XY数控工作台机电系统设计样本

一种经济型数控机床的控制系统, 包括机床伺服系统和对该伺服系统进行控制的ＰＬＣ; 其特征在于, 还包括经过通信接口与ＰＬＣ通信的触摸屏, 所述触摸屏包括: 数据输入模块, 用于输入、修改被控参数的参数值和操作指令, 读取触摸屏的操作界面; 数据存储模块, 用于存储输入、输出数据; 数据处理计算模块, 用于对输入、输出参数数据进行处理、计算; 包括输入信号的编码运算; 输出信号的解码运算; 数据存储单元, 用于存储移位单元传递来的数据; 数据检测单元, 用于实时检测坐标轴的当前运动状态参数值, 包括距离、速度值, 以及控制方式参数值; 数据比较单元, 用于将检测单元检测到的坐标轴当前运动状态参数值、控制方式参数值与触摸屏存储模块的设定值进行比较;

X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是: 每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场; 由于步进电机通的是三相交流电因此输入的脉冲数目及时间间隔不同, 转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用, 从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动, 因此转子才能够实现转子带动丝杠作相应的运动。

模块化的X-Y数控工作台, 一般由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图1所示。其中, 伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠, 滚珠丝杠的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已标准化, 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, 能够选用标准的工业控制计算机, 也能够设计专用的微机控制系统。

题目: X-Y数控工作台机电系统设计

任务: 设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台,

主要参数如下:

( 1) 立铣刀最大直径d =15 mm;

( 2) 立铣刀齿数Z=3;

( 3) 最大铣削宽度a e=15 mm;

( 4) 最大铣削深度a p=8 mm;

( 5) 加工材料为碳素钢

( 6) X、 Y方向的脉冲当量δx =δy=0.005mm/脉冲;

( 7) X、 Y方向的定位精度均为±0.01 mm;

( 8) 工作台面尺寸为230 mm×230 mm,

加工范围为300 mm×200 mm;

( 9) 工作台空载最快移动速度v xmax =v ymax =3000 mm/min;

( 10) 工作台进给最快移动速度v xmaxf =v ymaxf =1200 mm/min。

总体方案的确定

1．机械传动部件的选择

( 1) 导轨副的选用要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床, 需要承受的载荷不大, 但脉冲当量小、定位精度高, 因此, 决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。

( 2) 丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要经过丝杠螺母副转换成直线运动, 要满足0.005mm的脉冲当量和±0.01mm的定位精度, 滑动丝杠副无能为力, 只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、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) 减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后, 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, 可能需要减速装置, 且应有消间隙机构。为此决定采用无间隙齿轮传动减速箱

( 4) 伺服电动机的选用任务书规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3000mm/min。因此, 本设计不必采用高档次的伺服电动机, 如交流伺服电动机或直流伺服电动机等, 能够选用性能好一些的步进电动机, 如混合式步进电动机, 以降低成本, 提高性/价比。

( 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的, 为了确保电动机在运转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率应与步进电动机的步距角相匹配。

考虑到X、 Y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、 Y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。

2．控制系统的设计

( 1) 设计的X-Y 工作台准备用在数控铣床上, 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, 因此控制系统应该设计成连续控制型。 ( 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AT89C52作为控制系统的CPU , 应该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, 还需要扩展程序存储器、 数据存储器、 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。

第四章 机械部分设计

4.1确定系统脉冲当量

任务书中所给定的脉冲当量是0.005mm

4.2. 导轨上移动部件的重量估算

按照下导轨之上移动部件的重量来进行估算。包括工件、 夹具、 工作平台、 上层电动机、 减速箱、 滚珠丝杠副、 直线滚动导轨副、 导轨座等, 估计重量约为800N 。

4.3 滚动导轨副的计算与选择

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。

查得立铣时的铣削力计算公式为: 0.850.750.73 1.00.10c e z

p 118a f d a n Z F -= ( 6-11)

今选择铣刀直径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a e =15mm, 铣削深度a p =8mm, 每齿进给量fz=0.1mm, 铣刀转

速300r/min 。则由式( 6-11) 求得最大铣削力: F c =118×150.85×0.10.75×15-0.73

×81.0×3000.13×3 N ≈1463 N

采用立铣刀进行圆柱铣削时, 各铣削力之间的比值可由表3-5查得, 结合图3-4a, 考虑逆铣时的情况, 可估算三个方向的铣削力分别为: F f =1.1F c ≈1609N ,

F

=0.38F c≈556N, F fn =0.25F c≈366N 图3-4a为卧铣情况, 现考虑立铣, 则工作e

台受到垂直方向的铣削力F z= F e =556N, 受到水平方向的铣削力分别为F f和F fn。

今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向( 丝杠轴线方向) , 则纵向铣

削力F x= F f=1609N, 径向铣削力F y=F fn=366N。

图3-4 铣削力的分析 a) 圆柱形铣刀铣削力 b) 面铣刀铣削力

( 1) 、滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取

工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y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向载荷为:

Fmax =G/4+F

( 6-12)

其中, 移动部件重量G＝800N, 外加载荷F=F z=556N, 代入( 6-12) 式得最

大工作载荷P C=756N=0.756kN。

查表3-41, 根据工作载荷P C=0.756kN, 初选直线滚动导轨副的型号为KL系

列的JSA-LG15型, 其额定动载荷C a=7.94 kN, 额定静载荷C0a=9.5 kN。

任务书规定工作台面尺寸为230mm×230mm, 加工范围为300mm×200mm, 考

虑工作行程应留有一定余量, 查表3-35, 按标准系列, 选取导轨的长度为

520mm。