【文章內(nèi)容簡介】 位置(直線位移)，并將其與CNC裝置計(jì)算出的指令位置(或位移)相比較，用差值進(jìn)行控制。這類控制方式的位置控制精度很高，但由于它將絲杠、螺母副及機(jī)床工作臺(tái)這些大慣性環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內(nèi)，調(diào)試時(shí)，其系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)試比較麻煩。高檔精密機(jī)床使用。 數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床組成機(jī)床本體的各機(jī)械部件組成。 閉環(huán)控制系統(tǒng)消除傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)間隙，提高傳動(dòng)剛度，減少運(yùn)動(dòng)件的摩擦阻力，減小運(yùn)動(dòng)慣量，系統(tǒng)要有適當(dāng)阻尼，提高系統(tǒng)傳動(dòng)件傳動(dòng)精度。根據(jù)需求，并且考慮到經(jīng)濟(jì)的效益，故選擇開環(huán)控制系統(tǒng)。 選擇控制電機(jī)控制電機(jī)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)矩、位移速度、理論定位精度、工作行程和載荷大小來確定，常用的控制電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)（又分為同步交流和異步交流）。步進(jìn)電機(jī)好控制，也可以做伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能做一比較?？刂品绞讲煌竭M(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵的作用原理將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)，發(fā)一個(gè)脈沖電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角（走一步）；而伺服電機(jī)是一種內(nèi)部有位置或速度反饋的電機(jī)，是將控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的角位移，或線位移的一種電機(jī)?？刂菩盘?hào)電壓的大小與電機(jī)轉(zhuǎn)過的角位移或線位移的大小存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系?？刂凭炔煌?76。、176。，176。、176。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。低頻特性不同步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半，這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)，一般采用阻尼技術(shù)來克服低頻震動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低數(shù)時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。矩頻特性不同步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩雖轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600ＲＰＭ。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在于其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。過載能力不同步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取交大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)性能不同步進(jìn)電機(jī)的控制一般為開環(huán)控制（也可用于閉環(huán)控制），啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)或速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。速度響應(yīng)性能不同步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速停止的控制場合。綜上所述交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。由于我們設(shè)計(jì)的CNC二維工作平臺(tái)速度低，要求也不高，所以，這里我們選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。下面著重介紹步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，且是數(shù)字控制系統(tǒng)中一種執(zhí)行原件，其功用是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移。步進(jìn)電機(jī)是關(guān)系到數(shù)控機(jī)床加工精度和加工速度等性能的關(guān)鍵性元件。步進(jìn)電機(jī)分為三種：永磁式（ＰＭ），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，176?；?5176。反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，176。，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰。混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相，176。176。這種步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最廣泛。控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的基本要求：——在一定的速度范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)能穩(wěn)定的運(yùn)行，輸出軸轉(zhuǎn)過的步數(shù)必須等于輸入的脈沖數(shù)，不能“失步”。——每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，輸出軸所轉(zhuǎn)過的角度或前進(jìn)的距離稱為步距角，該值小而高，能保證控制系統(tǒng)的精度?！试S脈沖頻率高，這樣才能動(dòng)作迅速，減少輔助工時(shí)，提高生產(chǎn)效率，但脈沖頻率不宜過高，否則轉(zhuǎn)矩將變小。步進(jìn)電機(jī)的基本特點(diǎn)：——步進(jìn)電機(jī)不是恒定通電，而是按一定的方式輪流通電，是通過“環(huán)形分配器”來實(shí)現(xiàn)的。——反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)可以按指令進(jìn)行角度控制，也可以進(jìn)行速度控制，這對(duì)本設(shè)計(jì)很重要，可以實(shí)現(xiàn)程序定位?！磻?yīng)式步進(jìn)電機(jī)無自鎖能力，為保證步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子能停在最后一個(gè)脈沖信號(hào)的角位移終點(diǎn)位置上采用帶電定位方法（電磁制動(dòng)裝置）。——步距角越小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性越好，Ts（最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩）越接近Tmax（最大靜轉(zhuǎn)矩）。——可選擇不同的步距角（改變通電方式即可）。CNC工作臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)（包括X向和Ｙ向）我們選擇混合式步進(jìn)電機(jī)，采用帶電定位（電磁制動(dòng)裝置），步距角的選擇要結(jié)合理論定位精度δ和絲杠來確定，脈沖頻率可查電機(jī)的有關(guān)參數(shù)，再根據(jù)轉(zhuǎn)速確定。由于電機(jī)的選擇與要結(jié)合絲杠，所以具體的參數(shù)設(shè)計(jì)將在絲杠設(shè)計(jì)時(shí)一起進(jìn)行。（倒數(shù)第三頁里有東東）電動(dòng)機(jī)所需工作功率為：；工作機(jī)所需功率為：；傳動(dòng)裝置的總效率為：；傳動(dòng)滾筒 滾動(dòng)軸承效率 閉式齒輪傳動(dòng)效率 聯(lián)軸器效率 代入數(shù)值得：所需電動(dòng)機(jī)功率為：略大于 即可。選用同步轉(zhuǎn)速1460r/min ；4級(jí) ；型號(hào) 取滾筒直徑（1）總傳動(dòng)比(2)分配動(dòng)裝置各級(jí)傳動(dòng)比取兩級(jí)圓柱齒輪減速器高速級(jí)傳動(dòng)比則低速級(jí)的傳動(dòng)比 電機(jī)端蓋組裝CAD截圖 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)1按傳動(dòng)方案，選用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)。2絞車為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用7級(jí)精度（GB 1009588）。3材料選擇。由表101選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280 HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240 HBS，二者材料硬度差為40 HBS。4選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。取5初選螺旋角。初選螺旋角由《機(jī)械設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)計(jì)算公式（1021）進(jìn)行試算，即（1）試選載荷系數(shù)1。（2）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版圖1030選取區(qū)域系數(shù)。（3）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版圖1026查得，則。（4）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。（5）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版表107 選取齒寬系數(shù)（6）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版表106查得材料的彈性影響系數(shù)（7）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版圖1021d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 。13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。（9）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版圖（1019）取接觸疲勞壽命系數(shù)。 。（10）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版式（1012）得（11）許用接觸應(yīng)力（1）試算小齒輪分度圓直徑===（2）計(jì)算圓周速度（3）計(jì)算齒寬及模數(shù) ==2mmh==（4）計(jì)算縱向重合度=（5）計(jì)算載荷系數(shù)K。已知使用系數(shù)根據(jù)v= m/s,7級(jí)精度，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版圖108查得動(dòng)載系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版表104查得的值與齒輪的相同，故由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版圖 1013查得由《機(jī)械設(shè)計(jì)》=（6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑，由式（1010a）得（7）計(jì)算模數(shù) 由式（1017）（1）計(jì)算載荷系數(shù)。 =（2）根據(jù)縱向重合度 ，從《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版圖1028查得螺旋角影響系數(shù)（3）計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)。（4）查齒形系數(shù)。由表105查得（5）查取應(yīng)力校正系數(shù)。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版表105查得（6）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版圖1024c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ；大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限 ；（7）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版圖1018取彎曲疲勞壽命系數(shù) ，；（8）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力。取彎曲疲勞安全系數(shù)S＝,由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第八版式（1012）得（9）計(jì)算大、小齒輪的 并加以比較。=由此可知大齒輪的數(shù)值大。對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù) 大于由齒面齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 的法面模數(shù)，取2，已可滿足彎曲強(qiáng)度。但為了同時(shí)滿足接觸疲勞強(qiáng)度， 來計(jì)算應(yīng)有的齒數(shù)。于是由取 ，則 取 a=將中以距圓整為141mm.因值改變不多，故參數(shù)、等不必修正。、小齒輪的分度圓直徑圓整后取.低速級(jí)取m=3。由 取圓整后取表 1高速級(jí)齒輪：名　　稱代號(hào)計(jì) 算 公 式 　　　小齒輪大齒輪模數(shù)m22壓力角2020分度圓直徑d=227=54=2109=218齒頂高齒根高齒全高h(yuǎn)齒頂圓直徑表 2低速級(jí)齒輪：名　　稱代號(hào)計(jì) 算 公 式 　　　小齒輪大齒輪模數(shù)