第一小组数控工作台.ppt

数控安装与调试,工作台的组成，选型与计算,得分：95date3.10,第一小组成员,曹亚曹晓亮陈帆陈海霞陈海燕,陈剑陈小锋陈燕丁鹏飞董隆贺,工作台的组成零件,工作台螺钉支座定位销大齿轮活塞步进电机,轴承螺栓底座挡块液压缸长方形工作台弹簧,图片观光区,分度工作台,数控回转工作台,数控回转工作台,数控分度工作台,铣床分度工作台,数控机床回转工作台,作用：按照数控装置的指令作回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床完成指定的加工工序。种类：分度工作台和数控回转工作台。一、分度工作台功能：完成一定角度的回转分度运动。作用：在加工中自动完成工件的转位换面，实现工件一次安装完成几个面的加工。精度保证：采用专门定位元件来保证。种类：定位销式分度工作台和鼠齿盘式分度工作台。1.定位销式分度工作台主要特点定位精度取决于定位销和定位孔的精度，最高可达5。定位销和定位孔衬套制造和装配精度要求高。定位销和定位孔衬套硬度和耐磨性要求高。,定位销式分度工作台结构工作过程分为三步：工作台松开并抬起工作台回转分度工作台下降并锁紧,2.定位销式分度工作台,如图所示是自动换刀数控卧式镜铣床的分度工作台。,2.鼠齿盘式分度工作台主要特点定位精度高，可达2，最高可达0.4。采用多齿重复定位，重复定位精度稳定。由于多齿啮合，啮合率高，所以定位刚度好，承载能力强。最小分度为360/Z，分度数目多，适用于多工位分度。由于离合过程具有磨合作用，其定位精度不断提高，使用寿命长。缺点是鼠齿盘制造比较困难。,鼠牙盘,鼠齿盘及齿形结构如图工作过程分为三步：工作台抬起工作台回转分度工作台下降并定位锁紧,二、数控回转工作台功能：完成工作台的连续回转进给和任意角度的分度。作用：即能作为回转坐标轴实现坐标联动加工，又能作为分度头完成工件的转位换面。特点：采用伺服系统实现回转、精确分度和定位。种类：开环数控回转工作台和闭环数控回转工作台,一）开环数控回转工作台特点：采用电液脉冲马达或功率步进电机驱动。,二）闭环数控回转工作台特点：采用交、直流伺服电机驱动，并带有转角检测元件。,三）双导程（变齿厚）蜗杆传动作用：用于回转工作台的连续精确分度。基本原理：利用蜗杆齿左右两侧不同的齿矩（左右两侧模数不同），通过轴向移动蜗杆的方法来消除或调整啮合间隙。,双导程蜗杆传动特殊参数的选择公称模数、齿厚增量系数、齿厚调整量、模数差与节距,TK56系列数控等分度台是数控镗铣床和加工中心的理想配套附件，可以安装于主机工作台面上，工作时，在主机相关控制系统控制下，能够完成以1为基数的等分分度零件的加工。,TK14系列数控可倾斜回转工作台，可完成等分和不等分的角度分度工作。工作台既可回转，又可倾斜，具有2个自由度。,工作台知识点再度回顾,即：温故而知新,为了提高数控机床的生产效率，扩大其工艺范围，对于数控机床的进给运动除了沿坐标轴X、Y、Z三个方向的直线进给运动之外，常常还需要有绕X、Y、Z轴的圆周进给运动。,通常数控机床的圆周进给运动，可以实现精确的自动分度改变工件相对于主轴的位置，以便分别加工各个表面，这对箱体零件的加工带来了便利。对于自动换刀的多工序数控机床来说，回转工作台已成为一个不可缺少的部件。,数控机床回转工作台,一、数控回转工作台二、分度工作台,数控机床中常用的回转工作台有数控回转工作台和分度工作台。,一、数控回转工作台,数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床。从外形上看它与分度工作台没有多大差别，但在内部结构和功用上则有较大的不同。如图所示数控回转工作台由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成。,如图为一个完整的数控回转工作台。,二、分度工作台,分度工作台是按照数控系统的指令，在需要分度时工作台连同工件回转规定的角度，有时也可采用手动分度。分度工作台只能够完成分度运动而不能实现圆周运动，并且它的分度运动只能完成一定的回转度数如90、60或45等。,1鼠牙盘式分度工作台,鼠牙盘式分度工作台主要由工作台面底座、夹紧液压缸、分度液压缸和鼠牙盘等零件组成，其结构如图所示。鼠牙盘是保证分度精度的关键零件，在每个齿盘的端面有数目相同的三角形齿。当两个齿盘啮合时，能自动确定周向和径向的相对位置。,数控铣床系统XY工作台与控制系统设计,数控铣床X-Y工作台概述X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。,X-Y数控工作台外形,总体方案的确定,机械传动部件的选择导轨副的选用要设计的XY工作台需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、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。,减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机拟采用相同的型号和规格。,2.控制系统的设计根据技术指标中最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、I/O接口电路等。,步进电机控制XY轴系统总体框图,机械传动部件的计算与选型确定系统脉冲当量工作台外形尺寸及重量初步估算直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）滚珠丝杠螺母副的计算与选型减速齿轮计算设计步进电动机的计算与选型,确定系统脉冲当量脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为0.01mm，因此选择脉冲当量为0.005mm。,工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量。重量：按重量=体积材料,X-Y工作台简图,直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）,滑块承受工作载荷,的计算及导轨型号的选取,本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：,查表根据工作载荷,初选直线滚动导轨副的型号为KL系,列的JSA-LG15型,距离额定寿命L的计算,工作寿命的计算,故导轨工作寿命足够,滚珠丝杠螺母副的计算与选型,最大工作载荷,的计算,2.最大动工作载荷,的计算,3.初选型号,根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，G系列3206-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径=32mm，导程=6mm,4.传动效率的计算,代入,得传动效率,=95.5%。,X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配根据式,5.刚度的验算,将以上算出的,和,代入,，求得丝杠总变形量为,本例中，丝杠的有效行程为400mm，由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315-400mm时，行程偏差允许达到25，可见丝杠刚度足够。,6.压杆稳定性校核,根据公式,远大于工作载荷,故丝杠不会失稳。,12,计算失稳时的临界载荷,G系列滚珠丝杠副尺寸参数,减速齿轮计算设计,为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。因传递的扭矩较小，取大小齿轮模数均为1mm，齿数比为80：32，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为（80+32）1/2mm=56mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。,小齿轮齿数z1=32,，大齿轮齿数,=80,分度圆直径：,齿顶圆直径：,齿根圆直径：,步进电动机的计算与选型,对于步进电动机的计算与选型，通常按照以下几个步骤：根据机械系统结构，求得加在步进电动机转轴上的总转动惯量2.计算不同工况下加在步进电动机转轴上的等效负载转矩3.取其中最大的等效负载转矩，作为确定步进电动机最大静转矩的依据4.根据运行矩频特性、起动惯频特性等，对初选的步进电动机进行校核,步进电动机的控制与驱动,步进电动机的控制与驱动流程如图所示。主要包括脉冲信号发生器、环形脉冲分配器和功率驱动电路三大部分。,步进电动机的控制与驱动流程,一、步进电动机简介步进电动机的历史步进电动机的定义步进电动机的工作原理步进电动机的机座号步进电动机构造步进电动机主要参数步进电动机的特点,一、步进电动机简介,步进电动机的历史：德国百格拉公司于1973年发明了五相混合式步进电机及其驱动器；1993年又推出了性能更加优越的三相混合式步进电机。我国在80年代以前，一直是反应式步进电机占统治地位，混合式步进电机是80年代后期才开始发展。步进电动机的定义：是一种专门用于速度和位置精确控制的特种电机，它旋转是以固定的角度（称为步距角）一步一步运行的，故称步进电机。,3.步进电动机的机座号：主要有35、39、42、57、86、110等4.步进电动机构造：由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。,电动机构造图,转轴成平行方向的断面图,5.步进电动机主要参数步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有两相、三相、五相步进电机。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用m表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩。失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线。,6.步进电机的特点一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积；步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点；步进电机的力矩会随转速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R）,矩频特性曲线,空载启动频率：即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。步进电机的起步速度一般在10100RPM，伺服电机的起步速度一般在100300RPM。根据电机大小和负载情况而定，大电机一般对应较低的起步速度。低频振动特性：步进电动机以连续的步距状态边移动边重复运转。其步距状态的移动会产生1步距响应。,1步距响应图,电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然。步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声方法：通过改变减速比等机械传动避开共振区；采用带有细分功能的驱动器；换成步距角更小的步进电机；选用电感较大的电机换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本高；采用小电流、低电压来驱动。在电机轴上加磁性阻尼器；中高频稳定性电机的固有频率估算值：式中：Zr为转子齿数；Tk为电机负载转矩；J为转子转动贯量,二、步进驱动器简介恒流驱动单极性驱动双极性驱动微步驱动步进电动机的闭环伺服控制导通和截止时的电机绕组电流和电压的关系电压和电流与转速、转矩的关系,二、步进驱动器简介,步进驱动器：是一种能使步进电机运转的功率放大器，能把控制器发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移，电机的转速与脉冲频率成正比，所以控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确定位。,电机控制原理图,恒流驱动恒流控制的基本思想是通过控制主电路中MOSFET的导通时间，即调节MOSFET触发信号的脉冲宽度，来达到控制输出驱动电压进而控制电机绕组电流的目的。,H桥恒频斩波恒相流驱动电路原理框图,电流PWM细分驱动电路示意图,单极性驱动,单极性驱动原理图,双极性驱动,双极性驱动原理图,微步驱动微步驱动技术是一种电流波形控制技术。其基本思想是控制每相绕组电流的波形，使其阶梯上升或下降，即在0和最大值之间给出多个稳定的中间状态，定子磁场的旋转过程中也就有了多个稳定的中间状态，对应于电机转子旋转的步数增多、步距角减小。采用细分驱动技术可以大大提高步进电机的步矩分辨率，减小转矩波动，避免低频共振及降低运行噪声,步进电动机微步驱动电路基本结构框图,步距角：控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。,V：电机转速（R/S）；P：脉冲频率（Hz）；e：电机固有步距角；,实用公式：转速(r/s）=脉冲频率/（电机每转整步数*细分数）,m：细分数（整步为1，半步为2）,步进电动机的闭环伺服控制,步进电动机矢量控制位置伺服系统框图,系统硬件结构原理图,6、导通和截止时的电机绕组电流和电压的关系,当T导通时有：,当T截止时有：,电压和电流与转速、转矩的关系,步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响大，电压越高，步进电机能产生的力矩越大，越有利于需要高速应用的场合，但电机的发热随着电压、电流的增加而加大，所以要注意电机的温度不能超过最大限值。一个可供参考的经验值：步进电机驱动器的输入电压一般设定在步进电机额定电压的325倍。建议：57机座电机采用直流24V-48V，86机座电机采用直流36-70V,110机座电机采用高于直流80V。对变压器降压，然后整流、滤波得到的直流电源，其滤波电容的容量可按以下工程经验公式选取：C=（8000XI）/V（uF）I为绕组电流（A）；V为直流电源电压（V）,三、电机选型计算方法电机最大速度选择电机定位精度的选择电机力矩选择,三、电机选型计算方法,选择电机一般应遵循以下步骤：电机最大速度选择步进电机最大速度一般在6001200rpm。交流伺服电机额定速度一般在3000rpm，最大转速为5000rpm。机械传动系统要根据此参数设计。,2.电机定位精度的选择机械传动比确定后，可根据控制系统的定位精度选择步进电机的步距角及驱动器的细分等级。一般选电机的一个步距角对应于系统定位精度的1/2或更小。注意：当细分等级大于1/4后，步距角的精度不能保证。伺服电机编码器的分辨率选择：分辨率要比定位精度高一个数量级。3.电机力矩选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）转动惯量计算物体的转动惯量为：式中：dV为体积元，为物体密度，r为体积元与转轴的距离。单位：kgm2,将负载质量换算到电机输出轴上转动惯量，常见传动机构与公式如下：,加速度计算,控制系统要定位准确，物体运动必须有加减速过程，如右图所示。,已知加速时间、最大速度Vmax，可得电机的角加速度：,(rad/s2),电机力矩计算,力矩计算公式为：,式中：TL为系统外力折算到电机上的力矩；,为传动系统的效率。,四、计算例题（直线运动）运动学计算动力学计算选择同步带直径和步进电机细分数m计算电机力矩，选择电机型号,四、计算例题（直线运动）,已知：直线平台水平往复运动，最大行程L400mm，同步带传动；往复运动周期为T4s；重复定位误差0.05mm；平台运动质量M10kg，无外力。求：电机型号、同步带轮直径、最大细分数。,平台结构简图,运动学计算平均速度为：设加速时间为0.1S；(步进电机一般取加速时间为：0.11秒)(伺服电机一般取加速时间为：0.050.5秒)则加减速时间共为0.2S