三坐标工作台控制系统设计

1yanchaoyang1总体方案的确定1.1引言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。1.2、设计任务主要是设计一个具有X、Y、Z三个坐标轴的工作台，能够沿着X、Y、Z轴运动，用于加工机床时不仅可以对空间任意平面加工,而且能对空间曲面加工；还能用于测量装置，可以对工件的三维坐标进行测量。设计包括其机械结构部分，控制系统部分的软、硬件系统，能够实现基本的运动功能和联动功能。1.3机械传动部件的选择1.3.1导轨副的选用要设计的工作台，需要承受20kN的载荷，载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此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，安装预紧方便等优点。1.3.2丝杠螺母副的选用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0.005mm冲当量和01.0mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求。1.3.3减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出2yanchaoyang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，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。1.3.4步进电动机的选用选定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此3000mm/min，故设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。1.3.5检测装置的选用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，决定采用半闭环控制，拟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力应与步进电动机的步距角相匹配。1.4控制系统的设计1）设计的三坐标工作台准备用在数控机床上，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，所以控制系统设计成连续控制型。2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MPC07运动控制卡作为控制系统的CPU，能够满足相关的指标。MPC07控制卡主要特征有：开放式结构、使用简便、功能丰富、可靠性高等3）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，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。3yanchaoyang2、机械传动部件的选择由于所设计的三坐标工作台是用于数控铣床上，所以根据参考资料设计主要参数如下：1.立铣刀最大直径的d=20mm；2.立铣刀齿数Z=43.最大铣削宽度ea=15mm;4.最大背吃刀量pa=10mm;5.加工材料为碳素钢。6.X、Y方向的脉冲当量xy=0.005mm/脉冲;7.X、Z方向的定位精度均为01.0mm;8.工作台面尺寸为350mm×350mm，加工范围为380mm×380mm;9.工作台空载进给最快移动速度：min/3000maxmaxmmVVyx;10.工作台进给最快移动速度:min/300maxmaxmmVVyx;11.每齿进给量F=0.1mm。12.铣刀转速n=300r/min。2.1工作台的受力分析与计算所设计的三坐标工作台是用于铣床上，零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由所参考资料查得立铣时的铣削力计算公式为：0.850.750.731.00.13cezp118afdanZF今选择铣刀的直径为d=20mm，齿数Z=4,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为ea15mm，背吃刀量pa=10mm，每齿进给量zf0.1mm，铣刀转速n300r/min=。则由式求的最大铣削力：CF=NN1976430010201.01511813.00.173.075.085.0N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由参考资料查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：NFFNFFNFFcfncecf49425.0,75138.0,21741.1。现考虑立铣，则工作4yanchaoyang台受到垂直方向的铣削力NFFeZ751，受到水平方向的铣削力分别为fF和fnF。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力NFFfX2174，径向铣削力为NFFfny494。2.1Z轴的选型：2.1.2直线滚动导轨副的计算与选型工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：maxGFF4其中，移动部件重量Ｇ＝20kN，外加载荷NFFz751，代入式中，得最大工作载荷maxF=5.751kN。由所参考资料查得，根据工作载荷maxF=5.751kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG25型，其额定动载荷Ca=17.7kN，额定静载荷Coa=22.6kN。任务书规定工作台面尺寸为350mm×350mm，加工范围为380mm×380mm，考虑工作行程应留有一定余量，由所参考资料查得，按标准系列，选取导轨的长度为800mm。上述所取的KL系列JSA-LG25系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100C，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。由所参考资料查得，分别取硬度系数fH=1.0，温度系数fT=1.00，接触系数fc=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数fw=1.5，代入式中，得距离寿命：L=KmFCfffffawrcth16750)(3max大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。2.1.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型5yanchaoyang如前面所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fy=494N,受到横向载荷（与丝杠轴线平行）Fx=2174N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=751N.已知移动部件总重量G=20000N，按矩形导轨进行计算，由所参考资料查得，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：NNGFFKFFyzxm2497)]20000494751(005.021741.1[)(设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=300mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=60r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得丝杠寿命系数L0=54（单位为：106r）。由所参考资料查得，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入公式，求得最大动载荷：FQ=NFffLmHw1132530根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，由所参考资料查得，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3205-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为32mm，导程为5mm，循环滚珠为4圈*2系列，精度等级取5级，额定动载荷为13675N，大于FQ，满足要求。将公称直径d0=32mm,导程Ph=5mm,代入λ=arctan[Ph/(d0)]，得丝杠螺旋升角λ=2°51′。将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得传动效率η=92.1%。2.1.4步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。已知工作台的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm，初选步进电动机的步距角=0.75°。根据公式，算得减速比：6yanchaoyang()/(360)hiP=（0.755）/（3600.005）=25/12本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：36，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为[（75+36）1/2]mm=55.5mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。2.1.5步进电动机的计算与选型已知：滚珠丝杠的公称直径d0=32mm，总长l=750mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/2cm;移动部件总重力G=20000N；小齿轮齿宽b1=20mm.，直径d1=36mm，大小齿轮齿宽b2=20mm，直径d2=75mm；传动比i=25/12。由所参考资料查得，算得各个零部件的转动惯量如下：22SLRJ22ZRJb滚珠丝杠的转动惯量Js=0.473kg·cm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.298kg·cm2;小齿轮的转动惯量Jz1=0.259kg·cm2；大齿轮的转动惯量Jz2=4.877kg·cm2。初选步进电动机的型号为110BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75°，由所参考资料查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=15kg·cm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：212()/eqmZZWSJJJJJJi=16.56kg·cm2分快速空载和承受最大负载两种情况计算等效负载转矩Teq。1)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩1eqT由公式可知，1eqT包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩maxaT；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩fT；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式可知，0T相对于maxaT和fT很小，可以忽略不计。则有：1eqT=maxaT+fT（1）7yanchaoyang根据公式，考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：maxaT=2160eqmaJnt（2）其中：max360mvn=1250r/min（3）式中maxV—空载最快移动速度，为3000mm/min；—步进电动机步距角，预选电动机为0.75；—脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。设步进电机由静止加速至mn所需时间0.4ats，传动链总效率0.7。则由式（2）求得：maxaT=MN774.07.04.06012501056.1624由公式知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：fT=iPGFhz2)(=mNmN05.012/257.02005.0200000005.0(4)式中——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005zF——垂直方向的铣削力，空载时取0——传动链效率，取0.7最后由式（1）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：1eqT=maxaT+fT=0.824Nm2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2eqT由公式可知，2eqT包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩tT；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩fT；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T，0T相对于fT和tT很小，可以忽略不计。则有：8yanchaoyang2eqT=tT+fT（5）其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩tT由公式计算。有：mNmNiPFThft186.112/257.0