十字滑台系统设计

1、机电一体化课程设计重庆理工大学- 0 -机电一体化课程设计X-Y 水平十字滑台说明书班级：学号：专业： 机械设计制造及其自动化姓名：教师：时间： 2015 年 6 月 22 日 -7 月 10 日目录一、设计目的 1二、设计任务 2三、总体方案的确定 31、机械传动部件的选择 32、控制系统的设计 4四、机械传动部件的计算与选型 41、导轨上移动部件的重量估算 42、铣削力的计算 43、直线滚动导轨副的计算与选型 74、滚珠丝杠螺母副的计算与选型 95、步进电动机减速箱的选用 136、步进电动机的计算与选型 137、增量式旋转编码器的选用 198、步进电机驱动器的选择 199、联轴器的选择 2

2、1五、工作台机械装配图的绘制 22六、工作台控制系统的设计 22七、十字滑台运动控制程序的编制 22八、结语 25参考文献 26机电一体化课程设计一、设计目的课程设计是一个重要的时间性教学环节， 要求学生综合的运用所学的理论知识， 独立进 行设计训练，主要目的：1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其思想知识， 学习总体的方案拟定，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的工作原理、设计计算 及选用的方式3、培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想4、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能

3、力二、设计任务1、设计题目X-Y 数控工作台机电系统设计2、任务设计一种供立式数控铣床使用的 X-Y 数控工作台。要求可以设定工作台的运动 速度，实现正向 / 反向点动、正向 / 反向连续运动、启动、停止、急停、软硬限位等 功能。3、主要设计参数1. 立铣刀最大直径 d=16mm2. 立铣刀齿数 Z=33. 最大铣削宽度 ac=10mm4. 最大铣削深度 ap=8mm5. 加工材料为碳素钢6. X， Y 方向的脉冲当量都为 0.01mm/脉冲7. X， Y 方向的定位精度都为± 0.02mm8. 工作台面尺寸为 350mm× 350mm,加工范围为 450mm×4

4、50mm9. X,Y 方向工作台空载最快移动速度都为 2500mm/min10. X， Y 方向工作台进给速度都为 400mm/min三、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 （ x y 0.01mm/ p），定位 精度高（ vxmaxf vymaxf 400mm/ min ），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。（2）丝杠螺母副的选用 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， 要满足 0.01mm的脉冲

5、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。（3）减速装置的选用拟采用减速器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。伺服电机选步 进电机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2500mm/min。因此，本设计

6、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， 可 以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。检测装置的选 用：增量式旋转 编码器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

7、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。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，所以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MPC2810 运动控制卡，应该能够满足任务书给定的相关指标。控制器选：MPC2810 运动 控制卡（3）要设计一台完整的控制系统，在选择运动控制卡之后，还需要转接板作为与其他电器 元件连接的枢纽。需要转接板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

8、行设计步进电机驱动电源整体方案设计系统总体方案图四、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：硬质合金铣刀铣削力的计算公式（单位N） 316铣刀类型工件材料铣削力公式面铣刀碳钢Fc11278a1e.06 fz0.88d 1.3ap0.90n 0.18Zc e z p灰铸铁1.0 0.74 1.0 0.90Fc

9、539ae1.0 f z0.74d 1.0a0p.90Z可锻铸铁1.1 0.75 1.3 1.0 0.20Fc4825a1e.1 fz0.75d 1.3 a1p.0 n 0.20Z圆柱铣刀碳钢0.88 0.75 0.87 1.0Fc 1000aefz dap Z灰铸铁0.9 0.80 0.90 1.0Fc596ae0.9 f z0.80d 0.90 a1p.0 Z三面刃铣刀碳钢0.9 0.80 1.1 1.1 0.1Fc 2560ae fz d ap n Z两面刃铣刀Fc 2746ae0.8 fz0.70d 1.1ap0.85Z立铣刀Fc 118ae0.85 f z0.75d 0.73a1p.

10、0n 0.13Z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。0.85 0.75 0.73 1.0 0.13Fc 118ae f z dap n Z（2-1）30图 2-1 铣削用量说明，齿数 Z=3 ，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大若铣刀直径 d=16mm铣削宽度 ae=10mm ，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：Fc 118 10

11、0.85 0.10.75 16 0.73 81.0 3000.13 3 989N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Ff / Fc0.3 0.40.6 0.90.150.3ae=(0.40.8)d/mmFe / Fc0.85 0.950.45 0.700.91.0fz=(0.10.2)/(mm.z -1)Ffn / Fc0.50 0.550.50 0.550.5 0.55圆柱铣削Ff / Fc1.0 1.20.80.9ae=0.05 d/mmFfn / Fc0.2 0.30.750.8fz=(0.10

12、.2)/(mm.z -1)Fe / Fc0.350.40.325 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：Ff 1.1Fc 1088NFe 0.38Fc 376NFfn 0.25Fc 247NFz=376N 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=376N ，受到水平 Fx=1088N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Fy=247N方向），则纵向铣削力Fx=Ff=1088N，径向铣削力 Fy=Ffn=247

13、N 。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：FmG ax F4(2-2)其中，移动部件重量 G=900N ，外加载荷 F=FZ=376N ，代入式 2-2得最大工作载荷F G FFmaxF49004376601N0.601kN查表 3-41【 3】48，根据工作载荷 Fmax=0.609kN ，初选直线滚动导轨副的型号为ZL 系列的JSA-LG15 型

14、，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 350mm×350mm ，加工范围为450mm× 450mm ，考虑工作行程查表应留有一定余量，3-35345 ，按标准系列，选取导轨长度为820mm.导轨副的型表 3-35 JSA 型导轨长度系列号 :ZL 系 列 的JSA-LG15 型导轨型号导轨长度系JSA-LG15280340400460520580640700760820940导轨长度为820mmJSA-LG20340400520580640760820940100011201240JSA-LG254606408001

15、0001240136014801600184019603000JSA-LG3552060084010001080124014801720220024403000JSA-LG4555065750850950125014501850205025503000JSA-LG5566078090010201260138015001980222027003000JSA-LG65820970112012701420157017202020232027703000(2) 距离额定寿命 L 的计算 上述选取的 ZL 系列 JSA-LG15 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

16、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 )50555864fH0.530.81.0表 2-5 温度系数工作温度 /<100100150150200200250fT1.000.900.730.60表 2-6 接触系数每根导轨上滑块数12345fC1.000.810.720.660.61表 2-7 精度系数精度等级2345fR1.1.00.90.9距离寿命为 180km 远 大 于 期望值 50km ， 故距离额定寿 命满足要求表 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

17、， 速 度 为 15 60m/min有外部冲击或振动的高速场合，速度大于 60m/minfW11.51.5223.5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。3fH fT fC fR Ca50max2-3)L 1.0 1.00 0.81 0.9 7.94 即 1.5 0.601 结论：所选导轨的距离寿命远大于期望值350 12658km km50km ，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

18、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矩形导轨Fm KF x(Fz Fy G)1.10.15燕尾导轨Fm KFx(Fz 2Fy G)1.40.2三角形或综合导轨Fm KFx(Fz G)1.150.150. 8最大工作载荷： 注：表中摩擦因数均为滑动导轨。 对于贴塑导轨 =0.03 0.

19、05，滚动导轨 =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Fm 1204N重力，单位为 N； K 为颠覆力矩影响系数；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 =0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： 、Fm KFx （Fz Fy G） 1.1 1088 0.005 247 376 900 1204N（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=400mm/min ，初选丝杠导

20、程 Ph=4mm ，则此 时丝杠转速 n=v/Ph=100r/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=90（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】382-4)即： FQ 3 90 1.2 1.0 1204 6475N最大动载荷FQ=6475N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=500010000h ，数控机床及一般机电设备取 T=1

21、5000h ； 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1.01.2中等冲击1.21.5较大冲击或振动1.52.53）初选型号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 GD 系列 2504-4精密丝杠制造有限公司生产的

22、GD系列 2504-4型滚珠丝杠副， 为内循环固定反向器单螺母式， 型滚珠丝杠副 其公称直径为 25mm，导程为 4mm，循环滚珠为 3圈×2 列，精度等级取 5 级，额定动载荷 为 7674N ，大于 FQ，满足要求。4）传动效率的计算94.8%>90%，合格。2 54将摩擦角10代入tan / tantan 2.91/ tan(2.9110 / 60)94.8% ，得传动效率94.8% 。将公称直径 d0=25mm ，导程 Ph=4mm ，代入arctan Ph /（ d0） ，得丝杠螺旋升角效率要求大于 90% ，该丝杠副合格。(5)刚度的验算1)X-Y 工作台上下两层滚

23、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=2.381mm ，丝杠底径 d2=22.1mm ，丝杠截22面积 Sd22 / 4 383.6mm2 。丝杠的拉伸或压缩变形量 1 在总变形量中的比重较大，可按下式计算：1Fma Ma 2(2-5)3411ES 2 IE式中： Fm丝杠的最大工作载荷，单位为Na丝杠两端支承间的距离，单位为mmE丝杠材料的弹性模量，钢的E=2.1× 105MPaS丝杠按底径 d2 确定的

24、截面积，单位为 mm2M 转矩，单位为 N· mmI丝杠按底径 d2确定的截面积惯性矩( Id24 / 64 )，单位为 mm4滚珠与螺纹滚道间的接粗变形量 21 Fm 2无预紧时2 0.00383m (2-6)3412 D 10Z有预紧时2 0.0013Fm 2 (2-7)341103 DwFYJZ2 /10式中 DW 滚珠直径， mmZ滚珠总数量， Z=Z ×圈数×列数Z单圈滚珠数， Zd0 / Dw (外循环)， Zd0/DW 3(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 =0.0124m

25、mFma1204550即 1m50.0113mm1ES2.1 105383.62）根据公式 Zd0 /DW 3，求得单圈滚珠数 Z=30 ；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为 3× 2，代入公式： Z=Z×圈数×列数，得滚珠总数量 Z=180。丝杠预紧时， 取轴向预紧力 FYJ=Fm/3=1204/3 401N。则由式 2-7 ，滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2F 12042 0.0013 m 0.0013 0.0011mm103 DwFYJZ2 /10103 2.381 401 1802 /10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

26、可减小一半， 2=0.00055mm 。3）将以上算出的 1 和2 代入1 2 0.0113 0.00055 11.90 m 。丝杠的有效行程为 528mm ，由表 3-27【3】35知，5 级精度滚珠丝杠有效行程在 500 630mm 时，行程偏差允许达到 32 m，可见丝杠刚度足够。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：f k 2EIKa22-8)3】 42式中 Fk 临界载荷，单位 Nfk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

27、 。方式双推-自由双推 -简支双推 -双推单推 -单推fk0.25241表 2-11 丝杠支承系数 【 3】42查表 2-11，取 fk =1；由丝杠底径 d2=16.2mm ，求得截面惯性矩：丝杠刚度足够丝杠不会失稳Id4 / 64 11709.52mm4 ；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 780mm。代入式 2-8，得临界载荷 Fk 13297N ，远大于工作 载荷 Fm=1204N ，故丝杠不会失稳。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已知工作台脉冲当量 =

28、0.01mm/ 脉冲，滚珠丝杠导程 Ph=4mm，初选步进电机步距角iPh0.9 4 1=0.9 °，由公式360 360 0.01 ，传动比为 1 时达不到减速的效果，故本次设计不需要减速器。6、步进电动机的计算与选型（1）初选步进电机的型号1）空载状态下电机转轴所受负载包括三部分，一部分是电动机空载启动时折算到转轴上最 大加速度转矩 Tmax，一部分是移动部件运动时折算到计算机转轴上的摩擦转矩Tf ，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T0 ，T0 相对于 Tt 和 Tf 很小，可以忽略不计。则有：Teq1 Tamax TfT J 1 2 Jeqnm 1Ta

29、max Jeq由公式60ta式中：Jeq步进电动机转轴上的总转动惯量，kg.m2电动机转轴的角加速度， rad/s2nm电动机转速， r/minta电动机加速所用时间， s,一般在 0.31s 之间选取。 （这里取 0.4s） 总效率，取 =0.7nmvmax3602500 0.9360 0.01625r /min式中 vmax 空载最快移动速度，任务书指定为2500mm/min;步进电机步距角，预选电动机为 0.9脉冲当量，任务书指定为 0.01mm/P 由式得40.2599 N ? m11.12 10 4 625TamaxN?m60 0.4 0.7TfFn Ph2i(Fz G)Ph 0.0

30、05 376 900 0.004 0.0058Nm2 i 2 0.7 12-11)电动机转速=625r/min式中 F 摩导轨的摩擦力， N快速空载启动 时折算到电动 机转轴上的最 大加速转矩 =0.2599NmPh滚珠丝杠导程， m总传动效率，取 =0.7i总的传动比， i=nm/ns ，其中 nm 为电动机转速， ns 为丝杠的转速。导轨摩擦因数 （滑动导轨取 0.150.18）,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=02-12)FwFc G移动部件运动 时折算到电动 机转轴上的摩 擦转矩 =0.0058Nm式中： 导轨摩擦因数（滑动

31、导轨取0.150.18） ,滚动导轨取 0.0030.005）；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NFYJPh2T0 2 i 1 0 2 i（ 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；0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取0 0.9由于滚珠丝杠副的传动效率很高，所以 T0 值一般很小，与 Tamax和 Tf 比起来，通常可 以忽略不计。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：Teq1 Tamax Tf T0 Tamax Tf0.2599 0.00

32、58 0.266N ?m考虑到不用减速箱，取减速比 i=1 算步距角360iPh360 1 0.01 0.9所以初选步进电机型号为 产，两相八拍的步距角为110BYG250A 型，为两相混合式， 由杭州日升电气设备有限公司生0.9°。其参数如下表所示：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 =0.266Nm2 查表得该型号电机转子的转动惯量 Jm= 8.4kg ? cmd4lJs 327.85 10 2.5 78 2.35kg ?cm232式中长度单位均为 cm)托板折算到转轴上的总转动惯量JW2Ph 222

33、Ph 2 G mii20.42900 0.37kg ?cm29.8则步进电机转轴上的总转动惯量2Jeq Jm Js Jw 11.12kg.cm2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2Teq2Tt Tf T02-14)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Ff Ph 1088 0.004折算到电动机 转轴上的最大 工作负载转矩 =0.99Nmt 2 i 2 0.7 1（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

34、-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：移动部件运动时折算到电动TFn Ph(Fz G)Ph 0.005 376 9000.0040.007 N ?m机转轴上的摩 擦转矩 =0.007NmTff 2 i 2 i 2 0.7 1则由式 2-14 得：最大工作负载Teq2 Tt Tf T0 Tt Tf 0.997 N gm状态下电动机转轴所承受的综上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：负载转矩T eq2=0.997NmTeq max Teq1,Teq2 0.997Ngm综上计算， 得到 加在步进电动 机转轴上

35、的最 大等效负载转 矩应为： 0.997Nm（ 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：Tj max 4Teq 4 0.997 3.988 N gm步进电机最大上述初选的步进电动机型号为 110BYG250A ，由附件4表4-5 查得该型号电动机的最大静转静转矩满足要 求。矩 Tj max 12.5 N gm 。可见，满足要求。（4）步进电机性能校核1）最快工作速度时电动机

36、输出转矩校核任务书给定工作台最快加工进给速度 vmaxf 400mm / min ，脉冲当量0.01mm/ p ，则电动机对应的运行频率为：max fvmax f60666.67Hz60 0.01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=17Nm ，大于最大工作负载转矩Teq2=0.997Nm ，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 vmax 2500mm / min ，则电动机对应的运行频率为：fmaxvmax60250060 0.014167Hz从图 2-2 查得，在此频率

37、下，电动机的输出转矩 Tmax=9Nm ，大于快速空载启动时的负载转 矩 Teq1=0.266Nm ，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 vmax 2500 mm / min 对应的电动机运行频率可达 4167Hz。查附件 4 表 4-5 可知 110BYG250A 电动机的空载运行频率超过 20000Hz ，可见没有超出上限。最快工作速度 时电动机输出 转矩满足要求。最快空载移动 时电动机输出 转矩校核满足 要求最快空载移动时电动机运行 频率校核满足 要求4）起动频率计算2已知电动机 转轴上的总转动惯量 Jeq 11.12kg.cm ，电动 机转子的转动惯量 2

38、Jm 8.4kg.cm ，电动机转轴不带任何负载时的空载启动频率fq 6000Hz （查附件 4 表4-5）。则可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率：fLfq 3936Hz1 Jeq / Jm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3936Hz。实际上，在采用软件升降频时，启动频率选的更低，通常只有 100Hz 。综上所述，工作台选用 110BYG250A 电动机完全满足设计要求。110BYG250A 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步进电机采用半闭环控制，在电机尾座轴上安装增量式旋转编码器，用于检测步进电 机的转角与转速，电动机步距角

39、 0.9 ，可知电动机转动一转时系统发出 360/0.9=400 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。本例选择编码器型号为 ZLK-A-400-05VO-16H: 盘状空心型，孔径 16mm ，与电动机尾部出轴 相匹配， 电源电压 +5V ，每转输出 400 个 A/B 脉冲，信号为电压输出， 生产厂家为长春光机 数显有限公司。编码器型号为ZLK-A-400-05 VO-16H: 盘状空 心型8、步进电机驱动器的选择本设计选择的步进电机为 110BYG250A 型，生产厂家为杭州日升电气设备有限公司， 根据厂 家推荐其，配套型号的步进电机驱动器为 HB206S 两相

40、混合式步进电机驱动器，其主要参数 及接线图如下所示：步进电机驱动 器选择 HB206S 两相混合式步 进电机驱动器联轴器选择 LK4 十字 滑块 联轴器。9、联轴器的选择 由于十字滑台的工作转速比较低，冲击低，为了提高精度稳定性选用可以补偿微小平行位移 和角位移的十字滑块联轴器， 这里选用广州菱科自动化设备有限公司生产的 LK4 十字滑块联 轴器。五、工作台机械装配图的绘制MPC2810 运动 控制卡作为控 制系统在完成直线滚动导轨副、滚珠丝杠螺母副、步进电机以及旋转编码器的计算与选型后，就可 以着手绘制工作台的装配图了，绘制后的 X-Y 工作台机械装配图见附页装配图。六、工作台控制系统的设计

41、X-Y 工作台的控制系统，按照教师要求，统一选用 MPC2810 运动控制卡作为控制系统， MPC2810 控制卡作为开发运动控制系统的平台，其结构是开放式的。该卡插在 PC机 PCI 扩 展槽内使用，通过转接板与步进电机驱动器、编码器、限位开关等元器件连接，实现对十字 滑台有效的运动控制。其电气接线图见附页。七、十字滑台运动控制程序的编制 本次设计采用 VB 编程，结合运动控制卡的编程指导书，其程序框图及程序编制如下：Option ExplicitDim i As Long Dim k As LongDim j As LongDim a As LongDim m As LongDim p A

42、s LongPrivate Function SetBoard() As Integer '初始化函数Dim Rtn As Integer, i As IntegerRtn = auto_set()'对板卡进行自动设置Rtn = init_boardset_sd_logic 1, 0set_el_logic 1, 0 set_org_logic 1, 0 set_alm_logic 1, 0 End FunctionPrivate Sub a_Change()End SubPrivate Sub axiex_Click()j = 1End SubPrivate Sub axleY_Click()j = 2End SubPrivate Sub GetParam()set_maxspeed j, 2500 set_conspeed j, k End SubPrivate Sub Command1_Click(