（机械电子工程专业论文）基于pmac的数控试验台机械系统设计及软件开发.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 基于p m a c 的数控试验台机械系统设计及软件开发 机械电子工程 白海清 李言教授 摘要 签名： 签名： 本论文课题是陕西省数控加工技术重点实验室科研项目，利用工控机和运动控制器对 x 、y ，z 、a 、b 五个坐标进行控制，采用位移检测装置对数控装置执行件的位移进行检测 的丌放式数控技术试验台，目的是为使研究者和实验者充分了解和掌握数控环节及数控过 程和运动控制卡的控制特性搭建的一试验平台。 本文通过对国内外开放式数控系统的研究，分析比较了几种开放式数控系统的开放途 径和体系结构，最终确定采用“p c 机+ 可编程运动控制器”的方式来构造该数控试验工作 台。本设计把p m a c 运动控制卡及其扩展卡放入控制箱，通过上位机工业控制机( i p c ) 标准串口通讯，再配上交流伺服电机和步进电机、伺服驱动器、编码器和直线光栅尺等， 构成一个模块化的数控系统。 在对试验平台机械结构进行设计的过程中，主要对滚珠丝杠螺母副、滚动直线导轨副 和蜗轮蜗杆式转台进行了计算、校核和选用，确保了机械传动部件的精度和刚度，使之满 足系统的要求；通过计算，选择了电气驱动部件，包括交流伺服电机和步进电机及其伺服 驱动器、编码器和直线光栅尺；基于w i n d o w s 操作系统，利用v i s u a lb a s i c 建立了控制 软件界面，应用p m a c 的g 代码解释程序、m 代码解释程序和t 代码解释程序编写了试验 台的运动程序，实现了工作台的加、减速等控制和直线、圆弧等动作。 通过对该试验台的调试和检测，试验台的性能指标达到了设计要求。 关键词：试验平台；运动控制卡；伺服系统；结构设计；软件设计 本研究得到陕西省数控加工技术重点实验室科研项目基金( 0 2 j s l 8 ) 的资助。 t i t l e ：d e s l g nt h em a c h i n es t r u c t u r ea n d c o n t r o l s o f t w a r eo ft h en ct e s t - b e db a s e d o np m a c m a j o r ：m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g n a m e ：h a i q i n gb a i s u p e r v i s o r ：p r o f y a nl i s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： a b s t r a c t t h i st h e s i si st h ep r o j e c to fs h a a n x ip r o v i n c ek e yl a b o r a t o r yo fn ct e c l m i q u e ，u s i n g m o t i o nc o n t r o lc a r da n di p cf o rt h ec o n t r o l l i n go ft h ef i v ea x i s e sx ，y ，z ，aa n dbi ti sa n o n ct e s t b e dw h i c hd e t e c t st h ed i s p l a c e m e n to fn u m e r i c a lc o n t r o lb yi t sd i s p l a c e m e n t d e t e c t i n gd e v i c e i ta i m sa ta l lr e s e a r c h e r sa n de x p e r i m e n t e r sc a ns u f f i c i e n t l yu n d e r s t a n da sw e l l a sm a s t e rt h ec o n t r o l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fn u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s sa n dm o t i o nc o n t r o lc a r d t h r m l 。曲t h i st e s t b e d t h r o u g ht h er e s e a r c ho fo p e n - t y p en cs y s t e mh o m ea n da b r o a d ，t h i st h e s i sa n a l y z e sm a d c o n t r a s t ss e v e r a lo p e nm o d e sa n ds y s t e ms t r u c t u r e so f n c s i tf i n a l l ya d o p t st h e i p c + p m a c m o d et oe s t a b l i s ht h et e s t b e dt h i sd e s i g np u t sp m a cm o t i o nc o n t r o lc a r da n di t s d e v e l o p m e n tc a r d i n t ot h ec o n t r o l l i n gc a s ea n dc o m m u n i c a t e sw i t hi p ct h r o u 幽s e r i a l p o r t t h e n ，i tm a t c h e sa cs c r v om o t o r s ，s t e pm o t o r s ，s e r v od r i v e r s ，e n c o d e ra n dg r a t i n gr u l e r st o f o r mam o d u l a rn cs y s t e m i nt h ep r o c e s so ft h ed e s i g n i n go ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h i st e s t b e d ，t h eb a l ls c r e w a s s e m b l y , r o l ll i n e a rg u i d ew a ya s s e m b l ya n dw o r ng e a rp a i rt u r n t a b l ea r ef i r s t l ym a i nd e v i c e s t oc a l c u l a t e d ，c h e c k e da n da t t a c h e d ，a si tc a ne n s u r et h eh i g hp r e c i s i o na n dr i g i d i t yo ft h e m e c h a n i c a lt r a n s f o r m a t i o nd e v i c e s ，a sw e l la s f u l f i l lt h er e q u i r e m e n to ft h en cs y s t e m s e c o n d l y , i ts e l e c t se l e c t r i c a lc o m p o n e n t st h r o u g hc a l c u l a t i o n ，i n c l u d i n ga c s e r v om o t o r s ，s t e p m o t o r s ，i t ss e r v od r i v e r s ，e n c o d e r sa n dg r a t i n gr u l e r s t h i r d l y , b a s i n go i lw i n d o w so p e r a t i n g s y s t e m ，i te s t a b l i s h e st h es o f t w a r ei n t e r f a c eb yv i s u a lb a s i c t h em o t i o np r o g r a mo ft h e t e s t - b e dw h i c hi sa p p l i e dt oc a j t yo u tt h ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc o n t r o l ，a sw e l la sl i n e a r a n dc i r c u l a rm o v e m e n to ft h et e s t b e d ，h a sb e e nd e v e l o p e db ygc o d ee x p l a n a t i o np r o g r a m ，m c o d ee x p l a n a t i o np r o g r a ma n dtc o d ee x p l a n a t i o np r o g r a mo f p m _ a c t h r o u g ht h ed e t e c t i o na n dd e b u go ft h i st e s t b e d ，t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fi th a sf u l f i l l e d t h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：t e s t b e d ；m o t i o nc o n t r o lc a r d ；s e r v os y s t e m ；s t r u c t u r ed e s i g n ；s o f t w a r ed e s i g n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：立竺堕4 三i 堡一7 年毋月矽日 学位论文使用授权声明 本人! 白! 鱼 叁在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅渎、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：必导师签名- 羹至。7 年，。旷钿 第一章绪论 。1 绪论 1 1 课题来源及研究意义 数控技术足机械、电子、计算机及自动控制等技术有机结合的一门商新技术，已广泛 应用于机械制造领域，使制造技术向高速化、自动化、高精化、集成化、智能化、网络化 方向发展，使机械产品在性能上向高精度、高效率、高性能、智能化方向发展，在功能上 向小型化、轻型化、多功能方向发展，在层次上向系统化、复合集成化方向发展。专家预 言，未来制造、l k 的竞争在很大程度上是数控技术的竞争。 当前，开放型、模块化和集成化已成为数控技术发展的重要趋势。为此，世界各国都 在抓紧研究制订丌放式商性能数控系统平台的标准及其规范并进行十关产品的丌发，如美 国的n g c 、o m a c 项、欧洲的o s a c a 计划及开本的o s e c 计划等。于此同时，世界 上各大数控生产，商也纷纷推出了基于开发式、模块化和集成化的高性能数控系统。“”1 3 1 关于开放式数控系统的特征通常认为包括硬件系统的开放性和软件系统的开放性，开 放的硬件系统由微型模块化的速度控制单元、位黄控制单元和内置的p l c 构成；开放的 软件系统是指数控软件系统的设计模块化及模块间的接口标准化。 开放式数控系统是数控技术发展的大趋势，建立开放式数控系统有着重要的意义，这 主要表现在如下两个方面： 1 市场的需求 现代制造业逐渐面向多品种、小批量生产方式，同时通过计算机网络连接的中、小企 业的远程制造，这一趋势促使数控系统具有较强的网络功能。为了实现低成本、更新、使 用的方便，c n c 系统应能运行于各种计算机软、硬件平台上，并提供统一风格的人机交 互环境。 不同行业对高精度位嚣控制的需求，需要根据不同用户的需求，迅速、高效、低成本 的构筑面向用户的控制系统，并能添加用户的私有功能要求系统具有模块化、可重新配 置的特点。用户的软件功能的开发不依赖于控制器制造商，不同的开发商的软件可以互相 移植。用户的软件可运行于不同的控制器上。 2 技术的先进 开放结构数控系统是数控的发展方向，是计算机软、硬件技术、信息技术、控制技术 融入数控技术的产物。利用p c 机的资源优势，应用软件来实现现代控制技术；开放结构 平台可以集成不同开发商提供的软件并适合联网的需要，且具有与硬件无关的特性；设备 层的高速度、标准化的数字化通讯可满足用户私有需求且保证高性能、低成本。 采用开放式体系结构的c n c 系统不但可以满足上述的市场需求，且使系统开发者、 设备制造商和最终用户均能适应当前环境改变或新技术出现而要求的修改、扩充或设计新 系统的需求，它使控制器供应商、机床制造商和用户三方都最大限度的同时受益。 在开放性可编程控带4 器的基础上，进行开放性数控系统设计及应用和高精度、不规则 西安理工大学硕士学位论吏 零件加工是数控技术发展的热点，而我国目前在这方面的研究水平还很低，加快其研究和 应用有着重要的现实意义硐i 紧迫性。 为使本科，l 三、研究乍学习、研究数控技术，使研究者和实验者充分了解和学摊数控环 节及数控过程。我们依托陕艇省数控加工技术重点实验室，申报了数控试验台研制科研项 目。该试验台利j ji ：控机和运动控制器对x 、y 、z 、a 、b 五个坐标进 ，控制，采用位移 检测装置对数控装胃执行件的位移进行检测。坐标控靠4 信息、检测信息用微机e f 1 夫屏幕 显示。整个试验台系统采用丌放式、模块式结构，研究者可以根据需要对系统进行扩展。 该试验台可对科研和实验j f j 相关数控技术进行模拟和显示，技术上先进，既是学习数控技 术课程必要的实验设备，也是实验室急需的科研装置。 1 2 基于p 眦c 的数控系统研究的现状及存在问题 丌放式数控系统足各发达国家2 0 世纪9 0 年代丌始争先发展的新型控制器。荚国空军 在政府的资助下率先j 下展了n g c ( 新一代控制器) 项目的研究，美国三大汽车公司也联合 研究了o m a c ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 项目，建立统一的结构标准。欧盟建 立了o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l l e rw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 体系标准 并丌发了软件。闩本政府也大力资助新一代智能型数控系统的研究。 o m a c 计划实施后，美国出现了新一轮的工厂自动化设备的改造和更新。基于o m a c 的数控控制器已经行p m a c 歼放式多轴控制器”等；而且德国的s i e m e n s 公司和b o s c h 公司已经完成基于o s a c a 的应用产品开发；r 本m a z a k 机床公司在上海浦东展出的 配备三菱控制器的智能化自动加工系统也是引起了轰动。 我囡在“九血”期日j 重点投资北京机电数控集团、航天数控集团和华中数控集团，开 发了以p c 机为基础的中华i 型、航天i 型、华中i 型和蓝天i 型等4 种基本系统。这些 系统尽管基本建立在p c 平台上，但它们的系统结构仍属于封闭式。沈阳数控研究中心在 中科院的支持下歼发了自主版权的高档c n cl i 一8 5 2 0 ，8 5 3 0 数控系统。沈阳数字控制股份 有限公司在引进美国微机式数控系统的基础上，经过消化吸收开发研制s b p c 数控系统。 该系统采用以p c 机为基础具有通用p c 软件环境的全功能计算机，机床运动控制器直接 插入在p c i s a 总线上。控制器采用9 6 位算术协处理器，通过共享r a m 进行通讯，提高 了系统的性能。目前哈尔滨工业大学正在致力于研究基于p m a c 的自由曲面加工的开放 式数控系统“7 】【“。 基于p c 的数控系统是一种有着开放结构的数控系统，经过八年的发展，基于p c 的 开放式数控系统差要有如下三种结构“蚴嘲“1 ： 一是p c 机+ 数控专用模板。即在p c 机上嵌入数控专用模板，该模板具有位置控制功 能、实时信息采集功能、输入输出接口功能和内嵌式p l c 单元等。这种结构形式使整个 系统可以共享p c 机的硬件资源和软件资源，与传统的c h i c 系统相比，具有软硬件资源 的丰富性、透明性和共享性，便于新技术升级换代。它的典型代表是三菱电气公司的基于 p c 的6 4 位m e l d a sm a g i c 6 4 和a l l e n - b r a d l e y 公司的9 p c 。但这种数控系统的丌放性只限 2 第一辛绪论 1 ：p c 微机部分，只能说是有限的j 1 ：放，其专业的数控部分仍处于封闭状态。 ：怂p c 机+ 可编程运动控制器。这种基_ j 二丌放0 叮编程运动控制器的系统结构以通 川微机为。f 台，以p c 机标准捅r f ：形式的j i ：放式可编利运动控制器为核心。通用p c 机负 盘数控程序编辑、人机界面钙理等功能，运动控制j 负责机床的运动控制和逻辑控制。 这种运动控制器以运动子程手的办式解释执行数控程序，以p l c 子程序方式实现机床逻 # 控制，支持用户的开发和扩展，具仃上、下两级的开放性。美翻d e l t a t a u 公司的p m a c ( p r o g r a m m a b l e m u l t i a x e s c o n t r o l l e r ) 是这种运动控制器的典型代表，其拥有自身的c p u ， 1 4 时j 1 放包括通信端口、存储结构征内的大部分地址空间，具有灵活性好、功能稳定、可 兵孛汁算机所有资源等特点。 - i 是纯p c 机型。即完全采用p c 机的全软件形式的数控系统这类系统目前f 处于 探索阶段，还未能形成产品，但它代表了数控系统的发展方向。 p m a c 控制器是2 0 世纪年代仞由美国d e l t at a u 公司推出的高性能运动控制器， 具订运动控制、逻辑控制、资源管理及与主机通信等功能，有软硬件全面的开放性，可方 便用户开发各类通用或专用系统。 p m a c 系统硬件结构”“” 基于p m a c 的，于放式数控系统是一种用于实现6 i 台实时运动控制，p c 机实现后台管 理及人机界面接口的开放式、模块化数控系统。p c 与p m a c 问通过实时、可靠的通讯来 协调整个系统，共同完成加工任务。采用双端口d p r a m 的总线通讯，在进行数据存取 时不需要经过通讯口发送命令和等待响应，是功能最强，也是最常用的通讯形式。d p r a m 提供了许多自动存取功能以定的周期在p m a c 与p c 间传递实时的数据。而且用户还 可以用p m a c 的m 变量和主机的指针变量来指定d p r a m 中没有使用的寄存器，来实现 自定义的通讯。如图卜1 所示。p m a c 运动控制器将非常灵活的处理能力与高度的灵活 性结合在一起。这灵活性适合于现今普通应用中的多种总线结构、电机类型、反馈元件以 及指令数控结构。 图i - 1p m a c 硬件结构 f i g 1 - 1h a r d w a r es t r u c t u r eo f p m a c p m a c 硬件结构的开放性为： i ) 支持多种工作平台，允许在p c 、s t d 、p c i 等不同总线上运行，方便了用户选择 西安理工大学t o , d r 学位论文 所需手机类璎。 2 ) 有模拟和数字两种伺服接f j ，能j 步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、直 线电机等多种电机连接，并呵对不同的f 乜机提供十h 应的p w m 、d a c 、p u l s e 等控制信 号。 3 ) 可接受各种监测元件的反馈信息，包括测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变 压器等。 4 ) 提供串行方式、并行方式和双端f 1r a m 方式与p c 机进行通信。 5 ) 绝大部分地址向用户丌放，包括电机信息、坐标信息及各种保护信息。 p m a c 系统软件结构 c n c 软件是一个庞大而复杂的软件控制体系。基于p m a c 的丌放式数控系统，d e l t a t a u 公司提供了p e w i n ，是该公司为p m a c 忙配套丌发的一套控制软件。p e w i n 是一个 基于w i n d o w s 操作系统的可执行程序，它能够方便地配置、控制、调试p m a c 系统。同 时配套p e o m m 3 2 应用程序通讯驱动器，它囊括了同p m a c 通讯的所有方式，而且将其主 要函数进行分类、封装，最终形成一种用户应用程序友好界面a e t i v e x 控件。 p m a c 软件的开放性为： 1 ) 支持各种高级语言，用户可以使用v b 、v c 、d e l p h i 等在w i n d o w s 软件平台上定 制用户专用界面。 2 ) 在数控语言上对用户丌放，不仅支持用户直接调用现有的直线、圆弧、样条曲线 的插补指令，而且还允许用户自定义g 代码、m 代码、d 代码、s 代码，实现以往数控 语言所不能完成的功能。 3 ) 提供内装式软件化的p l c ，可以编制6 4 个异步p l c 程序，通过一些指针变量， 用户可以按位、按字节进行逻辑控制。 4 ) 可共享p c 微机丰富的各类支撑软件和工具软件，方便地与各类网络连接，与 c a d c a m 系统连接，便于远程诊断、网络制造和制造系统集成控制的实现。 基于p m a c 运动控制器的开放式数控系统，即采用“m c + 可编程运动控制器”模式。 研究的主要内容有建立硬件体系结构、软件系统和控制性能研究，硬件体系结构包括机械 本体的设计、电气控制的设计等：软件结构包括人机界面开发、插补算法的设计、软件开 发等；控制性能研究包括时基控制的研究、位置捕捉的研究、动态性能的研究、p i d 调节 等。国内外许多学者在这一方面作了大量的研究工作。 北京理工大学的丁洪生教授，基于m c + p m a c 组成的上、下位机模式的硬件平台和 w i n 2 0 0 0 、v c 6 、p e o m m 3 2 p r o 组成的软件平台，自行开发了多任务软件控制模块，建立 了b k x - i 型变轴机床的丌方式数控系统。 沈阳建筑工程学院的赖国庭教授，发表多篇文章，详细论述了基于p m a c 的丌放式 数控系统的研究方法、p m a c 的时基控制、p m a c 位置捕捉功能等。 此外，哈尔滨工业大学、清华大学等单位也在基于p m a c 的开放式数控系统的开发 4 第一章绪论 方面做了大量的研究工作。 虽然国内外许多学嚣n i 蛙j 二p m a c 运动控制器的丌放式数控系统方m f 作了人 毒的研 究r 作，但都还处_ j ：研究阶段，朋j 二生产或产品化还基本没有实现。 综上所述，针对p m a c 逛动拧制器，进步设计和丌发“轴数控系统试验台，研究 p m a c 的控制特住和整个数拧系统的动念特性，丌发 轴联动的插补程序和控制稚j 手， 对丌放式数控设备和提高食q k 乍，2 自动化水乎具有重要意义。 1 3 本课题的研究思路和研究内容 研究思路是采用“1 p c + p m a c ”结构的丌放式数控结构，将p m a c 控制卡及其扩展k 装 入电气控制箱，通过标准串ijr s 2 3 2 与上位机实现通讯，这样构成主从式双微处理器结构， 由p m a c 运动控制器对机械本体的x 、y 、z 、a 和b 五个轴进行实时控制，建证了“啦杯数 控技术试验台。，r 放式数控的助能要求都是配置灵活、功能扩展简便、基_ j ：统一的规范和 易于实现统一的管理，从结构形式来看，n c 嵌入p c 型的开放式数控系统，由于既可以 充分利用飞速发展的计算机技术，又可以利用运动控制器的稳定性能，具有很强的灵活性， 而且由于可以充分利用计算机的软硬件资源，因而可以实现更加友好的人机界面，所以是 一种比较合适的结构形式。我们设计的系统也是采用这种结构形式，以i p c 为硬件平台， 把p m a c 及其接u 、驱动放置于电气控制柜，通过i o 接口和伺服单元，从而达到控制 试验台的目的。而口c 与p m a c 之问的通讯通过串口r s 2 3 2 实现。数控系统管理软件的 编写则采用了m i c r o s o f t 公司提出的组件对象模型( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，简称c o m ) 规范标准来实现系统管理软件的丌放性。其结构简图如图1 - 2 所示。 lx 轴伺服控制i u u 信 电 ly 轴伺服摔制i 刊五墓掣 号 机 一 芝 接 驱lz 轴伺服榨制i 山 口 ia 轴伺服控制l 动 器 lb 轴伺服榨制l 图1 - 2 数控试验台组成结构 f i g i - 2t h ec o r a p o s es t i u c t u mo f n ct e s t - b e d 本课题研究的主要目的是利用p m a c 运动控制器，研制五轴数控试验平台，丌发其 开放式数控系统，并对基于p m a c 的数控试验台机械部分的系统特性、误差特性等进行 研究。主要完成以下工作： 1 ) 五轴数控实验平台机械系统( 本体) 的设计与制造。x 、y 、z 向脉冲当量为0 0 1 r a m ， 最大移动速度2 m r a i n ：z 向行程4 0 0 r a m ，x 、y 向行程2 0 0 n n ，a 、b 轴每脉冲转角不大 于5 分。 2 ) 基于p m a c 的控制部分设计与调试。五轴都采用步进电机和编码器反馈，其中z 西安理工大学硕士学位论之 方向还采用光栅尺反馈；p m a c 运动控制器及其扩展部分，步进电机驱动等全部安装于 电t 拧制柜，与上位机i p c 之问的通信通过r s 2 3 2 串【l 实现。 ：；) 控制软件的外发。堆j 二w i n 2 0 0 0 、v b 和p m a c 软件p c o m m 3 2 p r o 丌发系统控制 软件，并实现h 轴联动。 4 ) 数控试验台机械部分的系统特性、误差特性的研究和分析。 6 第二章机械部分设计 2 机械部分设计 在现代数榨机床中，为得到高速f 的平稳运行，并具有较商的定位精度且防止爬行， 要求进给系统t l ，的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度，低摩擦f l 力和动、静摩擦系数 之差以及提高寿命等特点，而滚动导轨和滚珠幺幺札螺母副能较好地满足这唑要求。因此本 实验台的设计采用了滚珠丝杠和滚动导轨的组合。需要根掘进给驱动系统的要求进行设 计。 2 1 总体设计 2 1 1 主要技术参数确定 系统达到的技术指标为：脉冲当量o 0 1 m m ，多坐标联动控制，行程4 0 0 m m ，最大移 动速度2 m r a i n 。 确定y 向行程4 0 0 r a m ，x 、z 向行程2 0 0 m m ；a 、b 两个转动轴每脉冲转角不大于5 分。 y 向采用光栅测量位移，分辨率为o 0 0 5 m m ；x 、y 、z 、a 、b 向电机轴上安装编码 器，分辨率不大于5 分。 2 1 2 总体布局 试验台总体布局如图2 - 1 所示。 图2 - 1 试验台总体布局 i - y 向i 州定导轨；2 - x 向滑台：3 - a 向转台；4 _ z 向滑台；5 - b 向转台；6 - 立柱；7 - y 向滑台 f i g 2 - 1t h eg e n e r a lp l a no f n ct e s t - b e d 1 - ya x i s ；2 - xa x i s ；3 - aa x i s ；4 - za x i s ；5 - ba x i s ；6 - u p r i g h t ；7 - ya x i s 7 西安理工大学硕士学位论文 2 1 3 控制形式 x 、z 、a 、b 向采用# 闭环控制；y 向既可采用闭环控制，也u r 采用半闭环控制( r | 做梢度对比试验研究) 。数控装置采用j ：控机( i p c ) + 运动控制器( p m a c ) 2 2 滑台设计 本实验台为矗轴数控实验台，行程为x 方向2 0 0 m m ，y 方向4 0 0 r a m ，z 方向2 0 0 r a m 。 其中x 、y 方向为上下两层运动滑台，结构相同。所以在滑台设计时，以y 方向( 最底 层) 进行设汁，x 方向未进行设计计算，参照y 方向确定，z 方向结构与x 方向相同。 本试验台为无负载试验台，对y 方向来说，工作台重量约2 0 0 n ( x 方向1 5 5 n ，转台4 5 n ) 。 2 2 1 导轨设计 a 导轨概述 导轨的功用：本设计的导向机构是导轨，导轨主要是用来吏承和引导运动部件沿着一 定的轨迹运动。本设计要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确地完 成特定方向的运动，这个任务就是由导向机构来完成。 导轨的分类和特点：两个作相对运动的部件构成一对导轨副，其中，在工作时固定不 动的配合同称为固定导轨或静导轨；相对固定导轨作直线和回转运动的配合面称为运动导 轨。根掘导轨副之间的摩擦情况，导轨分为滑动导轨和滚动导轨两大类。滚动导轨的优点 是摩擦系数小，一般在0 0 0 3 0 0 0 4 ，动、静摩擦系数很接近，低速运动不会产生爬行现 象，可以使用油脂润滑。滚动导轨的两导轨面之| 日j 为滚动摩擦，磨损小，寿命长，定位精 度高，灵敏度高，但是结构复杂，几何精度要求高，抗振性较差，防护要求高。制造困难， 成本高。它适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位精度高的场合。 滚动导轨因其特有的优点在数控机床上的应用十分广泛，现在常用的有直线导轨副、 滚动导轨块和直线滚动导套星q 。直线导轨副一般用滚珠作为滚动体，滚动导轨块用滚子做 滚动体，滚动导套副的导轨轴是圆柱体，用合金钢制成，与前两者相比，承载钢球与导轨 轴之间是两个凸圆之问的点接触，许用载荷小很多。因此，滚动导套副只能用于轻载场合， 并且一般不予加载荷。本试验台为无载数控实验装置，所以设计时选用滚动导套副。 b 滚动导套副的计算”儿”1 y 方向承受x 方向及转台的重量，约2 0 0 n 。 ( 1 ) 作用于滚动导套副的载荷计算 由于导轨只承受重力作用，所以计算时按照只受重力载荷，不受测向载荷。滚动导套 副受力分析见图2 - 2 。 w _ 2 0 0 n ，l o = s s m m 。l l = 1 1 7 r a m ，k = 2 0 m m ，l 3 = 3 0 m m o 凡：里+ 堕+ 堕 ( 2 1 ) 一4 2 1 l2 1 0 8 第二章机械部分设计 耻等一鲁一等 将已知数掘代入上式，得 胄。= t 2 0 0 + 五2 0 0 万x 3 0 + 酉2 0 0 x 2 0 = 9 8 3 6 r 。：2 0 o + 2 0 0 x3 0 一2 0 0 x2 0 ：5 2 9 2 j v “42 1 1 72 x 8 8 r 。：2 0 0 一2 0 0 x3 0 + 2 0 0 x2 0 ：4 7 0 8 n w2 r 一_ 五而+ 三鬲2 。 轧：型一2 0 0 x 3 0 2 0 0 x 2 0 ：1 6 4 n 代一w2 r i 五而一j 鬲。1 载荷呈分段变化则滚动支承所受的径向力的计算载荷f c 为： l 5 w 三l 习 l 鳘i2 - 2 滚动导轨套受力分析圈 f i g 2 2t h ef o r c ea n a l y s i so f r o l l i n gg u i d e ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 9 鸭一砜等争 肜一4 一 一 缈4 撕 = 尼 w r 西安理工大学硕士学位论文 i o 式中：r n 。一对应行程内的载荷 k 一分段行程 l _ 仝行程，= 。 昂= 盟丝望堕篙型坐丝鲨- 7 3 7 7 n ( 2 ) 滚动导套副的额定寿命 额定寿命的计算公式为： 纠竽争s o 式中：卜额定寿命 c 一额定动载荷 一计算载荷 f 卜温度系数，取1 0 e 一接触系数，取0 8 1 f w _ 载荷系数，取1 2 额定寿命时间的计算公式为： 一l 1 0 3 8 3 l l h2 2 n l x 6 04 了 式中：卜额定寿命 卜行程长度 i r 每分钟往复次数 ”= 手= 面丽2 = 5 7 次m i n ，4 0 0 l o 畸 一般，滚动导套副预期寿命取为2 0 0 0 0 小时，则 ：生生一20000 x5x04 4 8 1 9 2 8 h 8 38 3 根据式2 6 得 c ：i 峰盟：5 0 1 5 0 1 i nc = i 三量如= v5 0 z 正 查南京工艺装配制造厂样本，其g t b 一1 6 型滚动导套副满足要求。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第二章机械部分设计 2 2 2 丝杠设计 a 滚珠丝杠副介绍 滚珠丝札副是一+ 种新，科的螺旋传动元件，它的产! j 三和发展只经历了数1 1 年的历史，然 而它具有长寿命、高刚度、高效率、高炙敏度、无间隙的特点，并具有优越的商速特性和 耐磨损性及可逆性等特性，这驴i 特点都足普通幺幺杠副不可能具备的机械传动性能。i 硼寸它 可以由专业生产厂家组织生产：和供应，已实现了标准化、通用化和商品化，用户n f 根据各 自的需要方便地进行选用和订购，因此滚珠丝杠副以其显著的特点而得以广泛应用，成为 各类数控机床的主要的传动机构。 滚珠丝杠副是一种旋转传动机构，在具有螺旋槽的丝杠和螺母之问装有中f i j j 传动元件 一滚珠。它由丝杠、螺母，滚珠和返向器等四部分组成，当丝杠和螺母转动时，滚珠沿螺 纹滚道滚动，丝杠和螺母之间棚对运动时产生滚动摩擦。为防止滚珠从滚道中滚出，在螺 母的螺旋槽两端设有回程引导装置，如返向器和挡珠器，它们与螺纹滚道形成循环回路， 使滚珠在螺母滚道内既自转又沿滚道循环转动。 滚珠丝杠副与普通丝杠副相比较，它用滚动摩擦代替了滑动摩擦，具有以下特点： ( 1 ) 摩擦损失小、传动效率高由于滚珠丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达 9 0 - 9 6 ，约为普通螺旋机构传动效率的2 3 倍； ( 2 ) 磨损小、寿命长通常，滚珠丝枉副的主要零件都经过淬硬，表面粗糙度较 低，且滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，精度保持性能好，工作寿命长； ( 3 ) 轴向刚度高滚珠丝杠副可完全消除传动间隙，不影响运动的灵活性，从而可 以获得较高的轴向刚度，而且可以通过预紧来提高轴向刚度； ( 4 ) 摩擦阻力小、运动平稳由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦 阻力几乎与速度无关，启动力矩与运动力矩近于相等。因此灵敏度高，运动较平稳，启动 时无颤动，低速传动时无爬行现象； ( 5 ) 不能自锁由于滚珠丝杠副没有自锁能力，用于垂直升降传动时必须增设自锁 装置或制动装簧； ( 6 ) 具有传动的可逆性由于滚珠丝杠副摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线 运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可作为主动件，也可作为从动 件。 但是，与普通丝杠副相比，滚珠丝杠副尚存在结构较复杂，工艺难度大，制造成本高 等缺点。 根据滚珠丝杠副螺纹滚道法向截面( 即垂直于螺旋线的平面) 的形状、滚珠的循环方 式、消除轴向间隙和调整预紧的方法不同，将滚珠丝杠传动分成以下几种不同的结构型式： ( 1 ) 螺纹法向截型螺纹法向截型( 或称滚道型面) 是指通过滚珠中心的螺旋线的 法向平面与丝杠或螺母滚道面的交线的形状。目前，较常用的滚道型面为单圆弧和双圆弧 两种。单圆弧滚道型面的特点是容易得到较高的精度，但接触角不容易控制，因而其传动 西安理工大学硕士学位论文 效率、承载能力和轴向刚度均不够稳定。双圆弧滚道型面的特点是滚道犁面的精加工较困 难，其传动效率、承找能力和轴向刚度均较稳定。 ( 2 ) 滚珠循环斤弋按照滚珠在整个循环过程中j j 丝杠表面的接触情况，循环方式 可分为内循环和外循环两种。 由f 制造和安装的洪筹，滚珠丝杠副存在问隙，影响其传动精度并降低了滚珠丝杠副 的刚度，因此要采取消除| 开j 隙的预加载荷的方法。日静，。泛采用的是双螺母调整预紧装置。 综上所述，确定本j 爻验台的滚珠丝杠螺母副采用单圆弧、内循环，双螺母螺纹调整方 式的结构型式。滚珠丝札的支承方式主要有四种，我们选用两端支承方，它的优点是可 对丝杠进行预拉伸，町承受两个方向的轴向力，保持了丝杠精度。此外，该支承方式使丝 杠只承受拉力，不承受爪力，因此不存在压杆稳定性问题。 b 滚珠丝杠副的计算 为了满足数控实验台的进给速度、定位精度、平稳性和快速响应的要求，必须合理选 择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。 工作台重量w = 3 0 n 工作台承重w 2 = 2 0 0 n 1 ：作台最大行程l 。= 4 0 0 r a m 工作台快速进给速度k ，= 2 m m i n 定位精度0 0 5 r a m 重复定位精度0 0 0 5 m m ( 1 ) 确定滚珠丝杠副的导程r 根据机床传动要求确定导程，其公式为： 只= ；塑l ( 2 8 ) l n 式中：v 。1 一工作台最高移动速度 i 一传动比，因电机与丝杠直连，i = l t - 一电机最高转速 根据系统要求，按照国家标准，初选丝杠导程为5 m m 。 ( 2 ) 滚珠丝杠副的载荷及转速计算 工作载荷f 是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力，其计算公式 为： 1 2 ，卅= = 啊而t l + 志 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 第二章机械部分设计 式中：f 卜滚珠丝杠副当转载荷 n 广滚珠丝杠副当鲢转速 t 为滚珠丝札剁在n 备种转速卜i 0 1 t 问的百分比，所受载衙分别是r 本数控系统为实验台，4 i 进行切削) j l ii ，故都按照最大值来确定。 驴= 等= 半= 4 0 0 r m i n 只= 町= ( 彤+ ) 厂= 2 3 0 x 0 0 0 4 = o 9 2n ( 3 ) 确定预期额定动载荷c 啊 按预期寿命时日j 计算 = 痂再器。1 o 5 6 眩 按滚珠丝杠副的预期运行距离计算 c 一= 捂筹矧朋 c z 脚 式2 1 1 和2 1 2 中： l r 广预期工作时日j ，取1 5 0 0 0 小时例 o 载荷系数，取1 0 “1 一精度系数，取1 0 ”1 f 广一可靠性系数，取0 6 2 ”1 l f 预期运行距离，取2 5 0 0 0 0 m ”3 选取式2 1 1 和式2 1 2 计算结果中的较大值为滚珠丝杠副的预期额定动载荷，即取 c 。为5 4 6 7 n 。 ( 4 ) 估算滚珠丝杠副的底径d - 滚珠丝杠副安装方式为两端支承，其计算公式为： 猢露= 0 0 3 9 偿一。舶删 汜 式中：l 两个固定支承之日j 的距离( 咖) l = ( 1 1 1 2 ) 行程+ ( 1 0 1 4 ) p h = 1 1 x 4 0 0 + 1 2 x 5 = 5 0 0 m “ f 广导轨静摩擦力( n ) ，f o = f o w ：0 9 2 n 6m 一滚珠丝杠的最大允许轴向变形量( pm ) 6 m ( 1 3 1 4 ) a a ：l 3 0 0 1 = 0 0 0 3 m m 6 m ( 1 4 1 5 ) c = l 4 x 0 0 5 = 0 0 1 3 n n 取6 m = 0 0 0 3 哪。 e 一杨氏弹性模量2 1 1 0 5 ( m p a ) 西安理工大学硕士学位论丈 ( 5 ) 确定滚珠丝杠副的规格代号 根据传动方式及使j | j 情况，按照估算出的p h 、c 等，参考汉i 【机床，。产品样本，确 定其型号为：g q l 6 x 5 p 3 。 2 2 3 电机确定 本实验台是基rp m a c 运动控制# 实现控制，是一。个i p c + p m a c 型的丌放式数控系 统，为了使机械本体也具有丌放性，在伺服电机的选择t 使本试验台的y 方向上既可用交 流伺服电机也可用步进电机。计算时我们以步进电机柬进行。 a 脉冲当量 所谓脉冲当量是指对应于系统输入端的个进给脉冲，系统输出端产生的转角或位 移。其计算公式为： 6 ：竺生：掣：0 0 1 2 5 嗍脉冲 ( 2 1 4 ) 3 6 0 。i3 6 0 l 式中：n 一步进电机步距角，根据控制特性，选取混合式步进电机，取0 9 0 i 一传动比，电机与丝杠直连，i - - 1 p “- - - - - 丝杠导程，p h = 5 m r a b 惯量、转矩匹配 折算到电机轴上的总当量负载转动惯量j 应