【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》P25，其中， 為絲杠公稱直徑。 為絲杠底徑。m1d 取縱向進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L＝300mm，橫向進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L＝300mm。所以，縱向： ???＝＝? 橫向： m674??＝B．滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2?該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。其計(jì)算公式：有預(yù)緊時(shí) 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（217）P2332wm2DF01.?ZYJ＝?式中： 為滾珠直徑（mm） ； 為滾珠總數(shù)量 圈數(shù)列數(shù)；Z 為一圈的wD???廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 7 －滾珠數(shù)，3（內(nèi)循環(huán)） ； 為滾珠絲杠的公稱直徑（mm） ； 為滾珠絲杠的工wmDd/Z?＝ mdmF作載荷（kgf） ； 為預(yù)緊力（kgf，1kgf=） ，取工作載荷 的 1/3。YJF因?yàn)椋? ????＝圈數(shù)列數(shù)＝1933 ＝191??Z縱向： ??? 橫向： ?101J所以，縱向： .. 22 ＝＝ ?? 橫向： . ＝＝ ?因?yàn)闈L珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為工作載荷的 1/3 時(shí)， 值可減少一半左右。2?所以縱向和橫向： ＝ 。2?C．滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算絲杠的總的變形量 應(yīng)小于允許的變形量。一般 不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)21?＋＝ ?規(guī)定的定位精度值的一半。因?yàn)?，縱向： ??＝＋＝?橫向： ?＋＝機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的精度值為 ，其一半為 。所以，總的變形量和機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半小，故縱向和橫向的滾珠絲杠可以滿足要求。 壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作載荷過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 為KF 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（218）P242LEIfFZK??廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 8 －式中： I 為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面 （d 1為絲杠底徑） ；L 為絲杠最)(641mI??大工作長(zhǎng)度（mm） ；E 為材料彈性模量，對(duì)鋼 E＝10 4MPa； 為絲杠支承方式系Zf數(shù)。本設(shè)計(jì)中，絲杠為短絲杠，故支承方式選用一端軸向固定一端簡(jiǎn)支，即 ＝。Zf。)( mdI????所以，縱向： ???..024KF 橫向： ?? ...臨界載荷 與絲杠工作載荷 之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù) ，如果 大于許用穩(wěn)KFmFKnK定性安全系數(shù) ，則滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為??n 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（219）P24KmKF??一般取 ＝ ～4，考慮到絲杠自重對(duì)水平滾珠的絲杠的影響可取 4。??n ???Kn又因?yàn)?，縱向： ??????KmKn橫向： .所以，縱向和橫向的滾珠絲杠都不會(huì)失穩(wěn)。 滾珠絲杠螺母副的選擇 根據(jù)最大動(dòng)載荷選用，其代號(hào)為：MDT 16043P3由《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 212 查得 MDT 16043P3 的安裝連接尺寸(mm):公稱直徑 基本道程滾珠絲桿副規(guī)格 dm L0 D1 D D4 B D5 D6 h1604 16 4 28 52 38 11 10 廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 9 － 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 初選導(dǎo)軌型號(hào)及估算導(dǎo)軌長(zhǎng)度導(dǎo)軌為直線滾動(dòng)矩形導(dǎo)軌，本設(shè)計(jì)中共用 4 條導(dǎo)軌，每條導(dǎo)軌用 2 個(gè)滑塊，根據(jù)縱向最大動(dòng)載荷 C=,橫向最大動(dòng)載荷 C＝，通過查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 216 P33，初選 4 條導(dǎo)軌的型號(hào)都為 GDA20SV。其部分參數(shù)如下：mll60221?，根據(jù)工作臺(tái)的長(zhǎng)度和工作臺(tái)的行程，從《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 216 中查得公式。式中 為支座長(zhǎng)度； 為導(dǎo)軌兩孔之間的距離?？伤愕每v向?qū)к壍?1nll??ln＝10，橫向?qū)к壍?＝ 10。n估算出導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為：縱向進(jìn)給的導(dǎo)軌長(zhǎng)度為 640mm，橫向進(jìn)給的導(dǎo)軌為 640mm。 計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命 L滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命可用下列公式計(jì)算：滾動(dòng)體為球時(shí) 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（220）350???????WCTHafFLP30式中： 為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km） ； 為額定載荷（N） ，從《機(jī)電綜合a設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 210 查得 ＝12400N； 為硬度系數(shù)導(dǎo)軌面的硬度為 58～64HRC 時(shí)，aCHf＝ ； 為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過 1000C 時(shí)， ＝1； 為接觸系數(shù)，每HfTf TfCf根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí) ＝； 為載荷/速度系數(shù)，無(wú)沖擊振動(dòng)或CfWf時(shí)， ＝ 取 =。min/60v?Wf為每個(gè)滑塊的工作載荷（N） 。F縱向： ???橫向： 0m當(dāng)加工時(shí)，考慮到工作臺(tái)要承受工件的重量和銑削力等載荷，而這些載荷都通過工作臺(tái)直接作用滑塊上，故取縱向和橫向都為 F＝100N。所以，縱向和橫向：廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 10 － ???????????＝L大于滾動(dòng)導(dǎo)軌的期望壽命，滿足設(shè)計(jì)要求，初選的滾動(dòng)導(dǎo)軌副可采用。 伺服電機(jī)的驗(yàn)算 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算問題。最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本設(shè)計(jì)需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子,聯(lián)軸節(jié),絲杠,工作臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算DJ由《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 211 P34 查出,初選 P50B05020DXS, =㎏?cm 2DJ 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算LJ選用 TL1 聯(lián)軸器 (查《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》化學(xué)工業(yè)出版84324201??GBP666)，可查出它轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 ㎏?m 2，得出 ＝4㎏?cm 2。LJ 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算SJ查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 42 P119，得出 1m 長(zhǎng)的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為㎏?cm 2，縱向進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L＝300mm，橫向進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L＝300mm，所以滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量縱向： ==㎏?cm 2；橫向： ==㎏SJ SJ?cm2。 工作臺(tái)質(zhì)量 的折算G工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 可按下式進(jìn)行GJ計(jì)算： 見 《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式MLJG20)(??（26）P8式中， 為絲杠導(dǎo)程（cm） ； 為工作臺(tái)質(zhì)量（kg） 。0L所以，縱向： 2220 )( cmkgLJG ???????????廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 11 － 橫向： 2220 )( cmkgMLJG ??????????? 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 計(jì)算?J縱向： kgc?????橫向： 1341m?? 驗(yàn)算矩頻特性伺服電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 是指電機(jī)的瞬時(shí)失速力矩，從山洋伺服電機(jī)說(shuō)明書中查maxjM得 。伺服電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 與最大靜轉(zhuǎn)矩 的關(guān)系為：??? mqMmaxj maxjq?查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 217 P38 得 ＝。所以，????伺服電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。伺服電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（224）P270MKfaKq??式中： 為空載啟動(dòng)力矩（N?cm） ； 為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大ka快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加速力矩（N?cm） ； 為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦KfM力矩（N?cm） ； 為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 （N?cm） 。0有關(guān) 的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下：KqM 加速力矩 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（225）和（226）P37360102maxa 2maxpbKvntnJ????????式中： 為傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為電機(jī)最大角加速度； 為與運(yùn)動(dòng)部件?J?maxn最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t 為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 12 －的時(shí)間， 為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度； 為初選伺服電機(jī)的步距角； 為脈沖當(dāng)量。maxvb?p??????縱向： 2 cmt?? ??????橫向： 04706.??? 空載摩擦力矩 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》公式（227）iLfGkf??20?P38式中： 為運(yùn)動(dòng)部件的總重量； 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； 齒輪傳動(dòng)降速比； 為傳動(dòng)系數(shù)f? i?總效率，取 ＝； 為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。?0L縱向： cmMkf ?????橫向： f 47 附加摩擦力矩 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo) 》公式（228）??2022????iLFYJP38式中： 為滾珠絲杠預(yù)緊力； 為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取 ＝。YJ 0 0?縱向： ??cmM???????橫向： 015所以，伺服電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩：縱向： = c??????橫向： =?初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足伺服電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于伺服電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 13 － 見《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》P40mqKM?從上式可知，縱向和橫向的電機(jī)初步滿足要求。3 伺服電機(jī)控制原理 交流伺服電機(jī)介紹交流伺服電機(jī)一般由永磁同步電機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器、速度傳感器組成，交流伺服電機(jī)和它的驅(qū)動(dòng)器組成一個(gè)伺服系統(tǒng)。早期的交流伺服系統(tǒng)是一個(gè)典型的速度閉環(huán)系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)器從主控制系統(tǒng)接收電壓變化范圍為 ～ 的速度指令信號(hào)。maxU?a電壓從 變化到 的過程中，伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)從反轉(zhuǎn)最高速變化到零，然后再maxU?max變化到正轉(zhuǎn)最高速。但是，這種交流伺服系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的閉環(huán)控制，還不能直接實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制。要實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制，必須在電機(jī)和控制系統(tǒng)之間構(gòu)成一個(gè)位置環(huán)。為了適應(yīng)數(shù)字化控制的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)外一些廠家在九十年代初相繼推出了帶位置環(huán)的全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。不僅可以進(jìn)行位置的閉環(huán)控制，還使得交流伺服電機(jī)可以象伺服電機(jī)一樣易于控制，上位控制器可以是運(yùn)動(dòng)控制器、PLC 或者直接是 PC 機(jī)等。 交流伺服電機(jī)的控制模式以日本山洋公司的 Q 系列交流伺服系統(tǒng)為例，介紹這種交流伺服系統(tǒng)的控制原理。這種伺服系統(tǒng)可在驅(qū)動(dòng)器中由參數(shù) Pr02 設(shè)置為位置、速度和轉(zhuǎn)矩三種控制模式，現(xiàn)分述如下。 位置控制模式（Pr02=0）當(dāng)伺服系統(tǒng)處于位置控制時(shí)，控制系統(tǒng)給伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)是脈沖和方向信號(hào)。這一點(diǎn)和伺服電機(jī)的控制方式類似。其接口電路如圖 31 所示。 PULS1PULS2SIGN1SIGN2脈沖輸入方向輸入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器 內(nèi)部圖 31 交流伺服系統(tǒng)位置控制接口電路廣東海洋大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)XY 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng)－ 14 －指令脈沖的輸入方式可分為以下三種：1．正交脈沖指令頻率相同但相位相差 90176。的 A、B 兩相脈沖分別從 PULSPULS2 和 SIGNSIGN2送入伺服驅(qū)動(dòng)器。A、B 兩相脈沖的頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；脈沖數(shù)控制電機(jī)的角位移。2．CW/CCW 脈沖指令即單脈沖工作方式。脈沖信號(hào)通過 PULSPULS2 進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，則電機(jī)按 CW 方向旋轉(zhuǎn)。若通過 SIGNSIGN2 進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，則電機(jī)按 CCW 方向旋轉(zhuǎn)。脈沖頻率控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，脈沖數(shù)控制電機(jī)的角位移。3．脈沖+方向指令脈沖信號(hào)從 PULSPULS2 進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，脈沖頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)控制電機(jī)的角位移。方向信號(hào)從 SIGNSIGN2 進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，高低電平控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 速度控制模式（Pr02=1）在速度控制模式中，上位控制系統(tǒng)通過 SPD、GND 引腳給伺服驅(qū)動(dòng)器輸入一個(gè)－10V～＋10V 的模擬電壓，即可控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)從負(fù)向最大轉(zhuǎn)速到正向最大轉(zhuǎn)速之間的速度變化。電機(jī)轉(zhuǎn)速 和指令輸入電壓 之間呈線性關(guān)系。nV速度指令除了可以由外部模擬電壓來(lái)輸入外，還可以在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部用四個(gè)參數(shù)設(shè)置四種內(nèi)部速度。通過驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)開