数控技术课程设计十字工作台.doc

课程设计设计题目：ZX3型数控钻铣床工作台设计 课程名称： 数控技术课程设计 学 院： 机械工程 专 业：机械设计制造及其自动化姓 名： 学 号： 年 级： 任课教师： 2013年12月30日贵州大学本科课程设计诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科课程设计任务书学生信息学号学院机械学院班级姓名 专业机械设计制造及其自动化教师信息姓名职称学历教师信息姓名职称学历任务书发出时间2013年12月9日设计题目ZX3型数控钻铣床工作台设计论文（设计）起止时间2013年12月16日2014年1月3日共需周数3主要内容: 设计一套数控钻铣床XY工作台 结合设计任务的要求拟定总体机械和电气控制设计方案。 根据拟定的机械设计方案进行XY坐标数控工作台的机械结构设计计算和元件的选用。 根据拟定的电气设计方案进行数控系统方案框图设计及步进电机驱动电路的设计计算及相关元器件选用。 完成工作台机械结构的工程图和相关电气原理图的绘制。 编写设计说明书。主要要求: 方案拟定正确，设计计算根据来源可靠，计算数据准确无误。 元气件选用正确规范符合国家颁布标准。 机械装配图纸及相关电气图纸的绘制要求视图完整、符合最新国家标准，图面整洁、质量高。 机械和电气部份图纸折合总量不低于 1 张“0”号图量，其中必须含工作台机械装配图1张、电气控制原理框图、相关步进驱动控制电路等电气原理图12张。 课程设计说明书应阐述整个设计内容：如课题来源现实意义、总体方案确定、系统框图分析、电气元件选用说明、机械传动和驱动电路的设计、选用以及机械和电气的其它部分。说明书要突出重点，图文并茂、文字通畅、计算正确、字迹清晰、内容完整。说明书页数不少于 20 页。预期目标:设计出符合任务书要求的的数控钻铣床XY联动工作台、电气控制原理框图、步进电机驱动电路，撰写不低于20页左右设计论文，并附录相关资料及设计图纸。计划进程:序号计划时间进程112.912.16课题调研及资料收集，研究问题及提出初步总体方案212.1612.17总体方案论证及确定312.1712.23机械部分方案论证确定及计算412.2312.30电气部分方案论证确定及设计512.301.1撰写论文及绘制相关图纸61.3答辩主要参考文献:1李斌. 数控技术M.华中科技大学出版社，2013.12尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书，2007.73成大先. 机械设计手册(单行本 机械传动)M. 北京：化学工业出版社，2004.14 沈爱琴. 数控技术课程设计指导书Z. 贵阳：贵州工业大学机电教研室，1998.95 张毅刚. 单片机原理及应用M. 北京：高等教育出版社，2004.16 机电一体化技术手册编委会. 机电一体化技术手册M. 北京：机械工业出版社，1999.97 陆昆，奚大顺，李之权等. 电子设计技术M. 北京：电子科技大学出版社，1998.10ZX3型数控钻铣床工作台设计数据说明参数指标单位量纲钻铣床型号ZX1ZX2ZX3ZX4ZX5ZX6ZX7ZX8加速时间TS0.10.10.20.20.30.30.40.4Y向以上质量（含台面、工件及夹具等）Kg5055606570758090X向坐标行程 mm100150200200240250250300Y向坐标行程 80100120150160200240250工作台面(XY)mm2120100180150220150220180280200280220280260320280工作台最快快速进给速度（快进）mm/min1000150020002500工作台最大切削进给速度（工进）400500500600脉冲当量mm/pulse0.01定位精度mm0.05重复定位精度mm0.03步进电机步距角自定导轨类型自定滚珠丝杠螺距自定控制系统类型自定设备使用寿命10年；年均工作280天；每天8小时 加工参数立铣刀最大直径D=15mm立铣刀齿数Z=3大铣削宽度铣削深度每齿进给量0.1mm铣刀转速500r/min加工材料碳素钢或有色金属目 录摘 要8第一章 前 言91.1控技术及数控机床概述9第二章 总体方案的拟定与论证102.1主要设计参数102.2总体方案的拟定102.2.1机械传动部件的选择102.2.2控制系统的设计11第三章 工作台传动装置的设计计算123.1导轨上移动部件的重量估算123.2铣削力的计算123.3导轨的设计及计算133.3.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取133.3.2距离额定寿命和时间额定寿命的计算153.4滚珠丝杠副设计计算及其型号与直径的选择163.4.1滚珠丝杠螺母副的计算163.4.2初选型号183.5滚珠丝杠副刚度的验算183.5.1滚珠丝杠刚度校核183.5.2滚珠丝杠螺母副承载能力的校核193.6丝杠的支承方式及轴承的选择213.6.1丝杠支承方式的选择213.6.2轴承的选择213.7滚珠丝杠副的预紧力的确定223.8滚珠丝杠轴预紧拉伸力的确定223.9机械传动刚度的计算和校核233.9.1丝杠轴支承刚度的确定233.9.2滚珠丝杠拉压刚度的确定233.9.3滚珠与滚道的接触刚度243.9.4机械传动综合抗压刚度 ，的计算243.9.5机械传动刚度变化引起的定位误差的校验243.9.6进给系统的死区误差的校验253.10计算电机轴上的惯量和转矩，选取步进电机253.10.1传动比及步矩角的确定253.10.2计算折算到电动机轴上的负载惯量253.10.3计算折算到电动机轴上的负载转矩263.10.4步进电机的选择27 3.11联轴器的选择29第四章 工作台电气控制部分的设计与计算304.1工作台电气控制部分总体设计304.2 控制器的选择304.3步进电机驱动器的选择314.4其他辅助电路设计324.4.1 8051的时钟电路324.4.2复位电路334.4.3限位电路344.5零件加工程序设计34第五章 总结36参 考 文 献37 ZX3型数控钻铣床工作台设计摘 要当今世界科学技术发展迅速，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。本次设计的XY数控十字工作台主要应用于经济型数控铣床，精度不高。机械部分采用滚珠丝杠副，滑动导轨和步进电机。用步进电机直接连接滚珠丝杠，驱动工作台进给，结构简单、制造方便。控制部分主要采用8051单片机。采用开环控制系统对X、Y方向进行控制。关键词：精度，滚珠丝杠，步进电机，控制。贵州大学本科课程设计论文 第 35 页第一章 前 言1.1控技术及数控机床概述从数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。它具有普通机床无法比拟的优点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，自动化程度高，劳动力要求低，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件。一个国家工业化发展的程度，很大程度在于数控机床的应用上。我国是制造业大国，在世界物质生产中占有很大比例，但是作为“世界工厂”数控机床的普及率确远远低于发达国家，传统落后的普通机床加工已经落后于时代，大力发展数控机床技术势在必行。和发达国家相比，我国数控机床的应用主要存在以下问题： 低端产品国产化，但竞争激烈，互相靠压价促销； 高技术水平、全功能产品主要依靠进口； 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要依靠进口； 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用； 自行开发能力较差，较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。1十字工作台是许多机床上必不可少的部件，而数控十字工作台已经广泛的应用于各种数控机床上，它在提高机床加工精度，减轻劳动强度，提高劳动生产率上发挥了很大作用。第二章 总体方案的拟定与论证2.1主要设计参数加速时间：0.2S台面以上最大重量：60Kg工作台尺寸：220*150X坐标行程：200mmY坐标行程：120mm脉冲当量：0.01mm/pluse定位精度：0.05mm重复定位精度：0.03mm工作台空载最快移动速度：1500 mm/min工作台进给最快移动速度：500 mm/min立铣刀最大直径：D=15mm立铣刀齿数：Z=3最大铣削宽度：最大背吃刀量：加工材料：碳素钢或有色金属2.2总体方案的拟定2.2.1机械传动部件的选择1.导轨副的选用本次设计的十字工作台所配合的是数控铣床，脉冲当量较小，要求定位精度较高而负责较小，因此考虑选用滚动直线导轨。与滑动导轨相比，它具有灵敏度高，运动平稳，低速移动时不易出现爬行现象，定位精度高，摩擦阻力小，移动轻便，磨损小、精度保持性好的优点，但滚动导轨的抗震性较差，对防护要求较高。2.丝杠螺母机构的选用本次设计给出条件脉冲当量为0.01mm/pluse，定位精度为0.05mm，要求较高。且相对于滑动摩擦机构，滚动摩擦机构具有传动效率高(达92%98%)，灵敏度高（无颤动、无爬行，同步性好），定位精度高(可以实现无间隙传动，刚度强，温升小)，使用寿命长（是普通滑动丝杠的4倍以上，磨损小，精度保持期长）等优点。虽然相对于滑动丝杠价位偏高，但是性价比较高，也更加符合设计所需满足条件，因此还是选用滑动丝杠螺母机构。3.伺服电机的选用任务书规定的精度对于步进电动机来说可以满足，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。采用开环控制也能满足精度要求，以降低成本，提高性价比。4.减速装置的选用根据所选用的步进电动机和滚珠丝杠机构，计算传动比来确定是否需要安装减速装置。2.2.2控制系统的设计本次设计的XY数控工作台用于数控铣床，其控制系统应该具有轮廓控制、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。对于步进电动机的开环控制，选用MCS-51系列的8位单片机8051作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。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、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。最后，还要选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。第三章 工作台传动装置的设计计算3.1导轨上移动部件的重量估算根据任务书，向以上质量为60Kg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，估计总重量G约为680N。3.2铣削力的计算零件采用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。查下表3-1可得立铣时的铣削力计算公式为：表3-1硬质合金铣刀铣削力的计算公式（单位N）铣刀类型工件材料铣削力计算公式面铣刀碳素钢灰铸铁可锻铸铁圆柱铣刀碳素钢灰铸铁三面刃铣刀碳素钢两面刃铣刀立铣刀查数控技术课程设计指导书P13、14页，取铣刀每齿进给量=0.1；铣刀转速=500r/min,其他参数设计已经给出，数值如下：立铣刀最大直径：D=15mm立铣刀齿数：Z=3最大铣削宽度：最大背吃刀量：所以最大铣削力F=118afdanz=1563N采用立铣刀进行圆柱逆铣时，各铣削力之间的比值查数控技术课程设计指导书P13页可得出：=(1.01.2) /=(0.20.3) /=（0.350.4） 分别计算出三个方向铣削力为：F=1.1F=1719NF=0.25F=390NF=0.38F=594N由于是立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力F=F=594N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。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,径向铣削力。3.3导轨的设计及计算3.3.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取本设计中的XY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，查机械设计手册 第二卷P9127页得则单滑块所受的最大垂直方向载荷为， 其中，G工作台移动部件重量。根据计算出的工作载荷初选符合要求的直线滚动导轨副的型号。 查机械设计手册 第二卷P9132页到133页，根据选取原则，选择南京工艺装备制造厂的GGB20BA四方向等载荷窄型滚动直线导轨副。其额定动载荷，额定静载荷。工作台尺寸为220mm150mm，加工范围为200mm120mm，因此初选导轨长度为800mm。3.3.2距离额定寿命和时间额定寿命的计算1.距离额定寿命的计算上述选取的GGB20BA 型导轨每根导轨上配有两个滑块，精度为4 级，工作速度较低，载荷不大，一般把直线.轨的距离.定寿命定为50km，查数控技术课程设计指导书P34页，则有公式其中为导轨额定动载荷；为硬度系数，取=1.0；为计算载荷；查数控技术课程设计指导书P35页各表可得为温度系数，=1，为接触系数，取=0.66，为精度系数，取=0.9，为载荷系数，取=1.5，则 远大于期望值50km，设计符合要求。2. 时间额定寿命的计算预计导轨的工作10年，年均工作280天每天工作8小时，取导轨副的使用寿命为T=22400h，时间额定寿命可按下式进行计算其中为行程长度，XY工作台行程为200mm120mm，取250mm计算；为每分钟移动部件往返次数取5次，则满足设计要求。滚动导轨副3.4滚珠丝杠副设计计算及其型号与直径的选择3.4.1滚珠丝杠螺母副的计算1.最大工作载荷的计算 如前面所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷，受到横向的载荷，受到垂直方向的载荷。已知移动部件总重量G=680，按矩形导轨进行计算，查实用机床设计手册颠覆力影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为：参考公式2.最大动载荷的计算 本次设计工作台最快进给速度，初选丝杠导程，则此时丝杠转速。取滚珠丝杠的使用寿命T=22400h，代入得丝杠寿命系数查表，取载荷系数，轨道硬度为60HRC时，取硬度系数，代入得 载荷系数如下表：3.4.2初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查数控技术课程设计指导书P219页选FFZD3205-3型滚珠丝杠副，其公称直径为32mm，外径为31.5mm,底径为28.9mm，导程为5mm，滚珠直径为3.5mm，螺母的安装尺寸L=85mm，精度等级取5级，基本额定动载荷为11.7KN，大于计算的丝杠最大动载荷，选择适合。确定滚珠丝杠副的螺纹长度：上式中，为有效行程，=行程+螺母长度=200+85=285mm；为安全行程，=5=25mm；为余程，=2=10mm。则计算得：3.5滚珠丝杠副刚度的验算3.5.1滚珠丝杠刚度校核滚珠丝杠在轴向力的作用下，将产生伸长或压缩，在切向力的作用下将产生扭转和弯曲会使丝杠导程发生变化，影响到传动及定位精度，工作台滚珠丝杠副安装采用“两端固定”的方式。这种安装适合于高精度，高刚度的丝杠。查表3-4可知滚珠直径，丝杠底径。丝杠的拉伸或压缩在总变形量中的比重较大，可按下式计算式中为丝杠的最大工作载荷；为钢的弹性模量，为2.1MPa；为丝杠的最小截面积，即丝杠底径截面积；为丝杠两端支承间的距离=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度1.4行程+30=1.4200+305=430mm，则滚珠丝杠滚道间的接触变形量在有预紧时的计算公式如下：FFZD3205-3型滚珠丝杠螺母副单圈滚珠数,；为滚珠总数，。丝杆预紧时，取轴向预紧力。因此，总变形量，当有效行程215mm到300mm时，5级精度的允许行程变量为0.021mm，总变形量满足设计要求。3.5.2滚珠丝杠螺母副承载能力的校核1. 滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验查数控技术课程设计指导P61页，按下列公式计算上式中，为丝杆螺母副的螺纹底径；为丝杆螺母副最大受压长度为435mm，为安全系数，丝杠垂直安装时K=1/2，丝杆水平安装取K=1/3 。为安全系数，与支承方式有关。滚珠丝杠副支承方式选择双推-双推式，这种方式适合于高刚度、高转速、高精度的丝杠传动，与本次设计符合，则=4。远大于，因此丝杠稳定性满足设计要求。与支承方式有关的系数2. 滚珠丝杠螺母副临界转速的校验滚珠丝杠螺母副转动时不产生共振的最高转速称为临界转速。其计算公式参考数控技术课程设计指导P61页：上式中，为临界转速的计算长度，取=335mm；为弹性模量，取；为丝杠密度，取，；为滚珠丝杠最小惯性矩；为滚珠丝杠的最小截面积，取；为安全系数，取=0.8；为与支承方式有关的系数，可见上表，取=4.73。则带入参数后上式计算得：3. 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验滚珠丝杠螺母副的寿命，主要是指疲劳寿命。参照数控技术课程设计指导P62页，滚珠丝杠螺母副的疲劳寿命和时间寿命按一下公式计算：式中为额定动载荷，查表得11700N；为轴向载荷，前面计算为1719N；为滚珠丝杠螺母副的转速；为运转条件系数，无冲击运转取1.01.2.一般运转取1.21.5，有冲击运转取1.53.0。则经计算得大于22400h，因此丝杠螺母副的寿命满足要求。3.6丝杠的支承方式及轴承的选择3.6.1丝杠支承方式的选择由于本次设计的是数控铣床工作台，设计精度较高，为了提高滚珠丝杠的拉压刚度，因此选用两端固定的“双推-双推式”支承，虽然其结构复杂，工艺困难，但丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍，刚度和精度都很高，特别适用于数控机床。两端固定支承3.6.2轴承的选择实践证明，丝杠的轴承组合及轴承座以及其他零件的连接刚性不足，将严重影响滚珠丝杠副的传动精度和刚度，因此在设计安装时应认真考虑。为了提高轴向刚度，因此本次设计采用以角接触球轴承组合来支承丝杠。因为滚珠丝杠螺母副拟采用预拉伸措施，所以选用60角接触球轴承组背对背安装，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由于丝杠底径=28.9mm，查数控技术课程设计指导P211页，选用760205TNI型接触角推力角接触球轴承作为安装轴承，其具体参数如下：轴承参数轴承名称轴承型号内径d外径D宽度B安装尺寸安装尺寸额定动载荷角接触球轴承760205TNI25mm52mm15mm32mm45mm1.35KN3.7滚珠丝杠副的预紧力的确定为了消除轴向间隙，增加丝杠副的刚性和定位精度，在丝杠螺母间加以预紧力。过大的值将引起滚珠丝杠寿命下降及磨擦力矩增大，而偏小，会产生轴向载荷作用下出现间隙影响定位精度。因此，一般情况下取：上式中，为最大轴向工作载荷。3.8滚珠丝杠轴预紧拉伸力的确定为减小或消除丝杠自重而产生的弯曲变形，补偿因工作温度和六螺角母温度升高而引起的丝杠伸长，保证滋珠丝杠在正常使用时的定位精度和提高滚珠丝杠的系统刚性，对有快速驱动并有定位精度要求的滚珠丝杠副其丝杠副轴、需要进行预拉伸力，决定拉伸力时还应考虑到丝杠两端支承轴承允许的预紧力的大小。根据数控设计指导P54页得的计算公式： 上式中，为滚珠丝杠的温度变化值，一般情况下为2-3，取=3；为丝杠底径。所以经计算得：3.9机械传动刚度的计算和校核3.9.1丝杠轴支承刚度的确定滚珠丝杠支承刚度分两步计算，首先由于本设计的轴承有预紧，因此查数控指导可知角接触球轴承有预紧时的组合刚度公式。然后由于是两端固定，因此查表可得。上式中为滚动体直径，已知=3.5mm；为轴承接触角，轴承为60角接触球轴承，所以=60；为滚动体个数，前面已算出=25；最大轴向工作载荷=1899N。计算得：3.9.2滚珠丝杠拉压刚度的确定当丝杠支承方式为两端固定时，查数控指导得公式：其中为丝杠固定端之间的距离，即轴承间的距离=570mm；为滚珠丝杠的螺母中心到固定端支承中心的距离。当丝杠螺母中心位于滚珠丝杠支承中心时，拉压刚度最小：当丝杠螺母中心距其中一个固定端最近时，拉压刚度最大：其中为螺母中心到最近的固定端的距离，=135mm。3.9.3滚珠与滚道的接触刚度在滚珠丝杠有预紧时，有公式： 上式中为滚珠丝杠刚度值，查前面数据得=826；为滚珠丝杠轴向工作载荷，=11700N。计算得：3.9.4机械传动综合抗压刚度 ，的计算3.9.5机械传动刚度变化引起的定位误差的校验查数控指导P68页，最大定位误差计算公式如下：上式中为由机床执行部件重量引起的静摩擦力，；，分别为进给传动系统在行程范围内的最大、最小综合拉压刚度。应在定位误差的1/51/4范围内，即0.01mm之内，以上计算值满足条件。3.9.6进给系统的死区误差的校验机床执行部件反向时的最大反向死区误差可按下式计算：=2= 上式中为由机床执行部件重量引起的静摩擦力。=2= 已知脉冲当量为0.01mm，因此满足条件。3.10计算电机轴上的惯量和转矩，选取步进电机3.10.1传动比及步矩角的确定 本次设计拟采用步进电机直接连接丝杠的方式，因此传动比为=1；脉冲当量为0.01mm/pluse；丝杠导程=5。则步矩角为： 0.723.10.2计算折算到电动机轴上的负载惯量1、 滚珠丝杠的转动惯量上式中为丝杠公称直径，=32mm； 为丝杠长度=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）=710mm。则计算得:2、 滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量沿直线轴移动物体的惯量为：= （3-18）上式中为丝杠导程；M为移动部件总质量。数据都为已知，则计算得=3、 总转动惯量=+3.10.3计算折算到电动机轴上的负载转矩 1.计算切削负载力矩上式中为丝杠导程=0.005m，进给系统的总效率=0.90，=1897N。计算得：2. 计算摩擦负载力矩上式中为空载时导轨摩擦力，=4N，其它数据与上面相同。则计算得：3. 计算由滚珠丝杠副的预紧而产生的附加负载力矩上式中为滚珠丝杠副的预紧力=633N；为丝杠基本导程=0.005m；为滚珠丝杠副效率=0.94。则计算得：4. 各坐标轴折算到电机轴上的负载力矩的计算空载时：切削时：3.10.4步进电机的选择 1、根据以上计算，查步进电机数据，选择北京和利时机电技术有限公司的110BYG550B-030混合式步进电机，其步距角为0.72。空载启动频率为2200步/s，最大静转矩为8N.m。具体参数如下：110BYG550B-030混合式步进电机参数型号步矩角相数驱动电压相电流额定转矩空载运行频率转动惯量110BYG550B-0300.72580V3A8N.m2200该电动机的额定力矩为8Nm，大于空载及切削时电动机轴的负载力矩，因此本电动机满足驱动要求。为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载总惯量与步进电动机的转动惯量之比一般应满足：上面已经计算出=，因此，满足匹配要求。2、 步进电动机的性能校核1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度 vmaxf=500mm/min，脉冲当量=0.01mm/脉冲求出电动机对应的运行频率 fmaxf =500/(600.01)Hz 833Hz。从110BYG550B-030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Tmaxf8Nm，远远大于最大工作负载转矩Tmaxf=Tt+Tf=1.6835Nm，满足要求。图3-10电动机的运行矩频特性曲线图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 =1500mm/min，求出电动机对应的运行频率fmax =1500/（600.01）Hz =2500Hz。从图查得，在此频率下，电动机的输出转矩 Tmax =6.5 Nm，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1 = 0.275Nm，满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速vmax =1500mm/min对应的电动机运行频率fmax =2500Hz。查表4-5可知110BYG550B-030电动机的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量J总=7.68 kgc m2 电动机转子的转动惯量Jm =9.7 kgc m2，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率fq=2200Hz.则可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： =1643Hz上式说明，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1388Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，本例中工作台的进给传动选用110BYG550B-030步进电动机，完全满足设计要求。3.11联轴器的选择根据选出的电机和丝杠的参数，选择薄片弹性联轴器，不仅可以简化结构，减少噪声，而且对减少传动链的间隙、提高传动刚度也大有好处。 因为滚珠丝杠的公称直径为32mm，所以选择04号内径为32的膜片弹性联轴器。第四章 工作台电气控制部分的设计与计算4.1工作台电气控制部分总体设计控制系统框图4.2 控制器的选择MCS-51系列单片机中的基本型产品是8051,8031和8751，这三个产品只是片内程序存储器制造工艺不同。8051的片内程序存储器ROM为掩膜型的在制造芯片时已将应用程序固化进去，使它具有了某种专用功能；8031无ROM，使用时需外接ROM；8751的片内ROM是EPROM型的，固化的应用程序可以方便改写。MCS-51系列单片机具有系统结构紧凑，硬件设计简单灵活，成本低且不需要特殊的开发手段等优点，在机电一体化系统中得到广泛应用。本次设计选用MCS-51系列单片机中的8051。8051单片机引脚图4.3步进电机驱动器的选择由于本次设计所选用的是北京和利时机电技术有限公司的五相十拍110BYG550B-030混合式步进电机，因此步进电机驱动器同样选用该公司生产的与其相配套的SH-50806B型步进电机驱动器，其特点有：1.数字化升频升压结合恒流控制技术；2.运行平稳、低噪音、低振动3.最大输出驱动电流 6.0A/相；4.输入信号 TTL 兼容；5.输入输出信号光电隔离；6.过压保护及过流保护功能；7.脱机保持功能；8.拨码选择适配多种型号电机；9.单/双脉冲方式可选；10.整/半步运行模式可选；11.提供零位信号输出；12.提供故障信号输出；13.断电记忆功能；14.自动半电流可选。其主要性能指标有：其驱动器控制接线图如下：驱动器接线图4.4其他辅助电路设计4.4.1 8051的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在1.212之间任意选择，耦合电容在530pF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。时钟电路4.4.2复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后CPU便从0000H单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与8051复位要求一致时，可以直接相连。实用复位电路图如下所示： 复位电路4.4.3限位电路为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至8051的I/O口P1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。8051可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管