毕业设计（论文）-X-Y数控机运动控制系统设计.doc

天津职业技术师范大学X-Y数控机运动控制系统设计专 业：机械维修及检测技术教育 班级学号：机检学生姓名： 指导教师： 目录一、总体方案设计11.1 设计任务11.2 总体方案确定11.2.1系统的运动方式与伺服系统11.2.2 导轨副的选择 21.2.3 丝杠螺母副的选择 21.2.4减速装置的选择 21.2.5电气控制原理图3二、机械系统设计32.1、工作台外形尺寸及重量估算32.2、滚动导轨的参数确定42.3、滚珠丝杠的设计计算52.3.1 最大动负载Q的计算52.3.2滚珠丝杠螺母副几何参数计算72.3.3传动效率计算82.3.4刚度验算82.3.5稳定性验算92.4步进电机的选用92.4.1步进电机的步距角92.4.2步进电机启动力矩的计算92.4.3步进电机的转速n102.5确定齿轮传动比112.6、确定齿轮模数及有关尺寸122.7步进电机惯性负载的计算12三 驱动器和控制器的选择13四 参考资料19一、总体方案设计1.1 设计任务设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H445mm×460mm×32mm；底座外形尺寸C1×B1×H1610mm×620mm×540mm；最大长度L=688mm；工作台加工范围X=95mm，Y=80mm；工作台最大快移速度为6m/min。设计要求：根据数控机床课程设计的示例要求，根据每个组的设计参数，计算出相应运动部分的质量及惯量，根据计算结果选择电机及驱动器型号，并选择相应数控系统（可选用其他课程中学过的数控系统），画出电气控制原理框图、设计驱动控制强、弱控制电路，撰写不低于3000字左右设计论文，并附录相关资料及设计图纸1.2 总体方案确定1.2.1系统的运动方式与伺服系统 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单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。 伺服进给系统的选择数控机床的进给系统有开环、半闭环、闭环之分。 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。但他的结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价高。本设计的精度要求不是很高，采用闭环控制系统的必要性不大。由于任务书所给精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，并在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。XY工作台系统总体框图如下图所示1.2.2 导轨副的选择  要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 1.2.3 丝杠螺母副的选择  伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和±0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。 1.2.4减速装置的选择 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消除间隙机构。为此，系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 驱动器与控制器的选择 选择了混合式步进电机以后，就要选择与之想匹配的驱动器，控制器基本上是一样的，选一个能够满足使用，又价格便宜的。 图1-1 系统总体框图1.2.5电气控制原理图二、机械系统设计2.1、工作台外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：长宽高 重量：按重量=体积×材料比重估算Y向拖板（下拖板）尺寸： 重量：约799N。上导轨座（连电机）重量：夹具及工件重量：约150N 。X-Y工作台运动部分的总重量：799+799+202+150=1950N2.2、滚动导轨的参数确定本设计中的X-Y工作台是水平布置，采用双导轨，四滑块的支撑形式。、导轨型式：矩形截面滚珠导轨、导轨长度上导轨（X向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 下导轨（Y向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 选择导轨的型号：GGB16、直线滚动轴承的选型上导轨下导轨由于本系统负载相对不大，有下图得出LM30LUU型直线滚动轴承的额定动载荷为2490N，大于实际动负载。并采用双排两列6个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。产品是上海晶铂传动机械有限公司生产的。、滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。 2.3、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。2.3.1 最大动负载Q的计算查表得系数，寿命值查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠导程，得丝杠转速所以 X向丝杠牵引力 Y向丝杠牵引力所以最大动负荷X向 Y向 查表，取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副的型号为 SFI01605-4，其额定动载1380N，足够用。有盛凯传动有限公司生产。2.3.2滚珠丝杠螺母副几何参数计算表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数名 称符 号计算公式和结果螺纹滚道公称直径16螺距5接触角钢球直径3螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角 螺杆螺杆外径螺杆内径=+2e-2R=16螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）2.3.3传动效率计算式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。2.3.4刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算 所以 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。所以导程总误差查表知E级精度的丝杠允许误差，故刚度足够。2.3.5稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。2.4步进电机的选用2.4.1步进电机的步距角 取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。2.4.2步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取 ，则，且，所以式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； 导轨摩擦系数；步进电机步距角，（rad）；T电机轴负载力矩（）本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），为丝杠牵引力，。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取，所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3，则 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 2.4.3步进电机的转速n下面是常州盈洋电子生产的电机技术规格，有上面可选用两个86BYG350A型步进电机。86BYG三相混合式步进电机选型如表2-2 步进电机参数表2-2 步进电机参数2.5确定齿轮传动比因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比选 。2.6、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数。表2-3 齿轮尺寸 1728 17 1914.55 28 3025.5522.52.7步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，得式中： 折算到电机轴上的惯性负载（）； 步进电机转轴的转动惯量（）；齿轮1 的转动惯量（）；齿轮2的转动惯量（）；滚珠丝杠的转动惯量（）；M移动部件质量（）。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算式中：D圆柱零件直径（cm）；L零件长度（cm）。所以电机轴转动惯量很小，可以忽略，则系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足式而在本设计中：因为,所以惯性匹配比较符合要求。三 驱动器和控制器的选择常州盈洋电子：一.3H090MS三相混合式步进电机细分驱动器驱动器特点 AC40V-60V交流供电, 能适应恶劣的电网环境. 交流伺服原理, 双极性恒流细分驱动. 最大输出驱动电流5.2A/相, 16挡电流选择,适用于多型号步进电机. 最大细分10000步/转, 有16种细分模式可供选择. 过压, 过流, 短路, 温度保护 所有输入信号都经过光电隔离。 可适应共阳, 共阴, 单/双脉冲多种模式. 脱机保持功能 提供节能的自动半流锁定功能. 拨码开关直接设定细分数和电流.二. 性能指标供电电源单相交流40V-60V,容量300W输出电流有效值5.2A/相,输出电流由拨码开关设定(参考标牌值)驱动方式三相PWM正弦波驱动,半流锁定励磁方式400步/转,500步/转,600步/转,800步/转,1000步/转,1200步/转,1600步/转 2000步/转,2400步/转,3000步/转,4000步/转,5000步/转,6000步/转       6400步/转,8000步/转,10000步/转绝缘电阻在常温常压下>500兆欧姆配套电机57BYG, 85BYG, 86BYG, 90BYG混合式三相三线步进电机指示灯：Power      电源指示灯（绿灯） No ready   未准备好指示灯（红灯）拨位开关设定：1-4位     设定电机每转步数（细分数）5位     设定步进脉冲信号方式，0-单脉冲，1-双脉冲6位     设定是否允许半电流，0-不允许，1-允许7-10位   设定输出电流值电机接口：U V W   连接三相混合式步进电机电源接口：AC40V-60V   交流电源供电不小于300W，5060Hz请勿直接接入电网，应使用隔离变压器供电三.信号接口：CP+    步进脉冲信号正端CP-    步进脉冲信号负端DIR+   方向电平信号正端DIR-   方向电平信号负端EN+    使能电平信号正端EN-    使能电平信号负端CW+    正向步进脉冲信号正端CW-    正向步进脉冲信号负端CCW+   反向步进脉冲信号正端CCW-   反向步进脉冲信号负端四.细分数及相电流设定：      本驱动器是用驱动器上的拔盘开关来设定细分数及相电流的，根据面板的标注设定即可；请您在控制器频率允许的情况下，尽量选用高细分数这样电机运行更加平稳；具体设置方法请参考下表：(ON=0,OFF=1)步数设定1 2 3 4位每转步数步距角0 0 0 040009°0 0 0 1500072°0 0 1 060006°0 0 1 1800045°0 1 0 01000036°0 1 0 1120003°0 1 1 016000225°0 1 1 12000018°1 0 0 02400015°1 0 0 13000012°1 0 1 04000009°1 0 1 150000072°1 1 0 06000006°1 1 0 16400005625°1 1 1 080000045°1 1 1 1100000036°电流设定 （设定在OFF位置有效）7位2.8A8位1.4A9位0.7A10位0.3A所有拨盘7-10位都在OFF位置时电流为最大电流5.2A五.控制信号输入连接图  为了使控制系统和驱动器能够正常通信，避免相互干扰，我们在驱动器内部采用光耦器件对输入信号进行隔离，三路信号的内部接口电路相同，常用的方式为(1）共阳方式：把CP+、DIR+和EN+接在一起作为共阳端接外部系统的+5V，脉冲信号接入CP-端，方向信号接入DIR-端，使能信号接入EN-端；(2）共阴方式：把CP-、DIR-和EN-接在一起作为共阴端接外部系统的GND，脉冲信号接入CP+端，方向信号接入DIR+端，使能信号接入EN+端；(3）差动方式：直接连接。如果输入电压信号的幅值超出+5V就必须在外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流，参见下图和下表。 步进脉冲信号CP     步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说：驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角(细分时为一个细分步距角)，CP脉冲的频率改变则同时使步进电机的转速改变，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。这样就可以很方便的达到步进电机调速和定位的目的。本驱动器的CP信号为低电平有效，要求CP信号的驱动电流为8-15mA，对CP的脉冲宽度也有一定的要求，一般不小于2S（参见下图）。 方向电平信号DIR 方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机一个转向；此端为低电平时，电机为另一个转向。此种换向方式，我们称之为单脉冲方式。另外，还有一种双脉冲换向方式：驱动器接受两路脉冲信号（标注为CW和CCW）当其中一路（如CW）有脉冲信号时，电机正转运行，当另一路（如CCW）有脉冲信号时，电机反转运行。由拨位开关第5位决定使用何种状态。电机换向必须在电机停止后再进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出（参见下图）。 脱机电平信号EN   当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态（未施加CP脉冲时）或运行状态（施加CP脉冲时），但用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，怎么办呢？这时可以用到此信号。当此信号起作用时（低电平有效），电机处于自由无力矩状态；当此信号为高电平或悬空不接时，取消脱机状态。此信号用户可选用，如果不需要此功能，此端不接即可。六.指示灯说明驱动器有两个指示灯：电源POWER指示灯（绿色）和未准备好No Ready指示灯（红色），驱动器加电后电源指示灯亮；如果驱动器发生保护动作，则未准备好指示灯亮（驱动器内部设有过流、过温等保护电路）。 七.外形尺寸：请参照下图常州盈洋电子：SWT30控制器介绍：控制轴数：单轴；指令特点：任意可编程（可实现各种复杂运行：定位控制和非定位控制）；最高输出频率：40 KHz（特别适合控制细分驱动器）；输出频率分辨率：1Hz；编程条数：最大99条；输入点： 6 个（光电隔离）；输出点： 3 个（光电隔离）；一次连续位移范围：-7999999 +7999999；工作状态：自动运行状态、手动运行状态、程序编辑状态、参数设定状态；升降速曲线：2条（最优化）；显示功能位数：8位数码管显示，手动自动状态显示、运行停止状态显示、步数计数值/程序显示、编辑程序，参数显示、输入输出状态显示、CP脉冲和方向显示； 自动运行功能：可编程，通过面板按键和加在端子的电平可控制自动运行的启动和停止等操作；手动运行功能：可调整位置（手动的点动速度和点动步数可设定）；参数设定功能：可设定起跳频率、升降速曲线、反向间隙、手动长度、手动速度、中断跳转行号和回零速度； 程序编辑功能：可任意插入、删除和修改程序。具有跳转行号、数据判零、语句条数超长和超短的判错功能； 回零点功能：可双向自动回到零点；编程指令： 共14条指令；外操作功能：通过参数设定和编程，在A操作和B操作端子上加开关可执行外部中断操作；电源： AC220V（电源误差不大于±15%）。四 参考资料1 孙宏昌.华中数控系统装调与实训.北京:机械工业出版社,2012.2 李建勇.机电一体化技术.科学出版社.20043 张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,20044 徐灏等.机械设计手册M.北京:机械工业出版社,20005 濮良贵 ,记名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,20036 吴振彪.机电综合设计指导M.湛江:湛江海洋大学,19996.杨入清.现代机械设计系统与结构M.上海:上海科学技术文献出版社,20007.张立勋,孟庆鑫,张今瑜.机电一体化系统设计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,200020