xy数控工作台课程设计样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除。

本 科 生 专 业 课 程 设 计

学生姓名:
学 号:
专业名称:
班 级:
指导教师:
5 月
目 录
任 务 书 2
二、 总体方案的确定 错误! 未定义书签。
三、 机械传动部件的计算与选型 错误! 未定义书签。
四、 工作台机械装配图的绘制 错误! 未定义书签。
五、 工作台控制系统的设计 错误! 未定义书签。
参考文献 错误! 未定义书签。
附件1 错误! 未定义书签。
附件2 错误! 未定义书签。
附件3 错误! 未定义书签。
附件4 错误! 未定义书签。

任 务 书
设计题目: X-Y数控工作台机电系统设计
设计任务:
设计一台微机控制XY两坐标工作台, 供立式数控铣床使用。具体内容如下:
1、 机械系统设计: 经过计算,正确选择传动机构、 导向机构、 执行机构、 驱动电机等, 根据计算说明, 绘制机械系统装配图。
2、 控制系统设计: 根据系统要求, 选择正确的控制策略, 设计合理的控制系统, 并绘制控制系统电路图。
3、 主要程序设计: 在机械系统设计与控制系统设计的基础上, 进行控制系统的主程序设计, 列出程序清单。
4、 设计说明书撰写。
系统主要参数:
1、 立铣刀最大直径d=20mm
2、 立铣刀齿数Z=3
3、 最大铣削宽度
4、 最大背吃刀量
5、 加工材料为碳素钢或有色金属
6、 X,Y方向的脉冲当量
7、 X,Y方向的定位精度均为±0.01mm
8、 工作台面尺寸为400mm×500mm(我们这个长度400以下), 加工范围为200mm×200mm
9、 工作台空载最快移动速度
10、 工作台进给最快移动速度
时间安排及任务:
一、 系统功能介绍、 总体方案设计( 1天)
1. 机电一体化产品设计的基本过程介绍; 2. XY工作台功能介绍; 3. 总体方案的确定
二、 单元功能模块介绍和设计任务的落实( 1天)
三、 详细设计( 8天)
1．机械系统装配图设计; 2．控制各部分原理图的设计; 3．主功能程序的编制

二、 总体方案的确定

1、 机械传动部件的选择

( 1) 导轨副的选用
要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床, 需要承载的载荷不大, 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、 结构紧凑、 安装预紧方便等优点。
选直线滚动导轨副
( 2) 丝杠螺母副的选用
伺服电动机的旋转运动需要经过丝杠螺母副转换成直线运动, 要满足0.01mm的脉冲当量和±0.01mm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到。滚珠丝杠副的传动精度高、 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, 而且滚珠丝杠已经系列化, 选用非常方便, 有利于提高开发效率。
选滚动丝杠螺母副
( 3) 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, 且应有消除间隙机构。为此, 系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。
拟采用减速器
( 4) 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 mm/min。因此, 本设计不必采用高档次的伺服电动机, 如交流伺服电动机或直流伺服电动机等, 能够选用性能好一些的步进电动机, 如混合式步进电动机, 以降低成本, 提高性价比。
伺服电机选步进电机
( 5) 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。任务书所给精度对于步进电动机来说还是偏高的, 为了确保电动机在运转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, 并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率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。

检测装置的选用: 增量式旋转编码器
2、 控制系统的设计

( 1) 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, 因此控制系统应该设计成连续控制型。
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, 应该能够满足任务书给定的相关指标。
单片机选: AT89S52
( 3) 要设计一台完整的控制系统, 在选择CPU之后, 还需要扩展程序存贮器、 数据存贮器、 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。
需要电路扩展
( 4) 选择合适的驱动电源, 与步进电动机配套使用, 我们将自行设计。
自行设计步进电机驱动电源
步进电动机
减速器

滚珠丝杠
步进电动机
减速器
工作台
滚珠丝杠
X方向传动机构
Y方向传动机构
微型机
机电接口

驱动电路
人机接口
图2-1 系统总体方案结构框图

系统总体方案图
三、 机械传动部件的计算与选型

1、 导轨上移动部件的重量估算

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、 减速箱、 滚珠丝杠副、 直线滚动导轨副、 导轨座等, 估计重量约为900N。
G=900N
2、 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2-1查得立铣时的铣削力计算公式为:
表2-1 硬质合金铣刀铣削力的计算公式( 单位N) [3]16
铣刀类型
工件材料
铣削力公式
面铣刀
碳钢

灰铸铁

可锻铸铁

圆柱铣刀
碳钢

灰铸铁

三面刃铣刀
碳钢

两面刃铣刀

立铣刀

期中: ap为背吃刀量mm; ae为侧吃刀量mm; fz为每齿进给量mm/Z; vf进给速度mm/min; Z铣刀齿数; d铣刀直径mm; n铣刀转速r/min, 见图2-1。
( 2-1)

图2-1 铣削用量说明
若铣刀直径d=15mm, 齿数Z=3, 为了计算最大铣削力, 在不对称铣削情况下, 取最大铣削宽度ae=15mm, 背吃刀量ap=8, 每齿进给量fz=0.1mm/Z; 铣刀转速n=300r/min。则由公式2-1求得最大铣削力:

采用立铣刀进行圆柱铣削时, 各铣削力之间的比值可由表2-2。
表2-2 各铣削力之间比值
铣削条件
比值
对称铣削
不对称铣削
逆铣
顺铣
端铣削
ae=(0.4~0.8)d/mm
fz=(0.1~0.2)/(mm.z-1))
Ff / Fc
0.3～0.4
0.6～0.9
0.15～0.3
Fe / Fc
0.85～0.95
0.45～0.70
0.9～1.0
Ffn / Fc
0.50～0.55
0.50～0.55
0.5～0.55
圆柱铣削
ae=0.05 d/mm
fz=(0.1~0.2)/(mm.z-1))
Ff / Fc

1.0～1.2
0.8～0.9
Ffn / Fc

0.2～0.3
0.75～0.8
Fe / Fc

0.35～0.4
0.325～0.4

图2-2 铣削力分析

图2-3 顺铣与逆铣
由表2-2, 图2-2和图2-3, 考虑逆铣情况, 可估算出三个方向的铣削力分别为:

图2-3a为卧铣情况, 现考虑立铣, 则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=719N, 受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向( 丝杠轴线方向) , 则纵向铣削力Fx=Ff=2082N, 径向铣削力Fy=Ffn=473N。

Fz=719N
Fx=2082N
Fy=473N
3、 直线滚动导轨副的计算与选型

( 1) 滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取

工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。X-Y工作台采用水平布置, 利用双导轨、 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:
(2-2)
其中, 移动部件重量G=900N, 外加载荷F=FZ=719N, 代入式2-2得最大工作载荷

查表3-41【3】48, 根据工作载荷Fmax=1.169kN, 初选直线滚动导轨副的型号为ZL系列的JSA-LG45型, 其额定动载荷Ca=7.94kN, 额定静载荷C0a=9.5kN。
任务书规定工作台面尺寸为400mm×500mm, 加工范围为200mm×200mm, 考虑工作行程应留有一定余量, 查表3-35[3]45, 按标准系列, 选取导轨长度为750mm.
表3-35 JSA型导轨长度系列
导轨型号
导轨长度系

JSA-LG15
280
340
400
460
520
580
640
700
760
820
940
JSA-LG20
340
400
520
580
640
760
820
940
1000
1120
1240
JSA-LG25
460
640
800
1000
1240
1360
1480
1600
1840
1960
3000
JSA-LG35
520
600
840
1000
1080
1240
1480
1720
2200
2440
3000
JSA-LG45
550
65

750
850
950
1250
1450
1850
2050
2550
3000
JSA-LG55
660
780
900
1020
1260
1380
1500
1980
2220
2700
3000
JSA-LG65
820
970
1120
1270
1420
1570
1720
2020
2320
2770
3000

导轨副的型号:ZL系列的 JSA-LG45型

导轨长度为750mm
(2) 距离额定寿命L的计算

上述选取的ZL系列JSA-LG45型导轨副的滚道硬度为60HRC, 工作温度不超过100℃, 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。查表
表2-4 硬度系数
滚道硬度( HRC)
50
55
58~64
fH
0.53
0.8
1.0
表2-5 温度系数
工作温度/℃
<100
100~150
150~200
200~250
fT
1.00
0.90
0.73
0.60
表2-6 接触系数
每根导轨上滑块数
1
2
3
4
5
fC
1.00
0.81
0.72
0.66
0.61
表2-7 精度系数
精度等级
2
3
4
5
fR
1.

1.0
0.9
0.9
表2-8 载荷系数
工况
无外部冲击或震动的低速场合, 速度小于15m/min
无明显冲击或振动的中速场合, 速度为15～60m/min
有外部冲击或振动的高速场合, 速度大于60m/min
fW
1~1.5
1.5~2
2~3.5
分别取硬度系数fH=1.0、 温度系数fT=1.00、 接触系数fC =0.81、 精度系数fR =0.9、 载荷系数fW =1.5, 代入式2-3【3】46, 得所选丝杠的距离寿命为180km。
( 2-3)
即
结论: 所选导轨的距离寿命远大于期望值50km, 故距离额定寿命满足要求。

距离寿命为180km远大于期望值50km, 故距离额定寿命满足要求
4、 滚珠丝杠螺母副的计算与选型

( 1) 最大工作载荷Fm的计算

在立铣时, 工作台受到进给方向的载荷( 与丝杠轴线平行) Fx=2082N, 受到横向的载荷( 与丝杠轴线垂直) Fy=473N, 受到垂直方向的载荷( 与工作台面垂直) Fz=719N。
已知移动部件总重量G=900N, 按矩形导轨进行计算, 查表2-9【3】38,
表2-9 最大工作载荷Fm实验计算公式及参考系数
导轨类型
实验公式
K
μ
矩形导轨

1.1
0.15
燕尾导轨

1.4
0.2
三角形或综合导轨

1.15
0.15~0.
8
注: 表中摩擦因数μ均为滑动导轨。对于贴塑导轨μ=0.03～0.05, 滚动导轨μ=0.003～0.005。
表中, Fx为进给方向载荷, Fy为横向载荷, Fz为垂直载荷, 单位均为N; G为移动部件总重力, 单位为N; K为颠覆力矩影响系数; μ为导轨的摩擦系数。
取移动部件总重量G=900N, 按矩形导轨进行计算, 查表2-9, 取颠覆力矩影响系数K=1.1, 滚动导轨上的摩擦因素μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷: 、

最大工作载荷:

( 2) 最大动载荷FQ的计算

设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=350mm/min, 初选丝杠导程Ph=5mm, 则此时丝杠转速n=v/Ph=70r/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=63( 单位为: 106r) 。
查表2-10【3】39, 取载荷系数fW=1.2, 滚道硬度为60HRC时, 取硬度系数fH=1.0, 代入式2-4【3】38
( 2-4)
即:
式中: L0——滚珠丝杠副的寿命, 单位( 106r) 。L0=60nT/106, ( 其中T为使用寿命, 普通机械取T=5000~10000h, 数控机床及一般机电设备取T=15000h; n为丝杠每分钟转速) ;
fW——载荷系数, 由表2-10查得。
fH——硬度系数( ≥58HRC时, 取1.0; 等于55HRC时, 取1.11; 等于52.5HRC时, 取1.35; 等于50HRC时, 取1.56; 等于45HRC时, 取2.40) ;
Fm——滚珠丝杠副的最大工作载荷, 单位为N。
表2-10 滚珠丝杠载荷系数
运转状态
载荷系数fW
平稳或轻度冲击
1.0～1.2
中等冲击
1.2～1.5
较大冲击或振动
1.5～2.5

( 3) 初选型号

最大动载荷FQ=9698N
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程, 查附件3表3-31【3】39, 选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD系列2505-4型滚珠丝杠副, 为内循环固定反向器单螺母式, 其公称直径为25mm, 导程为5mm, 循环滚珠为4圈×2列, 精度等级取5级, 额定动载荷为11921N, 大于FQ, 满足要求。
GD系列2505-4型滚珠丝杠副
( 4) 传动效率η的计算

将公称直径d0=25mm, 导程Ph=5mm, 代入, 得丝杠螺旋升角。将摩擦角, 代入, 得传动效率。
效率要求大于90%, 该丝杠副合格。
>90%, 合格。
( 5) 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。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承, 面对面组配, 左、 右支承的中心距离约为a=550mm; 钢的弹性模量E=2.1×105MPa; 查附件3, 得滚珠直径DW=3.175mm, 丝杠底径d2=21.2mm, 丝杠截面积。
丝杠的拉伸或压缩变形量δ1在总变形量中的比重较大, 可按下式计算:
(2-5)[3]41
式中: Fm——丝杠的最大工作载荷, 单位为N
a——丝杠两端支承间的距离, 单位为mm
E——丝杠材料的弹性模量, 钢的E=2.1×105MPa
S——丝杠按底径d2确定的截面积, 单位为mm2
M——转矩, 单位为N·mm
I——丝杠按底径d2确定的截面积惯性矩( ) , 单位为mm4
滚珠与螺纹滚道间的接粗变形量δ2
无预紧时 (2-6)[3]41
有预紧时 (2-7)[3]41
式中 DW——滚珠直径, mm
Z∑——滚珠总数量, Z∑=Z×圈数×列数
Z——单圈滚珠数, ( 外循环) , ( 内循环)
FYJ——预紧力, 单位N
忽略式2-5中的第二项, 算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量=0.0124mm
即
2) 根据公式, 求得单圈滚珠数Z=22; 该型号丝杠为单螺母, 滚珠的圈数×列数为4×2, 代入公式: ZΣ=Z×圈数×列数, 得滚珠总数量ZΣ=176。丝杠预紧时, 取轴向预紧力FYJ=Fm/3=767N。则由式2-7, 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2

因为丝杠加有预紧力, 且为轴向负载的1/3, 因此实际变形量可减小一半, δ2=0.0005mm。
3) 将以上算出的δ1和δ2代入
。
丝杠的有效行程为400mm, 由表3-27【3】35知, 5级精度滚珠丝杠有效行程在315～400mm时, 行程偏差允许达到25μm, 可见丝杠刚度足够。

丝杠刚度足够
( 6) 压杆稳定性校核

滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆, 如果轴向负载过大, 则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷Fk应满足:
( 2-8) 【3】42
式中 Fk——临界载荷, 单位N
fk——丝杠支承系数, 如表所示
K——压杆稳定安全系数, 一般取2.5～4, 垂直安装时取小值;
A——滚珠丝杠两端支承间的距离, 单位为mm。

表2-11 丝杠支承系数【3】42
方式
双推-自由
双推-简支
双推-双推
单推-单推
fk
0.25
2
4
1
查表2-11, 取fk=1; 由丝杠底径d2=16.2mm, 求得截面惯性矩:
; 压杆稳定系数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550mm。代入式2-8, 得临界载荷Fk≈22611N, 远大于工作载荷Fm=2301N, 故丝杠不会失稳。

丝杠不会失稳

综上所述, 初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
综上所述, 初选的滚珠丝杠副满足使用要求
5、 步进电动机减速箱的选用

为了满足脉冲当量的设计要求, 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小, 决定在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速, 步进电动机的输出轴与小齿轮联接, 滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构, 采用右图所示的弹簧错齿法消除侧隙。

(1) 计算减速器传动比

已知工作台的脉冲当量δ=0.01mm/P, 滚珠丝杠的导程Ph=5mm, 初选步进电动机的步距角α=0.9°, 算得减速比:

按图5-33, 选一级齿轮传动
(2) 齿轮机构设计

机械传动效率概略值( 供参考)
类型
V带传动
联轴器传动
圆柱齿轮传动
一对滚动轴承
丝杠螺母副
符号
ηv
ηc
ηg
ηb
ηs
效率
0.94~0.97
0.97~0.995
0.96~0.99
0.98~0.995
0.90~0.95
初选效率为0.98。

可见, 系统传递的功率很小, 在要求不高时, 以后各步的计算可省略。并采用经验法来设计各元部件。但为练习计算过程, 本次设计采用分析计算来设计。
(3) 齿轮传动机构的基本参数
传递功率(w)
小齿轮转速n1 (r/min)
传动比
一天运转时间(h)
工作寿命( 年)
传动效率
转向
工况
3.57

5/4
8
5
0.975
不变
平稳
其中小齿轮转速:

(4) 选择材料及确定许用应力

小齿轮材料选择45钢( 表面淬火) , 硬度为45HRC
大齿轮材料为45钢( 调质) 硬度为220HBS
小齿轮的接触疲劳强度极限( 淬火处理)
大齿轮的接触疲劳强度极限
安全系数和
安全系数
软齿面
硬齿面
重要的传动、 渗碳淬火齿轮或铸造齿轮

1.0~1.1
1.1~1.2
1.3

1.3~1.4
1.4~1.6
1.6~2.2

取安全系数

小齿轮的弯曲疲劳强度极限
大齿轮的弯曲疲劳强度极限
取

(5) 按齿面接触强度设计

设齿轮按7级精度制造。取载荷系数1.1, 齿宽系数,

取; 大齿轮齿数:
模数; 按实际取 m=0.9
确定中心距

齿宽: b=
取
(6) 验算轮齿弯曲强度
齿形系数

校验结果: 安全。
(7) 齿轮的圆周速度

选用7级精度是安全的。

传递功率: 7.14W

小齿轮转速: n=87.5r/min

中心距: a=32.4

校验结果: 安全

6、 步进电动机的计算与选型

( 1) 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq

已知: 滚珠丝杠的公称直径d0=25mm; 总长l=580mm
导程Ph=20mm; 材料密度ρ=7.85×10-3kg/cm3
移动部件总重力G=900N;
小齿轮宽度b1=10mm, 直径d1=28.8mm;
大齿轮宽度b2=10mm, 直径d2=36mm;
传动比i=5/4

1) 滚珠丝杠转动惯量:

小齿轮转动惯量:

大齿轮转动惯量:

托板折算到丝杠上的转动惯量:

初选步进电动机型号为110BYG2502, 为两相混合式, 由常州宝马集团公司生产, 二相八拍驱动时步距角为0.9°, 从附件4表4-5【3】65查得该型号电动机转子的转动惯量Jm=15kg.cm2。

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为:

滚珠丝杠转动惯量=1.75kg.cm2

小齿轮转动惯量
=0.053kg.cm2

大齿轮转动惯量
=0.129kg.cm2

托板折算到丝杠上的转动惯量
=0.582kg.cm2

步进电动机转轴上的总转动惯量
=17.1kg.cm2
( 2) 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq

分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。
快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1
( 2-9)
式中: Tamax——快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩, Nm
Tf——移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩, Nm
T0——滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩, Nm
( 2-10)
式中:
Jeq——步进电动机转轴上的总转动惯量, kg.m2
ε——电动机转轴的角加速度, rad/s2
nm——电动机转速, r/min
ta——电动机加速所用时间, s,一般在0.3～1s之间选取。(这里取0.4s)
η——齿轮组总效率, 取η=0.9

式中 vmax——空载最快移动速度, 任务书指定为 mm/min;
α——步进电机步距角, 预选电动机为0.9°
δ——脉冲当量, 任务书指定为0.01mm/P
由式2-10得

( 2-11)
式中 F摩——导轨的摩擦力, N
Ph——滚珠丝杠导程, m
η——齿轮总效率, 取η=0.9
i——总的传动比, i=nm/ns, 其中nm为电动机转速, ns为丝杠的转速。
μ——导轨摩擦因数( 滑动导轨取0.15~0.18) ,滚动导轨取0.003～0.005) ; 这里取0.005
Fz——垂直方向的工作载荷, 空载时Fz=0
( 2-12)
式中: μ——导轨摩擦因数( 滑动导轨取0.15~0.18) ,滚动导轨取0.003～0.005) ;
Fc——垂直方向的工作载荷, 车削时为Fc, 立铣时为Fz单位为N, 空载时Fc=0;
G——运动部件的总总量, 单位为N
( 2-13)
式中 FYJ——滚珠丝杠的预紧力, 一般取滚珠丝杠工作载荷Fm的1/3, 单位为N;
η0——滚珠丝杠未预紧时的传动效率, 一般取η0≥0.9
由于滚珠丝杠副的传动效率很高, 因此T0值一般很小, 与Tamax和Tf比起来, 一般能够忽略不计。
由式2-9得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩:

电动机转速
=500r/min

快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩=0.249Nm

移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=0.003Nm

滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩=0(即忽略)

快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩=0.252Nm
2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2

( 2-14)
式中: Tf和T0分别按式2-11和2-13计算。
Tt——折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩
( 2-15)
式中 Ff——进给方向最大工作载荷, 单位N。本设计对滚珠丝杠进行计算的时候, 已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=2802N。
由式2-11得: 垂直方向承受最大工作负载(Fz=719N)情况下, 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩:

则由式2-14得:

综上计算, 得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为:

折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩=1.326Nm

移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=1.146Nm

最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2=2.472Nm

综上计算, 得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为: 2.472Nm
( 3) 步进电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Teq选择步进电动机的最大静转矩时, 需要考虑安全系数。这里取安全系数K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足:

上述初选的步进电动机型号为110BYG2502, 由附件4表4-5查得该型号电动机的最大静转矩。可见, 满足要求。

步进电机最大静转矩满足要求。
( 4) 步进电机性能校核

1) 最快工作速度时电动机输出转矩校核

任务书给定工作台最快加工进给速度, 脉冲当量, 则电动机对应的运行频率为:

图2-2 110BYG2502步进电机运行距频特性曲线

从图2-2查得, 在此频率下, 电动机的输出转矩Tmaxf=18.6Nm, 大于最大工作负载转矩Teq2=2.472Nm, 满足要求。

最快工作速度时电动机输出转矩满足要求。
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, 则电动机对应的运行频率为:

从图2-2查得, 在此频率下, 电动机的输出转矩Tmax=6Nm, 大于快速空载启动时的负载转矩Teq1=0.252Nm, 满足要求。

最快空载移动时电动机输出转矩校核满足要求

3) 最快空载移动时电动机运行频率校核

与最快空载移动速度对应的电动机运行频率可达10000Hz。查附件4表4-5可知110BYG2502电动机的空载运行频率可达 0Hz, 可见没有超出上限。
最快空载移动时电动机运行频率校核满足要求
4) 启动频率计算

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启动频率( 查附件4表4-5) 。则能够求出步进电动机克服惯性负载的启动频率:

因此, 要保证步进电动机启动时不失步, 任何时候的启动频率都必须小于1095Hz。实际上, 在采用软件升降频时, 启动频率选的更低, 一般只有100Hz。
综上所述, 工作台选用110BYG2502电动机完全满足设计要求。

110BYG2502电动机完全满足设计要求
7、 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率应与电动机的步距角匹配。由步进电动机的步距角, 可知电动机旋转1转, 需要控制系统发出360/α=480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、 B相信号, 能够送到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。这里我们选用编码器型号为ZLK-A-100-05VO-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, 每转输出120个A/B脉冲, 信号为电压输出, 生产厂家为长春光机数显技术有限公司。

编码器型号为ZLK-A-120-05VO-10-H

按钮控制显示程序
ORG 00H
MOV SP, 30H
MOV 46H, #4
MOV 20H, #00H
ACALL XS
MAIN:
M3: JB 01H, M4
LCALL KEY
AJMP M3
M4: CLR01H
CPLP3.4
CPLP3.7
AJMP MAIN

按键控制程序
KEY: SETB P3.5
MOV C, P3.5
MOV 00H, C
SETB P3.5
LCALL DL_20
MOV C, P3.5
ORL C, 00H
JC KEY_END
SETB 01H
MOV 05, C
KEY1: LCALL 01H
MOV C, P3.5
ORL C, 00H
JC KEY2
AJMP KEY1
KEY2: SETB 01H
INC 46H
MOV A, 46H
CJNE A, #10, KEY3
MOV 46H, #0
KEY3: LCALL XS
KEY_END: RET

显示程序
XS: MOV A, 46H
MOV DPTR, #SEGTAB
MOVC A, @A+DPTR
MOV P1, A
RET
SEGTAB: DB
0C0H, 0F0H, 0A4H, 0B0H,
99H, 92H, 82H,
0F8H, 80H, 90H,
0FFH, 0BFH

延时
DL_20: MOV R0, #80
DL_20_1: MOV R1, #125
DJNZ R1, $
DJNZ R0, DL_20_1
RET

END