机电传动课程设计.docx
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机电传动课程设计
机电传动课程设计
目录
第1章绪论......................................................2第2章设计任务..................................................3第3章总体方案的确定............................................5
3.1电机的初步选择.............................................5
3.2进给传动系统示意图.........................................7第4章机械传动部件的计算与选型...................................8
Fmax4.1块承受载荷的计算.........................................8
4.2电动机转轴上总转动惯量的计算.................................8
4.3不同工况下电机轴上的等效负载转矩............................10
4.4确定最大静转矩.............................................11
4.5确定电机型号并列写参数......................................12
4.6电动机性能校核..............................................12
4.6.1最高进给转速时电动机输出转矩校核........................12
4.6.2最快空载移动时电动机输出转矩校核........................12
4.6.3电动机最高连续运行频率校核..............................13
4.6.4启动频率校核............................................13第5章驱动电路原理图及其框图...................................14心得体会
参考文献........................................................21
1
第1章绪论
数控机床作为一种高精度的自动化机床，综合应用了电子、计算机、自动控制和机床制造领域的先进技术，在我国工业生产中起着极其重要的作用。
它很好的解决了现代机械生产中加工工件精度要求高、结构复杂、品种多批量小的问题，而且加工质量稳定，生产效率大幅提高。
但是，综合我国国情，目前国内中小企业多采用经济型数控系统，其加工速度慢、编程复杂、人机界面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。
因此研制和开发数控系统、改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对提高企业生产效率、改善工人的工作环境有很大的实际意义。
在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、滚珠丝杠螺母副、减速箱以及电动机等部件构成。
其中电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。
导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。
控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。
本次设计主要内容:
设计一种供数控铣床使用的X,Y数控工作台，在确定总体方案后对电机进行选择和计算，并设计连续控制驱动电路。
2
第2章设计任务
题目:
X-Y工作台的电机选择与驱动
任务:
根据数控铣床用的X-Y数控工作台的相关参数，选择使用直流伺服、直流力矩或步进电机，确定电机型号，并设计连续控制驱动电路。
3
主要参数:
1、滚珠丝杠:
公称直径，总长，导程，材料密d,20mmP,5mml,500mm0h
33度，传动效率96.4%，,,7.85，10kg/cm
2、直线滚动导轨副，采用双导轨、四滑块形式，单滑块最大垂直方向载荷
756N;
3、移动部件总重力;X方向铣削力1609N，Y方向铣削力366N，ZG,800N
方向铣削力556N
4、采用一级减速，减速箱减速比，小齿轮宽度，直径b,20mmi,25/121
，大齿轮宽度，直径;齿轮采用45#钢。
d,36mmb,20mmd,75mm121
5、X、Y方向的脉冲当量，定位精度,,0.005mm,0.01mm
，，6、工作台面尺寸为230mm230mm，加工范围250mm250mm7、工作台的空载最快速度;进给最快速度V,V,3000mm/minxmaxymax
V,V,400mm/minxmaxymax
4
第3章总体方案的确定
3.1电动机的初步选择
按用途分类电动机可分为驱动用电动机和控制用电动机。
根据任务要求选用控制用电动机。
常用的控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机，伺服电机又可分为交流和直流伺服电机。
（1）对于直流伺服电机:
优点:
精确的速度控制,转矩速度特性很硬、原理简单、使用方便。
缺点:
电刷换向,速度限制,附加阻力,产生磨损微粒，需要定期维修，故成本较高。
（2）对于交流伺服电机:
优点:
良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡;高效率、高速控制、高精确位置控制;额定运行区域内，实现恒力矩;低噪音;没有电刷的磨损，免维护;不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境。
缺点:
控制较复杂,驱动器参数需要现场调整PID参数整定,需要更多的连线，成本高。
（3）步进电机有以下特点:
1、步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素的影响;
2、步进电动机的歩距角有误差，转子转过一定步数以后，也会出现积累误差，但转子转过一转后，其积累误差为0，因此不会长期积累;
3、控制性能好，在启动、停止、反转时不易“丢步”;
4、步进电机很容易用微机实现数字控制。
由于任务书规定的脉冲当量为0.005，尚未达到0.001,定位精度也未达到微米级，考虑到控制性能及成本等的因素，不必采用高档次的交流伺服电动机和直流伺服电动机，而采用易于控制的步进电动机。
步进电动机根据工作原理可分为反应式、永磁式和混合式。
反应式步进电动机结构简单、材料成本低、驱动容易，定子和转子加工方便，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低，动态性能差一些，容易出现低频振荡现象。
永磁式步进电动机消耗功率较小，步矩角较大，缺点是起动频率和运行频率较低。
混合式步进电动机是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合，并兼有两者的优点具有高精度、高转矩、歩距角小的特点。
为了满足题目要求，选用混合式步近电动机，降低成本，提高性价比。
5
电动机的相关参数计算
25,（a）步距角:
α=δ×360i,P=0.005，360，/5=0.75
12
P:
螺距,单位mm
i:
传动比
δ:
脉冲当量,单位mm
V，,maxn,m（b）电动机转速:
360，0.005mm
mm3000，0.75min=360，0.005mm
r=1250min
（c）负载折算到电动机轴上的总转动惯量为:
zP221hJ,J，（），[（J，J），m（）]dzzsi12,z22
225,,,5,4,5,5，，,2.5，10，，[4.87，10，6.16，10，5.169，10,,12,,
42,1.74，10kg,m
（d）估算电动机转子上的转动惯量:
Jm
依据经验公式，（可取1.2-1.3）J，J,,J,mdm
4取=1.3，得J，1.74，10,1.3J,mm
42所以，J,5.8，10kg,mm
6
3.2进给传动系统示意图
工作台从动
齿轮
主动伺服电动机滚珠丝杠齿轮进给传动
系统示意图
7
第4章机械传动部件的计算与选型
Fmax的计算4.1块承受工作载荷
滑块上所承受的力来自工作台、工件、夹具、Z方向铣削力等，本机构采
用直线滚动导轨副，双导轨、四滑块形式，单滑块最大垂直方向载荷756N，Z
方铣削力为556N，故:
，最大工作负载情况下，=7564=3024NFmax
，空载启动情况下，=7564-556=2468NFmax
4.2电动机转轴上总转动惯量的计算
（1）丝杠的转动惯量
43LR3.14，0.5，7.85，10,,,8,52J,,，,6.16，10Kg.m10s22
（2）丝杠折算到电动机轴的转动惯量
z2Js
z1
z21J,（）Jsz2
J-滚珠丝杠转动惯量，s
z-主动齿轮与被动齿轮的齿数i
（3）工作台折算到丝杠上的转动惯量
vi
miJs
P0.005800,252hJ,（）m,（），,5.169，10kg.mi,,229.8
8
-导程Ph
-工作台质量mi
（4）一对齿轮折算到电动机轴上的转动惯量
4,b,R411,,336kg,J,3z1=，，3.14，20，10，7.85，10，1018，10232m
52=2.5，10kg.m
44,b,R,,336kg,312=，，3.14，20，10，7.85，10，1037.5，102,J3z2m2
42=4.87，10kg.m
（5）步进电动机转轴上的总转动惯量为
vi
miz2Js
Jm
z1
zP221hJ,J，J，（），[（J，J），m（）]mzzsi12z2,2
225,,,4,5,4,5,5，，,5.8，10，2.5，10，，[4.87，10，6.16，10，5.169，10,,12,,
42,,7.54，10kg.m
J-电动机转子转动惯量m
9
4.3不同工况下电机轴上的等效负载转矩
（1）最大工作负载情况下负载转矩折算
T,T，T1tf
?
进给切削力折算
FP1609，0.005hT,,,0.638N.mt,,2i2，3.14，0.964，2512
?
摩擦力折算
（F，G）P0.005，3024，0.005，12,3ZhT,,,5.991，10N.mf,,2i2，3.14，0.964，25
F-进给切削力;
G-工作台运动部件的总重力，单位N;
-导轨的摩擦系数0.003-0.005取0.005;,
-传动效率取0.964;
Ph-导程，单位m;
i-减速比;
因此，
T,T，T,0.644N,m1t
（2）空载启动负载转矩折算:
T,T，T，T2amaxf0
T（注意:
为滚珠丝杠预紧后折算到电机轴附加摩擦转矩，相对于前两者很小，可0
忽略不计。
）
?
电动机轴上最大加速转矩:
42Jn2，3.14，7.54，10，1250,mT,J,,,0.247N,m,amax60t60，0.4a
10
2-电动机轴上的总转动惯量，;Jkg.m
2-角加速度，;,rad/s
n-电动机转速，r/min;m
-电机加速所用时间，取;tt,0.4sa,
?
移动部件运动折算到电动机轴上的摩擦转矩:
3FP12.34，5，10，12,3mh，T,,,5.829，10N.mf,,,2i2，，0.8，25
F-导轨的摩擦力，单位N;m
Ph-导程，单位m;
-传动链总效率，取0.8;,
F,,（F，G）,0.005，（756，4,556）,12.34Nmc
（空载时仅受移动部件的重力作用，即Z方向铣削力F为0。
）C
因此，T,T，T，T,0.247，0.00589,0.25289N,m2amaxf0
4.4确定最大静转矩和启动频率
（1）由上面可知，加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为:
T,max{TT},T,0.644N.mmax1,21
考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，
T其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。
因此，根据来选择步进max动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。
对于开环控制K取2.5-4，这里取
K=4,则步进电动机的最大静转矩应满足:
11
T,4，T,4，0.644,2.576N.mjmaxmax
（2）根据公式;;T,J,,,2,f,,,t2
T,t0.253，0.42可得f,,,27.78Hz,4,2J6.28，5.8，10
4.5确定电机型号并列写参数
mm型号步距相电压相电最大空载启最高运转子重外形尺寸
总长。
外径。
轴径角数流静转动频率行频率转动量
（。
）（V）/（步/s）惯量矩步S
2（A）kgN,Mg，cm
110BYG0.7548047.8420001000058007.513511011,,
402/1.5
4.6电动机性能校核
4.6.1最高进给转速时电动机输出转矩校核
V任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量maxf
/脉冲,求出电动机对应的运行频率,,0.004mm
。
从110BYG402电动机的运f,v60,,40060，0.005,1333.3Hzmaxmax
,T行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩6Nm，远maxf
远大于最大工作负载转矩T=0.644Nm，满足要求。
1
4.6.2最快空载移动时电动机输出转矩校核
v任务书给定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行max
频率,在此频率下，电动机的f,v60,,300060，0.005,10000Hzmaxmax
,T输出转矩T=3Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.25289Nm，满足要2max
求。
12
4.6.3电动机最高连续运行频率校核
与快速空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为vmax
。
查表知110BYG402电动机的空载运行频率可达，可见10000Hz10000Hz没有超出上限。
4.6.4启动频率校核
42J,7.54，10kg.m已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的eq,42转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率J,5.8，10kg.mm
=2000Hz。
可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为:
fq
fqf,,1318.76HZLJeq1，Jm
说明:
要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1318.76Hz。
综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG402型步进电动机，完全满足设计要求。
13
第5章驱动电路原理图及其框图
（1）控制步进电动机原理框图
功率放大器负载变频信号源步进电动机脉冲分配器
分配器电源放大器电源
步进电动机驱动框图
14
（2）驱动电路原理图
原理总图
15
x方向环形分配
16
Y方向环形分配
17
X方向单电压功率放大电路
18
Y方向单电压功率放大电路
19
80c51单片机控制电动机的正反转脉冲及驱动脉冲发生器
20
心得体会
一周的机电传动课程设计结束了，在这次实践的过程中不仅巩固了所学知识，最重要的还是自己对问题的解决方法产生了很多的变化.要想解决问题必须付出很大的努力,不断的思考和查找自己所遇到的问题，万不可人云亦云。
很多时候问题出现了，我们应该是一种解决问题的积极心态,那是一种态度的端正和目的的明确,只有这样把自己身置于具体的问题之中,我们才能更好的解决问题、巩固知识，培养自己解决困难的能力。
在今后的学习中,一定要戒骄戒躁,态度端正,虚心认真。
要永远的记住一句话:
态度决定一切。
最后，感谢老师以及同学们的帮助，在顺利完成课程设计之外，我还学到了很多与专业相关的其他知识，这更加扩展了我的知识面。
参考文献:
机电传动控制（第三版）/邓星钟主编.—武汉;华中科技大学出版社，2001机电一体化系统设计/张建民等.—3版北京
21
附:
单片机控制程序
主程序为:
ORG0000H
SJMPMAIN
ORG000BH
SJMPINQP1
ORG001BH
SJMPINQP2
ORG0080H
MAIN:
SETBP2.6
CLRP2.6
SETBP2.6;使触发器复位
MOVP0.0,#0FFH
MOVP1.0,#0FFH
JNBP0.0,RN1;判断电动机1是否正常运行，低电平有效
JNBP0.1,RA1;判断电动机1是否加速运行
JNBP0.2,RD1;判断电动机1是否减速运行
JNBP0.3,RO1;判断电动机1是否正转
JNBP0.4,RM1;判断电动机1是否反转
JNBP0.5,RN2;判断电动机2是否正常运行
JNBP0.6,RA2;判断电动机2是否加速运行
JNBP0.7,RD2;判断电动机2是否减速运行
JNBP1.0,RO2;判断电动机2是否正转
JNBP1.1,RM2;判断电动机1是否反转
子程序为:
ORG0200H
RN1:
MOVTMOD,#01H
MOVTH0,#0FEH
MOVTL0,#0CH
SETBTR0
SETBET0
SETBEA
AJMP$
ORG0250H
RA1:
MOVTMOD,#01H
MOVTH0,#0FEH
MOVTL0,#05H
SETBTR0
SETBET0
22
SETBEA
AJMP$
ORG0300H
RD1:
MOVTMOD,#01H
MOVTH0,#0FDH
MOVTL0,#8FH
SETBTR0
SETBET0
SETBEA
AJMP$
ORG0350H
RN2:
MOVTMOD,#10H
MOVTH1,#0FEH
MOVTL1,#0CH
SETBTR1
SETBET1
SETBEA
AJMP$
ORG0400H
RA2:
MOVTMOD,#10H
MOVTH1,#0FEH
MOVTL1,#05H
SETBTR1
SETBET1
SETBEA
AJMP$
ORG0450H
RD2:
MOVTMOD,#10H
MOVTH1,#0FDH
MOVTL1,#8FH
SETBTR1
SETBET1
SETBEA
AJMP$
子程序为:
ORG0500H
INQP1:
JNBP0.0,RN11
JNBP0.1,RA11
JNBP0.2,RD11
23
ORG0550H
INQP2:
JNBP0.5,RN21
JNBP0.6,RA21
JNBP0.7,RD21
ORG0560H
RO1:
SETBP2.1
RET
RM1:
SETBP2.2
RET
RO2:
SETBP2.4
RET
RM2:
SETBP2.5
RET
ORG0600H
RN11:
MOVTH0,#0FEH
MOVTL0,#0CH
CPLP2.0
RETI
RA11:
MOVTH0,#0FEH
MOVTL0,#05H
CPLP2.0
RETI
RD11:
MOVTH0,#0FDH
MOVTL0,#8FH
CPLP2.0
RETI
RN21:
MOVTH1,#0FEH
MOVTL1,#0CH
CPLP2.3
RETI
RA21:
MOVTH1,#0FEH
MOVTL1,#05H
CPLP2.3
RETI
RD21:
MOVTH1,#0FDH
MOVTL1,#8FH
CPLP2.3
RETI
END
24
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