数控十字工作台机电系统设计

最新精品Word欢迎下载可修改目录TOC\o"1-3"\u摘要 I第一章 前言 21.1 数控技术与数控机床概述 21.2 数控十字工作台概述及应用 2第二章 总体方案的确定 32.1 总体方案的确定 3 机械系统传动部件的选择 3 电气控制系统的设计 4第三章 机械部分各部件的设计 53.1 滚珠丝杠副的选择 53.2 支承方式的选择 63.3 导轨副的选择 73.4 步进电机的选择 83.5 联轴器的设计 93.6 滚珠丝杠副的预紧 103.7 进给传动系统的误差分析 113.8 机械机构部分总体装配图 11第四章 控制系统部分的设计 134.1 控制系统硬件的基本组成 134.2 控制卡的选择 134.3 驱动器的选择 16 驱动器的功能及使用 17 驱动器的输入输出信号 184.4 电气接线图 19第五章 零件加工程序 21第六章 总结 23参考文献 23致谢 24数控十字工作台机电系统设计摘要数控十字工作台是一种加工用途广泛的机床工作台，本次设计的数控十字工作台，主要用于经济型数控铣床，其精度要求不高，工作量要求不大。该设计包括机械系统部分的设计和电气控制部分的设计。其中机械传动部分的设计又包括机械本体、动力与驱动部分、执行机构的设计，主要涉及导轨副的选择、滚珠丝杠的设计以及步进电动机的选型。而电气控制部分的设计包括控制系统的硬件和软件两部分的设计，硬件部分主要有环分电路、功率驱动电路和电流控制电路的设计，以及控制卡的选用，软件部分主要是控制卡控制程序的编写。这是一个典型的机电一体化系统的设计。关键词：精度、工作台、滚珠丝杠、步进电机、控制系统。前言数控技术与数控机床概述随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感与检测技术、制造技术等多学科领域的发展，数控技术已经成为现代制造系统中不可或缺的基础技术，数控技术和数控机床的应用在制造业中日益普及，已成为机电一体化高新制造技术的基础和重要组成部分。数控机床是指应用数控技术对加工过程进行控制的机床，它具有加工柔性好、加工精度高、生产率高、自动化程度高、劳动力要求低等多种优点，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件。一个国家工业化发展的程度，很大程度在于数控机床的应用上。数控十字工作台概述及应用数控十字工作台是数控机床上的一个重要组成部分，它的发展与机床一样有着重要的意义，它是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的横向和纵向机构，数控钻铣床的XY工作台，激光加工设备的工作台等等，随着数控十字工作台的多样化、自动化已经灵活化等，它能加工出许多复杂多样的零件，能够满足更高的精度要求，对数控十字工作台的研究能够进一步增强我们对机床的认识，巩固所学专业知识，为机床的研究打下坚实的基础，数控十字工作台是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，数控十字工作台的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是不可缺少的一部分，因此，对数控十字工作台机电一体化系统进行研究，能够推动现代制造技术的进步，本次设计就数控十字工作台的机电一体系统进行设计与分析，为以后在实践中可能遇到的相关问题打下坚实的基础。总体方案的确定总体方案的确定根据课程设计的要求，参考数控十字工作台的有关资料，确定总体方案如下图2.2-1所示：其原理为通过控制器对数据进行运算处理，将数据发送给驱动器，经过功率放大后驱动电机，电机通过联轴器与丝杠相连，从而驱动工作台的运动。控制器驱动器控制器驱动器X向工作台联轴器步进电机功率放大器X向工作台联轴器步进电机功率放大器 联轴器步进电机功率放大器驱联轴器步进电机功率放大器驱动器Y向工作台 Y向工作台图2.2-1：系统总体原理图机械系统传动部件的选择丝杠螺母副的选择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，需要满足相应的脉冲当量，因为定位精度要求相对较高，而丝杠螺母副主要有滑动丝杠螺母机构和滚珠丝杠螺母机构两种，相比之下，滑动丝杠螺母机构传动效率低，仅仅为30%-40%，而滚动丝杠螺母机构具有传动效率高，约92%—98%，灵敏度高，无颤动、无爬行，同步性好，定位精度高，使用寿命长等优点。虽然相对于滑动丝杠价位偏高，制造复杂，但是性价比较高，也更加符合设计所需满足条件，因此选用滚珠丝杠螺母机构。同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。由于定位精度较高，而且选用单螺母滚珠丝杠副，故选择变滚道预紧调整式，这种调隙方式结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整方便。由于工作台最快的移动速度不是太大，故所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即两端固定的轴承配置形式。导轨副的选用本次设计的十字工作台所配合的是数控钻铣床，脉冲当量较小，要求定位精度较高而负载较小，考虑滚动导轨点接触或者是线接触，所以其抗震性叫差，接触应力大，对导轨的表面硬度和表面形状精度及尺寸精度要求高。而且其结构复杂，制造困难，成本较高，所以考虑还是选用滑动导轨，滑动导轨制造简单，性价比好，承受负载能力强。且使用矩形导轨，因其有制造、检验和维修方便，刚度高等特点。联轴器的选用考虑到丝杠的转速不高，可以选用刚性凸缘联轴器，它结构简单，容易制造，而且能保证严格对中。步进电机的选用选用步进电动机，可选开环控制，也可选闭环控制。该设计的精度对于步进电动机来说不是太高，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，决定采用开环控制，该设计的脉冲当量和定位精度要求不高，空载最快移动速度也不高,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。电气控制系统的设计设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，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。对于步进电动机的开环控制系统，选用ADT-860控制卡作为控制系统的CPU，能够满足该设计给定的相关指标。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，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。机械部分各部件的设计滚珠丝杠副的选择根据工作台的具体情况，结合总体方案的，选用的滚珠丝杠副为内循环滚珠丝杠螺母副，其结构图如下图3.1-1所示：图3.1-1：滚珠丝杠螺母副结构由上图知，滚珠丝杠螺母副的组成主要由反相器、螺母、丝杠、滚珠组成，此设计中选择FFZD3205-5型内循环浮动式螺纹预紧滚珠丝杠副滚珠丝杠副，其公称直径为，导程为Ph=5mm，循环滚珠为5圈，精度等级取5级，额定动载荷18.1kN，额定静载荷为31.4kN，其各尺寸和性能参数如下图3.1-2和表3.1-1所示：图3.1-2：FFZD3205-5滚珠丝杠螺母副安装及外形尺寸表3.1-1：FFZL3205-3型滚珠丝杠螺母副几何参数（单位mm）公称直径基本导程Ph丝杠外径丝杠底径循环圈数钢球直径额定动载荷Co/KN额定静载荷Coa/KN32531.528.953.518.152.4螺母安装尺寸L1BhD3D4D5D6D7108137826771262支承方式的选择根据丝杆尺寸和有关数据，经过查阅轴承选取的相关资料，并结合本设计具体情况选择“单推－单推”的支承方式。选用的轴承为角接触球轴承，通过查相关手册，轴承选择如下表3.2-1所示：表3.2-1所示：所选轴承型号表2-13轴承参数轴承名称轴承型号结构尺寸标记额定载荷数量角接触球轴承7204Cd=20mm,B=14mm,D=47mm滚动轴承7204CGB/T276—9414.5KN4其中图3.2-1和表3.2-2分别是轴承的尺寸结构图和参数表：图3.2-1：角接触球轴承尺寸结构表3.2-2：7204角接触球轴承参数导轨副的选择本次设计的十字工作台所配合的是数控钻铣床，脉冲当量较小，要求定位精度较高而负载较小，考虑滚动导轨点接触或者是线接触，所以其抗震性较差，接触应力大，对导轨的表面硬度和表面形状精度及尺寸精度要求高。而且其结构复杂，制造困难，成本较高，所以考虑选用滑动导轨，滑动导轨制造简单，性价比好，承受负载能力强。且使用矩形导轨，因其有制造、检验和维修方便，刚度高等特点。本导轨选用的截面形状选择矩形导轨，因为矩形导轨容易加工制造，刚度和承载能力大，便于安装调整。其组合形式选用双矩形导轨四滑块支承形式，该导轨具有一个缺点是磨损后不能自动补偿间隙，因此需要间隙调整装置。步进电机的选择该设计的脉冲当量和定位精度要求不高，空载最快移动速度也不高,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。本次设计折算到电机轴上的负载转矩的有关计算如下：1.计算切削负载力矩，其计算公式如下：上式中为丝杠导程=0.005m，为进给系统的总效率，当丝杠与电机直连时取=0.90，=1967.77N。计算得：N﹒m计算摩擦负载力矩，其计算公式如下：上式中为空载时导轨摩擦力，=36N，其它数据与上面相同。则计算得：N﹒m计算由滚珠丝杠副的预紧而产生的附加负载力矩，其计算公式如下：上式中为滚珠丝杠副的预紧力,为最大工作载荷的1/3，所以=656N；为丝杠基本导程=0.005m；为滚珠丝杠副效率=0.98，则计算得：N﹒m各坐标轴折算到电机轴上的负载力矩的计算空载时：N﹒m切削时：N﹒m根据上面的计算结果，本次设计中工作台的进给传动系统选用选用的电机为北京和利时机电技术有限公司90BYG550C-SAKRML-0301混合式步进电机，其步距角为0.72。空载启动频率为2200步/s，最大静转矩为8N.m。具体参数如表3.4a所示：表3.4-1：:90BYG550C-SAKRML-0301混合式步进电机参数型号步矩角相数驱动电压相电流额定转矩空载运行频率转动惯量90BYG550C-SAKRML-03010.72°580V3A6N.m2200该电动机的额定力矩为8Nm，足以满足该设计的驱动要求。如图3.4a为90BYG550C混合式步进电机的结构尺寸，表3.4b为90BYG550C-SAKRML-0301混合式步进电机结构尺寸参数表图3.4-1：90BYG550C-SAKRML-0301混合式步进电机结构尺寸表3.4-2：90BYG550C-SAKRML-0301混合式步进电机结构尺寸参数表L1L2L3L4L5电机轴直径9.54137261512联轴器的设计刚性联轴器常被用于丝杆与电机联接，以提高两轴头连接的固定精度，其结构比较简单，制造容易，免维护，其特点有：可用于小型，瞬间惯量小的高速转动的场合；安装后无无反作用力，而且维护简单；提滚珠丝杆的强度时，跳动不会受到影响；依靠锁紧螺栓旋加的磨擦紧固，无需键；在高速转动时可保持平衡。应用范围为CNC车床、M/C磨床、加工中心，各类专用机械，轴轴联接，轴与电机的联接装置。所以本设计中选用GY系列的GY1凸缘联轴器，其主要结构尺寸和参数如图3.5-1和表3.5-1所示。图3.5-1：凸缘联轴器表3.5-1：GY系列凸缘联轴器参数表滚珠丝杠副的预紧滚珠丝杠副在工作台上的支承方式有两种。一种是单支承形式；另一种是两端支承形式，本设计选用两端支承形式中的“双支点各单向固定”的支承方式。该形式夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧，提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小机器工作时轴承的振动。预紧量由厂家提供。进给传动系统的误差分析在开环控制的系统中，由于在执行部件上没有安装检测装置和反馈装置，为了保证工作的精度的要求，必须使其进给传动系统在任何时刻任何情况下都能够严格跟随驱动电机的运动而运动，然而实际上，在进给系统的输入与输出之间总会有误差存在，在这些误差中，有传动系统的制造和安装所造成的误差，还有进给系统的动力参数所引起的误差，在进行进给系统的设计时，必须将这些误差控制在允许的范围内，通常这些误差有进给传动系统的死区误差，由进给传动系统的综合拉压刚度变化引起的定位误差。机械机构部分总体装配图图3.7-1：机械部分结构图（主视图）图3.7-2：机械部分结构简图（左视图）图3.5-3：机械部分结构简图（俯视图）控制系统部分的设计控制系统硬件的基本组成电气控制部分的总体方案如图4.1-1所示，通过选择控制器，经控制器处理程序信号后，将信号传输给光电隔离电路进行光电隔离，但由于控制器输出的信号电流很小，因此需要将电流放大后才能驱动步进电机，如图4.1-1所示，因此此过程中还需要用到功率放大电路，但现在的多数这些电路都被整体集成了一个模块，因此不必单独设计该电路，只需选择启动器即可。我们选用的步进电机为90BYG550C-SAKRML-0301混合式步进电机,因此驱动器选择与之配套的无相混合式步进电机驱动器SH-50806，从控制器出来的信号经驱动器处理后，即可驱动电机。图4.1-1：控制系统基本组成框图控制卡的选择本设计中选用的控制卡为ADT-860控制卡，该控制卡需要与计算机的PCI插槽连接，ADT860卡是基于PC104总线的高性能四周伺服步进控制卡，位置可变环形，可在运动中随时改变速度，可使用连续插补等功能，该控制卡的脉冲输出方式可以是单脉冲，也可以是双脉冲方式，最大脉冲频率是4MHz，采用先进技术使输出频率在很高的时候也能使频率误差小于百分之一，为四轴联动控制卡，其该控制卡的简图如下图4.2-1所示：图4.2-1：ADT-860控制卡简图其中J3为开关量输入的信号接线，J5为开关量输出的信号接线，J6为脉冲输出和编码输入信号的接线。以下是该控制卡主要特征：●32位PC-104总线

●脉冲输出方式：脉冲/方向，脉冲/脉冲

●最大脉冲输出频率为4MHz

●4轴步进/伺服电机控制，每轴可以独立控制，互不影响

●2-3轴直线插补，任意2轴硬件圆弧插补，多轴连续插补

●可用直线或S曲线进行加/减速

●非对称直线加/减速运动

●4轴均有位置(编码器)反馈输入，32位计数，频率高达4MHz，最大计数范围-2147483648~+2147493647●PC104总线，即插即用●4轴步进/伺服电机控制，32路光耦隔离输入●任意两轴、三轴直线插补、任意两轴圆弧插补,连续插补●运动中变速，四轴连动●非对称直线加减速运动●32路集电极开路输出●直线/S形曲线加减速

●带光电隔离32路数字输入/32路数字输出信号，包括每轴2个正负限位信号

●运动中可实时改变速度及目标位置

●运动中可实时读取逻辑位置、实际位置、驱动速度、加速度、驱动状态

●每轴有3个STOP信号，可用于原点搜寻、编码器Z相搜寻●可接受伺服驱动器的各种信号，如编码器Z相信号、到位信号、报警信号等

●同一系统中支持多达16个控制卡，共64个轴

●支持DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP、WINCE等操作系统

●支持C/BC++/VC/VB/C++Builder/Delphi/Labview/EVC等开发工具编程如图4.2-2为ADT-860控制卡的输入输出信号接线口。其中本设计的电气硬件接线图主要用到J6接口，因此如表4.2-1所示为J6信号线接口的相关功能说明。1：开关量输入的信号接线2：脉冲输出和编码输入信号的接线图4.2-2：J1，J6接线图表4.2-1：ADT-860接口功能说明驱动器的选择由于本次设计所选用的是五相十拍90BYG550C-SAKRML-0301混合式步进电机，因此步进电机驱动器同样选用该公司生产的与其相配套的SH-50806B型步进电机驱动器，其特点有：数字化升频升压结合恒流控制技术；运行平稳、低噪音、低振动；最大输出驱动电流6.0A/相；输入信号TTL兼容；输入输出信号光电隔离；过压保护及过流保护功能；脱机保持功能；拨码选择适配多种型号电机；单/双脉冲方式可选；整/半步运行模式可选；提供零位信号输出；提供故障信号输出；断电记忆功能；自动半电流可选。其主要性能指标如表4.3-1所示：表4.3-1：SH-50806B性能指标驱动器的功能及使用该驱动器的功能及使用说明如下步距角选择：通过驱动器侧板第6位拨码开关可进行整/半步的设置，实现电机半步及整步运行模式的切换。单/双脉冲选择：通过驱动器侧板第7位拨码开关可实现单脉冲或双脉冲控制模式的切换。选择单脉冲控制方式时，脉冲信号端输入的脉冲信号控制电机运行，方向信号端输入的电平信号的高低控制电机转向；选择双脉冲控制方式时，脉冲信号端输入正转脉冲信号，方向信号端输入反转脉冲信号。自动半电流：通过驱动器侧板第5位拨码开关可选择是否开放自动半电流，置于“OFF”时为半电流有效，此时驱动器工作若连续1秒没有接收到新的脉冲则驱动器自动进入半电流状态，相电流降低为标准值的50％，达到降低功耗的目的，在收到新的脉冲时驱动器自动退出半电流状态。电机选择：通过驱动器侧板第2，3，4位拨码开关可选择适配不同型号的电机。由于本驱动器采用升频升压加恒流控制方式，输出相电流值与配套电机的额定相电流、绕组电阻及电感值有关。若用户配套其他厂家生产的电机时，请及时与厂家联系进行驱动器输出电流的整定。试机功能：驱动器内置脉冲发生器，可通过驱动器侧板第8位拨码开关进行选择。置于“ON”时，驱动器在无外部脉冲输入的情况下，由驱动器内部脉冲发生器产生恒定频率的脉冲，实现电机低速恒速试运转，用来检验系统接线和运行状况。断电记忆：驱动器断电后，可自动记忆断电前的最后一个相序状态。二次上电后，电机会从断电前的位置继续运行，而不会出现异常抖动。过流保护：当驱动器输出出现过流时，驱动器将自动切断输出电流，系统停止工作，同时故障指示灯亮。过压保护：当驱动器输入电压超过额定值30%时，过压保护电路动作，驱动器停止工作，同时故障指示灯亮。驱动器重新上电后可恢复工作。驱动器的输入输出信号该驱动器的信号输入输出可由图4.3-1表示，包括以下几个方面；脉冲信号输入：单脉冲控制方式时为脉冲信号输入端，双脉冲控制方式时为正转脉冲信号输入端。输入信号脉冲为沿有效方式，如：在下面的典型接线图中，控制机输出信号下降沿有效。对于驱动器的正确运行来说，有效电平信号占空比应在50%以下，为了确保脉冲信号的可靠响应，脉冲低电平的持续时间不应少于10μs。方向信号输入：单脉冲模式下该端的内部光耦的通、断被解释为电机运行的两个方向，方向信号的改变将使电机运行的方向发生变化，该端的悬空被等效认为输入高电平。要注意一点是，应确保方向信号领先脉冲信号输入至少10μs建立，从而避免驱动器对脉冲信号的错误响应。当不需换向时，方向信号端可悬空。双脉冲模式下本端口接收反转脉冲，接口逻辑要求与脉冲输入端口一致。输入信号脉冲为沿有效方式。脱机信号输入：内部光耦导通时，电机相电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态）而失去锁定力矩。该功能可显著减少驱动器和电机的损耗。当该端口内部光耦截止时，电机转子处于上电锁定状态。不需要此功能时，脱机信号端可以悬空。零位信号输出：整步运行方式时驱动器每十拍输出一个脉冲给控制机，半步运行方式时驱动器每二十拍输出一个脉冲给控制机，同时零位指示灯亮一次。无需此信号输出时，该端图4.3-1：驱动器信号图可悬空。故障信号输出：当驱动器出现过压或过流时，驱动器切断电机电流，此接口电路闭合，向控制机输出信号，提示控制机驱动器出现故障。电气接线图ADT—860控制卡的其中一端与计算机PCI扩展插槽连接，另一端则由数据线与主电路部分相连，控制卡与计算机相连接后，在计算机上安装相应的驱动软件，而后编辑的程序便可经过控制卡的处理而发出相应的控制信息，控制卡处理相应的程序后，将其转换成脉冲信号，输送给控制电路，控制电路经过功率放大后和转换后送给步进电机各相绕组，从而驱动工作台运动。其总体接线图可由下面图4.4a接线简图来表达；图4.4-1：电气硬件接线简图对图4.4-1中的ADT-860部分的J6接口和驱动器部分的接线进行放大，放大后的图如下图4.4-2和4.4-3所示，其中图4.4-2中的编号与图4.2-2中的J6接口图相对应，图4.4-3中的功能与图4.3-1中的驱动器信号相对应。图4.4-2：J6接线放大图4.4-3：驱动器部分接线放大零件加工程序如图5.1-1所示，毛坯为70㎜×70㎜×18㎜板材，六面已粗加工过，要求数控铣出槽，工件材料为45钢图5.1-1：加工图样根据图样要求、毛坯及前道工序加工情况，确定工艺方案及加工路线，以已加工过的底面为定位基准，加工步骤为先让铣刀先走两个圆轨迹，再用左刀具半径补偿加工50㎜×50㎜四角倒圆的正方形。每次切深为2㎜，分二次加工完。程序如下：O0014N0010G00Z2S800T1M03

N0020X15Y0M08

N0030G20N01P1.-2；调一次子程序，槽深为2㎜

N0040G20N01P1.-4；再调一次子程序，槽深为4㎜

N0050G01Z2M09

N0060G00X0Y0Z150

N0070M02；主程序结束

N0010G22N01；子程序开始

N0020G01ZP1F80

N0030G03X15Y0I-15J0

N0040G01X20

N0050G03X20YOI-20J0

N0060G41G01X25Y15；左刀补铣四角倒圆的正方形

N0070G03X15Y25I-10J0

N0080G01X-15

N0090G03X-25Y15I0J-10

N0100G01Y-15

N0110G03X-15Y-25I10J0

N0120G01X15

N0130G03X25Y-15I0J10

N0140G01Y0

N0150G40G01X1