【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 求已選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)估算選擇好后進(jìn)行選用計(jì)算再?zèng)Q定。(5)選用計(jì)算從機(jī)械強(qiáng)度、加速時(shí)間、加速轉(zhuǎn)矩等各方面確認(rèn)所選電動(dòng)機(jī)的規(guī)格是否符合所有要求規(guī)格，然后決定所選電動(dòng)機(jī)是否被用。每一個(gè)電動(dòng)機(jī)機(jī)種要確認(rèn)的項(xiàng)目都不一樣，必須確認(rèn)選用的計(jì)算公式與選用重點(diǎn)。一般需要計(jì)算如下參量，進(jìn)行以下計(jì)算： ①計(jì)算減速比 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，減速比計(jì)算如下: (11) 式中 —步進(jìn)電機(jī)的基本步距角（必要分辨率）—絲桿螺距 —/脈沖 ②計(jì)算工作臺(tái)、絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量 （12） 式中 —折算至電機(jī)軸上的慣量﹑ —齒輪慣量（有減速機(jī)時(shí)才需要計(jì)算） —滾珠螺紋螺桿慣量 —工作臺(tái)重量 —滾珠螺紋螺桿螺距③計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩 （13）式中 —電機(jī)啟動(dòng)加速力矩 —導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 —切削力折算至電機(jī)力矩 （車(chē)床類(lèi)計(jì)算）④負(fù)載起動(dòng)頻率估算數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為 （14） 式中 —帶載起動(dòng)頻率—空載起動(dòng)頻率 —起動(dòng)頻率，由力矩頻率特性決定的電機(jī)輸出力矩若負(fù)載參數(shù)無(wú)法精確確定,則可按進(jìn)行估算。⑤運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時(shí)，由力矩頻率特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的余量。 ⑥負(fù)載力矩和最大靜力矩 電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí)，由力矩頻率決定的電機(jī)輸出力矩要大于與之和，并留有余量。一般來(lái)說(shuō)，與之和應(yīng)小于（ ～) .同時(shí)對(duì)于電機(jī)的連軸器，選用不同的傳動(dòng)方式也有不同的要求，下面分別對(duì)機(jī)構(gòu)X方向行走與Y方向行走（上傳動(dòng)與下傳動(dòng)）的電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇作詳盡的分析與校對(duì)。 Y方向?qū)к壟c步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算首先要對(duì)所選的導(dǎo)軌的相關(guān)技術(shù)參數(shù)計(jì)算與查詢(xún)，然后與所選的電機(jī)所能達(dá)到的技術(shù)要求校合，必須分別對(duì)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)與步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)具體的運(yùn)算，然后再進(jìn)行耦合，其中最主要是要根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性來(lái)決定電機(jī)與導(dǎo)軌是否相配，工作單元示意圖:圖10導(dǎo)軌工作單元示意圖具體計(jì)算與分析如下： 導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的相關(guān)計(jì)算1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 已決定用步進(jìn)電機(jī)和滾珠螺桿驅(qū)動(dòng)，并且采用聯(lián)軸器直接耦合方式，如圖所示：圖11 滾珠螺桿驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器直接耦合方式查資料得出滾珠螺桿的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如下：軸方向負(fù)載[]預(yù)負(fù)載[]預(yù)壓螺帽的內(nèi)部摩擦系數(shù)（～）效率（～）減速比（機(jī)構(gòu)的減速比）滾珠螺桿螺距[/rev]外力[]主軸開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的力量[]（ [彈簧秤值]（）g[/]）工作物與工作臺(tái)的總質(zhì)量[kg]滑動(dòng)面的摩擦系數(shù)（）（測(cè)量）傾斜角度[176。]重力加速度[/]()根據(jù)實(shí)驗(yàn)所選用的滾珠螺桿導(dǎo)軌所有的參數(shù)，并把實(shí)際所得數(shù)據(jù)代入公式得：軸方向負(fù)載 （質(zhì)量m為上傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量）預(yù)負(fù)載 （給估算和保守值）負(fù)載轉(zhuǎn)矩所選的東方電機(jī)型號(hào)為PK596HB，查它的參數(shù)允許的最大轉(zhuǎn)矩為，導(dǎo)軌計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于電機(jī)所能承受的負(fù)載。2）加速轉(zhuǎn)矩的計(jì)算（1）計(jì)算導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的全慣性慣量1工作臺(tái)與工作物（皮帶輪傳動(dòng)架與小電機(jī)與傳感器）的慣性慣量屬于直線運(yùn)動(dòng)物體，利用如下公式計(jì)算： m= 工作臺(tái)與工作物質(zhì)量 =（螺距）代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得到2滾珠螺桿的慣性慣量 可以看作是做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圓柱體，計(jì)算公式為： 滾珠螺桿全長(zhǎng)滾珠螺桿軸直徑滾珠螺桿材質(zhì)密度（鐵）代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得到3全慣性慣量（2）計(jì)算導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的加速轉(zhuǎn)矩用公式 計(jì)算?？刹轭A(yù)選東方電機(jī)PK596型號(hào)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，電機(jī)基本步距角（必要分辨率）為 。起動(dòng)脈沖速度，運(yùn)行脈沖速度，加減速時(shí)間，三個(gè)參量的確定必須參照預(yù)選電機(jī)和以下方法計(jì)算，最后才能確定其加速轉(zhuǎn)矩。 步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)計(jì)算1） 要求分辨率 螺距 基本步距角（必要分辨率）代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得到本實(shí)驗(yàn)要求取樣為10030=3000個(gè)點(diǎn)，傳動(dòng)導(dǎo)軌的要求分辨率為，電機(jī)的分辨率精度達(dá)到工作要求分辨率精度。2）工作脈沖數(shù) 1次移動(dòng)量(實(shí)驗(yàn)要求的一次移動(dòng)量為) 螺距(查導(dǎo)軌的技術(shù)參數(shù)) 基本步距角(5相PK系列為1轉(zhuǎn)500割) 代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得到3）加減速時(shí)間進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行模式有下圖二種：圖12 兩種運(yùn)行模式加速時(shí)間的計(jì)算通常是以方式a的加減速運(yùn)行模式為一般的情形，轉(zhuǎn)速低速、負(fù)載慣性慣量小時(shí)，可以采取方式b的自起動(dòng)運(yùn)行，本實(shí)驗(yàn)速度與負(fù)載均比較小，以自啟動(dòng)方式運(yùn)行即可。4）運(yùn)行脈沖速度 工作脈沖數(shù)（根據(jù)一次移動(dòng)量要求計(jì)算的結(jié)果） 運(yùn)行時(shí)間（與停止采集數(shù)據(jù)時(shí)間相同） 計(jì)算運(yùn)行脈沖速度5）運(yùn)行轉(zhuǎn)速6）根據(jù)電機(jī)參數(shù)計(jì)算導(dǎo)軌加速轉(zhuǎn)矩由于采用自啟動(dòng)方式，未計(jì)算出加減速時(shí)間，但為了估算出加速轉(zhuǎn)矩，假設(shè)加減速時(shí)間，取保守值為運(yùn)行時(shí)間的，即，計(jì)算加速轉(zhuǎn)矩： 7）計(jì)算導(dǎo)軌必要轉(zhuǎn)矩知道負(fù)載轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩后即可計(jì)算出必要轉(zhuǎn)矩:查表選擇安全系數(shù)為2，計(jì)算可得 驗(yàn)證電機(jī)選擇是否合理1)工作狀態(tài)的確認(rèn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不宜連續(xù)運(yùn)行，適用于以運(yùn)行時(shí)間與停止時(shí)間的關(guān)系所表示的工作狀態(tài)的 50%以下為標(biāo)準(zhǔn)，工作狀態(tài)＝ 運(yùn)行時(shí)間/（運(yùn)行時(shí)間＋停止時(shí)間）100%，在使用時(shí)必須注意這點(diǎn)，通過(guò)電機(jī)控制程序延時(shí)部分可以設(shè)定（程序部分已論述）。2)慣性比若慣性比大，則起動(dòng)、停止時(shí)的過(guò)沖與回沖亦變大，因而會(huì)影響起動(dòng)、穩(wěn)定時(shí)間。此外，因使用條件不同亦有無(wú)法驅(qū)動(dòng)的情形。按以下公式計(jì)算慣性比并確認(rèn)計(jì)算結(jié)果是否在表中規(guī)定的范圍以?xún)?nèi)。 慣性比＝機(jī)器全慣性慣量 [] /電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 [] ＝ /。表2 電機(jī)慣性比查詢(xún)參考值名 稱(chēng)安裝尺寸慣性比AC小型標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)28,42,60,8530以下無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)20,285以下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)42,60,8510以下根據(jù)上面所得數(shù)據(jù)得出慣性比為10查上面參考表，符合要求。3)加減速常數(shù)一般的控制器，加減速時(shí)的脈沖速度變化是呈階段狀的變化，設(shè)定上的加速度與實(shí)際的加速度不同，因此如果是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，雖經(jīng)由加速轉(zhuǎn)矩的計(jì)算判斷為可以驅(qū)動(dòng)時(shí)，仍可能發(fā)生不能驅(qū)動(dòng)的情況。請(qǐng)確認(rèn)依前述計(jì)算公式計(jì)算的加減速常數(shù)在下表的數(shù)值以上。 表3 加減速常數(shù)（與 XG9200、SG9200系列組合時(shí)的參考值）名 稱(chēng)安裝尺寸加減速常數(shù)AC小型標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)28,42,60,850．1以上無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)20,2820以上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)42,60,8530以上圖13 PK596步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性800．0430查上表符合要求。4)求出電機(jī)的運(yùn)行速度與必要的轉(zhuǎn)矩，查找電機(jī)PK596A型號(hào)的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性如圖13。轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩 符合要求。 電機(jī)與導(dǎo)軌裝備方式設(shè)計(jì) 聯(lián)軸器選擇選好電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)或用途后，即要選擇聯(lián)軸器，目的是通過(guò)彈性連接減少傳動(dòng)的震動(dòng)性，提高傳遞穩(wěn)定性與傳遞精度，減少傳遞誤差等等。對(duì)包含減速機(jī)型電動(dòng)機(jī)等所有電動(dòng)機(jī)軸徑均能對(duì)應(yīng)。市面上有主要有兩大類(lèi)可供選擇，下面是兩種聯(lián)軸器的對(duì)比：表4 MCS聯(lián)軸器與MC聯(lián)軸器對(duì)比名 稱(chēng)安裝尺寸材 料特 征MCS聯(lián)軸器安裝尺寸4～25（mm）螺釘押入軸，螺釘前端直接碰觸軸面，可能引起軸受損、不易裝卸。電機(jī)轉(zhuǎn)軸上已實(shí)施銑面處理，將螺釘前端垂直接觸銑面進(jìn)行安裝利用鋁合金制輪轂與樹(shù)脂制星形輪構(gòu)成3片結(jié)構(gòu)（coupling）。構(gòu)造簡(jiǎn)單而能確實(shí)傳送減速機(jī)型機(jī)種的高轉(zhuǎn)矩。以星形輪的適度彈性抑制電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。聯(lián)軸器的剛性對(duì)設(shè)備整體的影響極為稀少。●能對(duì)應(yīng)減速機(jī)型電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)高精度?！窭镁郯滨ブ菩切屋唩?lái)抑制電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)?！颀X隙0?！褚?qū)? 片結(jié)構(gòu)，而可提高組裝時(shí)的自由度MC聯(lián)軸器安裝尺寸4～16（mm）利用螺絲的鎖緊力量，收縮孔徑，鎖住軸部的連結(jié)方式聯(lián)軸器。能在不損壞軸情況下，進(jìn)行輕松安裝與拆卸工作。為切口結(jié)構(gòu)的1片聯(lián)軸器。由于扭轉(zhuǎn)剛性高、低慣性，因而適用于高速定位、高響應(yīng)控制?！颀X隙0?！衽まD(zhuǎn)剛性高、具卓越的響應(yīng)性?！竦蛻T性?！駛溆泄潭葆斝汀A鉗型2種。圖14 螺釘固定聯(lián)軸器聯(lián)軸器剛性對(duì)裝置有重要影響，在聯(lián)軸器性能的規(guī)格有容許負(fù)載、容許轉(zhuǎn)速、扭轉(zhuǎn)彈簧定數(shù)、聯(lián)軸器本身的齒隙的有無(wú)、容（Misalignment）等。想要改善定位特性時(shí)，或是想要使用于能夠降低振動(dòng)發(fā)生的裝置上時(shí)，一般都以“剛性高、無(wú)齒隙”為首要條件選擇聯(lián)軸器。但是，聯(lián)軸器的剛性從裝置整體的剛性來(lái)看，有時(shí)影響并不大。比較滾珠螺桿驅(qū)動(dòng)時(shí)的裝置整體硬度與采用MCS類(lèi)的鉗口聯(lián)軸器（一般型聯(lián)軸器）與剛性較高的波紋型聯(lián)軸器的不同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)用的螺桿尺寸，與螺桿的固定方式，選擇了MC250808型號(hào)聯(lián)軸器，外徑25，內(nèi)徑8，固定方式為螺釘固定。（圖14）查MC250808型號(hào)聯(lián)軸器的固定轉(zhuǎn)矩=,，選擇合理。 法蘭盤(pán)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)與導(dǎo)軌機(jī)座的連接，通過(guò)對(duì)導(dǎo)軌機(jī)座的尺寸數(shù)據(jù)測(cè)量來(lái)設(shè)計(jì)電機(jī)與導(dǎo)軌裝備，為了保證下導(dǎo)軌螺紋滾珠導(dǎo)柱與電機(jī)連接的同軸度，需要使用法蘭盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者的連接，示意圖如圖15，具體法蘭盤(pán)尺寸要求圖,電機(jī)與導(dǎo)軌裝備圖參照附圖。圖15 電機(jī)與導(dǎo)軌裝備關(guān)系圖 X方向傳動(dòng)皮帶與電機(jī)的選擇計(jì)算 決定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖16 皮帶皮帶輪傳動(dòng)在傳動(dòng)方案擬定后已決定皮帶皮帶輪傳動(dòng)方式，如圖16所示,具體用的齒輪帶動(dòng)齒帶方式，因?yàn)樗鶐?dòng)的負(fù)載（傳感器與固定架）不大，要求定位準(zhǔn)確，所以用齒帶傳動(dòng)可以增加摩擦防止皮帶與皮帶輪打滑，減少虛位產(chǎn)生，為了提高定位精度也可以采用張緊輪。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)如下：傳動(dòng)皮帶與工作臺(tái)的總質(zhì)量皮帶輪的直徑傳送帶滾筒的傳動(dòng)效率傳動(dòng)皮帶與皮帶輪之間的摩擦系數(shù)傳動(dòng)皮帶的速度通過(guò)計(jì)算得出 確認(rèn)電機(jī)所要求的規(guī)格根據(jù)移動(dòng)速度及驅(qū)動(dòng)時(shí)間、定位運(yùn)行確認(rèn)定位距離與定位時(shí)間等的驅(qū)動(dòng)條件，選用東方電機(jī)PK566A型號(hào)，其停止精度、分辨率、位置保持、使用電壓、使用環(huán)境等已經(jīng)符合工作要求，其他一些基本技術(shù)參數(shù)計(jì)算如下： 1） 要求分辨率式中， 基本步距角 齒帶輪直徑即 要求分辨率為1m/100=，電機(jī)分辨率已達(dá)到工作要求分辨率。2）工作脈沖數(shù)[脈沖]為兩點(diǎn)之間的移動(dòng)量。3）運(yùn)行脈沖速度如前例采用自啟動(dòng)方式運(yùn)行，即 定位時(shí)間 起動(dòng)脈沖速度 工作脈沖數(shù)計(jì)算運(yùn)行脈沖速度為4）運(yùn)行轉(zhuǎn)速 必要轉(zhuǎn)矩計(jì)算皮帶啟動(dòng)時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩為最大，啟動(dòng)時(shí)的必要轉(zhuǎn)矩計(jì)算如下：1）工作臺(tái)與工作物（傳感器與保持架）負(fù)載轉(zhuǎn)矩傳感器與保持架工作臺(tái)所需負(fù)載 負(fù)載轉(zhuǎn)矩為2）工作臺(tái)與工作物慣性慣量屬于直線運(yùn)動(dòng)物體，利用如下公式計(jì)算： 單位移動(dòng)量 傳感器與保持架質(zhì)量即3)計(jì)算工作臺(tái)與工作物加速轉(zhuǎn)矩查表東方電機(jī)PK566型號(hào)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量假設(shè)加減速時(shí)間，取保守值為運(yùn)行時(shí)間的，即，計(jì)算加速轉(zhuǎn)矩： 4）電機(jī)必要轉(zhuǎn)矩為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)沒(méi)有用任何減速機(jī)構(gòu)，所以此負(fù)載轉(zhuǎn)矩與工作臺(tái)加速轉(zhuǎn)矩為電機(jī)輸出的必要轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出負(fù)載轉(zhuǎn)矩與加速轉(zhuǎn)矩即可計(jì)算出必要轉(zhuǎn)矩:從商業(yè)電源的電壓變動(dòng)（）等角度考慮，設(shè)定安全系數(shù)為2，則圖17 PK566步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性25．60．23查找所選東方電機(jī)PK566的技術(shù)資料，保持轉(zhuǎn)矩為所以所選電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩符合要求。再查找電機(jī)PK566型號(hào)的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性如圖17，可知所選的電機(jī)符合要求。4 系統(tǒng)軟件部分 系統(tǒng)線路總體布局本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集行走機(jī)構(gòu)控制部分是關(guān)鍵，要在特定范圍內(nèi)（1m）采集特定數(shù)量的點(diǎn)（10030=3000個(gè)），并且采集間隔時(shí)間有具體要求，即1秒內(nèi)完成1厘米路程的行走和數(shù)據(jù)采集，具體將在后面分析，原理框圖如圖18，具體工作線路圖參照附錄。 圖18 電機(jī)控制原理簡(jiǎn)圖 關(guān)于6024E各引腳及功能說(shuō)明如下：1．繼電器A與B工作電壓：直流Vcc+5V，因?yàn)橐x擇大小電機(jī)，且用的是五相步進(jìn)電機(jī)，所以B必須用五個(gè)雙聯(lián)繼電器組