車刀刃磨裝置的結構設計(四)

在設計刀架板時主要要考慮到刀架板在工作時是否對其它零件產生干涉，還有刀架板中刀架的位置，要能切削方便與砂輪有一個好的位置不至于砂輪闖到磨削裝置上。根據這些要求我們設計出將刀架部分用一半圓弧凸出使砂輪與磨削裝置有一定距離。我們設計刀架板厚20mm總長180mm在邊緣處有一半徑為45mm的圓弧突出。具體零件可參考刀架板零件圖。

底板的設計

 底板設計中，首先要考慮到板的厚度以及部分細節方面的設計

再裝絲杠螺母的地方采用厚度為35mm，比其它地方后。這樣要鉆空放入軸承。

在其它地方板厚為15mm ，底板總長為175mm總寬為165mm。材料為q235

第二部分傳動裝置以及電機的選擇設計

一 歩進電機選擇計算

（一）步進電機的工作原理和特性

步進電機如同普通電機，有轉子、定子和定子繞組分成若干相，每相的磁極上有極齒，轉子在軸上也有若干齒。當某相定子繞組通以直流電激勵后，便能吸引轉子，使轉子上的齒和定子上的齒對齊。因此，它是按電磁鐵作用的原理進行工作的，在外加脈沖信號的作用一步一步的運轉，是一種將電脈沖信號轉換相應角位移的機電元件。步進電機定子可以做成兩相或三、四、五和十相等。相繞組可以單拍或

雙拍方式通電。步進電機主要技術參數指標和特性有:

(1) 步距角。

當步進電機的定子繞組為m，轉子齒數為Z，通電方式系數為k時，每輸入一個脈沖信號，轉子轉過的角度稱為步距角，用表示則有

                      (5-1)

單拍 通 電 時k=1，雙拍通電時k=2。

(2) 靜態步距角誤差

是指步進電機空載時，每步實際轉過的角度與理論步距角之差。以角度單位或理論步距角的百分數表示。

(3) 精度

通常指的是最大步距誤差和最大累積誤差，步距誤差是空載運行一步的實際轉角的穩定值和理論值之間的最大值，用理想步距的百分數表示。累積誤差時指，從任意位置開始，經過任意步后任意的實際角位移和理論角位移之差。

(4) 最大靜轉矩

所謂靜態是指步進電機的通電狀態不變，轉子保持不動的定位狀態。靜轉矩即是步進電機處于定位狀態下的電磁轉矩，它繞組內的電流和失調角之間的函數。

失調角就是在定位狀態下，如果在轉子上加一個負載使轉子轉過一個角度。并能穩定下來，這時轉子上受到的電磁轉矩和負載轉矩相等，該電磁轉矩即為靜轉矩。角度B稱為失調角。對應于某式調角最大的轉矩，為最大靜轉矩，一般來說材大的電機，負載轉矩也大。

   (5) 最大起動轉矩

只有在外加的轉矩小于峨時才能啟動，該性能表示步進電機啟動時的負載能力。

(6) 響應頻率

在某一個頻率范圍內，步進電機可以任意運行而不丟步，則這一最大頻率稱為響應頻率。通常用啟動頻率來作為衡量指標。它是指在一定負載下直接起動而不丟步的極限頻率。

(7) 運行頻率和矩頻特性

運行頻率指拖動一定負載使頻率連續上升時，能使步進電機不失步運行的極限頻率。矩頻特性包括起動矩頻特性和運行矩頻特性。起動矩頻特性指在給定的驅動條件下，負載慣量一定時，起動頻率和負載轉矩之間的關系，又稱為牽入特性。運行矩頻特性指負載慣量不變時，運行頻率和負載轉矩之間的關系，又稱為牽出特性。矩頻特性如圖3.2所示。

圖3.3 步進電機慣頻特性

(8) 慣頻特性

在負載力矩一定時，頻率和負載慣量之間的關系，稱為慣頻特性。慣頻特性分為啟動慣頻特性和運行慣頻特性。如圖5-2所示。

對于步進電機的控制，了解其性能參數必須的，因為在進行步進電機選擇和軟件設計時，它的性能決定整個控制系統的性能。

(二)步進電機選擇和計算

1初選步進電機

型  號 相數 電壓 電流 電阻 電感 靜轉矩 機身長 定位轉矩 出軸長 重量 接線圖

單  位 V A Ω mH Kg.cm mm Kg.cm mm Kg

57BYGH101 4 3 1.3 2.3 2.2 4.9 45 0.3 21 0.45 a

57BYGH102 2 5.1 0.75 6.8 12.5 5 45 0.3 21 0.45 b

57BYGH201 4 16 0.4 40 60 8.5 55 0.7 21 0.65 a

57BYGH202 4 12 0.7 17.5 22 8.5 55 0.7 21 0.65 a

57BYGH203 2 2.4 1.5 1.6 3.4 8 55 0.7 21 0.65 b

57BYGH204 4 5 1.5 3.3 3.6 8.5 55 0.7 21 0.65 a

57BYGH205 2 6 0.6 10 26.5 8.5 55 0.7 21 0.65 b

57BYGH206 4 2.7 3 0.9 1.4 8.5 55 0.7 21 0.65 a

57BYGH207 2 4.4 1.15 3.8 8 9 55 0.7 21 0.65 b

57BYGH208 2 7.2 0.6 12 33 8.5 55 0.7 21 0.65 b

57BYGH209 4 4 1.6 2.5 3.5 8.5 55 0.7 21 0.65 a

57BTGH210 4 4.8 1.5 3.2 4 8 55 0.7 21 0.65 a

57BYGH211 4 3 2 1.5 2 8.5 55 0.7 21 0.65 a

57BYGH212 2 1.8 3 0.6 1.3 8.5 55 0.7 21 0.65 b

57BYGH213 2 4.5 1.5 3 5.4 9 55 0.7 21 0.65 b

57BYGH214 2 3 2.5 1.5 4.4 14 55 0.7 0.65 b

57BYGH251 2 5.1 1.5 3.4 6.8 12 68 0.7 21 0.65 b

57BYGH301 4 4.6 2 2.3 4 14 76 0.9 21 1.0 a

57BYGH302 4 2.6 2.4 1.1 1.9 14 76 0.9 21 1.0 a

57BYGH303 4 5.4 1.5 3.6 6.8 12 76 0.9 21 1.0 a

57BTGH304 4 7 1.5 4.7 7.4 14 76 0.9 21 1.0 a

57BYGH306 2 2.7 3 0.9 2.2 15 76 0.9 21 1.0 b

            圖3.4  57電機的外形圖

初步選用型號是57BYGH203系列的混合式步進電機，這種電機產品同時兼有反應式和永磁式兩種步進電機優點。該產品具有體積小、驅動電流和功耗小、起動和運行頻率高、動態性好的特點，同時還具有良好的內部阻尼特性，因而運行平穩，無明顯的低頻振蕩區，噪音小，可靠性高。既可用于組建穩定、可靠的開環系統，也可用于組建閉環系統。工作中要求步進電機能嚴格跟隨指令脈沖,不發生失頻、振蕩;能快速起動、停止、正反轉和高效運轉;能滿足各項性能指標且具有良好的動態特性。步進電機選用時首先必須保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，使電動機的矩頻特性有一定余量以保證運行可靠，一般來說最大靜轉矩T-大的電機，負載轉矩也大，通常取T /T=0.2~0.5。對于相數較多，突跳頻率要求不高時取大值，反之取小值。其次要求計算機械系統的負載慣量和產品所要求的啟動頻率，使之與步進電機相匹配并有一定余量，并使最高連續工作頻率能滿足產品快速移動的要求。選用步進電機時還必須注意到要使其步距角和機械系統相匹配，以得到所需要的脈沖當量。

57電機的參數

步 距 角：0.9/1.8         DEG    絕緣電阻：500V            DC   100MΩ   絕緣強度：500V            AC 1 Minute    溫    升：65K   環境溫度：-10~+55℃   絕緣等級：B  

圖3.5 57BYGH203以及57BYGH301運行矩頻特性

2負載轉矩和慣量的計算

(1)負載轉矩的估算

精確計算驅動系統的轉矩是比較復雜的，習慣的做法是根據實際裝置實測求取，在選擇步進電機時，常常使用近似的公式，先估算出負載的轉矩，從而為選定步進電機提供依據。

根據該課題的要求,估算電機的負載轉矩。由機械結構可知,電機驅動絲杠螺母機構在到工作臺，該直線運動系統換到電動機軸的負載轉矩　一般由下式估算:

 (3-1)

F一直線運動機械的軸向力，kg；

D一齒輪齒條傳動中的齒輪直徑，cm；

W一負載質量，kg；

i一減速傳動比；

一驅動系統的效率；

一滑動摩擦系數。

式中其中，取0.1～0.3, =0.85～0.950，D=14mm。

由機床的結構參數，估算工作平臺的總質量(包括旋轉步進電機、蝸輪、蝸桿、刀架等)為15kg，根據刀具刃磨載荷輕的特點，直線運動受到的軸向力可根據力矩平衡原理得出，如圖5-3所示，軸向力矩與摩擦分力的力矩相等：

             （3-2）

=

≈0.77kg

代入（3-1）可得：

  =

  

(2)負載慣量的計算

根據慣量的定義，物體對某軸的慣量定義為該物體微小體積的質量dm與該微小體積到軸的距離r的平方的乘積之總和，即

                                      3-3

回轉體的慣量計算：

                                 3-4

式中：—回轉體的材料密度

     D—回轉體直徑

     L—回轉體的長度

該機構是經過一級蝸輪蝸桿減速傳到工作臺上故其轉動慣量必須經過折算，其公式為：

                                   3-5

①工作臺轉動慣量計算

步進電機驅動蝸輪蝸桿傳動機構，通過蝸輪蝸桿機構傳到工作臺，這時根據動能守恒定律可得到工作臺運動慣量換算到驅動軸上的等效轉動慣量為：

                                      3-6

=

=0.012k

②蝸輪軸轉動慣量計算

=0.029k

③蝸輪蝸桿等效為圓柱體，其轉動慣量為

=0.095 k

=0.235 

④換算到電機軸上總慣性負載

 =0.012+ =  ≈0.012 k

(3)加速轉矩

驅動負載時往往需要進行加減速度運行。慣性體就會產生加速轉矩，其計算式為：

式中S—每轉走的步數，，為步進電機的步距角；

F— 最大驅動頻率，Hz(pps)；

T—加速時間；

g—重力加速度，。

二 絲杠螺母機構的選擇計算

（一）絲杠螺母機構概述

1絲杠螺母機構的特點

（1）用較小的扭矩傳動絲杠，可使得螺母獲得較大的軸向牽引力；

（2）可達到很大的降速比，使得機構大為簡化；

（3）能達到較大的傳動精度。用于機構進給時，還可算作測量元件，通過刻度盤讀出直線位移的尺寸，最小度數值可達到0.01mm；

（4）傳動平穩，無噪聲；

（5）在一定條件下能自鎖，即絲杠螺母不能進行逆傳動。此特點可用于部件升降移動，防止因部件自重而降落。

2絲杠螺母機構的選用

根據該設計方案，要求工作臺能夠上下移動，而且要能夠自鎖，故根據選用如圖所示結構：

(二)絲杠螺母機構的計算

1絲杠的導程：根據結構設計和要求，選用絲杠頭數k=1,螺距t=4mm,故絲杠螺母機構的導程s=kt=4mm。

2絲杠的效率：正傳動的效率即回轉運動轉換為直線運動的效率為：

   3-7

式中：—中徑處的螺紋升角，；