沈阳理工大学应用技术学院《机电一体化》课程设计
JS??L?R22 JZ??b?R22
滚珠丝杠的转动惯量Js=0.617kg·cm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.517kg·cm2;小齿轮的转动惯量Jz1=0.125 kg·cm2；大齿轮的转动惯量Jz2=4.877 kg·cm2。
初选步进电动机的型号为90YBG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75°，从表（4-5）查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=4 kg·cm2。
则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：
Jeq?Jm?JZ1?(JZ2?JW?JS)/i2=5.087 kg·cm
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4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。
1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1由式（4-8）可知，Teq1包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：
Teq1=Tamax+Tf （6-13）
根据式（4-9），考虑传动链的总效率?，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：
Tamax=
其中： nm?2?Jeqnm60ta1? (6-14)
?vmax?=1562.5r/min (6-15) 360?式中Vmax—空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min；
?—步进电动机步距角，预选电动机为0.75?；
?—脉冲当量，本例?=0.004mm/脉冲。
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设步进电机由静止加速至nm所需时间ta?0.4s，传动链总效率??0.7。则由式（6-14）求得：
2??5.087?10?4?1562.5?0.297N?m Tamax=
60?0.4?0.7由式（4-10）知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：
Tf=
?(Fz?G)Ph0.005?(0?800)?0.005??0.0018N?m (6-16)
2??i2??0.7?25/10式中?——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005
Fz——垂直方向的铣削力，空载时取0 ?——传动链效率，取0.7
最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：
Teq1=Tamax+Tf=0.2988N?m (6-17)
2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2
由式（4-13）可知，Teq2包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0，T0相对于Tf和Tt很小，可以忽略不计。则有：
Teq2=Tt+Tf （6-18）
其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt由公式（4-14）计算。有：
Tt?FfPh2??i?1408?0.005?0.64N?m
2???0.7?25/10再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载(Fz?556N)情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：
Tf??(Fz?G)Ph0.005?(486?800)?0.005??0.0029N?m
2??i2??0.7?25/10最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：
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Teq2=Tt+Tf=0.643N/m （6-19）
最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：
Teq?max{Teq1,Teq2}?0.643N?m 4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定
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，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足：
Tjmax?4Teq?4?0.643?2.572N?m （6-20）
初选步进电动机的型号为90BYG2602，由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=6N?m。可见，满足要求。 4.6.4 步进电动机的性能校核
1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度
Vmaxf=400mm/min，脉冲当量??0.004mm/脉冲，由式（4-16）求出电动机对应的运行频率fmaxf?[400/(60?0.004)]?1667Hz。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图4.1可以看出在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf?5.6N?m，远远大于最大工作负载转矩Teq2=0.643N?m，满足要求。
2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度
vmax=3000mm/min，求出其对应运行频率fmax?[3000/(60?0.004)]?12500HZ。由图4.1查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=1.7N?m，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=0.2988N?m，满足要求。
图4.1 90BYG2602电动机的
运行矩频特性曲线
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3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度vmax=3000mm/min对应的电动机运行频率为fmax?12500HZ。查表4-5可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超出上限。
4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq?5.087kg?cm2，电动机转
2子的转动惯量Jm?4kg?cm，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率
。由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率fq?1800Hz（查表4-5）为：
fL?fq1?Jeq/Jm?1194.24Hz
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 1194.24Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz。
综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。
5.增量式旋转编码器的选用
本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角??0.750，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/??480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。
此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H 盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每秒输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。
6. 绘制进给传动系统示意图
进给传动系统示意图如图6.1所示。
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伺服电动机从动齿轮主动齿轮工作台滚珠丝杠图6.1 进给传动系统示意图
7．控制系统硬件电路设计
根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能： （1） 接收键盘数据，控制LED显示 （2） 接受操作面板的开关与按钮信息； （3） 接受车床限位开关信号；
（4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号； （5） 控制X，Z向步进电动机的驱动器； （6） 控制主轴的正转，反转与停止； （7） 控制多速电动机，实现主轴有级变速； （8） 控制交流变频器，实现主轴无级变速； （9） 控制切削液泵启动/停止； （10）控制电动卡盘的夹紧与松开； （11）控制电动刀架的自动选刀； （12）与PC机的串行通信。
CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片。W27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展AT89S52的RAM存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。
控制系统原理框图如图7.1所示。
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