数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计

数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计1 引言数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。2 设计任务题目：数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下：1. 立铣刀最大直径的 d=15mm；2. 立铣刀齿数 Z=3;3. 最大铣削宽度 ae =15mm;4. 最大背吃刀量 ap =8mm;5. 加工材料为碳素钢活有色金属。6. X、Y 方向的脉冲当量 xy =0.01mm;7. X、Z 方向的定位精度均为 0.04mm;8. 重复定位精度为 0.02mm;9. 工作台尺寸 250×250 ;10.X 坐标行程 300mm;11.Y 坐标行程 120mm;12.工作台空载进给最快移动速度： V=V=1500mm/min;xmaxfzmaxf13.工作台进给最快移动速度 : Vxmax fVz max f400mm/ min ;3 总体方案确定3.1 机械传动部件的选择3.1.1 导轨副的选用要设计数控车床X-Z 工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度不是很高，因此选用直线滑动导轨副，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。3.1.2 丝杠螺母副的选用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，需要满足0.004mm冲当量和0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、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。3.1.3 伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到0.01mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此1500mm/min，故本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。3.1.4 减速装置的选用为了圆整脉冲当量，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，需要设置减速装置，且应有消间隙机构。因此决定采用无间隙齿轮传动减速箱。3.1.5 检测装置的选用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。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，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。考虑到 X、 Z 两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量， X、Z 两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。3.2 控制系统的设计1）设计的 X-Z 工作台准备用在数控车床上，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MCS-51系列的 8 位单片机 AT89S52作为控制系统的 CPU，能够满足任务书给定的相关指标。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。3.3 绘制总体方案图总体方案图如图所示 :微接功执机械机械口放行型传动执行电电元机机构机构路路件系统结构原理框图4 机械传动部件的计算与选型4.1 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等 , 估计重量约为 500N4.2 铣削力的计算设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。则由表 3-7 查得立铣时的铣削力计算公式为：0.850.750.731.00.13(6-11)Fc 118ae f z da p nZ今选择铣刀的直径为d=15mm，齿数 Z=3,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ae15mm ，背吃刀量 ap =8mm ，每齿进给量 f z0.1mm ，铣刀转速 n=300r/min 。则由式（ 6-11 ）求的最大铣削力：FC=118 x150.85 x 0.1 0.75 x 15-0.73 x 81.0 x 3000.13 x 3N=1463N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为： Ff1.1FC1607N , Fe 0.38FC 556N ，Ffn 0.25FC366N 。图 3-4a 为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力 Fz Fe556N ，受到水平方向的铣削力分别为Ff 和 Ffn 。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Fx Ff1607N ，径向铣削力为Fy Ffn 366N 。4.3 导轨的计算由于使用的是双矩形滑动导轨，故不要求进行相应的计算。4.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型4.4.1最大工作载荷 Fm的计算如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1607N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=366N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直） Fz=556N.已知移动部件总重量G=500N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.04。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFx+ (Fz+Fy+G)=1.11408+0.04( 556+366+500)N1827N4.4.2最大动工作载荷 FQ的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速 n=v/Ph=80r/min 。取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h,代入 L0=60Nt/10 6, 得丝杠寿命系数 L0=72（单位为： 106r ）。查表，取载荷系数fw=1.2, 滚道硬度为 60HRC时，取硬度系数 fH=1.0, 代入式（3-23 ），求得最大动载荷：FQ3 L 0 fwfHFm9116N4.4.3初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 G系列 2005-4 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20mm，导程为 5mm，循环滚珠为 3 圈 *1 系列，精度等级取5 级，额定动载荷为11082N，大于 FQ，满足要求。 表 3.1 滚珠丝杠螺母副几何参数名称符号计算公式及结果名义直径（中径）D20mm螺距S5mm螺接触角45°纹钢球直径d b3.175mm滚道螺纹滚道法面半径R1.651mmE0.0449mm偏心距螺纹升角v4° 33螺杆外径d2d 2 d0.2db 19.5mm螺名称符号计算公式及结果杆螺杆内径d1d1d2e 2r16.79mm螺杆接触直径dzdzddb cos17.75mm螺母螺纹外径D2D zd2e 2r23.212mm螺螺母内径D120.14mm母螺母凸缘外径D360mm螺母配合外径D36mm螺母装配总长度L51mm4.4.4 选择滚珠丝杠直径时，还应综合考虑下列问题丝杠工作长度 L，应满足控制中的行程要求。 L 应为丝杠工作长度：ll 1Hl 3l 4式中，l 1为控制系统中需要的行程（l3为满mm），H 为螺母的安装高度（ mm），足行程以外的余量，一般 l5 10 ， l 4 为由丝杠防护结构确定的长度（ mm），于是：横向丝杠：lx30051280410mm纵向丝杠：ly12051280230mm(1) 根据结构设计，螺杆的总长度 l 总 应为螺杆的工作长度 L 加上结构长度。横向：l 总401178579 mm纵向：l 总221178399 mm(2)丝杠的长度还应满足刚度的要求，根据刚度要求确定丝杠的直径d横向：l 总579 / 2523.163440d纵向：l 总 d399 / 2515.963440即满足 l 总d3440(3) 因此，滚珠丝杠直径可以都选为 d=25mm4.4.5传动效率 的计算将公称直径 d0=20mm,导程 Ph =5mm,代入 =arctanPh/(d0) ，得丝杠螺旋升角 =4°33。将摩擦角 =10，代入 =tan /tan( +), 得传动效率=96.4%。4.4.6刚度的验算(1) X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推- 单推”的方式。丝杠的两端各采用 - 对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a=500mm；钢的弹性模量 E=2.1105Mpa;查表得滚珠直径 Dw=3.175mm，丝杠底径 d2=16.2mm,丝杠截面积 S= d2 /4=206.12m m2 。忽略式（ 3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉 / 压变形量 1 Fma/(ES) 1826 500/(2.1 105 206.12)mm=0.0211mm。.(2) 根据公式 Z( d0 / D W ) 3 ，求得单圈滚珠数 Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数 列数为 31，代入公式 ZZ 圈数 列数，得滚珠总数量 Z =60。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJFm /3=609N。则由式（ 3-27 ），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量20.0024mm。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3 ，所以实际变形量可以减少一半，取2 =0.0012mm。(3) 将以上算出的1 和 2 代入 总12 ，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）总 =0.0212mm=21.2 m本例中，丝杠的有效行程为330mm，由表知， 5 级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25m ，可见丝杠刚度足够。4.4.7压杆稳定性校核根据公式（ 3-28 ）计算失稳时的临界载荷FK。取支承系数 fk =1；由丝杠底径4/ 643380.884；压杆稳定安全系数 K 取d =16.2mm求得截面惯性矩 Id2mm23（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取最大值 500mm。代入式（3-28 ），得临界载荷 FK=1557N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。4.4.8支承方式及轴承的选择经过查阅相关资料，并结合本设计具体情况选择“单推单推”支承方式通过查相关手册，轴承选择如下：表 1轴承参数轴承轴承公称额定动数结构尺寸标记名称型号直径载荷量推力d=17mm,T=12mm,滚动轴承 51203GB/T 301199517KN球轴5120317mm4D=35mm承深沟d=17mm,B=12mm,9.58.K球轴620317mm滚动轴承 6203GB/T 276944D=40mmN承由上表可看出，轴承的额定动载荷 Ca>C，所以所选轴承在给定的工作条件下的预期的寿命内安全 。4.5 步进电动机传动比已知工作台的脉冲当量=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm， 初选步进电动机的步距角=0.72 °。根据式（ 3-12 ），算得减速比：i ( P ) /(360 ) =（0.725）/ （3600.01 ）=1h由此可见本机构不必要选减速箱4.6 步进电动机的计算与选型4.6.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq已知：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长 l=500mm，导程 Ph=5mm，材料密度=7.8510-5 kg/ cm2 ; 移动部件总重力 G=500N传动比 i=1 算得各个零部件的转动惯量如下：L R2b R2JSJZ22滚珠丝杠的转动惯量· 2 拖板折算到丝杠上的转动惯量 Js=0.617kg cm ;·2初选步进电动机的型号为 为五相混合式，五相驱动Jw=0.517kgcm;110BYG007- ,时的步距角为 0.72 °，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量 Jm=11.5 kg·cm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：J eqJ m( J wJ s ) / i 212. 434kg. cm24.6.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 Teq1 ， Teq1 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 Tamax ；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 Tf ；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 T0 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知，T0 相对于 Tamax 和 Tf 很小，可以忽略不计。则有：Teq1 =Tamax +Tf（6-13 ）根据式（ 4-9 ），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：2Jeqnm 1(6-14)Tamax =60ta其中：vmax=300r/min(6-15)nm360式中 Vmax 空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为0.72 o ；脉冲当量，本例=0.01mm/脉冲。设步进电机由静止加速至nm 所需时间 t0.3s，传动链总效率=0.75。则由式（ 6-14 ）求得：212.4344300Ta max100.1735N.m600.30.75由式（ 4-10）知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：Tf （ FZG） Ph0.0450050.0216N.m2i20.751(6-16)式中导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.04Fz 垂直方向的铣削力，空载时取0传动链效率，取0.75最后由式（ 6-13 ）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：Teq1 =Tamax +Tf =0.197N m(6-17)2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 Teq2Teq2 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Tf ；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T0 ， T0 相对于 Tf 和 Tt 很小，可以忽略不计。则有：Teq2 =Tt +Tf（6-18 ）其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t 由公式（ 4-14）计算。有：TTtFfPh16090.0051.73N.m220.751再由式（ 4-10）计算垂直方向承受最大工作负载(Fz556N) 情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：Tf(FzG)Ph0.04 (556500)0 .0050.04557N.m220.751最后由式（ 6-18 ），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：Teq2 =Tt +Tf =1.77N/m（ 6-19 ）最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：Teqmax Teq1,Teq21.77N.m4.6.3步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足：Tj max 4Teq4 1.77N.m 7.08N.m（ 6-20 ）初选步进电动机的型号为110B007-，查得该型号电动机的最大静转矩Tj max =9.45N m。可见，满足要求。4.6.4步进电动机的性能校核1) 最快工进速度时电动机的输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度Vmax f =400mm/min，脉冲当量0.01mm/ pluse/ 脉冲，由式（ 4-16 ）求出电动机对应的运行频率 f max f 400 /(600.01) 667HZ 。从 90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩Tmax f6N m，大于最大工作负载转矩 Teq2 =1.775N m，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快空载移动速度vmax =1500mm/min，求出其对应运行频率f max1500/(600.01)2500HZ 。在此频率下，电动机的输出转矩 Tmax =5.8N m，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1 =0.197N m，满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核与快速空载移动速度 vmax =1500mm/min对应的电动机运行频率为 f max 30000HZ 。查表知 110BYG007-电动机的空载运行频率可达 30000H z ，可见没有超出上限。4）起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq12.434kg.cm2 ，电动机转2子的转动惯量 Jm11.5kg.cm ，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq1800H z 。由式（ 4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：fqfL1244Hz1Jeq / Jm说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1244Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100 H z 。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用 110BYG007-步进电动机，完全满足设计要求。5 增量式旋转编码器的选本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可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0，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出0.75360/480 个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B 相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120 线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每秒输出 120 个 A/B 脉冲，信号为电压输出。6 绘制进给传动系统示意图进给传动系统示意图如图所示：从动工作台齿轮伺服电动机主动滚珠丝齿轮杠进给传动系统示意图7 工作台控制系统的设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：（1） 接收键盘数据，控制LED显示（2） 接受操作面板的开关与按钮信息；（3） 接受车床限位开关信号；（4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；（5） 控制 X， Z 向步进电动机的驱动器；（6） 控制主轴的正转，反转与停止；（7） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；（8） 控制交流变频器，实现主轴无级变速；（9） 控制切削液泵启动 / 停止；（10）控制电动卡盘的夹紧与松开；（11）控制电动刀架的自动选刀；（12）与 PC机的串行通信。X-Y 数控工作台的控制系统设计，控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。本设计CPU选用 ATMEL公司的 8 位单片机 AT89S52，由于 AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片 W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片 6264 用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了 XY 方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。 8279 是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与64 个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与PC机的串行通信经过MAX233，可以采用 PC机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素：方向转角和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，而转速则取决于控制器发出的步进脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中，CPU不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零，无需升降频控制。当步进电动机的运行频率（为步进电动机有载起动时的起动频率）时，若直接用起动，由于频率太高，步进电动机会失步，甚至会丢步，甚至停转；同样在 频率下突然停止，步进电动机会超程。因此，当步进电动机在运行频率 下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电动机从起动频率开始，逐渐加速升到运行频率 ，然后进入匀速运行，停止前的降频可以看作是升频的逆过程。虽然本设计采用了半闭环控制，加入了增量式编码器作为反馈信号，但是在编程过程中仍需设计升降频的部分，以使步进电动机运行平稳、精确。根据需要，可编写出驱动步进电动机的程序。 AT89S52指令与 80C51指令完全兼容。控制系统原理框图如图所示。复位电路并行晶振电路接口芯片芯片8255芯片6264隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大向步进电动机向步进电动机刀架电动机卡盘电动机主轴电动机切削电动机方刀架位信号限位开关信号单片机/ 转换交流变频器主轴电动机芯片 0832键盘与显示接口芯片8279螺纹光栅信号串行口芯片233操作面板开/按关钮信号控制系统原理框图8 步进电动机的驱动电源选用设计中 X、 Y 向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为 1000VAC，相电流为 4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图所示。BD28Nb型驱动电源接线图9 设计感言本学期我们开设了机电一体化系统设计这门课程，是我们机械专业的专业必修课，与实际联系是非常紧密的。学习任何知识，除了从理论上求知，还要去实践、探索。所以这学期末的课程设计是很及时的、很必要的。这样不仅加深我们对知识的掌握，知道了如何去应用，真正的做到了学以致用。在实践中我学会了进行机电一体化系统设计时的方案分析、比较、拟定；掌握了机电系统设计的设计方法；掌握了机电系统的部分工作原理；学会了机械系统设计步骤和典型零件的设计计算方法和选型计算方法、提高了结构分析能力和设计能力。通过对控制系统硬件电路设计，掌握了微机的选用、存储器的选用与扩展等。