步进驱动系统与数控圆弧插补程序设计.doc

JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY课程设计与综合训练 说明书 课程设计题目: 步进驱动系统与数控圆弧插补程序设计综合训练题目: 连接电路和机床进给电机驱动器实现第二象限逆圆弧插补加工学院名称： 机械学院 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2016年1月课程设计与综合训练任务书合训练题目课程设计综设计题目：步进驱动系统与数控圆弧插补三菱PLC程序设计训练题目：连接电路和机床进给电机驱动器实现第二象限逆圆弧插补加工主要设计参数及要求主要设计参数： 走刀长度(mm)：40 X丝杠导程(mm)：4 Z丝杠导程(mm)：5 脉冲当量p(um)：30 步距角（）：0.75 最大进给速度Vmax (r/min)：50 等效惯量(Jm+Je) (N/m)：100010-4 空启动时间t (ms)：100 主切削力Fz(N)：1000 吃刀抗力Fy(N)：800 走刀抗力Fx（N）：500 X方向工作台滑板及组件重量（N）：200Z方向工作台滑板及组件重量（N）：600 设计要求： 选择电机型号、制作接口电路、编制程序，使其能进行两方向伺服驱动加工出所需要的零件设计内容及工作量课程设计内容及工作量（一周）：（1）根据给定任务参数选择传动比、步进电机型号，设计并绘制伺服传动系统AutoCAD传动图一张；（2）使用PROTEL绘图工具绘制微控制器接线图一张；（3）编制插补程序。综合训练内容及工作量（两周）：（1）利用设备及元气件制作微控制器及其接口控制电路；（2）调试所编制插补程序；（3）课程设计综合训练说明书1份：60008000字。主要参考文献1PLC编程控制方面的参考书；2步进电机驱动方面的参考书；3Solidworks绘图方面的参考书课程设计题目:步进驱动系统与数控圆弧插补程序设计综合训练题目:连接电路和机床进给电机驱动器实现第二象限逆圆弧插补加工摘要：通过对微控制器-PLC的学习进行了为期三周的课程设计，本次课程设计是以第二象限逆圆弧插补为例。PLC在工业控制应用非常广泛，主要是因为其稳定可靠。本设计即根据自制的车数控平台（双轴平台），通过插补运算， 利用FX3uPLC发出脉冲，从而控制步进电机的运行，按照插补程序画出轨迹。从而初步掌握步进电机控制系统的设计方法，仿真数控车加工平台加工零件的加工轨迹。关键词： FX3U-64M ; 步进电机; NR2插补;目录第一章 概 述51.1 本次课程设计综合训练对象及内容51.2 课程设计综合训练任务书及要求5第二章 机电伺服传动系统设计及图形绘制72.1 步进电机的选择和齿轮传动比的计算72.1.1 系统方案设计72.1.2 传动比计算和步进电机的选择92.2 圆柱齿轮减速器的设计计算152.2.1 X向齿轮减速器的设计计算152.2.2 Z向齿轮减速器的设计计算172.2.3 丝杠的选择.192.3 联轴器选择242.4 轴承选择242.5 键252.6 齿轮结构设计的选择252.7 传动系统结构设计和图形绘制25第三章 机电伺服系统微控制器电器线路及程序设计273.1开环控制系统273.2 三菱 PLC驱动电路设计283.3 PLC插补程序设计概述. 303.4 程序设计调试.35参考文献43第一章 概 述机械电子工程专业的课程设计，是对前阶段机电课程教学的一次设计性的训练过程，其后二周的综合训练则是将课程设计的设计成果进行物化的过程。整个过程应该能实现对理论教学内容的综合应用目的。所以，本次课程设计涉及了单片机原理及接口技术、机电一体化系统设计、电气控制与PLC、数控机床与编程技术、机械工程测试技术基础等多门机电课程知识，从机电系统及其电气原理图的设计与绘制，到动手制作控制电路及调试，对这些课程的诸多知识点在机电系统中的综合应用进行了简单的阐述。1.1 本次课程设计综合训练对象及内容本次设计任务是根据自制的车数控平台，进行伺服传动系统设计及图形绘制、微控制器（单片机、可编程序控制器PLC、微机插卡）的接口电路设计、控制程序的编写、切削加工调试，初步掌握伺服控制系统的设计方法（可采用开环或闭环），完成数控车加工平台伺服系统零件的加工。本次设计和训练的具体内容如下：(1)根据指导老师给定的任务，使用AUTOCAD绘制数控系统传动图形，选择系统所用步进电机、计算系统减速器传动比； (2)使用绘图工具绘制微控制器接线图；(3)利用元气件制作微控制器及其接口控制电路；(4)编制和调试程序，加工出任务书中要求的零件类型；（5）编制说明书。1.2 课程设计综合训练任务书及要求 课程设计综合训练任务书及其格式见附录，其主要内容有：设计训练题：分别给出课程设计和综合训练的题目，如课程设计的题目为“步进驱动系统设计与数控直线插补单片机程序设计”，综合训练的题目为“连接自制电路和机床进给电机驱动器实现第一象限直线插补加工”。主要设计参数及要求：可以给出具体的设计参数，如丝杠导程p、步进电机步距角、加工线型及走刀长度、脉冲当量p、电机和折算到电机轴上等效转动惯量（Jm+Je）、空载启动时间t、最大进给速度Vmax、大小拖板质 Md、Mx）、主切削力Fz、吃刀抗力Fy、走刀抗力Fx等参数；要求如选择电机型号、制作接口电路、编制程序，使其能进行两方向伺服驱动加工出所需要的零件等。3、设计内容及工作量：如课程设计内容要求“根据给定的任务参数，计算齿轮箱传动比，选择驱动中使用的步进电机，使用AUTOCAD绘制数控系统传动图形；使用AUTOCAD绘图工具绘制微控制器接线图。” ；综合训练内容要求“利用元气件制作微控制器及其接口控制电路；编制和调试程序，加工出任务书中要求的零件类型；编制课程设计和综合训练说明书。”设计具体任务书由指导老师下达， 要求每个学生完成的内容：(1)根据给定的脉冲当量选择传动比、电机后，设计并绘制伺服传动系统AutoCAD传动图一张；（2）绘制微控制器电器接线图一张；（3）利用自制数控加工平台，编程插补加工出零件一个；（4）课程设计综合训练说明书1份：60008000字。第2章 机电伺服传动系统设计及图形绘制2.1 步进电机的选择和齿轮传动比的计算系统总体设计非常重要，是对一部机器的总体布局和全局的安排。总体设计是否合理将对后面几步的设计产生重大影响，也将影响机器的尺寸大小、性能、功能和设计质量。所以，在总体设计时应多花时间、考虑清楚，以减少返工现象。当伺服系统的负载不大、精度要求不高时，可采用开环控制。一般来讲，开环伺服系统的稳定性不成问题，设计时主要考虑精度方面的要求，通过合理的结构参数设计，使系统具有良好的动态响应性能。2.1.1 系统方案设计在机电一体化产品中，典型的开环控制位置伺服系统是简易数控机床（本实验室自制数控平台）及X-Y数控工作台等，其结构原理如图2-1所示。各种开环伺服系统在结构原理上大同小异，其方案设计实质上就是在图2-1的基础上选择和确定各构成环节的具体实现方案。机械执行机械传动X轴步进电机X轴驱动器PLC机械执行机械传动Y轴步进电机Y轴驱动器图2-1 开环伺服系统结构原理框图1、执行元件的选择 选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性及体积、成本等多方面要求。开环系统中可采用步进电机、电液脉冲马达等作为执行元件，其中步进电机应用最为广泛，一般情况下优先选用步进电机，当其负载能力不够时，再考虑选用电液脉冲马达等。2、传动机构方案的选择传动机构实质上是执行元件与执行机构以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换为直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂，后者因结构简单、制造容易而广泛使用。在步进电机与丝杠之间运动的传递有多种方式，可将步进电机与丝杠通过联轴器直接连接，其优点是结构简单，可获得较高的速度，但对步进电机的负载能力要求较高；还可以通过减速器连接丝杠，通过减速比的选择配凑脉冲当量、扭矩和惯量；当电动机与丝杠中心距较大时，可采用同步齿形带传动。3、执行机构方案的选择执行机构是伺服系统中的被控对象，是实现实际操作的机构，应根据具体操作对象及其特点来选择和设计。一般来讲，执行机构中都包含有导向机构，执行机构的选择主要是导向机构的选择。4、控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括微控制器、步进电机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微控制器有单片机、PLC、微机插卡、微机并行口、串行口和下位机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统中得到广泛的应用。步进电机控制方式有硬件环行分配器控制和软件环行分配器控制之分，对多相电机还有X相单X拍、X相2X拍、X相双X拍和细分驱动等控制方式，如三相步进电机有3相单3拍、3相6拍、3相双3拍和细分驱动等控制方式，对于控制电路有单一电压控制、高低压控制、恒流斩波控制、细分控制等电路。5、本次课程设计和综合训练方案的选择对于我们这次的课程设计和综合训练，各种选择不一定与实际自制数控平台完全一致，可以根据任务书中给定的设计要求进行选择。执行元件选用功率步进电机，但步进电机的功率需要通过计算后选定电机的型号（其网址是：http：/www.step-servo.com）；传动方案选择带有降速齿轮箱的丝杠螺母传动机构，但在已知丝杠导程和步进电机步距角的情况下，必须计算降速齿轮箱传动比、查询丝杠的型号，以满足脉冲当量的要求；执行机构选用拖板导轨；控制系统中微控制器采用PLC，步进电机控制方式采用带有硬件环行分配器的驱动器，在共地的情况下，给该驱动器提供一路进给脉冲、另一路高（低）电平方向控制电位即可。2.1.2 传动比计算和步进电机的选择步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位线（或线位移）的电磁装置，步进电机的角位移量和角速度分别与指令脉冲的数量和频率成正比，在时间上与输入脉冲同步，而且旋转方向决定于脉冲电流的通电顺序。因此只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电顺序，便可控制执行部件位移、速度和运动方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下机按其输出扭矩的大小，可分为快速步进电动机与功率步进电动机；按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相；按其工作原理可以分为永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）。步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进伺服的性能提高到一个新的水平。1、减速器的传动比计算：i=P/360p其中：表示步进电机步距角，两个方向由任务书给出；：表示丝杠的导程，两个方向由任务书给出；：表示脉冲当量，两个方向由任务书给出。根据上述公式可以得出减速器传动比的大小。 X向： i1=p/（360p） =(0.753)/(3600.005)=1.25Z向： i2=p/（360p） =(0.755)/(3600.005)=2.08X方向脉冲个数:n=Z方向脉冲个数:n=2、步进电机所需力矩计算：选择步进电机应按照电机额定输出转矩T电机所需的最大转矩Tmax 的原则，首先计算电机所需的负载转矩。作用在步进电机轴上的总负载转矩T可按下面简化公式计算：式中， 为启动加速引起的惯性力矩，为拖板重力和拖板上其它力折算到电机轴上的当量摩擦力矩，为加工负载折算到电机轴上的负载力矩，为因丝杠预紧引起的力折算到电机轴上的附加摩擦转矩；为电机转动惯量；为折算到电机轴上的等效转动惯量；为启动时的角加速度；由任务书中给出，由任务中的空载启动时间和最大进给速度计算得到；：为丝杠导程，由任务书中给出；：为拖板重力和主切削力引起丝杠上的摩擦力， ，拖板重量由任务书中给出，注意：在计算纵向力时（选择纵向电机），拖板重量为两个拖板的重量之和，在计算横向力（选择横向电机）时，为小拖板重量，钢与钢的摩擦系数可查资料，一般为0.050.2左右；：在选择横向电机时，为工作台上的最大横向载荷，通过给定吃刀抗力Fy得到；在选择纵向电机时，为工作台上的最大纵向载荷，通过给定吃刀抗力Fx得到；：为丝杠螺母副的预紧力，设取的1/5 1/3 ；：为伺服进给系统的总效率，取为0.8 ； ：为减速器传动比。Jm+Je=0.09N.m启动时 =Fu: 横向力 Fu=(mg+Fz)u =(200+1000)0.1=120N 纵向力 Fu =(mg+Fz)u =(600+200+1000)0.1=180NFw: 横向力 Fw=(mg+Fy)u=(200+800)0.1=100N 纵向力 Fw=(mg+Fx)u=(600+500)0.1=110NFo: 横向力 Fo= Fw*1/4= 25N 纵向力 Fo=Fw*1/4=32.5N 由下式可得： 横向： 纵向： 一般启动时为空载，于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为：=+代入上式计算可得： 在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为： =+代入上式计算可得： 计算出的总负载转矩根据驱动方式，选择电机时还需除以一系数，设为X相2X拍驱动方式，则总负载转矩取为： Tx= max4.779/0.8;0.1421/(0.30.5) =5.999N.m Tz= max5.96/0.8;0.10779/(0.30.5) =5.96N.m3.由启动最大频率，步距角选取电动机：根据求出的负载转矩，和给定的步距角，上网查询步进电机型号。步进电机的步距角为0.75，计算得出负载转矩分别为5.999 Nm和5.96Nm查得静转矩为8.0Nm，步距角0.75的步进电机型号为110BYG260B-0602。由网上查得参数见下图和表：表2-1 电机主要参数型号相数步距角（DEG）电压(V)电流(A)静转矩（Nm）空载运行频率 (KHZ)转动惯量(Kg.cm2)接线备注110BYG260B2/40.75/1.5120-310 6 8.0 15 9.7 1图2-2 110BYG250B系列型步进电机外形尺寸由上图可知，当脉冲频率在1001000次/秒时，电机的输出转矩比较稳定。 4.确定齿轮传动(圆柱直齿齿轮减速器)由于i0, 表明加工点i在圆弧外；Fi0,表明加工点i在圆弧内。若Fi0,为逼近圆弧，下一步向+Y轴向进给一步，并算出新的偏差； Fi0，为逼近圆弧，下一步向-X轴向进给一步，并算出新的偏差.如此一步步计算和一步步进给，在到达终点后停止运算，就可插补出如图所示第三象限顺圆弧。 为简化计算，下面进一步推导偏差计算的递推公式。设加工点正处于i(xi,yi)点，其判别式为 Fi=xi2+yi2-R2若Fi0，应沿+Y轴向进给一步，到i+1点，其坐标值为 Xi+1=Xi Yi+1=Yi+1 新加工点的偏差为： Fm=Xi+12+Yi+12-R2=xi2+(y-1)-R2=Fi-2Yi+1 (3-1)若Fi=0?起 始对 刀初始化：Xe、Ye、F、Xs、Ys； 图3-4第三象限顺圆弧插补流程图使用MOV、ADD_I、SUB_I等编程模块，和一些控制指令进行，注意到了规定的进给总步数后应跳过进给段。3.4 程序设计调试参考文献1 杨龙兴编.机电一体化系统设计实验指导书. 校印版.2006.2 钟肇新，彭侃编.可编程控制器原理及应用. 广州:华南理工大学出版社,1999.3 黄平、朱文坚编.机械设计教程. 北京: 清华大学出版社.4 许杏根编.简明机械设计手册. 北京:机械工业出版社,1997.5 郑文纬,吴克坚编.机械原理.7版. 北京:高等教育出版社,1997.6 汪木兰编.数控原理与系统. 北京:机械工业出版社,2004.7 赵松年,张奇鹏编.机电一体化数控系统设计. 北京:机械工业出版社,1996.8 周军,海心编.电气控制及PLC. 北京.机械工业出版社,2001.9张建中,周家泽编.机械设计基础.高等教育出版社,2007.8.