通用兩維運動平臺說明書22

內蒙古工業(yè)大學專業(yè)綜合設計（二）PAGEPAGEPAGE19內蒙古工業(yè)大學專業(yè)綜合設計（二）摘要X-Y工作臺是指能分別沿著X向和Y向移動的工作臺。數(shù)控機床的加工系統(tǒng)、立體倉庫中堆垛機的平面移動系統(tǒng)、平面繪圖儀的繪圖系統(tǒng)等,盡管結構和功能各不相同,但基本原理相同。機電一體化系統(tǒng)是將機械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)結合而形成的一個有機整體。本文通過對X-Y工作臺的機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及接口電路的設計,闡述了機電一體化系統(tǒng)設計中共性和關鍵的技術。本次課程設計，主要設計和研究Ｘ－Ｙ工作臺及其電氣原理圖。確定Ｘ－Ｙ工作臺的傳動系統(tǒng)，并且選擇了滾珠絲杠螺母的傳動，驗算了滾珠絲杠螺母的剛度、穩(wěn)定性，壽命等參數(shù)；還設計了導軌，根據(jù)其用途和使用要求，選擇了直線滾動導軌副，確定了其類型、轉動力矩、轉動慣量。利用PLC設計其硬件電路圖。【關鍵詞】：滾珠絲杠螺母副；直線滾動導軌副；步進電機；PLC控制目錄第一章總體設計方案 11.1系統(tǒng)運動方式的確定與驅動系統(tǒng)的選擇 11.2機械傳動方式 11.3數(shù)控系統(tǒng)選擇 11.4總體方案的確定 2第二章機床進給驅動系統(tǒng)機械部分設計計算 32.1設計參數(shù) 32.2滾珠絲杠螺母副的計算與選型 32.2.1X向進給絲杠 32.2.2Y向進給絲杠 52.2.3滾珠絲杠副的幾何參數(shù) 72.3直線滾動導軌的計算與選擇 72.3.1滾動導軌副的工作載荷計算 72.4步進電機的計算與選擇 92.4.1轉動慣量的計算 92.4.2電機的轉矩的計算 10第三章數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 133.1數(shù)控系統(tǒng) 133.2PLC數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 133.2.1PLC數(shù)控控制系統(tǒng)框圖 133.2.3PLC的類型 143.2.4擴展功能模塊的選型 143.2.5I/O口接線設計 153.3驅動器的選型 163.4三相步進電機工作原理 163.5控制系統(tǒng)的工作原理 17內蒙古工業(yè)大學專業(yè)綜合設計（二）第一章總體設計方案1.1系統(tǒng)運動方式的確定與驅動系統(tǒng)的選擇運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位/點線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。為了滿足二維運動平臺實現(xiàn)X-Y兩坐標聯(lián)動,運動定位,暫停,急停等功能,故選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。驅動系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)。本方案利用了開環(huán)系統(tǒng)，利用步進電機進行驅動。1.2機械傳動方式為了實現(xiàn)設計要求的分辨率，采用步進電機轉動絲杠。為了保證一定的傳動精度和傳動平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除傳動間隙，采用有預加負荷的結構。1.3數(shù)控系統(tǒng)選擇通用平臺的控制系統(tǒng)要求實現(xiàn)X-Y兩坐標聯(lián)動，設置工作臺的越位報警和緊急事故的急停開關，并響應中斷，且具有快速驅動功能。根據(jù)以上條件考慮到數(shù)控裝置的尺寸、經濟型、實用性、可靠性等因素采用PLC控制系統(tǒng)來控制平臺的運行。1.4總體方案的確定數(shù)控驅動器驅動器步進電機步進電機工作平臺中拖板圖1—數(shù)控驅動器驅動器步進電機步進電機工作平臺中拖板第二章機床進給驅動系統(tǒng)機械部分設計計算2.1設計參數(shù)1、工作臺臺面尺寸：250×2002、工作臺移動尺寸：X×Y=160×1253、夾具和工作臺總重：4、最高運行速度：步進電動機運行方式：空載：1.5m/mim：切削：0.7m/min；交流伺服電動機運行方式：空載：15m/mim：切削：6m/min；5、系統(tǒng)分辨率：開環(huán)模式0.01mm/step；半閉環(huán)模式0.005mm/step；6、系統(tǒng)定位精度：開環(huán)模式0.10mm；半閉環(huán)模式±0.01mm/step；7、切削負載：X向300N；Y向400N；Z向500N；2.2滾珠絲杠螺母副的計算與選型2.2.1X向進給絲杠（1）、計算工作載荷力作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力在導軌上的摩擦力。因而其數(shù)值的大小與導軌的型式有關，由于在設計中采用的是加有導軌塊的滾動導軌，所以選擇的計算公式為綜合導軌的計算公式。計算公式為：式中、、切削分力（N）；移動部件上的重量（N）；主軸上的扭距（N·cm）；導軌上的摩擦系數(shù)，隨導軌型式而不同；考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)；綜合導軌的,，取，式中，,，代入計算得（2）、計算最大動載荷初選絲杠導程，則此時絲杠轉速取滾珠絲杠的使用壽命，代入絲杠壽命系數(shù)查表3-30取載荷系數(shù)，再取硬度系數(shù)，代入式3-23求得最大載荷（3）、滾珠絲杠螺母副的選型所選絲杠螺母副規(guī)格如下（其中載荷單位為kgf）表2-1絲杠螺母副規(guī)格根據(jù)以上算得的最大動負載在表中選用型號額定動載荷為4612，滿足前面進給方向的要求。（4）、傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率：式中絲杠螺旋升角；摩擦角，滾珠絲杠的滾動摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。導程代入由選用的W1L2506的滾珠死杠的相關數(shù)據(jù)可知絲杠螺旋升角代入公式計算得2.2.2Y向進給絲杠（1）計算進給牽引力作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力在導軌上的摩擦力。因而其數(shù)值的大小與導軌的型式有關，由于在設計中采用的是加有導軌塊的滾動導軌，所以選擇的計算公式為矩形導軌的計算公式。最大工作載荷的計算公式如下：式中進給方向載荷（N）；橫向載荷（N）；垂直載荷（N）；導軌上的摩擦因數(shù)；顛復力矩影響系數(shù)；移動部件總重力；綜合導軌的,，取，式中，，，代入計算得最大動載荷的計算最大動載荷的計算公式如下：式中，??；滾珠絲杠副的壽命，以為一單位；載荷系數(shù)，由表3-30查的；硬度系數(shù)，滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為代入計算的規(guī)格型號的初選由額定動載荷和額定靜載荷，查表3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的G系列1604-3型滾珠絲杠副，為固定反向器單螺母式，其公稱直徑為16mm，導程為4mm，循環(huán)滾珠數(shù)為3圈1列，精度等級取5級，額定動載荷為4612N大于，滿足要求。（4）傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率：式中絲杠螺旋升角，由摩擦角，一半取。代入公式計算得（5）、剛度的驗算1、絲杠支承的中心距約為鋼的彈性模量查表得滾珠直徑絲杠底徑絲杠截面積絲杠在工作載荷作用下產生的拉壓變形2、根據(jù)公式該型號絲杠為單螺母，圈數(shù)列數(shù)3圈數(shù)列數(shù)=183=54，取軸向預緊力N因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減小一半（6）、壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)式（3—28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷,查表3-34，取支撐系數(shù)；有絲杠底徑，求的截面慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù);支撐距離，代入式（3-28），,遠大于工作載荷，故絲杠不失穩(wěn)。綜上述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。（7）滾珠絲杠的長度確定X向和Y向：螺紋長度；支承跨距；絲杠全長；2.2.3滾珠絲杠副的幾何參數(shù)圖2-2滾珠絲杠副幾何參數(shù)2.3直線滾動導軌的計算與選擇目前，滾動導軌在數(shù)控機床上應用非常廣泛，因為其摩擦系數(shù)=；動、靜摩擦系數(shù)很接近，幾乎不受運動速度的變化的影響，運動輕便、靈活，所需驅動功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好；低度運動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，因而定位精度高，所以選用滾動導軌。2.3.1滾動導軌副的工作載荷計算、滑塊承受工作載荷的計算及導軌的選取工作載荷是影響導軌副的使用壽命的重要因素。對于水平布置的十字工作臺，多采用雙導軌、四滑塊的支承形式。滑塊承受工作載荷的計算公式：根據(jù)=0.625,初選直線導軌滾動導軌副的型號為表（3-41）JSA-KL型直線滾動導軌任務書工作臺面工作臺臺面尺寸：250×200工作臺加工范圍，X×Y=160×125，查表（3-35）得選取導軌長度為400mm。(2)、距離額定壽命的計算1、額定壽命計算其計算公式如下：式中距離額定壽命，單位為Km額定動載荷；額定動載荷計算載荷,溫度系數(shù)；運行時的溫度小于100查相關資料可的；接觸系數(shù)；導軌上的滑塊數(shù)為2查相關資料載荷系數(shù)；無明顯沖擊和震動，中速運動場合速度在15-60m/min之間查相關資料硬度系數(shù)；滾道硬度不得低于HRC58故通常取代入公式計算得：=11768km2、壽命時間的計算L遠大于故初選型號滿足設計要求。表2-3直線導軌副的參數(shù)2.4步進電機的計算與選擇選用步進電機時，必須首先根據(jù)機械設計結構草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電機軸上的等效慣量，分別計算各種共況條件下所需的等效力矩，再根據(jù)步進電機最大轉矩選擇合適的步進電機。2.4.1轉動慣量的計算(1）、絲杠的轉動慣量計算由于用步進電機則省去了齒輪的傳動比，以及齒輪的轉動慣量的計算所以只要計算絲杠本身的轉動慣量即可,絲杠導程=4mm，名義直徑,兩支撐間距L=289mm可計算出絲杠的轉動慣量，公式如下：由于絲杠是通過聯(lián)軸器與電機直接進行連接的，所以，絲杠折算到電機軸上的轉動慣量(2)、工作臺折算到絲杠上的轉動慣量根據(jù)《機電裝備設計課程設計指導書》表4-22所示工作臺折算到絲杠軸上的轉動慣量，由絲杠導程L0=4mm，工作臺重量為500N，則工作臺的折算轉動慣量為：(3)、絲杠傳動時傳動系折算到電機上的總的轉動慣量由于絲杠是通過聯(lián)軸器與電機直接進行連接的，所以，絲杠傳動時傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量為：在上式中沒有考慮電機轉子本身的轉動慣量，根據(jù)實踐經驗，傳動系統(tǒng)慣量和轉子慣量之間，有一個慣量匹配的問題，的比值不能太小，否則機床動態(tài)特性將主要取決于負載特性，此時不同重量和行程的各坐標的特性將有很大差別，并且很容易受切削力、摩擦力等干擾的影響。但是的比值太大，也是很不經濟的。電機轉子的轉動慣量可以查出，初選步進電機型號為90BF003，電動機轉子的轉動慣量為所以=1.61，基本滿足慣量匹配要求。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量為0.9732.4.2電機的轉矩的計算計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩分快速空載起和承受最大切削工作負載兩種情況進行計算。(1)、快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩式中快速空載起動力矩；空載起動時折算到電機上的加速力矩；折算到電機軸上的摩擦力矩；由于絲杠欲緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩可以忽略。其中式中傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的等校轉動慣量電機的最大轉速；運動部件動停止起動加速到最快進給速度所需時間;代入上式折算到電機軸上的摩擦力矩：根據(jù)上面的計算結果可得=0.019+0.0025=0.0215<1.96N*m比初選的電機的最大轉矩小符合設計要求。(2)、最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩式中包括三部分：折算到電動機軸上的最大工作負載轉矩，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩，滾珠絲杠預緊后折算到電動機軸上的附加摩擦轉矩。相對于和很小，可以忽略不計。則有其中式中進給方向上的最大切削力；代入數(shù)據(jù)計算得綜合以上數(shù)據(jù)可算得=經過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩：、步進電動機最大靜轉矩的選定根據(jù)來選擇步進電動機靜轉矩時候需要考慮安全系數(shù)。取，則,對于前面預選的90BF003型步進電動機由表4-5可知，，可見完全滿足要求。、步進電動機的性能校核最快工作進度時電動機輸出轉矩校核任務書給定，脈沖當量從90BF003步進電機的運行矩頻特性圖看出電動機的輸出轉矩大于,滿足要求。最快空載移動時電動機輸出轉矩校核任務書給定，則在此頻率下電動機輸出轉矩大于，滿足要求。最快移動時電動機運行頻率校核任務書給定對應的電動機運行頻率可知90BF003步進電機極限運行頻率為15000可見沒有超過上限。起動頻率的計算可知電動機軸上的總的轉動慣量，轉子慣量，電動機的空載起動頻率為，則求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：，上述說明保證步進電動機起動時不失步，任何時候都小于。綜上述，電動機90BF003滿足設計要求。第三章數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計3.1數(shù)控系統(tǒng) 通用平臺的控制系統(tǒng)要求實現(xiàn)X-Y兩坐標聯(lián)動，設置工作臺的越位報警和緊急事故的急停開關，并響應中斷，且具有快速驅動功能。根據(jù)以上條件考慮到數(shù)控裝置的尺寸、經濟型、實用性、可靠性等因素采用PLC控制系統(tǒng)來控制平臺的運行。由于三菱FX系列PLC擁有編程簡單，產品類型多，高性能，高速運算，具有很高的性價比特點，決定采用三菱FX系列的FX2N-型號PLC控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由數(shù)控部分，鍵盤、顯示器、I/O接口、擴展功能模塊、驅動器等幾部分組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用LED顯示器。3.2PLC數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計3.2.1PLC數(shù)控控制系統(tǒng)框圖數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件是組成系統(tǒng)的基礎，有了硬件軟件才能有效的運行驅動器1PGPLC控制信號驅動器1PGPLC控制信號步進電機外設（鍵盤、顯示器、蜂鳴器等）步進電機外設（鍵盤、顯示器、蜂鳴器等）圖3-1機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖3.2.3PLC的類型可編程控制器的結構多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結構。通常由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入單元（I/O）、電源盒編程器等幾個部分組成。PLC實質上是一種被專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件機構盒微機是基本一致。如圖：PLC硬件的基本結構圖根據(jù)其經濟性、實用性、可靠性、選擇三菱FX2N系列FX2N-32MR-001型號作為數(shù)控主控制器。具有系統(tǒng)配置既固定又靈活,編程簡單；備有可自由選擇，豐富的品種；令人放心的高性能，高速運算，使用于多種特殊用途；外部機器通訊簡單化，共同的外部設備等特點。它是一種小型化，高速度，高性能和所有方面都是相當于FX系列中高檔次的小型程序裝置。3.2.4擴展功能模塊的選型步進電機的PLC控制系統(tǒng)要由PLC控制器、步進電機、驅動器等器件組成，都是靠PLC發(fā)出的高速脈沖來控制的，這下指令都需要頻率來實現(xiàn)，產生脈沖個數(shù)的多少來實現(xiàn)準確的定位，所以控制的關鍵是控制產生的脈沖。為控制脈沖選擇使用三菱FX2N-1PG定位模塊，通過寫緩沖區(qū)的方式控制它發(fā)脈沖進行定位。FX2N-1PG有簡易控制所需的7種運行模式，可連接8臺，最大輸出100kHz的脈沖串通過順控系統(tǒng)進行定位等特點，滿足設計所需的要求。3.2.5I/O口接線設計I/O接口是一電子電路(以IC芯片或接口板形式出現(xiàn)),其內有若干專用寄存器和相應的控制邏輯電路構成。它是CPU和I/O設備之間交換信息的媒介和橋梁。CPU與外部設備、存儲器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過接口設備來實現(xiàn)，前者被稱為I/O接口，而后者則被稱為存儲器接口。存儲器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡單；而I/O設備品種繁多，其相應的接口電路也各不相同。它進行端口地址譯碼設備選擇,向CPU提供I/O設備的狀態(tài)信息和進行命令譯碼。進行定時和相應時序控制。對傳送數(shù)據(jù)提供緩沖，以消除計算機與外設在“定時”或數(shù)據(jù)處理速度上的差異。提供計算機與外設間有關信息格式的相容性變換和有關電氣的適配，還可以中斷方式實現(xiàn)CPU與外設之間信息的交換。根據(jù)設計要求系統(tǒng)的I/O口分配如下表：輸入端輸出端輸入設備輸入端子輸出設備輸出端子開關1（STOP）X00指示燈L2Y00開關2（復位）X01指示燈L3Y01開關3（X向正向）X02蜂鳴器1Y02開關4（X向反向）X03蜂鳴器2Y03開關5（Y向正向）X04蜂鳴器3Y04開關6（Y向反向）X05蜂鳴器4Y05開關7（X向正向點動）X06指示燈L4Y06開關8（X向反向點動）X07指示燈L5Y07開關9（Y向正向點動）X08指示燈L6Y08開關10（Y向反向點動）X09指示燈L7Y09熔斷器FU2COM1熔斷器FU3COM2熔斷器FU4COM33.3驅動器的選型步進電機驅動器是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速和定位的目的。驅動器接受的信號和輸出是一一對應的，即收到高電平，則對應的輸出端輸出高電平。驅動器把輸出電流給放大，以達到驅動電機的目的。因為控制器件的I/O口不能直接輸出這么大的電流來驅動步進電機?？紤]經濟實用性，且根據(jù)計算出的電機的各類數(shù)據(jù)選擇SH—3F090M步進電動機驅動器。3.4三相步進電機工作原理步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應的角位移(或線位移)的電磁裝置，是一種特殊的電動機。一般電動機都是連續(xù)轉動的，而步進電動機則有定位和運轉兩種基本狀態(tài)，當有脈沖輸進肘步進電動機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸進脈沖的個數(shù)嚴格成正比，在時間上與輸進脈沖同步，因此只要控制輸進脈沖的數(shù)目、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸進時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態(tài)。步進電動機按其輸出轉矩的大小來分，可以分為快速步進電動機和功率步進電動機?？焖俨竭M電動機連續(xù)工作頻率高而輸出轉矩較小，一般在N·cm級，可以作為控制小型精密機床的工作臺(例線切割機床)也可以和液壓轉矩放大器組成電液脈沖馬達往驅動數(shù)控機床的工作臺，而功率步進電動機的輸出轉矩就比較大是N·m級的，可以直接往驅動機床的移動部件。步進電動機按其勵磁相數(shù)，可以分為三相、四相、五相、六相甚至八相。一般來說隨著相數(shù)的增加，在相同頻率的情況下，每相導通電流的時間增加，各相均勻電流會高些，從而使電動機的轉速—轉矩特性會好些，步距角亦小。但是隨著相數(shù)的增加，電動機的尺寸就增加，結構亦復雜，目前多用3～6相的步進電動機。由于步進電動機的轉速隨著輸進脈沖頻率變化而變化，調速范圍很廣，靈敏度高，輸出轉角能夠控制，而且輸出精度較高，又能實現(xiàn)同步控制，所以廣泛地使用在開環(huán)系統(tǒng)中，也還可用在一般通用機床上，進步進給機構的自動化水平。步進電動機按其工作原理來分，主要有磁電式和反應式兩大類，這里只介紹常用的反應式步進電動機的工作原理，現(xiàn)用下圖的步進電動機的簡化圖來加以說明。

在電動機定子上有A、B、C三對磁極，磁極上繞有線圈，分別稱之為A相、B相和C相，而轉子則是一個帶齒的鐵心，這種步進電動機稱之為三相步進電動機。假如在線圈中通以直流電，就會產生磁場，當A、B、C三個磁極的線圈依次輪流通電，則A、B、C三對磁極就依次輪流產生磁場吸引轉子轉動。首先有一相線圈(設為A相)通電，則轉子1、3兩齒被磁極A吸住，轉子就停留在圖5—5a的位置上。然后，A相斷電，6相通電，則磁極A的磁場消失磁極B產生了磁場，磁極召的磁場把離它最近的2、4兩齒吸引過往，停止在圖b的位置上，這時轉子逆時針轉了30°。再接下往B相斷電，C相通電。根據(jù)同樣道理，轉子又逆時針轉了30°，停止在圖c的位置上。若再A相通電，C相斷開，那么轉子再逆轉30°，使磁極A的磁場把2、4兩個齒吸住。定子各相輪流通電一次轉子轉過一個齒。這樣按A→B→C→A→B→C→A→…次序輪流通電，步進電動機就一步一步地按逆時針方向旋轉。通電線圈每轉換一次，步進電動機