畢業(yè)設計---步進電機與進給系統的設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒論- 3 -</p><p>　　§1.1 課題設計的目的和內容- 3 -</p><p>　　§1.2 伺服系統的發(fā)展背景及意義- 3 -</p><p>　　§1.2.1 直流伺服系統- 4 -</

2、p><p>　　§1.2.2 交流伺服系統- 4 -</p><p>　　§1.2.3 交直流伺服系統的比較- 5 -</p><p>　　§1.2.4 伺服系統的發(fā)展趨勢- 6 -</p><p>　　第二章 步進電機與進給系統的設計- 10 -</p><p>　　§2.

3、1 步進電機的驅動與控制- 10 -</p><p>　　§2.1.1 步進電機的選擇- 10 -</p><p>　　§2.1.2 步進電機的驅動- 11 -</p><p>　　§2.1.3 步進電機控制接口電路- 14 -</p><p>　　§2.2 進給系統的設計計算- 15 -&l

4、t;/p><p>　　§2.2.1 切削負載- 15 -</p><p>　　§2.2.2 摩擦阻力- 16 -</p><p>　　§2.2.3 等效傳動慣量計算- 16 -</p><p>　　§2.2.4 絲杠摩擦阻力矩的計算- 18 -</p><p>　　§

5、;2.2.5 等效負載轉矩- 18 -</p><p>　　§2.2.6 啟動慣性阻力矩的計算- 19 -</p><p>　　§2.2.7 步進電機輸出軸上總負載轉矩計算- 19 -</p><p>　　§2.3 步進電機的匹配選擇- 19 -</p><p>　　§2.4 滾珠絲杠的校核-

6、 20 -</p><p>　　§2.4.1 承載能力的校核- 20 -</p><p>　　§2.4.2 壓桿穩(wěn)定性驗算- 21 -</p><p>　　§2.4.3 剛度的驗算- 22 -</p><p>　　第三章 數控銑床的調試- 24 -</p><p>　　總 結-

7、26 -</p><p>　　參考文獻- 28 -</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　一 課題設計的目的和內容</p><p>　　數控銑床是現代制造業(yè)中不可或缺的機械加工設備。數控銑床進給伺服系統是數控裝置與機床本體的傳動環(huán)節(jié)，其作用是接收數控裝置發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺

8、服驅動電路作轉換和放大后，經伺服驅動裝置和機械傳動機構，驅動機床的工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件實現工作進給和快速運動，是銑床重要的組成部分之一。</p><p>　　本任務書對數控銑床的Z單方向的進給機構進行了設計，包括擬定其傳動系統，選擇滾珠絲杠及其支承組合方式，選擇伺服系統，計算增益，驗算精度等。在設計時，詳細分析了步進電機做驅動電機的優(yōu)缺點及其他電機的特點。本設計書經過計算各種數據設計出步進驅動電機的個方面性

9、能，并作出驗算。不僅詳細計算了步進電機的各方面性能數據，還計算了與步進電機相關的多種機床設備的性能，如軸承、滾珠絲杠等。從整體上分析了步進伺服系統的個方面環(huán)節(jié)，系統的各個部件和電路都做了詳細的說明。在計算進給系統時，以假設的一組數據為基礎來設計步進電機驅動的進給系統，主要計算了驅動電機在工作時的負載、進給速度、轉矩等方面。</p><p>　　二 伺服系統的發(fā)展背景及意義</p><p>

10、　　伺服系統在機電設備中具有重要的地位，其主要的發(fā)展類型和過程有以下幾點：</p><p><b>　　1 直流伺服系統</b></p><p>　　伺服系統的發(fā)展經歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統根據所驅動的電機類型分為直流（DC）伺服系統和交流（AC）伺服系統。50年代，無刷電機和直流電機實現了產品化，并在計算機外圍設備和機械設備上獲得了廣泛的應用。70年代則

11、是直流伺服電機的應用最為廣泛的時代。</p><p><b>　　2 交流伺服系統</b></p><p>　　從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術、大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術—交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為主導產品。交流伺服驅動技術已經成為工業(yè)領域實現自動化的基礎技術之一，并將逐

12、漸取代直流伺服系統。</p><p>　　交流伺服系統按其采用的驅動電動機的類型來分，主要有兩大類:永磁同步（SM型）電動機交流伺服系統和感應式異步（IM型）電動機交流伺服系統。其中，永磁同步電動機交流伺服系統在技術上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了高性能伺服驅動的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業(yè)生產自動化領域中的應用將越來越

13、廣泛，目前已成為交流伺服系統的主流。感應式異步電動機交流伺服系統由于感應式異步電動機結構堅固，制造容易，價格低廉，因而具有很好的發(fā)展前景，代表了將來伺服技術的方向。但由于該系統采用矢量變換控制，相對永磁同步電動機伺服系統來說控制比較復雜，而且電機低速運行時還存在著效率低，發(fā)熱嚴重等有待克服的技術問題，目前并未得到普遍應用。</p><p>　　系統的執(zhí)行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動機，功率變換器件通常采用智能

14、功率模塊IPM。為進一步提高系統的動態(tài)和靜態(tài)性能，可采用位置和速度閉環(huán)控制。三相交流電流的跟隨控制能有效地提高逆變器的電流響應速度，并且能限制暫態(tài)電流，從而有利于IPM的安全工作。速度環(huán)和位置環(huán)可使用單片機控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調節(jié)器若為比例形式，三個交流電流環(huán)都用足夠大的比例調節(jié)器進行控制，其比例系數應該在保證系統不產生振蕩的前提下盡量選大些，使被控異步電動機三相交流電流的幅值、相位和頻率緊隨給定值快速變化，從而實

15、現電壓型逆變器的快速電流控制。電流用比例調節(jié)，具有結構簡單、電流跟隨性能好以及限制電動機起制動電流快速可靠等諸多優(yōu)點。</p><p>　　3 交直流伺服系統的比較</p><p>　　直流伺服驅動技術受電機本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機存在機械結構復雜、維護工作量大等缺點，在運行過程轉子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機械設備的精度，難以應用到高速及大容量的場合，機械換向器

16、則成為直流伺服驅動技術發(fā)展的瓶頸。</p><p>　　交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負荷特性和低慣性更體現出交流伺服系統的優(yōu)越性。所以交流伺服系統在工廠自動化（FA）等各個領域得到了廣泛的應用。</p><p>　　從伺服驅動產品當前的應用來看，直流伺服產品正逐漸減少，交流伺服產品則日漸增加，市場占有率逐步擴大。在實際應

17、用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產品已經成為主流產品。</p><p>　　4 伺服系統的發(fā)展趨勢</p><p>　　總的來說，伺服系統的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個方面：</p><p><b>　　1. 交流化</b></p><p>　　伺服技術將繼續(xù)迅速地由DC伺服系統轉向AC伺服系統。從目前國際市

18、場的情況看，幾乎所有的新產品都是AC伺服系統。在工業(yè)發(fā)達國家，AC伺服電機的市場占有率已經超過80%。在國內生產AC伺服電機的廠家也越來越多，正在逐步地超過生產DC伺服電機的廠家。可以預見，在不遠的將來，除了在某些微型電機領域之外，AC伺服電機將完全取代DC伺服電機。</p><p><b>　　2. 全數字化</b></p><p>　　采用新型高速微處理器和專用數

19、字信號處理機（DSP）的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現完全數字化的伺服系統。全數字化的實現，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統中應用現代控制理論的先進算法（如:最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經元網絡等）成為可能。</p><p>　　3. 采用新型電力電子半導體器件</p><p>　　目前，伺服控制系統的輸出器件越來越多地采用開關

20、頻率很高的新型功率半導體器件，主要有大功率晶體管（GTR）、功率場效應管（MOSFET）和絕緣門極晶體管（IGBT）等。這些先進器件的應用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統的響應速度，降低了運行噪聲。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統已經開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊（Intelligent Power Modules，簡稱IPM）。這種器件將輸入隔離、能耗制動、

21、過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能全部集成于一個不大的模塊之中。其輸入邏輯電平與TTL信號完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應用顯著地簡化了伺服單元的設計，并實現了伺服系統的小型化和微型化。</p><p><b>　　4. 高度集成化</b></p><p>　　新的伺服系統產品改變了將伺服系統劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的

22、、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設置系統參數，就可以改變其性能，既可以使用電機本身配置的傳感器構成半閉環(huán)調節(jié)系統，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度的全閉環(huán)調節(jié)系統。高度的集成化還顯著地縮小了整個控制系統的體積，使得伺服系統的安裝與調試工作都得到了簡化。</p><p><b>　　5. 智能化</b></p><p>

23、　　智能化是當前一切工業(yè)控制設備的流行趨勢，伺服驅動系統作為一種高級的工業(yè)控制裝置當然也不例外。最新數字化的伺服控制單元通常都設計為智能型產品，它們的智能化特點表現在以下幾個方面:首先他們都具有參數記憶功能，系統的所有運行參數都可以通過人機對話的方式由軟件來設置，保存在伺服單元內部，通過通信接口，這些參數甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改，應用起來十分方便;其次它們都具有故障自診斷與分析功能，無論什么時候，只要系統出現故障，就會將故

24、障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調試的復雜性;除以上特點之外，有的伺服系統還具有參數自整定的功能。眾所周知，閉環(huán)調節(jié)系統的參數整定是保證系統性能指標的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行，自動將系統的參數整定出來，并自動實現其最優(yōu)化。對于使用伺服單元的用戶來說，這是新型伺服系統最具吸引力的特點之一。</p><p>　　6

25、. 模塊化和網絡化</p><p>　　在國外，以工業(yè)局域網技術為基礎的工廠自動化（Factory Automation 簡稱FA）工程技術在最近十年來得到了長足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統都配置了標準的串行通信接口（如RS-232Ｃ或RS-422接口等）和專用的局域網接口。這些接口的設置，顯著地增強了伺服單元與其它控制設備間的互聯能力，從而與CNC系統間的連接也由此變得十分

26、簡單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數臺，甚至數十臺伺服單元與上位計算機連接成為整個數控系統。也可以通過串行接口，與可編程控制器（PLC）的數控模塊相連。</p><p>　　綜上所述，伺服系統將向兩個方向發(fā)展。一個是滿足一般工業(yè)應用要求，對性能指標要求不高的應用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產品，如變頻電機、變頻器等。另一個就是代表著伺服系統發(fā)展水平的主導產品—伺服電機、伺服控制器，追求高性能、

27、</p><p>　　高速度、數字化、智能型、網絡化的驅動控制，以滿足用戶較高的應用要求。</p><p>　　第二章 步進電機與進給系統的設計</p><p>　　一 步進電機的驅動與控制</p><p><b>　　1 步進電機的選擇</b></p><p>　　步進電機又稱為電脈沖馬達。它是

28、將電脈沖信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元件。特點是輸入一個電脈沖就轉動一步，即每當電機繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的步距角。轉子的角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數及其頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉角、轉速及轉向。</p><p>　　在用作伺服電機時，步進電機既有缺點又有優(yōu)點。缺點是它本身的精度無法達到很高的地步，在伺服驅動中無

29、法進行高精度的工作。優(yōu)點是步進驅動電機的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素的影響；在步進電機工作時，誤差不會累積，轉子每轉過一周累積誤差為“零”，不會長期積累。</p><p>　　步進電機按轉子分類可分為三類：可變磁阻型、永磁型和混合型。可變磁阻型又稱為反應式步進電機，這類電機轉子結構簡單，轉子直徑小，有利于高速響應。該類電機定子和轉子均不含永久磁鐵，故無勵磁時沒有保持力。但是，由于其制造費用低、結構簡單、步距角小，所

30、以在這三類電機中可以選用它來作為伺服驅動電機。</p><p>　　步進電機在工作時經過環(huán)形脈沖分配器分配的電脈沖加到電機的各相繞組上，定子的各相就會產生磁通，并對轉子產生磁拉力，使轉子的齒與定子的磁極對齊。在環(huán)形分配器的控制下，定子按一定的相序通電，就產生旋轉磁場吸引轉子轉動。</p><p>　　步進電機的布距角越小，意味著它所能達到的位置精度越高。這就要求將轉子制作成多極式的，并在定

31、子磁極上制成小齒。定子磁極上的小齒和轉子磁極上的小齒一樣大，兩種小齒的齒寬和齒距相等。當一相定子磁極的小齒與轉子的齒對齊時，其他兩相磁極的小齒都與轉子磁極的齒錯過一個角度。按著相序，后一相比前一相錯開的角度要大。</p><p>　　在伺服驅動中使用的步進電機可選用步距角為0.75°，通電方式為三相六拍的反應式步進電機。而步距角的大小與通電方式和轉子的齒數有關，其大小可用下式計算</p>

32、<p>　　α= （2-1）</p><p>　　式中 z——轉子齒數</p><p>　　m——運行拍數，通常等于相數或相數整數倍，即m=KN（N為電機的相數，單拍使K=1,雙拍使K=2）。</p><p>　　2 步進電機及其驅動裝置</p><p>　　步進電機伺服系統是典型的開環(huán)控制系統，在此

33、系統中，步進電機受驅動線路控制，將進給脈沖序列轉換成為具有一定方向、大小和速度的機械轉角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。步</p><p>　　3步進電機的主要性能指標</p><p>　　1.   步距角和步距誤差 </p><p>　　2. 靜態(tài)轉矩與矩角特性</p><p><b>　　3．起動矩頻特

34、性</b></p><p>　　4.   空載起動頻率fq(步／s)</p><p><b>　　5. 運行矩頻特性</b></p><p>　　6. 矩頻特性與動態(tài)轉矩步進電機功率驅動</p><p><b>　　4步進電機功率驅動</b></p&g

35、t;<p>　　步進電機驅動線路完成由弱電到強電的轉換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。</p><p><b>　　脈沖發(fā)生器</b></p><p>　　驅動控制電路組成 環(huán)形分配器</p><p><b>　　功率放大器</b></p><

36、;p>　　步進電機的運行特性與配套使用的驅動電源有密切的關系。驅動電源由脈沖分配器與功率放大器組成。驅動電源是將變頻信號源送來的脈沖信號及方向信號按要求的配電方式自動地循環(huán)送給電機各相繞組，以驅動電機轉子正反向旋轉。變頻信號源是可提供從幾赫茲到幾萬赫茲的頻率信號連續(xù)可調的脈沖信號發(fā)生器。因此，只要控制輸入電脈沖的數量和頻率就可以精確控制步進電機的轉角和速度。</p><p><b>　　1 環(huán)形脈

37、沖分配器</b></p><p>　　圖1 CH250管腳圖</p><p>　　圖2 三相六拍接線圖</p><p>　　步進電機的各相繞組必須按一定順序通電才能正常工作。這種使電機繞組通電順序按一定變化的部分稱為脈沖分配器，又稱為環(huán)形脈沖分配器。在此次設計中，環(huán)形脈沖分配器選用專用的型號，CH250即為一種三相步進電機專用環(huán)形分配器。它可以實現三相步

38、進電機的各種環(huán)形分配，使用方便，接口簡單。其管腳圖如圖1所示。與三相六拍步進電機的接線圖如圖2所示。</p><p><b>　　2 功率放大器</b></p><p>　　從計算機輸出口或從環(huán)形分配器輸出的脈沖信號電流一般只有幾個毫安，不可能直接驅動步進電機，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增加到幾致幾十安培，從而驅動步進電機運轉。由于電機各相繞組都是繞在

39、鐵芯上的線圈，所以電感較大，繞組通電時電流上升率受到限制，因而影響電機繞組電流的大小。繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，在斷電時又會產生反電動勢，為使電流快速衰減，并釋放反電動勢，必須增加適當的續(xù)流回路。</p><p>　　功率放大電路如圖3所示.</p><p><b>　　圖3 功率放大電路</b></p><p&g

40、t;　　圖中A、B、C分別為步進電機的三相，每相有一組放大器驅動。放大器輸入端與環(huán)形脈沖分配器相連。在沒有脈沖輸入時，功率放大器3DK4和3DD15均截止。繞組中無電流通過，電機不轉。當A相得電，電機轉動一步。當脈沖依次加到A、B、C三個輸入端時，三組放大器分別驅動不同的繞組，使電機一步一步轉動。電路中與繞組并聯的二極管D分別起續(xù)流作用，即在功放管截止時，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯的電阻

41、R為限流電阻，限制通過繞組的電流不致超過其額定值，以免電機發(fā)熱厲害甚至被燒毀。R的阻值為10Ω。</p><p>　　5步進電機控制接口電路</p><p>　　步進電機的控制主要涉及兩個問題。一個是位置控制，即把程序編制的長度尺寸轉化為步進電機的相應轉角所需的步數，在經機械傳動轉變?yōu)橹本€位移。第二個是速度控制，可以采用一個CTC定時/計數器，使其每隔一定時間發(fā)出一次中斷申請，CPU響應一

42、次中斷，插補一次，從8255的A口送出方向信號和一個進給脈沖信號。輸出的脈沖進給信號進過光電隔離電路，進入環(huán)形分配器。每輸入一個脈沖進給信號，環(huán)形分配器改變一次輸出狀態(tài)，從而一次接通步進電機的各相繞組，使電機運轉。</p><p>　　如圖4所示電機的控制回路中，進給脈沖信號在進入光電隔離電路之前，還接到一個8位二進制的加法計數器的輸入端，進行位置累加計算，每一個脈沖信號到后，計數器累加1，其結果可通過8255的

43、B口輸入，用于位置監(jiān)控和步進電機的加減速控制。</p><p>　　圖4 步進電機控制電路</p><p>　　6步進電機轉速計算</p><p><b>　　n=θ</b></p><p>　　進給伺服系統——是以機床移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統。</p><p>

44、<b>　　伺服驅動裝置</b></p><p>　　組成 伺服電機</p><p><b>　　機械傳動機構</b></p><p><b>　　執(zhí)行部件</b></p><p>　　二 進給系統的設計計算</p><p>　　設某銑床，其

45、z軸進給絲杠為滾珠絲杠，基本導程ι0=6mm。縱向溜板箱及橫向工作臺與刀架等可移動部件的總質量為400kg；脈沖當量δ取為0.01mm/step，（δ根據被加工零件的最高精度的尺寸公差來選定，一般取其公差的二分之一）；這里取工進速度為V=60mm/min、快進速度取為V=2m/min；步進電機的步距角α選為0.75°/step。</p><p>　　步進電機的負載有外力負載（切削力）、摩擦負載和慣性負載

46、，所選的步進電機必須克服這些負載才能作正常的進給驅動。</p><p><b>　　1 切削負載</b></p><p>　　若采用刀具角度r0=15°、kr=75°、λs=0°、br1=0.1～0.15mm。切削用量范圍：v=1.75m/s；ap=5mm；f=0.3mm/r，其主切削力（可根據切削原理近似公式計算）Fz=3000N(垂直

47、向)，取Fx=0.6Fz=1800N（縱向），Fy=0.5Fz=1500N（橫向）（根據機床設計手冊在一般銑外圓時Fx=（0.1～0.6）Fz，Fy=（0.15～0.7）Fz。設計時也可根據主電機的功率來計算能承受的最大主切削力Fzmax，但這樣計算，Fzmax往往很大，因原銑床主電機功率是按最大原則選取的。還可根據機床的限用最大切削用量進行計算。</p><p><b>　　2 摩擦阻力</b&

48、gt;</p><p>　　當溜板箱導軌為滑動摩擦時，取其摩擦系數μ=0.1，因主切削力壓向導軌，則摩擦阻力+F=（400×10+3000）×0.1=700N(g=10m/s時)，（其它摩擦阻力這里未計算）。</p><p>　　3 等效傳動慣量計算</p><p>　　根據理論力學公式計算進給系統中各回轉零部件的轉動慣量。設減速比為i，則<

49、;/p><p><b>　　i===1.25</b></p><p>　　故可取Z1=20、Z2=25；m=1.5（模數），b=20（mm）=2（cm）（齒寬），α=20°；df1=mZ1=30（mm），df2= mZ2=37.5（mm），de1=df1+2h=33（mm），de2=df2+2h=40.5（mm）。</p><p>　　則

50、齒輪的轉動慣量分別為（齒輪為45鋼，并將齒輪近似看作圓柱體）</p><p>　　Jz1=7.8d·10=7.8×3.3×2×10=0.185（kgcm）=1.85×10（kgm）</p><p>　　Jz2=7.8d·10=7.8×4.05×2×10=4.2×10（kgm）</p&g

51、t;<p>　　若根據類比法，選用CMFZD40×6-3.5-C3/1200絲杠其長度為1200mm（鋼材），直徑d0=40mm，則絲杠轉動慣量近似為</p><p>　　Js=7.8×4×120×10=23.96（kgcm）=2.4×10（kgm）</p><p>　　設電機轉子的轉動慣量為4.6×10（kgm）（

52、當等效到電機軸上的負載轉動慣量大于電機轉子的轉動慣量一個數量級時，可以忽略，但當等效到電機軸上的負載慣量較小時，就不能輕易地忽略它.現預選電機為110BF003，其電機轉子軸的轉動慣量為4.6×10（kgm））。</p><p>　　設系統有m個移動部件和n個轉動部件組成。Mi、Vi、Fi分別為移動部件的質量（kg）、運動速度（m/min）和所受的負載力（N）；Jj、nj（ωj）和Tj分別為轉動的轉動慣

53、量（kgm）、轉速（r/min或rad/s）和所受的負載力矩（Nm）。</p><p>　　該系統運動部件的動能總和為</p><p><b>　　E=·V+·ω</b></p><p>　　設等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動能為</p><p><b>　　E=［J］·ω</b

54、></p><p><b>　　由于E= E</b></p><p><b>　　故［J］=（+（</b></p><p><b>　　由上式可得</b></p><p><b>　　［J］=（）+（）</b></p><p>

55、;　　式中Vi采用最不利于機床啟動時速度，這里選用快進給速度V=2m/min；則nk=nm（電機）= Vα/（360×δ）=416.67（r/min）；Mi=400kg（全部直線運動部件的總質量）；nz1=nm；nz2=nz1/i=333.34（r/min）。</p><p><b>　　則</b></p><p>　?。跩］=×400×

56、（2/416.67）+Jm+Jz1+（Jz2+Js）/i</p><p>　　=2.34×10+4.6×10+1.85×10+（4.2×10+2.4×10）/1.25</p><p>　　=2.28×10（kgm）</p><p>　　4 絲杠摩擦阻力矩的計算</p><p>　　由

57、于絲杠承受軸向載荷，又由于采取了一定的預緊措施，故滾珠絲杠會產生摩擦阻力矩。但由于滾珠絲杠的效率高，其摩擦阻力矩相對于它的負載力矩小得多，故一般不予考慮。</p><p><b>　　5 等效負載轉矩</b></p><p>　　由上述系統在時間t內克服負載所做的功的總和為</p><p><b>　　W=Vit+ωt</b&g

58、t;</p><p>　　同理，執(zhí)行元件輸出軸在時間t內的轉角為</p><p><b>　　φk=ωt</b></p><p>　　則執(zhí)行元件所做的功為</p><p><b>　　Wk=［T］ωt</b></p><p><b>　　由于Wk=W</b&g

59、t;</p><p>　　故［T］=·Vi/ω+·ω/ω</p><p><b>　　由上式可得</b></p><p>　?。跿］=（F+F）×V/nm+0</p><p>　　=（1800+700）×2/416.67=1.91（Nm）</p><p>　

60、　6 啟動慣性阻力矩的計算</p><p>　　以最不利啟動的快進速度計算時，設啟動加速（或制動減速）時間為Δt=0.3s（一般在0.1s～1s之間</p><p>　　選擇），由于電機轉速ω=2πn/60=2π×416.67/60=43.63［1/s］，取加速曲線為等加（減）速梯形曲線，故角加速度為</p><p>　　ε==43.63/0.3=145.

61、4（1/s）</p><p>　　則T=［J］·ε=2.28×10×145.4=0.332（Nm）</p><p>　　7 步進電機輸出軸上總負載轉矩計算</p><p>　　T=［T］+ T=1.91+0.322=2.242（Nm）</p><p>　　三 步進電機的匹配選擇</p><p&

62、gt;　　上述計算均未考慮機械系統的傳動效率，當選擇機械傳動總效率η=0.7時</p><p>　　T= T/η=2.242/0.7=3.2（Nm）</p><p>　　在銑削時，由于材料的不均勻等因素的影響，會引起負載轉矩的突然增大，為避免計算上的誤差以及負載轉矩突然增大引起步進電機的丟步，從而引起加工誤差，可以適當考慮安全系數。安全系數一般可在1.2～2之間選擇。如果取安全系數K=1.

63、5，則步進電機可按以下總負載轉矩選取</p><p>　　T=K T=1.5×3.2=4.8（Nm）</p><p>　　若選用上述預選的電機110BF003，其最大靜轉矩T=7.84 Nm。在三相六拍驅動時，其步距角為0.75°/step，為保證帶負載能正常加速啟動和定位停止，電機的啟動轉矩T必須滿足</p><p><b>　　T≥

64、T</b></p><p>　　記過查表可知，在此情況下T/ T=0.87，則T=0.87×7.84=6.82（Nm）故可以選用。</p><p><b>　　四 滾珠絲杠的校核</b></p><p>　　如果選擇滾珠絲杠時是根據原絲杠直徑大小按類比法選的名義直徑，就要對其負載能力進行必要的校核；若是根據承載能力選出的，

65、則應對壓桿穩(wěn)定及其剛度進行必要的校核。</p><p>　　由于在選擇絲杠時，是根據類比法選的，故應進行相應項目的進一步校核。</p><p><b>　　1 承載能力的校核</b></p><p>　　計算作用于絲杠軸向最大動載荷Q，然后根據Q值選擇絲杠副的型號。 </p><p>　　Q=ffP （N）<

66、/p><p>　　式中 L—滾珠絲杠壽命系數（單位為1×10轉），L=60nT/10（其中T為使用壽命時間h）。</p><p>　　f—載荷系數（平穩(wěn)沖擊或輕度沖擊時為1.0～1.2，中等沖擊時為1.2～1.5，較大沖擊或振動時為1.5～2.5）；</p><p>　　f—硬度系數（HRC≥58時為1.0，等于55時為1.11，52.5時為1.35，50時為

67、1.56，45時為2.40）。</p><p><b>　　根據上式可得</b></p><p><b>　　Q=ffP＞C</b></p><p>　　式中 L=60nT/10，取T=15000，n=n=416.67/i=333.3（r/min）； </p><p>　　f=1.0（HRC為5

68、8時），f=1.2（平穩(wěn)或輕度沖擊時） P=F+F=1800+700=2500（N）</p><p>　　則 Q=×1.0×1.2×2500=20082（N）</p><p>　　查有關滾珠絲杠額定載荷C=79339＞Q。所以次滾珠絲杠合適。</p><p><b>　　2 壓桿穩(wěn)定性驗算</b><

69、;/p><p>　　壓桿穩(wěn)定性核算如下式</p><p>　　P=fπEI/(Kl)≥P （N）</p><p>　　式中P—實際承受載荷能力；</p><p>　　f—壓桿穩(wěn)定的支撐系數（雙推—雙推時為4，單推—單推時為1，雙推—簡支時為2，雙推—自由式為0.25）；</p><p>　　E—鋼的彈性模量2.1

70、5;10（Mpa）；</p><p>　　I—絲杠小徑d的截面慣性矩（I=πd/32）；</p><p>　　K—壓桿穩(wěn)定安全系數，一般取為2.5～4，垂直安裝時取小值。</p><p>　　在選用時，f=2（雙推—簡支），E=2.1×10（Pa），</p><p>　　I=d=×3.5=14.7（cm） （d=35m

71、m）</p><p>　　取K=4，l=ls=120cm</p><p>　　則P=2×3.1416×2.1×10×14.7/（4×120）=1.06×10（N）</p><p>　　即 P＞P</p><p><b>　

72、　3 剛度的驗算</b></p><p>　　滾珠絲杠在軸向力的作用下，將產生伸長或縮短，在扭矩的作用下將產生扭轉而影響絲杠導程的變化，從而影響傳動精度及定位精度，故應驗算滿載時的變形量。公式如下</p><p><b>　　ΔL= （cm）</b></p><p>　　式中E—鋼的彈性模量為2.1×10（Mpa）<

73、;/p><p>　　S—絲杠的最小截面積（cm）</p><p><b>　　M—扭矩（Ncm）</b></p><p>　　I—絲杠的小徑d的截面慣性矩</p><p>　　“+”號用于拉伸時，“-”用于壓縮時。</p><p><b>　　當絲杠處于拉伸時，</b></

74、p><p><b>　　ΔL=</b></p><p>　　式中l(wèi)=0.6cm，E=2.1×10（Pa），S=πd=3.1416×3.5=38.5（cm）</p><p>　　I=14.7 cm，M=Ti=7.84×1.25=9.8（Nm）=980（Ncm）</p><p><b>　

75、　P=P=2500N</b></p><p>　　則ΔL==18.55×10+1.8×10 =20.35×10（cm）=2.04×10mm=0.204μm</p><p>　　第三章 數控銑床的調試</p><p><b>　　數控銑床油壓的調整</b></p><

76、p>　　因為液壓變速、液壓拉力等機構都需要合適的壓力，所以機床開箱后，清除防銹用的油封，即向油池中灌油，開動油泵調整油壓，一般在1—2Pa的壓力即可。 2. 數控銑床自動潤滑的調整</p><p>　　數控銑床大多采用自動定時定量潤滑站供油，開車前檢查一下潤滑油泵是否按規(guī)定的時間啟動。這些時間的調整一般由繼電器進行的。</p><p>　　3. 檢查防止升降臺垂向下滑裝置&l

77、t;/p><p>　　檢查方法：在機床通電的情況下，在床身固定表座，用千分表測頭指向工作臺面，然后將工作臺突然斷電，通過千分表觀察工作臺面是否下沉，變化在0.01—0.02mm是允許的，下滑太多會影響批量加工零件的一致性。此時，可調整自鎖器調節(jié)。</p><p>　　4. 步進電機的丟步現象</p><p>　　步進電機在運行時有時會出現丟步現象,其原因和解決方法分別為

78、:速度過快，步進電機需要一個合適的加速度才可以上升到一定的速度,控制脈沖頻率使步進電機加速度減小;負載過重，需要減輕啟動負載。</p><p>　　5.傳動裝置產生機械諧振</p><p>　　電機在驅動負載轉動時，傳動軸會有彈性變形，并具有一定的固有頻率，當頻率達到諧振頻率時，傳動裝置會發(fā)生劇烈震動。解決的方法是通過提高傳動剛度以及減小負載的轉動慣量來提高結構諧振頻率，使結構諧振頻率處在

79、系統的通頻帶之外。</p><p><b>　　總 結</b></p><p>　　此次課程設計講述了步進電機在伺服系統中的地位和作用。設計了一套適合于銑床Z軸伺服進給驅動的步進電機裝置。包括環(huán)形分配器、功率放大器和光電隔離器。并對對銑床工作臺的負載、移動速度進行計算和校核，以及由步進電機驅動的滾珠絲杠其承載能力、剛度及穩(wěn)定性的驗算。</p><p

80、>　　通過這次的課程設計，理論加上實踐，使我對直流穩(wěn)壓電源有了更深刻的認識，尤其是對電路的原理的理解，各元器件功能，特性的認識，也糾正了自己以前很多不對的看法，當然在設計的過程中，我也遇到了很多困難，在查閱了大量的書籍資料之后，對這次設計有了一個整體的認識，作出了初步的原理圖，然后經過反復的調試后，逐步修改，盡量使其性能達到完美。在計算各種數據時，我通過查閱相關的書籍和在互聯網上搜集各方面的文章案例對此次設計形成了初步的了解。在請

81、教了老師后，經過長時間的驗算終于完成了此次設計的要求任務。在制作設計書的期間，我曾出現了許多的困惑和疑問，這個過程是最困難的過程，也是我收獲最大的過程，使自己的實踐動手能力有了進一步的提高?？傊@次設計使我受益匪淺，讓我對以后的工作學習有了更大的信心。</p><p>　　在這次課程設計的撰寫過程中，我得到了許多人的幫助。</p><p>　　首先我要感謝***老師在課程設計上給予我的指

82、導、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次報告的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術上的難題，讓我能把系統做得更加完善。在此期間，我不僅學到了許多新的知識，而且也開闊了視野，提高了自己的設計能力。</p><p>　　其次，感謝授課老師課上對我們的教導，你們豐富的授課內容拓寬了我的視野，讓我能更順利的完成這篇文章；感謝我的同學們，你們不僅讓我感受到友情的力量，也讓我感覺到了生活的愉悅，通過課堂討論學到的

83、思維方式將使我受益終生。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　張建民編.機電一體化系統設計.北京：北京理工大學出版社，1996 </p><p>　　王信義編.機電一體化技術手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1994</p><p>　　高鐘毓等編.機電控制工程.北京：清華大學出版社，1994&l

84、t;/p><p>　　趙松年等編.機電一體化數控系統設計.北京：機械工業(yè)出版社,1994</p><p>　　白英彩編.微型計算機系統與應用.北京：清華大學出版社，1992</p><p>　　胡佑德編.伺服系統原理與應用.北京：北京理工大學出版社,1993</p><p>　　薛鈞義等編.微機控制系統及其應用.西安：西安交通大學出版社,1993