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1、哈尔滨理工大学研究生考试试卷考试科目：机电传动伺服控制系统 阅 卷 人： 吴开宇 专 业： 机械电子工程 学 号： 1420100901 姓 名： 王鹏飞 2015年5月10日 目 录第1章 设计任务及步骤- 2 -1.1设计任务- 2 -1.2设计步骤- 2 -第2章 总体方案确定- 4 -2.1 机械传动部件的选择- 4 -2.2 控制系统的设计- 5 -第3章 电动机的计算与选型- 6 -3.1电动机的计算与选型- 6 -3.2电动机最大静转矩的选定- 8 -3.3电动机的性能校核- 8 -3.4增量式旋转编码器的选用- 10 -3.5 电动机驱动电源的选用- 10 -参考文献- 11
2、-附录- 12 -X-Y数控工作台机电系统设计班级：机械研14-2班 姓名：王鹏飞 学号：1420100901第1章 设计任务及步骤1.1设计任务 设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：滚珠丝杠:公称直径 d0=20mm 总 长 l=500mm 导 程 Ph=5mm 材料密度 =7.8510-3kg/cm3 传动效率 96.4%；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；移动部件总重力 G=800N；X方向铣削力1609N，Y方向铣削力366N，Z方向铣削力556N；采用一级减速，减速箱减速比i=25/12；小齿轮 宽度b1=20mm 直径d
3、1=36mm；大齿轮 宽度b2=20mm 直径d2=75mm；齿轮采用45#钢；X、Y方向的脉冲当量=0.005mm；定位精度0.01mm；工作台面尺寸为230mm230mm；加工范围250mm250mm；工作台的空载最快速度Vxmax =Vymax=3000mm/min；进给最快速度Vxmax=Vymax=400mm/min；1.2设计步骤：1. 根据机械结构，求得电动机转轴上的总转动惯量；2. 计算不同工况下加载到电机轴上的等效负载转矩，取其中最大的等效负载转矩作为确定电机最大静转矩的依据；3. 确定电机型号，列写电机详细参数；4. 对选择的电机进行校核(最高进给转速时电动机输出转矩校核，
4、最快空载移动时电动机输出转矩校核，如果选用步进电机还要进行电机最高连续运行频率校核和启动频率校核)5. 增量式旋转编码器的选用第2章 总体方案确定2.1 机械传动部件的选择（1）伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。 （2）检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动
5、机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟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率应与步进电动机的步距角相匹配。 考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。2.2 控制系统的设计 （1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。 （2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片
6、机AT89C52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。 （3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。 （4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。第3章 电动机的计算与选型3.1电动机的计算与选型1. 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径=20 mm，总长l =500mm，导程5mm，材料密度 ；移动部件总重量G=800N;小齿轮宽度20mm，直径=36 mm;大齿轮宽度20mm，直径=75 mm；传动比i =25/12。参照表，算得各个零部件
7、的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量=0.617，拖板折算到丝杠上的转动惯=0.517，小齿轮的转动惯量=0.259，大齿轮的转动惯量=4.877 。初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，二相四拍驱动时步距角为0.75，则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为 = +(+)/=30.35 （1）2. 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩可以分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。其中，快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：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；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；还有一部分
8、是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ （2）3. 考虑传动链的总效率计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： （3） 式中 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。其中： （4） 式中空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min； 步进电动机步距角，预选电动机为； 脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。 将以上各值代入式（5），算得nm=1250r/min。设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间=0.4s，传动链总效率=0
9、.7。则由式（3）求得：1.42（Nm）当移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： （5） 则由式（5），得：0.002（Nm）最后由式（2），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：= + = 1.422 N。 4. 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 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Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有：= Tt + Tf （6）本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进
10、给载荷Fx=1609N ，则折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt有： 0.88（Nm）再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： = 0.00（Nm） 最后由式（6），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：= Tt + Tf = 0.884 Nm 经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： = max， = 1.422 Nm3.2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，选择步进电动机的最大静转矩时，需要考
11、虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： Tjmax 41.422 Nm =5.68Nm 上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，查表得该型号电动机的最大静转矩Tjmax = 6 Nm 。可见，满足要求。3.3电动机的性能校核1. 最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量=0.005mm/脉冲，可求出电动机对应的运行频率 =400/(600.005)Hz 1333Hz。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图1可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩5.6Nm，远远大于最大工作负载转矩=0.884Nm，满
12、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=3000mm/min，可求出电动机对应的运行频率=3000/（600.005）Hz =10000Hz。在此频率下，电动机的输出转矩=1.8 Nm，大于快速空载起动时的负载转矩= 1.422Nm，满足要求。3. 最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率=10000Hz。查表知90BYG2602电动机的极限运行频率为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=30.35电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的
13、最高起动频率=1800Hz。可求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：=614Hz 上式说明，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614Hz。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（即100脉冲/s）。 综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求，如图1所示：图1 90BYG2602步进电动机的运行矩频特性曲线3.4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率应与步进电动机的步距角相匹配。由步进电动机的步距角=，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
