XY数控工作台机电专业系统设计.docx
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XY数控工作台机电专业系统设计
一种经济型数控机床控制系统,涉及机床伺服系统和对该伺服系统进行控制PLC;其特性在于,还涉及通过通信接口与PLC通信触摸屏,所述触摸屏涉及:
数据输入模块,用于输入、修改被控参数参数值和操作指令,读取触摸屏操作界而;数据存储模块,用于存储输入、输出数据;数据解决计算模块,用于对输入、输出参数数据进行解决、计算;涉及输入信号编码运算;输出信号解码运篡;数据存储单元,用于存储移位单元传递来数据;数据检测单元,用于实时检测坐标轴当前运动状态参数值,涉及距离、速度值,以及控制方式参数值;数据比拟单元,用于将检测单元检测到坐标轴当前运动状态参数值、控制方式参数值1J触摸屏存储模块设定值进行比拟:
X-Y数控工作台机电系统设计•釆用步进电作为驱动装置。
步进电机是一种将脉冲信号转移成角位移机电式数模转换器装置。
其工作原理是:
每给一种脉冲便在定子电路中产生一定空间旋转磁场;山于步进电机通是三相交流电因此輕脉冲数I」及时间间隔不同,转子旋转快慢及旋转时间长短也是不同。
山于旋转磁场对放入其中通电导体既转子切割磁力线时具备力作用,从实现了旋转磁场转动迫使转子作相应转动,因此转子才可以实现转子带动丝杠作相应运动。
模块化X-Y数控工作台,普通山导轨座、移动滑块、匸作平台、滚珠丝杠螺
母副以及伺服电动机等部件构成。
其外观形式如图1所示。
其中,伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠,滚珠丝杠螺母带动滑块和匸作半台在导轨上运动,完毕丁作△存X、Y方向盲线移动°导埶馴、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机
等均己原贝
依照需要,
荷选用即可。
控制系统
P用微机控制系统。
题LI:
X-Y数控工作台机电系统设讣
任务:
设计一种供立式数控铳床使用X-Y数控工作台,
重要参数如下:
<1〕立铳刀最大直径d=15mm;
〔2〕立铳刀齿数73;
〔3〕最大铳削宽度么二13mm:
〔4〕最大铳削深度劣二8mm:
〔5〕加工材料为碳素钢
〔6〕X、Y方向脉冲当量&二心二0.005mm./脉冲;
〔7〕X、Y方向定位精度均为±0.01mm;
〔8〕工作台面尺寸为230mmX230mm,
加工范畴为300mmX200mm:
〔9〕工作台空载最快移动速度—二3000mm/min;
<10〕工作台进给最快移动速度Vaf二匕口心二1200mm/mino
总体方案拟定
1.机械传动部件选取
〔1〕导轨副选用要设计X-Y工作台是用来配套轻型立式数控铳床,需要垂受载荷不大,但脉冲、"|量小、定位粘度高,因而,决定选用直线滚动导轨副。
它具备摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、构造紧凑、安装预紧以便等长处。
〔2〕丝杠螺母副选用伺服电动机旋转运动需要通过丝杠螺母制转换成直线运动,要满足0.005mm脉冲当量和定位精度,滑动丝杠副无能为力,只有选用滚珠丝杠副才干到达。
滚珠丝杠副传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高,预紧后可消除反向间隙。
〔3〕减速装置选用选取了步进电动机和滚珠丝杠副后来,为了圆整脉冲当量,放大电动机输出转矩,减少运动部件折算到电动机转轴上转动惯量,也许需要减速装置,且应有消间隙机构。
为此决定釆用无间隙齿轮传动减速箱
〔4〕伺服电动机选用任务书规定脉冲当量尚未到达0.001mm,定位精度也未到达微米级,空载最快移动速度也只有3000mm/mino因而,本设计不必采用高档次伺服电动机,如交流伺服电动机或直流伺服电动机等,可以选用性能好某些步进电动机,如混合式步进电动机,以减少本钱,提高性/价比。
〔5〕检测装置选用选用步进电动机作为伺服电动机后,可选开环控制也可选闭环控制。
任务书所给精度对于步进电动机来说还是偏高,为了保证电动机在运转过程中不受切削负载和电网影响而失步,决定采用半闭环控制,拟在电动机尾部转轴上安装增城式旋转编码器,用以检测电动机转角与转速。
增量式旋转编码器区分率应与步进电动机步距角相匹配。
考虑到X、Y两个方向加工范畴相似,承受工作载荷相差不大,为了减少设计工作量,X、Y两个坐标导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟釆用相似型号与规格。
2.控制系统设讣
〔1〕设计X-Y工作台准备用在数控铳床上,其控制系统应当具备单坐标定位、
两坐标直线插补与圆弧插补根本功能,因此控制系统应半设讣成持续控制型。
〔2〕对于步进电动机半闭环控制,选用MCS-51系列8位单片机AT89C52作为控制系统CPU,应当可以满足任务书给定有关指标。
〔3〕要设计一台完整控制系统,在选取CPU之后,还需要扩展程序存储器、型拯存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、申行接口电路等。
〔4〕选取适当驱动电源,与步进电动机配套使用。
第四章机械某些设计
4.1拟定系统脉冲当量
任务书中所给定脉冲当量是0.005mm
4.2.导轨上移动部件重量估算
按照下导轨之上移动部件重量来进行估算。
涉及工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等,预计重量约为800No
4.3滚动导轨副计算与选取
设零件加工方式为立式铳削,采用硬质合金立铳刀,工件材料为碳钢。
查得立铳时铳削力计算公式为:
F=H8a^fd^〕.73anz〔6-11〕
今选取铳刀直径由15mm,齿数戶3,为了计算最大铳削力,在不对称铳削状况下,取最大铳削宽度企二15mm,铳削深度昂二8mm,每齿进给量fz二0.1mm,铳刀转速300r/mino那么由式〔6-11〕求得最大铳削力:
A=X15°35X0.l075X15-073X810X300°13X3N~1463N
采用立铳刀进行圆柱铳削时,各铳削力之间比值可由表3-5查得,结合图3-4a,考虑逆铳时状况,可估算三个方向铳削力分别为:
人二1.1E~16O9N,Fe=0.38E~556\,凡二斤~366N图3-4&为卧铳状况,现考虑立铳,那么工作台受到垂直方向铳削力尺二尺二556N,受到水平方向铳削力分别为人和禺』今将水平方向较大铳削力分派给工作台纵向〔丝杠轴线方向〕,那么纵向铳削力F=
人二1609乂径向铳削力E二凡二366N。
a)
b)
图3-4铳削力分析a〕圆柱形铳刀铳削力
b〕面铳刀铳削力
〔1〕、滑块承受工作载荷讣算及导轨型号选用
工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命重要因素。
本例中X-Y工作台为水平布置,采用双导轨、四滑块支承形式。
考虑最不利状况,即垂直于台面工作载荷所有山一种滑块承当,那么单滑块所受最大垂向载荷为:
Fmax二G/4+尸
〔6-12〕
其中,移动部件重量G=800N,外加载荷斥E二556N,代入〔6-12〕式得最
大工作载荷尺二756N二0・756kNo
查表3-4b依照工作载荷^0.756kN,初选直线滚动导轨副型号为KL系列JSA-LG15型,其额定动载荷C=7.94kN,额定静载荷Q=9.5kN。
任务书规定工作台面尺寸为230mmX230mm,加工范畴为300mmX200mm,考
虑丄作行程应留有一定余量,查表3-35,按原那么系列,选用导轨长度为520mm.3
〔2〕、距离额定寿命计算
上述选用KL系列JSA-LG15型导轨副滚道硬度为HRC60,_£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
珂十舒5。
表3-36〜表3-40,分别取硬度系数於1.0,温度系数去二1.00,接触系数fc=0.81,精度系数K二0.9,载荷系数比二1.5,代入式〔3-33〕,得距离寿命:
=6649km
远不不大于盼望值50km,故距离额定寿命满足规定。
4.滚珠丝杠螺母副计算与选型
〔1〕最大工作载荷医计算承受最大铳削力时,工作台受到进给方向载荷〔与丝杠轴线平行〕展二1609N,受到横向载荷〔与丝杠轴线垂直〕人二366N,受
到垂向载荷〔与工作台面垂直〕E=556No
移动部件总重量G800N,按矩形导轨进行计算,查表3-29,取颠覆力矩影响系数胆1.1,滚动导轨上摩擦因数〃二。
求得滚珠丝杠副最大工作载荷
尺二殆+门〔E+E+G〕二[1.1X1609+0.005X〔556+366+800〕]N~1779N
〔2〕最大动载荷尺计算
设工作台在承受最大铳削力时最快进给速度v二1200mm/min,初选丝杠导程必二5mm,那么此时丝杠转速fi=v/P,=240r/min。
取滚珠丝杠使用寿命7^15000h,代入L^0nT/106,得丝杠寿命系数Z尸216〔单位为:
IO'r〕o
查表3-30,取载荷系数斤二1.2,滚道硬度为HRC60时,取硬度系数於1.0,代入式〔3-23〕,求得最大动载荷:
鸟=>!
^fwfnFn,212808.8N
〔3〕初选型号
依照计算出最大动载荷和初选丝杠导程,查表3-31,选取济宇博特精密丝杠制造有限公司生产G系列2506-4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25mm,导程为6mm,循环滚珠为3圈X1列,精度级别取4级,额定动载荷为15493X,不不大于歼,满足规定。
〔4〕传动效率Q计算
将公称直径丛二25mm,导程A•二6mm,代入久二arctan[£/〔〃丛〕],得丝杠螺旋升角久同.38。
。
将摩擦角©二10',代入〃二tan久/tanC+G九得传动效率4=96.3%。
〔5〕刚度验算
1〕X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副支承均采用“单推-单推〞方式,见书后图6-23。
丝杠两端各采用一对推力角接触球轴承,面对面组配,左、右支承中心距离约为a-500mm;钢弹性模量=2.lXlO’Mpa:
查表3-32,得滚珠直径4=3.969mm,丝杠底径=20.2mm,丝杠截面积S二n474=320.47mm%
无视式〔3-25〕中第二项,算得丝杠在工作载荷医作用下产生拉/压变形量&二庇a/〔ES〕=[1779X500/〔2.1X105X320.47〕]mm~0.0067mm。
2〕依照公式Z=〔n^/Zl〕-3,求得单圈滚珠数Z二20:
该型号丝杠为单螺母,滚珠圈数X列数为3X1,代入公式:
Zz二ZX圈数X列数,得滚珠总数量Zz二60。
丝杠预紧时,取轴向预紧力尽二斤/3二593N。
那么由〔3-27〕式,求得滚珠与螺纹滚道间接触变形量心〜0.0024mnu
由于丝杠加有预紧力,且为轴向负载1/3,因此实际变形量可减小一半,取&=0.0012nin]o
3〕将以上算出&和比代入5总二&+&,求得丝杠总变形量〔相应跨度500mm〕6总二0.0079mm二7.9"m。
山表3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在31外400mm时,行程偏差容许达到25“m,可见丝杆刚度足够。
〔6〕压杆稳定性校核
依照公式〔3-28〕计算失稳时临界载荷兀。
查表3-31,取支承系数五二1;由丝杠底径丛二20.2mm,求得截面惯性矩1=nd:
'/64~8172.88mm;压杆稳定平安系数K取3〔丝杠卧式水平安装〕;滚动螺母至轴向固定处距离a取最大值500mmo代入式〔3-28〕,得临界载荷F・A22580X,远不不大于工作载荷
FF1779X,故丝杠不会失稳。
综上所述,初选滚珠丝杠副满足使用规定。
5.步进电动机减速箱选用
为了满足脉冲当量设讣规定,增大步进电动机输出转矩,同步也为了使滚珠丝杠和工作台转动惯量折算到电动机转轴上尽量地小,今在步进电动机输出轴上安装一套齿轮减速箱。
采用一级减速,步进电动机输出轴与小齿轮联接,滚珠丝杠轴头与大齿轮联接。
其中大齿轮设讣成双片构造,采用图3-8所示弹簧错齿法消除侧隙。
图3-8双片薄齿轮错齿调节机构
1、2、6—齿轮3—螺母4、5—螺钉7—拉簧
工作台脉冲当量5二0.005mm./脉冲,滚珠丝杠导程mm,初选步进电动机步距角。
二0.75°。
依照〔3-12〕式,算得减速比:
,二〔a£〕/〔360S〕二〔0.75X6〕/〔360X0.005〕二5:
2
本设计选用常州市新月电机有限公司生产JBF-3型齿轮减速箱。
大小齿轮模数均为1mm,齿数比为75:
30,材料为45号调质钢,齿外表淬硬后达HRC55。
减
速箱中心距为[(75+36)X1/2]mm=55.5mm,小齿轮厚度为20mm,双片大齿轮片度均为10mm
6.步进电动机计算与选型
步进电动机计算与选型参见第四章第三节有关内容。
(1)计算加在步进电动机转轴上总转动攒量:
滚珠丝杠公称直径
氏二25mm,总长左500mm,导程Ph=6mm,材料密度P=7.85X10-3kg/cm3;移动部件总重量Q800N;小齿轮宽度bi=20mm,直径d产36mm;大齿轮宽度b:
=20mm,直径b:
二75mm;传动比,=5/2。
参照表4-1,算得各个零部件转动惯量如下(详细讣算过程从略):
滚珠丝杠转动惯量Js=O.617kg・cm'拖板折算到丝杠上转动惯量=0.517kg・cm2;小齿轮转动惯量J:
1=0.259kg・c大齿轮转动惯量J:
:
=4.877kg・cm%
初选步进电动机型号为90BYG2602,为两相混合式,山常州宝马集团公司生产,二相四拍驱动时步距角为0.75°,从表4-5查得该型号电动机转子转动惯量L=4kg・cm2o那么加在步进电动机转轴上总转动惯量为:
二勺++(上+J-+
Js)/i2=30.35kg/cm2
2)计算加在步进电动机转轴上等效负载转矩Tea分迅速空载起动和承受最大工作负载两种状况进行计算。
1)迅速空载起动时电动机转轴所承受负载转矩唁曲式(4-8)可知,g涉及三某些:
一某些是迅速空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩Tz;一某些是移动部件运动时折算到电动机转轴上摩擦转矩Tf;尚有一某些是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上附加摩擦转矩TooIII于滚珠丝杠副传动效率很高,依照(4-12)式可知,To相对于Tz和八很小,可以无视不计。
那么有:
Teq^Tanax+Tf
(6-13)
依照式(4-9),考虑传动链总效率/?
计算迅速空载起动时折算到电动机
max—
601ar/
转轴上最大加速转矩:
(6-14)
式中na相应空载最快移动速度步进电动机最高转速,单位为r/min;
t.——步进电动机曲静止到加速至几转速所需时间,单位为s。
其中:
n二怙xXU
m—360x5
(6-15)
式中空载最快移动速度,任务书指定为3000mm/min;
a——步进电动机步距角,预选电动机为0.75°:
5脉冲当量,本例S^0.005mm/脉冲。
将以上各值代入式(6-15),算得^1250r/mino
设步进电动机由静止到加速至仏转速所需时间仁二0・4s,传动链总效率4x1250
那么由式(6-14)求得:
7nmax=60x04x07兀1.42(N•m)
山式(4-10)可知,移动部件运动时,折算到电动机转轴上摩擦转矩为:
(6-16)
0.002(N・m)
“G+G)坨
2如
那么由式(6-16),得:
Tf=
最后111式(6-13),求得迅速空载起动时电动机转轴所承受负载转矩:
TefTd7>=1.422N(6-17)
2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受负载转矩几:
由式(4-13)可知,T皿涉及三某些:
一某些是折算到电动机转轴上最大工作负载转矩久;一某些是移动部件运动时折算到电动机转轴上摩擦转矩7;;尚有一某些是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上附加摩擦转矩乙£相对于7;和乙很小,可以无视不计。
那么有:
其中,折算到电动机转轴上最大工作负载转矩7;山(4-14)式计算。
本例中在对滚珠丝杠进行计算时候,沿着丝杠轴线方向最大进给载荷代二1609N,那么有:
丁FfPh
11=——=a
2mii2〞12z、
'0.88(N・m)
再由式(4-10)计算垂直方向承受最大工作负载(&556N)状况下,移动部件鬥时疇饗<转皱廢鸚
1,=«
f2加〞=2^x0.7x25/120.004(N・m)
最后山式(6-18),求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受负载转矩为:
Teg二7;+7>二0.884N・m
(6-19)
通过上述计算后,得到加在步进电动机转轴上最大等效负载转矩应为:
Tea-max'Teai,Te }=1.422N•m (3)步进电动机最大静转矩选定考虑到步进电动机驱动电源受电网电压影响较大,当输入电压减少时,其输出转矩会下降,也许导致丢步,甚至堵转。 因而,依照来选取步进电动机最大静转矩时,需要考虑平安系数。 本例中取安全系数用4,那么步进电动机最大静转矩应满足: —4X=4X1.422N・m二5.688N・m(6-20) 上述初选步进电动机型号为90BYG2602,ill表4-5查得该型号电动机最大静转矩T"6N・m。 可见,满足(6-20)式规定。 (4)步进电动机性能校核 1)最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度—/=400mm/min,脉冲旳量=0.005mm/脉冲ill(4-16)式求出电动机相应运营频率 从90BYG2602电动机运营矩频特性曲线图6-24可以看出,在此频率下,电动机输出转矩6N・m,远远不不大于最大工作负载转矩T4.884N・m,满足规定。 2)最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快空载移 动速度v^=3000mm/min,仿照(4-16)式求出电动机相应运营频率心二[3000/ (60X0.005)]Hz=10000Hz。 从图6-24査得,在此频率下,电动机输出转矩T*=1.8N・m,不不大于迅速空载起动时负载转矩Te 3)最快空载移动时电动机运营频率校核最快空载移动速^^OOOmm/min相应电动机运营频率E■二10000Hz。 查表4-5可知90BYG2602电动机极限运营频率为OHz,可见没有超过上限。 4)起动频率计算电动机转轴上总转动惯量^=30.35kg•cm: 电动机转子转动惯量么二4kg・cm2,电动机转轴不带任何负载时最高起动频率爲二1800Hz. 那么山式(4-17)可以求出步进电动机克服惯性负载起动频率: 上式说明,要想保证步进电动机起动时不失步,任何时候起动频率都必要不大于614Hzo事实上,在釆用软件升降频时,起动频率选得更低,普通只有100Hz(即100脉冲/s)。 综上所述,本例中工作台进给传动选用90BYG2602步进电动机,完全满足设计规定。 7.增量式旋转编码器选用 本设计所选步进电动机采用半闭环控制,可在电动机尾部转轴上安装增量式旋转编码器,用以检测电动机转角与转速。 增量式旋转编码器区分率应与步进电动机步距角相匹配。 由步进电动机步距角oR.75。 ,可知电动机转动一转时,需要控制系统发出360/。 =180个步进脉冲。 考虑到增量式旋转编码器输出A、B相信号,可以送到四倍频电路进行电子四细分〔见笫四章笫五节有关内容〕,因而,编码器区分率可选120线。 这样控制系统每发一种步进脉冲,电动机转过一种步距角,编码器相应输出一种脉冲信号。 本例选取编码器型号为: ZLK-A-120-05V0-10-H: 盘状空心型,孔径10mm,与电动机尾部出轴相匹配,电源电压+5V,每转输出120个A/'B脉冲,信号为电压输出,生产厂家为长春光机数显技术有限公司。 第五章系统控制软件设计 X-Y数控工作台控制系统设汁,可以参照本章第一节车床数控系统,但在硬件电路上需要考虑步进电动机〔编码器〕反应信号解决,在软件上要实现半闭环控制算法。 依照任务书规定,设计控制系统时重要考虑如下功能: 〔1〕接受操作面板开关与按钮信息; 〔2〕接受限位开关信号; 〔3〕控制X,Y向步进电动机驱动器; 〔4〕与PC机串行通信。 CPU选用MCS-51系列8位单片机AT89S52,采用8279,和W27C512,6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片cW27C512用做程序存储器,存储监控程序;6264用来扩展AT89S52RAM存储器存储调试和运营加匸程序;8279用做键盘和LED显示屏借口,键盘重要是输入工作台方向,LED显示屏显示当前工作台坐标值;系统具备超程报警功能,并有越位开关和报警灯;其她辅助电路有复位电路,时钟电路,越位报警批示电路。 进给控制系统原理框图 图6 驱动电路流程设讣 步进电机速度控制比拟容易实现,并且不需要反应电路。 设计时脉冲当量为0.01mm,步进电机每走一步,工作台直线行进给0.Olmmo步进电机驱动电路中釆用了光电偶合器,它具备较强抗干扰性,并且具备保护CPU作用,当功放电路浮现故障时,不会将大电压加在CPU上使其烧坏。 图7步进电机驱动电路图
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