步进驱动系统设计.doc

步进驱动系统设计 1.1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大同小异，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1-1 开环伺服系统结构原理框图 1.1.1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；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单片机控制方式，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。 1.1.2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。 1、减速器的传动比计算： i=αp/360δp 其中：表示步进电机步距角，两个方向由任务书给出； ：表示丝杠的导程，两个方向由任务书给出； ：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。 纵向： i1=αp/（360δp） =(1.8×3)/(360×0.015)=1 横向： i2=αp/（360δp） =(1.8×5)/(360×0.015)=1.67 X方向脉冲个数:n===2667 Z方向脉冲个数:n===2672 2、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： 式中， 为启动加速引起的惯性力矩， 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， 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； 为电机转动惯量； 为折算到电机轴上的等效转动惯量； 为启动时的角加速度； 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； ：为丝杠导程，由任务书中给出； ：为拖板重力和主切削力引起丝杠上的摩擦力， ，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，钢与钢的摩擦系数可查资料，一般为0.05~0.2左右； ：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； ：为丝杠螺母副的预紧力，设取的1/5 ~ 1/3 ； ：为伺服进给系统的总效率，取为0.8 ； ：为减速器传动比。 Jm+Je=0.09N.m2 启动时 ε===()=52.33rad/m2 3)Fu: 横向力 Fu=(mg+Fz)×u =(150+400﹢1200)×0.15=262.5N 纵向力 Fu =(mg+Fz)×u =(150+1200)×0.15=202.5N 4)Fw: 横向力 Fw=(mg+Fy)×u=(400+400)×0.15=120N 纵向力 Fw=(mg+Fx)×u=(150+900)×0.15=157.5N 5)Fo: 横向力 Fo=Fw（1/5~1/3）= 24~40N 取Fo=35N 纵向力 Fo=Fw（1/5~1/3）=31.4~52.4N 取Fo=40N 由下式可得： 横向： =4.210N.m 纵向：