畢業(yè)設(shè)計---步進(jìn)電機(jī)與進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計

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

2、p><p>　　§1.2.2 交流伺服系統(tǒng)- 4 -</p><p>　　§1.2.3 交直流伺服系統(tǒng)的比較- 5 -</p><p>　　§1.2.4 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢- 6 -</p><p>　　第二章 步進(jìn)電機(jī)與進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計- 10 -</p><p>　　§2.

3、1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動與控制- 10 -</p><p>　　§2.1.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇- 10 -</p><p>　　§2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動- 11 -</p><p>　　§2.1.3 步進(jìn)電機(jī)控制接口電路- 14 -</p><p>　　§2.2 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算- 15 -&l

4、t;/p><p>　　§2.2.1 切削負(fù)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(fù)載轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算- 19 -</p><p>　　§2.3 步進(jìn)電機(jī)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(shù)控銑床的調(diào)試- 24 -</p><p>　　總 結(jié)-

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

8、服驅(qū)動電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)床的工作臺、主軸頭架等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動，是銑床重要的組成部分之一。</p><p>　　本任務(wù)書對數(shù)控銑床的Z單方向的進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，包括擬定其傳動系統(tǒng)，選擇滾珠絲杠及其支承組合方式，選擇伺服系統(tǒng)，計算增益，驗算精度等。在設(shè)計時，詳細(xì)分析了步進(jìn)電機(jī)做驅(qū)動電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及其他電機(jī)的特點(diǎn)。本設(shè)計書經(jīng)過計算各種數(shù)據(jù)設(shè)計出步進(jìn)驅(qū)動電機(jī)的個方面性

9、能，并作出驗算。不僅詳細(xì)計算了步進(jìn)電機(jī)的各方面性能數(shù)據(jù)，還計算了與步進(jìn)電機(jī)相關(guān)的多種機(jī)床設(shè)備的性能，如軸承、滾珠絲杠等。從整體上分析了步進(jìn)伺服系統(tǒng)的個方面環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的各個部件和電路都做了詳細(xì)的說明。在計算進(jìn)給系統(tǒng)時，以假設(shè)的一組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來設(shè)計步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的進(jìn)給系統(tǒng)，主要計算了驅(qū)動電機(jī)在工作時的負(fù)載、進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)矩等方面。</p><p>　　二 伺服系統(tǒng)的發(fā)展背景及意義</p><p>

10、　　伺服系統(tǒng)在機(jī)電設(shè)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(diǎn)：</p><p><b>　　1 直流伺服系統(tǒng)</b></p><p>　　伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動的電機(jī)類型分為直流（DC）伺服系統(tǒng)和交流（AC）伺服系統(tǒng)。50年代，無刷電機(jī)和直流電機(jī)實現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計算機(jī)外圍設(shè)備和機(jī)械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。70年代則

11、是直流伺服電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛的時代。</p><p><b>　　2 交流伺服系統(tǒng)</b></p><p>　　從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機(jī)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(shù)—交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐

12、漸取代直流伺服系統(tǒng)。</p><p>　　交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動電動機(jī)的類型來分，主要有兩大類:永磁同步（SM型）電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步（IM型）電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)。其中，永磁同步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)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(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)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(chǎn)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越

13、廣泛，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。感應(yīng)式異步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)由于感應(yīng)式異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)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(shù)的方向。但由于該系統(tǒng)采用矢量變換控制，相對永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)來說控制比較復(fù)雜，而且電機(jī)低速運(yùn)行時還存在著效率低，發(fā)熱嚴(yán)重等有待克服的技術(shù)問題，目前并未得到普遍應(yīng)用。</p><p>　　系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動機(jī)，功率變換器件通常采用智能

14、功率模塊IPM。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)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(yīng)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(jī)控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調(diào)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(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，其比例系數(shù)應(yīng)該在保證系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩的前提下盡量選大些，使被控異步電動機(jī)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(xiàn)電壓型逆變器的快速電流控制。電流用比例調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、電流跟隨性能好以及限制電動機(jī)起制動電流快速可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　3 交直流伺服系統(tǒng)的比較</p><p>　　直流伺服驅(qū)動技術(shù)受電機(jī)本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，在運(yùn)行過程轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機(jī)械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場合，機(jī)械換向器

16、則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。</p><p>　　交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械部件所帶來的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過負(fù)荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。所以交流伺服系統(tǒng)在工廠自動化（FA）等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　從伺服驅(qū)動產(chǎn)品當(dāng)前的應(yīng)用來看，直流伺服產(chǎn)品正逐漸減少，交流伺服產(chǎn)品則日漸增加，市場占有率逐步擴(kuò)大。在實際應(yīng)

17、用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產(chǎn)品已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。</p><p>　　4 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢</p><p>　　總的來說，伺服系統(tǒng)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(shù)將繼續(xù)迅速地由DC伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向AC伺服系統(tǒng)。從目前國際市

18、場的情況看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是AC伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，AC伺服電機(jī)的市場占有率已經(jīng)超過80%。在國內(nèi)生產(chǎn)AC伺服電機(jī)的廠家也越來越多，正在逐步地超過生產(chǎn)DC伺服電機(jī)的廠家?？梢灶A(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，除了在某些微型電機(jī)領(lǐng)域之外，AC伺服電機(jī)將完全取代DC伺服電機(jī)。</p><p><b>　　2. 全數(shù)字化</b></p><p>　　采用新型高速微處理器和專用數(shù)

19、字信號處理機(jī)（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(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實現(xiàn)，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(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法（如:最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）成為可能。</p><p>　　3. 采用新型電力電子半導(dǎo)體器件</p><p>　　目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件越來越多地采用開關(guān)

20、頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣門極晶體管（IGBT）等。這些先進(jìn)器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運(yùn)行噪聲。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)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(hù)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(yīng)用顯著地簡化了伺服單元的設(shè)計，并實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)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(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)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(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變其性能，既可以使用電機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化還顯著地縮小了整個控制系統(tǒng)的體積，使得伺服系統(tǒng)的安裝與調(diào)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(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置當(dāng)然也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計為智能型產(chǎn)品，它們的智能化特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個方面:首先他們都具有參數(shù)記憶功能，系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)都可以通過人機(jī)對話的方式由軟件來設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運(yùn)行途中由上位計算機(jī)加以修改，應(yīng)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(tǒng)出現(xiàn)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(diào)試的復(fù)雜性;除以上特點(diǎn)之外，有的伺服系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定的功能。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費(fèi)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(yùn)行，自動將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來，并自動實現(xiàn)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(tǒng)最具吸引力的特點(diǎn)之一。</p><p>　　6

25、. 模塊化和網(wǎng)絡(luò)化</p><p>　　在國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化（Factory Automation 簡稱FA）工程技術(shù)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(yīng)這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口（如RS-232Ｃ或RS-422接口等）和專用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置，顯著地增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，從而與CNC系統(tǒng)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(shù)臺，甚至數(shù)十臺伺服單元與上位計算機(jī)連接成為整個數(shù)控系統(tǒng)。也可以通過串行接口，與可編程控制器（PLC）的數(shù)控模塊相連。</p><p>　　綜上所述，伺服系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展。一個是滿足一般工業(yè)應(yīng)用要求，對性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡單等特點(diǎn)的驅(qū)動產(chǎn)品，如變頻電機(jī)、變頻器等。另一個就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導(dǎo)產(chǎn)品—伺服電機(jī)、伺服控制器，追求高性能、

27、</p><p>　　高速度、數(shù)字化、智能型、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動控制，以滿足用戶較高的應(yīng)用要求。</p><p>　　第二章 步進(jìn)電機(jī)與進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　一 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動與控制</p><p><b>　　1 步進(jìn)電機(jī)的選擇</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)又稱為電脈沖馬達(dá)。它是

28、將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。特點(diǎn)是輸入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即每當(dāng)電機(jī)繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子的角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)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(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。</p><p>　　在用作伺服電機(jī)時，步進(jìn)電機(jī)既有缺點(diǎn)又有優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是它本身的精度無法達(dá)到很高的地步，在伺服驅(qū)動中無

29、法進(jìn)行高精度的工作。優(yōu)點(diǎn)是步進(jìn)驅(qū)動電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素的影響；在步進(jìn)電機(jī)工作時，誤差不會累積，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一周累積誤差為“零”，不會長期積累。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)按轉(zhuǎn)子分類可分為三類：可變磁阻型、永磁型和混合型?？勺兇抛栊陀址Q為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，這類電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速響應(yīng)。該類電機(jī)定子和轉(zhuǎn)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(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡單、步距角小，所

30、以在這三類電機(jī)中可以選用它來作為伺服驅(qū)動電機(jī)。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)在工作時經(jīng)過環(huán)形脈沖分配器分配的電脈沖加到電機(jī)的各相繞組上，定子的各相就會產(chǎn)生磁通，并對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的布距角越小，意味著它所能達(dá)到的位置精度越高。這就要求將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁極上的小齒一樣大，兩種小齒的齒寬和齒距相等。當(dāng)一相定子磁極的小齒與轉(zhuǎn)子的齒對齊時，其他兩相磁極的小齒都與轉(zhuǎn)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(qū)動中使用的步進(jìn)電機(jī)可選用步距角為0.75°，通電方式為三相六拍的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。而步距角的大小與通電方式和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有關(guān)，其大小可用下式計算</p>

32、<p>　　α= （2-1）</p><p>　　式中 z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)</p><p>　　m——運(yùn)行拍數(shù)，通常等于相數(shù)或相數(shù)整數(shù)倍，即m=KN（N為電機(jī)的相數(shù)，單拍使K=1,雙拍使K=2）。</p><p>　　2 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動裝置</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)，在此

33、系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)受驅(qū)動線路控制，將進(jìn)給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。步</p><p>　　3步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)</p><p>　　1.   步距角和步距誤差 </p><p>　　2. 靜態(tài)轉(zhuǎn)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(yùn)行矩頻特性</b></p><p>　　6. 矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動</p><p><b>　　4步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動</b></p&g

35、t;<p>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動線路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機(jī)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(qū)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(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動電源有密切的關(guān)系。驅(qū)動電源由脈沖分配器與功率放大器組成。驅(qū)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(jī)各相繞組，以驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。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(diào)的脈沖信號發(fā)生器。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可以精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)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(jī)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(shè)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(jìn)電機(jī)專用環(huán)形分配器。它可以實現(xiàn)三相步

38、進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jī)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(qū)動步進(jìn)電機(jī)，必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其增加到幾致幾十安培，從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于電機(jī)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(jī)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(chǎn)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(dāng)?shù)睦m(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(jìn)電機(jī)的三相，每相有一組放大器驅(qū)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(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)A相得電，電機(jī)轉(zhuǎn)動一步。當(dāng)脈沖依次加到A、B、C三個輸入端時，三組放大器分別驅(qū)動不同的繞組，使電機(jī)一步一步轉(zhuǎn)動。電路中與繞組并聯(lián)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(hù)功放管。與繞組W串聯(lián)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(jī)發(fā)熱厲害甚至被燒毀。R的阻值為10Ω。</p><p>　　5步進(jìn)電機(jī)控制接口電路</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)轉(zhuǎn)角所需的步數(shù)，在經(jīng)機(jī)械傳動轉(zhuǎn)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(shù)器，使其每隔一定時間發(fā)出一次中斷申請，CPU響應(yīng)一

42、次中斷，插補(bǔ)一次，從8255的A口送出方向信號和一個進(jìn)給脈沖信號。輸出的脈沖進(jìn)給信號進(jìn)過光電隔離電路，進(jìn)入環(huán)形分配器。每輸入一個脈沖進(jìn)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(jìn)電機(jī)的各相繞組，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　如圖4所示電機(jī)的控制回路中，進(jìn)給脈沖信號在進(jìn)入光電隔離電路之前，還接到一個8位二進(jìn)制的加法計數(shù)器的輸入端，進(jìn)行位置累加計算，每一個脈沖信號到后，計數(shù)器累加1，其結(jié)果可通過8255的

43、B口輸入，用于位置監(jiān)控和步進(jìn)電機(jī)的加減速控制。</p><p>　　圖4 步進(jìn)電機(jī)控制電路</p><p>　　6步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計算</p><p><b>　　n=θ</b></p><p>　　進(jìn)給伺服系統(tǒng)——是以機(jī)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(tǒng)。</p><p>

44、<b>　　伺服驅(qū)動裝置</b></p><p>　　組成 伺服電機(jī)</p><p><b>　　機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)</b></p><p><b>　　執(zhí)行部件</b></p><p>　　二 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算</p><p>　　設(shè)某銑床，其

45、z軸進(jìn)給絲杠為滾珠絲杠，基本導(dǎo)程ι0=6mm?？v向溜板箱及橫向工作臺與刀架等可移動部件的總質(zhì)量為400kg；脈沖當(dāng)量δ取為0.01mm/step，（δ根據(jù)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(jìn)速度為V=60mm/min、快進(jìn)速度取為V=2m/min；步進(jìn)電機(jī)的步距角α選為0.75°/step。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載有外力負(fù)載（切削力）、摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載

46、，所選的步進(jìn)電機(jī)必須克服這些負(fù)載才能作正常的進(jìn)給驅(qū)動。</p><p><b>　　1 切削負(fù)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(jù)切削原理近似公式計算）Fz=3000N(垂直

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

48、gt;</p><p>　　當(dāng)溜板箱導(dǎo)軌為滑動摩擦?xí)r，取其摩擦系數(shù)μ=0.1，因主切削力壓向?qū)к?，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(jù)理論力學(xué)公式計算進(jìn)給系統(tǒng)中各回轉(zhuǎn)零部件的轉(zhuǎn)動慣量。設(shè)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(shù)），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(zhuǎn)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(jù)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(zhuǎn)動慣量近似為</p><p>　　Js=7.8×4×120×10=23.96（kgcm）=2.4×10（kgm）</p><p>　　設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為4.6×10（kgm）（

52、當(dāng)?shù)刃У诫姍C(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量大于電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量一個數(shù)量級時，可以忽略，但當(dāng)?shù)刃У诫姍C(jī)軸上的負(fù)載慣量較小時，就不能輕易地忽略它.現(xiàn)預(yù)選電機(jī)為110BF003，其電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量為4.6×10（kgm））。</p><p>　　設(shè)系統(tǒng)有m個移動部件和n個轉(zhuǎn)動部件組成。Mi、Vi、Fi分別為移動部件的質(zhì)量（kg）、運(yùn)動速度（m/min）和所受的負(fù)載力（N）；Jj、nj（ωj）和Tj分別為轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣

53、量（kgm）、轉(zhuǎn)速（r/min或rad/s）和所受的負(fù)載力矩（Nm）。</p><p>　　該系統(tǒng)運(yùn)動部件的動能總和為</p><p><b>　　E=·V+·ω</b></p><p>　　設(shè)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>　?。跩］=（）+（）</b></p><p>

55、;　　式中Vi采用最不利于機(jī)床啟動時速度，這里選用快進(jìn)給速度V=2m/min；則nk=nm（電機(jī)）= Vα/（360×δ）=416.67（r/min）；Mi=400kg（全部直線運(yùn)動部件的總質(zhì)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(yù)緊措施，故滾珠絲杠會產(chǎn)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(fù)載力矩小得多，故一般不予考慮。</p><p><b>　　5 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩</b></p><p>　　由上述系統(tǒng)在時間t內(nèi)克服負(fù)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(nèi)的轉(zhuǎn)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>　　［T］=（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(jìn)速度計算時，設(shè)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(jī)轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算</p><p>　　T=［T］+ T=1.91+0.322=2.242（Nm）</p><p>　　三 步進(jìn)電機(jī)的匹配選擇</p><p&

62、gt;　　上述計算均未考慮機(jī)械系統(tǒng)的傳動效率，當(dāng)選擇機(jī)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(fù)載轉(zhuǎn)矩的突然增大，為避免計算上的誤差以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大引起步進(jìn)電機(jī)的丟步，從而引起加工誤差，可以適當(dāng)考慮安全系數(shù)。安全系數(shù)一般可在1.2～2之間選擇。如果取安全系數(shù)K=1.

63、5，則步進(jìn)電機(jī)可按以下總負(fù)載轉(zhuǎn)矩選取</p><p>　　T=K T=1.5×3.2=4.8（Nm）</p><p>　　若選用上述預(yù)選的電機(jī)110BF003，其最大靜轉(zhuǎn)矩T=7.84 Nm。在三相六拍驅(qū)動時，其步距角為0.75°/step，為保證帶負(fù)載能正常加速啟動和定位停止，電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)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(jù)原絲杠直徑大小按類比法選的名義直徑，就要對其負(fù)載能力進(jìn)行必要的校核；若是根據(jù)承載能力選出的，

65、則應(yīng)對壓桿穩(wěn)定及其剛度進(jìn)行必要的校核。</p><p>　　由于在選擇絲杠時，是根據(jù)類比法選的，故應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)項目的進(jìn)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(jù)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(shù)（單位為1×10轉(zhuǎn)），L=60nT/10（其中T為使用壽命時間h）。</p><p>　　f—載荷系數(shù)（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(shù)（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(jù)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(guān)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(shù)（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(shù)，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(chǎn)生伸長或縮短，在扭矩的作用下將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)而影響絲杠導(dǎo)程的變化，從而影響傳動精度及定位精度，故應(yīng)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(dāng)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(shù)控銑床的調(diào)試</p><p><b>　　數(shù)控銑床油壓的調(diào)整</b></p><

76、p>　　因為液壓變速、液壓拉力等機(jī)構(gòu)都需要合適的壓力，所以機(jī)床開箱后，清除防銹用的油封，即向油池中灌油，開動油泵調(diào)整油壓，一般在1—2Pa的壓力即可。 2. 數(shù)控銑床自動潤滑的調(diào)整</p><p>　　數(shù)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(diào)整一般由繼電器進(jìn)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(jī)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(diào)整自鎖器調(diào)節(jié)。</p><p>　　4. 步進(jìn)電機(jī)的丟步現(xiàn)象</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時有時會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象,其原因和解決方法分別為

78、:速度過快，步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)加速度減小;負(fù)載過重，需要減輕啟動負(fù)載。</p><p>　　5.傳動裝置產(chǎn)生機(jī)械諧振</p><p>　　電機(jī)在驅(qū)動負(fù)載轉(zhuǎn)動時，傳動軸會有彈性變形，并具有一定的固有頻率，當(dāng)頻率達(dá)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(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量來提高結(jié)構(gòu)諧振頻率，使結(jié)構(gòu)諧振頻率處在

79、系統(tǒng)的通頻帶之外。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　此次課程設(shè)計講述了步進(jìn)電機(jī)在伺服系統(tǒng)中的地位和作用。設(shè)計了一套適合于銑床Z軸伺服進(jìn)給驅(qū)動的步進(jìn)電機(jī)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(fù)載、移動速度進(jìn)行計算和校核，以及由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(shè)計，理論加上實踐，使我對直流穩(wěn)壓電源有了更深刻的認(rèn)識，尤其是對電路的原理的理解，各元器件功能，特性的認(rèn)識，也糾正了自己以前很多不對的看法，當(dāng)然在設(shè)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(shè)計有了一個整體的認(rèn)識，作出了初步的原理圖，然后經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試后，逐步修改，盡量使其性能達(dá)到完美。在計算各種數(shù)據(jù)時，我通過查閱相關(guān)的書籍和在互聯(lián)網(wǎng)上搜集各方面的文章案例對此次設(shè)計形成了初步的了解。在請

81、教了老師后，經(jīng)過長時間的驗算終于完成了此次設(shè)計的要求任務(wù)。在制作設(shè)計書的期間，我曾出現(xiàn)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(jìn)一步的提高?？傊@次設(shè)計使我受益匪淺，讓我對以后的工作學(xué)習(xí)有了更大的信心。</p><p>　　在這次課程設(shè)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(shè)計上給予我的指

82、導(dǎo)、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(shù)上的難題，讓我能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我不僅學(xué)到了許多新的知識，而且也開闊了視野，提高了自己的設(shè)計能力。</p><p>　　其次，感謝授課老師課上對我們的教導(dǎo)，你們豐富的授課內(nèi)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(xué)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(xué)到的

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

84、t;/p><p>　　趙松年等編.機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1994</p><p>　　白英彩編.微型計算機(jī)系統(tǒng)與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，1992</p><p>　　胡佑德編.伺服系統(tǒng)原理與應(yīng)用.北京：北京理工大學(xué)出版社,1993</p><p>　　薛鈞義等編.微機(jī)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用.西安：西安交通大學(xué)出版社,1993