【正文】 系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 XY 工作臺的機(jī)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。 步進(jìn)電機(jī)控制卡：控制卡根據(jù)主機(jī)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(jī)控制。 步進(jìn)電機(jī)控制 PC 總線 上 位 AC 電源 機(jī) 脈沖信號 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)控制卡 圖 28 完整的步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動控制系統(tǒng)。 圖 25 完整的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 在實(shí)際中，步進(jìn)電機(jī)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(jī)使能信號為 TTL 電平信號，如圖 27 所示： 7 西北工業(yè)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 圖 27 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的脈沖信號 用普通脈沖頻率發(fā)生器可對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)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(jìn)電 機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)+驅(qū)動器，如圖 24 所示。對步進(jìn)電機(jī)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。 2．2 開環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)的工作原理 要實(shí)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(shí) 現(xiàn)對其驅(qū)動裝置步進(jìn)電機(jī)的位移和速度控制。 雙/單脈沖控制方式的設(shè)定可由驅(qū)動器面板“雙/單脈沖”開關(guān)實(shí)現(xiàn)。此種換向方式，我 們稱之為單脈沖方式。 28 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 方向電平信號（dir）：此信號控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。 1. 單脈沖控制方式（step/dir） 步進(jìn)脈沖信號（step）：驅(qū)動器沒接受一個脈沖信號就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋 轉(zhuǎn)一個步距角，脈沖信號的頻率和步進(jìn)電機(jī)的速度成正比，脈沖信號的個數(shù) 就決定了步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。 其性能指標(biāo)見表42： 電氣性能（環(huán)境溫度 T j = 250 C 時） 供電電源 單相80VAC 177。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇 從步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及對工作條件的要求，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器必須滿 足一下基本要求： 1． 驅(qū)動器的相數(shù)、通電方式、電壓、電流應(yīng)與步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)相 適應(yīng)； 2． 能滿足步進(jìn)電機(jī)啟動頻率和運(yùn)行頻率的要求； 3． 工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)； 4． 成本低，效率高，安裝和維護(hù)方便。常用的功率放大電路有：單電壓驅(qū)動，雙電 壓驅(qū)動，斬波驅(qū)動電路等。環(huán)形分配器可用普 通集成電路，專用集成電路或微機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 由于分配器是周而復(fù)始的重復(fù)進(jìn)行， 故又稱環(huán)形分配器。 所選電機(jī)類型 通過以上的分析計算，我們最終選擇了北京四通公司的五相混合式步進(jìn) 電機(jī)，型號為90BYG550BSAKRML0301，其技術(shù)數(shù)據(jù)見表41： 25 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 相數(shù) 步距角 （0） 靜態(tài)相電流 （A） 相電阻 （?） 相電感 保持轉(zhuǎn)矩 （mH） （Nm） ≥ 5 空載啟動 頻率（KHz） （Nm） 3 重量 （Kg） 轉(zhuǎn)動慣量 （ gcm 2 ） 4500 表41 五相混合式步進(jìn)電機(jī)90BYG550BSAKRML0301的技術(shù)數(shù)據(jù) 4．2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分的組成 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)共同組成了一套步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動器的作用是根據(jù)接收到的脈沖信號（來自運(yùn)動控制卡或是單片機(jī)等） ，產(chǎn) 生多拍節(jié)脈沖驅(qū)動信號控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。我 們要求負(fù)載啟動頻率不超過1 KHz，就有 f q ＝2 KHz。 4．啟動頻率 f q 的選擇 步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載啟動時， 其啟動頻率會降低。 3. 計算出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TF 應(yīng)滿足： 24 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 TF ≤ ( )T j max 對于相數(shù)較多、突跳頻率要求不高時取系數(shù)大值；反之取小值。所以，應(yīng)先計算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，且使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大 于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，保證步進(jìn)電機(jī)可靠運(yùn)行。 2．步距角選擇 θ= 3600 * i 3600 *1 δ= = S 5 此式是步距角 θ （ 0 ）的計算公式，式中S＝5 mm為絲杠螺距； δ ＝ ； i ＝1為電機(jī)與絲杠之間的齒輪傳動比，由 于本系統(tǒng)對電機(jī)速度要求不高，沒有采用齒輪減速器，故傳動比值取 為1。所選電機(jī) f q ＝ KHz滿足要求。 由于我們搭建的運(yùn)動 平臺對負(fù)載能力要求不高，故可按 f qF ＝ f q 估算啟動頻率 f q 。由于 從步距角 θ 的計算得知 θ 為 ，需選取五相混合式步進(jìn)電機(jī)，同時 對電機(jī)的突跳頻率要求不高，,由上式我們可計算得 T j max ： T j max ≥ = Nm 由以上分析計算，我們初選北京四通公司的五相混合式步進(jìn)電機(jī) 90BYG550B。 22 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 TF = ( F + ?W ) S *10?3 [600 + (30 + 50)] = 5*10?3 = Nm 2πη i 2***1 式中， TF 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Nm）； F 為運(yùn)動方向的阻抗切削力（N），設(shè) 為600N； ? ＝； W ＝50＋30＝80kg為工件及工 作臺重量（略去電機(jī)自重）； η ＝； i ＝1為系 統(tǒng)的減速比。 3．最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 T j max 的選擇 選擇步進(jìn)電機(jī)時，首先必須保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的 功率。 XY工作臺運(yùn)動控制系統(tǒng)的執(zhí)行裝置是由步進(jìn)電機(jī)和專用驅(qū)動器組成的 步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)。 通常需要考慮的問題有：步進(jìn)電機(jī)的種類，步距角 θ ，最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 T j max ，啟動頻率 f q 等的選擇。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng) 用范圍很廣，特別是在辦公自動化和工廠自動化中得到廣泛應(yīng)用。一般來說，它又分為兩 相和五相， 。 步進(jìn)電機(jī)種類 步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。 選擇步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)根據(jù)總體設(shè)計方案的要求，在滿足技術(shù)性能的前提 21 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 下，綜合考慮步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)。 相對來說， 混合式步進(jìn)電機(jī)具有高精度、高轉(zhuǎn)矩、步距角小的優(yōu)點(diǎn)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)既有 永磁式步進(jìn)電機(jī)特性，又有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的特性。廣 泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計算機(jī)外圍設(shè)備、 復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定 速控制。我 們要求負(fù)載啟動頻率不超過1 KHz，就有 f q ＝2 KHz。 4．啟動頻率 f q 的選擇 步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載啟動時， 其啟動頻率會降低。 3. 計算出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TF 應(yīng)滿足： 24 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 TF ≤ ( )T j max 對于相數(shù)較多、突跳頻率要求不高時取系數(shù)大值；反之取小值。所以，應(yīng)先計算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，且使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大 于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，保證步進(jìn)電機(jī)可靠運(yùn)行。 2．步距角選擇 θ= 3600 * i 3600 *1 δ= = S 5 此式是步距角 θ （ 0 ）的計算公式，式中S＝5 mm為絲杠螺距； δ ＝ ； i ＝1為電機(jī)與絲杠之間的齒輪傳動比，由 于本系統(tǒng)對電機(jī)速度要求不高，沒有采用齒輪減速器，故傳動比值取 為1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計要求，我們 最終選擇了南京順康的產(chǎn)品，性價比較高的 SZHT3030——X－Y 工作臺。 3．3 X－Y 工作臺的定型 經(jīng)過對 X－Y 工作臺的關(guān)鍵部件滾珠絲杠和滾動直線導(dǎo)軌的設(shè)計及計算， 我們就可以根據(jù)絲杠和導(dǎo)軌的性能參數(shù)確定工作臺的型號。 2. 雙脈沖控制方式（cw/ccw） 此控制方式，驅(qū)動器接受兩種脈沖信號——正轉(zhuǎn)（cw）和反轉(zhuǎn)（ccw）， 當(dāng)其中一路（如 cw）有脈沖信號，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)另一路（如 ccw）有脈沖信 號，電機(jī)反轉(zhuǎn)。比如說，dir 信號 為高電平時電機(jī)正轉(zhuǎn)，dir 信號為低電平時電機(jī)則反轉(zhuǎn)。這樣控制系統(tǒng)就可以通過脈沖信號就可以達(dá) 到電機(jī)調(diào)速和定位的目的。 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 ＝ 驅(qū)動器是把計算機(jī)控制系統(tǒng)提供的弱電信號放大為步進(jìn)電機(jī)能夠接受 的強(qiáng)電流信號，控制系統(tǒng)提供給驅(qū)動器的信號一般有兩種設(shè)置方式：單脈沖 控制方式（step/dir）和雙脈沖控制方式（cw/ccw）。 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 ＝。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖 頻率。 設(shè)工作臺每分鐘往復(fù)次數(shù) n s =5,滾動直線導(dǎo)軌副目標(biāo)壽命為 10 年，導(dǎo)軌 精度等級為 E 級 脈沖 我們知道，步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或 直線增量運(yùn)動的電磁執(zhí)行元件。 3．2 滾動直線導(dǎo)軌副的選擇 計算機(jī)控制的運(yùn)動系統(tǒng)要求移動部件對指令做出快速響應(yīng)的同時，還 要求有恒定摩擦阻力和無爬行現(xiàn)象，故采用滾動直線導(dǎo)軌。 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 FFZD2005 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 Fa2 3 δ B ＝* =* =*10 ?4 mm＝ ? m 2 2 Dw Z 4*13 3 滾珠數(shù)目 Z=13 16 山東建筑大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文 （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 與螺母的位置無關(guān)。 （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。 3. 初選滾珠絲杠副 （1）計算動負(fù)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： FFZD2005，額定動負(fù)荷 ca ＝9 KN ；預(yù)緊力 F0 = ca ＝ 1 Fa ，滿足要求。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。 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。 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 ＝2000/5 = 400r/min 其中，v＝2m/min 為絲杠最大移動速度， Ph ＝5mm 為絲杠導(dǎo)程。 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(yùn)行速度 v＝2m/min；我們設(shè)進(jìn)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＝。在下面的章節(jié)中主要是對此進(jìn)行設(shè)計與計算。 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(yùn)動控制系統(tǒng)的機(jī)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(jī)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。 步進(jìn)電機(jī)控制卡：控制卡根據(jù)主機(jī)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(jī)控制。 步進(jìn)電機(jī)控制 PC 總線 上 位 AC 電源 機(jī) 脈沖信號 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)控制卡 圖 28 完整的步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動控制系統(tǒng)。 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的脈沖信號 用普通脈沖頻率發(fā)生器可對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)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(jìn)電 機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。 圖 24 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 在上