【正文】 步進電動機的位置控制是步進電動機的一大優(yōu)點，他可以不用借助位李敬：兩軸微機伺服工作臺的設(shè)計 28 置傳感器而只需要簡單的開環(huán)控制就能達到足夠的位置精度，應(yīng)用很廣泛。軟件和硬件的結(jié)合，形成一個具有特定功能的計算機數(shù)控系統(tǒng)，使該系統(tǒng)能夠完成零件程序的輸入、編輯、譯碼、數(shù)據(jù)計算和伺服控制等工作。 圖 47 使用 7406 做驅(qū)動的蜂鳴音報警電路 在圖 413 中，驅(qū)動器 7406 的輸入端接 AT89C51 的 。 本設(shè)計中 X、 Y向步進電機均為 90BYG2602 型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團。 接蜂鳴器， 懸空。PA 和 PB 口可工作于基本輸入輸出方式或選通輸入輸出方式。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。 二 、 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定、 128*8 位內(nèi)部 RAM、 32可編程 I/O 線、兩個 16 位定時器 /計數(shù)器、 5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 。 （ 3） XTL1（ 19）和 XTL2（ 18）：振蕩電路。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中多使用 16位單片機，它 具有較強的運算和擴展能力，如 MCS96 系列單片機廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)。查表 45 可知 90BYG2602 電動機的空載運行頻率可達 20210 zH ，可見沒有超出上限。因此，根據(jù) eqT 來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。 ⑴ 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 1eqT ， 1eqT 包括三部分 。 cm2。移動部件總重力 G=644N；小齒輪齒寬 b1=20mm.，直徑 d1=36mm，大 齒輪齒寬 b2=20mm，直徑 d2=75mm；傳動比 i=25/12。代 入式 22kkF f E I k a?? 得臨界載荷 等于 9343N，遠大于工作載荷 1779N 故絲杠不會失穩(wěn)。滾珠直徑 Dw=，絲杠底徑 d2=,絲杠截面積 222 4 20 6. 12???S d m m。 查表 330， 取載荷系數(shù) Wf =,滾道硬度為 60HRC 時，取硬度系數(shù) Hf =,代入下 式，求得最大動載荷： FQ= 3 0 W H mL f f F ≈ 8880 N 型號的選擇與校核 規(guī)格型號的初選 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查網(wǎng)上生產(chǎn)該型號的生產(chǎn)廠家的資料，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 GDM 系列 20213 型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器 單 螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為 20mm，導(dǎo)程為 5mm，循環(huán)滾珠為 3圈 2系列，精度等級取 5 級，額定動載荷為 9309N，大于最大計算動載荷2021屆機械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 最大動工作載荷 FQ，滿足要求。 距離額定壽命 L 的計算 上述所取的 KL 系列 JSALG15 系列導(dǎo)軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過100 C，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為 4級，工作速度較低，載荷不大。則 由表37查得立銑時的銑削力計算公式為： 0 . 8 5 0 . 7 5 0 . 7 3 1 . 0 0 . 1 3c e z p1 1 8 a f d a n Z??F 今選擇銑 刀的直徑為 d=15mm，齒數(shù) Z=3,為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為 α e=15mm，背吃刀量 pa =8mm，每齒進給量 fZ=，銑刀轉(zhuǎn)速n 300r/min= 。 設(shè)計參數(shù)所給的精度對于步進電動機來說 尚可以達到 ，決定采用 開 環(huán)控制， 以降低成本。 現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術(shù) 使 家用電器網(wǎng)絡(luò)化已成大勢 , 利用家庭網(wǎng)絡(luò)(home) 將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(tǒng) (puter integrated appliancesystem, CIAS) ,因此機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 ⑵ 微型化 。 傳感檢測技術(shù)是系統(tǒng)的感受器官，是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 在 當代的 機電一體化系統(tǒng)制造過程中，經(jīng)典的機械理論與工藝應(yīng)借助于計算機輔助技術(shù)，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機械制造技術(shù)。 ⑷ 能量轉(zhuǎn)換。各要素之間必須遵循接口耦合、物質(zhì)流動、信息控制、能量轉(zhuǎn)換的四大原則，完成以下內(nèi)容： ⑴ 變換。采用機電一體化技術(shù)后，可以用電子器件、微型計算機來控制和實現(xiàn)各執(zhí)行構(gòu)件的動作及功能關(guān)系協(xié)調(diào)，實現(xiàn)機械產(chǎn)品操作的全部自動化。工作臺控制部分以 AT89C51 單片機為核心，作為主控器；利用 8155H 芯片實現(xiàn)與鍵盤 /顯示器的連接；選擇 步進電機配套驅(qū)動器 BD28Nb 驅(qū)動步進電動機實現(xiàn)加、 減速、急停等操作，從而實現(xiàn)對工作臺的控制。 關(guān)鍵詞 ：步進電動機 ， 單片機 ， 8155H芯片 ， 工作臺 李敬：兩軸微機伺服工作臺的設(shè)計 II ABSTRACT Summary twoaxis CNC Workbench is an openloop control system for mechanical and electrical systems design, its structure is simple, easy and can guarantee a certain degree of accuracy, reduce costs, is the simplest application of microputer control technology. Openloop control can make full use of puter software and hardware capabilities for control of the machine tool, machine tool machining range of expanded, further improve the accuracy and reliability of machine tools. Machinery section of this article adopts stepping motor by dragging the table in geardriven ball screw linear rolling guide on movement, of which, step motor selection 90BYG22602 model. Table control section AT89C51 microcontroller as the core, as master。通過微機控制系統(tǒng)可以精確地按照預(yù)先給定量，同時可使相應(yīng)的機械動作、各種干擾因素造成的誤差，進行執(zhí)行校正、補償，從而可以達到單純機械方法所實現(xiàn)不了的加工工藝精度。兩個需要進行信息交換和傳輸?shù)囊刂g，由于信息的模式不同（數(shù)字量與模擬量、串行碼與并行碼、連續(xù)脈沖與序列脈沖等），無法直接實現(xiàn)信息或能量的交流，必須通過接口完成信息或能量的統(tǒng)一。能量轉(zhuǎn)換包括執(zhí)行器、驅(qū)動器，各要素之間的不同類型能量的轉(zhuǎn)換，應(yīng)該滿足最優(yōu)轉(zhuǎn)換方法與原理。 （ 2） 計算機與信息技術(shù) 。其功能越強，系統(tǒng)的自動化程序就越高。 微機電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運動靈活 , 可進入一般機械無李敬：兩軸微機伺服工作臺的設(shè)計 4 法進入的空間，并易于進行精細操作，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。 2021屆機械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第 2章 總體方案設(shè)計 確定主要參數(shù) 由于本文力圖設(shè)計一種小型的通用工作臺， 這種工作臺可以用在小型的銑床、鉆床上 ，還可以用于學校的視教再現(xiàn)，所以在參考了眾多資料書籍以后，決定選取以下設(shè)計參數(shù)： 系統(tǒng)分辨率： 最大鉆孔直徑為 5mm 立銑刀最大直徑φ 15mm，齒數(shù) Z=3； 銑削最大余量α e=15mm； 銑削最大背吃刀量α p=8mm； 加工材料為碳鋼 工作臺面尺寸為 230mm 230mm；加工范圍為 250mm 250mm； 工作臺 X、 Y方向空載最快移動速度為 3000mm/min； 工作臺 X、 Y方向進給最快速度為 400mm/min； 預(yù)期工作壽命 15000h 重復(fù)定位精度 10um X、 Y 方向定位精度 XY 方向的脈沖當量均為 本工作臺目的是要適合多種用途，為了盡可能的適合多種小型設(shè)備，所以計算中取值都偏大。 考慮到 X、 Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計工作量， X、 Y 兩個坐標的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動 機擬采用相同的型號與規(guī)格。則 求的最大銑削力： 0. 85 0. 75 0 . 73 1. 0 0. 131 1 8 1 5 0 .1 1 5 8 3 0 0 3 N 1 4 6 3 N?? ? ? ? ? ? ? ?cF ?XW 23 ?????? ??NW Y 23 ??????? ??)355480(2 32 ???????? ???上W160WN?mml 250?mmllL B 500???)250500( 32 ??????? ??FFZYf F FF C d f K?600FC ? ? ? 1?FKrmmf /?總 上 + 2 0 6 1 8 7 9 1 + 1 6 0 6 4 4XYW W W W W N? ? ? ? ? ? ?1 0 . 760 0 5 0. 1 1 60 0FFZYf F FF C d f K N? ? ? ? ? ?李敬：兩軸微機伺服工作臺的設(shè)計 10 采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由 表 35 查得， 各銑削力之間的比值范圍如下： fF/ cF =(~) 取 fnF / cF =(~) 取 eF / cF =（ ~） 取 考慮逆銑時的情況，因為逆銑的情況的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險的工況。查表 336~表 340，分別取硬度系數(shù) fH =，溫度系數(shù) fT =，接觸系數(shù) fc =，精度系數(shù)fR =，載荷系數(shù) fw =，代入式（ 333），得距離壽命： 型號 滑塊尺寸 額定載荷 /KN 額定靜力矩 /() C1 C2 L1 L2 L3 M1 Ca C0a MA MB MC JSALG15 38 65 30 6 M5 55 55 88 型號 裝配后 組合尺寸 導(dǎo)軌尺寸 滑塊尺寸 H W B H1 I F L0max dDh1 B1 K T T1 JSALG15 24 16 15 20 60 1500 47 7 11 ‘靜 總 6 0 0 6 4 4 1 6 0 1 4 0 4YfC F W W N? ? ? ? ? ? ?39。 工作臺在鉆削加工時受載，滾珠接觸面產(chǎn)生變形，即應(yīng)該考慮滾珠絲杠的額定靜載荷 Coa是否充分超過了滾珠絲杠的 最大工作載荷 Fm，一般使 Coa/Fm=2～ 3。 算得絲杠在工作載荷 Fm作用下產(chǎn)生的拉 /壓變形量 1 51 7 7 9 5 0 0 0 . 0 2 0 52 . 1 1 0 2 0 6 . 1 2? ?? ? ???mFa m m m mES 根據(jù)公式 0 3WZ d D???，求得單圈滾珠數(shù) Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù) ?列數(shù)為 3?1，代入公式 Z?? Z?圈數(shù) ?列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 Z? =60。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 機械系統(tǒng)各部件的轉(zhuǎn)動慣量可以根據(jù)相關(guān)公式計算，對于某些傳動件（齒輪、絲杠）不容易精確計算 ， 可以用圓柱體公式進行相似計算。 初選 步進電動機的型號為 90YBG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動時的步距角為 176。一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 maxaT ；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 fT ；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 0T 。取 K=4, 則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： m a x 4 4 0. 88 16 3. 52 67? ? ? ? ?j e qT T N m 李敬：兩軸微機伺服工作臺的設(shè)計 18 初選步進電動機的型號為 90BYG2602，查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩maxjT=6N? m。 ⑷ 起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 ??eqJ kg cm電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 24mJ kg cm??，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率 1800qzfH? 。定位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。單片機是一種時序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，