简易的数控XY工作台

一、设计目的通过设计一套简易的数控XY工作台，对加深对数控机床的认识有很大的帮助，同时也了解机电一体化的一些基本知识，并能够初步掌握机电一体化系统设计方法，对于今后的理论及工作起到打基础的作用，也能培养自己的创新意识和动手能力。2、 设计参数及要求1. 设计参数设计一套简易的数控XY工作台及其控制系统。该工作台用于钻床的加工。设计参数如下：台面尺寸18014020；底座外形尺寸：240260150；行程X=140；台面速度：X2.m/min；进给抗力X225N;工件物重：8kg；定位精度X;重复定位精度为0.01mm2. 设计要求1） 数控XY工作台机械部分的设计计算；2） 数控XY工作台机械部分装配图设计；3） 基于PLC的机电液控制系统设计图（附在说明书中）；4） 设计并调试PLC控制梯形图；5） 编写设计说明书。三、总体方案的确定（1）运动方式：由于是将原普通钻床的基础上设计一数控XY工作台，所以设计改造后的机床的运动方式是点位控制。（2）传动方式：要求采用步进电机控制XY工作台的位置，因此可以采用滚珠丝杠螺母副的传动方式，用联轴器连接步进电机和滚珠丝杠实现传动。（3）电机的选择本次设计的为简易的经济型数控钻床，因此采用开环伺服系统控制，其结构简单，易于调整与维修，且能保证一定精度。（4） 丝杠、导轨、伺服电机的计算选型。（5） PLC的选型与编程。系统控制原理图:四、设计的具体内容计算及说明结果1. 确定工作台的尺寸及其重量 根据题目工作台尺寸为，工作台的材料采用45号钢，其密度为。（取）因此： 1.1工作台（X向托板） m= 180140207.8510kg =3.96kg 1.2、取Y向托板=X向托板 1.3、上导轨座重量 根据题目底座外形尺寸为240260150因此：m3=2402601507.8510kg=73.48kg G3=73.489.8=720.06N 所以根据上面所求，得XY工作台运动部分的总重量为：G=G1+G2+G3=38.77+38.77+720.06=797.6N根据要求所知，其最大加工工件为8kg，另外，还有丝杠、电机、联轴器等，大约3kg，因此：m4=3kg =797.6 +（8+3）9.8=905.4N2.滚动导轨的计算与选择 2.1导轨的基本要求 导向精度：指运动部件按给定方向作直线运动的准确程度。 精度保持性：指导轨在工作过程中保持原有几何精度的能力。 运动精度：包括低速运动平稳、无爬行、定位准确。 足够的刚度：在载荷的作用下，导轨的变形不应超过允许值。 结构工艺性好：导轨的结构应力求简单、便于制造、检验和调整，从而降低 成本。 具有良好的润滑和防护装置。 本次设计我们选用滚动导轨。 2.2滚动导轨副的结构介绍： 滚动导轨是在运动部件和支承部件之间放置滚动体(滚珠、滚柱、滚动轴承等)，使导轨运动时处于滚动摩擦状态。滚动体为滚珠。滚珠导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成，如图： 2.3导轨副的精度、摩擦系数及预紧： 由于滚动直线导轨副具有“误差均化效应”，在同一平面内使用二套或二套以上时，可选用较低的安装精度达到较高的运动精度。通常可以提高产品质量20%50%。各类机床和机械推荐采用的精度等级见下表： 滚动直线导轨副分四个精度等级，即2、3、4、5级，2级精度最高，依次递减。根据题目要求，导轨所选精度为3级精度。 直线滚动导轨的摩擦系数为0.003左右，本次导轨设计为双轨平行，四个滑块，3级精度，当在零间隙或微间隙预压，安装状态良好的条件下，实际摩擦系数约为0.03。 预紧的选择：采用过盈装配形成预加载荷 2.4 滚动体的尺寸和数量增大滚动体直径，可以减小摩擦系数和接触应力，不易 产生滑动。若采用滚柱，推荐其直径d68mm，滚柱的长径比bd1.52.0。 滚动体的数量取决于导轨的长度和刚度条件，每一条导轨上一般不少于1216个。若数量过多，会因制造误差引起载荷分布不均匀。 2.5导轨的选择 选择中国南京工艺装备制造有限公司()的GGB20AA四方向等载荷型滚动直线导轨副，导轨的具体资料结构参数如下： 该型号精度各等级检查项目及允许差见下表：2.6导轨的强度校核 根据计算出的工作台总重G总 的静安全系数fSL=C0/p,式中：C0为导轨的基本静额定载荷，工作载荷P=G总+Fx； fSL=1.03.0（一般运行状况），3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查找有关资料初选导轨： 假定系统受到中等冲击，以此取fSL=4.0 fSL=C0/p P=G总=905.4NC0= fSLP=4905.4=3621.6N所选导轨的额定动载荷C=13700N，C02.54 是安全的3.6刚度验算 按最不利的情况考虑，螺纹螺距因爱轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向是一致的，所以 式中 , ，S=P=4mm, =9.6mm,G=83.3.按最不利的情况，即取 临界载荷F=FM=315.54N所以：丝杠在工作长度上的弹性所引起的导程误差为： =0.15通常要求丝杠的导程误差应小于其定位精度的一半 ，=2.77m=5m显然满足刚度要求。3.7效率验算=0.973 要求大于90%，所以该丝杆满足要求。经上述计算验证，FF1204-3 型内循环浮动式变位导程预紧滚珠丝杠各项性能均符合设计要求，故可选它。4.步进电动机的计算、选型、校核 4.1确定系统脉冲当量及步距角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，由于题目要求的定位精度为0.013mm，因此选择脉冲当量为0.01mm。由于是联轴器传动，因此它的传动比为i=1，由丝杆的选型可知丝杆的导程为P=4mm。 步距角 4.2电动机轴上的转动惯量J总计算公式：J总=J1+J2J1为滚珠丝杆的转动惯量，对于圆柱体围绕其中心轴线旋转时，其惯量可由下述公式计算：计算公式：J=MD2810-6对于钢材有：J=0.77D4L10-12式中：J-惯量，kg.M2 M-单位体积质量，kg D-圆柱体直径，mm L-圆柱体长度，mm所以：J1=0.7712424010-12=0.3810-5kg.M2J2为工作台、工件等移动部件折算到电动机轴上的转动惯量，可由下述公式计算：计算公式：J= (V/2n) 2 M10-6= (P/2) 2 M10-6式中：M-工作台（包括工件）的质量，kg P-丝杆导程，mm V-工作台移动速度，mm/min n-丝杠转速，r/min所以：J2= (4/23.14)292.3910-6=3.7510-5kg.M2所以：J总=(0.38+3.75)10-5=4.1310-5kg.M2 4.3步进电机空载启动时，电机轴上的加速力矩计算公式：M=Jn/9.6T其中：J为电机轴上的转动惯量，等于J总 n电动机转速，r/min为500r/min T加减速时间，为0.1s所以：M=4.1350010-5/9.60.1=0.022N.M 4.4工作台移动部件折算到电机轴上的摩擦力矩计算公式：Mf=F0S/2i10-3=M总gs/2i式中：摩擦系数，为0.004 S为螺距，4mm 为总传动效率，取0.9 i为传动比，为1所以：Mf=92.399.80.0044/23.140.9110-3=0.0026N.M 4.5因丝杆副预紧力引起的电机轴上的附加摩擦转矩 计算公式：M0= FmaxS/2i(1-)10-3式中：Fmax为丝杆工作时的轴向阻力为总传动效率，取0.9 0-为滚球未加预紧力时的效率，取0.93所以：M0=3.674/23.140.91(1-0.932)10-3=0.0022N.M 综上：空载启动时电机轴上的最大静转矩M= M+Mf+ M0=0.022+0.0026+0.0022=0.0268N.M4.6负载转矩计算 Mt=（Pt.s）/（2i）10-2 式中Mt切削力折算至电机力矩（N.m）；Pt最大切削力（N） 所以：Mt=（2254）/（20.91）10-2=1.59 N.m4.7步进电机的选择已知 Mt=1.59 N.m， J总=4.1310-5kg.M2所选取的步进电机需满足：Mt/Mmax=0.5 J总/ Jm=4式中Mmax步进电机最大静转矩（Nm） Jm 步进电机转子的最大转动惯量（Kgm2）4.8步进电机的选择如下4.8.1初选步进电机选型根据上述计算分析，最后我们选定杭州日升电气设备有限公司生产的步距角为0.9o的型号为 86BYG250C的二相混合式步进电机。电机型号说明如下：其外形结构及尺寸参数如下图所示： 4.8.2步进电机参数验算（1）由电机定位转矩 Mmax=3.6 Nm Jm=1.910-4kg.m2由此可得：Mt/Mmax=1.59/3.60.5J总/ Jm=（4.1310-5）/（1.910-4） M（其中M = M+Mf+ M0=0.0268Nm为不带负载时的转矩） 故按此频率计算最大进给速度V V= 满足要求。 4.9步进电机驱动器的选型 根据所选的步进电机，选择步进电机驱动器如下：八 安装尺寸 G总 =905.4N fSL=4.0C0=3621.6NLh=2177.28km =1.2=1.0=1.0=252.16N = 302.59N=500 r/minL= 43200hCa =2.94KN= 150mm = 35mm = 25mm L= 235mm=1.238mm =9.6mmE=206GPa=150mmT1=0.17=2.77m=0.973 J=0.77D4L10-12J1=0.3810-5kg.M2J2= 3.7510-5kg.M2J总=4.1310-5kg.M2M=0.022N.MMf=0.0026N.MM0=0.0022N.MM=0.0268N.MMt=1.59 N.m5.联轴器及丝杆支撑座的选择 5.1联轴器的介绍联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲，减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。 5.2联轴器的选择 因为上述所选的电机的转动轴的直径为5mm，因此我所选的联轴器为：所选型号为MG-a170参数与外形尺寸如上图所示。 5.3丝杆支撑座的选择选择丝杆支承座时，考虑支承座孔径丝杆相配合。由于所选的滚珠丝杆公称直径为12mm，因此选择的轴承座如下所示：其外观图为： 其参数为：根据参数，选择的型号为EK-8装配参数：6.PLC的选型6.1控制系统的要求题目要求设计简易的数控工作台，即通过按钮开关产生的开关量可以实现工作台的自动运动，运动功能包括启动，停止，自动，手动，快进，慢进，快退，慢退，急停等，同时还要有限位开关来保护工作台不会运动到导轨的极限位置以外。此次设计不需要复杂的控制过程，所以可以选用小型PLC来实现，可以在保证功能的同时节约成本。控制系统的信号包括按钮的开关量和限位传感器的模拟量两种，输出信号为两路脉冲信号。6.2 PLC的规模估算为了完成预定的控制任务所需要的PLC的规模，主要取决于设备对输入输出点的需求量和控制过程的难度。估算PLC需要的各种类型的输入，输出点数，并据此估算用户的存储容量，是系统设计中的重要环节。（1） 输入点的估算及I/O端口分配输入元件输入条件接口号急停按钮SB1X0启动按钮SB2X1停止按钮SB3X2快进按钮SB4X3快退按钮SB5X4慢进按钮SB6X5慢退按钮SB7X6自动按钮SB8X7手动按钮SB9X10限位开关1ST1X11限位开关2ST2X12（2） 0输出点的估算输出端口输出条件方向控制Y0速度控制Y1（3） 选择控制器考虑到在实际安装、调试和应用中，还可能会发现一些估算中未预见到的因素，根据实际情况将增加一些输入输出信号。因此在选择PLC时应再增加15%20%的输入输出点数，根据这条经验本次选用的PLC最少点数应该是： 11+（1120%）=13.2（4） 存储容量的估算根据存储容量的一般粗略估计方法： （输入点数+输出点数）（1012）=指令句数再按上述数据估算后，通常再增加15%20%的备用量来作为PLC的内存容量所以本次选择的PLC最小容量：（11+2）10=130， 130（1+12%）=145.66.3PLC的选择考虑到设备所需要的功能，PLC输入、输出接口模块的形式还有设备的通用性和成本，本次设计初步选用的是三菱FX1N24MT-001型PLC控制器。所选PLC的各种参数见下表：FX1N系列是最多可控制128点的普及型微型PLC。首先，此型号可以扩展的点数范围为24128点，可以充分满足输入输出点数的要求，除了可以扩展输入输出，还具有模拟量控制和通讯，链接功能等的扩展性。同时内置DC24V传感器用的供给电源，可以满足两个限位开关的使用。具有辅助继电器：1536点，定时器：256点，计数器：235点，数据寄存器：8000点，可以充分满足编程的需要，所以FX1N24MT-001型PLC可以完全满足此次设计的要求。PLC使用的是AC100V240V的交流电源，输入具有光电隔离的功能，可以保证PLC使用时的用电安全，运算处理基本指令的时间为0.550.7s/指令，处理应用指令的时间为3.7数100s/指令，处理速度可以保证生产的效率和发生故障时的反应速度。为了程序测试时可以观察程序的运行状态，还选配了FX1N-5DM型的显示模块，同样是三菱公司生产的显示模块可以直接内置安装到PLC中,不会增加额外的空间，安装此显示模块后可以实现数据显示，数据设定，可以监视、设定计数器，定时器，数据寄存器的内容。这样就可以简化调试和修改程序的步骤。FX1N型号的PLC还具有同时输出2个1相100kHZ的脉冲功能，可以很轻松的实现对步进电机转速还有转向的控制。PLC端子排列FX1N型PLC还标准装载了5种定位专用指令，包括ABS，ZRN，PLSV，DRVI，DRVA。还有两种脉冲输出指令PLSY和PLSR，在本次设计中运用了PLSV可变速脉冲输出指令来控制手动时的快进，快退和慢进，慢退。利用DRVI指令来控制自动运动一定距离的目的。但是在自动时要进行距离变换成脉冲数的换算，然后在程序的DRVI指令中更改第