机电一体化大作业

某车床进行数控改造，其小拖板结构简图如图所示，已知进给系统行程为200mm,快速移动的最大速度为1. 2m /min,最大切削进给速度为0. 25m /min,溜板和刀架的质量为20kg。

1.本设计系统中的计算机拟釆用PLC,请简述其特点。(6分)

(1)可靠性高。

(2)适应性强，应用灵活。

(3)编程简单、容易掌握。

(4)控制系统设计、安装、调试方便，工作量少

(5)维修方便。

(6)体枳小，能耗低

2.本设讣系统中拟选择反应式三相步进电机驱动，请简述其工作原理。(6分)

设步进电机的三项分别是A、B、C,将电脉冲加到A相，A相产生磁通，并对转子产生磁拉力，1、3两个齿与定子的A相磁极对齐。而后再将电脉冲通入B相励磁绕组，B相磁极便产生磁通。使转子2、4两个齿与定子B相磁极对齐。如果按照AA的顺序通电，转子则沿反时针方向一步步地转动。

3.本设讣系统中的传感器拟釆用光栅传感器，请简述该传感器的特点。(6分)

①精度高。

②可用于大量程测量兼有高分辨力：

③可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化；

④具有较强的抗干扰能力

⑤高精度光栅制作成本高，

4•对于初步选用的反应式三相步进电机，假设其步距角为。釆用三项六拍的通电方式工作，脉冲当量5为a 005mm,,请计•算传动链中的传动比7。(8分)

根据题意亠卫1證烏r?

360彷

5•设工作时丝杠轴向切削分力为Fy=l3O4N,垂直切削分力为F,=1779.3N ,传动系统的总效率为"=0・85。

(1) 计算切削负载力等效到电机轴的等效力矩T皐(8分)

T；Q =FxXlo = _"9.3x6_ = 1 ⑹（M 讪）=1（心）"2 托xixq 2x3,14x2x0.85

(2) 根据加丄需要，选择燕尾形导轨，在良好的润滑悄况下，其摩擦系数为,

计算切削运行时摩擦负载力等效到电机轴的等效力矩T；q(N・m)。(8分)

摩擦阻力斤=（呦+ /；）“ = （20x9.8 +1304）x0.1 = 15O（N）

F ISO y 6

吒=k = 2x3.14x2x0.85 =强?曲”）=0.0843 （心）

(3) 齿轮ZiZ的转动惯量为人=l・6xKr* Kg”几厶2 =6.4 X10* Kg"几丝

杠的转动惯量A=L2xlO-^/C^/»\求机械系统等效到电机轴上的等效转动惯量丿“。

（20 分）

根拯题意：=舁2同+訂Z2虻+舁同+于

\,=込=込

2龙8”

= Jzi + 儿2 ^"十人+ M —- = Jzi+Jz2X—+ 人X —+ M X (-^)"

% 塔 % 4 4 4;:

所以：=1・6X107+1X6・4X10"+I X1・2X10J+°・°°? X65

4 4 16矿

= 1.6x10"'* +1.6x10"-* +3x10“ +0.152x10"-*

= 6・352xlO"(KgM2)= 6・352(Kg・c加2)

6•如果选择三相反应式步进电机，根据系统切削时最大速度的需要，其加速时间为，计算系统的总转矩（10分）（忽略电机转子的转动惯量影响）

最大加速力矩T = T^+T：q+T；；=^+T：q + (JjJQx£ = q+T：q + (JjJJx^「vx2/rx/ 0.25(加/min) x2;rx2 . …

乂： = -------- =——' 一二-=8・7(册〃 / 5)

£

所以:

8 7 8 7

T =1(N M)+0.0843(N皿) + 6.352x10十Kgj”2)x 乔(md/$2) + 2.4x 乔

=1(N M) + 0.0843 (N M) + 0.0552 (N M) + 0・(M18 (N M) = 1」8(N M)

T 1 12

考虑机械效率八厂一皿9（曲）

7•验算最大静转矩和起动转矩7；是否满足系统要求，确定步进电机的型号。（8分）査附件2可知:SM3910的步距角为。，最大静转矩（保持扭矩）厂冲严4（N M）

则5； = X 0-87 = 4X0,87 = 3.48 > r

满足要求。

&确定步进电机的空载最大启动频率人，并判断步进电机是否能够在不丢步的情况下直接启动，如果不能，应釆取什么样的措施。（10分）

max

7；；=(儿 + 乙)X 空■ = (2.4X10-4 + 6.352 X10 J X 也&752 X10"* X87

/ C) * I

=0.0761 (N M)

空载起动力矩人© =T：q+T；； = 0.5308+0.0761 = 0.6968(M/n)

査附件2表知：人可以达到lOKHz以上，按数据给定使用3KHZ启动，不丢步。满足要求。

9•确定步进电机的空载最大运行频率人込"（10分）

360° x2穴

乂:

几合X = 4000 Hz Y 空载运行频率50 KHz O 满足要求。 max ⑹x2;rx%汰 f

''0.6 X 2龙

O.6x2;rx/o 沁叫5心2 33罟X2 = 4000 Hz 0.6x6