步进驱动系统与数控圆弧插补程序的设计说明

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1、JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY课程设计与综合训练说明书课程设计题目：步进驱动系统与数控圆弧插补程序设计综合训练题目：连接电路和机床进给电机驱动器实现第二象限逆圆弧插补加工学院名称：机械学院专 业：班 级：姓 名：学 号：指导教师:2016年1月课程设计与综合训练任务书合训练题目 课程设计 -亲 一设计题目：步进驱动系统与数控圆弧插补三菱 PLC程序设计训练题目：连接电路和机床进给电机驱动器实现第二象限逆圆弧插补加工主 要 设 计 参 数 及 要 求主要设计参数：走刀长度(mm) : 40X 丝杠导程(mm) : 4 Z 丝杠导程(mm) : 5 脉 冲当量 S

2、p(um) : 30步距角 a ( o): 0.75最大进给速度 Vmax(r/min):50等效惯量(Jm+Je)(N/m 2): 1000 X 10 -4空启动时间 At (ms) : 100主切削力 Fz(N) : 1000吃刀抗力 Fy(N) : 800走刀抗力设 计 容 及 工 作 量主 文要 献参考课程设计容及工作量（一周）：（1）根据给定任务参数选择传动比、步进电机型号，设计并绘制伺服传动系统AutoCAD 传动图一；（2）使用PROTEL 绘图工具绘制微控制器接线图一；（3）编制插补程序。综合训练容及工作量（两周）：（1 ）利用设备及元气件制作微控制器及其接口控制电路；（2）调

3、试所编制插补程序；（3 ）课程设计综合训练说明书1份：60008000 字。1 . PLC编程控制方面的参考书；2 .步进电机驱动方面的参考书；3 . Solidworks 绘图方面的参考书课程设计题目：步进驱动系统与数控圆弧插补程序设计综合训练题目：连接电路和机床进给电机驱动器实现第二象限逆圆弧插补加工摘要:通过对微控制器-PLC的学习进行了为期三周的课程设计，本次课程设计是以第二象限逆圆弧插补为例。PLC在工业控制应用非常广泛，主要是因为其稳定可靠。本设计即根据自制的车数控平台 （双轴平台） ，通过插补运算， 利用 FX3uPLC 发出脉冲，从而控制步进电机的运行，按照插补程序画出轨迹。

4、从而初步掌握步进电机控制系统的设计方法， 仿真数控车加工平台加工零件的加 工轨迹。关键词： FX3U-64M ; 步进电机 ; NR2 插补 ;目录第一章 概 述 51.1 本次课程设计综合训练对象及容 51.2 课程设计综合训练任务书及要求 5第二章 机电伺服传动系统设计及图形绘制 72.1 步进电机的选择和齿轮传动比的计算 72.1.1 系统方案设计 72.1.2 传动比计算和步进电机的选择 92.2 圆柱齿轮减速器的设计计算 152.2.1 X 向齿轮减速器的设计计算 152.2.2 Z 向齿轮减速器的设计计算 172.2.3丝杠的选择 192.3联轴器选择 242.4轴承选择 242.

5、5键 252.6齿轮结构设计的选择 252.7传动系统结构设计和图形绘制 . 25第三章 机电伺服系统微控制器电器线路及程序设计 273.1 开环控制系统 273.2 三菱 PLC 驱动电路设计 283.3 PLC 插补程序设计概述 303.4 程序设计调试 35参考文献 43第一章 概 述机械 电子工程专业 的课程设计 ，是 对前 阶段 机电课 程教 学的 一 次设计性的训练过程，其 后二周的综合训练则是将课程设计的设计 成果进行物化的过程。整 个过程应该能实现对理论教学容的综合应 用目的。所以，本次课程设计涉及了单片机原理及接口技术、机电 一体化系统设计、电 气控制与 PLC 、数 控机床

6、与编程技术、机 械工 程测试技术基础等多门机电课程知识，从 机电系统及其电气原理图 的设计与绘制，到 动手制作控制电路及调试，对 这些课程的诸多知 识点在机电系统中的综合应用进行了简单的阐述。1.1 本次课程设计综合训练对象及容本次设计任务是根据自制的车数控平台，进 行伺服传动系统设 计及图形绘制、微 控制器( 单片机、可 编程序控制器 PLC 、微 机插 卡)的接口电路设计、控制程序的编写、切削加工调试，初步掌握 伺服控制系统的设计方法(可采用开环或闭环)，完成数控车加工 平台伺服系统零件的加工。本次设计和训练的具体容如下：(1) 根 据指导老师 给定 的任务 ，使 用 AUTOCAD 绘制

7、数 控系 统 传动图形，选择系统所用步进电机、计算系统减速器传动比；(2) 使 用绘图工具 绘制 微控制 器接 线图 ；(3) 利 用元气件制 作微 控制器 及其 接口 控 制电 路；(4) 编 制和调试程 序， 加工出 任务 书中 要 求的 零件 类型；(5) 编制说明书。1.2 课程设计综合训练任务书及要求 课程设计综合训练任务书及其格式见附录，其主要容有： 设计训练题：分 别给出课程设计和综合训练的题目，如 课程设 计的题目 为“步进驱 动系 统设计 与数 控直 线插补 单片 机程 序设计 ”， 综合训练的题目为“ 连接自制电路和机床进给电机驱动器实现第一 象限直线插补加工”。主要设计参

8、数及要求：可 以给出具体的设计参数，如 丝杠导程p、步进电机步距角a、加工线型及走刀长度、脉冲当量Sp、电机 和折算到电机轴上等效转动惯量（Jm+Je ）、空载启动时间At、最 大进给速度 Vmax 、 大小拖板质 Md 、 Mx ） 、 主切削力 Fz、 吃刀 抗 力 Fy 、走 刀 抗 力 Fx 等 参 数 ；要 求 如 选 择 电 机 型 号 、制 作 接 口 电 路、编制程序，使其能进 行两方向伺服驱动加 工出所需要的零件等。3、 设计容及工作量 ：如课程设计容要求“根据给定的任务参 数 ， 计 算 齿 轮 箱 传 动 比 ， 选 择 驱 动 中 使 用 的 步 进 电 机 ， 使 用

9、 AUTOCAD 绘 制 数控 系统 传 动图 形； 使用 AUTOCAD 绘图 工具 绘 制微控 制 器接 线图 。 ” ； 综合 训练 容 要求 “利用 元气 件制作微 控 制器及其接口控制电路；编 制和调试程序，加 工 出任务书中要求的 零件类型；编制课程设计和综合训练说明书。”设计 具体任务书由 指导老师下 达， 要 求每个学生完 成的容：(1) 根 据给定的脉 冲当 量选择 传动 比、电 机 后，设 计并绘 制伺 服 传 动 系 统 AutoCAD 传 动 图 一 ；(2) 绘制微控制器电器接线图一；(3) 利用自制数控加工平台，编程插补加工出零件一个；(4 )课程设计综合训练说明书

10、1份：60008000 字。第二章机电伺服传动系统设计及图形绘制2.1步进电机的选择和齿轮传动比的计算系统总体设计非常重要，是对一部机器的总体布局和全局的安排。总体设 计是否合理将对后面几步的设计产生重大影响， 也将影响机器的尺寸大小、性能、 功能和设计质量。所以，在总体设计时应多花时间、考虑清楚，以减少返工现象。 当伺服系统的负载不大、精度要求不高时，可采用开环控制。一般来讲，开环伺 服系统的稳定性不成问题，设计时主要考虑精度方面的要求，通过合理的结构参 数设计，使系统具有良好的动态响应性能。系统方案设计在机电一体化产品中，典型的开环控制位置伺服系统是简易数控机床（本 实验室自制数控平台）及

11、X-Y数控工作台等，其结构原理如图2-1所示。各种 开环伺服系统在结构原理上小异，其方案设计实质上就是在图2-1的基础上选择和确定各构成环节的具体实现方案。图2-1开环伺服系统结构原理框图1、执行元件的选择选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速围、运行精度、可控性、可靠性及体积、成本等多方面要求。 开环系统中可采用步进电机、 电液脉冲马达等作为 执行元件， 其中步进电机应用最为广泛， 一般情况下优先选用步进电机， 当其负 载能力不够时，再考虑选用电液脉冲马达等。2 、传动机构方案的选择 传动机构实质上是执行元件与执行机构以输出旋转运动和转矩为主， 而执行 机构则多为直线运动。 用于将旋转运动转

12、换为直线运动的传动机构主要有齿轮齿 条和丝杠螺母等。 前者可获得较大的传动比和较高的传动效率， 所能传递的力也 较大，但高精度的齿轮齿条制造困难， 且为消除传动间隙而结构复杂， 后者因结 构简单、制造容易而广泛使用。在步进电机与丝杠之间运动的传递有多种方式， 可将步进电机与丝杠通过联轴器直接连接， 其优点是结构简单， 可获得较高的速 度，但对步进电机的负载能力要求较高； 还可以通过减速器连接丝杠， 通过减速 比的选择配凑脉冲当量、 扭矩和惯量； 当电动机与丝杠中心距较大时， 可采用同 步齿形带传动。3、执行机构方案的选择执行机构是伺服系统中的被控对象， 是实现实际操作的机构， 应根据具体操 作

13、对象及其特点来选择和设计。 一般来讲， 执行机构中都包含有导向机构， 执行 机构的选择主要是导向机构的选择。4、控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微控制器、 步进电机控制方式、 驱动电路等的选择。常用的微控制器有单片机、 PLC 、微机插卡、微机并行口、串行口和下位机等， 其中单片机由于在体积、 成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性， 在 伺服系统中得到广泛的应用。 步进电机控制方式有硬件环行分配器控制和软件环 行分配器控制之分，对多相电机还有 X相单X拍、X相2XX拍、X相双X拍 和细分驱动等控制方式，如三相步进电机有 3 相单 3 拍、 3 相6 拍、 3相双 3 拍和细分

14、驱动等控制方式， 对于控制电路有单一电压控制、 高低压控制、 恒流斩 波控制、细分控制等电路。5 、本次课程设计和综合训练方案的选择 对于我们这次的课程设计和综合训练， 各种选择不一定与实际自制数控平台 完全一致，可以根据任务书中给定的设计要求进行选择。执行元件选用功率步进电机， 但步进电机的功率需要通过计算后选定电机的 型号（其网址是： http ： /.step-servo. ）；传动方案选择带有降速齿轮 箱的丝杠螺母传动机构， 但在已知丝杠导程和步进电机步距角的情况下， 必须计 算降速齿轮箱传动比、 查询丝杠的型号， 以满足脉冲当量的要求； 执行机构选用 拖板导轨；控制系统中微控制器采用

15、 PLC，步进电机控制方式采用带有硬件环 行分配器的驱动器， 在共地的情况下， 给该驱动器提供一路进给脉冲、 另一路高 （低）电平方向控制电位即可。2.1.2 传动比计算和步进电机的选择步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位线 （或线位移） 的电磁装置， 步进电机的角位移量和角速度分别与指令脉冲的数量和频率成正比， 在时间上与输入脉冲同步，而且旋转方向决定于脉冲电流的通电顺序。因此只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电顺序，便可控制执行部件位移、速度和运动方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下机按其输出扭矩的大小，可分为快速步进电动机与功率步进电动机；按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六

16、相；按其工 作原理可以分为永磁式（PM ）、反应式（VR）和混合式（HB ）。步进伺服结 构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大 移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的 经济型数控机床及旧设备改造。 但近年发展起来PWM驱动、微步驱动、超微步 驱动和混合伺服技术，使得步进伺服的性能提高到一个新的水平。1、减速器的传动比计算：i= ocP/360 為其中：表示步进电机步距角，两个方向由任务书给出；p :表示丝杠的导程，两个方向由任务书给出；p :表示脉冲当量，两个方向由任务书给出。根据上述公式可以得出减速器传动比的大小。X 向：ii

17、=up/ (360 询)=(0.75 X 3)/(360 X 0.005)=1.25Z 向：i2=ocp/ (360 命)=(0.75 X 5)/(360 X 0.005)=2.08X方向脉冲个数：n=360走导长度 360 40 1.25i =步距角0.758000走刀长度403603602.08Z方向脉冲个数:n=8000导程.5i =步距角0.752、步进电机所需力矩计算:选择步进电机应按照电机额定输出转矩 T电机所需的最大转矩 Tmax的 原则，首先计算电机所需的负载转矩。作用在步进电机轴上的总负载转矩 T可按下面简化公式计算：T Tj TTw T (Jm Je)pFpFw 0.2 p

18、F。2_i 2_i _2_T式中，Tj为启动加速引起的惯性力矩，T 为拖板重力和拖板上其它力折算到电机轴上的当量摩擦力矩,Tw为加工负载折算到电机轴上的负载力矩，%为因丝杠预紧引起的力折算到电机轴上的附加摩擦转矩；Jm为电机转动惯量；J e为折算到电机轴上的等效转动惯量；为启动时的角加速度；Jm Je由任务书中给出，由任务中的空载启动时间和最大进给速度计算得到；P :为丝杠导程，由任务书中给出;F :为拖板重力和主切削力引起丝杠上的摩擦力,F (mg Fz)，拖板重量由任务书中给出,注意：在计算纵向力时（选择纵向电机），拖板重量为两个拖板的重量之和,在计算横向力（选择横向电机）时，为小拖板重量

19、，钢与钢的摩擦系数可查 资料，一般为0.050.2左右；Fw :在选择横向电机时，为工作台上的最大横向载荷，通过给定吃刀抗力Fy得到；在选择纵向电机时，为工作台上的最大纵向载荷，通过给定 吃刀抗力Fx得到；Fo :为丝杠螺母副的预紧力，设取 Fw的1/51/3;:为伺服进给系统的总效率，取为 0.8 ;i :为减速器传动比。2启动时2 3.14 50 60100 10252.33rad /mFu:Fw:T Tj TTw T(JmJe)pFpFw2 i 2 i0.2 pF。2 i横向力 Fu=(mg+Fz) x u =(200+1000) x 0.1=120N纵向力 Fu =(mg+Fz) x

20、u =(600+200+1000)x 0.仁 180N横向力 Fw=(mg+Fy) x u=(200+800) x 0.1=100N纵向力 Fw=(mg+Fx) x u=(600+500) x 0.仁 110NFo:横向力 Fo= Fw*1/4= 25N纵向力 Fo=Fw*1/4=32.5N由下式可得:横向:0.09 52.33 (5 1202冗 0.82.085 1002冗 0.82.080.2 5 252冗 0.82.08纵向:0.09 52.33 (3 1802冗 0.8 1.253 1102冗 0.8 1.250.2 3 32.5)2冗 0.8 1.25)/1000般启动时为空载，于是

21、空载启动时电动机轴上的总负载转矩为:Tq=Tj+T +T0代入上式计算可得：在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为:Tg=Tw+T +T0代入上式计算可得：计算出的总负载转矩根据驱动方式，选择电机时还需除以一系数，设为 相2 XX拍驱动方式，则总负载转矩取为：TmaxTq / 0.8; Tg / (0.3 0.5)Tx= ma=5.990.5)，步距角选取电根据求出的负载转矩，和给定的上网查询步进电5.999 N - m 和Tz= max5.96/0.8;0.1073.由启动最大频率的步距角为0.75 ，计算得出负载转矩-m查得步进电机静转矩为8.0N m，步距角0.75。的步进电机型

22、号为110BYG260B-0602由网上查得参数见下图和表：表2-1电机主要参数型号相数步距角(DEG)电压(V)电流(A)静转矩(N . m)空载运行频率(KHZ)转动惯量(Kg.cm2)接线备注110BYG260B2/468.0 159.710.75 /1.5 120-310图2-2 110BYG250B系列型步进电机外形尺寸两相高性能翼仓式扮进电机110BYG260A110BYG260B由上图可知，当脉冲频率在1001000次/秒时，电机的输出转矩比较稳定4.确定齿轮传动（圆柱直齿齿轮减速器）由于i3,故采用一级圆柱齿轮减速器，联轴器连接电机与减速器假设伺服进给系统的总效率n为0.8由w

23、机械设计表12-8,取耳1=0.99,耳2=0.98,耳3=0.97则丝杠传动的效率20.820.87d0.99 0.982 0.971 2 3X向电机各轴输入输出转矩电动机输出转矩Td1=6N.mI轴输入转矩TI=Td Xq1=6 X 0.99=5.94N.mII轴输入转矩TII=TI X n2 X n3 X i1=5.94 X 0.98 X 0.97 XI轴输出转矩TI=5.94 X 0.98=5.82N.mII轴输出转矩TII=7.058 X 0.98=6.92N.mz向电机各轴输入输出转矩电动机输出转矩Td2=5.96N.mI轴输入转矩TI2=Td2 Xn1=5.96 X 0.99=5

24、.9N.mII轴输入转矩TII2=TI2 X2 Xn3 X i2=5.9 X 0.98 X 0.97 XI轴输出转矩TI2= 5.9 X 0.98=5.782N.mII轴输出转矩TII2=11.67 X 0.98=11.44N,m表2-2各轴转矩轴号X向Z向转矩T （ N.m）转矩T （ N.m）输入输出输入输出电动机轴65.96I5.945.825.95.782II7.0586.9211.6711.44传动比i1.252.082.2圆柱齿轮减速器的设计计算X向齿轮减速器的设计计算1. 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数选用直齿圆柱齿轮传动，8级精度材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40C

25、r，硬度为280HBS ； 大齿轮材料为45钢，硬度为240HBS， 二者材料硬度差为40HBS。选小齿轮齿数Z仁28，传动比i=1.25，则大齿轮齿数Z2=35。2. 按齿面接触疲劳强度设计由设计公式进行试算，即（1）确定公式的各计算值试选载荷系数Kt=1.3由前面计算可知小齿轮上的转矩 T仁由表选取齿宽系数d=1.0由表查得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa ?由图按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限oHliml=600Mpa ,大齿轮的接触疲劳强度极限 oHlim2=550Mpa ;由式计算应力循环次数n=1.3 X 1600/360 x 60=350r/minNl=60nljL

26、h=60X 350 X (1 X 12 X 8 X 30015)=9.0710999N2=N1/i=9.07 X 10 /1.25=7.256 X 10由图取接触疲劳寿命系数KHN1=0.90KHN2=0.98计算疲劳许用应力取失效率1%，安全系数S=1，由式得c H=KHN1XoHliml/S=0.90600/ 仁540MpacH2=KHN2XoHlim2/S=0.98550/1=522.5Mpa试算小齿轮分度圆直径d1t,带入式中较小的值d1t2.32331.3 6.5 102.3222.25 189.81.25 53928.7mm=2时 59400 d （啓V 1.01.25522.5=

27、28.40mm2）计算圆周速度n 28.40 35060 10000.52m/ s3）计算齿宽b=d x d1t=1.0 x 28.40=28.40mm4）计算齿宽与齿高之比b/h模数mt= d1t/Z 仁28.40/28=1.0143 mm齿高 h=2.25 mt=2.282mmb/h=28.40/2.282=12.455）计算载荷系数根据V=0.5 m/s , 7级精度，由图查得动载系数Kv=1.12直齿轮 KH o=KF a=1由表查得使用系数 KA=1由表用插补法查得7级精度小齿轮相对支承对称布置时，KH 3=1.421由 b/h=8.89, KH 3=1.421查图得 KF 3=1.

28、32 ;故载荷系数 K=KA X Kv X KH aXKH 3=1 X 1.12 X 1 X 1.421=1.5926）按实际的载荷系数校正所计算得的分度圆直径，由式得R cc“j1.592 “CCd1 d1t 328.43 330.38mm7）计算模数圆整后取2mmm=d1/Z 仁30.38/28=1.085 mm（3）按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为1. 确定公式的各计算数值1 ）查小齿轮的弯曲疲劳强度极限c FE1=500MPa ，大齿轮的弯曲疲劳强度极限 cFE2=380MPa2）取弯曲疲劳寿命系数 KFN1=0.85,KFN2=0.883）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数

29、S=1.4KFN1 FE10.85500MPa303.57MPaS1.4KFN2 FE20.88380MPa238.86MPaS1.4F 1F 24）计算载荷系数KK=KA X Kv X KH aXKH B=1 X 1.12 X 1 X 1.32=1.4785）查取齿形系数YFa 仁 2.80YFa2=2.306）查取应力校正系数Ysa1=1.55Ysa2=1.7227）计算大、小齿轮的并加以比较YFa1YSa12.80 1.550.01430F 1303.57YFa2YSa22.30 1.7220.01658F 2238.86大齿轮的数值大2. 设计计算m1.478 59401 2820.0

30、16580.72取 m=1mmz,虫 30.38取 31 mz231 1.2538.75取 39（4）几何尺寸计算1）计算分度圆直径d1 zm 62mm d2 z2m2 78mm2）计算中心距62 78270mm3）计算齿轮宽度dd11 62 62mm取 B2=62mmB仁50mm向齿轮减速器的设计计算（一级）1. 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）选用直齿圆柱齿轮传动，7级精度2）材料选择。由表选择小齿轮材料为 40Cr，硬度为280HBS ；大齿轮材料为45钢，硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS3) 选小齿轮齿数 Z1=25 ，传动比 i=2.08 ，则大齿轮齿数 Z2=5

31、22. 按齿面接触疲劳强度设计由设计公式 (10-9a) 进行试算，即(1) 确定公式的各计算值1 试选载荷系数 Kt=1.3由前面计算可知小齿轮上的转矩 T1=5900 N.mm由表选取齿宽系数d=1.0由表查得材料的弹性影响系数 ZE=189.8MPa ?由图按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限oHliml=600Mpa,大齿轮的接触疲劳强度极限 oHlim2=550Mpa ; 由式计算应力循环次数(n=1.3 x 1600/360 x 60=350r/min)Nl=60nljLh=60 x 350 x (1 x 12 x 8 x 300 x 15)=9.07x 10999N2=N1/i

32、=9.07 x 109 /2.08=4.36 x 109由图取接触疲劳寿命系数 KHN1=0.90KHN2=0.95计算疲劳许用应力取失效率 1%，安全系数 S=1 ，由式( 10-12 )得c H= KHN1 xoHliml/S=0.90x600/1=540MpacH2=KHN2 XoHlim2/S=0.58550/1=522.5Mpa(2) 计算试算小齿轮分度圆直径dlt,带入式中较小的值d1t 2.32,2KtT1 u 1 ZE1.012.32 3叵650吨空 1898)2 282Smornm2.5计算圆周速度3)4)n drt 厲v 60 1000计算齿宽b dd1t 1n 於55 3

33、500.49m/s6000026.5526.55mm计算齿宽与齿高之比 b/h模数mtd1tZ1空5062mm25齿高 h 2.25mt 2.3895mm2.3895 11.11 h5)计算载荷系数根据 V=0.49 m/s,7级精度，由图查得动载系数Kv=1.03直齿轮KH a=KFa=1由表查得使用系数KA=1由表用插补法查得7级精度小齿轮相对支承非对称布置时，KH 3=1.421由 b/h=8.89, KH 3=1.421 查图得 KF 3=1.32 ;故载荷系数 K=KA X Kv X KH aXKH 3=1 X 1.03 X 1 X 1.421=1.4646）按实际的载荷系数校正所计

34、算得的分度圆直径，由式得di dit26.551.4641.327.62mm7）计算模数m虫沁i.imm z,25取模数 m=2 mm （3）按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为1. 确定公式的各计算数值1 ）查小齿轮的弯曲疲劳强度极限c FE1=500MPa ;大齿轮的弯曲疲劳强度极限c FE2=380MPa2）取弯曲疲劳寿命系数 KFN1=0.85, KFN2=0.883）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4KFN1 FE1SKFN2 FE2S303.57MPa238.86MPa0.85 500MPa1.40.88 380MPa1.44）计算载荷系数KKKaKvKf Kf1

35、1.12 1 1.321.4785）查取齿形系数YFa1=2.80YFa2=2.406）查取应力校正系数Ysa 1= 1.55Ysa2=1.677）计算大、小齿轮的并加以比较YFalYsal2.80 1.55303.570.01430YFa2Ysa22.40 1.70238.860.01678大齿轮的数值大2. 设计计算m1.478 59001 2520.016780.78取 m=1mmz1127.62mm 取 30mmmz22.08 3062.4mm(4) 几何尺寸计算1) 分度圆直径d1 mzi 30mmd2 mz262.4mm2）计算中心距d1 d2246.2mm3）计算齿轮宽度bdd1

36、 30mm取 B2=30mmB仁35m2.3联轴器选择根据电机尺寸选择联轴器为弹性套柱销联轴器LT2，联轴器尺寸如下表所示:表2-3联轴器型号额定转矩Tn（N.m）许用转速n（r/min）轴孔直径 d/mm轴孔长度D/mmD2*/mmA/mm转动惯量/kgm2质量/kgLT216550016328030180.0011.642.4轴承选择假定轴承的寿命Lh 5000h（1）X轴方向：2 8 10333tan 20=176.5N试选择角接触球轴承7204C型轴承d=20mm, D=47mm , B=14mmFrC=11.2KN， C07.46KNC0P fpQXFt YF0)1.0 (0.56

37、1200 1.5 800)1872N60gid_h60 60 5000 CP3 厂 1872 364906N v 11.2KNV 106V106所以所选轴承符合要求。（2）Z轴方向：同上选择角接触球轴承 7204C型轴承2.5 键的选择（1）X轴方向：1）高速轴：连轴器处：半圆键 GB/T1099-1979,b hL=4 7.5192）低速轴：齿轮连接处：圆头平键A型GB1096-79,bh L=8728（2） Z轴方向：1）高速轴：连轴器处：半圆键 GB/T1099-1979,b hL=4 7.5192）低速轴：齿轮连接处：圆头平键A型GB1096-79,bh L=87282.6齿轮结构设计

38、X方向：di 160mm，所以小齿轮做成实心的。虽然 d2 160mm，但是大齿轮与丝杠连接，因此不能做成实心的，应根据丝杠来定。Z方向：同理：d1 160mm，所以小齿轮做成实心的虽然 d2 3，且总转动量与电机轴上的主动齿轮转动惯量之比 5时，考虑采用两级传动减速箱，即 i iii2,采用等效转动惯量最小原则，传动比应该“前小后大”，也就是ii i2的布置方式，最后确定各齿轮模数、齿数、厚度及电机轴和丝杠的连接，并使用AutoCAD软件绘制传动系统结构装配三视图，标注尺寸和公差。第三章 机电伺服系统微控制器电器线路及程序设计3.1开环控制系统图3-1为开环机电伺服系统微控制器信号流动原理框

39、图。开环系统是最简 单的进给系统，这种系统的伺服驱动装置主要是步进电机、电液脉冲马达等。由 数控系统送出的进给指令脉冲， 经驱动电路控制和功率放大后， 驱动步进电机转 动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。 这种系统不需要对实际位移和 速度进行测量， 更无需将所测得的实际位置和速度反馈到系统的输入端， 与输入 的指令位置和速度进行比较， 故称之为开环系统。 系统的位移精度主要决定于步 进电机的角位移精度、 齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度以及系统的摩擦阻 尼特性。此类系统的位移精度较低，其定位精度一般可达 0.02 mm 。如果采 取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可提高到

40、0. 0l mm 。此外， 由于步进电机性能的限制， 开环进给系统的进给速度也受到限制， 在脉冲当量为 0.0lmm 时，一般不超过 5m min 。开环进给系统的结构较简单， 调试、维修、 使用都很方便， 工作可靠， 成本低廉。在一般要求精度不太高的机床上曾得到广 泛应用。 20 世纪 60 年代，日本生产的数控机床几乎全部采用功率步进电机和 电液脉冲马达的开环进给系统。 20 世纪 70 年代初我国也曾仿造过这种开环进 给系统的数控机床，但是欧美等国却很少采用开环进给系统。进入 20 世纪 70 年代中期，日本生产的数控机床也改用了直流或交流伺服电机的半闭环和闭环进 给系统3.2 三菱PL

41、C驱动电路设计表3-1 I / O地址分配表输入点输出点地址功能地址功能X0启动Y0M1脉冲X1停止丫1M2脉冲X2复位Y2M1方向X5摇柄X+Y3M2方向X6摇柄X-丫4M1使能X7摇柄丫+Y5M2使能X10摇柄丫+Y6启动指示X11紧停Y7停止扌曰示X12Y10复位指示X13丫11X14X轴左限位Y12X15X轴右限位Y13X16丫轴前限位Y14X17丫轴后限位Y15X202207 0F；上0置偏差值算坐标进拾新悝苴偏差Ki-WSR1-Y斤产耳-2|爲1+1+ XNR2-YX巧7二巧十2也|寸1SR3-Y记曰卸-1-X1X申=| 14iM站-YI卡XNR1.X+YSR2X屉#-2|兀屮+Y

42、恥2 乂 -1NR3-X|A|=|XH1-Y1%耳即TSR4XP *Y（X,阿调）（X. M调）图3-3四个象限圆弧插补偏差计算与进给方向(1)SR1NR2（X轴反向）；SR1NR4（丫轴反向）；SR1SR3（X轴、丫轴同时反向）；SR1、NR2、SR3和NR4这四种线型的偏差计算公式都相同。NR1SR2（X轴反向）；SR1SR4（丫轴反向）；SR1NR3（X轴、丫轴同时反向）；NR1、SR2、NR3和SR4这四种线型的偏差计算公式也都相同(2)SR1NR1（X、丫对调）；NR1 SR1 ( X、Y 对调)；可见，通过对调 X 、Y 信号和改变进给方向，各个象限不同走向的圆弧插补 运动都可以通

43、过进行第一象限顺圆弧的插补计算或第一象限逆圆弧的插补计算如图所示，设要加工圆弧 SE ，圆弧的圆心在坐标原点，圆弧的起点 S (XS,YS)、终点E (XE,YE)，圆弧半径为R。令瞬时加工点为i (xi,yi ),它与 圆心的距离为Ri。比较Ri和R，可以比较他们的平方值。Ri2=Xi2+yi2R2=x02+y02 因此可得圆弧偏差判别式如下：Fi=Ri2-R2=xi2+yi2-R2若 Fi=0, 表明加工点 i 在圆弧上；Fi0, 表明加工点 i 在圆弧外；Fi0,为逼近圆弧，下一步向+Y轴向进给一步，并算出新的偏差；Fi 0,应沿+Y轴向进给一步，到i+1点，其坐标值为Yi+1=Yi+1

44、新加工点的偏差为：Fm=X i+1 2 +Yi+1 2-R2=xi2+（yi -1） 2-R 2=Fi -2Y i+1（3-1）若 Fi0 ，应沿 -X 轴向进给一步，到 i+1 点，其坐标值为Xi+1 =Xi-1Yi+1=Yi新加工点的偏差为：F i=X i+1 2 +Yi+1 2 -R 2=（xi -1） 2+yi2-R2=Fi+2X i+1（3-2）根据式（ 3-1 ） 和（3-2 ）可以看出，只要知道前一点偏差和坐标，就可以 求出新的一点的偏差。公式中只有乘 2 运算，计算大为简化了。由于加工是从 圆弧的起点开始的，起点的偏差为 0，坐标为（Xo,yo）,所以新的加工点的偏差 完全可以

45、用前一加工点的偏差递推出来。综上所述，逐点比较的逆圆弧插补过程为每走一步要进行以下四个步骤， 即判别、进给、运算、比较。（ 1）判别。根据偏差值确定刀具的位置是在直线的上方（或线上），还是 在直线的下方。（2）进给。根据判别的结果，决定控制哪个坐标（x或y）移动一步。（ 3 ）运算。计算刀具移动后的新偏差， 提供给下一个判别依据。 根据式（3-1 ） 及式 （3-2 ）来算新加工点的偏差，使运算大大简化，但是每一新加工点的偏差是由前一点偏差Fi,i推算出来的，并且一直推算下去，这样就要知道开始加工时的那一点的偏差是多少。当开始加工时，我们是以人工方式将刀具移到加工起 点，既所谓的“对刀”，这一

46、点当然没有偏差，所以开始加工点的Fi=O o（4）比较。在计算运算偏差的同时，还要进行一次终点比较，以确定是否到达终点。若已经到达，就不要再进行计算，并发出停机或转换新程序的信号。逐点比较法第三象限顺圆弧插补程序流程图如下:向+Y走一步向-X走一步F=F-2Yi+1F=F+2Xi+1Y+i=Yi+1X=Xi-1图 3-4 第三象限顺圆弧插补流程图使用 MOV 、ADD_I 、SUB_I 等编程模块，和一些控制指令进行，注意到了规定的进给总步数后应跳过进给段。3.4 程序设计调试KOY006 肖动IS示DOx起点坐标K-5000XOOO X001X011X002OT I11J4-(Y006Y00

47、6XOOOT卜)465361ADD K5000K5000D6RSTU102YOO6 M834O M1O2 MB350HINlOO-HFCMP D4 KOMIOOMlM3 M100-HIIFMl MLOO711-M2-hPM31 XOOL XO11 X014HIIIIFKLK10YOOO68PLS K30008195XO1L XOO1 X016IIKLK1OYOOl(YOOS-MULK2D2D9-SUED4D9D4-ADDKID4D4DECDECD6MULK2DODllADDD4DllD4QDKID4D4M30151IFMSIMIO M834O购 350Mil M834O腕 350166 T F

48、-r片M12X005X015Y006174|1 k-pM1189X006T卜X0L4一卜Y006201X007T卜X0L6IYDD6217ADD KI D404INCDODECD6MLORSTML02SETML02SETML08PLSR K3000K32000K10YOOL(YOOSY0061卜PLS8KSOOOK32000K10YOOLPLa?K3000K32000K10Y000(Y002X010T卜X017卄Y006井PLSP K30002000K10Y000D4L248D65320 插补总步 数M102Y006M8340M102M835046MLOO启和指示yO输出笛出MLOO53卜Ml M100CMP D4 KOMl1248OFFHft差=0,M31 得电 )f=0,M3l 得电M2HPLSR K3000 KIKLO YOOO OFFML脉冲M30siI FX011X0L6FL6 K3000 KIM31紧停KLO Y001 OFFM2脉冲=0,K31林电MUL K2D2D936927386y起点坐标SUB D4 D9D4124873861248 f偽差f偏差ADD KIMD412481248 f備差f偏差CGCD23692cecD65320 摘补总步 数