《数控机床》课程设计说明书
设计题目: X —Y 数控工作台机电系统设计
班级:
姓名:
指导教师:
机电一体化教研室
2010年 6 月
目 录
一、设计目的 .......................................................... 3
二、设计任务 .......................................................... 3
三.总体方案的确定 .............................................. 4
1、机械传动部件的选择 ......................................................................... ……. 4
(1)丝杠螺母副的选用 ................................................................................. 4
(2)导轨副的选用 ......................................................................................... 4
(3)伺服电动机的选用 ................................................................................. 5
2、控制系统的设计 .......................................................................................... 5
3、绘制总体方案图 .......................................................................................... 5
四、机械传动部件的计算与选型 .......................... 6
1、 导轨上移动部件的重量估算 . ................................................................... 6
2、铣削力的计算 .............................................................................................. 6
五、步进电动机的计算与选型 .............................. 9
1、传动计算 ...................................................................................................... 9
2、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq .................................... 10
3、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq . ............................... 11
4、步进电动机最大静转矩的选定 . .............................................................. 12
六、直线滚动导轨副的计算与选型 .................... 14
1、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 . .................................... 14
2、距离额定寿命L 的计算 .................................................................... 14
七、 绘制进给传动系统示意图 .......................... 15
八、控制系统硬件电路设计 ................................ 15
九、步进电动机的驱动电源选用 ........................ 18
结 束 语 ................................................................ 19
参考文献...................................................................20
一、设计目的
《数控机床》课程设计是一个很重要的实践性教学环节,要求学生综合运用所学的理论知识,独立进行设计训练,主要目的:
1) 通过本设计,使学生全面地,系统地了解和掌握数控机床得基本组成及其相关基本知识,学习总体方案拟定、分析与比较的方法。
2) 通过对机械系统的设计,掌握几种典型传动元件与导向元件得工作原理、设计计算方法及选用原则。
3) 通过伺服系统得设计,掌握常用伺服电机得工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。
4) 培养学生独立分析问题和解决问题的能力,学习并初步树立“系统设计”的思想。
5) 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。
二、设计任务
任务:设计一种立式数控铣床使用的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a e =15mm;
4. 最大背吃刀量a p =8mm;
5. 加工材料为碳素钢活有色金属。
6. X 、Y 方向的定位精度均为±0.02mm;
7. 工作台尺寸 230mm³230㎜,加工范围为250mm ³250mm
8. 工作台空载进给最快移动速度:V xmax =Vymax =3000mm/min;
9. 工作台进给最快移动速度: Vxmax =Vymax =400mm/min;
10. 加减速0.4s
三.总体方案的确定
1、机械传动部件的选择
(1)丝杠螺母副的选用
①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. 02mm 的定位精度,滑动丝杠副不能达到要求,因此选用滚珠丝杆副,滚珠丝杆副的传动精度高、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。
②轴向间隙的调整和预紧方式:选用垫片调隙式,这种方法结构简单、
刚性好、装卸方便,适用于一般精度的机构
③滚珠丝杠的安装:采用一端固定,一端游动的方式,因其压杆稳定性
和临界转速较高
(2)导轨副的选用
要设计数控车床工作台,需要承受的载荷不大,而且定位精度高,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,安装预紧方便好且精度保持性等优点。
选滚珠导轨,适合用于导轨上运动部件重量小于200kg 的机床,摩擦阻
力小,制造容易,成本较低。
(3)伺服电动机的选用
任务书规定的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伺服电动机,因此可以选用混
合式步进电动机。以降低成本,提高性价比。
2、控制系统的设计
1)设计的X-Z 工作台准备用在数控车床上,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,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、绘制总体方案图
总体方案图如图3.1所示。
图3.1 总体方案图
四、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800N 。
2、铣削力的计算
采用硬质合金立铣刀,工件的材料为碳钢,根据《金属切屑原理与刀具》200页表15-5得硬质合金立铣刀铣削力经验公式
0.850.75-0.731.00.1 FC =118e f z d a p n
其中铣刀的直径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a e =15mm,背吃刀量a p =8mm,查《切削用量简明手册》可得,每齿进给量f z =0.1mm,铣刀转速n =300/min。则由上公式求得最大铣削力:
F C =118x0.85x 0.10.75x 15-0.73x 8x 300 x1 1.00.1
=1233 N
考虑逆铣时的情况,可估算三个方向的铣削力分别为:F f =1Fc =1356N,F e =0.38 F c =308 N,F fm =469 N则工作台受到垂直方向的铣削力F z =F e =308N,受到水平方向的铣削力分别为F f 和F fn 。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F x =F f =1356N,径向铣削力F y =F fn =469N。
3.杠螺母副的计算与选型
(1)最大工作载荷F m 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)F x =1356N,受到横向的载荷(与丝杠轴线垂直)F y =308N,受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)F z =469N。
已知移动部件总质量G =800N,按矩形导轨进行计算,由《金属切屑机床》
126页公式17-5得:
F m=KFx+μ(Fz+Fy+G)=[1.1⨯1356+0.005⨯(469+308+500)]N≈1498N
取摩擦系数μ=0.005。取颠覆力矩影响系数K =1.1,求得滚珠丝杠副的最大工作载荷:
(2)最大动载荷F Q 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P h =5mm,则此时丝杠转速n =v /P h =80r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T =15000h,代入L 0=60nT /106,得丝杠寿命系数L 0=72 (单位为:106r) 。
查课本110页表5-1,5-2,取载荷系数f W =1.2,滚道硬度为60HRC 时,取硬度系数f H =1.0,求得最大动载荷:
F Q ≈7478 N
(3)初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程,查《现代实用机床设计手册》(上册)967页,选择南京工艺装备制造有限公司生产的FF 2005-3型滚珠丝杠副,为内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副,其公称直径为20mm ,导程为5mm ,循环滚珠总圈数为3圈,精度等级取5级,额定动载荷为9100N ,大于F Q 满足要求。
(4)传动效率η的计算 将公称直径d 0=20mm,导程P h =5mm,代入λ=arctan[P h /(πd 0)],得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角φ=10′,代入η=tanλ/tan(λ+φ) ,得传动效率η=96.4%。
(5)刚度的验算
1)X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“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、右支撑的中心距离约为a=500mm;钢的弹性模量E =2.1×105MPa ;查《现代实用机床设计手册》(上册)
967页,得滚珠直径D W =3.5mm,丝杠底径d 2=16.9mm,丝杠截面积S = πd 22/4=224.2mm2。
则丝杠在工作载荷F m 作用下产生的拉/压变形量:
δ1=F m a /(ES )= 1498×500/(2.1×105×224.2) ≈0.0159mm 。
2)根据公式Z =(πd 0/D W )-3,求得单圈滚珠数Z =20;该型号丝杠为单螺母,滚珠的圈数×列数为3×1,代入公式:Z ∑= Z×圈数×列数,得滚珠总数量Z ∑=60。丝杠
预紧时,取轴向预紧力F YJ =F m /3=631。则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形δ2≈0.0027。
因为丝杠加有预紧力, 且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可减少一半,取δ2=0.0013mm。17.2
3) 将以上算出的δ1和δ2代入δ
500mm) δ总=0.0172mm=17.2μm 。
本例中,丝杠的有效行程为350mm ,由表3-27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。 总=δ1+δ2,求得丝杠总变形量(对应跨度
(6)压杆稳定性校核
根据公式计算失稳时的临界载荷F er 。查《现代实用机床设计手册》(上册)
944、953页,知当滚珠丝杠的安装方式为一端固定,一端游动时,取压杆稳定安全系数f1=0.25(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 。代入式:
F er =3. 4⨯1010f d L 1
2
042得临界载荷F er =4.324×103 KN >Fm,
故丝杠不会失稳。
(7)临界转速的验算:
查表得临界转速公式为:n c =f d L 2
2
c 22
式中f2——丝杠支撑方式系数,一端固定一端游动时f2=1.875
Lc=500mm=0.5m
d2=d0-1.2Dw=15.8
查《机床设计手册》图5.7-93,
当支撑方式为G —T 时n c =9. 423⨯10长度L=500mm时交点在D=20的左侧,所以
临界转速验算合格. 3
(8)滚珠丝杠的选型以及安装尺寸的确定
丝杠工作长度L ,应满足控制中的行程要求。L 应为丝杠工作长度:
L=(1.05—1.1)行程+(10—14)Ph
所以丝杠: L=1.1³250+14+5=350 mm
安装方式为一端固定,一端游动。
综上所述,初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
故滚珠丝杠的型号为FF 2005-3型滚珠丝杠副内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副。
五、步进电动机的计算与选型
1、传动计算
为了满足加工精度在0.01-0.02范围内时,数控铣床、钻床车床的脉冲当
量δ可取0.005-0.01mm/Hz,因此取脉冲当量δ=0.01mm/脉冲,滚珠丝杠的的导程P h =5mm, 初选步进电动机的步距角α=0.72°越高。因为步距角越小,数控机床的控制精度。
根据《数控机床系统设计》式(5-18),算得减速比:
i =(αP h ) /(360δ) =(0.72⨯5)/(360⨯0.01)=1
由此可见本机构不必要选减速箱。
2、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J eq
由《数控机床系统设计》134页得:由于负载转矩情况不同,负载惯量只能由已计算精确地得到。由电动机驱动的所有运动部件,无论是旋转运动还是直线运动部件,都成为电动机的负载惯量,总的惯量以通过计算各个被驱动部件的惯量,并以一定规律将其加起来即可。滚珠丝杠的公称直径d 0=20mm,总长
l=500mm,导程Ph=5mm,材料密度ρ=7.85⨯10-5kg/cm 2; 移动部件总重力G=800N;
① 圆柱体惯量,当圆柱体围绕其中心轴线旋转时,其惯量可由下述公式计算: J 1=M 82⨯10 6
对于钢材: J 1=0. 77D L ⨯104-12-42 代入数据得: J1=0.4312⨯10kg ⋅m
s ⎫⎛② 沿直线轴移动物体的惯量: J = ⎪M ⨯10⎝2πn ⎭22-6=5. 1694⨯10kg ⋅m -42
初选步进电动机的型号为90BYG5502, 由常州市德利来电器有限公司生产,五相混合式步进电动机,驱动时的步距角为0.72°,从表查得该型号的电动机转子的转动惯量J m =4kg²cm 2。
③ 总的转动惯量为: J = J1 + J2 + J0 。其中J0为初选电动机的转子转动惯量,为4 kg²cm 2。
代入数据得: J=9.48 kg²cm 2
3、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T eq 1由式(4-8)可知,T eq 1包括三部分; 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T a max ;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T f ;还有一部分是滚珠
丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T 0。因为滚珠丝杠副传动效率很
高,根据式(4-12)可知,则有:
T eq 1=T a max +T f +T0 (6-13)
根据式(4-9),考虑传动链的总效率η,计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩:
T a max =2πJ eq n m 60t a 1⨯ (6-14) η
其中: n m =v max α=600r/min (6-15) 360δ
式中V max —空载最快移动速度,任务书指定为3000mm/min;
α—步进电动机步距角,预选电动机为0.72 ;
δ—脉冲当量,本例δ=0.01mm/脉冲。
设步进电机由静止加速至n m 所需时间t a =0.4s ,传动链总效率η=0.7。则由式求得:
T a max =J ⋅n -3=13. 03⨯10N ⋅m 9.6T
由式知,移动部件运动时,折算到电动机转轴上的摩擦转矩为:
T f =μ(F z +G )p 2πni h =0. 005⨯(0+800)⨯0. 005-3=4. 55⨯10N ⋅m 2π⨯0. 7⨯1
式中η——导轨的摩擦因素,滚动导轨取0.005
F z ——垂直方向的铣削力,空载时取0
η——传动链效率,取0.7
由式知,由于丝杠预紧引起的折算到电动机轴上的附加摩擦力矩为: T 0=amax S 2ηπi (1-η) ⨯10=3
02376⨯0. 0052-3-31-0. 9⨯10≈0. 0711⨯10N ⋅m 2π⨯0. 7⨯1()
最后由式(6-13)求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩:
T eq 1=T a max +T f +T 0=0.1765N⋅m (6-17)
2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T eq 2
由式(4-13)可知,T eq 2包括三部分:一部分是折算到电动机转轴上的最大
工作负载转矩T t ;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T f ;还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T 0,T 0相对于T f 和T t 很小,可以忽略不计。则有:
T eq 2=T t +T f (6-18)
其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T t 由公式(4-14)计算。有:
T t p F =t h 2πηi =1656⨯0. 005≈1. 88N ²m 2π⨯0. 7⨯1. 0
再由式(4-10)计算垂直方向承受最大工作负载(F z =556N ) 情况下,移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩:
T f =μ(z +G )Ph 0. 005⨯(572+800)=⨯0. 005=0. 007N ⋅m 2πηi 2π⨯0. 7⨯1. 0
最后由式(6-18),求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩:
T eq 2=T t +T f =1.887N²m (6-19)
最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为:
T eq =max T eq 1T eq 2=1.887 N²m {}
4、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T eq 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=3, 则步进电动机的最大静转矩应满足:
T jmax ≥4T eq =3³1.887=5.661 N.m
初选步进电动机的型号为110BYG550B ,由表查得该型号电动机的最大静转矩T j max =6.8N⋅m 。可见,满足要求。
5、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V max f =400mm/min,脉冲当量δ=0.01mm/脉冲,
电动机对应的运行频率为f max f =[400/(60⨯0. 01)]≈667H Z 。从90BYG5002电动机的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T max f ≈4.5N ⋅m ,远远大于最大工作负载转矩T eq 2=1.887N⋅m ,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
求出其对应运行频率v max =3000mm/min,f max =3000≈5000Hz 。由矩频特性曲线60⨯0. 01
图查得,在此频率下,电动机的输出转矩T max =6.0N⋅m ,大于快速空载起动时的
负载转矩T eq 1=0.1765N⋅m ,满足要求。
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v max =3000mm/min对应的电动机运行频率为f max =3000≈5000Hz 。由矩频特性曲线图查得60⨯0. 01
90BYG5002电动机的空载运行频率可达10000H z ,可见没有超出上限。
4)启动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量J=9.48 kg²cm 2,电动机转子的转动惯量T j m a x =4N⋅m ,电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率
。由式(4-17)可知步进电动机克服惯性负载的起动频率f q =1800H z (查表4-5)
为:
f L =f
+q J ≈1000Hz
m J
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1000Hz 。实际上,在采用软件升降频时,起动频率选得更低,通常只有100H z 。
综上所述,本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG550B 步进电动机,完全满足设计要求。
六、直线滚动导轨副的计算与选型
1、块承受工作载荷F max 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。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:
F max =G +F 4
其中,移动部件重量G=800N ,外加载荷F=Fz =469,代入上式,得最大工
作载荷F max =669N=0.669kN。
根据工作载荷F max =0.669kN,初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的LG15
型,其额定动载荷为7.94KN ,额定静载荷9.5 KN。
任务书规定工作台面尺寸为230mm ⨯230mm ,加工范围为250mm ⨯250mm ,考虑工作行程应留有一定余量,按标准系列,选取导轨的长度为520mm 。
2、距离额定寿命L 的计算
上述所取的KL 系列LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC ,工作温度不超过100 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。查《机电一体化系统设计手册》表2.9-13~2.9-16,分别取硬度系数f H =1.0,温度系数
f T =1.00,接触系数f c =0.81,精度系数fa=0.9,载荷系数f w =1.5,代入式(3-33),得距离寿命: 3
L=50⎛ 1⨯1⨯0. 81⨯8. 7⎫⎪17204Km
⎝0. 669⨯1. 5⎭=
远大于期望值50Km ,故距离额定寿命满足要求。
七、 绘制进给传动系统示意图
进给传动系统示意图如图5.1所示。
图5.1
给传动系统示意图
八、控制系统硬件电路设计
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
(2) 接受操作面板的开关与按钮信息;
(3) 接受车床限位开关信号;
进
(4) 接受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。
X-Y 数控工作台的控制系统设计,控制系统根据需要,可以选取用标准的工作控制计算机,也可以设计专用的微机控制系统。本设计CPU 选用ATMEL 公司的8位单片机AT89S52,由于AT89S52本身资源有限,所以扩展了一片EPROM 芯片W27C512用做程序存储器,存放系统底层程序;扩展了一片SRAM 芯片6264用做数据存储器,存放用户程序;由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令,所以除设置了X ﹑Y 方向的控制指令键,操作开停键,急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片,它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式,可与64个按键的矩阵键盘进行连接,能对键盘实行不间断的自动扫描,自动消除抖动,自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与PC 机的串行通信经过MAX233,可以采用PC 机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素:方向﹑转角和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源,方向取决于控制器送出的方向电频的高低,转角取决于控制送出的步进脉冲个数,而转速则取决于控制器发出的步进
脉冲的频率。在步进电动的控制中,方向和转角控制简单,而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率,所以对步进电动机脉冲频率的调节,实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节,程序简单,不占用其他硬件资源;缺点是控制电动机转动的过程中,CPU 不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置,由于单片机功能强大,采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时,步进电动机可以用运行频率直接起动,并以该频率连续运行;需要停止的时候,可以从运行频率直接降到零,无需升降频控制。当步进电动机的运行频率 (为步进电动机有载起动时的起动频率)时,若直接用 起动,由于频率太高,步进电动机会失步,甚至会丢步,甚至停转;同样在 频率下突然停止,步进电动机会超程。因此,当步进电动机在运行频率 下工作时,就需要采用升降频控制,以使步进电动机从起动频率开始,逐渐加速升到运行频率 ,然后进入匀速运行,停止前的降频可以看作是升频的逆过程。虽然本设计采用了半闭环控制,加入了增量式编码器作为反馈信号,但是在编程过程中仍需设计升降频的部分,以使步进电动机运行平稳、精确。根据需要,可编写出驱动步进电动机的程序。AT89S52指令与80C51指令完全兼容。
控制系统原理框图如图6.1所示。
图6.1 控制系统原理框图
图7.1 BD28Nb型驱动电源接线图
九、步进电动机的驱动电源选用
设计中X 、Y 向步进电动机均为110BYG550B 型,生产厂家为常州宝马集团公司。查表4-14,选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb 型,输入电压为1000VAC ,相电流为4A ,分配方式为五相混合电机。该驱动电源与控制器的接线方式如图
7.1所示。
结 束 语
经过两周充实的时间,我们终于完成了这次的课程设计。在本次的课程设计中,我首次完成从计算分析到绘制成图的全过程,在这过程中,是我们把所学的由理论知识转变到实践的一个过程。
通过本次设计,进一步提高了我对计算机辅助设计的认识,加强了我对各个软件特点的掌握。课程设计中,我们充分利用各个软件的优势进行设计,提高了设计速度,同时达到了我们的设计目的。此次课程设计中主要采用UG NX7.0进行建模,利用CAD 进行绘图。充分感受设计前沿软件的设计思想。课程设计的完成也提高了我自学软件的能力,通过这次的课程设计,我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识,对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理,设计计算方案的工作原理,设计计算的选用原则,电动机的工作原则,选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中,这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。
在整个设计的过程中,得到了老师和同学们的热心的帮助。在此,向他们致以衷心的感谢,特别感谢陈其兵老师和罗海萍老师的指导,也感谢同组同学在设计过程中给予的帮助。由于时间的伧俗,加上自己经验的不足和知识的匮乏,设计中难免会出现一些错误和不足之处,希望能得到老师和同学的批评与
指正。
参考文献
[1] 文怀兴等编著. 《数控机床系统设计》. 化工工业出版社.
[2]《机电一体化技术设计》. 机械工业出版社
[3] 毛昕等主编,《画法几何及机械制图》. 高等教育出版社
[4]《机械设计手册(2)》. 机械工业出版社
[5] 艾兴 肖诗纲编. 《切削用量简明手册》机械工业出版社
[6]《互换性与技术测量》 中国计量出版社
[7] 韩荣第 编 《金属切削原理与刀具》 哈尔滨工业大学出版社
[8]PDF版
《数控机床》课程设计说明书
设计题目: X —Y 数控工作台机电系统设计
班级:
姓名:
指导教师:
机电一体化教研室
2010年 6 月
目 录
一、设计目的 .......................................................... 3
二、设计任务 .......................................................... 3
三.总体方案的确定 .............................................. 4
1、机械传动部件的选择 ......................................................................... ……. 4
(1)丝杠螺母副的选用 ................................................................................. 4
(2)导轨副的选用 ......................................................................................... 4
(3)伺服电动机的选用 ................................................................................. 5
2、控制系统的设计 .......................................................................................... 5
3、绘制总体方案图 .......................................................................................... 5
四、机械传动部件的计算与选型 .......................... 6
1、 导轨上移动部件的重量估算 . ................................................................... 6
2、铣削力的计算 .............................................................................................. 6
五、步进电动机的计算与选型 .............................. 9
1、传动计算 ...................................................................................................... 9
2、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq .................................... 10
3、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq . ............................... 11
4、步进电动机最大静转矩的选定 . .............................................................. 12
六、直线滚动导轨副的计算与选型 .................... 14
1、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 . .................................... 14
2、距离额定寿命L 的计算 .................................................................... 14
七、 绘制进给传动系统示意图 .......................... 15
八、控制系统硬件电路设计 ................................ 15
九、步进电动机的驱动电源选用 ........................ 18
结 束 语 ................................................................ 19
参考文献...................................................................20
一、设计目的
《数控机床》课程设计是一个很重要的实践性教学环节,要求学生综合运用所学的理论知识,独立进行设计训练,主要目的:
1) 通过本设计,使学生全面地,系统地了解和掌握数控机床得基本组成及其相关基本知识,学习总体方案拟定、分析与比较的方法。
2) 通过对机械系统的设计,掌握几种典型传动元件与导向元件得工作原理、设计计算方法及选用原则。
3) 通过伺服系统得设计,掌握常用伺服电机得工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。
4) 培养学生独立分析问题和解决问题的能力,学习并初步树立“系统设计”的思想。
5) 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。
二、设计任务
任务:设计一种立式数控铣床使用的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a e =15mm;
4. 最大背吃刀量a p =8mm;
5. 加工材料为碳素钢活有色金属。
6. X 、Y 方向的定位精度均为±0.02mm;
7. 工作台尺寸 230mm³230㎜,加工范围为250mm ³250mm
8. 工作台空载进给最快移动速度:V xmax =Vymax =3000mm/min;
9. 工作台进给最快移动速度: Vxmax =Vymax =400mm/min;
10. 加减速0.4s
三.总体方案的确定
1、机械传动部件的选择
(1)丝杠螺母副的选用
①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. 02mm 的定位精度,滑动丝杠副不能达到要求,因此选用滚珠丝杆副,滚珠丝杆副的传动精度高、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。
②轴向间隙的调整和预紧方式:选用垫片调隙式,这种方法结构简单、
刚性好、装卸方便,适用于一般精度的机构
③滚珠丝杠的安装:采用一端固定,一端游动的方式,因其压杆稳定性
和临界转速较高
(2)导轨副的选用
要设计数控车床工作台,需要承受的载荷不大,而且定位精度高,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,安装预紧方便好且精度保持性等优点。
选滚珠导轨,适合用于导轨上运动部件重量小于200kg 的机床,摩擦阻
力小,制造容易,成本较低。
(3)伺服电动机的选用
任务书规定的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伺服电动机,因此可以选用混
合式步进电动机。以降低成本,提高性价比。
2、控制系统的设计
1)设计的X-Z 工作台准备用在数控车床上,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,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、绘制总体方案图
总体方案图如图3.1所示。
图3.1 总体方案图
四、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800N 。
2、铣削力的计算
采用硬质合金立铣刀,工件的材料为碳钢,根据《金属切屑原理与刀具》200页表15-5得硬质合金立铣刀铣削力经验公式
0.850.75-0.731.00.1 FC =118e f z d a p n
其中铣刀的直径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a e =15mm,背吃刀量a p =8mm,查《切削用量简明手册》可得,每齿进给量f z =0.1mm,铣刀转速n =300/min。则由上公式求得最大铣削力:
F C =118x0.85x 0.10.75x 15-0.73x 8x 300 x1 1.00.1
=1233 N
考虑逆铣时的情况,可估算三个方向的铣削力分别为:F f =1Fc =1356N,F e =0.38 F c =308 N,F fm =469 N则工作台受到垂直方向的铣削力F z =F e =308N,受到水平方向的铣削力分别为F f 和F fn 。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F x =F f =1356N,径向铣削力F y =F fn =469N。
3.杠螺母副的计算与选型
(1)最大工作载荷F m 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)F x =1356N,受到横向的载荷(与丝杠轴线垂直)F y =308N,受到垂直方向的载荷(与工作台面垂直)F z =469N。
已知移动部件总质量G =800N,按矩形导轨进行计算,由《金属切屑机床》
126页公式17-5得:
F m=KFx+μ(Fz+Fy+G)=[1.1⨯1356+0.005⨯(469+308+500)]N≈1498N
取摩擦系数μ=0.005。取颠覆力矩影响系数K =1.1,求得滚珠丝杠副的最大工作载荷:
(2)最大动载荷F Q 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P h =5mm,则此时丝杠转速n =v /P h =80r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T =15000h,代入L 0=60nT /106,得丝杠寿命系数L 0=72 (单位为:106r) 。
查课本110页表5-1,5-2,取载荷系数f W =1.2,滚道硬度为60HRC 时,取硬度系数f H =1.0,求得最大动载荷:
F Q ≈7478 N
(3)初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程,查《现代实用机床设计手册》(上册)967页,选择南京工艺装备制造有限公司生产的FF 2005-3型滚珠丝杠副,为内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副,其公称直径为20mm ,导程为5mm ,循环滚珠总圈数为3圈,精度等级取5级,额定动载荷为9100N ,大于F Q 满足要求。
(4)传动效率η的计算 将公称直径d 0=20mm,导程P h =5mm,代入λ=arctan[P h /(πd 0)],得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角φ=10′,代入η=tanλ/tan(λ+φ) ,得传动效率η=96.4%。
(5)刚度的验算
1)X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“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、右支撑的中心距离约为a=500mm;钢的弹性模量E =2.1×105MPa ;查《现代实用机床设计手册》(上册)
967页,得滚珠直径D W =3.5mm,丝杠底径d 2=16.9mm,丝杠截面积S = πd 22/4=224.2mm2。
则丝杠在工作载荷F m 作用下产生的拉/压变形量:
δ1=F m a /(ES )= 1498×500/(2.1×105×224.2) ≈0.0159mm 。
2)根据公式Z =(πd 0/D W )-3,求得单圈滚珠数Z =20;该型号丝杠为单螺母,滚珠的圈数×列数为3×1,代入公式:Z ∑= Z×圈数×列数,得滚珠总数量Z ∑=60。丝杠
预紧时,取轴向预紧力F YJ =F m /3=631。则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形δ2≈0.0027。
因为丝杠加有预紧力, 且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可减少一半,取δ2=0.0013mm。17.2
3) 将以上算出的δ1和δ2代入δ
500mm) δ总=0.0172mm=17.2μm 。
本例中,丝杠的有效行程为350mm ,由表3-27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。 总=δ1+δ2,求得丝杠总变形量(对应跨度
(6)压杆稳定性校核
根据公式计算失稳时的临界载荷F er 。查《现代实用机床设计手册》(上册)
944、953页,知当滚珠丝杠的安装方式为一端固定,一端游动时,取压杆稳定安全系数f1=0.25(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 。代入式:
F er =3. 4⨯1010f d L 1
2
042得临界载荷F er =4.324×103 KN >Fm,
故丝杠不会失稳。
(7)临界转速的验算:
查表得临界转速公式为:n c =f d L 2
2
c 22
式中f2——丝杠支撑方式系数,一端固定一端游动时f2=1.875
Lc=500mm=0.5m
d2=d0-1.2Dw=15.8
查《机床设计手册》图5.7-93,
当支撑方式为G —T 时n c =9. 423⨯10长度L=500mm时交点在D=20的左侧,所以
临界转速验算合格. 3
(8)滚珠丝杠的选型以及安装尺寸的确定
丝杠工作长度L ,应满足控制中的行程要求。L 应为丝杠工作长度:
L=(1.05—1.1)行程+(10—14)Ph
所以丝杠: L=1.1³250+14+5=350 mm
安装方式为一端固定,一端游动。
综上所述,初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
故滚珠丝杠的型号为FF 2005-3型滚珠丝杠副内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副。
五、步进电动机的计算与选型
1、传动计算
为了满足加工精度在0.01-0.02范围内时,数控铣床、钻床车床的脉冲当
量δ可取0.005-0.01mm/Hz,因此取脉冲当量δ=0.01mm/脉冲,滚珠丝杠的的导程P h =5mm, 初选步进电动机的步距角α=0.72°越高。因为步距角越小,数控机床的控制精度。
根据《数控机床系统设计》式(5-18),算得减速比:
i =(αP h ) /(360δ) =(0.72⨯5)/(360⨯0.01)=1
由此可见本机构不必要选减速箱。
2、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J eq
由《数控机床系统设计》134页得:由于负载转矩情况不同,负载惯量只能由已计算精确地得到。由电动机驱动的所有运动部件,无论是旋转运动还是直线运动部件,都成为电动机的负载惯量,总的惯量以通过计算各个被驱动部件的惯量,并以一定规律将其加起来即可。滚珠丝杠的公称直径d 0=20mm,总长
l=500mm,导程Ph=5mm,材料密度ρ=7.85⨯10-5kg/cm 2; 移动部件总重力G=800N;
① 圆柱体惯量,当圆柱体围绕其中心轴线旋转时,其惯量可由下述公式计算: J 1=M 82⨯10 6
对于钢材: J 1=0. 77D L ⨯104-12-42 代入数据得: J1=0.4312⨯10kg ⋅m
s ⎫⎛② 沿直线轴移动物体的惯量: J = ⎪M ⨯10⎝2πn ⎭22-6=5. 1694⨯10kg ⋅m -42
初选步进电动机的型号为90BYG5502, 由常州市德利来电器有限公司生产,五相混合式步进电动机,驱动时的步距角为0.72°,从表查得该型号的电动机转子的转动惯量J m =4kg²cm 2。
③ 总的转动惯量为: J = J1 + J2 + J0 。其中J0为初选电动机的转子转动惯量,为4 kg²cm 2。
代入数据得: J=9.48 kg²cm 2
3、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T eq 1由式(4-8)可知,T eq 1包括三部分; 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T a max ;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T f ;还有一部分是滚珠
丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T 0。因为滚珠丝杠副传动效率很
高,根据式(4-12)可知,则有:
T eq 1=T a max +T f +T0 (6-13)
根据式(4-9),考虑传动链的总效率η,计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩:
T a max =2πJ eq n m 60t a 1⨯ (6-14) η
其中: n m =v max α=600r/min (6-15) 360δ
式中V max —空载最快移动速度,任务书指定为3000mm/min;
α—步进电动机步距角,预选电动机为0.72 ;
δ—脉冲当量,本例δ=0.01mm/脉冲。
设步进电机由静止加速至n m 所需时间t a =0.4s ,传动链总效率η=0.7。则由式求得:
T a max =J ⋅n -3=13. 03⨯10N ⋅m 9.6T
由式知,移动部件运动时,折算到电动机转轴上的摩擦转矩为:
T f =μ(F z +G )p 2πni h =0. 005⨯(0+800)⨯0. 005-3=4. 55⨯10N ⋅m 2π⨯0. 7⨯1
式中η——导轨的摩擦因素,滚动导轨取0.005
F z ——垂直方向的铣削力,空载时取0
η——传动链效率,取0.7
由式知,由于丝杠预紧引起的折算到电动机轴上的附加摩擦力矩为: T 0=amax S 2ηπi (1-η) ⨯10=3
02376⨯0. 0052-3-31-0. 9⨯10≈0. 0711⨯10N ⋅m 2π⨯0. 7⨯1()
最后由式(6-13)求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩:
T eq 1=T a max +T f +T 0=0.1765N⋅m (6-17)
2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T eq 2
由式(4-13)可知,T eq 2包括三部分:一部分是折算到电动机转轴上的最大
工作负载转矩T t ;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T f ;还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T 0,T 0相对于T f 和T t 很小,可以忽略不计。则有:
T eq 2=T t +T f (6-18)
其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T t 由公式(4-14)计算。有:
T t p F =t h 2πηi =1656⨯0. 005≈1. 88N ²m 2π⨯0. 7⨯1. 0
再由式(4-10)计算垂直方向承受最大工作负载(F z =556N ) 情况下,移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩:
T f =μ(z +G )Ph 0. 005⨯(572+800)=⨯0. 005=0. 007N ⋅m 2πηi 2π⨯0. 7⨯1. 0
最后由式(6-18),求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩:
T eq 2=T t +T f =1.887N²m (6-19)
最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为:
T eq =max T eq 1T eq 2=1.887 N²m {}
4、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T eq 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=3, 则步进电动机的最大静转矩应满足:
T jmax ≥4T eq =3³1.887=5.661 N.m
初选步进电动机的型号为110BYG550B ,由表查得该型号电动机的最大静转矩T j max =6.8N⋅m 。可见,满足要求。
5、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V max f =400mm/min,脉冲当量δ=0.01mm/脉冲,
电动机对应的运行频率为f max f =[400/(60⨯0. 01)]≈667H Z 。从90BYG5002电动机的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T max f ≈4.5N ⋅m ,远远大于最大工作负载转矩T eq 2=1.887N⋅m ,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
求出其对应运行频率v max =3000mm/min,f max =3000≈5000Hz 。由矩频特性曲线60⨯0. 01
图查得,在此频率下,电动机的输出转矩T max =6.0N⋅m ,大于快速空载起动时的
负载转矩T eq 1=0.1765N⋅m ,满足要求。
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v max =3000mm/min对应的电动机运行频率为f max =3000≈5000Hz 。由矩频特性曲线图查得60⨯0. 01
90BYG5002电动机的空载运行频率可达10000H z ,可见没有超出上限。
4)启动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量J=9.48 kg²cm 2,电动机转子的转动惯量T j m a x =4N⋅m ,电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率
。由式(4-17)可知步进电动机克服惯性负载的起动频率f q =1800H z (查表4-5)
为:
f L =f
+q J ≈1000Hz
m J
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1000Hz 。实际上,在采用软件升降频时,起动频率选得更低,通常只有100H z 。
综上所述,本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG550B 步进电动机,完全满足设计要求。
六、直线滚动导轨副的计算与选型
1、块承受工作载荷F max 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。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:
F max =G +F 4
其中,移动部件重量G=800N ,外加载荷F=Fz =469,代入上式,得最大工
作载荷F max =669N=0.669kN。
根据工作载荷F max =0.669kN,初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的LG15
型,其额定动载荷为7.94KN ,额定静载荷9.5 KN。
任务书规定工作台面尺寸为230mm ⨯230mm ,加工范围为250mm ⨯250mm ,考虑工作行程应留有一定余量,按标准系列,选取导轨的长度为520mm 。
2、距离额定寿命L 的计算
上述所取的KL 系列LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC ,工作温度不超过100 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。查《机电一体化系统设计手册》表2.9-13~2.9-16,分别取硬度系数f H =1.0,温度系数
f T =1.00,接触系数f c =0.81,精度系数fa=0.9,载荷系数f w =1.5,代入式(3-33),得距离寿命: 3
L=50⎛ 1⨯1⨯0. 81⨯8. 7⎫⎪17204Km
⎝0. 669⨯1. 5⎭=
远大于期望值50Km ,故距离额定寿命满足要求。
七、 绘制进给传动系统示意图
进给传动系统示意图如图5.1所示。
图5.1
给传动系统示意图
八、控制系统硬件电路设计
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
(2) 接受操作面板的开关与按钮信息;
(3) 接受车床限位开关信号;
进
(4) 接受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。
X-Y 数控工作台的控制系统设计,控制系统根据需要,可以选取用标准的工作控制计算机,也可以设计专用的微机控制系统。本设计CPU 选用ATMEL 公司的8位单片机AT89S52,由于AT89S52本身资源有限,所以扩展了一片EPROM 芯片W27C512用做程序存储器,存放系统底层程序;扩展了一片SRAM 芯片6264用做数据存储器,存放用户程序;由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令,所以除设置了X ﹑Y 方向的控制指令键,操作开停键,急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片,它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式,可与64个按键的矩阵键盘进行连接,能对键盘实行不间断的自动扫描,自动消除抖动,自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与PC 机的串行通信经过MAX233,可以采用PC 机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素:方向﹑转角和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源,方向取决于控制器送出的方向电频的高低,转角取决于控制送出的步进脉冲个数,而转速则取决于控制器发出的步进
脉冲的频率。在步进电动的控制中,方向和转角控制简单,而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率,所以对步进电动机脉冲频率的调节,实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节,程序简单,不占用其他硬件资源;缺点是控制电动机转动的过程中,CPU 不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置,由于单片机功能强大,采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时,步进电动机可以用运行频率直接起动,并以该频率连续运行;需要停止的时候,可以从运行频率直接降到零,无需升降频控制。当步进电动机的运行频率 (为步进电动机有载起动时的起动频率)时,若直接用 起动,由于频率太高,步进电动机会失步,甚至会丢步,甚至停转;同样在 频率下突然停止,步进电动机会超程。因此,当步进电动机在运行频率 下工作时,就需要采用升降频控制,以使步进电动机从起动频率开始,逐渐加速升到运行频率 ,然后进入匀速运行,停止前的降频可以看作是升频的逆过程。虽然本设计采用了半闭环控制,加入了增量式编码器作为反馈信号,但是在编程过程中仍需设计升降频的部分,以使步进电动机运行平稳、精确。根据需要,可编写出驱动步进电动机的程序。AT89S52指令与80C51指令完全兼容。
控制系统原理框图如图6.1所示。
图6.1 控制系统原理框图
图7.1 BD28Nb型驱动电源接线图
九、步进电动机的驱动电源选用
设计中X 、Y 向步进电动机均为110BYG550B 型,生产厂家为常州宝马集团公司。查表4-14,选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb 型,输入电压为1000VAC ,相电流为4A ,分配方式为五相混合电机。该驱动电源与控制器的接线方式如图
7.1所示。
结 束 语
经过两周充实的时间,我们终于完成了这次的课程设计。在本次的课程设计中,我首次完成从计算分析到绘制成图的全过程,在这过程中,是我们把所学的由理论知识转变到实践的一个过程。
通过本次设计,进一步提高了我对计算机辅助设计的认识,加强了我对各个软件特点的掌握。课程设计中,我们充分利用各个软件的优势进行设计,提高了设计速度,同时达到了我们的设计目的。此次课程设计中主要采用UG NX7.0进行建模,利用CAD 进行绘图。充分感受设计前沿软件的设计思想。课程设计的完成也提高了我自学软件的能力,通过这次的课程设计,我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识,对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理,设计计算方案的工作原理,设计计算的选用原则,电动机的工作原则,选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中,这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。
在整个设计的过程中,得到了老师和同学们的热心的帮助。在此,向他们致以衷心的感谢,特别感谢陈其兵老师和罗海萍老师的指导,也感谢同组同学在设计过程中给予的帮助。由于时间的伧俗,加上自己经验的不足和知识的匮乏,设计中难免会出现一些错误和不足之处,希望能得到老师和同学的批评与
指正。
参考文献
[1] 文怀兴等编著. 《数控机床系统设计》. 化工工业出版社.
[2]《机电一体化技术设计》. 机械工业出版社
[3] 毛昕等主编,《画法几何及机械制图》. 高等教育出版社
[4]《机械设计手册(2)》. 机械工业出版社
[5] 艾兴 肖诗纲编. 《切削用量简明手册》机械工业出版社
[6]《互换性与技术测量》 中国计量出版社
[7] 韩荣第 编 《金属切削原理与刀具》 哈尔滨工业大学出版社
[8]PDF版