机电一体化系统课程设计

1、、刖言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。目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、生产规 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

2、造费用为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。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。由于计算机 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。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 37倍。由于计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”。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”。可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。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。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 成制造系统）等

4、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。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化）， 最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大

5、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1995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1、系统总体改造方案的确定目前，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：一种是以微机为中心设计控制部件；另一种是采 用标

6、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由单片机按照 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，由延时程序控制进给速度。图2-1开环控制系统框图2、机械系统的改造方案的确

7、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M 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，则可以由微机控 制自动转换刀具，否则仍由手动转动刀架。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，用它发出的脉冲来

8、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，还需根据实际情况进行检修，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， 导轨压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 用不到那

9、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采用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，但由于其无内存，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/O扩展芯片

10、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。计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 型数控车床米用的脉冲当量是 0.010.0

11、05mm/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 D盅(N) Dmax车床床身上加工最大直径(mm)F =0.67X400 l5=5360 (N) z按比例分别求出分力Fx和Fy,由 Fz： Fx： Fy,=1： 0.25： 0.4Fx走刀方向Fy切深抗力得：Fx=0.25X5360=1340 (N)F =0.4X5360=2144 (N)作用在进给拖板上的载荷可按下列式子求出：拖板上进给方向载何：F = F =1340(N)拖板上垂直方向载荷：F = F = 5630(N)拖板上横向方

12、向载何：F = F = 2144(N)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+ f( FV +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,工作台重量G=800(N), 则：Fm=1.15X1340+0.16X (5360+800) =2526.6 (N)2、计算最大动载荷CFQ=3L FwFHFm60nT1000V其中：L=； n为丝杠转速(r/min) ,n=-s ；106L0Vs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 1/21/3，取 Vs=0.6/3=

13、0.2 (m/min);F =5360 (N) zFx=1340 (N)Fy=2144 (N)Fm=2526.6 (N)L0为丝杠的导程（mm）;T为使用寿命（h），对于数控机车T=15000h;七为运转系数，查表35机电一体化专业课程设计指导书取七=1.3 ；取硬度52.5HRC，Fh为硬度系数，取七=1.35。考虑到丝杠对加工精度和经济性的影响，L0应优先取4、6、8（mm） 系列；（1）选基本导程L0=4mm,则：丝杠转速 n=1000匕=顶0* 0.2 =50 （r/min）L4060nT 60 x 50 x 15000寿命L45106106最大动载荷：F21LFwFHFm= 45 x

14、 1.3x 1.35x2526.615772（N）（2）选基本导程L06mm,则：丝杠转速n=1000匕10暨 0.2 邪（r/min） L63060 x100 x 15000A60nT3寿命L30106106最大动载荷：Fq2 = M FwFHFm=330 x 1.3x 1.35x2526.613778（N）（3）选基本导程L08mm,则：丝杠转速 n=1000匕1000： 0.2 25 （r/min）L8060nT 60 x 25 x 15000 寿命 L= 1 n =1 n=22-5106106最大动载荷：F =3，LFwFHFm-22.5 x 1.3x 1.35x2526.612518

15、（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。查机电一体化技术手册表7.213得相应的额定动载荷C.滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类 型，选用时应满足Fq 气。查表，选择以下验算：Fq115772（N）F =13778（N）F312518（N）当L0 = 4mm时，?1 =15772 （N）,表中额定动载荷显示：匕0.9满足设计要求。.,P人=arctan nd0P丝杠基本导程，Ph= L0d 0丝杠公称直径则滚珠丝杠副的摩擦角中=10 = 0-1670当 Lo = 6mm 时，因为c0

16、.9满足要求；当 Lo = 8mm 时，1,P8C人=arctan 卜=arctan= 3.644。必3.14 x 400tan3.6440门=0.956tan(3.6440 + 0.1670)门=0.9560.9满足要求。4、刚度验算1)丝杠的拉伸或压缩变形量5 1eFa Ma 251= -ES 土 2 祚式中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=2.1x105MP ；aS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(I =兀d4/64)，单位为mm4。其中，“+”号用

17、于拉伸，“一”用于压缩。由于转矩M 一般较小， 式中第2项在计算式可酌情忽略。当 L 0=6mm 时，F a51 m a 取 1185mm兀d 2S 2-4Lo = 6mm 时门=0.9420.9 满足要求Lo=8mm时门=0.9560.9 满足要求d 2 = d 0 + 2e 2Rd。丝杠的公称直径，e偏心距，R 螺纹滚道的半径。R = 0.52 db = 0.52 x 3.969 = 2.064e = (R d / 2) sin p=(2.0643.969/2) x sin45=0.0795x 0.707 = 0.056mm故 d2 = 40 + 2 x 0.056 2 x 2.064 =

18、 35.984mm3.14 x 35.98424=1016.456mm 28 =室=2526.6 x 1185= 0.0141 ES2.1 x 105 x 1016.456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定的丝杠提高4倍，其实际 变形量为：Q 8L81 =才=0.003512）滚珠与螺纹滚道间接触变形82mm （此项在总变形量中也占比较 大的比重）有预紧时： F8 1=0.00351 (mm)8 2 = .0013EFZ 2/10 A w YJ S式中：Dw-滚珠直径，单位为mm ；Zs滚珠总数量，Z = Z x圈数x列数；Z单

19、圈滚珠数，Z =兀d0/DW （外循环），Z =（兀 d0/ Dw ） - 3 （内循环）Fyj 预紧力，单位为N。Z： 一圈的滚珠数（外循环）7 兀 d 3.14 x 40Z = = 31.645 取 Z=32d 3.969 bZ广 Z X 1x 2.5 = 80F = 2526.6NFyj = F 13 = 842.2N F5 2 = .001 WZ 2/10% w YJ 2526 6 =0.0013,= 0.0025610或3.969 x 842.2 x 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：5 2 = 0.001283)刚度验算丝杠的总变

20、形量5 =51 +52。一般总变形量不应大于机床规定的 精度一半。5 =51 +5 2 = 0.0048(0.015/2符合条件要求当 L0 =8mm 时，1)丝杠的拉伸或压缩变形量515 1 = ESa 取 1185mm兀d 2S =2-4d 2 = d 0 + 2e 2Rd 0丝杠的公称直径，e偏心距，R 螺纹滚道的半径。R = 0.52d，= 0.52 x 4.763 = 2.477e = (R d / 2) sin p =(2.477 4.763/2) x sin 45=0.0953x 0.707 = 0.0674mm5 2 =0.00128(mm )L =6mm 时5 = 0.004

21、8 (mm)符合故 d2 = 40 + 2 x 0.0674 - 2 x 2.477 = 35.181mmS =性=3.14 x 35812 = 971.597mm 2 44F a2526.6x1185八纪5 =- = 0.0147ES2.1x105 x 971.597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定的丝杠提高4倍，其实际 变形量为：c55；=彳=0.0036852）滚珠与螺纹滚道间接触变形52mm （此项在总变形量中也占比较大的比重）有预紧时：cF.10%D F Z2/10飞 w YJ X式中：Dw-滚珠直径，单位为mm ；

22、Z滚珠总数量，Z = Zx圈数x列数；Z单圈滚珠数，Z =兀d0/DW （外循环），Z =（兀d0/ D/ - 3 （内循环）Fyj 预紧力，单位为N。Z： 一圈的滚珠数（外循环）Z 工=3142 = 26.37 取 Z=26d4.763bZ广 Z x 1x 2.5 = 65F = 2526.6NFyj = F /3 = 842.2cF5 2E 祠 DF Z 2/10F w YJ X51=0.00372526-6 =0.0013,= 0.00275610%4.763 x 842.2 x 652/10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：5 2 = 0.001

23、3783)刚度验算丝杠的总变形量5 =5 +52。一般总变形量不应大于机床规定的 精度一半。5 =5 +5 2 = 0.0051(0.015/2故符合条件。L =6mm,L =8mm都满足要求。以基本导程最大的滚珠丝杠作为最终选择，即以L =8mm的作为计算依据。5、稳定性的验算 滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果过轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷fk应满足：F = f El f k Ka 2m式中：Fk临界载荷，单位为N；f丝杠支承系数；K压杆稳定安全系数，一般取为2.54，垂直安装时取最小值；a 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。E 丝杠材料的弹性模量，E= 2.1x

24、105MP ；aI丝杠按底径d 2确定的截面积惯性矩(l 兀 d 4/64)，单位为 mm 4。2fk因丝杠两端固定，取丝杠支撑方式系数fk = 4 ；a 取 1185 mm ；5 2 =0.0014(m m)L =8mm 时5 =0.0051(m m)符合选用基本导程 为8mm的滚珠 丝杠，型号为 4008-2.5K压杆稳定安全系数，取4；I =兀d4/64 = 3.14x35.1814/64 = 75159.24mm4 ；2F = N = 4E2 x2x 105 x75159.24 = 110821.56kKa 24 x11852Ff故丝杠不失稳四、电动机的选择计算(一)减速比的确定减速比

25、为：i_ 总3600p式中：0为脉冲当里(mm/plus);L为滚珠丝杆的基本导程(mm),。， 步进电机的步距角由系统的定位精度要求可确定系统的脉冲当里为：0 =0.01mm/plus 初选三相异步电动机：根据经济性要求，采用三相六拍工作方式的 步进电机，步距角为广0.750。i=0.75 x 8 /(360 x 0.01)=1.67(二)齿轮传动的确定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， 而且易获得高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

26、，减少空程 误差，有利于提高传动效率。同时h* + c*=1.25较小，故在此选用 圆柱直齿轮单级传动。一般模数取m=12,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(610) m。Z - 17，取 Z=30，m=2，则d = mz = 2 x 30 = 60(mm)d = d + 2m = 60 + 2 x 2 = 64(mm)df 1 =-1.25m x 2 = 60 -1.25 x 2 x 2 = 55(mm)b = (6 - 10)mm 取 b = 10mm丝杠不失稳。z2 = zi = 30 X 1.67 = 50.1 注 51d = mz = 2 x 51

27、= 102(mm)d 2 = d2 + 2m = 102 + 2 x 2 = 106(mm)d22 = d2 - 1.25m x 2 = 102 -1.25 x 2 x 2 = 97(mm)b = (6 - 10)mm 取 b = 8mm中心距。=H =堕空=81(mm)22选小齿轮齿数z1 = 30,小齿轮的齿宽度七=10mm，大齿轮齿数Z2 = 51,大齿轮的齿宽度b2 = 8mm。对斜齿圆柱齿轮采用轴向垫 片调整法，修正或改变轴向调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nLoR 4 MD 2J =*=

28、 0.78D4LX10-3(kg -cm2)28M-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J = 0.78 x 44 x 118.5x 10-3 = 23.66kg cm2齿轮的转动惯量为J 1 = 0.78 x 64 x 1x 10-3 = 1.01kg cm2J 2 = 0.78 x 10.24 x 0.8 x 10-3 = 6.75kg cm2查表3.11机电一体化系统设计，因为选用电机限定工作方式的是三相六拍，步距角为0 = 0.75。，故符合的是：110BF003和110BF004。 b电机的转动惯量分别为：110BF003: J =

29、46.1 x 10-5kg m2 = 4.61kg cm2110BF004： J = 34.3x 10-5kg m2 = 3.43kg cm2z1 = 30d = 60 mm1d = 64mm1d = 55mmf 1b = 10mmz = 512d = 102 mm2d = 106mmd = 97 mmf 2b = 8 mma = 81mmJ s = 23.66(kg.cm 2)(2)工作台折算到丝杆的转动惯量J = 1.01z1 kg cm2J 2 = 6.75 kg cm2J = (J )2 G = (L) GG2兀ng2兀gv工作台移动速度(c m/min)n丝杆转速(r/min)G-工

30、作台的重量(N)g重力加速度(10m/s2 )L丝杆导程(cm)J = (08 ) x 800 = 10.19kg cm2G 2 x 3.1410(3)传动系统折算到电机轴上的转动惯量由于:/ k 空(知)2 G xkb( n )22兀, g i2j=ii i=1Z+ J,)(于)22=( )2 x = x (30)2 +1.01 + (6.75 + 25.96)(30)22 x 3.14105151=12.78kg .cm 2J k = (2)2 x 3 + J0.8 、800,1+(七 2式中：i-系统总的减速比J-各转动体的转动惯量(kg.cm2 )n各转动体的转速(r/min)nk电机

31、的转速(r/min)Jm -电机的转动惯量(kg.cm2)(4)系统总的转动惯量J a = J k + J i = 12.78 + 4.61 = 17.39kg cm 2J 2 = J k + J 2 = 12.78 + 3.43 = 16.21kg cm 22、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J = 10.19kg.cm 2J k = 12.78 kg.cm 2力矩M切。M 起=M+ M / + M 0M 切=M / + M o + M电机的启动负载Tq= maxM起，M切空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩Ma max，2兀n小Mamaxi - 1 60

32、； aT 2兀n小Mamax2 - 2 60； 乂 a式中：J -传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量(kg.cm2)v max运动部件最大快进速度(mm/min)v= 2.4(m / min) = 2.4 x 103(mm / min)n 电机最大转速(r/min)n=呆 x% = 24r121x 经=500(./min)max 83600.01360pta -运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需时间(s)；=30ms a综上有电机轴上的加速度力矩：M 1 = 303.36N cmM2 = 282.77N cm摩擦力矩M fM = ；，。.(N .cm)当使用110BF003电机J 1

33、 = 17.39kg cm 2当使用110BF004电机J 2 = 16.21kg cm 2式中：F0 -导轨的摩擦力（N）F= f（F + G）F 垂直方向的切削力（N） F广5360NG-运动部件的总重量（N）G=800Nf /-导轨摩擦系数f /=0.16i-齿轮总减速比i=1.67门传动链总效率，一般可取门=0.7 0.85 门=0.8则有：m =业x（800 + 5360）x0.8 =93.98n.如f2 x 3.14 x 0.8 x 1.67（3）附加摩擦力矩M0M P0l 一 门 2 ）02兀门i0式中：Fp0-滚珠丝杆预加负载（N），一般取工作载荷的%F 1F 842.2N p

34、 03 mL0滚珠丝杆导程（cm）L = 0.8cm门0 -滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取门0 0.9门 0 0.9则有：u842.2 x 0.8八八、M =x （1 一 0.92） 15.26N - cm0 2 x 3.14 x 0.8 x1.67（4）折算到电机轴上的切削负载力矩Mt睥 FLM -0-t2兀门i式中：F进给方向最大切削力（N）F =七=1340N当使用110BF003电机M 1 303.36 N - cm当使用110BF004电机M 2 282.77N - cmM f = 93.98N - cmM =1340 x 0.8=127.77N - cmt 2 x 3.14 x

35、 0.8 x1.67快速空载起动时所需力矩M 起=M1 + M + M 0 = 303.36 + 93.98 +15.26=412.6N - cmM 起2= M max2 + M + M 0=282.77 + 93.98 +15.26 = 392.01N - cm最大切削负载时所需力矩M = M + M + M=93.98 +15.26 +127.77 = 237.01N - cm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，因为要保证一定的动态性能，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

36、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 jmax初选电机的型号步进电机的起动转矩M = max M起，M切:由M起M切，所以M = M 起了 412.6（ N .cm）M = M 起2= 392.01（ N .cm）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310）：人=；，（因电 Mj max机工作方式为三相六拍，故取入=0.866）查表3.11机电一体化系统设计，110BF003： M. 1 =784N.cm110BF004： M. 2 = 490N.cmM 0 = 15.26 N - cmMf = 1

37、27.77N - cm当使用110BF003 电机M = 4126起1N - cm当使用110BF004电机M =39201 起2N cm拦 4 =四=0.53M784j maxi半=竺以= 0.8M 2490因为人v人V 0.866，所以型号为110BF003和110BF004 12均符合要求，但是，型号为110BF003的步进电机更符合要求，因为 七= 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 110BF003的三相六拍的步进电机。（2）计算电机的工作效率1000 xv1）最大空载起动频率f - 一

38、g maxK600p式中：V max为运动部件最大快速进给速度（m/min），v= 2.4 m / min/1000 x 2.4故:二=60 x 0.01 = 4000（ HZ）fK v内密=7000Hz满足要求/1000V2）切削时的最大工作频率f - 600 sp式中：vs为最大切削进给速度（m/min）v，一 0.6m/min/1000 x 0.6故：fc - 60 x 0.01 1000（Hz）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

39、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：MM 0.5或 J 4j maxm初选型号为110BF003的三相六拍的步进电机式中：Mjmax -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 = 784N.cm （110BF003）J max1M 2 = 490N.cm（ 110BF004）M L-传动系统折算到电机轴上的负载转矩（N.m）；Ml = M 切=237.01N .cmJm -步进电机转子的转动惯量（kg.m2），见电机一体化系 统设计表3-11

40、得：J = 4.6&.cm2（110BF003） m1J = 3.43Rg.cm2 （110BF004） m 2JL-传动系统折算到步进电机转子上的等效转动惯量（kg.cm2）， J = 13kg.cm2。Ml = 237.01 = 0.302 0.5M m 1784虬=旦=2.82 4J 1 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 = 13kg .cm 2LM l = 237.01 = 0.48 0.5M 2490J =丛=3.79 1/f式中：L-步进电机一相绕组的平均电感量;Rm -通电回路的电阻。nmax= 127.5 r /minL和

41、Rm由机电一体化系统设计(表3-11反应式步进电机技术性 能数据)。3、若选用线路简单的串联电阻法改善静电流上升沿，其时间常数为:fy=1020HZt . = L /(R / R0)贝上R0 =(L-T R)/T,其中：t . = 1ms所以R0 = (0.0355 -1 x 10-3 x0.37)/1 x 10-3 = 35.130)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、高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23宽 度时间内相电流达到额定电流的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

42、为：tb = 2/3 f = 2/(3 x 1000) = 0.667 (ms )高电压电源电压Eh = IR /( - e-tb/t.)= 3.6x 0.37 /( - e-0.667/95.9 )= 192.2 牝 192(V)5、元件的确定（1）为了使电路简单、紧凑，功率放大T1和T2选用复合管2SD851BUCBOBUCEOBUBEOICBOUCES1501503102UhIPTBEEGCNCN1830001080150(2)确定R 2和R 3R = 35.13Q采用双电源电 路从T和孔性能数据知，负载电流II = 6，基极电流为:I，= / Hfg = 6/3000 = 2（mA）式

43、中：Hfg-电路放大倍数因此等效输入电阻为：R 1 = UBE /Ib = 8/2 = 4（KQ）t = 0.667(ms) b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：Eh = 192(V)T1和T2选用复 合管2SD851I = I +1，Ib = 2( mA)IR= Ube =8.01/ 2=气 - Ube =72选择耦合器输入电流1. =10mA（最大的电流为50mA）,电流传输比Cr =30%；I = I.CTr=10 * 30%=3mA光耦合器选用解上述方程组得：R3 = 8KQ ； R2 = 24KQ。（3）确定R1前面已选定耦合器输入电流I

44、, =10mA，可得到光耦合器输入正向压降为 1.3V，所以%=（51.3）/I=370Q。（4）确定R5，R6若使电流上升沿陡，希望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）。首先确定基极电流I 。C 2负载的平均阻抗：Z 牝 E JiN =80/6=13.3QT2的饱和电流：七=（气-2 - U Z=（192-2乂 2-80）/13-8.31AT2基极电流应为：IB 2 = Ics （2）/ hFg=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：Ic 2=匕 C TR=10 x 33%=3.3mA因此：16 = I 2-1b2

45、=3.3-2.77=0.53 mAC,求U0（0点电位）在期间0 t 七，U0是变化的，变化范围近似为Eh 2至EhEn，计算时取平均值：U0= （ Eh 2）+（ Eh En）/2G0102R3 = 8 KQR2 = 24 KQR1 =370Q=(192-2) + (192-80) /2=151VT2的等效输入电阻为：脂 Ub2=8/0.35 x 10 -3=22.86K R6 = Ubes /16 = 8/0.53x 10-3 牝 15.09KQR 8=( Uh - UCES -U 0)C2=(192-2-151) /3.3 x 10-3=11.82K Q确定R9为提供给单稳和驱动门足够输

46、入电流(各5mA),所以： R9=500Q选择D1，D2选用2CZ13A硅整流二极管单稳态多谐振荡器74221翻转时间的确定当单稳74221的“清除端”加高电平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，恢复到稳定状态，Q端输入一个脉冲，脉冲宽度由外电 阻R (取10K Q )和Cx决定，即：疽 Rt Cx Ln2则：Cx =七 /(Ln2 Rt)=0.667 x 10-3/(Ln2 x 10 x 10-3)=0.096 R F74221为双单端多谐振荡器，步进电机需用3片74221。R 广10K QCX =0.096 F六、微机控制系统软件设

47、计（一）模块组成本程序主要由如下模块组成：1、主模块用于系统初始化和监控；其中初始化包括8155初始化、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；开始显示提示符“P键盘扫描Y8031串行口工作方式设定（方式0）8155初始化8255初始化键盘、显小缓冲器清零根据各键盘功能、定义 转向相应功能块0功能1功能N功能根据键盘功能键的设定，相应的子程序模块包括“一”、“f”、“1”、“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

48、下：2BH单元值当前运动方向(2B) =01Hf+X(2B) =02Hj-X(2B)=03Ht+Z(2B)=04HI-Z(2B)=00H初始时为00H2、子程序模块使用暂停键“STOP”子模块，暂停键功能是暂时使XYX作台停止移动，因 此只需停止步进脉冲信号即可。3、越界报警、急停处理模块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，由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

49、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50Hz。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=15ms， 扫描频率约64Hz，高于50Hz。键盘采用每隔3X3=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） =1，表明上次查询有键按下；（31H） =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