《机电传动伺服控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电传动伺服控制系统（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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-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：1
2、420100901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铳床使用的X-Y数控工作台，主要参 数如下：滚珠丝杠:公称直径 总 长 导 程 材料密度 传动效率d0=20mml=500mmPh=5mmp=7.85xl0-3kg/cm396.4%；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方向铳削力1609N，Y方向铳削力366N, Z方向铳削力556N；采用一级减速，减速箱减速比i=25/12；小齿轮 宽度b=20mm 直径d1=36mm； 大齿轮 宽度b2=20mm 直径d2=75mm； 齿轮采用45#钢；X、Y方向的脉
3、冲当量6=0.005mm；定位精度0.01mm；工作台面尺寸为230mmx230mm；力口工范围 250mmx250mm；工作台的空载最快速度V=V =3000mm/min；xmax ymax进给最快速度V=V =400mm/min；xmax ymax1.2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，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
4、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，提咼性价比。(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
5、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铳床上，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 位单片机AT89C52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书 给定
6、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jeq已知：滚珠丝杠的公称直径d =20 mm，总长l =500mm,导0程P =5mm,材料密度p = 7.85xl0一3kg/cm3 ；移动部件总重量hG=800N;小齿轮宽度b =20mm,直径d =36 mm;大齿轮宽度b =1 1 220mm,直径d =75 mm；传动比i =25/1
7、2。参照表，算得各个零 2部件的转动惯量如下(具体计算过程从略)：滚珠丝杠的转动惯 量J =0.617 kg - cm2 ,拖板折算到丝杠上的转动惯SJ =0.517 kg - cm2，小齿轮的转动惯量J =0.259 kg - cm2，大齿 WZ1轮的转动惯量J =4.877 kg -cm2。初选步进电动机型号为 z 290BYG2602,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J = J + J +(J + J + J )/ i 2=30.35 kg cm2(1)eq mz1z 2 W S2. 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq可以分快
8、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T ； 一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上a max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T。因为滚珠丝杠副传动效率很高，T相0 0 对于T和T 很小，可以忽略不计。则有：a maxT 1 =T + T(2)eqa maxf3. 考虑传动链的总效率n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：a max2兀J neq m(3)60ta式中n 对应空载最快移动速度的步进电动
9、机最高转m速，单位为r/min； t 步进电动机由静止到加速至n转速所am需的时间，单位为S。其中：v xan maxm 360x8（4）式中v 空载最快移动速度，任务书指定为max3000mm/min；a步进电动机步距角，预选电动机为0.75 ；d脉冲当量，本例/=0.005mm/脉冲。将以上各值代入式（5），算得n =1250r/min。设步进电动机 m由静止到加速至n转速所需时间t =0.4s，传动链总效率n=0-7o a则由式（3）求得：T a max2兀 x 30.35 x 10 -4x 125060 x 0.4 x 0.7沁 1.42 (Nm)当移动部件运动时,折算到电动机转轴上的
10、摩擦转矩为:(5)则由式(5)，得：T 0.005 x( + 800) x 0.005 沁 0.002 (Nm)2nvi2兀 x0.7x25/12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：Teq1 = T max +1 = 2 。4.最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2Teq2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：Teq 2(6)本例中在对滚珠丝杠进行计算
11、的时候，已知沿着丝杠轴线方 向的最大进给载荷Fx=1609N，则折算到电动机转轴上的最大工 作负载转矩Tt有：t1609 x 0.0052k x0.7 x25/12沁0.88 (Nm)再计算垂直方向承受最大工作负载(F =556N )情况下,Z移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：T (F + G)= .5 x (556 + 8)x .5 0.00(Nm) f2兀qi2k x0.7x25/12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：Teq 2= Tt + Tf = 0.884 N-m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：Teq=
12、max Teq1，Teq2 = 1422 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：T. 4x1.422 Nm =5.68Nmjmax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T.= 6 Nm。可见，满足要求。jmax3.3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v =400mm/min，脉冲当 max量5=
13、0.005mm/脉冲，可求出电动机对应的运行频率 f =400/(60x0.005)Hz -1333Hz。从 90BYG2602 电动机的运 max f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Tu5.6N,m远远大于最大工作负载转矩T 2=0.884Nm，满max feq 2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v =3000mm/min，可max求出电动机对应的运行频率f 二3000/( 60x0.005)Hzmax=10000Hz。在此频率下，电动机的输出转矩T =1.8 Nm，大于max快速空载起动时的负载转矩Teq1= 1.422
14、Nm，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v =3000mm/min对应的电动机运行频max率f =10000Hz。查表知90BYG2602电动机的极限运行频率为max20000Hz，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 kg - cm2电动机转eq子的转动惯量J = 4 kg - cm2，电动机转轴不带任何负载时的最 m高起动频率fq=1800Hz。可求出步进电动机克服惯性负载的起动 q频率：f =fq=614HzL J1 + Jm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a= 0.75，可知电动机转动一转时，需要控 制系统发出360/a=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
