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課程設(shè)計(jì)說明書
題 目: X-Y工作平臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
姓 名：
專 業(yè) ：
班 級(jí)：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
年12月8日
摘 要
本文主要對(duì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。X-Y數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱-橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的X-Y數(shù)控工作臺(tái)通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副,以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其中，伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件用來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在X、Y方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均已標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)需要選用設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵字：X-Y數(shù)控工作臺(tái)，滾珠絲杠螺母副，伺服電動(dòng)機(jī)，微機(jī)控制系統(tǒng)。
目 錄
1設(shè)計(jì)任務(wù) 4
2總體方案設(shè)計(jì) 4
2．1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 4
2．1．1導(dǎo)軌副的選用 4
2．1．2絲杠螺母副的選用 4
2．1．3減速裝置的選用 4
2．1．4伺服電動(dòng)機(jī)的選用 4
2．1．5檢測(cè)裝置的選用 5
2．2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6
3機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型 6
3．1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 6
3．2銑削力的計(jì)算 6
3．3直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 7
3．4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型 7
3．4．1最大工作載荷Fm的計(jì)算 8
3．4．2最大動(dòng)工作載荷FQ的計(jì)算 8
3．4．3初選型號(hào) 8
3．4．4傳動(dòng)效率η的計(jì)算 9
3．4．5剛度的驗(yàn)算 9
3．4．6壓桿穩(wěn)定性校核 10
3．5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 11
3．5．1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Jeq 11
3．5．2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 12
3．5．3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 15
3．5．4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 15
3．6聯(lián)軸器和軸承的選擇 17
3．6．1聯(lián)軸器的選擇 17
3．6．2滾動(dòng)軸承的選擇 17
3．7增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 17
4控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 18
5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用 18
6控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì) 19
6．1存儲(chǔ)器與I/O芯片地址分配 19
參考文獻(xiàn) 20
計(jì)算 Fc
計(jì)算Ff、Fe、Ffn
計(jì)算Fz、Fx、Fy
計(jì)算
選取導(dǎo)軌長(zhǎng)度
計(jì)算滾珠絲杠副的最大工作載荷
計(jì)算最大動(dòng)載荷
初選滾珠絲桿螺母副型號(hào)
計(jì)算傳動(dòng)效率
計(jì)算拉/壓變形量
計(jì)算滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
計(jì)算絲杠總變形量
計(jì)算臨界載荷
計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
計(jì)算拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
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
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
計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩
計(jì)算移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上摩擦轉(zhuǎn)矩
計(jì)算最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
計(jì)算等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩
計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩
校核最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩
校核最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩
校核最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率
計(jì)算起動(dòng)頻率
聯(lián)軸器選擇
滾動(dòng)軸承選擇
1設(shè)計(jì)任務(wù)
題目：X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供應(yīng)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：
1）立銑刀最大直徑。
2）立銑刀齒數(shù)。
3）最大銑削寬度。
4）最大背吃刀量。
5）X、Y方向的脈沖當(dāng)量。
6）X、Y方向的定位精度均為。
7）工作臺(tái)面尺寸為，加工范圍。
8）工作臺(tái)最快移動(dòng)速度。
9）工作臺(tái)進(jìn)給移動(dòng)速度。
2總體方案的確定
2．1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇
2．1．1導(dǎo)軌副的選用
要設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)是用來配套輕型的立式數(shù)控銑床的，需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此，決定選用直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有剛度高、制造簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)軌材料選用40Cr（支承導(dǎo)軌）-鑄鐵（動(dòng)導(dǎo)軌），滑塊材料為鑄鐵。
2．1．2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0.01mm的脈沖當(dāng)量和的定位精度，滑動(dòng)絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到。滾珠絲杠副的傳動(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。
2．1．3減速裝置的選用
選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。但本設(shè)計(jì)中要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，且依靠步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠副已經(jīng)可以達(dá)到所需的脈沖當(dāng)量，因此不使用減速箱。
2．1．4伺服電動(dòng)機(jī)的選用
任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，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1500mm/min。因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。
2．1．5檢測(cè)裝置的選用
選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏高的，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。
另，考慮到X、Y兩個(gè)方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計(jì)工作量，X、Y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、電動(dòng)機(jī)，以及檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。
2．2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)控銑床上，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、數(shù)據(jù)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機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型
3．1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算
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、直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等,估計(jì)重量約為1000N。
3．2銑削力的計(jì)算
設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表3-7查得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為：
今選擇銑刀的直徑為d=18mm，齒數(shù)Z=2,為了計(jì)算最大銑削力，在不對(duì)稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量，每齒進(jìn)給量，銑刀轉(zhuǎn)速。則由上式求的最大銑削力：
采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由表3-5查得，結(jié)合圖3-4a，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：
圖3-4a為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。
3．3直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算
工作載荷是影響直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本設(shè)計(jì)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：
(3-1)
其中，移動(dòng)部件重量Ｇ＝1000N，外加載荷，代入式（3-1），得最大工作載荷=371.67N=0.372kN。
任務(wù)書規(guī)定工作臺(tái)面尺寸為，加工范圍，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為510mm。
3．4滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型
3．4．1最大工作載荷Fm的計(jì)算
如前面所述，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）,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直），受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）。
已知移動(dòng)部件總重量G=1000N，按三角-矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.15，滑動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)=0.15。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：
3．4．2最大動(dòng)工作載荷的計(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=350mm/min，初選絲杠導(dǎo)程=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/=70r/min。
取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60nT/106,得絲杠壽命系數(shù)L0=63（單位為：106r）。
查表3-30，取載荷系數(shù)=1.2,滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)=1.0,代入式（3-23），求得最大動(dòng)載荷：
3．4．3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，查表3-31，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的GD系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈2系列，精度等級(jí)取5級(jí)，額定動(dòng)載荷為9309N，大于，滿足要求。
3．4．4傳動(dòng)效率的計(jì)算
將公稱直徑=20mm,導(dǎo)程=5mm,代入，得絲杠螺旋升角=4°33′。將摩擦角=10′，代入,得傳動(dòng)效率=96.4%。
3．4．5剛度的驗(yàn)算
(1) X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“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、右支承的中心距約為a=360mm；鋼的彈性模量E=2.1х105MPa;查表3-31，得滾珠直徑=3.175mm，絲杠底徑=16.2mm,絲杠截面積S=/4=206.12。
忽略式（3-25）中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量：
(2) 根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=17 ；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為32，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=102。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力/3=191.09N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量：
因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取=0.0004mm。
(3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度360mm）=0.0054mm=5.4
絲杠的有效行程為300mm，由表3-27知，5級(jí)精度滾珠絲杠有效行程在≤315mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到23，可見絲杠剛度足夠。
3．4．6壓桿穩(wěn)定性校核
根據(jù)公式（3-28）計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷。查表3-34，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑=16.2mm求得截面慣性矩3380.88；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動(dòng)絲杠兩端支撐間的距離a=360mm。則由式（3-28）求得臨界載荷：
=
遠(yuǎn)大于工作載荷，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
3．5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型
3．5．1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
已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20mm，總長(zhǎng)l=430mm，導(dǎo)程=5mm，材料密度=kg/；移動(dòng)部件總重力G=1000N。
如表4-1所示，算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下：
滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90BYG2602,為二相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)的步距角為1.5°，從表4-5查得該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣。
則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
3．5．2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
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
由式（4-8）可知，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；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。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有：
=+ （6-13）
根據(jù)式（4-9），考慮傳動(dòng)鏈的總效率，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：
= （6-14）
式中
—對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速， 單位為r/min;
—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。
其中：
式中
—空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書指定為1500mm/min；
—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，預(yù)選電動(dòng)機(jī)為1.5；
—脈沖當(dāng)量，本例=0.01mm/脈沖。
設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至所需時(shí)間，傳動(dòng)鏈總效率=0.88。則由式（6-14）求得：
=
由式（4-10）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：
式中
—導(dǎo)軌的摩擦因素，三角-矩形滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.15；
—垂直方向的銑削力，空載時(shí)取0；
—傳動(dòng)鏈總效率，取0.88。
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：
=+
2) 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
由式（4-13）可知，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；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，相對(duì)于和很小，可以忽略不計(jì)。則有：
=+ （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)矩由公式（4-14）計(jì)算。已知沿著絲桿軸線方向的最大進(jìn)給載荷，則有：
再由式（4-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（）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：
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：
=+
經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：
3．5．3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)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)。取安全系數(shù)K=4, 則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：
初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90BYG2602，由表4-5查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩。可見，滿足要求。
3．5．4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 ，脈沖當(dāng)量 /脈沖，由式（4-16）求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 。從90BYG2602電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖1-1可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。
圖1-1 90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線
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=1500mm/min，仿照式（4-16）求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率。由圖1-1查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，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
與最快速空載移動(dòng)速度=1500mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為 。查表4-5可知90BYG2602電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000，可見沒有超出上限。
4）起動(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，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，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（查表4-5）。由式（4-17）可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為：
上式說明，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。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（即100脈沖/s）。
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90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。
3．6聯(lián)軸器和軸承的選擇
3．6．1聯(lián)軸器的選擇
最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，所以有：；
步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速：
又由于電機(jī)輸出軸軸徑d=14，故選用LT型彈性套柱銷聯(lián)軸器：
3．6．2滾動(dòng)軸承的選擇
根據(jù)支承方式單推-單推，絲桿底徑為16.2mm選用角接觸球軸承，軸承代號(hào)為：7001C GB/T 292-1994。
3．7增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用
本設(shè)計(jì)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用半閉環(huán)控制，可在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角，可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí)，需要控制系統(tǒng)發(fā)出個(gè)步進(jìn)脈沖?？紤]到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的A、B相信號(hào)，可以送到四倍頻電路進(jìn)行電子四細(xì)分，因此，編碼器的分辨力可選60線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，編碼器對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。
此次選用的編碼器型號(hào)為：ZLK-A-60-05VO-10-H盤狀空心型，孔徑10mm，與電動(dòng)機(jī)尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每秒輸出60個(gè)A/B脈沖，信號(hào)為電壓輸出，生產(chǎn)廠家為長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。
4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） 接受限位開關(guān)信號(hào)；
（3） 控制X，Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；
CPU選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。W27C512用做程序存儲(chǔ)器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴(kuò)展AT89S52的RAM存儲(chǔ)器存放調(diào)試和運(yùn)行的加工程序；8279用做鍵盤和LED顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺(tái)方向，LED顯示器顯示當(dāng)前工作臺(tái)坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報(bào)警功能，并有越位開關(guān)和報(bào)警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，越位報(bào)警指示電路。
5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源選用
設(shè)計(jì)中X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為90BYG2602型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司。查表4-14，選擇與之匹配的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb型，輸入電壓為100VAC，相電流為4A，分配方式為二相八拍。該驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線方式如圖1-3所示。
圖1-3 BD28Nc驅(qū)動(dòng)電源的接線圖
6控制系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì)
6．1存儲(chǔ)器與I/O芯片地址分配
根據(jù)電氣圖1中地址譯碼器U4（74LS138）的連接情況，可以算出主機(jī)板中存儲(chǔ)器與I/O芯片的地址分配如表 1-1所示。
器件名稱
地址選擇線（A15～A0）
片內(nèi)地址單元數(shù)
地址編碼
6264
000X，XXXX
8K
0000H～1FFFH
8255
0011,1111,
1111,11XX
4
3FFCH～3FFFH
8279
0101,1111
1111,111X
2
5FFEH～5FFFH
表1-1 主機(jī)板中存儲(chǔ)器與I/O芯片的地址分配
參考文獻(xiàn)
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選用直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副
選用滾珠絲杠副
選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型
8位單片機(jī)AT89S52
重量約為1000N
選取導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為510mm
選用GD系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式
η=96.4%
=0.0004mm
=5.4
絲杠剛度足夠
絲杠不會(huì)失穩(wěn)
初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)滿足要求
遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求
大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求
空載運(yùn)行頻率沒有超出上限
起動(dòng)頻率滿足要求
90BYG2602步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完全滿足設(shè)計(jì)要求
編碼器型號(hào)為：ZLK-A-60-05VO-10-H 盤狀空心型
CPU選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片
驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb型，輸入電壓為100VAC，相電流為4A，分配方式為二相八拍