机电一体化系统课程设计—纵向改造CA6140车床说明书

1、随着科学技术的迅猛发展，数控机床已是衡量一个国家机械制造水平的重要标志。 u前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3%。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展， 所以必须大力提高机床的数控化率。采用经济型数控系统对普通机床数控改造，尤其适合我国机床拥有量大、主产规 模小的具体国情。 电气时代 、 机械工人 、电气应用等多家杂志为满足广大企业技术改造发展生产的需要，多次联合举办学习班，为企业提供权威、经济、可行、实用的技术指导，改造费用为

2、新购置费用的四分之一到三分之一。普通机床的数控改造有两方面的意义：1、微观看改造的意义从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。（1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。山于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。（2）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化， 从而效率可比传统机床提高3? 7 倍。由于讣算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的

3、自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。（3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。（4）可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。（5）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。（6）由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 fmc （柔性制造单元）、fms （柔性制造系统）以及cims （计算机集成

4、制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。2、宏观看改造的意: 义从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、 80 年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、fmc、fms 夕卜，还包括 在产品开发中推行cad 、cae、cam 、虚拟制造以及在生产管理中推行mis （管理 信息系统）、 cims 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。山于采用信息技术对国外军、民机械匸业进行深入改造（称之为信息化）, 最终使得他们的产品在国际军品

5、和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1993 年只有 1.9%,而日本在 1994 年已达 20.8%,因 此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要 性。二、普通机床的数控改造方案的确定k系统总体改造方案的确定u 前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制，实现 机电一体化的改造， 会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工， 不但提高加工精度和生产率，而且成本低、 周期短，适合我国国情。 利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中

6、心设计控制部件；另一种是釆用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制，如图 2-1 所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是山单片机按照输入的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，山延时程序控制进给速度。图2-1开环控制系统框图2、

7、机械系统的改造方案的确定在熟悉原机床的操作过程及传动系统后，根据设计要求确定系统的机械传动系统改造方案。包括电机型号的选择，减速比的确定，齿轮模数及齿轮的确定，原有丝杠及导轨是否要重新更换，改换成滚珠丝杠螺母副时丝杠螺母副的型号及安装形式如何确定，导轨的设计方法等。对 ca6140 车床的纵向（z 向）进给运动进行数控改造，此时可将开合螺母合上，离合器册 5 脱开，使主运动与进给运动脱开，此时，将脱落螺杆等横向自动进给机构调至空挡（脱开）位置。若原刀架为自动转位刀架，则可以山微机控制自动转换刀具，否则仍山手动转动刀架。如需加工螺纹，则要在主轴外端或其他适当位置安装一个脉冲发生器来检测主轴转位，

8、用它发出的脉冲来保证主轴旋转运动与纵向进给运动的相互关系。这种改造方案成本较低。但是，为了保证加工精度，还需根据实际悄况进行检修，才能保证控制精度。原有机床运动部件（包括导轨、丝杠副等）安装质量的好坏，直接影响阻力和阻力矩的大小，应尽量减小阻力（力矩），以提高步进电机驱动力矩的效率。对丝杠及轴要提高其直线度 , 导轨圧板及螺母的预紧力都要调得合适。为减少导轨副的摩擦阻力可改换成滚动导轨副或采用镶塑料导轨。根据阻力（力矩），切削用量的大小及机床型号的不同，应通过计 ?算，选用与之相匹配的步进电机。如果选用步进电机的最大静转矩过大，价格就贵，机电一体化改造的成本就高，且对用户来说，在使用中，始终用

9、不到那么大的驱动能力，也是一个浪费； 如果选得过小， 在使用中很可能因各种原因而使切削阻力突然增大，驱动能力不够，将会引起丢步现象的产生，造成加工误差。因此，必须对执行元件进行匹配选择。对加工精度较高的机床，其进给丝杠应换成滚珠丝杠副。3、微机控制系统方案的确定(1)、微机控制系统的总体组成数控部分釆用mcs-51 系列单片机控制，其典型代表有8031、8051、8075 等, 其中8031 的价格低，功能强，使用灵活等特点，比较适用于一般机床的数控改造，但曲于其无内存，必须外接存储及i/o 扩展芯片才可以成为一个较简单的微机控制系统。存储芯片的选择依据系统控制程序的大小及cpu 的字长， i

10、/o 扩展芯片的个数根据整个系统需要的i/o 通道的个数来确定。(2)、软硬件任务合理分配涉及软、硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生与脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。上述三个都可以用砖用硬件芯片实现，也可用软件编程实现。用硬件实现，编程时比较简单，但同时增加了硬件成本及故障源。用软件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软、硬件方面的实际经验及能力。汁算与说明主要结果三、机床传动部分的改造(-) 系统负载的确定1、 确定系统脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床采用的脉冲当量是0

11、.010.005mm/脉冲，此次改造的ca6140车床在纵向的脉冲当量取0.01mm/脉冲。2、 切削力计算用经验公式计算主切削力对于车床的主切削力纵切：fz=0.67(n) dmax一一车床床身上加工最大直径(mm) fz=0.67x40015=5360 (n) 按比例分别求出分力fx和fy, 由fz： fx： fy,= l： 0.25： 0.4 fx走刀方向f切深抗力得：fx=0.25x5360=1340 (n) fy=0.4x5360=2144 (n) 作用在进给拖板上的载荷可按下列式子求出：拖板上进给方向载荷：f = fx = i34o(n) 拖板上垂直方向载荷：pv = 5630()

12、 拖板上横向方向载荷：f= f =2144(n) ( 二) 滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型1、 计算进给率引力fm( 最大工作载荷 )fm=kfx+广( 代，+g) 根据设计任务要求，查表34机电一体化专业课程设计指导书，选综合型导轨，其k=1.15,摩擦系数f=0.16,工作台重fig=800(n), 则：fm= 1.15x1340+0.16x (5360+800) =2526.6 (n) 2、 计算最大动载荷c f(?=zfwfhfm其中：: n为丝杠转速(r/min) .n;必为最大切削力条件下的进给速度(m/min), 可取最高进给速度的1/2-1/3,取vs=0.6/3=0.2 (

13、nvmin); fz=5360 (n) 21340 (n) fv=2144 (n) fm=2526.6 (n) lo为丝杠的导程(mm); t为使用寿命(h), 对于数控机车t=15oooh; fw为运转系数，査表3-5机电一体化专业课程设计指导书取恥1.3；取硬度52.5hrc, 为硬度系数，取f=1.35。考虑到丝杠对加工精度和经济性的影响,lo应优先取4、6、8 (mm) 系列：(1)选基本导程l()=4mm,则：1000v 1000 x0.2 纟幺杠转速n- - -50 (r/min) 厶4 60/zt 60 x50 x15000 寿命l=一 = - : - =45 106 106最大

14、动载荷：严讴尸1尸沪2石x 1.3x1.35x2526.6=15772 (n) (2)选基本导程lo=6mm,则：1 匕1000 x0.2 100, 、纟幺杠转速n= - =- = (r/nnn) 厶6 3 100 5 丁60 x - x 15000 寿命0仁3 =30 106 106最大动载荷：fc2=vlfwfhfm=v30 x 1.3x 1.35x2526.6=13778 (n) (3)选基本导程lo=8mm,则：swr 100 k 1000 x0.2 ?、纟幺 *丄转速n= - = - =25 (r/min) 4 8 才人f60nt 60 x25x15000 _ u atw l= :

15、= - =22.5 106 106最大动载荷：/3 = vrfwfnfin=v22?5 xi.3x 1.35x2526.6=12518(n) 考虑到工作要求，外循环插管式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副结构简单，工艺性好，安装尺寸小，刚度高等优点可以满足车床改造要求，故选汉江机床厂c1型滚珠丝杠。査机电一体化技术手册表7.2-13得相应的额定动载荷c“滚珠绞杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应满足fqc “ 。查表，选择以下验算：?i=15772 (n) 2=13778 (n) 3 = 12518 (n) 当厶=4mm时，伦严15772 (n),表中额定动载荷显示：ca故基本导程厶 =4mm的滚珠丝杠不

16、符合使用要求。当4 = 6mm时，2=13778 (n)。符合滚珠丝杠系列代号4006-2.5,公称直径 =40,螺旋角0 = 2 44 ,滚珠直径db =3.969 列数x|卷| 数=1x2.5, c “=16083n当厶=8“时，3 = 12518 (n)符合滚珠丝杠系列代号4008-2.5,公称直径 =40,螺旋角0=3 38,滚珠直径心=4.763 列数x 圈数=1 x 2.5, ca =20202n 3、传动效率计算tan a 7 tan(2 + (p)式：2一一丝?杠螺旋升角，由arctan?/衣/()算得。(p一一摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004淇摩擦角约

17、等于10；要求0.9满足设计要求。片、a = arc tan - 加0 p, 一丝杠基本导程，ph = s心一一丝杠公称直径则滚珠丝 ?杠副的摩擦角0= 10=0.167 当lo = 6 时，因为q 0.9满足要求；当厶o = 8 时，p8 a = arc tan = arc tan - = 3.644 矶3.14x40 tan 3.644 = - n- = 0 956 tan(3.644+0.167 ) =0.9560.9满足要求。4、刚度验算1)丝杠的拉伸或压缩变形疑话廿土恥土血es 2对 e式中斥” 一丝杠的最大工作载荷，单位为n：“丝杠两端支承间的距离，单位为mm：e- 丝杠材料的弹性

18、模量，钢的e-2.1x 1o m ；s - 丝杠按底径厶确泄的截而积，单位为m - 转矩, 单位为n ? mm :i - 丝杠按底径厶确宦的截而积惯性矩(/- 加/ ；/64), j 单位为其中，“ +”号用于拉伸，“一”用于压缩。由于转矩m般较小，式中第2项在计算式町酌情忽略。当l0=6mm 时，f a4 =一。取1185mm 1es4 lo = 6时7； =0.9420.9 满足要求lo = 8劝时;=0.9560.9 满 足要求d，-do+2e 2r d0一丝杠的公称直径，偏心距，r螺纹滚道的半径。r = 0.52心=0.52 x 3.969 = 2.064 0 = （/?-d”/2 ）

19、sin 0 = （2.064-3.969/2） x sin 459=0.0795x0.707 = 0.056mm故厶=40 + 2x0.056-2x2.064 =35.984 沏2 c3.14x35.9842ima心2s = - = - = 1016.456 nun4 4 恥一2526.6x1185 _0014es 2.1x10 x1016.456 若两端采用角接触球轴承，且丝杠由进行了预紧，预紧力为最大工作载荷的1/3时，其拉伸刚度可比一端固泄的丝杠提高4倍，其实际变形量为:5 = l = 0.00351 4 2）滚珠与螺纹滚道间接触变形久mm （此项在总变形量中也占比较大的比重）有预紧时：

20、-0.0013 ._ 如 _ 10vdlvzf/10 式中：dw-滚珠直径，单位为和：z.滚珠总数量，z.-zx圈数x列数：z - 单圈滚珠数，z-7h1q/dw（外循环），z = （/0/db.）-3 （内循环）fyj预紧力，单位为n。z：一圈的滚珠数（外循环）r 叽 3.14x40 八uz = - = 31.645 取z=32 dh3.969 =0.00351 (mm) zz =zxlx2.5 = 80 fm = 2526.62 fyj =/3 = 842.2at j,-0.0013 ? ? 0*0/10 _ 0.0013 , _ - 0.00256 10y3.969 x 842.2 x

21、802/10 当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，值可减少一半，即：j2 =0.00128 3)刚度验算线杠的总变形量 =禹+6。一般总变形量不应大于机床规左的精度一半。? = =0.0048 fm故丝杠不失稳四、电动机的选择计算(-) 减速比的确定n 1减速比为：i- b o360乙式中：巧 , 为脉冲当疑(mm/plus):厶, 为滚珠丝杆的基本导程(nim)., 步进电机的步距角由系统的泄位精度要求可确定系统的脉冲当量为：jo.olmnvplus 初选三相异步电动机：根据经济性要求，采用三相六舶工作方式的步进电机，步距角为耳 ,=0.75。i=0.75x 8/(360

22、x0.01)=1.67 ( 二)齿轮传动的确從1、传动链的级数和各级传动比的选择对于数控机车的齿轮传动，应采用设计、结构和工艺均较简单，而且易获得髙精度的平行轴渐开线圆柱齿轮传动。通常，齿轮传动链的传动级数少一些比较好，因为可以减少零部件的数目，简化传动链的结构，并且可以提高传动精度，减少空程误差，有利于提奇传动效率。同时/? ：+/ = 1.25较小，故在此选用圆柱直齿轮单级传动。一般模数取m=l2,数控车取m=2。齿轮宽b=(36)m,为了消除齿侧隙，宽度可加大到(6-10) m. z, 17,取z1=30, m=2,则山=陀)=2 x 30 = 60(劝 )dax = d、+ 2m =

23、60 + 2x2 = 64(/n/n) 门=4 一1.25inx2 = 60-1.25x2x2 = 55(nun)勺=(6 10)nvn取勺=10mm丝杠不失稳。z2 =z|/= 30 x1.67 = 50.1 a 51 d2 =/nz2 =2x51 = 102 (mm)dal = d2 + 2m = 102 +2x2 = 106(”)dr = d2 -1.25/7?x2 = 102 1.25 x 2 x 2 = 97 (mm)? = (6 10)劲取爲 =smm中心距a = - = - = 8 (mm)2 2 选小齿轮齿数勺=30,小齿轮的齿宽度/7, = 0iwn , 大齿轮齿数z2=51

24、,大齿轮的齿宽度b2 = smm 0对斜齿圆柱齿轮采用轴向垫片调整法，修正或改变轴向凋整垫片的厚度以减少侧隙，但不能自动补偿齿隙。( 三) 步进电机的计算和选用1、转动惯量的计算(1)齿轮、轴、丝杆等圆柱体惯量计算j - w - md -o.78d4lxlo-3(-c/n2) 2 8 m-圆柱体质量(kg) d - 圆柱体直径(cm) l-圆柱体长度或圆度(cm) 滚珠丝杆的转动惯量为人=0.78 x 44 x 118 ?5 x 10 = 23 .66kg cm2齿轮的转动惯量为厶=0.78 x64xlx ict，= 1 ?01kg ?cm2jz2 = 0.78 x 10.24 x0.8x 1

25、03 = 6.75kg avr查表3.11机电一体化系统设汁，因为选用电机限左工作方式的是三相六拍 , 步距角为q = 0.75 ?故符合的是：110bf003和110bf004。电机的转动惯量分别为：110bf003:血=46.1 xl(tkg2=4?61kg?c 110bf004：j亦=34?3x 10rg?r = 3a3kg-cm2可=30 / = 60/wn d(a = 64/77/7? dfl = 55mm勺=0mmz2d2 = 102 nun dal = 106” d fl = 97 mm ? = smmj a = 8 mmjs = 23.66 (kg.cm2)(3)传动系统折算到

26、电机轴上的转动惯量/ 垃和制 +护停由于: 丿* = (￥) ? x 产 + 丿z1 + ( 厶2 + js0.8 ? 800 30 乍，30 少=( - )2 x x ( )2 +1.01 + (6.75 + 25?96)()2 2x3.14 10 51 51 = 2.7 skg.cm1式中：i-系统总的减速比j, - 各转动体的转动惯fi(kg.cm2) ni各转动体的转速(r/min)nk - -电机的转速(r/min)jm电机的转动惯量(kg.cm2) (4)系统总的转动惯疑jz1 =jf +人| =12.78 + 4.61 =17.39細?$jz2 =7f +j；i2 =12.78+

27、 3.43 = 16.21-c/n22、电机力矩的计算主要考虑快速空载起动时所需力矩m起和最大切削负载时所需(2)工作台折算到丝杆的转动惯量jl)2 =( jk)22m g 2兀 gv工作台移动速度(cm/min) n丝杆转速(r/min) g-工作台的重m(n) g- 重力加速度(lom/s?) 厶丝杆导程(cm)0.8 2x3.14 )x 800 to 109 g?c 人=101 kg cmj., =6.75 kg cmjio.19 kg.cm2ja =12.78 kg.cm2力矩m切。必起=mwx + mf+m m：# =mf +mo+m, 电机的启动负载7；=maxm世(1)空载起动时

28、折算到电机轴上的加速度力矩mamax- jt.如叫沪fl msxl 乙1 60/ a一几/ 勿max。 “mx z. 60ra式中：h-传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量(kg.cm?) 叫皿运动部件最大快进速度(mm/niin) max = 2.4(m/ min) = 2.4x 103(znm / min) max - 电机最大转速(r/min) /zmax -汕x 味2 4x1 3 x 55 - 500(r/min) % 360 0.01 360 ta运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需时间(s) ta = 30/775 综上有电机轴上的加速度力矩：m “maxi=303?36n5

29、 皿2=282 力ns (2)摩擦力矩m/ m 厂 厶)(ms?)2mi当使用110bf003 电机jz1= 17.39 kg-cm2当使用110bf004 电机jp = 16.21 kg-cm2式中：血导轨的摩擦力（n）%-f（f_+g）f-垂直方向的切削力（n） f5360n g-运动部件的总重量（n）g-800n fl-导轨摩擦系数/y-0.16 i_齿轮总减速比i-1.67 t传动链总效率，一般可取一0.7 0.85 7/-o.8 “0?16x（800+5360）x0.8 心则有：m f = - - = 93.98n cmf 2x3.14x0.8x1.67 （3）附加摩擦力矩? 6（】

30、- 加）2 7777 z 式中：?（）- 滚珠丝杆预加负载（n）, 般取工作载荷的 % o=|=842.2a 厶- 滚珠丝杆导程（cm）厶）=0.8c/?z % -滚珠幺幺杆未预紧时的传动效率，一般取770 0.9 。=0.9 则有：. 842.2x0.8 厶八&、 y 2m（）=- x（l 0.9） = 15.26n ? cm2x3.14xo.8xl.67 （4）折算到电机轴上的切削负载力矩m, 陆/ 厶2mi式中：f,-进给方向最大切削力（n）疗一巧134on 当使用110bf003 电机仏唤产303.36 n cm当使用110bf004 电机3x2=282.77 n cm=93.

31、98 n?cm“1340 x0.8 m. = - = 127.77n ?an2x3.14x0.8xl.67 快速空载起动时所需力矩m也=mflmaxl + m ,? + = 303.36 + 93.98 + 15.26 =412.6n -cmm 起2 = m max2 + f + m（）=282.77 + 93.98 + 15.26 = 392.01n ? cm最大切削负载时所需力矩m .j = m 彳+ a/（）+ m r= 93.98 + 15.26 + 127.77 = 237.01/v-c/h在m起、m切两种力矩中取大者为选择步进电机的依据。对于大多数数控机床来说，因为要保证一上的动态

32、性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。3、步进电机的选择（1）首先根据最大静态转矩m/max初选电机的型号步进电机的起动转矩m “= maxmz，a/切 ：由m起m切，所以m沪m起尸412.6（n.c加）旳如二耐起2= 392.01 （n.c?）电机的起动力矩与最大静态转矩之间具有以下关系，见机电m “一体化专业课程设计指导书表3-10）： 2 = 一 ，（因电机工作方式为三相六拍，故取2=0.866）查表3.11机电一体化系统设计，110bf003： mjmaxi =784n

33、.cm 110bf004： mjmax2 = 4907v.cw =15.26 n cmm, =127.77 n?cm当使用110bf003 电机m 起| =412.6 n-cm当使用110bf004 电机m二392.01 n cm叫=412.6=0 53 784 叽2 =392.01 =0 8 一mgm 490 因为2,22 0.866 ,所以型号为110bf003 和110bf004 均符合要求，但是，型号为110bf003的步进电机更符合要求，因为右= 0.53,裕度较大；且110bf003的最大静态转矩比110bf004的 大，静态转矩越大， 自锁力矩越大， 静态误差就越小。 故选型号为

34、110bf003的三相六拍的步进电机。（2）计算电机的工作效率1）最大空载起动频率齐=囂人皿式中：vmax-为运动部件最大快速进给速度（nvmin ）, vmax = 2.4/?/nin 故：a = 1000 x2.4 = 60 x0.01 办v/max = 7000加满足要求2）切削时的最大工作频率;：y 式中：v,为最大切削进给速度（n”min）vs = 0.6m / min 斗1000 x0.6 （csu、故：f = - = 1000 hz）f 60 x0.01 由上述计算可知：系统要求的空载起动转矩频率要大于电机的空载起动频率1500hz.且很难找到空载起动频率满足要求的电机型号，可以

35、采用调压起动等方式起动电机使电机的空载起动频率满足要求；而电机运行频率7000hz可以满足系统要求。（2）校核步进电机1）校核步进电机转矩和惯量的匹配条件为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速度，通常推荐：ml 0.5或j, 4 mjnzx 儿初选型号为110bf003的三相六拍的步进电机式中：m论 - 步进电机的最大静态转矩(n.cm),见电机一体化系统设计表3-11得：m-maxl = 784n.c” (110bf003) m2 =490m ”(h0bf004) ml- 传动系统折算到电机轴上的负载转矩(n.m)：mz = m 诃=237.01n .c tnjm- 步进电机转子的转

36、动惯量(kg.m?),见电机一体化系统设计表3-11得：jm/1= 4.6 r (110bf003) j,l2= 3a3kg m( 110bf004) jl - 传动系统折算到步进电机转子上的等效转动惯量(r), 7t= 13 r。m l237.01 c = l一一0.302 0.5 m/m汰784 鱼=- = 2.82v4 几4.61 故所选步进电机110bf003具有良好的起动能力及较快的响应速度，满足要求。j= rml237.01 _04805mg2 490 jl - 13 -3.79 巴6 =0 和p2.5 =0 时为0000h 2.7 p26 =0和人， t 时为3fffh 2?芯片

37、6264地址范用6000h7fffh需要12个引脚。c b / 2.7 .6 马.5 &4 01心0 1 1 1 - 0 0 0 1 1 1 - 1 1 查表4?6 , 74ls138功能表可知cb为0 1时，选巧脚3.8155和8255地址范围cb控制方式有2、4种，为c b 0 0 石27128 0 1 f? 6264 1 o 1 1拆00为27128所采用，01为6264所才采用，则8155和8255在10和11中选一个即可，现8155采用10对应8255采用11对应可，所以8155地址范帀为8000h-bfffh , 8255地址范圉为coooh-ffffho （八）驱动电路设

38、计根据所选的110bf003型电机有1、确定步进电机运行频率（1）确定步进电机最大转速参 数相数步距角（c。）电/f 电流ia最大 静转 矩inm空载起动频率4步川空载运行频率伽）电 感倆）电阻/q 分 配方 式110b f003 3 0 75 8 0 6 7?84 1500 7000 35 ?5 0 37 3s相6拍丝杆的转速为：灯 =冷9 = 75 （r/min ）其中叫wc为工作厶8台的最大切削速度7 51 步进电机的最大转速为：nmax = x = 75 x = 127.5r/niii 乙30 （2）确泄英运行频率fy步进电机采用三相六拍方式的控制脉冲人一6hmax-6x127,5 -

39、1020(/7z) 0h0.752、驱动回路的时间常数采用三相六拍方式的控制脉冲。每相工作三拍改变依次通电状态，但为了每一拍都能正常工作，每拍脉冲宽度的% 时间电流上升至额定电流的60%,即i = 0.61 , =0.6x6 = 3.6(a) 负载回路的时间常数为：r, = lm /r = 0.0355/0.37 = 95.9(?s) vxl000_0.6xl000_1(x)()(y j. x60 0.01x60 因此ti?/fy=ms式中：l- 步进电机一相绕组的平均电感疑；rm一一 - 通电回路的电阻。l和由机电一体化系统设汁( 表3-11反应式步进电机技术性能数据) 。3、若选用线路简单

40、的串联电阻法改善静电流上升沿，義时间常数为：廿厶/( 心w)则：/?(=(l-r,/?)/rf其中：ti = ims所以rq= (0.0355 -1x io x0.37)/1 x io-3 = 35.13(q)需要串联如此大的电阻，在该电阻上损失的功率为1.26kw显然 很不合理，所以采用双电源电路。4、 髙压电源电压的确定电机每相工作三拍改变一次通电状态，设要求在控制脉冲% 宽 度时间内相电流达到额立电流的60%,这个时间也就是高压电源工作时间，即单稳翻转时间，其值为： =2/3人=2/(3x1000) = 0.667 伽)高电压电源电压eh=irm /(1 - 严)=3.6x0.37/(1

41、-667/959)= 192.2 ?192(v)?max = 127.5 r/min fy二1020hz 5、元件的确定bu cmbu beo【cbou ces150 150 310 2 %h “；1cnp18 3000 10 80 150 （1）为了使电路简单、紧凑，功率放大t1和t2选用复合管2sd851（2）确定/?2和尺3从7；和匚性能数据知，负载电流人=6,基极电流为 : ib = i, /hfg = 6/3000 = 2（出）式中：hr- 电路放大倍数因此等效输入电阻为：心=% 仏=8/2 = 4（畑）光耦合器选用：g0102光耦合器光敏三极管的输入等效电路见下图：从等效电路可得：

42、ir讦 u=8.0】c r产en-ube=72选择耦合器输入电流/,-=10ma （最大的电流为50ma）,电流传输比c7zf=30%：i c =/icjj? = 10 x 30%=3ma &）= 35.130 采用双电源电路tb二0.667 伽)en =192(v) t1 和 t2 选用复合管 2sd851 ih =2(ma)光耦合器选用解上述方程组得：r；=8k0：r2 = 24kq. o(3)确定&前而已选泄耦合器输入电流/,=10ma.可得到光耦合器输入正向压降为1.3v,所以&= (51.3) =3706 (4)确定尺j，& a,若使电流上升沿陡，希望

43、t2工作于饱和状态 (实际还没有达到饱和电流，单稳已翻转成低电平)。首先确左基极电流仆2。负载的平均阻抗：|z|? efl/n =80/6=1330b.t2的饱和电流：/ “2)= eh -2uces - un)/|z| =(192-2x2-80) /13 u8.31a t2基极电流应为：=8.31/3000 =2.77ma 光耦合器输入电流为100ma,所以：光耦合器输出电流：a2 = a sh=10 x 33% =3.3ma 因此：a% 3.3277 =0.53 ma c,求 sj (0点电位 )在期间0ttb, uq是变化的 , 变化范围近似为eh -2至eh-en,计算时取平均值：uq

44、= (e一2) + ( ehe, ) /2 g0102 r, = 8kc r=24kg&二370c =(192-2 ) + (192-80) /2 = 151v t2的等效输入电阻为：= u bej 1b2=8/0.35x10刁=22.86kq r& = % “6=8/ 0.53 x 10“ a 15.09 kg r$=(u” - uces“0)c2 =(192-2-151) /3.3x 10= 11.82kq d,确泄r9为提供给单稳和驱动门足够输入电流(各5ma),所以：r9=500q e,选择di, d2选用2cz13a硅整流二极管f,单稳态多谐振荡器74221翻转时间的

45、确建当单稳74221的“淸除端”加髙电平a端加低电平时，b端正 跃变可使单稳的q端从低电平变成高电平，经过一段时间自动翻转成低电平，恢复到稳左状态，q端输入一个脉冲，脉冲宽度由外电阻/? 卩( 取10kq)和决定，即：t? = rr cx ln2 则：cx=tb/(ln2/?r ) =0.667x 103/ (ln2 x lox 103 ) =0.096 “ f 74221为双单端多谐振荡器, 步进电机需用3片74221。/?r=10kq cx =0. 096 p f 六、微机控制系统软件设计(-) 模块组成本程序主要山如下模块组成：k主模块用于系统初始化和监控；其中初始化包括8155 初始化

46、、缓冲区清零、定时/ 计数常数的设置、开中断等处理；监控主要判断是否有命令按下，并根据命令调用相应的子程序模块。主模块流程图如下；根据键盘功能键的设定，相应的子程序模块包括“一j “一= “ “i ”各个命令及“暂停”命令处理模块。这里设定一标志，其作用是反映xy 工作台的当前运动方向。标志位为内部ram 区的 2bh ,其定义如下：2bh 单元值当前运动方向(2b)二 01h - +x (2b)二 02h - -x (2b)二 03h t +z (2b)二 04h 1 -z (2b)二 00h 初始时为 00h 2、子程序模块使用暂停键“ stop ”子模块，暂停键功能是暂时使xy 工作台停

47、止移动，因此只需停止步进脉冲信号即可。本模块的主要功能是当xy 工作台移动越出边界时进行应急处理，停止一切正常工作，山复位重新使系统处于正常工作状态。报警用红灯亮指示。4、实时修改显示缓冲区数据模块根据键盘的接口电路，可以用编程扫描方式和定时扫描方式。这里选择后一种，用定时中断模块同时完成键盘和显示的扫描。对于键盘扫描，应该解决去抖动问题，一般调用延时 10ms 左右来实现，而对于显示扫描，为保证多位同时显示而无闪烁，应使扫描频率高于 oohzo 设定定时时间为3ms,即每隔 3ms中断 1 次，修改一次显示位，每位显示的点亮时间是3ms,扫描一遍共需5x3 二 15ms, 扫描频率约64hz

48、,高于 50hzo键盘釆用每隔3x3 二 9ms 扫描一次，其目的是消除键盘抖动。设置一标志位, 其地址为内存 ram30h 单元，用于计数中断次数，当其等于3时，正好隔9ms, 马上查询键盘。另外还应设一标志位，用以标志连续两次查询到按键值是否一样, 其地址为 31h,定义如下：(31h)二 1,表明上次查询有键按下；(31h)二 0,则为 无键按下。只要当上次有键按下，且隔9ms后再次查询有同一键按下时，才能确认有键按下，否则均视为误动作，不予理睬。5、键盘、显示定时扫描管理模块本模块采用中断方式，其作用是通过对8155 定时 / 计数的输出信号，也即对步进脉3、越界报、急停处理模块冲进行计数，来修改显示缓冲区中工作台当前