三坐标工作台控制系统综合设计.doc

1总体方案的确定1.1引言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。1.2、设计任务主要是设计一个具有X、Y、Z三个坐标轴的工作台，能够沿着X、Y、Z轴运动，用于加工机床时不仅可以对空间任意平面加工,而且能对空间曲面加工；还能用于测量装置，可以对工件的三维坐标进行测量。设计包括其机械结构部分，控制系统部分的软、硬件系统，能够实现基本的运动功能和联动功能。1.3 机械传动部件的选择1.3.1导轨副的选用要设计的工作台，需要承受20kN的载荷，载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此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，安装预紧方便等优点。1.3.2丝杠螺母副的选用步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.005mm冲当量和mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求。1.3.3减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，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，选用无间隙齿轮传动减速箱。1.3.4步进电动机的选用选定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此3000mm/min，故设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。1.3.5检测装置的选用为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。1.4 控制系统的设计1）设计的三坐标工作台准备用在数控机床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MPC07运动控制卡作为控制系统的CPU，能够满足相关的指标。MPC07控制卡主要特征有：开放式结构、使用简便、功能丰富、可靠性高等3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。 2、机械传动部件的选择 由于所设计的三坐标工作台是用于数控铣床上，所以根据参考资料设计主要参数如下：1. 立铣刀最大直径的d=20mm；2. 立铣刀齿数Z=43. 最大铣削宽度=15mm;4. 最大背吃刀量=10mm;5. 加工材料为碳素钢。6. X、Y方向的脉冲当量=0.005mm/脉冲;7. X、Z方向的定位精度均为mm;8. 工作台面尺寸为350mm350mm，加工范围为380mm380mm;9. 工作台空载进给最快移动速度：;10. 工作台进给最快移动速度:;11. 每齿进给量F=0.1mm。12. 铣刀转速n=300r/min。2.1 工作台的受力分析与计算所设计的三坐标工作台是用于铣床上，零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由所参考资料查得立铣时的铣削力计算公式为： 今选择铣刀的直径为d=20mm，齿数Z=4,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为，背吃刀量=10mm ，每齿进给量，铣刀转速。则由式求的最大铣削力：=N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由参考资料查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：。现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削力为。2.1 Z轴的选型：2.1.2 直线滚动导轨副的计算与选型工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。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： 其中，移动部件重量20kN，外加载荷，代入式中，得最大工作载荷=5.751kN。由所参考资料查得，根据工作载荷=5.751kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG25型，其额定动载荷Ca=17.7kN，额定静载荷Coa=22.6kN。任务书规定工作台面尺寸为350mm350mm，加工范围为380mm380mm，考虑工作行程应留有一定余量，由所参考资料查得，按标准系列，选取导轨的长度为800mm。上述所取的KL系列JSA-LG25系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过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。由所参考资料查得，分别取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数f=0.81，精度系数f=0.9，载荷系数f=1.5，代入式中，得距离寿命：L=大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。2.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 如前面所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fy=494N,受到横向载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2174N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=751N.已知移动部件总重量G=20000N，按矩形导轨进行计算，由所参考资料查得，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=300mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=60r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得丝杠寿命系数L0=54（单位为：106r）。由所参考资料查得，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入公式，求得最大动载荷：FQ=根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，由所参考资料查得，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3205-4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32mm，导程为5mm，循环滚珠为4圈*2系列，精度等级取5级，额定动载荷为13675N，大于FQ，满足要求。 将公称直径d0=32mm,导程Ph=5mm,代入=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=251。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得传动效率=92.1%。2.1.4 步进电动机减速箱的选用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。已知工作台的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm， 初选步进电动机的步距角=0.75。根据公式，算得减速比：=（0.755）/（3600.005）=25/12本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：36，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为（75+36）1/2mm=55.5mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。2.1.5 步进电动机的计算与选型已知：滚珠丝杠的公称直径d0=32mm，总长l=750mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移动部件总重力G=20000N；小齿轮齿宽b1=20mm.，直径d1=36mm，大小齿轮齿宽b2=20mm，直径d2=75mm；传动比i=25/12。由所参考资料查得，算得各个零部件的转动惯量如下： 滚珠丝杠的转动惯量Js=0.473kgcm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw= 0.298kgcm2;小齿轮的转动惯量Jz1=0.259 kgcm2；大齿轮的转动惯量Jz2=4.877 kgcm2。初选步进电动机的型号为110BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75，由所参考资料查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=15 kgcm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=16.56kgcm2分快速空载和承受最大负载两种情况计算等效负载转矩Teq。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由公式可知，包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有：=+ （1）根据公式，考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：= （2）其中： =1250r/min （3）式中空载最快移动速度，为3000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率。则由式（2）求得：=由公式知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：= (4)式中导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005垂直方向的铣削力，空载时取0传动链效率，取0.7最后由式（1）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： =+=0.824Nm 2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由公式可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ （5）其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式计算。有：再由公式计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：最后由式（5），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：=+=1.227N/m 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为： 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足： 初选步进电动机的型号为110BYG2602，由所参考资料查得该型号电动机的最大静转矩=6Nm。可见，满足要求。步进电动机的性能校核1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 图4.1 110BYG2602电动机的运行矩频特性曲线选定工作台最快工进速度=300mm/min，脉冲当量/脉冲，由公式求出电动机对应的运行频率。从110BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图4.1可以看出在此频率下，电动机的输出转矩5.6Nm，远远大于最大工作负载转矩=1.227Nm，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 选定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行频率。由图4.1查得，在此频率下，电动机的输出转矩=1.8Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.824Nm，满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为。由所参考资料查得可知110BYG2602电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。2.2 Y轴的选型：导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为25000N。2.2.2直线滚动导轨副的计算与选型工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的工作台为水平布置，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： 其中，移动部件重量25000N，外加载荷，代入式中，得最大工作载荷=7.001kN。由所参考资料查得，根据工作载荷=7.001kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=17.7kN，额定静载荷Coa=22.6kN。选定工作台面尺寸为350mm350mm，加工范围为380mm380mm，考虑工作行程应留有一定余量，由所参考资料查得，按标准系列，选取导轨的长度为800mm。上述所取的KL系列JSA-LG25系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过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。由所参考资料查得，分别取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数f=0.81，精度系数f=0.9，载荷系数f=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：L=大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。2.2.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 如前面所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2174N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=494N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=751N.已知移动部件总重量G=25000N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.12174+0.005(751+494+25000)N2522N 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=300mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=60r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得丝杠寿命系数L0=54（单位为：106r）。由所参考资料查得，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入公式，求得最大动载荷：FQ=根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，由所参考资料查得，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3205-4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32mm，导程为5mm，循环滚珠为4圈*2系列，精度等级取5级，额定动载荷为13675N，大于FQ，满足要求。将公称直径d0=32mm,导程Ph=5mm,代入=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=251。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得传动效率=92.1%。2.2.4步进电动机减速箱的选用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。已知工作台的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm， 初选步进电动机的步距角=0.75。根据公式，算得减速比：=（0.755）/（3600.005）=25/12选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：36，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为（75+36）1/2mm=55.5mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。2.2.5 步进电动机的计算与选型已知：滚珠丝杠的公称直径d0=32mm，总长l=450mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移动部件总重力G=25000N；小齿轮齿宽b1=20mm.，直径d1=36mm，大小齿轮齿宽b2=20mm，直径d2=75mm；传动比i=25/12。由所参考资料，算得各个零部件的转动惯量如下： 滚珠丝杠的转动惯量Js=0.473kgcm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.373kgcm2;小齿轮的转动惯量Jz1=0.259 kgcm2；大齿轮的转动惯量Jz2=4.877 kgcm2。初选步进电动机的型号为110YBG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75，由所参考资料查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=15 kgcm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=16.58 kgcm2分快速空载和承受最大负载两种情况计算等效负载转矩Teq 。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由公式可知，包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有：=+ （1）根据公式，考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：= (2)其中： =833.3r/min (3)式中空载最快移动速度，任务书指定为2000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率。则由公式求得：=由公式知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：= N.m(4)式中导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005垂直方向的铣削力，空载时取0传动链效率，取0.7最后由式（1）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： =+=0.843Nm 2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由公式可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ （5）其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式计算。有：再由公式计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：最后由式（5），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：=+=1.256N/m 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：=1.256考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足： 初选步进电动机的型号为110BYG2602，由所参考资料查得该型号电动机的最大静转矩=6Nm。可见，满足要求。步进电动机的性能校核1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 图4.1 110BYG2602电动机的运行矩频特性曲线选定工作台最快工进速度=300mm/min，脉冲当量=0.005/脉冲，由公式求出电动机对应的运行频率.从110BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图4.1可以看出在此频率下，电动机的输出转矩5.5Nm，远远大于最大工作负载转矩=1.256Nm，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 选定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行频率。由图4.1查得，在此频率下，电动机的输出转矩=1.8Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.843Nm，满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=2000mm/min对应的电动机运行频率为。查表4-5可知110BYG2602电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。2.3 X轴的选型：导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为30000N。2.3.2 直线滚动导轨副的计算与选型工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。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： 其中，移动部件重量30kN，外加载荷，代入式中，得最大工作载荷=8.251kN。由所参考资料查得，根据工作载荷=5.751kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG25型，其额定动载荷Ca=17.7kN，额定静载荷Coa=22.6kN。选定工作台面尺寸为350mm350mm，加工范围为380mm380mm，考虑工作行程应留有一定余量，由所参考资料查得，按标准系列，选取导轨的长度为800mm。上述所取的KL系列JSA-LG25系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过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。查表3-36表3-40，分别取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数f=0.81，精度系数f=0.9，载荷系数f=1.5，代入公式，得距离寿命：L=大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。2.3.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 如前面所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fy=494N,受到横向载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2174N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=751N.已知移动部件总重量G=30000N，按矩形导轨进行计算，由所参考资料查得，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=300mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=60r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得丝杠寿命系数L0=54（单位为：106r）。由所参考资料查得，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入公式，求得最大动载荷：FQ=根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，由所参考资料查得，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3205-4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32mm，导程为5mm，循环滚珠为4圈*2系列，精度等级取5级，额定动载荷为13675N，大于FQ，满足要求。将公称直径d0=32mm,导程Ph=5mm,代入=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=251。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得传动效率=92.1%。2.3.4 步进电动机减速箱的选用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。已知工作台的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm， 初选步进电动机的步距角=0.75。根据公式，算得减速比：=（0.755）/（3600.005）=25/12选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：36，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为（75+36）1/2mm=55.5mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。2.3.5 步进电动机的计算与选型已知：滚珠丝杠的公称直径d0=32mm，总长l=750mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移动部件总重力G=30000N；小齿轮齿宽b1=20mm.，直径d1=36mm，大小齿轮齿宽b2=20mm，直径d2=75mm；传动比i=25/12。由所参考资料查得，算得各个零部件的转动惯量如下： 滚珠丝杠的转动惯量Js=0.473kgcm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw= 0.447kgcm2;小齿轮的转动惯量Jz1=0.259 kgcm2；大齿轮的转动惯量Jz2=4.877 kgcm2。初选步进电动机的型号为110BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75，由所参考资料查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=15 kgcm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=16.59kgcm2分快速空载和承受最大负载两种情况计算等效负载转矩Teq。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由公式可知，包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有：=+ （1）根据公式，考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：= (2)其中： =1250r/min (3)式中空载最快移动速度，为3000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率。则由式（2）求得：=由公式知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：= 式中导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005垂直方向的铣削力，空载时取0传动链效率，取0.7最后由式（1）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： =+=0.855Nm 2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由公式可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ （4）其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式计算。有：再由公式计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：最后由式（4），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：=+=1.27N/m 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为： 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足： 初选步进电动机的型号为110BYG2602，由所参考资料查得该型号电动机的最大静转矩=6Nm。可见，满足要求。步进电动机的性能校核1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 图4.1 110BYG2602电动机的运行矩频特性曲线选定工作台最快工进速度=300mm/min，脉冲当量/脉冲，由公式求出电动机对应的运行频率。图4.1 110BYG2602电动机的运行矩频特性曲线从110BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图4.1可以看出在此频率下，电动机的输出转矩5.6Nm，远远大于最大工作负载转矩=1.27Nm，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 选定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行频率。由图4.1查得，在此频率下，电动机的输出转矩=1.8Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.824Nm，满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为。由所参考资料查得可知110BYG2602电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。3.增量式旋转编码器的选用本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-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，每秒输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。4. 绘制进给传动系统示意图进给传动系统示意图如图所示。步进电机5. 控制系统原理框图 MPC07 运动控制卡复位信号PCD505驱动器正向复位开关负向复位开关原位开关编码器电源信号步进电机电源启动开关图7.1 控制系统原理框图6.控制系统的设计6.1主控制器的选择MPC07运动控制卡是集中，端口及部分等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用芯片作为主控芯片。6.2存储器扩展电路设计()程序存储器的扩展MPC07运动控制卡应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为k,4k,8k,16k32k。在选择芯片时要考虑与时序的匹配。所能读取的时间必须大于所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。MPC07运动控制卡规定0口提供位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低位的地址信息，一般采用芯片作为地址锁存器，并由发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。()数据存储器的扩展由于内部只有字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用芯片作为数据存储器扩展用芯片。(）译码电路在运动控制卡应用系统中，所有外围芯片都通过总线与运动控制卡相连。运动控制卡数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此运动控制卡的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于和容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。6.3.步进电动机的驱动电源选用设计中三轴的步进电动机均为110BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。所以查资料选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为120-310VAC，相电流为5A，分配方式为二相八拍。下图是它的接线图：7.结论 这次设计主要是对平时实验中常见的十字滑台进行改进，而设计出的一个能够在X、Y、Z方向运动的工作台，包括了机械传动结构和控制系统的设计。整个系统采用半闭环控制系统，进给系统采用了G系列滚珠丝杆副，其型号为：3205-4。系统采用了步进电机通过减速箱直接与滚珠丝杠连接驱动丝杠传动，而且其轴承采用的是角接触轴承保证其主轴不窜动，采用一个深沟来保证其径向的圆跳动。系统又采用了增量式旋转编码器作为位置检测器，来检测伺服电机的位置，通过单片机对光电编码器反馈信号处理来达到预期的精度要求。我在设计中兼顾经济性，考虑满足精度的要求，因此对于设备及元件的选择都要求具有较高精度，因此设计的成本较高。8致谢首先要感谢张老师在毕业设计中给我的知道，在老师和同学的帮组下我按时完成毕业设计。毕业设计是我在大学里的最后一门课程。通过这次毕业设计，我学会了如何查阅现有的技术资料、如何举一反三、如何通过改进并加入自己的想法与观点，使之成为自己的东西。并且结合生产知识，培养理论联系实际以及分析和解决工程实际问题的才能，并使三年所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展。在此，我对我的论文指导老师表示衷心的感谢，感谢他对我的严格要求，感谢他的监督和指导。其次我要感谢这三年里给我授课的所有老师。感谢你们传给我知识。最后还要感谢参考文献中所列书籍、文章及资料的作者。9.参考文献1 尹志强等编著.机电一体化系统课程设计指导书.北京:机械工业出版社.2007.5 2 姜培刚等编著.机电一体化系统设计.机械工业出版社，2003.93刘文信.机床数控技术.机械工业出版社.1995.74韩鸿鸾.基础数控技术.机械工业出版社.2006.1.15卢红 王三武 黄继雄.数控技术.机械工业出版社，2010.076黄大贵.微机数控系统.电子科技出版社.1996.117张秀珍 冯伟.数控加工课程设计指导书.机械工业出版社，2010.1.18赵松年 张奇鹏主编.机电一体化机械系统设计.机械工业出版社，19969周德俭主编.数控技术.重庆大学出版社.2011.1110林其俊.机床数控技术.中国科技技术出版社.199111蒲良贵 纪名刚主编.机械设计.高等教育出版社.2009.512孙恒 陈作模 葛文杰主编.机械原理.高等教育出版社.2008.410.文献综述三坐标工作台控制系统设计鄢朝洋摘要：现今三坐标工作台广泛运用在机械等行业，现在我们所用的数控机床、三坐标测量机等多用了三坐标工作台。可以对工件进行在空间任意平面的加工和进行空间曲面的加工，还可以用于较复杂的零部件的几何尺寸及相应位置的测试。随着科学技术和社会生产的不断发展，人们对机械产品的质量和生产效率提出了越来越高的要求。对于定型产品的大批量生产，许多生产企业都已采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线，实行自动流水作业。为了解决上述问题，满足多品种、单件、小批量、高精度、高效率的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的，能适应产品频繁变化、结构复杂、加工精度要求较高的柔性自动化机床。正是在这种需求下，在二十世纪中期，随着计算机技术、微电子技术和自动化技术的高速发展，数控机床便诞生并迅速发展起来。进而三坐标工作台得到了广泛的运用。关键字：三坐标 数控机床 加工世界上第一台数控机床于1952年诞生于美国麻省理工学院（MIT），是由美国帕森斯公司（Parsons Co.）和MIT合作研制的三坐标数控铣床，用于加工直升飞机变截面螺旋桨叶片轮廓的检测样板。机床占地面积约60m2，其数控系统是一台专用计算机，大约由2000多个电子管组成，插补装置采用“数字脉冲乘法器”，是一种直线插补器，伺服机构采用一台小型液压马达，通过改变液压马达的斜盘倾角而进行变速，实质上仍属于一台试验性的数控加工设备。1954年，在帕森斯（Parsons）专利的基础上，由美国本迪克斯公司（Bendix Co.）所生产出来的数控机床是世界上第一台工业实用性数控机床。1959年，开始采用晶体管元件和印刷电路板，美国克耐杜列克公司（Keaney &Trecker）首次成功地开发了加工中心（Machining Center，简称MC），这是一种具有自动换刀装置和回转工作台的数控机床，可以在一次装夹中对工件的多个平面进行多道工序的加工。从1960年开始，其它一些国家如德国、日本等也陆续开发生产出数控机床。1965年数控装置开始采用小规模集成电路，体积大大减小，功耗降低，可靠性提高。1967年，在英国出现了由多台数控机床连接而成的柔性加工系统，这便是最初的柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，简称FMS）。1970年，开始采用大规模集成电路和微型计算机，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了用微型计算机控制的数控机床（CNC）。1974年，微处理器直接用于数控系统，促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。数控机床从1952年诞生至今，已有半个世纪，随着科学技术的飞速发展，数控机床无论从数量、品种、功能、性能、可靠性及应用等方面都有了极大的提高和发展。目前已拥有数控车床、数控铣床、数控镗床、数控钻床、数控磨床、数控线切割机床、数控冲床、数控齿轮加工机床、数控电加工机床、数控加工中心等上百种数控加工设备 。 国外先进工业国家数控机床的现状特点：拥有数量较多，通常占主要生产设备的20%以上；大型数控机床较多，如落地式镗铣床，大型龙门镗铣床，以及三坐标测量机等；更新换代较快，许多新开发的设备，能很快地装备到生产线上，投入生产应用。我国数控机床的生产和应用：在高档数控机床方面，除少量国产的高档数控系统外，主要是以从世界上17个国家、地区进口的全功能高档数控装备为主体。在中档层次上，国外引进与国产两方面并举。在低档数控机床方面，绝大多数是国产的，以国内单板机、单片机或STD总线机加步进电机构成的普及型数控系统为主体，加上少量的由本单位或少量协作单位研制、开发的一些简易数控系统来改造普通机床，或将其配置在线切割等机床上。数控机床的发展趋势1. 向高速、高精度化方向发展 机械方面进一步提高机械结构的刚度、耐磨性，提高热稳定性和可靠性，使主轴转速达到10002000r/min，进给速度达到2040m/min，加速度大于等于9.81m/s2，实现高速切削。 数控系统数控系统的CPU从16位、32位向64位发展，主频由5MHz提高到2033MHz，进一步提高数控系统的运算速度。 伺服系统及电机采用数字伺服系统和伺服电机，提高对电动机的高速、高精度控制；采用现代控制理论提高跟随精度；采用高分辨的位置编码器提高位移精度；实现多种补偿功能，补偿机械系统误差。2. 充分利用PC机的资源将PC机的功能集成到CNC中，使系统智能化，简化应用软件的开发，提高和加强数控系统的通讯能力，使之容易联网，进行网络测控，并实现自动化编程。3. 开发小型具有专门高功能的CNC及其配套装置，扩大数控设备的品种，满足一些专门需要。4. 提高数控机床的可靠性和可维修性采用大规模、超大规模集成电路、专用芯片，提高集成度，减少故障率，提高可靠性，采用在线检测，人工智能故障诊断系统指导排除故障。5. 向自动化生产系统发展在现代生产中，单功能机床已不能满足多品种、小批量、产品更新换代周期快的要求，因而具有多功能和一定柔性的设备和生产系统相继出现，促使数控技术向更高层次发展。总结 由于现在数控机床发展很迅速，在机械行业占有必不可少的地位。所以三坐标工作台在数控机床中的应用也是越来越重要。三坐标工作台的发展应该要让数控机床更高速，精度更高，操作更简便，控制更自动化。参考文献：1张国雄。三坐标测量机。天津大学出版社。1999：5075232李雪梅。数控机床。电子工业出版社。2010-1-13刘文信。机床数控技术。机械工业出版社。1995.74韩鸿鸾。基础数控技术。机械工业出版社。2006-1-15卢红 王三武 黄继雄。数控技术。机械工业出版社。2010-076黄大贵。微机数控系统。电子科技出版社。1996-117张秀珍 冯伟。数控加工课程设计指导书。机械工业出版社。2010-1-1袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆