发布时间 : 星期六 文章机电一体化系统综合课程设计更新完毕开始阅读478e9821482fb4daa58d4bd3
转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60﹪，转子惯量减到直流电动机的1/5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。 3) 步进电动机：
反应时步进电机：反应式步进电动机的定子和转子不含永久磁铁，定子上绕有一定数量的绕组线圈，线圈轮流通电时，便产生一个旋转的磁场，吸引转子一步一步地转动。绕组线圈一旦断电，磁场即消失，所以反应式步进电动机掉电后不自锁。此类电动机结构简单，材料成本低，驱动容易，定子和转子加工方便，步矩角可以做得很小，但动态性能差一点，容易出现低频振荡现象，电动机温升较高。
永磁式步进电动机：永磁式步进电动机的转子由永久磁钢制成，定子上的绕组线圈在换相通电时，不需要太大的电流，绕组断电时具有自锁能力，这种电动机的特点是动态性能好，输出转矩大，驱动电流小，电动机不易发热，但制造成本较高。由于转子受磁钢加工的限制，因而步矩角较大，与之配套的驱动电源一般要求具有细分功能。
混合式步进电动机：混合式步进电动机的转子上嵌有永久磁钢，可以说是永磁型，但是从定子和转子的导磁体来看，又和反应式相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式，故称为混合式。该类电动机的特点是输出转矩大，动态性能好，步矩角小，驱动电流小，功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高。因为混合式电动机的性能/价格比较高，所以目前得到了广泛的应用。
选择的理由：任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000r/min，只能选用混合式步进电动机，以减低成本，提高性价比。 4.减速装置的选用
选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输
出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速器。 5.检测装置的选用
选用步进电动机作为伺服电动机后，可选用开环控制，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力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力应与步进电动机的步矩角相匹配。
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。 6.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。
4) 选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。 7.总体方案图
微型机 接口电路 功放电路 执行元件 机械传动 执行机构 开环控制流程图
四、机械传动部件的计算与选型
1. 导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为200N.
2. 直线滚动导轨副的计算与选型
1) 块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取
工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：
Fmax?G?F 4其中，移动部件重量Ｇ＝200N，外加载荷F=N=500N代入式，得最大工作载荷Fmax=70N=0.7kN。
查表3-41，根据工作载荷Fmax=0.7kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca?7.94kN，额定静载荷C0a?9.5kN。
任务书规定工作台面尺寸为2403254mm，加工范围为3003250mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。 2) 距离额定寿命L的计算
上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100?C，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-36～表3-40，分别取硬度系数fH=1.0，温度系数fT=1.00，接触系数fc=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数fw=1.5，代入得距离寿命：
L=(fh?ft?fc?frCa3?)?50?6700Km
fwFmax远大于期望值100Km，故距离额定寿命满足要求。
3. 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 1) 最大工作载荷Fm的计算
工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=500N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=500N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=500N。
已知移动部件总重量G=200N，按矩形导轨进行计算，查表取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数?=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
Fm=KFx+?(Fz+Fy+G)=[1.1?500+0.005?(500+500+200)]N?556N 2) 最大动工作载荷FQ的计算
设工作台的最快进给速度v=1000mm/min，初选丝杠导程Ph=4mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=250r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60nT/106,得丝杠寿命系数L0=225（单位为：106r）。
取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入求得最大动载荷：
FQ=3L0fwfHFm?1244.41N
3) 初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表选择G系列1604-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为16mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈*1系列，精度等级取5级，额定动载荷为4612N，大于FQ，满足要求。
4) 传动效率η的计算
将公称直径d0=16mm,导程Ph=4mm,代入λ=arctan[Ph/（πd0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。 5) 刚度的验算
(1) X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式，丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a=310mm；钢的弹性模量E=2.1х105Mpa;查表得滚珠直径Dw=2.381mm，丝杠底径