步进电机控制.doc

金陵科技学院学士学位论文2 郑浩金陵科技学院学士学位论文 目录目 录目录 ()中文摘要 ()英文摘要 ()1序言(1)2方案论证(5)3设计计算 31切削力计算 (8) 32滚珠丝杠选用 (9) 33步进电机选用 (12) 34谐波齿轮简速器选用 (14) 35连轴器选用 (16)4改造说明 41改进结构说明 (18) 42标准件说明(校核) (21) 43非标准件说明 (26)5步进电机控制 51控制原理 (25) 52步进电机驱动器 (25) 53步进电机控制器 (27) 54 PLC编程 (30)6成本预算及部件采购(33)7改进方案(34)附录(35)参考文献(38)致谢(39) 王勇金陵科技学院学士学位论文 中文摘要3MZl 420A轴承外国沟道磨床进给机构数控化改造摘 要 普通机床数控化改造适合我国现阶段经济基础，可以有效满足现代制造业对生产装备越来高的要求。本课题旨在对3MZl420A轴承沟道外囤磨床进给机构进行数控化改造，文章首先分析了原3MZl420A的进给机构工作原理，提出了改造方案，计算选择了步进电机、谐波齿轮减速器、滚珠丝杠等功能部件，接着对改造后进给机构的结构和原理作了阐明，讲述了步进电机的驱动和控制原理，具体说明了步进电机驱动器和步进电机控制器的参数设置，推导了考虑步矩角细分数(步进电机驱动器设定)和进给当量(步进电机控制器设定)后，直接由工作台进给速度换算出步进电机进给频率的公式。最后，设计了PLC控制器的功能控制方框图，编写了梯形图，预算了改造成本并提供了功能部件采购方案。关键词: 3MZl420A 进给机构 数控化改造 王勇金陵科技学院学士学位论文 英文摘要Computer numerical reform for the feedingOrganization of 3MZl420A(grinders for outer race groove of bearings)Abstract Computer numerical reform for the conventional machine iS not only suitable forthe current economic fundation of our country but also meets with the stricter demandthat modem manufacturing industry has on the production equipment This proj ect aims to carry out a computer numerical reform on the feeding organization of 3MZl 420AIn the beginnin9，the essay analyses the principle ol the original feeding organization of 3MZ l 420A，puts forward the strategy for reforming and chooses the model of some funtional componets，such as the step由ystep motors， ball screw and nutIn the followin9，the paper clarifies the structure and the principle of the reformed feeding organization，describes the principle of force and controlling of the step-bv。step motors，further explains the parameters for stepby-step motors driver and controller，and derivates the fcIrmula for calculating feeding frequency directly from feeding speed of Work set when angle subdivided value(set by driver) and feeding equivalent(set by controller)are addedFinally，the paper presents a chart to illustrate the funtion of PLC controller，and some trapezoid diagrams as wellThe paper budgets the cost for reforming and provides purchasing programme of the funtional componentsKey words：3MZ l 420A；feeding Organization；Computer numerical reform 王勇金陵科技学院学士学位论文 第一章 序言第一章 序言 轴承广泛地应用在各种机械设备中，转动副工作表面的摩擦性质为滚动摩擦的轴承是滚动轴承，该类轴承是由内圈、外圈、保持架和滚动体构成，内圈和外圈上加工有沟道，轴承工作时，滚动体沿着沟道滚动。为保证轴承部件的顺利装配以及装配后的有效工作，轴承内、外圈沟道必须满足一定的精度。比如，南京轴承有限公司生产的某品种轴承，其外圈沟道尺寸公差（沟道沿外圈直径方向）为0.015，中心线相对于端面的平行度为0.008，沟道相对于中心线对称度为0.025，线轮廓度为0.0015，沟道粗糙度Ra为0.1。为达到尺寸、形位以及粗糙度要求，轴承沟道最终通过磨床磨削加工出，磨削加工的精度等级可以达IT5-IT6级，经济粗糙度为Ra 0.1。3MZ1420A轴承外圈沟道磨床为南京轴承有限公司原先引进的设备，该磨床用于对球轴承的外圈沟道磨削。3MZ1420A主要技术参数为：加工范围 外径 100200mm 宽度 50mm 沟道曲率半径 25mm床头箱 最大横向移动量（手动） 50mm 最大横向快跳量 0.51.2mm 进给手轮每转横向移动量 3mm 快速趋近速度 1015mm/min 粗进给速度 0.44mm/min 精进给速度 0.22mm/min 进给补偿量 0.010.1mm/min工件转速 高速 240 、300 、380r/min 低速 120 、150 、190r/min 砂轮转速SJ17-35/1 4500r/minSJ12-35 60009000r/min工作台油缸最大行程 230mm液压系统压力 高压 0.981.08MPa低压 0.780.88MPa油泵流量 25L/min水泵流量 50l/min电动机功率砂轮电动机 7.5KW工件电动机 0.45/0.75KW油泵电动机 0.75KW水泵电动机 0.12KW磁性分离器电动机 0.18KW机床外形尺寸（长宽高） 2400mm1986mm2168mm机床重量 2600kg3MZ1420A磨床采取砂轮趋近式磨削方式，其工作流程为：循环启动-上料-磨架进入工件-工件横向快跳进-快速趋进-粗进给-精进给（死挡快挡住后精磨延时）-工件横向跳出，进给返回-磨架退出工件，补偿-下料-修整器倒下-修整砂轮-修整器抬起，循环结束。分析其工作流程，磨削进给动作可以分为快跳进、快速趋近、粗进给、精进给、无进给修磨（降低粗糙度）、快跳返回，另外，还包括砂轮修整后的进给补偿运动，以上动作由进给机构实现，进给机构通过液压驱动，用杠杆和斜楔控制磨削进给量，通过液压缸活塞运动带动丝杠旋转，完成磨削定量补偿，将该机床进给机构测绘，得到装配示意图如图1-1：图 1-1 3MZ1420A进给机构40 王勇金陵科技学院学士学位论文 第一章 序言进给工作原理描述为：进给时，油缸4对杠杆5右端加压，使杠杆硬质合金顶尖与楔形块接触，同时，进给油缸1推动楔形块向右移动，杠杆沿着楔块（缓缓）下降，杠杆移动带动滑板移动，实现加工的进给运动，进给的最终位置，靠螺钉3调节（螺钉3实现工件尺寸死挡块定程）。当加压油缸4失油时，杠杆在弹簧作用下回位，实现快跳，快跳量的大小由螺钉7调节。砂轮每加工一个零件都由一定磨损，需要通过休整器休整其轮廓，被休整的尺寸需要进给补偿，进给补偿由三滚轮机构实现。紧靠手轮6的箱体内设有液压油缸，补偿时，油缸通过滚轮机构推动丝杠9旋转一定的角度，滑板9移动相应的距离，实现了定量补偿。图1-1所示的进给机构十分精巧，通过楔块把运动行程不精确的油缸运动微分为运动精确的滑板（工作台，安装工件）移动。如图1-2，杠杆带动滑板在X方向移动1mm, 需要硬质合金顶尖向下（-Y方向）移动5mm,楔块的倾斜角度为2.5度，硬质合金在-Y方向移动5mm,需要楔块在X方向移动5/tan2.5 mm(102mm).即，楔块每移动102mm,滑板才移动1mm.图1-2 斜楔杠杆图示进给机构虽然精巧，但是加工一定数量的零件后，楔块和杠杆上的硬质合金磨损严重，将难以满足加工件对机床精度的要求，比如，硬质合金的顶尖头磨损1mm,滑板将在X方向串动0.2mm,这样的误差显然远远不能保证轴承加工精度要求。特别是三滚轮补偿机构，它承担着砂轮修整后的定量补偿，如果它磨损超过一定的值（即使是很小的值），都难以精准地保证补偿量的精度，因此，在精度要求普遍提高的现代工业生产中，若继续采取机械式的进给机构将使该磨床无法胜任轴承外圈沟道越来越高的加工精度要求。3MZ1420A机床能在一定程度上进行自动化生产，比如机械手上下料（液压驱动），并且该机床生产技术成熟，不适宜为满足轴承加工精度要求而整体废弃，况且若废弃该机床而引进高精度的数控机床，一方面将加重南京轴承有限公司的资金运转负担（购置数控机床一次性投资大，比如一台普通单轴数控磨床价位接近20万人民币），一方面将造成资源机床闲置，严重影响了资源使用效率，另外引进新机床还需要即时对工人进行相关操作技能培训等等，综合考虑，采取3MZ1420A机床数控化改造为最优问题解决方案。对3MZ1420A机床数控化改造的关键是对其原有进给机构进行改造，主要的方法是将机械进给机构改造成高精度的伺服驱动（补偿）电机（如步进电机、伺服电机等），并且提高伺服执行机构的精度（如置换掉传动精度低的构件等）。在设计改造方案时候具体要考虑的问题为：1：驱动电机的选择，控制方式的选用（开环还是闭环控制）。若采取开环控制方式，能否达到精度要求，若采用闭换控制，还需要配套选用哪种类型的传感检测装置（传感器）、如何实现闭环控制等。2：进给控制系统的传动精度和定位精度。如果对3MZ1420A机床进行数控化改造后不能达到预期精度（明显优于原机床），那数控化改造就失去了意义。3：进给控制系统的响应速度。设计中要处理进给系统对指令的响应速度，防止执行指令发生丢步或多步的情况发生。4：进给系统的调速范围。改进后的机床是否能够提供宽的调速级数以满足加工过程的需要。5：传动机构间隙消除。传动机构如果存在过大的间隙，将无法保证滑板（进给工作台）的准确移动和定位。6：改造后系统的稳定性和可靠性。改造后的系统如果不能稳定工作，可能会产生零件加工的系统性误差和随机性误差，严重影响加工质量。7：改造的成本和工作量。数控化改造涉及到数控器件（设备）选用，需要一定量成本的投入，而且数控化改造并非轻易实现的事情，改造过程涉及到对机械设计制造、磨削加工工艺、力学、电工、电气控制、液压传动、机电一体化、过程控制、甚至产品造型设计等等学科知识的综合应用，要充分考虑到对原机床在结构和原理上改造的工作量。 金陵科技学院学士学位论文 第二章 方案论证第二章 方案论证研究3MZ1420A磨床的进给机构，根据数控系统控制原理，拟订方案如下：方案一： 将原有的斜楔式进给机构整体移除，拆除进给油缸1。同时，将补偿机构中的三滚轮装置也移除，拆除补偿液压油缸10。移除部件承担的进给和补偿功能通过步进电机代替。原机构使用丝杠带动工作台移动实现补偿，在数控改造中，考虑到丝杠的精度不高，其轴向和径向误差较大，难以和步进电机的精度相匹配，因此把它换成精度较高的滚珠丝杠。方案二移除原有的进给机构（包括液压进给机构），选用直流伺服电机作为控制电机，同时把丝杠拆除，换成滚珠丝杠，其进给和补偿全部通过伺服电机实现，包括空行程快进过程。方案对比：步进电机是将电脉冲控制信号转换成机械角位移的执行元件，每输入一个指令脉冲，电机旋转一定的角度，其旋转速度由输入脉冲的频率决定，转角大小由输入脉冲的个数决定。步进电机的主要特点为：1 步进电机适用于开环控制系统。2步进电机具有自锁能力，一旦停止输入脉冲，只要维持绕组通电，电机就能保持在原位置固定。3 步进电机工作状态比较稳定，受干扰的影响较小。4 步进电机的积累误差为“0”。5 步进电机容易直接和微机的I/O接口相连，构成开环位置伺服系统。伺服电机主要特点为：1 伺服电机稳定性好，能在较宽的速度范围内稳定运行。2伺服电机可控性好，电机具有线性调节性能，能使转速正比于控制电压，转子的转动惯量小。3 伺服电机响应迅速，电机的起动转矩大而转动惯量小，反应灵敏。4 伺服电机控制功率小，损耗也小。5 伺服电机转矩大，可以直接拖动工作台动作而不需要减速度机构。6 伺服电机适用于精确位置控制系统中的闭环控制。从精度等级上比较，伺服电机要高于步进电机控制系统，因为伺服电机适用于闭环控制系统中，容易实现反馈补偿，这点，步进电机不如伺服电机。但是，步进电机进给机构的精度比起原来的机械进给机构显然高出了许多，对于步进电机，只要准确地控制输入脉冲的频率和个数，可以在很好地保证进给和补偿机构的精度。伺服电机由于采取了闭环控制方式，必须要配套增加比如光栅等精密传感检测器件，势必会使控制系统比步进电机控制复杂，加重机床改造负担。轴承外圈加工时，砂轮趋近工件，然后工作台（工件装夹在工作台）快跳进、快速趋近、粗进给、精进给、无进给修磨（降低粗糙度）、快跳返回。原机床的快跳进以及快速趋进是由液压油缸驱动实现，粗进给和精进给通过楔块杠杆（它们亦是因油缸而动作）如果使用伺服电机作为进给控制电机，可以完全省去快跳、快速趋近以及楔块驱动油缸。考虑到步进电机的转矩小，难以实现输出使得工作台快跳进和快速趋近的速度，因此若采取步进电机作为进给控制电机，原快跳进和快速趋近油缸可以继续使用（原液压系统工作稳定且工作年限久）。从这个角度上来讲，选用步进电机可以使原机床的液压系统继续发挥职能，减小对原机床的改动，使得资源更能充分的得到利用。 另外，从改造成本上比较，伺服电机的价格大大超过了步进电机，一台伺服电机的价格相当于一台步进电机的35倍。结合伺服电机和步进电机的特点，考虑对原机床的改动程度以及数控改造成本，方案一总体上优于方案二，因此选择方案一作为3MZ1420A机床的数控化改造的敲定方案。讨论方案一：方案一选用步进电机带动传动机构，拖动工作台，实现粗进给和精进给运动，砂轮磨损修整后，在进给系统中的补偿和进给原理相同，即步进电机转过一定的角度，最终使得工作台移动一个微小量，如此实现定量补偿。步进电机能传递的扭矩小，必须采取适当的机构提高其传递扭矩的能力，研究公式： (2.1)T：扭矩（N.M）P：功率（KW）N：转速 （R/min）当电机输出的功率一定的时候，降低其主轴转速可以提高扭矩，因此，需要通过减速机构使得步进电机输出的扭矩增大。若采用普通的齿轮减速机构，一方面结构不够紧凑，另一方面齿轮传动间隙较大，必须在设计齿轮传动的同时增加间隙消除装置，这使得系统传动的刚度降低，并且使系统的惯性增大，因此，选用谐波齿轮简速器作为减速装置，谐波齿轮减速器与普通齿轮减速器传动优点为：1谐波减速器比普通齿轮传动比大，单级齿轮传动比可以达到500。2 谐波减速器比普通齿轮承载能力更大，在传输额定输出转矩时，谐波减速器啮合的齿对数多。3 谐波减速器比普通齿轮传动精度高，同等制造条件下，谐波减速器传动精度比普通齿轮传动精度起码要高上一级综上，设计出改进运动传动示意图如图2-1： 图2-1改进方案传动示意图金陵科技学院学士学位论文 第三章 设计计算第三章 设计计算3.1切削力计算图3-1 磨削示意图切削过程如图3-1示意，砂轮以速度N旋转，沿-X方向趋近伸入工件（外圈）孔后，工件沿着-Y方向进给。主切削力 (3.1):切削主运动功率（KW） :切削线速度（m/s）砂轮电动机功率为7.5KW，砂轮转速度最低Nmin=4500r/min，砂轮D直径取50。 =11.775m/s =636.9NY方向进给力=0.6, z方向分力 =0.5 =0=383.9N, =318.5N3.2 滚珠丝杆的选用3.2.1确定滚珠丝杠副的导程初步选择步进电机的步距角= ，谐波齿轮减速器的传动比i=100.初步选择步进电机脉冲当量（每输入一个脉冲，步进电机驱动工作台移动的距离）=0.05um/p. 则滚珠丝杠的导程:= =5mm （按半步算） (3.2)3.2.2确定当量转速与当量载荷3.2.2.1进给速度 工件快速趋近速度： 1015mm/min(该动作由油缸实现，速度由油缸控制)工件粗进给速度： 0.44mm/min工件精进给速度： 0.22mm/min工件补偿速度： 0.010.1mm/min对应丝杠转速（需要达到）： (3.3)丝杠粗进给工作速度： 0.080.8mm/min丝杠精进给速度： 0.040.4mm/min丝杠进给补偿速度： 0.0020.02mm/min3.2.2.2丝杠载荷由于切削力以及工作台的重力等合力并非直接作用在丝杠上，丝杠主要拖动工作台在导轨幅上运动，因此载荷的主体部分作用在导轨副上，如果采用精度高，摩擦系数小的导轨，比如十字交叉导轨等类运动精度高的导轨，可以使载荷对丝杠的作用减少至极小的数值。为保险起见，假定工作台以及切削力作用在丝杠上，并藉此建立力学模型。取动摩擦系数 =0.1，静摩擦系数 =0.2。 注：公式3.2-3.9 参照南京工艺装备制造有限公司技术资料丝杠最小轴向载荷，是机床空载时丝杠的传动力，主要有工作台以及夹具等重量引起的摩擦力。估算工作台以及夹具体重量： 测量得到工作台及夹具体尺寸如图3-2： 图3-2工作台及夹具体 (3.4)=0.940.060.76=0.0428=0.470.080.44=0.0165=（0.0428+0.0165）7.9164.55工作台和夹具体并非实心体，故削减质量40%.得到工作台和夹具的重量W=1000N丝杠最小载荷为空载时工作台的摩擦力：=100N丝杠工作时轴向（横向）载荷为切削力在丝杠轴向分力以及工作台（包括夹具体）以及切削力在垂直方向的分力和引起的摩擦力，丝杠载荷如表3.1（估算）：表3.1丝杠载荷丝杠载荷横向载荷Fxs N垂直载荷Fzs N纵向载荷Fys N工作时间比重 %丝杠转速r/min粗进给515.71318.50600.8半精进给419.71283.80200.6精进给328.71159.20100.4无进给131.81079.60100.4 丝杠最大轴向载荷=515.7N丝杠当量转速 ： (3.5) 得到=0.6 r/min 丝杠当量载荷： =377N (3.6)3.2.3预期额定动载荷 按预期工作时间估算 (3.7):预期工作时间，见表1：精度系数，见表2：可靠性系数，见表3：负荷系数，见表4查表得 =15000 =0.9 =0.21 =1.21.94KN3.2.4 确定允许的最小螺纹底径3.2.4.1 估算丝杠允许的最大轴向变形量 （1/31/4）重复定位精度 （1/41/5）定位精度 : 最大轴向变形量 m定位精度一般为工件最小公差的1/3，设定重复定位精度0.5m, 定位精度0.1m =0.15um =0.1um取两种结果的小值 =0.1m3.2.4.2 估算最小螺纹底径丝杠取一端固定，一端游动的支承形式 (3.8)：最小螺纹底径 mm：导轨静摩擦力，=uw=100N：杨氏弹性模量 =(1.051.1)行程+（1014）行程取1mm, =5mm=60.88mm代入 21.9mm3.2.5 确定滚珠丝杠副的规格代号根据选择FFB内循环变位导程预紧螺母式滚珠丝杠副,该类型滚珠丝杠副结构紧凑，轴向和径向安装尺寸小，安装简便。使用单螺母预紧，综合误差小，适用于小负荷的精密定位。选定滚珠丝杠副的代号为：FFB2505-2丝杠的公称直径为=25，导程为=5，外径为=24.5，底径为=21.9，钢球直径为=3.5。循环周数为2。3.2.6 确定滚珠丝杠副预紧力 (3.9) 其中=1000N333N 3.2.7 滚珠丝杠副的图样及主要尺寸图3-3滚珠丝杠3.3步进电机的选用3.3.1 脉冲当量设定选用滚珠丝杠的时候，初步选定了步进电机的脉冲当量，脉冲当量选择设定值影响到进给精度，因此脉冲当量选定值应该小于工件的最小公差值。原先选择步进电机的步进电机脉冲当量=0.05um/p，即步进电机每得到一个脉冲指令，转过一个步距角，通过减速器减速后，拖动工作台移动的距离。原先选择步进电机的步距角= 。减速器的传动比i=100.3.3.2等效负载转矩计算3.3.2.1空在时负载转矩 (3.10)：丝杠顶紧时传动效率 =0.8式中 =0.1 =1000N =5mm =100=12.9N.m3.3.2.2磨削时负载转矩 (3.11)：磨削力，=636.9N:工作台和夹具体重量 =1000N注：公式3.10-3.13 参照机电一体化系统设计,姜培刚 盖玉先.北京：机械工业出版社，2003 p93-p96:磨削力垂直方向上的分力 =318.5N=0.00765N.m.3.2.2.3等效转动惯量计算1、 珠丝杠的转动惯量 (3.12)：滚珠丝杠公称直径 =25：滚珠丝杠长度，初步选定=800（设计值不大于800）：密度，=2、 工作台运动惯量转换到电动机轴上的转动惯量 (3.13)：重力加速度 =9.8 式中 =1000N =5mm =100 = 总惯性负载3.3.3步进电机的选定根据负载转矩及转动惯量以及步距角选定步进电机的型号为90BF006该步进电极的相数为5，步距角，电压24，相电压3A保持转矩10N.m，启动频率2200HZ，运行频率8000HZ，转动惯量11.3,线圈电感9.5，分配方式为： 五相十拍 重量：8Kg，外径：110mm 长度: 213mm 轴径：10 mm电机图样及主要尺寸如图3-4： 图3-4 步进电机3.4谐波齿轮减速器选用3.4.1确定传动比谐波齿轮减速器的传动比可调范围大，单级传动动比在50500，在滚珠丝杠选用的时候初步选定了减速器的传动比i=100. 3.4.2减速器的输入功率 (3.14)：电动机功率：工作情况系数，见表5=1.3计算步进电机功率（根据电感）：对于步进电机来讲，其线圈电感产生的电动势：注：公式3.14参照北京谐波传动技术研究所技术资料 (3.15)：步进电机线圈的电感 H ，=9.5：步进电机相电流对时间的导数上式两端同乘，得到：等式两端分别对和积分得到：积分：=而功 功率，得到： (3.16)=0.4W0.5W注：公式3.15参照电工学上册,秦曾煌,北京：高等教育出版社,1999 P973.4.3选择减速器根据功率和传动比，选择谐波减速器的型号 XB1-40-1:100，该减速器输出力矩为17N.m 主要形状尺寸如图3-5：图3-5谐波减速器3.5 连轴器选用初步拟订滚珠丝杠传动方案为螺母旋转，丝杠作直线运动，因此需要设计轴体与丝杠轴连接，利用轴体和工作台相连，带动工作台进给（如果直接设计成丝杠轴端与工作台相连接，连接体结构复杂且制造精度高，并且难以安装定位），如此，用到连轴器。丝杠端面光轴直径小于其螺杆底径21.9mm,预设轴端光轴直径16，选用连轴器型号为 LK3-C56-1416.该连轴器额定扭矩为：24N.m17 N.m（减速器输出扭矩），故能用。 最高转速：6000r/min 惯性力矩： 拧紧力矩：7 N.m 角向偏差： 轴向偏差：mm质量：132 g主要形状尺寸如图3-6：图3-6 连轴器金陵科技学院学士学位论文 第四章 改造说明第四章 改造说明4.1改造结构说明拆除原3MZ1420A轴承外圈沟道磨床的进给机构，包括3组进给（补偿）油缸以及楔块装置。设计出谐波减速器和丝杠螺母的连接装置，选用合理的方案将丝杠螺母连接固定，设计出简单实用的非标件使工作台和进给机构连接起来，实现进给及补偿传动。改进后的3MZ1420A 进给机构如图4-1：图4-1 3MZ1420A改进示意图如图10所示，该改进机构拆除了原先位于杠杆下面的楔块机构，其进给直接由步进电机控制，原补偿机构也被拆去，由步进电机代替补偿机构。床头箱结构如图4-2：图4-2 3MZ1420A改进示意图-床头箱图11所示为改进机床的床头箱。步进电机的伸出轴连接在谐波齿轮减速器的波发生器内，轴体和波发生器的孔通过键连接，轴和轴孔之间要求过盈配合，否则将可能使步进电机传递的转角在圆周方向产生教大的丢失。配合精度要求为H7/k6,安装时候用木棰轻轻敲击装入。减速器和套盘配合连接，用细螺钉拧紧，螺钉直径为M3,当丝杠旋转偏差太大或工作台被卡住等有害情况发生时，螺钉不足以承受载荷被剪断，如此可以切断传动链，保护系统的安全。滚珠丝杠的螺母安装在盘套上，盘套安装在圆锥滚子轴承内圈孔内，轴承反装，拉开两支点间距离，有利于提高盘套的刚度，轴承之间装有垫圈，作用是调整两匝轴承之间的距离，轴承通过圆螺母预紧。滚珠丝杠传递位移，对其轴向、径向间隙有较高的要求，不容许其过大的偏差，因此滚珠丝杠副需要消除间隙处理预紧，图示丝杠采用螺母拧紧产生轴向力以及径向分力来实现预紧。步进电机以及盘套装配后整体安装在机床床身上。为方便安装，原机床需要增加适当的结构，比如在端面焊接一块连接板或在床身钻孔后用螺栓安装连接板等，具体方法从略。改进后左端支承方式如图4-3：图4-3 3MZ1420A改进示意图-左支承滚珠丝杠采取的传动方式是螺母固定在盘体上并跟着盘体转动，丝杠不作回转运动而只作直线运动。如果直接将丝杠通过其它结构连接到工作台上，连接件可以设计得很简单，但为防止传动链轴向串动，方便轴向间隙调整，对丝杠的轴端有特殊要求，比如车制螺纹等，丝杠加工工艺复杂，传动精度高，不适合对其结构上作改动，因此，不采取丝杠轴端直接和工作台连接的方案。图4-3所示为MZ1420A改造后的支承方式（原为普通丝杠连接），轴体通过连轴器和丝杠光轴连接，轴体中段设计有花键轴，花键轴在套筒里作直线运动，轴体和支承伴采用H7/u6的基孔制过盈配合。 支承板设计意图是方便固定安装，其剖面设计有类似于T型槽的结构，螺栓卡在槽体内并和压板紧固，压板再通过螺钉拧紧固定。 剖面如图4-4：图4-4 左支承剖面图4.2 标准件说明（校核）在床头箱中使用了两匝圆锥滚子球反装，根据机构选用了圆锥滚子球的型号为30208（GB/T 297-94）,现对该轴承校核。计算轴承当量动载荷,轴承受到的载荷如图：图4-5 轴承载荷 (4.1)：径向载荷系数，见表6：轴向载荷系数，见表6：轴承承受的径向载荷 N：轴承承受的轴向载荷 N注：公式4.1-4.2参照机械设计基础陈立德,北京：高等教育出版社，2004p377-p388 取丝杠最大垂直方向负载，=1318.5N 取丝杠最大轴向载荷值，=517.7N查找30208轴承产品说明，e=0.37/0.39 0.37故 =0.67=0.671.81故1490N计算轴承动载荷C： (4.2) ：当量动载荷 N：轴承转速 r/min 取=0.8r/min:寿命指数，对滚子轴承，=：温度系数，见表7:工作小时数 h选择和丝杠预期寿命匹配，取=15000轴承体转速不高，故温度比较低，取=1则： 59.6N=63KN：轴承基本额定动载荷故所选轴承满足使用要求，轴承的形状尺寸如图4-6所示：图4-6 30208 圆锥滚子轴承4.3非标准件说明改造过程中，设计出一些列非标准件，其中比较重要的是连接减速器和丝杠螺母的套盘以及安装深沟球轴承的轴承支撑体。套盘起着连接减速器和丝杠的重要，并且还需要和轴承配合，因此需要较高的精度等级，该零件的结构及主要尺寸设计如图4-7：图4-7 套盘结构及主要尺寸金陵科技学院学士学位论文 第五章 步进电机控制第五章 步进电机控制5.1 控制原理步进电机的控制原理描述为：从计算机输出端口（指令控制器）输出指令脉冲，该脉冲功率很小，一般难以直接拖动电机工作，因此需要使用功率驱动器对功率放大，放大后的功率驱动电极工作，拖动负载。步进电机控制原理示意如图5-1：图5-1 步进电机控制原理5.2 步进电机驱动器步进电机的运行特性大大地受到了驱动电源（步进电机驱动器）的影响，因此，要使步进电机高效地运行，需要给步进电机选用配套的驱动电源，根据步进电机的性能，选择步进电机驱动器的型号为：SD714-535 5.2.1 技术参数SD714-535 步进电机驱动器技术参数:驱动电源：AC60110 、50/60 适用电机：五相混合式步进电机激励方式：五相十拍/五相二十拍电流控制：恒流、恒频脉宽调制控制信号：双脉冲（CW，CCW）、单脉冲半电流控制：当控制信号消失超过两秒，驱动器控制电机电流自动降为设定值一半，减少电机发热工作环境温度：0工作环境湿度：1085%贮纯环境温度：-2080%金陵科技学院学士学位论文 第五章 步进电机控制5.2.2 SD714-535 步进电机驱动器接线驱动器控制面板如图5-2：图5-2 SD714-535驱动器控制面板 CP、CD、PD、AL 为信号接口，定义为： CP+ ：正转脉冲信号或单脉冲控制的脉冲信号正端输入 CP- ：正转脉冲信号或单脉冲控制的脉冲信号负端输入 CD+ ：反转脉冲信号或单脉冲控制的方向脉冲信号正端输入 CD+ ：反转脉冲信号或单脉冲控制的方向脉冲信号负端输入 PD+：脱机信号正端输入 PD-：脱机信号负端输入 AL1：故障信号输出端 AL2：故障信号输出端（继电器信号） AE为电机、电源信号接口，共13个端子，前10位为输出端子（输入电机），后2为交流电源输入端子，剩余1为为空位。各位端子具体定义如下： ：相正输出 ：相正输出 ：相正输出 ：相正输出 ：相正输出 ：相正输出 ：相正输出 ：相正输出 ：相正输出 ：相正输出5.2.3步矩角细分设定：为减少了电机的低频振荡，提高了电机的输出转矩，设置驱动器工作在10细分状态（=10），即步进电机每收到一个步进指令，实际转过的步矩角并非，而是。5.3 步进电机控制器5.3.1控制器选用步进电机的脉冲指令由控制器产生并输出，脉冲指令控制了电机的运动方向以及转速，控制器具有编程设置参数、信号输入输出等功能，常用的控制器为单片机和PLC（Programmable Logic Controller）以及总线型工业控制计算机。PLC具有很好的柔性，可以根据生产流程改变内部程序，并且编程简单方便，可靠性好，体积小重量轻，功能完善，性价比较高，因此，选用PLC作为本课题步进电机控制器，选定PLC型号为：DK-PC80 DK-PC80系列PLC的智能为SMC步进控制模块，其主要的技术参数为： 控制轴数： 2轴（本课题仅需要使用其控制一根轴）控制步进速度： 0.110000HZ位置控制范围： -999999999 um进给电机当量： 18步/um控制运动方式： 进、退、延时占用PLC I/O 点数： 16点步进控制输出： 光电耦合输出，电流10mA脉冲控制： 单脉冲/双脉冲SMC模块的优点是可以通过显示器方便设置参数，它接受PLC发来的命令执行操作控制，在调整状态下手动实现调整。SMC模块向步进电机驱动器发出各种速度对应的脉冲，控制步进电机运行，并可以在显示器上显示当前进给状态。SMC模块控制结构见图5-3： 图5-3 SMC模块控制结构5.3.2 进给当量设置 设置SMC进给当量=2步/um,即步进电机走2步实际位移为1um,对于步矩角为/的步进电机，每接到一个脉冲，实际进给为0.5 um，又在驱动器中设置工作细分为10，故对步进电机发出一个控制脉冲，工作台实际移动距离为0.05um.此值符合当初脉冲当量的设定值（=0.05um/p）。5.3.3 进给控制过程使用SMC模块控制步进电机，需要确定机械