【文章內(nèi)容簡介】 5 ) ] 7 62 1 7 6 . 6 5mz e n t ? ?? ? ? ? ? ???， 滿足要求。 3． 3． 7 計(jì)算基準(zhǔn)額定功率 基準(zhǔn)額定功率就是所選型號同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率，其計(jì)算公式如下： vmvTP a )( 20 ?? 式中： 0P — 單位為 W ； aT — 帶寬為 基準(zhǔn)帶寬 b時(shí)的許用工作拉力，單位 N， 如表 38 所示 ； m — 帶寬為 基準(zhǔn)帶寬 b時(shí)的單位長度質(zhì)量 （線密度） ，單位 mkg/ ； v — 同步帶線速度， 上述 中 已算出其值為 sm/ 。 表 38 同步帶基準(zhǔn)寬度下的許用拉力和線密度 帶型號 基準(zhǔn)帶寬 b/mm 許用拉力 /N 線密度 / 1??mkg XL L H 經(jīng)計(jì)算， 20 ( 2 1 0 0 . 8 5 0 . 4 4 2 . 3 8 ) 2 / 3 8 4 . 9 91000P k W k W? ? ??? 3． 3． 8 確定實(shí)際同步帶寬度 實(shí)際所需同步帶寬度 rb 的計(jì)算公式如下： 0 )( PKPbbzdr ? 式中： b — 選定型號的 基準(zhǔn)寬度 ， Ｈ 型其值為 ； zK — 小帶輪嚙合系數(shù)， 根據(jù) 《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表 322， 當(dāng) 6?mz C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 16 頁 共 40 頁 時(shí)，其值為 1。 經(jīng)計(jì)算得出： ?rb 2mm 。 根據(jù) 《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表 311，選定最接近的帶寬 ?rb )(mm ，若選擇雙邊擋圈，則 最小寬度 ?rb ，擋圈厚度為 2mm。 3． 3． 9 同步帶工作能力的驗(yàn)算 用下式來計(jì)算同步帶的額定功率 : vmvbbTKKP rawzr )( 2?? 式中： wK — 齒寬系數(shù)，其值為 )/( ?? bbK rw 。 zK — 小帶輪嚙合系數(shù)，取 1； 經(jīng)計(jì)算得出： 360 948rdP W P W? ? ?,所以滿足要求。 四 電動(dòng)機(jī)的選擇及 其 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長期以來一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，較高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。隨著永磁材料和工藝的發(fā)展，已將直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁部分用永磁材料代替，產(chǎn)生永磁直流電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，用電量少，所以目前在中小功率范圍內(nèi)運(yùn)用廣泛。 近年來，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以及新型電力電子功率元件的不 斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（ PWM）控制方式已成為主流，并作為其數(shù)字控制的基礎(chǔ)。如果 直流電機(jī)要求工作在正反轉(zhuǎn)場合，這時(shí)還需要使用可逆 PWM控制方式 ，其又分為單極性驅(qū)動(dòng)與雙極性驅(qū)動(dòng)兩種， 一般 大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng) 采用單極性驅(qū)動(dòng)方式。 電 動(dòng) 機(jī)的驅(qū)動(dòng) 離不開半導(dǎo)體功率器件 ， 在對直流電機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對半導(dǎo)體功率器件的使用上又可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)和開關(guān)驅(qū)動(dòng) ，由于前者在工作時(shí)有大量功率消耗在元器件上，致使效率很低，因此絕大多數(shù)直 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 17 頁 共 40 頁 流電機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式 ， 該方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開 關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制來控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 4． 1 縱向步進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)的計(jì)算與選型 4． 1． 1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下： ])2(/[1232210hzzPgGJJiJJJ ?????? 式中： 0J — 電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為 2cmkg? ，本設(shè)計(jì)初選 電機(jī) 值為15 2cmkg? ； 1zJ 、 2zJ — 同步帶帶 輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為 2cmkg? ； 4 4 21 1 17 .8 1 0 2 .1 4z z zJ D L k g c m?? ? ? ? ? 4 4 22 2 27. 8 10 16 .1 06z z zJ D L k g c m?? ? ? ? ? 1zD 、 2zL 分別為帶輪的 外 徑和寬度，單位為 cm ； 3J — 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取值為 2cmkg? ； g 、 hP — 分別為重力加速度，取 2/sm 和導(dǎo)程 hP ，其值換算為 。 計(jì)算得出： J = cm? 4． 1． 2 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 eqT 加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分為快速空載啟動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。 1) 快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 1eqT 由《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》式 48式可知 1eqT 包括三部分：快速空 載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 maxaT 、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí) 折 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 18 頁 共 40 頁 算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 fT 、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 0T 。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》式 412 式可知， 0T 相對于 maxaT 和 fT 很小，可以忽略不計(jì)。則有 1 m axeq a fT T T?? 根據(jù)式 49，考慮縱向傳動(dòng)鏈的總效率 ? =，計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：m a x2 160 eq ma aJnTt???? 其中 mn —— 對應(yīng)縱向空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，為 750r/min at —— 步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至 mn 轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間，為 其中： max360m vn ??? 式中 maxv —— 縱向空載最快移動(dòng)速度，為 3600mm/min ? —— 縱向步進(jìn)電機(jī)步距角，為 ? —— 縱向脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中為 帶入 max360m vn ???=750r/min。 將上面數(shù)值帶入m a x2 160 eq ma aJnTt????= m 由式 410 可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為 : ()2chf F G PT i? ???? 式中 ? —— 導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取 cF —— 垂直方向的負(fù)載，空載取 0 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 19 頁 共 40 頁 ? —— 縱向傳動(dòng)鏈總效率，取 將上面數(shù)據(jù)帶入 ()2chf F G PT i? ????= m 最后帶入 1 m axeq a fT T T??=２ .３０１ + m=２ .４７ N m 2） 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 2eqT 由式 413 可知 : 2eqT 包括三部分：折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩tT 、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 fT 、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 0T 。 0T 相對于 tT 和 fT 很小，可忽略不計(jì)。則有： 2eq t fT T T?? 其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 tT 由式 2fht FPT i??? 計(jì)算可得 tT = m 再由式 410 計(jì)算承受最大工作負(fù)載狀態(tài)下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： ()2chf F G PT i? ???? 將數(shù)值帶入上式得 fT = m 最后由式 2eq t fT T T??，求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 2eqT =+= m 經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩： eqT =max{ 1eqT ， 2eqT }= m 3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的是開環(huán) 控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降， C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 20 頁 共 40 頁 可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) eqT 來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： m a x 4 4 2 .4 7 9 .8 8j e qTT? ? ? ? ?N m 對于前面預(yù)選的 110BYG2602 型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由表 45 可知，其最大靜轉(zhuǎn)矩 maxjT =20N m，可見完全滿足上式的要求。 4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 ①最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定縱向最快工進(jìn)速度 maxfv =800mm/min，脈沖當(dāng)量 ? =，由式 416 求出電動(dòng)機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率 m a x 8 0 0 / ( 6 0 0 .0 1 ) 1 3 3 3ff H z H z? ? ? 從表 47 可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 maxfT = m，遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 eqT = m ，滿足要求。 ②最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定縱向最快空載移動(dòng)速度 m a xv = 3 6 0 0 m m /m in，仿照式 416 求出電動(dòng)機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率 m a x 3 6 0 0 / ( 6 0 0 .0 1 ) 6 0 0 0f H z H z? ? ? 從表 47可 以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 maxT =10 N m，大于快速空載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 1eqT = m，滿足要求。 ③ 最快空載移動(dòng)時(shí)電機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動(dòng)速度 m a x 3 6 0 0 m m /m inv= ，對應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率 maxf =6000Hz。查表 45 可知 110BYG2602 的極限運(yùn)行頻率為 20210Hz，可見沒有超出極限。 ④啟動(dòng)頻率的計(jì) 算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J = cm? ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量15mJ ? 2cmkg? ，查表 45 可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)最高空載啟動(dòng)頻率 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 21 頁 共 40 頁 qf =1800Hz，則由式 417 可以求出步進(jìn)電機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為： 1/qL mffJJ???783Hz 上式說明，要想保證步進(jìn)電機(jī)起步時(shí)不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于783Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)， 啟動(dòng)頻率選的很低，通常只有 100Hz。綜上所述，本例中縱向進(jìn)給系統(tǒng)選用 110BYG2602 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。 4． 2 同步帶傳遞功率的校核 分兩種工作情況，分別進(jìn)行校核。 （ 1）快速空載啟動(dòng) 電動(dòng)機(jī)從靜止到加速至 nm =750r/min， ，同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 1eqT = m,傳遞的功率為 1 / 9 .5 5 7 5 0 2 .4 7 / 9 .5 5 1 9 4m e qP n T W? ? ? ? （ 2）最大工作負(fù)載、最快工進(jìn)速度 帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩2eqT = m，任務(wù)書給定的最快工進(jìn)速度 m a x 8 0 0 / m infv m m? ，對應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 m a x m a x( / ) / 3 6 0ffn v a???160r/min， 傳遞的功率為 m a x 2 / 9 .5 5 1 9 .0 2f e qP n T W?? 可見，兩種情況下同步帶傳遞的負(fù)載功率均小于帶的額定功率 。因此選擇的同步帶功率合格。 5 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 5． 1 光電隔離電路 光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下 ,以光為煤介傳送信號 ,對輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離 .因而具有良好的電絕緣能力 并 能 夠 有效地抑制系統(tǒng)噪 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 22 頁 共 40 頁 聲，消除接地回路的干擾， 具 有響應(yīng)速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等 特點(diǎn)。光電隔離 在強(qiáng) 弱電接口 、 特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。 光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關(guān)信號（數(shù)字信號）的傳輸，不適合于 傳輸模擬量；線性光耦的電流傳輸手特性曲線接進(jìn)直線，并且小信號時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。 5． 2 單極性可逆 PWM 電路設(shè)計(jì) 可逆 PWM 電路分雙極性和單極性兩種，前者有低速運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在著電流波動(dòng)大，功率損耗大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)直通的危險(xiǎn)，限制了開關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電機(jī)的控制。由于本設(shè)計(jì)選用的直流電機(jī)功率較大，尤其是在啟動(dòng)加速時(shí)刻，故選擇后者。單極性驅(qū)動(dòng)又分 T型和 H型，以 H型應(yīng)用最多。一般對中大功率的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以用相應(yīng)的MOS 管和續(xù)流二級管（ 肖特基 管 ）搭建 H橋驅(qū)動(dòng)電路。使用 MOS