定位磨齿专用工作台设计【含4张PDF图纸+CAD制图+文档】
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黄河科技学院毕业设计(文献综述) 第 7 页 定位磨齿专用工作台设计文献综述摘要 精密机械控制是现代机械的一个重要方向，它能使机械加工的精度提高一个层次。主要技术是用微机、单片机等现代高科技仪器来控制步进电机，再通过步进电机来实现精密的工作台控制。这个由微机或单片机、或者运动控制卡、步进电机、机械工作机构组成的十字工作台运动控制系统就是一个很简单的机电一体化的系统。本次设计的电气部分的控制是由PLC作为CPU，通过电气系通的回路控制步进电机转动，机械部分则采用步进电动机通过联轴器带动滚珠丝杠拖动工作台在直线滚动导轨副上运动，通过PLC控制的电气系统驱动步进电动机实现加、 减速、急停等操作，从而实现对工作台的控制。关键词：精密机械 ，步进电动机，PLC，工作台1 前言数控机床是用数控指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它广泛应用于机械制造和自动化领域，数控机床的应用不但给传统的制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控机床的不断发展和应用领域的扩大，所以X-Y数控工作台设计对国计民生的一些重要行业（IT 汽车 轻工 医疗等）的发展起着越来越重要的作用。目前国内中小企业多采用经济型X-Y数控机床系统，其加工速度慢、编程复杂、人机界面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。因此研制和开发一套基于双PLC的X-Y数控冲床数控系统，用于装配新机床或对经济型数控机床进行改造，能够有效的改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对提高企业生产效率、改善工人的工作环境有很大的实际意义。工作台是机床上必不可少的部件，它的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场需求，使之更有效的发挥经济效益和设计效益。2 数控工作台的发展现状 国际机床市场的消费主流是数控机床。1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控机床、数控铣床为主转数向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。世界X-Y数控工作台发展动向纳为下述几点：工序复合化、精密化、高速化、低价格化、高可靠性智能化柔性化、集成化、网络化。总而言之，目前，X-Y数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化以成为数控机床发展的趋势和方向。中国作为一个制作大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现X-Y数控机床产品从低端到高端、从初级产品到高精尖端产品制作的变。3 数控工作台的组成3.1伺服驱动系统 伺服系统是指以位置和速度作为控制对象的自动控制系统，作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，在很大程度上决定了数控机床的性能，研究和开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。伺服系统按照控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统、闭环系统和半闭环系统。其控制流程图分别如下三图：图1-1开环控制流程图图1-2闭环控制流程图图1-3半闭环控制流程图开环控制系统不具有位移检测和反馈装置，因此控制精度低，但结构简单，稳定性好，成本低适用于小型和经济性数控机床。闭环控制系统具有位移检测装置，可以补偿误差，控制精度高，但稳定性差，结构复杂，维护较难，多适用于大型精密数控机床。半闭环控制系统不同于闭环控制的测量工作台的实际位移量，而是检测电机的转角，抛开了一些如传动系统刚度和摩擦阻尼等非线性因素，系统调试比较简单，稳定性较好且采用高分辨率的元件，也可以得到比较满意的精度，因此，广泛应用于中小型数控机床上。3.2 数控机床常用伺服电机步进电机近30年来，数字技术、计算机技术和永磁技术的迅速发展推动了步进电动机的迅猛发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的空间。步进电动机是一种数字控制电动机，可以直接使用数字信号驱动，不需要数模转换，在数控机床行业得到了广泛的应用。3.2.1 步进电动机的分类步进电动机主要包括三类：反应式步进电动机、永磁式步进电动机和混和式步进电动机。1）反应式步进电动机，简称VR。它的转子是由软磁材料制成的，转子中没有电阻，结构简单，成本低，步距角可以做的很小，并且可以传递大扭矩，但动态性能差。 2）永磁式步进电动机，简称PM。它的转子是由永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源，转子的级数与定子的级数相同，步距角一般较大。输出转矩大，动态性能好，需供给正负脉冲信号。3）混合式步进电动机，简称HB。它综合了反应式和永磁式两者的优点，输出转矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。3.2.2 步进电动机的振荡和失步影响步进电动机正常运行的主要是振荡和失步。振荡主要发生于低频区、共振区、步进电动机突然停车时。在低频区，步进电动机单步运行，到达平衡点时，转子由于惯性不能停在平衡点而反相，造成振荡。在共振区，步进电动机的脉冲频率接近步进电动机的振荡频率或分频和倍频时，由共振原理知震荡加剧。失步主要有两种原因：转子的转速慢于旋转磁场的速度和转子的平均速度大于旋转磁场的速度。3.2.3 消除振荡消除振荡主要通过增加阻尼的方法来实现：1）多相励磁法。多相励磁会产生电磁阻尼，削弱振荡。如三相步进电动机的六拍方式。2）变频变压法。主要是采用高低频使绕组在低频时电流减小。3）细分步法。 是将步进电动机绕组中的稳定电流分成若干等级，每进一步，电流升一级，同时，相对的提高步进频率，使步进过程平稳。4）反相阻尼法。顾名思义，即在步进电动机转子要过平衡点之前，加一个反向作用力去平横惯性力，使转子到达平衡点时速度为零，实现准确制动。3.3 数控工作台的滚珠丝杠滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。3.3.1滚珠丝杠的特点 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 1) 与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。 2)高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3)微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4)无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 5)高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。3.3.2滚珠丝杠副特性 1）传动效率高 滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%98%，为传统的滑动丝杠系统的24倍运动平稳 滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。 2）高精度 滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。 3）高耐用性 钢球滚动接触处均经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。 4)同步性好 由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。 5)高可靠性 与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。 6)无背隙与高刚性 滚珠丝杠传动系统采用歌德式（Gothic arch）沟槽形状、使钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力，消除轴向间隙，可使滚珠有更佳的刚性，减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。进给用滚珠丝杠装配图4 总结 定位磨齿专用工作台也是数控工作台，采用电气回路控制伺服步进电机，带动滚珠丝杠转动，使工作台实现快速移动、缓慢进给、紧急停止等工艺动作。通过查阅资料我确定了本次设计的基本思路，对于数控工作台有了更加深入的了解，对于今后的毕业设计也有了大概的方向，从而使以后的工作更顺利。参考资料1 傅晓琳.机电一体化系统设计课程设计指导书.重庆: 重庆交通大学,2009，1130.2 范超毅，赵天婵，吴斌方，等.数控技术课程设计.武汉: 华中科技大学出版社,2007，10190.3 田振亚，高东强，郭文举，等.二维数控工作台设计.机械设计与制造，2009，（2）：179180.4 王晓明.电动机的单片机控制.北京：北京航空航天大学出版社，2002，181214.5 尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书.北京: 机械工业出版社,2007，58192.6 梁景凯，盖玉先 .机电一体化技术与系统.北京：机械工业出版社，2006，8321.7 高中敏，王永梁 .机电控制工程.北京：清华大学出版社，20028 邓星钟，周祖德.机电传动系统.武汉：华中科技大学出版社，20059 廖常初 .S7-200PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，2007.810 蔡厚道，杨家兴.数控机床构造.北京：北京理工大学出版社2010.711 Kazuo Yamazkaki, Yadong Liu, Xingui Guo.STUDY ON SYSTEMATIC CNC CORE DESIGN METHOD FOLLOWING MODEL-DRIVEN
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