數(shù)控車床開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計021

1、2006屆機制自動化專業(yè)畢業(yè)生論文(設(shè)計題目:數(shù)控車床開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化學(xué)號班級 2006級2班指導(dǎo)教師XX大學(xué)2010年10月摘要數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)通常是指各坐標(biāo)軸的進給伺服系統(tǒng)。它是數(shù)控系統(tǒng)和機床機械傳動部件間的連接環(huán)節(jié),它把數(shù)控系統(tǒng)插補運算生成的位置指令,精確地變換為機床移動部件的位移,直接反映了機床坐標(biāo)軸跟蹤運動指令和實際定位的性能。伺服系統(tǒng)的高性能在很大程度上決定了數(shù)控機床的高效率、高精度,是數(shù)控機床的重要組成部分。為了能得到更高控制精度我們可以根據(jù)伺服系統(tǒng)的組成進行選擇,從而達到理想的效果。關(guān)鍵詞:車床,數(shù)控,伺服系統(tǒng)引言 (4設(shè)計任務(wù) (4第一章伺

2、服系統(tǒng)的概述. 錯誤!未定義書簽。第二章開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 (52.1系統(tǒng)方案設(shè)計 (52.1.1執(zhí)行元件的選擇.錯誤!未定義書簽。2.1.2傳動機構(gòu)方案選擇錯誤!未定義書簽。2.1.3執(zhí)行機構(gòu)方案選擇.錯誤!未定義書簽。2.1.4控制系統(tǒng)方案的選擇.錯誤!未定義書簽。2.2 具體方案的設(shè)計計算和選擇. 錯誤!未定義書簽。2.2.1主切削力及其切削分力計算 (62.2.2導(dǎo)軌摩擦力的計算. 錯誤!未定義書簽。2.2.3計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力. 錯誤!未定義書簽。2.2.4確定進給傳動鏈的傳動比i和齒輪的選擇校核 (72.2.5滾珠絲杠的動載荷計算、直徑估算和設(shè)計 (82.2.6聯(lián)軸器的選

3、擇 (92.2.7滾珠絲杠螺母副承載能力校核和設(shè)計 (112.2.8計算機械傳動的剛度 (122.2.9電動機的選型與計算 (152.3 機械傳動系統(tǒng) (152.3.1機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 (152.3.2機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析 (16第三章伺服系統(tǒng)的控制與驅(qū)動 (173.1單片機、脈沖分配器的選擇 (173.2步進電機的驅(qū)動電路 (183.3 功率放大器的選擇 (183.4步進電機控制原理圖 (203.5 提高步進式伺服系統(tǒng)精度的措施 (21總結(jié)與體會 (22致謝 (22參考資料 (23數(shù)控車床控制系統(tǒng)設(shè)計姓名 胡月單位 馬鋼技師學(xué)院一.引言現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,極大地推動了不同學(xué)

4、科的交叉與滲透,導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域,由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化,使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化,使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,市場需求的產(chǎn)品日益逐漸復(fù)雜精密,精度要求也越來越高、更新?lián)Q代的周期也變的越來越短,從而促進類暗袋制造業(yè)的發(fā)展,尤其是宇航、軍工、造船、汽車和模具加工等行業(yè),其中普通機床進行加工(精度低、效率低、勞動度大已無法滿足大生產(chǎn)量要求,于是一種新型的用數(shù)字程序控制的機床應(yīng)運而生,這種機床運用了計算機技術(shù)、自

5、動控制、精密測量和機械設(shè)計等新技術(shù)的機械一體化典型產(chǎn)品即數(shù)控機床。二、設(shè)計任務(wù)設(shè)計參數(shù)如下:橫向:1. 工作臺重量:W=300N ;2. 最大進給速度:max V =1000mm/min ;3. 行程:S=200mm ;4. 脈沖當(dāng)量:p =0.004mm/P ;縱向:1. 工作臺重量:W=800N ;2. 行程:S=650mm ;3. 脈沖當(dāng)量:p =0.006mm/P ;4. 最大進給速度:max V =2000mm/min ;總體:x 、y 方向定位精度都為01.0mm ;滾珠絲杠的基本導(dǎo)程06L mm =;第一章伺服系統(tǒng)的概述數(shù)控伺服系統(tǒng)是指一機床運動部件的位置和速度作為控制量的自動控

6、制系統(tǒng),又稱為隨動系統(tǒng)。數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進給脈沖信號,經(jīng)過一定的信號變換及電壓、功率放大,驅(qū)動機床運動部件實現(xiàn)運動,并保證動作的快速性和準(zhǔn)確性。作為數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)它是數(shù)控機床的重要組成部分,研究和開發(fā)高性能伺服系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)之一。機電一體化伺服系統(tǒng)要求具有精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、負載能力強和工作頻率范圍大登記處要求,同時還要求體積小、重量輕、可靠性高和成本低等要求。第二章控制系統(tǒng)設(shè)計數(shù)控機床又分很多種類,其中按控制方式分類就包括開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)三種。1.開環(huán)控制(Open -loop control system

7、指調(diào)節(jié)系統(tǒng)不接受反饋的控制,只控制輸出,不計后果的控制。又稱為無反饋控制系統(tǒng),在數(shù)控機床中由步進電動機和步進電動機驅(qū)動線路組成。數(shù)控裝置根據(jù)輸入指令,經(jīng)過運算發(fā)出脈沖指令給步進電動機驅(qū)動線路,從而驅(qū)動工作臺移動一定距離,這種伺服系統(tǒng)比較簡單,工作穩(wěn)定,容易掌握使用,但精度和速度的提高受到限制。所以一般僅用于可以不考慮外界影響,或慣性小,或精度要求不高的一些經(jīng)濟型數(shù)控機床。2.閉環(huán)控制(closed-loop control system則是由信號正向通路和反饋通路構(gòu)成閉合回路的自動控制系統(tǒng),又稱反饋控制系統(tǒng)。在數(shù)控機床中由伺服電動機、比較線路、伺服放大線路、速度檢測器和安裝在工作臺上的位置檢測

8、器組成。這種系統(tǒng)對工作臺實際位移量進行自動檢測并與指令值進行比較,用差值進行控制。這種系統(tǒng)定位精度高,但系統(tǒng)復(fù)雜,調(diào)試和維修困難,價格較貴,主要用于高精度和大型數(shù)控機床。3.半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理和閉環(huán)伺服系統(tǒng)相似,只是位置檢測器不是安裝在工作臺上,而是安裝在伺服電動機的軸上。這種伺服系統(tǒng)所能達以的精度、速度和動太特性優(yōu)于開環(huán)伺服系統(tǒng),其復(fù)雜性和成本低于閉環(huán)伺系統(tǒng),主要用于大多數(shù)中小型數(shù)控機床,且能滿足市場要求所以,目前應(yīng)用最為廣泛。 開環(huán)步進伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1系統(tǒng)方案設(shè)計2.1.1 執(zhí)行元件的選擇選擇執(zhí)行元件時應(yīng)綜合考慮負載能力、調(diào)速范圍、運行精度、可控性、可靠性以及體積、成本等多方面要

9、求。開環(huán)伺服系統(tǒng)中可采用步進電動機、電液脈沖馬達、伺服閥控制的液壓缸和液壓馬達等作為執(zhí)行元件,其中步進電動機應(yīng)用最為廣泛。一般情況下應(yīng)優(yōu)先選用步進電動機,當(dāng)其負載能力不夠時,再考慮選用電液脈沖馬達等。2.1.2傳動機構(gòu)方案的選擇傳動機構(gòu)實質(zhì)上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)之間的一個機械接口,用于對運動和力進行變換和傳遞。在伺服系統(tǒng)中,執(zhí)行元件以輸出旋轉(zhuǎn)運動和轉(zhuǎn)矩為主,而執(zhí)行機構(gòu)則多為直線運動。用于將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的傳動機構(gòu)主要有齒輪齒條和絲杠螺母等。前者可獲得較大的傳動比和較高的傳動效率,所能傳遞的力也較大,但高精度的齒輪齒條制造困難,且為消除傳動間隙而結(jié)構(gòu)復(fù)雜;后者因結(jié)構(gòu)簡單、制造容易而應(yīng)用廣

10、泛。尤其是滾動絲杠螺母副,目前已成為伺服系統(tǒng)中的首選傳動機構(gòu)。在步進電動機與絲杠之間運動的傳遞可有多種方式?？蓪⒉竭M電動機與絲杠通過聯(lián)軸器直接連接,其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,可獲得較高的速度,但對步進電動機的負載能力要求較高。此外,步進電動機還可通過減速器傳動絲杠。減速器的作用主要有三個,即配湊脈沖當(dāng)量、轉(zhuǎn)矩放大和慣量匹配。當(dāng)電動機與絲杠中心距較大時,可采用同步齒形帶傳動,否則可采用齒輪傳動,但應(yīng)采取措施消除其傳動間隙。2.1.3執(zhí)行機構(gòu)方案的選擇執(zhí)行機構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對象,是實現(xiàn)實際操作的機構(gòu),應(yīng)根據(jù)具體操作對象及其特點來選擇和設(shè)計。一般來講,執(zhí)行機構(gòu)中都包含有導(dǎo)向機構(gòu),執(zhí)行機構(gòu)方案的選擇主要是

11、導(dǎo)向機構(gòu)的選擇。導(dǎo)向機構(gòu)即導(dǎo)軌,主要有滑動和滾動兩大類,每一類按結(jié)構(gòu)形式和承載原理又可分成多種類型。在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用較多的是塑料貼面滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌,其原理和特點已在第2章作了介紹,設(shè)計時可根據(jù)具體情況合理選用。值得一提的是市場上新出現(xiàn)的一種稱為線性組件的產(chǎn)品,它將滾動絲杠螺母副或齒形帶傳動與滾動導(dǎo)軌集成為一體,統(tǒng)一潤滑與防護,系列化設(shè)計,專業(yè)化生產(chǎn),體積小,精度高,成本低,易于安裝,有的還配套提供執(zhí)行元件和相應(yīng)的控制裝置,為伺服系統(tǒng)的設(shè)計和制造提供了極大的方便。2.1.4控制系統(tǒng)方案的選擇控制系統(tǒng)方案的選擇包括微型計算機、步進電動機控制方式、驅(qū)動電路等的選擇。常用的微型計算機有可編程序控制

12、器(PLc、單片機、工業(yè)控制微型計算機等,其中PLc、單片機由于在體積、成本、可靠件和控制指令功能等許多方面的優(yōu)越性,在伺服系統(tǒng)的控制中得到了非常廣泛的應(yīng)用。步進電動機的控制方式和驅(qū)動電源等可按上面的介紹來選擇。2.2 具體方案的設(shè)計計算和選擇2.2.1主切削力及其切削分力計算P為7.5kw,最大工件直徑D=400mm,主軸計算轉(zhuǎn)速已知機床主電動機的額定功率mn=85r/m 。在此轉(zhuǎn)速下,主軸具有最大扭矩和功率,道具的切削速度為33.144001085 1.78/6060Dnv m s -=1780mm/s 取機床的機械效率0.8=,則有 3103370.79mz P F N N v =走刀方

13、向的切削分力x F 和垂直走刀方向的切削分力y F 為0.250.253370.79842.7x z F F N N =0.40.43370.791348.32y z F F N N =2.2.2導(dǎo)軌摩擦力的計算導(dǎo)軌受到垂向切削分力3370.79v z F F N =,縱向切削分力c y F F =1348.32N ,移動部件的全部質(zhì)量(包括機床夾具和工件的質(zhì)量m=30.61kg(所受重力W=300N,查表得鑲條緊固力2000g f N =,取導(dǎo)軌動摩擦系數(shù)0.15=,則(g v c F W f F F =+0.15(30020003370.791348.32=+1052.87N =計算在不切

14、削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力0F 和0F0(0.15(3002000345g F W f N =+=+=00(0.2(3002000460g F W f N =+=+=2.2.3計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力計算最大軸向負載力max a Fmax (1348.321052.872401.19a y F F F N N =+=+=計算最小軸向負載力min a Fmin 0345a F F N =2.2.4確定進給傳動鏈的傳動比i 和齒輪的選擇校核取步進電動機的步距角 1.5=,滾珠絲杠的基本導(dǎo)程06L mm =,進給傳動鏈的脈沖當(dāng)量0.004/p mm P =,則有0 1.56 6.253603600.

15、004p L i = 采用硬齒面漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪就可以滿足設(shè)計要求。1.齒輪材料,熱處理及精度高速級小齒輪選用45o鋼調(diào)制,齒面硬度為大齒輪250HBS ,Hlin1=620Mpa ,FE1=480Mpa高速級大齒輪選用45o 鋼調(diào)制,齒面硬度為大齒輪220HBS ,Hlin2=600Mpa ,FE2=460Mpa查表得,S H =1.1,S F =1.25 H1= Hlin1/ S H =564MpaH2= Hlin2/ S H =545MpaF1= FE1/ S H =564MpaF2= FE2/ S H =564Mpa2. 齒輪精度按GB/T10095-1998,選擇8級3.初步設(shè)計齒

16、輪傳動的主要尺寸高速級傳動比i=3,高速軸轉(zhuǎn)速n=1000r/min 傳動功率P=7.5kw齒輪按8精度制造。取載荷系數(shù)K=1.5齒寬系數(shù)8.0=d 小齒輪上轉(zhuǎn)矩T 1=9.55x106x(P/n=7.2x104N.mm 取彈性系數(shù)188=E Z ,節(jié)點區(qū)域系數(shù)5.2=H Zd 132112(H ZHZE i i d KT =65.3mm齒數(shù)221=Z ,則782254.32=Z ,則實際傳動比54.32278122=z z i 模數(shù)265.3203.6511=Z d m 齒寬mm d b d 24.523.658.01=取mm b mm b 65,6012=按表取mm m5.3=,mm d

17、775.3221=,mm d 2765.3782= 中心距mm d d a 175221=+= 齒頂圓直徑:d a1=m (z 1+2=84mm; d a2=m(z 2+2=315mm齒根圓直徑:d f1=m(z 1-2.5=68.25mm; d f2=m(z 2-2.5=264.25mm齒頂高:h a =m=3.5mm齒根高:h f =1.25m=4.375mm4.驗算齒輪彎曲強度齒形系數(shù)84.21=Fa Y ,58.11=Sa Y26.22=Fa Y ,73.12=Sa YMpaMpa z bm Y Y KT F Sa Fa F 38492225.36058.184.2101.15.122

18、12521111= MpaMpa Y Y Y Y F Sa Fa Sa Fa F F 3688058.184.273.126.2922112212=2227.915.54m d mm d mm =滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷,徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求,其兩端支承的配置情況有:一端軸向固定一端自由的支承配置方式,通常用于短絲杠和垂直進給絲杠;一端固定一端浮動的方式,常用于較長的臥式安裝絲杠;以及兩端固定的安裝方式,常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的絲杠,這種配置方式可對絲桿進行預(yù)拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式,以實現(xiàn)高剛度、高精度以及對

19、絲杠進行拉伸。絲杠中常用的滾動軸承有以下兩種:滾針推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60角接觸軸承,在這兩種軸承中,60角接觸軸承的摩擦力矩小于后者,而且可以根據(jù)需要進行組合,但剛度較后者低,目前在一般中小型數(shù)控機床中被廣泛應(yīng)用。滾針圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。60角接觸軸承的組合配置形式有面對面的組合、背靠背組合、同向組合、一對同向與左邊一個面對面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差,又由于面對面組合方式,兩接觸線與軸線交點間的距離比背對背時小,實現(xiàn)自動調(diào)整較易。因此在進給傳動中面對面組合用得較多。 在此課題中采用了以面對面配對組合的60角接觸軸承,組合方式為D

20、DB 。以容易實現(xiàn)自動調(diào)整。滾珠絲杠工作時要發(fā)熱,其溫度高于床身。為了補償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差,可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu),使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。如圖為滾珠絲杠螺母與驅(qū)動電動機的聯(lián)接圖:2.2.6滾珠絲杠螺母副承載能力校核和設(shè)計一、已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑227.9d mm =,已知滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度1300L mm =,絲杠水平安裝時,取11/3K =,查表得22K =,則有 4455212221127.910210448831.213300c d F K K N N L = 本車床橫向進給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為2401.19amax F N =,遠

21、小于其臨界壓縮載荷c F 的值,故滿足要求。二、滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計算長度2300L mm =,其彈性模量52.110E = MPa ,密度5317.810/N mm g-=,重力加速度329.810/g mm s = (1 滾珠絲杠的最小慣性矩為 4442 3.1427.929728.056464I d mm = (2滾珠絲杠的最小截面積為 2222 3.1427.9611.0544A d mm = 取10.8K =,查表得 3.927=,則有c n K = 0.8= 4692249/min r =本橫向進給傳動鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為166.67r/m ,遠小于其臨界轉(zhuǎn)速,故滿

22、足要求。三、滾珠絲杠螺母副額定壽命的校核,滾珠絲杠的額定動載荷20200a C N =,已知其軸向載荷max 2401.19a a F F N =,滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速max 166.67/min n n r =,運轉(zhuǎn)條件系數(shù)1.2w f =,則有 363620200(10(102401.19 1.2a a w C L r F f = 6344.53310r = 6344.53310344536060166.67h L L h h n = 本車床數(shù)控化改造后,滾珠絲杠螺母副的總工作壽命3445315000h L h h =,故滿足要求。本次設(shè)計采用的是內(nèi)循環(huán)的絲杠螺母副,精度為3級,與步進電機的連接

23、方式為聯(lián)軸器連接,與齒輪的連接則采用齒輪軸連接。2.2.7聯(lián)軸器的選擇采用撓性聯(lián)軸器,因為它能補償因同軸度及垂直度誤差引起的干涉現(xiàn)象,如圖: 1壓圈 : 2聯(lián)軸套 ; 3柔性片 ;4球面墊 ;5錐環(huán)2.2.8計算機械傳動的剛度已知滾珠絲杠的彈性模量52.110E MPa =,滾珠絲杠的底徑227.9d mm =。當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離300Y a L mm =時,滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度min s K 22532min 3.1427.9 2.11010427.73/44300s Y d EK N m L -= 當(dāng)100J a L mm =時,滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓

24、剛度max s K 22532max 3.1427.9 2.110101283.21/44100s J d EK N m L -= 已知滾動體直徑 6.75Q d =mm ,滾動體個數(shù)Z=15.軸承接觸角60=。軸承最大軸向工作載荷max max 2401.19B a F F N =。則滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度b K 為:2 2.34b K = 2 2.34= 654.49/N m =查表得滾珠與滾道的接觸剛度683/K N m =,滾珠絲杠的額定動載a C = 20200N 。已知滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷max 2401.19a F N =則 11max 332401.19(683

25、(/723.51/0.10.120200a c a F K K N m N m C = 進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 max max 11111110.0036891283.21654.49723.51s b c K K K K =+=+= 故max 723.51/K N m =。進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度最小值為min min 11111110.005248427.73654.49723.51s b c K K K K =+=+= 故min 191/K N m =已知扭矩作用點之間的距離2355L mm =,滾珠絲杠的剪切模量8.1G =410MPa ,滾珠絲杠的底徑227.9d m

26、m =,則有 441246232 3.1427.9108.11010323235510d GK L -= 13566.04/N m rad = 2.2.9電動機的選型與計算(1計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量已知滾珠絲杠的密度337.810/kg cm -=,則有34210.7810 1.38nr j jj J D L kg cm -= (2計算折算到絲杠軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量已知橫向進給系統(tǒng)執(zhí)行部件的總質(zhì)量為m=30.61kg;絲杠軸每轉(zhuǎn)一圈,機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=0.6cm 則2220.6(30.61(0.2822 3.14L L J m kg cm = (3計算各齒輪的轉(zhuǎn)動慣量3422

27、130.7810420.4z z J J kg cm kg cm -=342220.781012232.3z J kg cm kg cm -= 34224420.7810(27.85z J kg cm kg cm -= (4計算加在電動機軸上總負載轉(zhuǎn)動慣量d J123422111(d z z z z r L J J J J J J J i i =+ 2110.4(32.30.4(7.8 1.380.289 6.25=+ 24.275kg cm =(5計算折算到電動機軸上的切削負載力矩c T已知在切削狀態(tài)下的軸向負載力max 2401.19a a F F N =,絲杠每轉(zhuǎn)一圈,機床執(zhí)行部件軸向移

28、動的距離L=6mm=0.006m ,進給傳動系統(tǒng)的傳動比i =6總效率=0.85,則有 2401.190.0060.4322 3.140.85 6.25a c F L T N m N m i =(6計算折算到電動機上的摩擦負載力矩T 已知在不切削狀態(tài)下的軸向負載力矩0345F N =,則有 03450.0060.06222 3.140.85 6.25F LT N m i = (7計算由滾珠絲杠預(yù)緊力p F 產(chǎn)生的并折算到電動機軸上的附加負載力矩f T 已知滾珠絲杠螺母副的效率00.98=,滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力p F 為 max 1800.43p a F F N = 0220800.40.00

29、6(1(10.980.005722 3.140.85 6.25p f F L T N m i =-=-= 折算到電動機軸上的負載力矩T 的計算?？蛰d時(快進力矩,為(0.0620.00570.068KJ f T T T N m N m =+=+=切削時(工進力矩,為(0.430.00570.436GJ c f T T T N m N m =+=+=根據(jù)以上計算結(jié)果和查表初選110BF003型反應(yīng)式步進電動機,其轉(zhuǎn)動慣量24.6m J kg cm =;而進給傳動系統(tǒng)的負載慣量22.8d J kg cm =;對于開環(huán)系統(tǒng),一般取加速時間0.05a t s =。當(dāng)機床以最快進給速度1000/min

30、v mm =運動時電動機的最高轉(zhuǎn)速為:max 1000 6.25/min 1041.67/min 6n r r = max 2(60980ap m d a in T J J t =+ 2 3.141041.67 6.25(4.6 2.8609800.05=+ 102.910.08kgf cm N m =(8計算橫向進給系統(tǒng)所需的折算到電動機軸上的各種力矩計算空載啟動力矩q T(10.080.0620.005710.15q ap f T T T T N m N m =+=+= 計算快進力矩KJ T(0.0620.00570.068KJ f T T T N m N m =+=+= 計算工進力矩GJ

31、 T(0.430.00570.44GJ c f T T T N m N m =+=+=(9選擇驅(qū)動電動機的型號根據(jù)以上計算和查表選擇國產(chǎn)110BC380F 型電動機,其主要參數(shù)如下:相數(shù):3;步距角0.75/1.5;最大靜轉(zhuǎn)矩,11.76N.m ;最高空載啟動頻率,1800Hz ;。 確定最大靜轉(zhuǎn)矩s T :機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩q T 與所需的步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩1s T 的關(guān)系為:10.951q s T T =110.1510.670.9510.951qs T T N m N m =機械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩q T 與所需的步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩2s T 的關(guān)系為: 20.441.470

32、.30.3GJ s T T N m N m = 取1s T 和2s T 中的較大者為所需的步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩s T =10.67N m 。本電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩為11.76N.m ,大于s T ,可以在規(guī)定的時間內(nèi)正常啟動,故滿足要求。 驗算慣量匹配,為了使機械傳動的慣量達到較合理的匹配,系統(tǒng)的負載慣量L J 與伺服電動機的轉(zhuǎn)動慣量m J 之比一般應(yīng)滿足下式: 0.251dmJ J 因為4.7250.4360.25,19.8d m J J =,故滿足慣量匹配要求。 2.3 機械傳動系統(tǒng)2.3.1機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度60min 19110/K K N m =,機床

33、執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量分別為m 、s m ,滾珠絲杠螺母副和機床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為1/3d s m m m =+,已知m=30.61kg ,則:233.2647.810 4.014s m kg -= 11(30.61 4.0131.9533d s m m m kg kg =+=+=/2445/nc s rad s = = 折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量為222(9.8 4.275 6.25880.0088s i J J kg cm kg cm kg m =+=已知滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度13566.04/s K K N m rad =,則1241.6/nt rad s = =

34、 由以上計算可知,絲杠工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率nc 、扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率nt 都比較高。一般按300/n rad s =的要求來設(shè)計機械傳動系統(tǒng)的剛度,故滿足要求。2.3.2機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析(1計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)已知進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值6min 19110/K N mm =,導(dǎo)軌的靜摩擦力為0460F N =,則33306min 2246021010 4.821019110F mm mm K -= 即 4.828m m =,故滿足要求。(2計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差max k 3max 0min max11(10k F K

35、 K =- 336611460(100.71101911027110mm -=-= 即max 0.716k m m =,故滿足要求。 (3計算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差已知負載力矩68KJ T T N mm =,扭矩作用點之間的距離2355L mm =,絲杠底徑227.9d mm =,則有 222442683557.21107.21100.002927.9TL d -= 由該扭轉(zhuǎn)變形引起的軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度,有0.002960.05360360L mm m =第三章伺服系統(tǒng)的控制與驅(qū)動由于步進電機基本上以開環(huán)電路驅(qū)動,用于位置控制,但是在驅(qū)動高速轉(zhuǎn)動時振動(噪聲以及高速運行

36、困難等問題,為了彌補這些缺點可安裝角速度傳感器,從而形成閉環(huán)控制,用以檢測并避免失步。3.1單片機、脈沖分配器的選擇脈沖分配器的主要功能是把來源于控制環(huán)節(jié)的時鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進電動機驅(qū)動器的各相輸入端。脈沖分配器的輸出既是周期性的,又是可逆的。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)中,控制器與驅(qū)動器之間的聯(lián)系分為串行控制和并行控制。串行控制時,控制器輸出時鐘脈沖串和方向電平,靠驅(qū)動器中的脈沖分配器轉(zhuǎn)換成并行驅(qū)動信號驅(qū)動,控制各相繞組的導(dǎo)通和截至。時鐘脈沖的有無決定了電動機的運行和停止,脈沖的頻率決定電機運行的速度,方向電平?jīng)Q定運轉(zhuǎn)的方向。并行控制時,控制器直接輸出各相繞組導(dǎo)通或截至的并行信號,此時脈沖分

37、配器設(shè)在控制器中。 三相六拍脈沖分配控制原理圖CPU選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52,采用8279,和W27C512,6264芯片做為I/O和存儲器擴展芯片。W27C512用做程序存儲器,存放監(jiān)控程序;6264用來擴展AT89S52的RAM存儲器存放調(diào)試和運行的加工程序;8279用做鍵盤和LED顯示器借口,鍵盤主要是輸入工作臺方向,LED顯示器顯示當(dāng)前工作臺坐標(biāo)值;系統(tǒng)具有超程報警功能,并有越位開關(guān)和報警燈;其他輔助電路有復(fù)位電路,時鐘電路,越位報警指示電路?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖所示。 3.2步進電機的驅(qū)動電路如圖,A 、B 、C 分別為步進電機的三相,每相由一組放大器驅(qū)動。放大

38、器輸入端與環(huán)形脈沖分配器相連。在沒有脈沖輸入時,3DK4和3DD15功率放大器均截止。繞組中無電流通過。電動機不轉(zhuǎn)。當(dāng)A 相得電,電動機轉(zhuǎn)動一步。當(dāng)脈沖依次加到A 、B 、C 三個輸入端時,三組放大器分別驅(qū)動不同繞組,使電動機一步一步的轉(zhuǎn)動。電路中與繞組并聯(lián)的二極管VD 分別起續(xù)流作用,即在功放管截止時,使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放, 從而保護功放管。3.3功率放大器的選擇 功率放大器是用作放大電路的輸出級,以驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。素以我采用了美國半導(dǎo)體器件公司生產(chǎn)的集成功率放大器LM384。它的電路形式為OTL ;輸出功率在8負載上可得到5W 功率;電源電壓最大為28V ;有十四個

39、電源端。它的外部電路的典型接法如圖:低通濾波,去除高頻噪聲外界旁路電容3.4 步進電機控制原理圖 3.5 提高步進式伺服系統(tǒng)精度的措施步進式伺服系統(tǒng)是一個開環(huán)伺服系統(tǒng) ,在此系統(tǒng)中,步進電機的質(zhì)量、機械傳動部分的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量以及控制電路的完善與否,均影響系統(tǒng)的工作精度。要提高系統(tǒng)的工作精度,應(yīng)考慮:如改善步進電機的性能,減小步距角;采用精密傳動副,減少傳動鏈中傳動間隙等。但這些因素往往由于結(jié)構(gòu)和工藝的關(guān)系而受到一定的限制。為此,需要從控制方法上采取一些措施,彌補其不足。1.傳動間隙補償:即當(dāng)接收到反向位移指令時,不向步進電機輸送反向位移脈沖,而是有間隙補償電路或軟件產(chǎn)生一定數(shù)量的補償脈沖,使步進電機轉(zhuǎn)動越過傳動間隙,然后再按照指令脈沖使執(zhí)行部件做準(zhǔn)確位移。2.螺距誤差補償:采用多種方法來補償絲杠螺距累積誤差從而提高工作臺的位置精度。方法如:安置兩個補償桿分別負責(zé)正誤差和負誤差的補償;在兩個補償桿上,根據(jù)絲杠全程的誤差分布情況及如上所述螺距誤差的補償原理,設(shè)置補償