562 5 0 297 60 0 4 0 7 N m 由设计知 移动部件运动时 折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 f T 0 005 0800 0 005 0 0018 220 7 25 10 zh FG P N m i 式中 导轨的摩擦因素 滚动导轨取 0 005 垂直方向的铣削力 空载时取 0 z F 传动链效率 取 0 7 最后由上式求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 精品文档 14欢迎下载 0 2988N m 1eq T maxa T f T 2 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 2eq T 由式字可知 包括三部分 一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转 2eq T 矩 一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 还有一部分是滚 t T f T 珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 相对于和很小 可以 0 T 0 T f T t T 忽略不计 则有 2eq T t T f T 其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式计算 有 t T 1408 0 005 0 64 220 7 25 10 fh t F P TN m i 再由式计算垂直方向承受最大工作负载情况下 移动部件运动时折 556 z FN 算到电动机转轴上的摩擦转矩 0 005 486800 0 005 0 0029 220 7 25 10 zh f FG P TN m i 求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 0 643N m 2eq T t T f T 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为 12 max 0 643 eqeqeq TTTN m 4 6 34 6 3 步进电动机最大静转矩的选定步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大 当输入电压降低时 其输 出转矩会下降 可能造成丢步 甚至堵转 因此 根据来选择步进电动机的最大静 eq T 转矩时 需要考虑安全系数 取 K 4 则步进电动机的最大静转矩应满足 max 44 0 6432 572 jeq TTN m 初选步进电动机的型号为 90BYG2602 由查得该型号电动机的最大静转矩 6N maxj T 精品文档 15欢迎下载 m 可见 满足要求 4 6 44 6 4 步进电动机的性能校核步进电动机的性能校核 1 最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度 400mm min 脉冲当量 脉冲 由式求出电动机对应的运行频率 max f V0 004mm 从 90BYG2602 电动机的运行矩频特性曲线图 4 1 max 400 60 0 004 1667 fz fH 可以看出在此频率下 电动机的输出转矩5 6N m 远远大于最大工作负载转矩 max f T 0 643N m 满足要求 2eq T 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速度 3000mm min 求出其对应运行频率 max v max 3000 60 0 004 12500fHZ 查资料得 在此频率下 电动机的输出转矩 1 7N m 大于快速空载起动时的负载 max T 转矩 0 2988N m 满足要求 1eq T 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 3000mm min 对应 max v 的电动机运行频率为 查表 4 1 可知 90BYG2602 电动机的空载运行频 max 12500fHZ 率可达 20000 可见没有超出上限 z H 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 2 5 087 eq Jkg cm 精品文档 16欢迎下载 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 2 4 m Jkg cm 由式字可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为 1800 qz fH 1194 24 1 q Lz eqm f fH JJ 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 100 1194 24 z H z H 综上所述 本次设计中工作台的进给传动系统选用 90BYG2602 步进电动机 完全 满足设计要求 4 74 7 增量式旋转编码器的选用增量式旋转编码器的选用 本设计所选步进电动机采用半闭环控制 可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋 转编码器 用以检测电动机的转角与转速 增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动 机的步距角相匹配 可知电动机转动一转时 需要控制系统发出 0 0 75 个步进脉冲 考虑到增量式旋转编码器输出的 A B 相信号 可以送到360 480 四倍频电路进行电子四细分 因此 编码器的分辨力可选 120 线 这样控制系统每发 一个步进脉冲 电动机转过一个步距角 编码器对应输出一个脉冲信号 此次设计选用的编码器型号为 ZLK A 120 05VO 10 H 盘状空心型 孔径 10mm 与电动机尾部出轴相匹配 电源电压 5V 每秒输出 120 个 A B 脉冲 信号为电压输出 5 5 绘制进给传动系统示意图绘制进给传动系统示意图 进给传动系统示意图如下所示 伺服电动机 主动 齿轮 从动 齿轮 滚珠丝杠 工作台 图 5 1 进给传动系统示意图 根据任务书的要求 设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能 1 接收键盘数据 控制 LED 显示 精品文档 17欢迎下载 2 接收操作面板的开关与按钮信息 3 接收铣床限位开关信号 4 接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号 5 控制 X Z 向步进电动机的驱动器 6 控制主轴的正转 反转与停止 7 控制多速电动机 实现主轴有级变速 8 控制交流变频器 实现主轴无级变速 9 控制切削液泵启动 停止 10 控制电动卡盘的夹紧与松开 11 控制电动刀架的自动选刀 12 与 PC 机的串行通信 CPU 选用 MCS 51 系列的 8 位单片机 AT89S52 采用 8279 和 W27C512 6264 芯片 做为 I O 和存储器扩展芯片 W27C512 用做程序存储器 存放监控程序 6264 用来扩 展 AT89S52 的 RAM 存储器存放调试和运行的加工程序 8279 用做键盘和 LED 显示器借 口 键盘主要是输入工作台方向 LED 显示器显示当前工作台坐标值 系统具有超程报 警功能 并有越位开关和报警灯 其他辅助电路有复位电路 时钟电路 越位报警指 示电路 控制系统原理框图如图 5 2 所示 复位电路 晶振电路 螺纹光栅信号 操作面板开关 按钮信号 隔离放大 隔离放大 隔离放大 隔离放大 隔离放大 隔离放大 隔离放大 隔离放大 向步进电动机 向步进电动机 刀架电动机 卡盘电动机 主轴电动机 切削电动机 方刀架位信号 限位开关信号 交流变频器主轴电动机 单片机 并行 接口 芯片 8255 转换 芯片0832 芯片 芯片6264