工作台说明书

目目 录录 一 设计说明一 设计说明 一 设计任务 二 总体方案的确定 三 系统总体方案设计 二 机械部分设计二 机械部分设计 一 脉冲当量的选定 二 步进电机的选用 三 计算铣削力 四 滚珠丝杠副的选用 五 工作台尺寸确定 六 滚珠丝杠长度确定 七 丝杠传动效率计算 八 丝杠稳定性验算 九 丝杠刚度验算 十 计算减速器传动比 十一 齿轮机构设计 十二 传动系统是转动惯量计算 十三 步进电动机负载能力校验 十四 导轨的选型及计算 三 控制系统电路设计三 控制系统电路设计 一 接口设计 二 伺服系统设计 三 步进电机驱动电路设计 四 运动控制器控制原理 四 控制软件结构设计四 控制软件结构设计 一 直线插补程序 二 圆弧插补程序 参考文献 一 设计说明一 设计说明 本设计是以 PC 平台为基础的数控 X Y 工作台实验系统 它具有直线插补和圆弧插补等 数控系统所使用的常用功能 结构简单 操作方便 控制精度相对较高 可靠性 稳定性和 实用性都很好 X Y 两方向的运动各由一台步进电机控制 数控系统每发出一个信号 步进电机就走 一步 并通过中间传动机构带动两方向的丝杠旋转 分别使得 X Y 工作台进给 数控系统 由单片机 键盘 变频检测系统构成 具有间隙补偿 直线插补 圆弧插补 断丝自动处理 等主要功能 线切割的适用对象主要是难切割材料 如高强度 高韧性 高硬度 高脆性 磁性材料 以及精密细小和形状复杂的零件 线切割技术 线切割机床正在各行各业中得到 广泛的应用 因此研究和设计数控线切割有很强的现实意义 微机控制技术正在发挥出巨大 的优越性 一 设计任务 设计一个数控 X Y 工作台及其控制系统 该工作台可安装在铣床上 用于铣削加工 设计 参数如下 最在铣削直径 20mm 最在铣削宽度 8 mm 最大铣削深度 5 mm 加工材料 碳钢 工作台加工范围 X 250 Y 180 最大移动速度 3 m min 二 总体方案的确定 数控 X Y 工作台的总体方案设计应考虑以下几点 1 工作台应具有沿纵向和横向往复运动 暂停等功能 因此数控控制系统采用连 续控制系统 2 在保证一定加工性能的前提下 结构应简单 以求降低成本 因此进给伺服 统采用伺服电机开环控制系统 3 纵向和横向进给是两套独立的传动链 它们各自由各的伺服电动机 联轴器 丝杠螺母副组成 4 为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性 选用摩擦小 传动效率高的滚珠 丝杠螺母副 并应有预紧装置 以提高传动刚度和消除间隙 5 为减少导轨的摩擦阻力 选用滚动直线导轨 三 系统总体方案设计 二 机械部分设计二 机械部分设计 一 脉冲当量的选定 根据已知条件 X Y 方向的脉冲当量 x y分别为 x y 0 01mm 二 步进电机的选用 即脉冲当量较小 因此这里选用反应式步进电动机 其特点是 步距角小 运行频率高 价 格较低 但功耗较大 BF 反应式步进电动机技术参数 指导书表 2 18 电机型 号 相 数 步距 角 最大静转 矩 最高空载启 动频率 运行频 率 转子转动惯量分配 方式 90BF0014 0 9 3 92 N m 2000HZ8000HZ 52 17 64 10 kg m 四相 八拍 1 步进电动机的脉冲频率计算 典型工况下 步进电动机的脉冲频率fx和fy分别为 33 max 3 10105000 8000 6060 0 01 x xx x v fp sfp s 33 max 3 10105000 8000 6060 0 01 y yy y v fp sfp s 2 90BF001 启动矩频特性 3 90BF001 运行矩频特性 三 计算铣削力 1 切削力的请算 选用高速钢直柄立铣刀 其铣削力公式为 ZdaaaCF tpfeFZ 86 0 72 0 86 0 81 9 查 表 5 11 得 68 2 20mm 8mm 0 09mm 5mm 5 代入公式可知 0 860 721 86 z F9 81 68 2 80 095 2051345N 2 进给工作台工作载荷的计算 进给工作载荷沿铣床工作台运动方向可分解为三个力 工作台纵向进给方向载荷 工作 台垂直进给方向载荷 工作台横向进给方向载荷 3 工作台载荷与铣削力的经验比算 指导书表 2 4 考虑最不利影响 0 9 0 8 0 4 所以 1211 N 1076 N 538 N 四 滚珠丝杠副的选用 1 丝杠寿命的估算 令两方向丝杠的工况均为 每天开机8小时 每年300 个工作日 工作10年以上 丝杠材料 CrWMn 钢 滚道硬度为 58 62HRC 丝杠传动精度为 0 04mm 丝杠寿命 不对称铣削铣削条件比值 逆铣顺铣 1 00 1 200 8 0 90 0 20 0 300 75 0 80 圆柱铣 立铣 盘铣 和成型 铣 0 35 0 400 35 0 40 8 300 1024000 h Lh 初定丝杠的导程为 P 5 其平均转速为工作台最大移动速度一半时所对应的转速 故平均转速 10001 5 1000 300 min 5 v nr p 2 计算丝杠工作载荷 计算载荷FC求解 其中取 的较大值为F m 故F m 1211 N F C KF KH K A F m 1 1 1 0 1 0 1332N 查 机电一体化设计基础 表2 6 2 7 2 8 得 KF 1 1 KH 1 0 K A 1 0 查表 2 4 取C 级精度 表2 6 载荷系数 载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转 KF1 1 21 2 1 51 5 2 5 表2 7 硬度系数 滚道实际硬 度 58 55504540 KH1 01 111 562 43 85 表2 8 精度系数 精度等级C DE FGH K A1 01 11 251 43 3 额定动载荷计算Ca 计算 33 44 300 24000 12479421 1 67 101 67 10 h ac nL CFNN 4 滚珠丝杠副初选 假设选用C1 型号 按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于Ca的原则 选初定选用汉江 机床生产的 2005 3Ca 10493 N 其参数如下 中径 2 20dmm 导程 5p 螺旋角 4 33 滚珠直径 3 175dmm 滚道半径0 520 52 3 1751 651Rdmm 偏心距 2 3 175 0 707 0 707 1 651 4 489 10 22 d eRmm 丝杠内径 12 2216 79ddeRmm 五 工作台尺寸确定 工作台的行程为 X 250mm Y 180mm 工作台尺寸一般为工作台行程的 1 1 倍 所以 X 250 1 1 275mm Y 180 1 1 198mm 圆整 取 X 270mm Y 190mm 其厚度初定为 30mm 选择工作台的型槽为 T 型槽 查 袖珍机械设计师手册 表 3 25 可得所选 T 型槽的参 数 A 12mm B 21mm C 9mm H 20mm 间距取 50mm 一取工作台厚度为 T 型槽厚度的 2 倍 即 2 20 40mm 工作台质量 0 即纵向丝杠所承受的质量 因工 3 7 8 1027 19 416kg 作台有 T 型槽 故取 0 15kg 减去 3 个 t 型槽的重量得到的大概数值 横向丝杠所要承受的质量 为工作台质量加上拖板质量 一般以工作台质量的 3 5 倍 计 即 52 5kg 六 滚珠丝杠长度确定 根据经验公式 llLl 行程余量 其中 L 由 2005 3 丝杠副中取 L 97mm 故 250 97 50 397mm 圆整 400mm 180 97 50 327mm 圆整 330mm 七 丝杠传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 见 机电综合设计指导 公式 2 15 P15 tg tg 式中 为丝杠螺旋升角 为摩擦角 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 0 003 0 004 其摩擦角约等于 所以 94 0 01 552 552 tg tg tg tg 八 丝杠稳定性验算 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳 所以在设计时应验算其安全系数 S 其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数 S S 是许用稳定性安全系数一般取 2 5 4 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷 Fcr N 按下式计算 2 A cr EI F l A H B C 式中 E 为丝杠材料的弹性模量 对于钢 E 206GPa l 为丝杠工作长度 m Ia 为丝 杠危险截面的轴惯性矩 m4 为长度系数 丝杠初定支承方式如下 故 一端固定 另一端铰支 0 7 X 轴受到的临界力 99 5 22 3 14206 103 10 0 25 10 0 7 0 40 A xcr EI FN l Y 轴受到的临界力 99 5 22 3 14206 103 10 0 36 10 0 7 0 33 A ycr EI FN l 安全系数 5 0 25 10 21 1211 xcr x m F s F 5 0 36 10 30 1211 ycr y m F s F 临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数 s 如果大于许用稳定性安全系数 s 刚该 滚珠丝杠不会失稳 一般取 考虑丝杠自重对水平滚珠丝杠的影响可取 2 54s 4s 九 丝杠刚度验算 滚珠丝杠在工作负载 F N 和转矩T N m 共同作用下引起每个导程的变形量 2 2 c pFp T p EAGJ 式中 A 为丝杠截面积 为丝杠的极惯性矩 1 22 1 A 4 dm 44 c1 J 32 dm G 为丝杠切变模量 对钢G 83 3GPa T N m 为转矩 2 tan 2 m D TF 式中 为摩擦角 其正切函数值为摩擦系数 为平均工作负载 由所选用选杠有 4 33 10 3 20 121110tan 4 33 10 0 99 2 TN m 按最不利的情况取 其中F Fm 22 224 11 416 2 c pFp TpFp T p EAGJEdGd 33 2 92294 4 5 10112116 5 10 0 99 3 14 206 100 016793 1483 3 100 01679 8 12 907 10 m 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 取进行校验 x ll 2 3 12 907 10 0 4010 32 5 10 p llmm p 通常要求丝杠的导程误差 l应小于其传动精度的 1 2 满足传动精度要求 11 0 040 0220 22 lmmm ll 十 计算减速器传动比 减速器传动比 由所选电机型号和丝杠副参数可求得传动比如下 0 9 4 1 3603600 01 b p p i 十一 齿轮机构设计 系统传递的功率很高 在要求不高时 以后各步的计算可省略 并采用经验法来 设计各元部件 1 选择材料及确定许用应力 齿轮材料选择 45 钢 表面淬火 硬度为 45HRC 齿轮的接触疲劳强度极限 lim1 H 1130MP a 淬火处理 安全系数SH和S F 安全系数软齿面硬齿面 重要的传动 渗碳淬 火齿轮或铸造齿轮 SH1 0 1 11 1 1 21 3 S F1 3 1 41 4 1 61 6 2 2 取安全系数1 1 H S lim 1130 1027 27 1 1 H H H MPaMPa S 齿轮的弯曲疲劳强度极限 lim 240 F MPa 取1 3 F S lim 240 184 62 1 3 F F F MPa S 2 齿结构参数确定 为简化结构选 模数 m 取 1 5 则 12 20zz 1212 30DDmzmzmm 齿宽 20Bmm 十二 传动系统是转动惯量计算 传动系统是转动惯量是一种惯性负载 在电机选用时必须加以考虑 由于传动系统的各 传动部件并不都与电机轴同轴线 还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题 最后 要 计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量 即传动系统等效转动惯量 本设计需要对 电机转子 联轴节 丝杠 工作台进行转动惯量的计算 两齿轮转动惯量 43432 12 0 78100 78 32 100 126 JJD Bkg cm 滚珠丝杠转动惯量的折算 432 2 0 78 240 100 4992 s S J Jkg cm i 工作台转动惯量折算到丝杠上 222 0 5 52 50 33 22 G p JMkg cm 由电机参数可知 522 17 64 10 1 764 Jkg mkg cm 转子 传动系统等效转动惯量计算 2 12 0 126 20 49920 331 0812 SG JJJJJJkg cm 转子 惯量匹配验算 满足 的要求 惯量匹配合理 1 0812 0 61 1 764 J J 转子 1 1 4 J J 转子 十三 步进电动机负载能力校验 电机加速力矩 参考类似设计取 t 0 04s 2 max 2 10 60 KA n MJJN cm t 电机最大转速 max max 3000 0 9 min750 min 3600 01 360 b p v nrr 故 2 2750 1 08121021 08 0 2108 60 0 04 ka MN cmN m 参考指导书表 2 17 如下 相数三相四相五相六相步进 电机拍数 3648510612 max kaj MM 0 50 8660 7070 7070 8090 9510 8660 866 由表可求得电机空载启动时 max 0 2108 0 298 0 707 j MN m 所选电机 90BF001 最大静转矩 3 92N m 远大于所需的启动转矩 因此选择的步进电机的功能 不能充分发挥 为提高经济效益可考虑重选 十四 导轨的选型及计算 导轨为直线滚动矩形导轨 本设计中共用 4 条导轨 每条导轨用 2 个滑块 考虑到切削 工件时工作台受力不均产生起颠覆力矩初步确定选用燕尾形直线滚动导轨 滚动导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算 滚动体为球时 一般滚子导轨的距离寿命定为 100km 3 50 W CTHa f fff F C L 为硬度系数导轨面的硬度为 58 64HRC 时 1 0 为温度系数 当工作温度不超过 1000C 时 1 为接触系数 每根导轨条上装二个滑块时 0 81 为载荷 速度系数 无冲 击振动或时 1 1 5 取 1 5 min 60mv 求 其中 F 为丝杠 工作台的重力 F Mg 52 5 9 8N 514N 3 10 100 100 w a HTC fF C f f f 1 5 1 0 1 0 81 计得 根据查设计指导书表 2 16 选择型号的燕尾形导轨副 951 8 a CN 20 S V GDA T W 三 控制系统电路设计三 控制系统电路设计 机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大组成 在机床行业 控制系统的控制对 象主要包括各种机床 在使用中各种控制对象各不相同 但其控制系统硬件组成的基本原理 是一致的 控制系统的硬件基本组成图如下 驱动系统 键盘显示控制微机 辅助控制 控制对象 设备 检测 如果是开环控制系统 则没有反馈电路 不带检测装置 硬件设计主要包括微杨控帛系统的扩展 接口及控制电路 一 接口设计 因为本系统传输距离较短 数据传输率高 所以采用并行通讯方式 8255A 是 Intel180 系列微处理机的配套并行接口芯片 它可以为 8086 8088 与外设之 间提供并行输入 输出的通道 由于它是可编程的 可以通过软件来设置芯片的工作方式 所以 用 8255A 连接外设时 通常不用附加外部电路 本设计中采用的可编程并行接口 8255A 可为微处理器提供三个独立的并行输入 输出 端口 利用输出端口与运算放大器相连 可控制步进电机的运转及速度 利用模数转换器又 可将工作台的位置及速度参数变换成数字量 通过并行输入端口送回微机系统中 从尔构成 半闭环系统 8255A 中端口 A 工作在方式 0 完成输出功能 用来向 x y 向步进电机输出 8 位脉冲 信号 端口 B 工作在方式 1 完成输入功能 用来接受由模数转换器输入的 8 位脉冲信号 端口 C 作控制用 PC7 用作模数转换器 ADC0809 的启动信号 PC2 用作输入的 STB 信号 PC0 用作中断请求信号 INTR 通过中断控制器 8259A 可向 CPU 发中断请求 这些都要由初始化 程序来定义 由 8255A 端口 A 输出的 8 位数字信息 经运算放大器放大后便将模拟电流放大并转换 为模拟电压 经过调整可达到 当 CPU 输出的数字量从 00H FFH 时 运算放大器输出 0 4 98V 的模拟电压 该电压经传感器可调节控制不进电机的转动与速度 通过 8255A 并行接口和步进电机的驱动器电路连接 这样就可以用计算机的软件取代 常规大的环形分配器 PA0 PA7 的八个端口后接步进电机的各项绕组 光电隔离器 TIL117 是用作电平转换并防止电机电路对微处理器的干扰 驱动电路由复合功率放大 驱动步进电 机的三个绕组 A 相 B 相 C 相 D 相 1 人机接口 A 采用键盘或BCD 码盘作为输入 B 采用LED 作为电源等指示标志 C 采用蜂鸣器或扬声器作为警报装置 D 采用数码管作为显示器 2 机电接口 采用光电偶合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口 实现电气隔离 二 伺服系统设计 1 控制部分方案选择 控制方案不外乎三种 开环控制 半闭环控制 闭环控制 若在 机械传动 机构中引出反馈给控制部分 再经过比较放大的则为 半闭环控制 如若是 在 机械执行机构中引出反馈则为闭环控制 采用步进电机来实现驱动 一般情况下多采用 开环控制 因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系 电机转速与控制 器提供的脉冲频率成正比 因此通常在精确度要求不是很高时 采用步进电机是合理的 当 然 由于步进电机具有高频易失步 负载能力不强的缺点 本次设计的系统精度要求不高 载荷不大 因此采用开环控制 2 系统扩展 系统中采用键盘实现输入 并采用LED显示器 它们均需要占用占用较多芯片口线 所以该 系统是需要进行系统扩展的 可编程并行接口8255A 是一种应用广泛的并行接口扩展器件 它具有三个8 位并行口PA PB PC 由此提供了24 条口线 三 步进电机驱动电路设计 1 步进电机的驱动电路设计主要涉及脉冲分 配器的选择问题和驱动电路的选则问题 时下脉冲分配器主要有两种 一种是硬件脉冲分配器 国内主要有YB 系列 另一种 是软件脉冲分配器 软件脉冲分配器不需要额外的电路 相应的降低了系统的成本 虽然这 种方法占用了一定的计算机运行时间 但是在该设备中计算机有足够的资源来担当脉冲分配 任务 该系统采用软件来进行脉冲分配更为合理 单片机与步进电机的接口电路见图3 5 步进电机的驱动电路采用斩波限流驱动方式 这种电路采用单一高压电源供电 以加快 电流的上升速度 并通过对绕组电流的检测 控制功放管的开和关 使电流在控制脉冲持续 期间始终保持在规定值上下 这种电路出力大 功耗小 效率高 目前应用较广 2 电机驱动程序 电机的控制电路原理及控制字 节拍控制字 正转反转 通电相 二进制十六进制 18A01H 27AB03H 36B02H 45BC06H 54C04H 63CD05H 72D06H 81DA07H 设电机总的运行步数放在 R4 转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位 F1 D5 中 当 F1 为 0 时 电机正转 为 1 时则反转 正转时 P1 端口的输出控制字 01H 03H 02H 06H 04H 05H 存放在片内数据存储单元 20H 27H 中 28H 中存放结束标志 00H 在 29H 2EH 的存储单元内反转时 P1 端口的输出控制字 01H 05H 04H 06H 02H 03H 在 2DH 单元内存放结束标志 00H 3 电机正反转及转速控制程序 PUSH A 保护现场 MOV R4 N 设步长计数器 CLR C ORL C D5H 转向标志为 1 转移 JC ROTE MOV R0 20 正转控制字首址指针 AJMP LOOP ROTE MOV R0 27H 反转控制字首地址 LOOP MOV A R0 MOV P1 A 输出控制字 ACALL DELAY 延时 INC R0 指针加 1 MOV A 00H ORL A R0 JZ TRL LOOP1 DJNZ R4 LOOP 步数步为 0 转移 POP A 恢复现场 RET 返回 TPL MOV A R0 CLR A SUBB A 06H MOV R0 A 恢复控制字首指针 AJMP LOOP1 DELAY MOV R2 M DELAY1 MOV A M1 LOOP DEC A JNZ LOOP DJNZ R2 DELAY1 RET 四 运动控制器控制原理 运动控制器由基卡和接口卡组成 如图 4 1 所示 单卡可以同时控制 1 4 轴伺服电机的 运动 基卡集成了 PC 机与 DSP 通信电路 DSP 辅助电路 存储器扩展电路 CPLD 译码 中 断 正交编码处理电路 控制电压转换电路等 接口卡通过 62 针接头与基卡相连 伺服使 能 报警清除等输出信号经过光电隔离后通过 25 针接头对电机进行控制或者连到 I O 端子 排进行输出 伺服电机编码器反馈信号经过差分处理和光电隔离后输入基卡 伺服使能 伺 服报警信号 回零信号 限位信号和通用 I O 信号等也通过光隔进行输入输出 运行过程中 PC 机把粗插补的数据通过 PC 机与 DSP 通讯电路传递给 DSP 进行时间分割 精插补 在每一个伺服周期中 CPLD 器件 EPM7128 和 DSP 各处理两路反馈的正交编码信号 进以获取实时位置和速度 DSP 进行参数曲线的自适应插补计算出理论插补位置 并与实际 位置进行比较获取偏差值 以此作为输入基于速度和加速度前馈进行 PID 调节 计算获得速 度控制量 产生的输出信号经 DAC7625 进行数模转换及放大电路放大后将模拟电压量送伺服 驱动器以控制电机 外部的伺服报警信号 通用输入信号 回零信号 限位输入信号在 CPLD 中进行逻辑运算后输入 DSP 的 XINT1 只要有一个信号输入就引起中断 由中断处理程 序进一步判断后做出相应处理 与单片机 PLC 相比 采用运动控制卡有以下优势 1 友好界面 PC 平台控制系统受到机器操作员的普遍欢迎 与单片机和 PLC 方案的界面相 比 PC 机 显示器 键盘 鼠标 通讯端口 硬盘 软驱等 具有无可比拟的输入输出能 力 2 强大功能 由于 PC 机的强大功能以及雷赛控制卡的先进技术 基于 PC 机的运动控制系 统能够实现单片机系统和 PLC 系统所无法应付的无数高级功能 3 开发便利 用户可使用 VB VC C Buider 等高级编程语言 快速开发人机界面 调用 成熟可靠的运动函数 在几天或几周时间内完成强大控制软件的开发 修改和添加功能十分 便利 而且开发好的软件极易移植到类似的机器中 4 成本优势 由于 PC 机成本持续下跌且雷赛控制卡具有很高的性价比 使得由此构成的基 于 PC 机和雷赛卡的控制系统在大多数运动控制场合中具有良好的综合成本优势 DSP TMS320LF2407 核心处理芯片 扩展 RAM 伺 服 电 机 2 CPLD 译码 中断 编码器处理电路 JTAG 下 载口 电源管理 时钟 控制器原理框图 PC DSP 通讯电路 控控制制器器基基卡卡 差分 信号 处理 光电 隔离 电平 转换 电源输入 控制 电压 转换 62 针 接 头 62 针 接 头 25 针 接 头 2 I O 端子排 通用 I O 限位 信号 回零 信号 外部 电源 接接 口口 卡卡 四 控制软件结构设计四 控制软件结构设计 一般机电控制系统中常用的软件结构有 子程序结构 主程序加中断程序结构及中断程序结 构 本设计中由铣床的工作原理要进行直线插补程序设计和圆弧插补程序设计 一 直线插补程序 在机电设备中 执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动 必须通过两个方向运动 的合成来完成 在数控机床中 这是由 X Y 两个方向运动的工作台 按照插补控制原理实 现的 第一象限直线插补计算子程序框图第一象限直线插补计算子程序框图 直线插补程序 第一象限直线插补 LP 定义堆栈指针 偏差单元清零 初始化 电动机 计算终点判别 Xe Ye 之低位 Xe Ye 之高位 低位相加 可能产生进位 电动机上电 2 延时子程序 取偏差 的高 位 偏差 0 去 调 电动机正转子程序 计算新偏差 值 e 可向高位字节借位 3 终判值减 可向高位字节借位 考虑低位字节借位 终判值判零 终