【文章內容簡介】 圖 33 步進電機的升 /降速曲線圖 在步進電機速度控制中，最方便的是按運行步數 (脈沖數 )控制運行的速度 (脈沖頻率 )。在確定了突變速度和加速度 (或加速時間 )后，就可以得出速度與運行位移的關系表，進而計算出步數和運行時間的關系表，這樣在程序中就可以采用查表法來方便地進行步進電機的加減速控制。 步進電機的選用 合理地選用步進電機是相當重要的，通常希望步進電機的輸出轉矩大，起動頻率和運動頻率高，步距誤差小，性能價格比高。但增大轉矩與快速運行存在一定的矛盾，高性能與低成本存在矛盾，因此實際選用時，必須根據實際的工作情況全面考慮。 首先，應考慮系統(tǒng)的精度和速度的要求。為了提高精度，希望脈沖當量小。但是脈沖當量越小，系統(tǒng)的運行速度越低。故應兼顧精度的要求來選定系統(tǒng)的脈沖當量。在脈沖當量確定以后，又可以此為依據來選擇步進電機的步距角和傳動機構的傳動比。 步進電機的步距角從理論砂鍋上說是固定的，但實際上還是有誤差的。另外，負載轉矩也將引起步進電動機的定位誤差。我們應將步進電動機的步距誤差、負載引起的定位誤差和傳動機構的誤差全部考慮在內，使總的誤差小于數控機床允許的定位誤差。 步進電動機有兩條重要的特性曲線，即反映起動頻率與負載轉矩之間關系的 曲線和反映轉矩與連續(xù)運行頻率之間關系曲線。這兩條曲線是選用步進電機的重要依南京工業(yè)大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 17 據。一般將放映起動頻率與負載轉矩之間關系的曲線稱為啟動距頻特性，將反映轉矩與連續(xù)運行頻率之間關系的曲線稱為工作矩頻特性。 已知負載轉矩，可以在起動矩頻特性曲線中查出起動頻率。這是起動頻率的極限值，實際使用時，只要起動頻率小于或等于這一極限值，步進電動機就可以直接帶負載起動。 若已知步進電動機的連續(xù)運行頻率 f，就可以從工作矩頻特性曲線中查出轉矩 Tdm,這也是轉矩的極限值，有時稱其為失轉矩。也就是說，若步進電動機以頻率 f 運行，它所拖動的負 載轉矩必須小于 Tdm，否則就會導致失步。 數控機床的運行可分為兩種情況：快速進給和切削進給。在這兩種情況下，對轉矩和進給速度由不同的要求。我們選用步進電動機時，應注意使在兩種情況下都能滿足要求。 表 31給出了一些常用的反應式步進電動機和混合式步進電動機的型號和簡單的性能指標。 表 31 項目 型號 相數 步距角 /（ 0） 電壓 /V 相 電 流/A 最 大 靜矩 / 空載起頻率 /Hz 運 行 頻率 /Hz 75BF001 3 75BF003 3 90BF001 4 90BF006 5 110BF003 3 110BF004 3 130BF001 5 150BF002 5 150BF003 5 根據本次砂輪修整器的設計要求，選取 110BF004 系列步進電機作為驅動電機。 假若要求進給驅動裝置有如下性能：在切削進給時的轉矩為 Te，最大切削進給速度 ve。在快速進給時的轉矩為 Tk,最大快進速度為 vk。根據上面的性能指標，我們可按下面的步驟檢查步進電動機能否滿足要求。 首先，依據下式，將進給速度值轉變成電動機的工作頻率： F=1000v/600δ(Hz) （ 31） 式中 v——進給速度（ m/min） 南京工業(yè)大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 18 δ——脈沖當量（ mm） f ——步進電動機工作頻率。 在上式中，若將最大切削進給速度 ve 代入可求得在切削進給時的最大工作頻率fe；若將最大快速進給速度 vk代入，就可求得在快速進給時的最大工作頻率 fk。 然后，根據 fe和 fk在工作矩頻特性曲線上找到與其對應的失步轉矩值 Tdme和 Tdmk,若有 TeTdme 和 TkTdmk，就表明電動機是能滿足要求的，否則就是不能滿足要求的。 步進電動機的控制系統(tǒng) 步進電動機由于采用脈沖方式工作，且各相需按一定規(guī)律分配脈沖，因此，在步進電動機控制系統(tǒng)中，需要脈沖分配邏輯和脈沖產生邏輯。而脈沖的多少需要根據控制對象的運動軌跡計算得到，因此還需要插補運算器數控機床所用的功率步進電機要求控制驅動系統(tǒng)必須有足夠的驅動功率，所以還要求有功率驅動部分。為了保證步進電機不失步的起停，要求控制系統(tǒng)具有升降速控制環(huán)節(jié)。除了上述各環(huán)節(jié)之外，還有和鍵盤、紙帶閱讀機顯示器等輸入、輸出設備接口電路及其他附屬環(huán)節(jié)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，還有檢測元件的接口電路。在早期的數控系統(tǒng)中，上述各環(huán)節(jié)都是由硬件 完成的。但目前的機床數控系統(tǒng)，由于都采用了小型和微型計算機控制，上述很多控制環(huán)節(jié)，如升降速控制、脈沖分配、脈沖產生、插補運算等都可以由計算機完成，使步進電機控制系統(tǒng)的硬件電路較以前大為簡化。 . 諧波減速器的選用 諧波傳動是利用柔輪的變形與剛輪相嚙合而實現的傳動。諧波傳動的傳動比大、結構簡單、體積小、重量輕。由于同時嚙合的齒數多，所以它的承載能力大，傳動精度高。已被廣泛地應用于許多工業(yè)領域，國內外應用諧波傳動技術來解決工程機械和起重運輸機械的動力驅動和運動傳輸的實例很多，例如：推土機中的驅動機構，橋式 起重機的卷揚機構，旋臂自行式起重機的旋轉機構等。由于諧波傳動是依靠其柔輪的變形來實現運動和動力的傳遞，輸出軸力矩較人。當輸入受到某種激擾作用時，會引起減速器傳動系統(tǒng)的振動響應，給驅動運動精度要求較高南京工業(yè)大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 19 的執(zhí)行機構帶來問題，影響其傳動性能。因此，對諧波齒輪減速器的模態(tài)特性進行分析，研究此類傳動的動力學特性是十分必要的。 根據總體方案對減速器的技術要求，決定采用諧波減速器。這樣的減速器傳動精度高、減速比大，諧波傳動的間隙小，傳動平穩(wěn)，諧波齒輪傳動的阻尼性能為 ～，而一般齒輪傳動約為 ～ 。外界擾動通過諧波齒輪傳動能得到很快的衰減，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有利。諧波齒輪傳動的結構采用雙波橢圓波發(fā)生器，剛輪、定輪和柔輪采用復合結構，由剛輪輸出。減速器結構示意圖見圖 34。 定輪 柔輪波發(fā)生器組件剛輪 圖 34 諧波 減速器結構示意圖 進給機構的設計 數控車床靠步進電機帶動滾珠絲杠傳動，由于滾珠絲杠可以有過盈量，傳動無間隙，精度主要靠機床本身和程序保證。在加工過程中可以自動測量，并能自動補償刀具磨損及其他原因產生的誤差。所以加工質量好，精度穩(wěn)定。還可以用編程的方法車出形狀復雜，普通車床難以加工的零件。適合精度高，批量大， 形狀復雜的零件。但小批量生產也很好用。它的維修費用較普通車床高。 微量進給機構 通常把每次進給量 S≤2μm的周期進給速度和速度 V≤10㎜ /min的低速進給稱為微量進給。 南京工業(yè)大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 20 微量進給分手動和自動兩類。手動微量進給機構主要用于中小型機床起進給、點動或微量補償作用，以及某些大型機床的手動微調。自動微量進給機構采用各種驅動元件使進給循環(huán)自動進行。 對微量進給機構的基本要求 （ 1）靈敏度高 能實現所需的最小進給量 Smin為了保證靈敏度較高，微量進給機構應具有高剛度。根據靈敏度要求確定微量進給機構的剛度計算條件 。 （ 2）平穩(wěn)性好 在低速進給是速度均勻，不出現爬行。因此，對于低速進給還應不出現爬行的條件確定傳動系統(tǒng)剛度的計算條件。 （ 3）精度高 多數微量進給機構執(zhí)行部件的定位精度直接決定工件的加工精度，因此應按所需加工精度確定進給精度和重復定位精度要求。 （ 4）結構簡單，調整方便，操縱輕便靈活 微量進給機構設計 根據設計的要求，砂輪修整時進給量不宜太大一般控制在 5μm～ 10μm, 為了保證進給的準確，從而達到較好的修整精度和表面質量，通過比較各種微量進給方式，最終選擇滾珠絲杠傳動。 進給機構及結構如圖 35所示： 圖 35 進給機構示意圖 南京工業(yè)大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 21 一、 滾珠絲杠傳動的特點及應用 滾珠絲杠是數控機床進給傳動系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)。滾珠絲杠靜動摩擦系數接近、傳動效率高，因此受到了普遍采用。同時，滾珠絲杠直接影響著進給傳動系統(tǒng)的靈敏度、定位精度、是否爬行等。 作為傳動滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展，滾珠絲杠載荷。具有高效率、溫升少、高精度、高速度、高剛性、可逆性、長壽命、低能耗、同步性、高靈敏度、無間隙、維護簡單等優(yōu) 點。 滾珠絲杠傳動的應用：絲杠傳動的適用于進給行程小的場合，如磨齒機的手動橫進給、手動補償、微量調整。螺母移動的適合進給行程大并要求快速進給的場合。 在設計滾珠絲杠還應考慮如下 —些問題： a)臨界壓縮載荷應大于軸向最大受壓載荷，確保絲杠的穩(wěn)定性； b)絲杠的最高轉速應小于臨界轉速，防止發(fā)生共振； c)滾珠絲杠還應受 d0nmax限制，一般 d0nmax≤70000mmr／ min； d)滾珠絲杠應具有足夠的剛度。 二、 微量進給計算 在數控系統(tǒng)設計中，一般根據加工力學特性初選步進電機，再根據加工進度要求確定系統(tǒng)得脈沖當量 δp,即一個脈沖所產生的工作臺直線位移量。脈沖當量 δp和步進電機的步距角 θs之間存在下列關系： 360sppshi??? （ 32） 式中 hsp —絲杠導程（㎜） i —步進電機輸出軸至絲杠的傳動比 θs—步進電機步距角，單位為度 當相對于某一點的直線位移 X㎜以及所需的脈沖次數 N即可得出脈沖當量： p xN? ? （ 33） 通常砂輪修整的修整量取 5～ 10μm，這里取進給量為 5μm，步進角 176。，脈沖次數為 480 次，假設絲杠導程 10 ㎜，假設脈沖當量 ㎜ /脈沖。則可推算出諧波減速器的建速為 20。 南京工業(yè)大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 22 第四章 修整器的設計 砂輪修整器的誤差分析 砂輪修整前后砂輪半徑誤差 首先分析修整后砂輪半徑的誤差。為分析問題方便起見，先假定砂輪修整時砂輪修整滾輪與砂輪之間僅在水平面內有 X和 Y兩個方向的相對運動，即按兩軸圓弧插補的方式在過砂輪軸線截面內做曲線運動，砂輪修整滾輪軸線與砂輪軸線保持平行，建立如圖 41所示的坐標系。 圖 41滾輪軸線與砂輪軸線坐標系 設要求修整后的砂輪最小半徑為 r1，砂輪修整滾輪的半徑為 r2，砂輪截面 曲線是半徑為 r3=2mm的半圓，則如圖 41所示，對砂輪截面曲線上的任意一點 B 南京工業(yè)大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 23 (XB ， YB， ZB )，要求修整后點 B處的砂輪半徑為 r1＋ XB，而實際修整后點 B處的砂輪半徑為 r1＋ XB＋ δRB,按圖 41的坐標系，有： B點和修整輪中心不在同一點，而 δZ指的是修整輪中心與砂輪中心的高度差 XB 2＋ YB2 = r32 ， ZB=0 (41) (r1＋ XB＋ r2)2＋ δZ2=(r1＋ XB＋ δRB＋ r2)2 (42) 設： R = r1＋ XB＋ r2 (43) 代入式 (42) 后有： R2＋ δZ2=( R＋ δRB)2 (44) R2＋ δZ2= R2＋ 2RδRB＋ δRB2 (45) δ RB2 ＋ 2Rδ RB－ δ Z 2 = 0 ( 4 6) 式 (46)是關于 δRB的二次方程，故有： 221 2 4 42 zRB RR ?? ? ? ?? (47) 22zRB R?? ? (48) 因為三角形的斜邊必大于直角邊，因此： r1＋ XB＋ δRB＋ r2 ＞ r1＋ XB＋ r2 (49) 所以： δRB＞ 0(410) 上面式 (48)中必須取正號，故： 22R B zRR??? ? ? (411) 222( 1 )zRB RR R?? ? ? ? (412) 由麥克勞林公式： f(x) = f(0) ＋ f1(0)x＋ f2(0)x2! ＋ … ＋ f(n－ 1) (0)xn－ 1/(n－ 1)?。?fn(θx)xn/n！ , 0＜ θ＜ 1 (413) 取前兩項作近似計算，有： f(x)≈f(0) ＋ f1(0)x (414) 設： 南京工業(yè)大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 24 f ( x ) = 1 X? (4 1 5 ) 則： f(0) = 1 (416) f 1 ( 0 ) = 0 . 5 ( 4 1 7 ) 故： 112XX? ? ? (418) 22112 zX R?? ? ? (419) 代人上面式 (412)中，有： 2(1 1)2zRB R ?? ? ? ? (420) 22zRB R?? ? (421) 由式 (421)可知： δRB近似地與 δz的平方成正比，與 R = r1＋ XB＋ r2成反比。是砂