【導讀】（一）分析課題要求，擬定總體設計方案，查閱相關文獻；（二）電機、微處理器及電氣控制、檢測部分相關元器件選??；（三）系統(tǒng)總體功能及各部分結構組成硬件、硬件接口電路及相關軟件設計；（四）完成設計說明書、翻譯外文資料及其它相關要求。1．對兩坐標工作臺及智能控制系統(tǒng)進行研究；2．畫出硬件結構圖、工作流程圖和相關電路圖及軟件設計；3．撰寫畢業(yè)設計，查閱中英文獻不少于20篇；4．優(yōu)化系統(tǒng)設計，提高系統(tǒng)的精確性、穩(wěn)定性。機電一體化系統(tǒng)的基本構成················································1. 機電一體化控制系統(tǒng)設計···················································7. 機電一體化的發(fā)展趨勢········&

　　

【正文】 故 故進給傳動系統(tǒng)的剛度滿足要求。 步進電動機的工作原理 ]4[ 近 30 年來，數(shù)字技術、計算機技術和永磁技術的迅速發(fā)展推動了步進電動機的迅猛發(fā)展，為步進電動機的應用開辟了廣闊的空間。 步進電動機是一種數(shù)字控制電動機， 是伺服電動機的一種。 它 是將電脈 沖信號變換成角位移或直線位移 來驅動 執(zhí)行部件 進行指定的動作， 可以直接 使 用數(shù)字信號驅動， 不需要數(shù)模轉換， 使用 起來 非常方便。 不同于一般電動機的連續(xù)轉動，步進電動機有定位和運轉兩種基本狀態(tài)。每給步進電動機一個 脈沖信號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態(tài)。 因此 步進電機還具有快速啟動、精確步進和 定位等特點，因而在數(shù)控機床，繪圖儀，打印機以及光學儀器中得到廣泛的應用。步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機 ，且非常適合于單片機制 。 雙坐標數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 22 步進電動機的分類、結構和工作原理 （ 1）步進電動機的分類 步進電動機主要包括三類：反應式步進電動機、永磁式步進電動機和混和式步進電動機。 1）反應式步進電動機，簡稱 VR。它的轉子是由軟磁材料制成的，轉子中沒有電阻，結構簡單，成本低，步距角可以做的很小，并且可以傳遞大扭矩，但動態(tài)性能差。 2）永磁式步進電動機，簡稱 PM。它的轉子是由永磁材料制 成的，轉子本身就是一個磁源，轉子的級數(shù)與定子的級數(shù)相同，步距角一般較大。輸出轉矩大，動態(tài)性能好，需供給正負脈沖信號。 3）混合式步進電動機，簡稱 HB。它綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點，輸出轉矩大，動態(tài)性能好，步距角小，但結構復雜，成本較高。 下面主要介紹了三相反應式步進電動機的結構和工作原理。 （ 2）三相反應式步進電動機的結構和工作原理 1）結構 步進電動機由轉子和定子兩部分組成。定子由硅鋼片疊成，轉子由軟磁材料制成。定子上有 6個磁極，每 2個相對的磁極組成一對，共有 3 對。每對磁極都纏有同一繞組，也即形成一相 ，這樣 3對磁極有 3 個繞組，形成三相。依次類推：四相步進電動機有 4對磁極、 4相繞組；無相步進電動機有 5 對磁極、 5相繞組 ?? 每個磁極的內部都分布著多個小齒，它們大小相同，間距相同。轉子外表面也均勻分布著小齒，這些小齒與定子磁極上的小齒的齒距相同，形狀相似。 由于小齒的齒距相同，所以不管是定子還是轉子，它們的齒距角都可以由下式計算： Zz /2?? ? Z轉子的齒數(shù)。 反應式步進電動機運動的動力來自于電磁力。在電磁力的作用下，轉子被強行推動到最大磁導率（或者最小磁 距）的位置（如圖 所示，定子與小齒對齊的位置），并處于平衡狀態(tài)。對三項步進電動機來說，當某一相的磁極處于最大磁導位置式，另外兩相必須處于非最大磁導位置（如圖所示，定子小齒與轉子小齒不對齊的位置）。雙坐標數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 23 對齊的狀態(tài)稱對齒，不對齊的狀態(tài)稱錯齒。錯齒的存在是步進電動機能夠旋轉的前提條件，因此，在步進電動機的結構中必須保正錯齒的存在。 2）工作原理 如果給處于錯齒狀態(tài)的相通電，則轉子在電磁力的作用下，將向磁導率最大的位置轉動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉動。 步進電動機步進的過程也可通過進一步說明。當開關 K1 合上時， A 相繞組通電，使 A 相磁場建立。 A 相定子磁極上的齒與轉子的齒形成對齒，同時， B 相、 C 相上的齒與轉子形成錯齒。 將 A 相斷電，同時將 K2 合上，使處于錯 1/3 個齒距角的 B 相通電，并建立磁場。轉子在電磁力的作用下，向與 B 相成對齒的位置轉動，結果轉子轉動了 1/3 個齒距角：B 相與轉子形成對齒： C 相與轉子錯 1/3 個齒距角； A 相與轉子錯 2/3 個齒距角。 相似地，在 B 相斷電的同時，合開關 K3 給 C 相通電建立磁場，轉子又轉動了1/3 個齒距角，與 C 相形成對齒，并且 A 相與轉子錯 1/3 個齒距角； B 相與轉子錯 2/3個齒距角。 當 C 相斷電時 ，在給 A 相通電時，轉子又轉動了 1/3 個齒距角，與 A 相形成對齒，與 B、 C 兩相形成錯齒。至此，所有的狀態(tài)與最初時一樣，不過轉子累計轉過了一個齒距。 可見，由于按 ABCA 順序輪流給各相繞組通電，磁場按 ABC 方向轉過了 0360 ，轉子則沿相同方向轉過一個齒距角。 同樣，如果改變通電順序，即按與上面相反的方向（即 ACBA 的順序）通電，則轉子的轉向也改變。 如果對繞組通電一次的操作稱為一拍，那么前面所述的三相反應式步進電動機的三相輪流通電就需要三拍。轉子每拍走一步，轉 一個齒距角需要 3 步。 可用下士計算轉子走一步所轉過的角度即齒距角 N? ： 雙坐標數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 24 NZNZN ??? 2?? N—— 步進電動機工作拍數(shù)。 所以，步進電動機的定子繞組磁極的分度角不能白齒距角整除，否則無法形成錯齒，且分度角被齒距角除后所得的余數(shù)，應是步距角的倍數(shù)，而且倍數(shù)值遇相數(shù)不能有公因子，否則也無法形成對齒。 3）步進電動機的工作方式 三相步進電動機主要有單三拍、雙三拍、六拍三種工作方式，他們的區(qū)別如下表： 表 35 工作方式 單三拍 雙三拍 六拍 步 進周期 T T T 每相通電時間 T 2T 3T 步齒周期 3T 3T 6T 相電流 小 較大 最大 高頻性能 差 較好 較好 轉矩 小 中 大 電磁阻尼 小 較大 較大 振蕩 易 較易 不易 功耗 小 大 中 綜合分析，本設計選用六拍工作方式。 六拍工作方式也是 12 相勵磁法， 其正轉的通電順序為： AABBBCCCAA，其反轉的通電順序為： AACCCBBBAA。由于轉子轉動一個齒距需要六拍，六拍工作時的步距角要比單三拍和雙三拍時的步距角小一半，所以步進精度要高一倍。 其工作時的相電壓波形如下圖： 步進時鐘 A 相波形 B 相波形 C 相波形 圖 39 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉） 雙坐標數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 25 步進電動機的振蕩和失步 影響步進電動機正常運行的主要是振蕩和失步。 振蕩主要發(fā)生于低頻區(qū)、共振區(qū)、步進電動機突然停車時。在低頻區(qū)，步進電動機單步運行，到達平衡點時，轉子由于慣性不能停在平衡點而反相，造成振蕩。在共振區(qū)，步進電動機的脈沖頻率接近步進電動機的振蕩頻率或分頻和倍頻時，由共振原理知震蕩加劇。 失步主要有兩種原因：轉子的轉速慢于旋轉磁場的速度和轉子的平均速度大于旋轉磁場的速度。 消除振蕩主要通過增加 阻尼的方法來實現(xiàn)： 1. 多相勵磁法。多相勵磁會產生電磁阻尼，削弱振蕩。如三相步進電動機的六拍方式。 2. 變頻變壓法。主要是采用高低頻使繞組在低頻時電流減小。 3. 細分步法。 是將步進電動機繞組中的穩(wěn)定電流分成若干等級，每進一步，電流升一級，同時，相對的提高步進頻率，使步進過程平穩(wěn)。 4. 反相阻尼法。顧名思義，即在步進電動機轉子要過平衡點之前，加一個反向作用力去平橫慣性力，使轉子到達平衡點時速度為零，實現(xiàn)準確制動。 步進電動機的選型與校核 ]2[ 計算齒輪傳動的傳動 比 為了傳遞步進電動機輸出的扭矩和轉速，并使電動機與工作臺之間的扭矩、轉速以及負載慣量相匹配，使電動機的高速低扭矩輸出變?yōu)樨撦d所要求的低速扭矩，選擇由齒輪傳動副組成的齒輪傳動裝置。 取步進電動機的步距角為 ? = deg/pulse，脈沖當量 p? =， 0 ?? ??? pLi ?? 選擇一級齒輪傳動，具體為外嚙合標準圓柱齒輪。取 mmm 1? ，分 度圓壓力角020?? n?? ，齒頂高系數(shù) ,1 **** ???? nana cchh 齒根系數(shù) 雙坐標數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 26 1720s in2c o sc o sc o s/t a nt a n02*m in****??????antanatnthZZcchh?????所以取 30,20 21 ?? ZZ 分度圓直徑 d=zm, mmdmmd ,25 21 ?? 基圓直徑mmdmmd dd bbb , os 21 ??? ? 齒頂圓直徑mmdmmd mhdhdd aa aaa 40, 22 21*?? ???? 齒根圓直徑mmdmmdmcmhdhddffaff , 22221**??????? 中心距 mmdda 21 ??? 齒寬 b1=20mm， b2=15mm 計算折算到電動機軸上的負載慣量 1）計算滾珠絲杠的轉動慣量 rJ 已知滾珠絲杠的密度 33 / cmkg???? ，得 243 cmkgLDJ r ???? ? 2）計算折算到絲杠軸上的移動部件的轉動慣量 LJ 已知機床進給系統(tǒng)執(zhí)行部件的總重量 m=80kg,絲杠軸每轉一圈，機床執(zhí)行部件在軸向的距離 L=，則 得， 22 cmkgLmJ L ????????? ? 3） 計算齒輪的轉動慣量 2243 cmkgcmkgJ Z ??????? ? 2243 cmkgcmkgJ Z ??????? ? 4） 計算加在電動機軸上的總負載轉動慣量 dJ 雙坐標數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 27 ? ? 2221 cmkgJJiJJJJJ ZrZLLRd ???????? 計算折算到電動機軸上的負載力矩 1）計算折算到電動機軸上的切削負載力矩 已知在切削狀態(tài)下的軸向負載力 NFF am zxa 2 9 4?? ,絲杠軸每轉一圈，機床執(zhí)行部件在軸向的距離 L=，進給傳動系統(tǒng)的傳動比為 i=，進給傳動系統(tǒng)的總效率 ?? ，則， MNiLFT ac ??? ?? 2）計算折算到電動機軸上的摩擦負載力矩 已知在不切削狀態(tài)下的軸向負載力 NF ?? ， MNiFT L ??? 0???? 3）計算由滾珠絲杠預緊力產生的并折算到電動機軸上的附加負載力矩 已 知 滾 珠 絲杠 螺 母 副的 效 率 ?? ， 滾 珠 絲 杠螺 母 副 的預 緊 力 為NNFF ap m a x ???? ，則 ? ? MNiLFT pf ???? 200 ??? 4） 折算到電動機軸上的負載力矩 T 的計算 ， MNTTT fKJ ???? 0 4 ? ， MNTTT fcCJ ???? 1 計算折算到電動機軸上的加速力矩 apT 根 據(jù) 以上 結果 ，初 選 110BF003 型 反應 式步 進電 動機 ，其 轉動 慣 量 cmkgJ m ?? ，而進給傳動系統(tǒng)的負載轉動慣量 cmkgJd ?? ；對開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時間 sta ? ，當機床執(zhí)行部件以最快速度 m in/1800 mmv ? 運動時，電動機的最高速度為， 雙坐標數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 28 m i n/1500m i n/561800m a x rrn ??? ? ? MNJJtinT dmaap ????? 2 m a x? 在切削狀態(tài)下，進給速度突然變至最大進給速度時的加速力矩 atT 的計算 ?atT ? ? MNJJtin dmat ???? 2 ? 計算進 給系統(tǒng)所需的折算到電動機軸上的各種力矩 空載啟動力矩 ? ? MNTTTT fapq ????? ? 快進力矩 MNTTT fKJ ???? 0 4 ? 工進力矩 MNTTT fcCJ ???? 1 切削力矩 ? ? MNTTTT fatt ????? ? 選擇驅動電動機的型號 1）選擇驅動電動機的型號 根據(jù)以上計算，選擇國產 110BF003 型反應式步進電動機為驅動電動機，其主要技術參數(shù)如下表： 表 36 110BF003 步進電動機技術參數(shù) 型 號 相 數(shù) 步 距 角 /（ 0 ） 電 壓 /V 相 電 流 /A 最 大 靜 轉 矩 /（ ） 最大啟動頻率 /Hz 最大運行頻率 /Hz 轉子轉動慣量 /? ?2510 mkg?? 分配方式 重量 Kg 110B F003 3 80 6 1500 7000 三相六拍 2）確定最大靜轉矩 sT 表 37 系統(tǒng)空載啟動力矩 qT 與所 需的步進電動機的最大靜力矩 1sT 的關系 雙坐標數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 29 步進電動機的拍數(shù) 3 4 5 6 運行 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 qT / 1sT 由表知 qT / 1sT = 1sT = qT /=? 2sT = tT /（ ~） =? 取 1sT 和 2sT 中的較大者為所需的步進電動機的最大靜轉矩 sT ，即 sT = MN? 。本電動機的最大靜轉矩為 MN? ，大于 sT = MN? ，可以在規(guī)定的時間里正常啟動，故滿足要求。 3） 驗算慣量匹配 為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到較合理的匹配，系統(tǒng)的負載慣量 LJ 與伺服電動機的轉動慣量 mJ 之比應滿足式 ?? mdJJ ， 因為 ? ?1, ???mdJJ，故滿足慣量匹配要求。 混合式步進電動機 110BYG250A ]5[ 反應式步進電動機 在歐美等發(fā)達國家 ， 80 年代已被淘汰 ， 混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為 度而五相步進角一般為 度。這種步進電機的應用最為廣泛。 110BF003 反應式步進電動機 可由混合式步進電動機 110BYG250A 所代替，所以，本設計伺服電動機最終選用 110BYG250A，其技術參數(shù)如下表： 表 38 110BYG250A技術參數(shù) 型號 相 相電 電阻 電感 步距 保持 轉動慣量 重量 雙坐標數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 30 數(shù) 流 /A /Ω /mH 角 /（ 0 ） 轉矩/ / ? ?2510 mkg?? / Kg 110BYG250A 2 6 13 5 直線滾動導軌副的特點 ]2[ 滾動直線 導軌副是由導軌、滑塊、鋼球、反向器、保持架、密封端蓋及擋板組成的。當導軌與滑塊做相對運動時，鋼球就沿著導軌上的滾道滾動（導軌上有四條經過淬硬和精密磨削加工而成的滾道。在滑塊的端部，鋼球又通過反向裝置進入反相孔再進入導軌上的滾道。鋼球就這樣周而復始地進行滾動運動，反相器兩端裝防塵密封蓋，可有效防止灰塵的進入。它的優(yōu)點主要體現(xiàn)在一下幾個方面： ? 滾動摩擦，動靜摩擦系數(shù)小，隨動性好，降低了導軌和滑塊之間的運動摩擦阻力，有效提高了數(shù)控系統(tǒng)的響應速度和靈敏度。 驅動功率只相當于普通機械的 1/10?？蓪?現(xiàn)較高的定位精度和重復定位精度。 ? 可實現(xiàn)無間隙的運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度。 ? 成對使用導軌副時，可以降低 基礎件的支撐剛度。 導軌的選型和計算 初選 GGB25AA 型滾動導軌，額定動載荷 KNCa ? 。滾動導軌副的距離壽命L 的計算： kmkmkmfffffFCLwactha1 7 7 0 0505033???????? ????????????????， 當導軌面的硬度為 58~64HRC 時， ?Hf ；當工作溫度不超過 100176。 C 時，1?Tf ； cf 為接觸系數(shù)，每根導軌條上裝兩個滑塊時 ?cf ； wf 為載荷 /速度系數(shù)，無沖擊振動， ~1?wf ，取 ； 滾動直線導軌支撐系統(tǒng)所受的載荷，受到下列各種因素的影響：導軌的配置形式（如水平、垂直、橫排等），移動部件的中心和受力點位置，導軌上移動部件牽引力的作用點，啟動及終止時的慣性力以及運動阻力等。 F 為每個滑塊上的工作載荷，雙坐標數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設計 31 NGFF v 044 ?????? 。 一般把滾動直線滾動導軌的距離額定壽命定為 50km,因此選用的導軌滿足要求。 4 控制系統(tǒng)設計 ]7][6[ 數(shù)控機床控制系統(tǒng)的作用是使機械傳動系統(tǒng)在程序的控制下自動完成規(guī)定的工作，是數(shù)控機床的主要組成部分，主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。 硬件連線圖見 附錄 8。 硬件設計