运动控制系统课程设计-X-Y数控机床运动控制系统设计说明书.doc

14天津职业技术师范大学 机检1111班 第一组天津职业技术师范大学课程设计题目：X-Y数控机床运动控制系统设计 学生姓名： 班级： 学院：机械工程学院 指导老师： 2015年1月19日目录一、总体方案设计41.1 设计任务41.2 总体方案确定4二、机械系统设计52.1、工作台外形尺寸及重量估算52.2、滚动导轨的参数确定52.3、滚珠丝杠的设计计算62.4、步进电机的选用82.5、确定齿轮传动比92.6、确定齿轮模数及有关尺寸92.7、步进电机惯性负载的计算103.1 CPU板113.2 驱动系统12参考文献15一、总体方案设计1.1 设计任务 设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为0.01mm，定位精度为0.025mm。设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸CBH100mm120mm12mm；底座外形尺寸C1B1H1210mm220mm140mm；最大长度L=288mm；工作台加工范围X=55mm，Y=30mm；工作台最大快移速度为2m/min。1.2 总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。（2）计算机系统本设计采用了美国PMAC运动控制卡pmac(program multiple axisescontroller)是美国delta tau公司生产制造的多轴运动控制卡，是世界上功能最强，计算速度最快，质量可靠的运动控制产品。（3）X-Y工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。 图1-1 系统总体框图二、机械系统设计2.1、工作台外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：长宽高 10012030重量：按重量=体积材料比重估算NY向拖板（下拖板）尺寸： 10012030 重量：约28N。上导轨座（连电机）重量：夹具及工件重量：约150N 。X-Y工作台运动部分的总重量：约163N。2.2、滚动导轨的参数确定、导轨型式：圆形截面滚珠导轨、导轨长度上导轨（X向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 下导轨（Y向） 选择导轨的型号：GTA16 、直线滚动轴承的选型上导轨下导轨由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。、滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。 2.3、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。、最大动负载Q的计算查表得系数，寿命值查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速(r/min)所以 X向丝杠牵引力 Y向丝杠牵引力所以最大动负荷X向 Y向 查表，取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副的型号为 SFK1004，其额定动载荷为390N，足够用。、滚珠丝杠螺母副几何参数计算表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数名 称符 号计算公式和结果螺纹滚道公称直径10螺距接触角钢球直径螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杆螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）见表2-1。、传动效率计算式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算 所以 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。所以导程总误差。查表知E级精度的丝杠允许误差，故刚度足够。、稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。2.4、步进电机的选用、步进电机的步距角取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取 ，则，且，所以式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； 导轨摩擦系数；步进电机步距角，（rad）；T电机轴负载力矩（）本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），为丝杠牵引力，。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取，所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3，则 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 、步进电机的最高工作频率查表选用两个45BF003-2型步进电机。电机的有关参数见表2-2。表2-2 步进电机参数型 号主要技术数据外形尺寸重量步距角最 大静转距最高空载启动频率()相数电压电流外径长度轴径45BF003-21519.63700360245584112.5、确定齿轮传动比因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比选 ， 。2.6、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数，齿轮有关尺寸见表3-3。2.7、步进电机惯性负载的计算表2-3 齿轮尺寸 1728171914.55 283025.5517.5根据等效转动惯量的计算公式，得式中： 折算到电机轴上的惯性负载（）； 步进电机转轴的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；滚珠丝杠的转动惯量（）；M移动部件质量（）。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算式中：D圆柱零件直径（cm）；L零件长度（cm）。所以电机轴转动惯量很小，可以忽略，则因为，所以惯性匹配比较符合要求。三、控制系统硬件设计X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。3.1 CPU板3.1.1 CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。3.1.2 CPU接口设计CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：（行程开关）前向通道传动驱动（电磁铁）（步进电机）人机界面传感器AT89S51（键盘、LED）后向通道 图3-1 CPU外部接口示意图P1.0-P1.2驱动1X步进电机驱动2Y步进电机P1.3-P1.5P1.6驱动3P3.2外部中断1P3.3外部中断2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51键盘电磁铁8155 图3-2 AT89S51控制系统图3.2 驱动系统传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。3.2.1 步进电机驱动电路和工作原理步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。图3-4 步进电机驱动电路图该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。电磁铁驱动电路 该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。图3-6 电磁铁驱动电路3.2.3 电源设计两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为27V、12V、5V，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的27V电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的12V和5V电压。四、运动控制卡的选择 1. PMAC简介PMAC（programmablemultiaxescontroller）是美国DeltaTau公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基本功能。PMAC内部使用了一片MotorolaDSP56003数字信号处理芯片，它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般的控制器。伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前馈控制，其伺服周期单轴可达60s，二轴联动为110s。产品的种类可从二轴联动到三十二轴联动。甚至连接MACRO现场总线的高速环网，直接进行生产线的联动控制。与同类产品相比，PMAC的特性给系统集成者和最终用户提供了更大的柔性。它允许同一控制软件在三种不同总线（PCXT和AT，VME，STD）上运行，由此提供了多平台的支持特性。并且每轴可以分别配置成不同的伺服类型和多种反馈类型。2. PMAC的分类PMAC卡按控制电机的控制信号来分，有1型卡和2型卡，1型卡输出10V模拟量。主要用速度方式控制伺服电机.2型卡输出PWM数字量信号,可直接变为PULSE+DIR信号来控制步进电机和位置控制方式的伺服电机。PMAC卡按控制轴数来分,有2轴卡： MINI PMAC PCI4轴卡：PMAC PCI Lite，PMAC2 PCI Lite， PMAC2A-PC/104及Clipper8轴卡：PMAC-PCI，PMAC2-PCI和PMAC2A-PC/104及Clipper32轴卡：TURBO PMAC和TURBO PMAC2PMAC卡按通讯总线形式分，有：ISA总线，PCI总线，PCI04总线，网口和VME总线。目前,PMAC各种轴数的1型和2型卡，都有上述的计算机总线方式供选择。PMAC除上述板卡形式外。还可以提供集成的系统级产品有：UMAC ADVANTAGE400 、ADVANTAGE900等，具体分类可以参考北京泰诺德公司网站。3.与各种产品的匹配（1）与不同伺服系统的连接：伺服接口有模拟式和数字式两种，能连接模拟、数字伺服驱动器，交、直流、直流无刷伺服电机伺服驱动器及步进电机驱动器。（2）与不同检测元件的连接：测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等。（3）PLC功能的实现：内装式软件化的PLC，使用类似basic的程序，可扩展到2048点I/O。（4）界面功能的实现：按用户的需求定制。（5）与I