【文章內(nèi)容簡介】 ：采用專用的步進電機驅(qū)動芯片（如 TB6560AHQ）驅(qū)動 專門的步進電機驅(qū)動芯片本身就是設(shè)計用來驅(qū)動步進電機的，不僅功能上比較完善，能夠很好的適應(yīng)驅(qū)動步進電機的要求，而且能夠簡化軟件的設(shè)計，是一個很好的選擇方案。 例如本次設(shè)計選用的 TB6560AHQ 在具體應(yīng)用方面的優(yōu)勢有： 1. 在低轉(zhuǎn)速運行系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第 8 頁，共 42 頁 低轉(zhuǎn)速運行系統(tǒng)，是指時鐘頻率不高、以小電流驅(qū)動為主的系統(tǒng)，比如轉(zhuǎn)速為每分鐘幾轉(zhuǎn)到 100 轉(zhuǎn)，用戶在此種應(yīng)用條件下如使用傳統(tǒng)的驅(qū)動方案，要么因集成芯片細分太低，而使低速振動偏大；要么不得不選擇細分很高的驅(qū)動器，使成本不必要的增加。 TB6560AHQ 驅(qū)動芯片的優(yōu)勢： （ 1）電機振動小噪音低：因為芯片自帶 16 細分可選，足夠滿足每分鐘從幾轉(zhuǎn)到近千轉(zhuǎn)的應(yīng)用要求。 （ 2）嵌入式驅(qū)動器發(fā)熱少：芯片自帶的散熱面積足以單獨支持小 電流驅(qū)動的散熱要求。 （ 3）支持各種步進電機選型：客戶可選擇力矩稍大的混合式或永磁式步進電機，使電機工作在允許最大轉(zhuǎn)矩的百分之 30 至 50 之間，電機成本幾乎不變；芯片提供多檔電流設(shè)置和電流衰減模式，支持相同動力指標下各種不同參數(shù)的步進電機。 高轉(zhuǎn)速運行系統(tǒng)，是指時鐘頻率較高、以大電流驅(qū)動為主的系統(tǒng)，比如轉(zhuǎn)速為每分鐘接近千轉(zhuǎn)，此種應(yīng)用條件下如使用傳統(tǒng)的驅(qū)動方案，要么因集成芯片細分太低，而使系統(tǒng)調(diào)速范圍過??；要么因細分很高而過多增加了成本，還可能會出現(xiàn)因高頻力矩下降導致的振動和噪 音。 TB6560AHQ 驅(qū)動芯片的優(yōu)勢： （ 1）電機振動小噪音低：由于 TB6560AHQ 芯片芯片自帶 16 細分功能，能夠滿足每分鐘從幾到近千轉(zhuǎn)的應(yīng)用要求，且自動產(chǎn)生純正的正弦波控制電流，與其它高集成度芯片相比，在相同高轉(zhuǎn)速下力矩不但不會下降，反而有所增加；由于 TB6560AHQ 芯片可承受峰值 40V 的驅(qū)動電壓、峰值 的電流，為電機在大力矩、高轉(zhuǎn)速下持續(xù)運行提供了的技術(shù)保障。 （ 2）支持各種步進電機選型：客戶可選擇力矩稍大的的混合式或永磁式步進電機，使電機工作在最大轉(zhuǎn)矩的百分之 30 至 50 之間，電機成本幾乎不 變；芯片提供大電流設(shè)置和多檔電流衰減模式，支持相同動力指標下各種不同參數(shù)的步進電機。 （ 3）嵌入式驅(qū)動器體積小巧易散熱：大電流驅(qū)動時，芯片的散熱面便于外連散熱器，也可以直接連接在用戶原有控制器金屬殼體上，嵌入式驅(qū)動器體積小巧、易于散熱。 總之，因 TB6560AHQ 芯片集成度很高，外圍電路極其簡單，可靠性極高，支持 57和部分 86 步進電機從每分鐘幾十到近千轉(zhuǎn)的寬調(diào)速應(yīng)用，可使數(shù)控設(shè)備研發(fā)成本和生產(chǎn)成本雙雙下降。 綜上，本次設(shè)計的步進電機工作狀態(tài)為低轉(zhuǎn)速狀態(tài)， 傳統(tǒng)的集成芯片驅(qū)動因為較低的細分或?qū)е抡饎颖容^大，從而 影響到整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，而步進電機驅(qū)動芯片卻能很好的完成所需要的功能 。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第 9 頁，共 42 頁 3 系統(tǒng)機械部分的設(shè)計計算 步進電機的選擇與計算 本次設(shè)計主要是設(shè)計一個可行的 Z軸電機驅(qū)動顯微鏡載物臺的機械結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的電機驅(qū)動電路，而顯微鏡是一種比較精密的儀器設(shè)備，載物臺的上下移動對于位置精度的要求比較高，而且 對于電機的啟動、制動、反轉(zhuǎn)有較高的要求。 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 綜上所述：步進電機能夠通過精確的轉(zhuǎn)動角度來達到控制載物臺升降的行程，并且具有瞬時啟 動和急速停止特性，雖然從設(shè)計上來說伺服電機也能夠滿足設(shè)計的要求，但是因為伺服電機的成本比較高，因此選用步進電機電機能夠比較適合本次設(shè)計的要求。 本系統(tǒng)的目的主要是實現(xiàn)顯微鏡 Z 軸方向的上下移動動作，通過普通的齒輪齒條即可實現(xiàn)，由于顯微鏡物鏡臺有一定的重量，因此在選取步進電機的時候主要考慮到了步進電機的扭矩要符合系統(tǒng)要求。 圖 系統(tǒng)的概念圖 如 圖 所示，通過控制步進電機的轉(zhuǎn)動帶動物鏡平臺的上升下降。 假設(shè)整個載物臺的重量約為 10kg， 所選擇的齒輪分度圓直徑 d1 為 20mm（由于顯步進電機 物鏡 平臺 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第 10 頁，共 42 頁 微鏡的大小限制，齒輪不能太大）， 步進電機帶動載物臺上升所需的扭矩為： T= mg*d1/2 =10 kg * 20mm /2 = 1N*m 而在實際使用中 d1 的 大小應(yīng)該小于 20mm，重力加速度也小于 10，所以整個系統(tǒng)所需的扭矩小于 1N*m，用 57 步進電機即可滿足系統(tǒng)要求，其主要參數(shù)如表格所示。 表 57 步進電機參數(shù) 型號 相數(shù) 步距角 保持轉(zhuǎn)矩 額定電流 相電感 相電阻 定位轉(zhuǎn)矩 電機重量 機身長 57HS09 2 176。 54mm 聯(lián)軸器的選擇與計算 聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。一般動力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接。 聯(lián)軸器的種類繁多， 根據(jù)聯(lián)軸器對各種位移有無補償能力，聯(lián)軸器可以分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩大類。撓性聯(lián)軸器又可以按是否具有彈性元件分為兩類。 聯(lián)軸器的一般選擇步驟如下： 根據(jù)機器的工作條件和使用要求選擇合適的類型，再按軸徑 ，計算轉(zhuǎn)矩以及軸的轉(zhuǎn)速，選取相應(yīng)的產(chǎn)品型號，最后對其經(jīng)行校核計算。 本系統(tǒng)選擇的聯(lián)軸器為梅花形聯(lián)軸器，特點有： 1. 結(jié)構(gòu)簡單，檢查、安裝方便； 2. 兩頭固定端為硬質(zhì)鋁合金，中間為 聚胺脂彈性體，連接 緊湊無間隙 ； 3. 抗油及電氣絕緣性 ； 4. 順時針和逆時針回轉(zhuǎn)特性完全相同 ； 5.可吸收震動、補償徑向、角向和軸向偏差 ； 6. 抱緊式或止付螺絲固定式聯(lián)結(jié)。一體化設(shè)計，常用于機床、升降平臺，步進伺服系統(tǒng)，主軸傳動。 具體參數(shù)如 表 所示： 表 聯(lián)軸器參數(shù) D L D1 D2 L1 M 額定扭矩 最大扭矩 最高轉(zhuǎn)速 25mm 30mm 510mm 510mm 4mm 34 3Nm 10000rpm 如上表所示，聯(lián)軸器的參數(shù)符合系統(tǒng)的要求。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第 11 頁，共 42 頁 齒輪齒條的設(shè)計與計算 經(jīng)過對系統(tǒng)的工作過程的詳細分析，結(jié)合做選用的步進電機驅(qū)動芯片和齒輪齒條機構(gòu)，由于系統(tǒng)要求顯微鏡的調(diào)焦精度為 ， 本次設(shè)計選用步進電機的步距角為 度， 因為顯微鏡是比較精密的儀器設(shè)備， 本系統(tǒng)下步進電機處于低速運動狀態(tài)，如果采取整步驅(qū)動，步進電機會抖動，系統(tǒng)的工作噪音會比較大， 所以步進電機采用 16細分從而得到較高的控制 精度與穩(wěn)定性，從而 有 176。 /16= 176。 ， 齒輪的 分度圓直徑設(shè)計為 60mm，則有步進電機沒接收到一個脈沖所走的距離為 ??60???? =????，若要走 ，大概要給步進電機 8 個脈沖 即可。 齒條 材料的選擇 因為本系統(tǒng)的齒輪齒條傳動屬于低速輕載的傳動機構(gòu)，為了降低傳動過程的噪音，對于小齒輪才用非金屬材料，但因為本次設(shè)計采用的是齒輪帶動齒條的方式，非金屬材料不太合適，而為了使齒輪具有足夠的抗磨損及抗點蝕的能力，齒面的硬度應(yīng) 為 250— 350HBS 之間，因此選用調(diào)質(zhì)的 45 號鋼即可滿足要求。 1. 壓力角的選擇 由機械原理可知，增大壓力角，輪齒的厚度及節(jié)點處的齒廓曲率半徑亦隨之增加，有利于提高齒輪傳動的彎曲強度和接觸強度。因本設(shè)計用到的齒輪齒條對于強度要求不是很高，因此采用標準壓力角α =25176。 即可。 2. 齒數(shù) z的選擇 若保持齒輪傳動的中心距不變，增加齒數(shù)能夠增加重合度，改善傳動的平穩(wěn)性，而本設(shè)計對齒輪齒條傳動的平穩(wěn)性要求較高，因此齒輪的齒數(shù)選用較大的 值 z=60 。 3. 齒寬系數(shù)的選擇 輪齒越寬，承載能力越強，而本設(shè)計的齒輪對于強度要求不高，因此 φ d=b/d1=1 即可。 齒輪齒條的強度計算跟齒輪的強度計算方法相似，一般齒輪齒條的線速度都不是很好， 因此 主要計算其齒根彎曲疲勞強度 。 按齒根彎曲強度計算設(shè)計： 齒根彎曲強度的設(shè)計公式 如 31 所示。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第 12 頁，共 42 頁 m≥ √2KT1φdz12(YFaYSa[σF])3 （ 3— 1） 1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 由機械設(shè)計手冊查得齒輪的彎曲疲勞強度為 σ FE=380MPa； 2） 由機械設(shè)計手冊查得齒輪的 疲勞壽命系數(shù)為 KFN=； 3）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=，查機械設(shè)計手冊得： [σ F]=?????? ???????? = ?????? = ?????? 4） 計算載荷系數(shù) K = ???????????????????? = 1 1 = 5）查取齒形系數(shù) YFa= 6）查取應(yīng)力校正系數(shù) YSa= 7）計算 m ≥ √23 1031 602 3???? = ???? 因此選取齒輪得模數(shù)為 1。 齒輪幾何參數(shù)的計算： 模數(shù)： m=1 壓力角： α =20176。 齒數(shù)： z=60 分度圓直徑： d = mz = 1 60mm = 60mm 齒頂高： ??? = ha? ??? = 11 = 1???? 齒根高： ??? = (???? +???)??= (1+)1 = ???? 齒高： h = ??? +??? = 1 + = ???? 齒頂圓直徑： ???? = ??1 +2??? = 60+ 21 = 62???? 齒根圓直徑： ???? = ??1 ?2??? = 60?2 = ???? 基圓直徑： ???? = ??1 cos20176。 = 60 cos20176。 = ???? 齒頂圓壓力角： ???? = cos?1 ????????= cos?1 = 176。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第 13 頁，共 42 頁 1. 齒條的基本參數(shù)設(shè)計 根據(jù) 齒輪齒條的嚙合特點： (1)齒輪的分度圓永遠與其節(jié)圓相重合，而齒條的中線只有當標準齒輪正確安裝時才與其節(jié)圓重合。 (2)齒輪與齒條的嚙合角永遠等于壓力角。 因此，齒條的模數(shù) m=1；壓力角α =20176。 2. 齒條的幾何參數(shù)計算 表 齒條的參數(shù)表 項目 代號 計算結(jié)果 /mm 分度圓直徑與齒條運動速度的關(guān)系 ??1 =60000??????1 分度圓直徑 d 60 齒頂高 ha 1 齒根高 hf 齒高 h 齒頂圓直徑 da 62 齒根圓直徑 df 齒距 P 齒輪中心到齒條基準線距離 H 30 基圓直徑 db 齒頂圓壓力角 α a 端 面重合度 ε a 縱向重合度 ε β 0 總重合度 ε γ 當量齒數(shù) zw 注： ， x1 為 0 —— 齒輪轉(zhuǎn)速， r/min； υ —— 齒條速度， m/s。 3. 齒條的長度設(shè)計 本次 設(shè)計的要求顯微鏡 Z軸能夠升降 300mm 的距離，而齒條的齒距為 ，當有 101 個齒時齒條能能移動的距離約為 314mm，為了能有足夠的余量，齒條的齒數(shù)選為 121個。加上齒條兩端空余的部分，齒條設(shè)計長度為 350mm。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第 14 頁，共 42 頁 齒輪軸以及軸承的選用及設(shè)計 最小直徑 公式如 32所示。 d ≥ ??0√ ????(1???4)3 （ 3— 2） 查機械設(shè)計手冊得： 45 號鋼的 A0 取值范圍為 126~103，取 A0 為 116；則有 d ≥ 116√ 1510?3 (1?) = ???? 如圖 所示： 圖 齒輪軸 因為本系統(tǒng)的負載較小，對于軸承基本都能夠滿足相應(yīng)的要求，因此查機械設(shè)計手冊的合適型號的軸承即可滿足要求。 本次設(shè)計選用的軸承為： 7001C（ GB/T2921994） 基本參數(shù)： 內(nèi)徑 d=12mm，外徑 D=28mm，寬度 B=8mm 基本額定載荷 Cr = ， C0r = 極限轉(zhuǎn)速：脂 18000r min? ，油 26000r min? 系統(tǒng)其他零件的選用 本次設(shè)計有兩處需要選用鍵進行周向定位，本次設(shè)計均采用圓頭普通平鍵（ A 型）。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙第 15 頁，共 42 頁 軸徑為 10mm，選用 b*h=3*3 的普通 圓頭 平鍵即可 ，長度 10mm。 σ?? = 2??103