数控铣床工作台与控制系统设计

数控铳床XY工作台与控制系统设计

摘要

伴随现代信息技术的发展，以提高江品加工的生产效率为主n勺高度自动化和提高产品质量为主的精密化成为现代机械加

工技术发展的两个重要方向。人们对数控机床、精密仪器和仪表以和多种精密机械设备提出了越来的精度胡定，X-Y工作

台是这些设备实现高精密加工的重要部件，对于提高产品的加工起着尤为重要的作用。

本论文针对铳床工作台机构和其控制系统进行设计，重要包括伺服电动机的选型，滚珠丝杠的选型、强度校核和生产设

计中应注意的问题，连接伺服电机和滚珠丝杠副的联轴器的选型，导轨的设计。根据系统的功能规定，选择数控系统口勺CPU,

同步还需要扩展程序存储器、数据存储器以和步进电机驱动电源的选择。通过对工作台机械传动链的系统设计以期满足机床

进给系统的定位精度和静动态性能，从而保证机床的加工精度。

关健字：X-Y工作台，伺服系统，滚珠丝杠，步进电机

ThedesignofCNCmillingmachinesystemXYworkbenchandcontrolsystem

Abstract

Withthedevelopmentofmoderninformationtechniques,thehighautomationwiththemainpurposeofimproving

theproductionefficiencyofproductprocessandtheaccuracywiththeaccuracywiththemainaimofimproving

thequalityofproducthavebeenbecomingthetwomajordirectionsofthemoderntechniqueofmechanicalprocess.

PeopleontheCNCmachinetools,precisioninstrumentsandmetersandal1kindsofsophisticatednachineryand

equipmentraisedhigherandhigherprecision,X-Yworkbenchisthatimportantcomponentsofthesehigh-precision

machiningequipmenttoachievethecorecomponents,forimprovingthequalityofprocessedproductsplaythe

particularlyimportantrole.

Theentiremechanicaltransmissionchainforthesystemdesign,servomotorrelatedtotheselection,the

selectionofballscrews,checkingstrengthandproductiondesignshouldpayattentiontotheproblem3fconnecting

theservomotorandtheballscrewoftheaxis.TheTelectionandVerification,bearingpiecesbearingthedesign,

railandrackdesign.Accordingtothefunctionrequirementofsystem,theselectionoftheCNCsystemCPU.It

wouldalsoneedtoexpandtheprogrammemory-,datamemoryandthechoiceofsteppermotordrivepower.Through

thetablemechanicaltransmissionchainsystemdesigntomeetthemachineintothesystemtothepositioning

accuracyandstaticanddynamicperformance,soastoensuretheaccuracyofprocessingmachine.

keywords：TheX-Yworkbench;Servosystem：Ballscrew：steppermotor

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摘要

Abstract

第一章引言

i.i国内外数控系统的发展概况

1.2数控技术的发展趋势

1.2.1高速、高精加工技术和装备的新趋势

1.2.2多轴联动加工和复合加工机床迅速发展

1.2.3智能化、开放式、网络化成为现代数控系统发展的市要趋势

1.3数控铳床X-Y工作台概述

1.3.1国内外的研究现实状况分析

1.3.2工作台时应用

1.3.3发展趋势

1.4数控铳床系统XY工作台设计n勺目区I

第二章总体方案确实定

2.1数控铳床XY工作台设计的意义

2.2工作台设计任务

2.3机械传动部件的选择

2.4控制系统I内设计

第三章机械传动部件的计算与选型

3.1确定系统脉冲当量

3.2工作台外形尺寸和重量初步估算

3.3铳削力的计算

3.1宜线滚动导轨副的计算与选型（纵向）

3.5滚珠丝杠螺母副的计算与选型

3.6减速齿轮计算设计

3.7角接触球轴承的选用、校核

第四章步进电动机的计算与选型

4.1步进电机简介和原理

4.2步进电机的计算与选型

4.3步进电动机驱动电源的选用

第五章工作台控制系统的设计

5.1控制系统硬件电路设计

5.1.1单片机的简介与选用

光耦合器

5.1.3常用存储器和其扩展电路设计

5.1.4常用I/O接口芯片和其扩展电路设计

5.1.5步进电动机的控制与驱动

5.2控制系统的部分软件设计

5.2.1存储器与I/O芯片地址分派

5.2.2步进电动机运行程序设计

第六章总结与展望

参照文献

道谢

第一章引言

1.1国内外数控系统的发展概况

伴随计算机技术的高速发展，老式的制造业开始了主线性变革，各工业发达国家投入巨款，对现代制造技术进行研窕

开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术：它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自

动控制等高新技术下一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足

轻重的作用。目前，数控技术正在发生主线性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式

发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化：在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网

络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调整与赔偿各项参数，实现了在线诊

断和智能化故障处理。

1.2数控技术的发展趋势

数控技术的应用不仅给老式制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，并且伴随数控技术的不停发展和

应用领域的扩大，他对国计民生的某些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数

控技术和其装备发展H勺趋势来看，其重要研究热点有如下几种方面：

1.2.1高速、高精加工技术和装备的新趋势

效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期

和提高市场竞争能力。从EM02023展会状况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min,甚至更高，空运行速度可达100m/n)in

左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国II勺上海通用汽车企业，已经采用以高速加工中心构成的生产线部分替代组合机床。

在加工精度方面，近23年来，已由10um提高到5um,精密级加工中心则从3-5um,提高到IT.5um并且超秘密加工精度已

开始进入纳米级0.lumo为了实现高速、高精加工，与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了迅速的发展，应用领

域深入扩大。

1.2.2多轴联动加工和复合加工机床迅速发展

采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何现实状况进行切削，不仅光洁度高，并且效率也大幅度提高。

但过去因5轴联动数控系统、主机构造复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍】加之编程技术虚度较大，制约

了5轴联动机床的发展。目前由于电主轴H勺出现，使得实现5轴联动加工向复合主轴头构造大为简化，其制造难度和成本大

幅度减少，数控系统的价格差距缩小。

1.2.3智能化、开放式、网络化成为现代数控系统发展的重要趋势

二十一世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和

加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成：为提高驱动性能和使用连接以便的智能化，如前馈

控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路.所

谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终顾客，通过变化、增长或剪裁构造对

象数控功能，形成系列化，井可以便地将顾客1向特殊应用和诀窍集成到控制系统中，迅速实现不一样品种、不一样档次的开

放式数控系统，形成具有鲜明个性H勺名牌产品。目前开放数控系统的体系构造规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控

系统功能库以和数控系统功能软件开发工具等是目前研究的关健。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一种新亮

点。数控装备H勺网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造产业对信息集成H勺需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、

虚拟企业、全球制造H勺基础单元，反应了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

1.3数控铳床X-Y工作台概述

X-Y数控工作台是许多机电一体化设备I内基本部件，如数控车床的纵一横向进刀机构、数控铳床和数控钻床的X-YT

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，一般由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以和伺服电动机等部件构成。其外观形

式如图1.1。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，完毕工作台

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原则化，山专门厂家生产，设计时只需根据工作载

荷选用即可。控制系统根据需要，可以选用用原则H勺工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。

图1.1X-Y数控工作台外形

1.3.1国内外的研究现实状况分析

国家的繁华是以其先进机器作为辅助，机床包括床身、立柱、工作台、进给机构等机械部件。工作台作为数控机床

的重要构成部分，也是影响加工精度的市要构成环节。从一开始为了满足加工简朴的零件而设计的直线运动向XY工作台，

到目前为了实现多工位加工而制造H勺分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的规定，工作台

H勺驱动装置从本来的机械驱动变为液压驱动，目前更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节省了资源。由于工作台是

一台机床的关键配套部件，因此世界各国均有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也获得了长足rI勺进步。

1.3.2工作台II勺应用

目前工作台的种类繁多，老式的工作台只能安装在某一指定机床上，伴伴随科技的与时俱进，它们的功能也由老式单一

性向现代的多功能性方向发展，目前某些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铳床和镇床等机床上。并且目前

部分工作台还可以作为机床口勺第四H转轴，大大提高了机床的性能。

1.3.3发展趋势

伴随国际上多种技术的突飞猛进的发展，工作台H勺功能也向多功能复合化发展，工作台也会不停采用数控技术、控制理

论等领域的最新技术成就，使其朝着运行高速化、加工高精化、功能复合化、控制智能化等方向发展。

1.4数控铳床系统XY工作台设计的目R勺

①使工作台实现数控控制：让数控机床可以完毕一般机床难以完毕或上线不能加工的复杂零件附加工：提高机床的加工

精度、柔性、生产率和操控，实现计算机控制，排除人为误差，使零件的加工一致性好，质量稳定可靠：提腐机床自动化程

度，减少操作人员劳动强度。

②可以对的运用机床数控系统等课程的基本理论向有关知识，学会设备数控化改造方案的确定、比较、分析和进行必要

的计算：通过对设备改造机械部分设计，掌握数控设备经典零件的计算措施和环节以和对的的构造设计措施；通过设备的数

控系统硬件和软件设计，掌握简朴的数控系统硬件和软件设计的基本措施；通过毕业设计，初步树立对的的设计思想，培养

自己分析问题和处理问题的J能力：提高自己应用手册、原则以和编写文献等资料的能力。

第一章总体方案确实定

2.1数控铳床XY工作台设计的意义

工作台是机床上必不可少的部件，因此工作台的设计具有重要意义，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生

产效率。XY数控工作台机电系统设计是一种开环控制系统，其构造简朴，实现以便并且能保证一定的精度。减少成本，是

微机控制技术的最简朴的应用，它充足的运用了微机的J软硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围犷大，精度和可

莫性深入提高。伴随经济的发展，机械行业的许多一般机床和闲置设备，通过数控改造后来，不仅可以提高加工精度和劳动

生产率，并且能有效的适应多利।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。

2.2工作台设计任务

重要技术指标：

（1）设计数控铳床工作台机械系统：

（2）设计参数:

定位精度：±0.01mm,滚珠丝杠和导轨使用寿命:T=15000h,中等冲击

工作台的有效行程为心二400〃〃〃，L=4（X）/w/n迅速进给速度v=2000〃?〃?/min

AfYArIiIMwIiAx

vvmax=2000，〃〃〃min和工作载荷Fz-2000

（3）驱动系统类型：电机选型、单片机选型：

2.3机械传动部件的选择

（1）导轨副的选用要设计的XY工作台需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动

导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、构造紧凑、安装预紧以便等长处。

（2）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，要满足0.005mm的脉冲当量和

iO.Olmm口勺定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能到达。滚珠丝杠副口勺传动精度高、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）减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副后来，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，减少运动

部件折算到电动机转轴上的转动惯量，也许需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱。

考虑到X、Y两个方向的加工范围相似，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、伺服电动机拟采用相似的型号和规格。

2.4控制系统的设计

（1）设计II勺XY工作台准备用在数控铳床上，其控制系统应当具有.单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能,

因此控制系统应当设计成持续控制型。

（2）根据技术指标中最高控制速度，以和数控系统的经济性规定，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系

统的CPU,应当可以满足任务书给定的有关指标。

（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、I/O接口电路等。

（4）选择合适的驱动电源，与步法电动机配套使用。

X向工作白

X

切

电

车

隔

放

图

火

机

图2.1步进电机控制XY轴系统总体框图

第三章机械传动部件的计算与选型

机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动和导向元件的设计、计算与

选择，绘制机械部分装配图等。

3.1确定系统脉冲当量

脉冲当量是一种进给指令时工作台的位移量，应不不小于等于工作台的位置精度，由丁•定位精度为±0.01mm,因此选

择脉冲当量为0.005mm。

3.2工作台外形尺寸和重量初步估算

根据给定的有效行程.而出工作台筒图.估算K向和Y向工作台承栈重量匕.和叫，.取X向导轨支撞钢球供J中心距为400mm.

Y向导就支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:

图3.1X-Y工作台简图

X向拖板（上拖板）尺寸:

长X宽x高=420X400X50

重量：按重量=体积X材料，比重估算为：

Y向拖板（下拖板）尺寸：420X100X50

上导轨（含电机）重量为：

（900X180X84-2X800X35X50）X7.8X10-2X10-3=487.97N

夹具和工件重量约155N

X-Y工作台运动部分的总重量为9=487.97+655.2+655.2+155~2023N

3.S跣削力的计算

根据任务书，切向铳削力%=20231采用立铳刀进行圆柱铳削时，各铳削力之间的比值可由表查得，考虑逆铳时的状

况，可估算三个方向的铳削力分别为：Ff=F<.X2000；V,/；=0-375A«750/V,

心=0•25A=500.Vo现考虑立铳，则工作台受到垂直方向的铳削力夕=A=750.V,受到水平方向的铳

削力分别为Ff和耳°。今将水平方向较大的铳削力分派给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铳削力

Fx=Ff，=2000/V,径向铳削力为y（=iFn=500.V1,

3.4直线滚动导轨副向计算与选型（纵向）

（1）滑块承受工作载荷的计算和导轨型号的选用

工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要原因。本例中的X-Y工作台为水平布置.，采用双导轨、匹滑块的支承形

式,考虑最不利的状况，即垂直于台面的工作载荷所有由一种滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：

其中，移动部件重量W=2023N,外加载荷Z7=4=750/V,代入式得最大工作载荷Fmax=（500+75D）N=l.25kt

查表根据工作载荷耳皿=1.251＜此初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷C&=7.94kN,

额定静载荷C0a=9.5kN.

其构造形式如下：

图3.2直线滚动导轨,副

1、导轨2、滑块3、返向器4、密封端蛊5、注油杯图

其重要参数如下：

表3.1JSA-LG15型直线滚动导轨副参数

额定载荷静态力矩/N*m滑座重量Eg导轨重量Kg/m导轨长度

动我荷静载荷L/mm

MBc

CaKNC03KN

7.949.55555880.603.10640

滑座个数M单行程长度S（m）每分钟来回次数n

474

任务书规定工作台的有效行程为4=400曲。=400〃?〃？，工作台面尺寸280X280mm,考虑工作行程应留有

一定余量，查表按原则系列，选用导轨的长度为640mm。

（2）距离额定寿命L命计算

上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过100C,每根导轨上配有两只滑块，精

度为4级，匚作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数t'H=1.0,温度系数fT=1.00,接触系数fc=0.81,精度系数4=0.9,

载荷系数4.=1.5,代入式，得距离寿命:

ri.OX1.0X0.81X0.97.94?

xx50七1471物(3-2)

I1.51.25)

LX及1471x”

工作寿命的计算4==437797)15000/7(3-3)

2nsx602x4x7x60

故导轨工作用命足够。

3.5滚珠丝杠螺母副的计算与选型

（1）最大工作载荷丹的计算

如前所述，在立铳时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）1=2023N,受到横向载荷（与纥杠轴线垂直）

F.=500/V,受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）F.=750N.

已知移动部件总重量W=2023N,按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=l.l,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:

/=伤+"（《+。+/）

=［1.1X2000+0.005X（750+500+2000）］N«2216.25W（3-4）

（2）最大动工作载荷与的计算

设工作台在承受最大铳削力时的最快进给速度v=2023mm/niin,初选丝杠导程々=6mm,则此时丝杠转速

n=v/Ph=2000/6=333r/min0

任务书给定滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入4=60/7/71（）6,得丝杠寿命系数4=300（单位为：io、）。

查表，取载荷系数£=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数4=1.0,代入式，求得最大动载荷：

FQ=3Rf'/m='的X1.2X1.0X2216.25=1780LV（3-5）

（3）初选型号

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宇博特精密丝杠制造有限企业生产的G系列3206-4型滚珠丝杠副，

为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径"o=32mm,导程々=6mm,循瓦滚珠为4圈XI系列，精度等级取5级，额定动

载荷G/18292N,不小于玲，满足规定。

（4）传动效率"I向计算

将公称直径4）=32mm，导程々6mm,代入％=arclan［々/（矶）］=arclan［矶432）］=3°25',得

丝杠螺旋升角4=3°25'。将摩擦角夕=10',代入〃=tan“tan（2+0），得传动效率77=95.5%。

（5）刚度的验算

DX-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。丝杠的两端各采用一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=600nu1;钢的弹性模量E=2.1x105Mpa;查表得滚珠直径=3.969mm,丝杠底径4=27.2mm,

丝杠截面积S=加%/4=580.77〃/。

FaMa

丝杠的拉伸或压缩变形量4在总变形量中占n勺比重较大，按忽视式a=±丁）中附第二项，算得丝杠

11ES%iIE

在工作载荷AnJ作用下产生的拉/压变形量

2216x600

k0.011//7/77(3-6)

ES2.1x105x580

2）根据公式Z=（乃4）/。卬）-3,求得单圈滚珠数Z=23：该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数X列数为4X1,代入公

式Z*=ZX圈数X列数，得滚珠总数量Zy=92。丝杠预紧时，取轴向预紧力&=，/3=739N0则由式

F

=0.0013—,求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量&工0.002mm。

帅消/"0

由于丝杠有预紧力，旦为轴向负载的1/3,因此实际变形量可以减少二分之一，取名=0.001nun。

3）将以上算出由JG和&代入%工=R+&，求得丝杠总变形量（对应跨度600mm）6y=0.011+0.001=0.012mni=12/7/ZZ

本例中，丝杠『'J有效行程为400mm,由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315-400廊时，行程偏差容许到达25〃〃?，

可见”杠刚度足够.

（6）压杆稳定性校核

根据公式户；=k兀.；>户；计算失稳时向临界载荷£■。取支承系数人=1：由丝杠底径4=27.2mm求得

ka

截面惯性矩/=万,/；/64P26855〃〃〃4；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600mm。代入式，得临界载荷=51485N,远不小于工作载荷=2216.25,故丝杠不会失稳。

表3.2G系列滚珠丝杠副尺寸参数

规格代号公称直径导程滚珠直径丝杠底径丝杠外径循环列数额定载荷

/N

4GCC

OU

3206-43263.96927.231.241829247148

螺母安装尺寸油杯

4D4LBh血。2M

50826760131712M6

综上所述，初选H勺滚珠丝杠副满足使用规定。

3.6减速齿轮计算设计

为了满足脉冲当量的的设计规定，增大步进电动机的输出转矩，同步乜为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动

机轴上尽量的小，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，步进电动机口勺输出轴与齿轮相连，滚珠

丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片构造。

己知工作台的脉冲当量3=0.005nm/脉冲，滚珠丝杠的的导程R,=6mm,初选步进电动机的步距角。=0.75°。根据式,

算得减速比：

j=(。夕)/(3605)=(0.75X6)/(360X0.005)=2.5(3-7)

本设计选用常州市新月电机有限企业生产的JBF-3型齿轮减速箱。因传递H勺扭矩较小，取大小齿轮模数均为1mm,齿数

比为80：32,材料为45调/员钢，由表面淬硬后到达55HRC。减速箱中心距为[(80+32)xl/2]mm=56mm,小齿轮厚度为20mm,

双片大齿轮厚度均为10mm。

如图3.3,薄片齿轮2与轴整体铸造而成，保证了机构的强度，薄片齿轮1套装在轴上，两片薄齿轮之叵可作相对回转

运动。

图3.3双片薄齿轮错齿调整机构

1、2-薄齿轮3-弹簧4、8-凸耳5-调整螺钉6、7-螺母

小齿轮齿数41-32大齿轮齿数Z<480

分度圆直径：

4=/〃4=1x32=32/〃/〃d.,=mz2=1x80=80//ZOT

齿顶圆直径：d«1.=d.1+2力a=32+2=34〃掰

齿根I员I直径：d—d.—2k—32—2.5=29.5mni

3.7角接触球轴承的选用、校核

初选角接触球轴承7205CJ,其有关参数如下：

内径d=15mm,外径D=35mm,轴承宽度8=10丽,2=11.6111111,额定动载荷，.=13.10£V,额定静载荷=9.5KN.

轴承校核,受力图如下:

图3.4轴承部件受裁示意图

径向外载荷C=750N,轴向外载荷❷=500",4=2000/V

轴向派生力£=S?=0.682=726.24/V,

查得，储=0.41,%=0.87

查得，/=1.2-1.8,取f=1.4

P\=fp(>£+14)=2106忆P?=fp(424+.4)=1495.2/V(3-8)

由于4>,因此只验算轴承1,又轴承样本可知：7205CJ轴承的额定动载荷，=13100”。

I£•P.fit

吠/、3

106r\

L,=———=16733/?>150007?(3-9)

八60〃⑺

选用7205CJ轴承合适。

第四章步进电动机的计算与选型

4.1步进电机简介和原理

步进电机是开环伺服系统的驱动元件，其控制系统的构造简朴、控制轻易、维修以便，控制为全数字化,。步进电机用

电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成对应的机械角位移。每给步进电机输入一种电脉冲信号，其转子轴就转过一种

角度，称为步距角，转子轴的角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲信号输入H勺频率成正比，通过变化频率就可以调

整电机H勺转速。

图4.1步进电机

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是运用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，

用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象一般的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双

环形脉冲信号、功率驱动电路等构成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉和到机械、电机、电

子和计算机等许多专业知识。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在多种自动化控制系统中。伴随微电子和计算机技术

的发展，步进电机的需求量与H俱增，在各个国民经济领域均有应用。

4.2步进电机的计算与选型

（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq

已知：滚珠丝杠H勺公称直径4）=32mm，总长L=600mm,导程々=6mm,材料密度。=7.85x103kg/cnP■移动

部件总重力W=2023N：小齿轮齿宽4=20mm.,直径4=32mm,大小齿轮齿宽%=20mm,直径4=80mm：传动比i=2.5.

算得各个零部件的转动惯量如下:

滚珠丝杠的转动惯量:

434

Js=0.78X10-3XZ?XZ=0.78X10-x3.2x60=4.9i"(4-1)

小齿轮的转动惯量：J八=0.78xKT?x3.24x2=0.X^?

大齿轮的转动惯量：J仆=0.78x103x81x2=6.39kg.c舟

T(PhY(0.6丫2000।9

工作台折算到丝杠上的惯量：J=/m=———=、.86kg.cffT(4-2)

T、2乃,i127tJ9.8

初选步进电动机11勺型号为90BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团企业生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75°,

从表查得该型号的电动机转子的转动惯量/w=4kg-cm?。

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

A=A+J八+（（+力+4）/产

=4+0.16+（6.39+1.86+4.9）/2.52=6.264kg./（4-3）

（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩7：“

分迅速空载起动和承受最大工作负载两种状况进行计算。

1）迅速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩（初包括三部分：一部分是迅速空载起动时折算到电动机转轴上的最

大加速转矩7；UI“I小IdA；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上J的摩擦转矩［.；尚有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电

FP,{n\

动机转轴上的附加摩擦转矩与。由于滚珠丝杠副传动效率很高，根据式I='^YI7（1一可知，4相对于Imax

乙71.L

和。很小，可以忽视不计。

则有：Teq\=^/max^Tf（…）

2乃./n

根据式7=J£=——=（4-5）

amaX“60f

考虑传动链的总效率〃，计算迅运空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩:

2*7

T(4-6)

a60L"

式中〃加一对应空载最快移动速度内步进电动机最高转速，单位为r/min：

ta一步进电动机由静止到加速至力,〃转速所需的时间，单位为S。

VOC

其中：H—=1250r/min(4-7)

3605

式中匕山一空载最快移动速度，任务书指定为3000nun/min；

a一步进电动机步距角，预选电动机为0.75°；

5一脉冲当量，本例S=0.005mm/脉冲。

将以上各值代人式，算得々勿=1250r/min

设步进电机由静止加速至〃川所需时间%=0.4s,传动链总效率乙=().7。则由式求得:

2万x6.264x1250x10

«0.293M%(4-8)

60x0.4x0.7

移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为:

+『火

(4-9)

2加7/

式中〃一一导轨的摩擦原因，滚动导筑取0.005

Fz一一垂直方向的铳削力，空载时取o

〃一一传动链效率，取0.7

0.005x2000x0.006

则由式求得：T(.=N.mx0.005/V.OT

2万x0.7X2.5

最终求得迅速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩:

^l=7Lmax+77=0-298N-m(4-10)

2)最大工作负载状态下也动机转轴所承受的负载转矩

Tcql包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上H勺最大工作负载转矩7；：一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴

上向摩擦转矩，：尚有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩7；）,（）相对于7,和7；很小，可以

忽视不计。则有：

T"eql丁，工(4-11)

其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩7；由式计算。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，己知沿着丝杠的

轴线方向的最大进给载荷以=200DAr,则有:

2000x0.006

a1.09/V-m(4-12)

2711]i2x^-x0.7x2.5

再由式计算垂直方向承受最大工作负载（彳,=750川）状况下，移动部件运动时折算到电动机转轴曰勺摩擦转矩:

「（）八.

10.905x750+2000x0.006nn7tv

Te=-=«0.00/5A'•m（4-13）

27nli2万x0.7x2.5

最终由式，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：

Te（/2=Tt+Tf.1.09757V-m（4-14）

通过上述计算后，得到加在步进电动机转轴打为最大等效负我转矩为：

T°q=max{4八,Te（t21=1.0975N-m（4-15）

（3）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忖电压影响较大，当输入电压减少时,其输出转矩会下降，也许导致丢步，甚至堵转。

因比，根据来选择步进电动机的最大静转矩时.，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:

TJ.max>47eq=4x1.0975=4.39V./（4-16）

初选步进电动机的型号为90BYG2602,查得该型号电动机II勺最大静转矩r=6/V.W可见，满足规定。

JI3X0

（4）步进电动机R勺性能校核

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Lx/=2023mm/min,脉冲当量5=0.005〃物/脉冲，电动机对应的运行频率

f*=[2000/(60x0.005)]X6666，,。从90BYG2602电动机『'J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Znax/«4N-m,远远不小于最大工作负载转矩4g2=L0975N-m,满足规定。

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Vmax=3000mm/min,求出其对应运行频率

=[3000/(60X0.005)]=10000〃％。从图查得，在此频率下，电动机U勺输出转矩乙，=1.8M/〃，不

小于迅速空载起动时的负载转矩7；切=0.2987"./〃，满足规定。

3)最快空载移动时电动机运行频率校核

与迅速空载移动速度%ax=3000nlm/min对应的电动机运行频率为&x=10000〃