【文章內(nèi)容簡介】 工業(yè)計算機或 PC 機）通過控制軟件對電機控制卡進 行讀寫操作，可向控制卡發(fā)送位置、速度、加速度命令。 步進電機控制卡：控制卡根據(jù)主機的命令產(chǎn)生脈沖序列，脈沖個數(shù)（位 置） 、頻率（速度）及頻率變化率（加速度）均受主機控制。 步進電機驅(qū)動器：步進電機驅(qū)動器根據(jù)接收到的脈沖信號，產(chǎn)生多拍節(jié) 脈沖驅(qū)動信號控制步進電機旋轉(zhuǎn)。 9 山東建筑大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 2． 3 開環(huán)運動控制系統(tǒng) X 向滾動直線導(dǎo)軌副 1. 各滾動載荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝ 130*＝ 2. 將目標(biāo)壽命換算為 km 壽命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，開機率 80%計 17 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 算，預(yù)期壽命時數(shù) L h ＝ 10*300*2*8*＝ 38400 h L= 2ls ns *60 Lh /103 ＝ 2**5*60*38400/10 3 ＝ 6912km ls —— 最大行程 3． 額定動載荷 查表得 f t ＝ 1， f c ＝ ， f a ＝ ， f w ＝ 1，取 f h ＝ 1。 額定動載荷 ca ≥ f w pc 1* 3 6912 L *3 ＝ ＝ f h ft f c f a K 1*1** 50 查表選用 GGB16AA2P 1 2*1000*E 直線滾動導(dǎo)軌副， 該導(dǎo)軌副的 ca ＝ , coa ＝。 向滾動直線導(dǎo)軌副選擇 1． 各滾動載荷 P 1 = P2 = P3 = P4 ＝ 130*＝ 2． 將目標(biāo)壽命換算為 km 壽命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，開機率 80% 算， 預(yù)期壽命時數(shù) L h ＝ 10*300*2*8*＝ 38400h L= 2ls ns *60 Lh /103 ＝山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 7 2**5*60*38400/10 3 ＝ 6912km ls —— 最大行程 3． 額定動載荷 18 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 查表得 f t ＝ 1， f c ＝， f a ＝ ， f w ＝ 1，取 f h ＝ 1。 額定動載荷 ca ≥ f w pc 1* 3 6912 L *3 ＝ ＝ f h ft f c f a K 1*1** 50 查表選用 GGB16AA2P 1 2*1000*E 直線滾動導(dǎo)軌副， 該導(dǎo)軌副的 ca ＝ , coa ＝ 要實現(xiàn)對 XY 工作臺的開環(huán)控制，即位置控制和速度控制，也就是要實現(xiàn)對其驅(qū)動裝置步進電機的位移和速度控制。 步進電動機，也叫脈沖電動機或電脈沖馬達，是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換 成相應(yīng)的角位移或線位移的控制電機。 對步進電機送入一個控制脈沖，其轉(zhuǎn) 軸就轉(zhuǎn)過一個角度或者移動一個直線位移，稱為一步。脈沖數(shù)增加，角位移 （或線位移）隨之增加；脈沖頻率高，則步進電機的旋轉(zhuǎn)速度就高，反之則 低；脈沖頻率變化越快，步進電機的加速度越大，反之越?。环峙涿}沖的相 序改變后，步進電動則反轉(zhuǎn)。 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)主要用于開環(huán)位置控制，它由兩大部分組成，即：步 進電機 +驅(qū)動器，如圖 24 所示。 圖 24 步進電機驅(qū)動系統(tǒng) 在上圖中控制系統(tǒng)還不完整，還要有脈沖信號源整個步進電機系統(tǒng)才能運轉(zhuǎn)起來。 圖 25 完整的步進電機驅(qū)動系統(tǒng) 在實際中，步進電機驅(qū)動器要求的控制信號要復(fù)雜一些，舉例如 26 所示： 圖 26 驅(qū)動器的控制 信號 驅(qū)動器要求的脈沖信號一般為 TTL 電平兼容的方波信號， 而步距角選擇 和電機使能信號為 TTL 電平信號，如圖 27 所示 。 步進電機旋轉(zhuǎn)的脈沖信號 用普通脈沖頻率發(fā)生器可對步進電機進行速度控制（手工調(diào)節(jié)脈沖頻率 輸出旋鈕） ，但它不能精確控制所輸出的脈沖數(shù)，也就不能精確控制步進電 機的旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)應(yīng)用需要，我們選用了 NI 公司的 MotionControl 系列的 步進控制板卡 PCI－ 7314 組成給更復(fù)雜的步進電機控制系統(tǒng)，見圖 28。 步進電機控制 PC 總線 上 位 AC 電源 機 脈沖信號 步進電機 步進電機控制卡 圖 28 完整的步進電機控制系統(tǒng) 上述系統(tǒng)再加上 XY 工作臺就構(gòu)成了工作臺的開環(huán)運動控制系統(tǒng)。 8 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 圖 21 XY 工作臺的開環(huán)運動控制系統(tǒng) 上位機：上位機（工業(yè)計算機或 PC 機）通過控制軟件對電機控制卡進 行讀寫操作，可向控制卡發(fā)送位置、速度、加速度命令。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 8 步進電機控制卡：控制卡根據(jù)主機的命令產(chǎn)生脈沖序列，脈沖個數(shù)（位 置） 、頻率（速度）及頻率變化率（加速度）均受主機控制。 步進電機驅(qū)動器：步進電機驅(qū) 動器根據(jù)接收到的脈沖信號，產(chǎn)生多拍節(jié) 脈沖驅(qū)動信號控制步進電機旋轉(zhuǎn)。 9 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 章 雙坐標(biāo)運動控制系統(tǒng)的機械系統(tǒng)設(shè)計 3． 1 滾珠絲杠副的選擇 X 向滾珠絲杠副的選擇 XY 工作臺的機械傳動的關(guān)鍵部分采用滾珠絲杠副和滾動直線導(dǎo)軌副。 滾珠絲杠副和滾動直線導(dǎo)軌副，具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、結(jié) 構(gòu)緊湊、通用性強等優(yōu)點。在下面的章節(jié)中主要是對此進行設(shè)計與計算。 滾珠絲杠摩擦系數(shù) ? ＝ ， X 向工作臺在 Y 向工作臺上滾動，設(shè)二 者質(zhì) 量分別為 mx ＝ 30kg， my ＝ 30kg，設(shè)工作臺上所放物體的最大質(zhì)量 m＝ 50kg。 在該部分的設(shè)計中 ,工作臺 X， Y 方向的行程均為 300mm，最高運行速度 v＝ 2m/min；我們設(shè)進給時 X， Y 向速度相等；工件重量為 50kg,選用滾動直 線導(dǎo)軌，滾動摩擦系數(shù) μ ＝ 。兩個方向的行程均較短，位置精度較低， 故滾珠絲杠副預(yù)選采用一端固定一端游動支承方式，絲杠精度為 1～ 3 級， 絲杠螺母副材料硬度 HRC58－ 60， 工作溫度小于 100 0 C ， 可靠性要求為 96%。 1. 絲杠載荷 F 導(dǎo)軌摩擦力 絲杠載荷 F f ＝ μMg ＝ *（ 30＋ 50） * = N Fa ＝ F f ＝ N 10 山東建筑大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 2. 絲杠轉(zhuǎn)速 nmax 絲杠最大轉(zhuǎn)速 nmax ＝ v/s＝ v/ Ph ＝ 2020/5 = 400r/min 其中，v＝ 2m/min 為絲杠最大移動速度， Ph ＝ 5mm 為絲杠導(dǎo)程。 3. 初選滾珠絲杠副 （ 1）計算動負荷 caj = Kh Fa = * = Kn f∑ * （ 2）壽命 Lh 由工作條件查得 （ 3）綜合系數(shù) f ∑ Lh ＝ 15000h， K h ＝， K n ＝ f∑ = ft f h f a f k 1*1*1* = = fw 查表得： f t ＝ 1， f h ＝ 1， f a ＝ 1 ， f w =, f k ＝ （ 4）滾珠絲杠副的型號 選用 FFZD 型內(nèi)循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副， 其型號為： FFZD2020，額定動負荷 ca ＝ 9 KN ；預(yù)緊力 F0 = ca ＝ 1 Fa ，滿足要求。 3 2250N 4． 絲杠螺紋部分長度 lu lu =工作臺最大行程＋螺母長度＋兩端余量， lu ＝山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 9 300+100+2*24＝ 448 mm 5． 支承距離 l 支承距離 l 應(yīng)該大于絲杠螺紋部分長度 lu ，選取 l ＝ 540 mm 11 山東建筑大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 6． 臨界轉(zhuǎn)速 nc 校核 f22 * d2 2 * nc = 9910 = 9910 = 13941r / min nmax ， 滿 足 要 Lc 2 求。 （ 1）絲杠底徑 d 2 ：查表得 d 2 ＝ mm＝ m （ 2）支承方式系數(shù) f 2 ，查表得 f 2 ＝ (3)臨界轉(zhuǎn)速計算長度 Lc Lc = 100 540 ? 448 + 300 + 24 + = 424mm = 2 2 7．壓桿穩(wěn)定性校核 臨界壓縮載荷 Fc ＝ *10 10 * f1d 24 =*10 10 *2* / 2 =*10 4 N L2 0 (1)絲杠支承方式系數(shù) f 1 (2)最大受壓長度 L 0 查表得 f 1 ＝ L 0 ≈ （ ～ ）行程＋（ 10～ 14） Ph 取 L 0 ＝ 行程＋ 12 Ph ＝*300+12*5＝ 381 mm＝ m 8．預(yù)拉伸計算 9．軸承的選擇 查表，固定端采用 F 型軸端，軸承型號 36203，角接觸球軸承需成對使 用，故固定端裝兩個軸承，面對面安裝，游動端采用 A 型軸端，軸承 FS 支承形式，無需預(yù)拉伸，因而不必進行預(yù)拉伸計算。 12 山東建筑大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教 育學(xué)院畢業(yè)論文 型號 202。 10. 定位精度校核 (1)絲杠在拉壓載荷下的最大彈性位移 δ s max = Fa l π *106 = * /(4* * * *1011 ) *106 ＝ 4 AE 4 ? m (2)絲杠與螺母間的接觸變形 δc = Fa ＝ ＝ ? m Kc 查表得 FFZD2020 型滾珠絲杠副的接觸剛度： K c ＝ 536 N/ ? m (3)軸承的接觸變形 δ B 軸向彈性變形 δ B ＝ * 3 Fa2 =* 3 =*10 ?4 mm＝ ? m Dw Z 2 4*132 滾珠數(shù)目 Z=13 (4)絲杠系統(tǒng)的總位移 δ = δ s max + δ c + δ B ＝ ++ ＝ ? m （ 5）定位精度 δ s max 發(fā)生在螺母處于絲杠中部的地方， δ c 和 δ B 與螺母的位置無 13 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 關(guān)。查表，取絲杠精度等級為 3 級，任意 300mm 的行程公差為 8 ? m ， 加上絲杠系統(tǒng)的總位移 ? m ， 位置誤差為 ? m ， 能滿足 的定位精度要求。 Y 方向滾珠絲杠副的選擇 1．絲杠載荷 F 導(dǎo)軌摩擦力 絲杠載荷 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 10 2. 絲杠轉(zhuǎn)速 nmax 絲杠最大轉(zhuǎn)速 nmax ＝ v/s＝ v/ Ph ＝ 2020/6= r/min F f ＝μMg ＝ *（ 30+30+50） *= N Fa ＝ Ff ＝ N 其中， v＝ 2m/min 為絲杠最大移動速度， Ph ＝ 5mm 為絲杠導(dǎo)程。 3. 初選滾珠絲杠副 （ 1）計算動負荷 caj = Kh Fa = * = N Kn f∑ * （ 2）壽命 Lh 由工作條件查得 （ 3）綜合系數(shù) f ∑ Lh ＝ 15000h， K h ＝， K n ＝ f∑ = ft f h f a f k 1*1*1* = = fw 查表得： f t ＝ 1， f h ＝ 1， f a ＝ 1 ， f w =, f k ＝ （ 4）滾珠絲杠副的型號 選用 FFZD 型內(nèi)循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊 片預(yù)緊滾珠絲杠副， 14 山東建筑大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 其型號為： FFZD2020，額定動負荷 ca ＝ 9 KN ；預(yù)緊力 F0 = ca ＝ 1 Fa ，滿足要求。 3 2250N 4． 絲杠螺紋部分長度 lu lu =工作臺最大行程＋螺母長度＋兩端余量， lu ＝300+100+2*24＝ 448 mm 5. 支承距離 l 支承距離 l 應(yīng)該大于絲杠螺紋部分長度 lu ，選 l ＝ 540 mm 6． 臨界轉(zhuǎn)速 nc 校核 nc = 9910 f22 * d2 2 * = 9910 = 13941r / min nmax ， 滿 足 要 Lc 2 求。 （ 1）絲杠底徑 d 2 ： 查表得 d 2 ＝ mm＝ m （ 2）支承方式系數(shù) f 2 ，查表得 f 2 ＝ （ 3）臨界轉(zhuǎn)速計算長度 Lc ： Lc = 100 540 ? 448 + 300 + 24 + = 424mm = 2 2 7. 壓桿穩(wěn)定性校核 臨界壓縮載荷 Fc ＝ *10 10 * *10 4 N f1d 24 =*10 10 *2*（ 1）支承方式系數(shù) f 1 （ 2）最大受壓長度 L 0 查表得 f 1 ＝ L 0 ≈ （ ～ ）行程＋（ 10～ 14） Ph 取 L 0 ＝ 行程＋ 12 Ph ＝ *300+12*5＝ 381mm＝ 8. 預(yù)拉伸計算 9. 軸承的選擇 查表，固定端采用 F 型軸端，軸承型號 36203，角接觸球軸承需成對使 用，故固定端裝兩個軸承，面對面 安裝，游動端采用 A 型軸端，軸承 型號 202。 10. 定位精度校核 （ 1）絲杠在拉壓載荷下的最大彈性位移 FS 支承形式，無需預(yù)拉伸，因而不必進行預(yù)拉伸計算。 δ s max = Fa l π *106 = * /(4* * * *1011 ) *106 ＝ 4 AE 4 ? m （ 2）絲杠與螺