通用两维运动平台说明书22

1、内蒙古工业大学专业综合设计（二）摘 要X-Y工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对X-Y工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。本次课程设计，主要设计和研究工作台及其电气原理图。确定工作台的传动系统，并且选择了滚珠丝杠螺母的传动，验算了滚珠丝杠螺母的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩

2、、转动惯量。利用PLC设计其硬件电路图。【关键词】：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；PLC控制18目录第一章 总体设计方案11.1系统运动方式的确定与驱动系统的选择11.2机械传动方式11.3数控系统选择11.4总体方案的确定2第二章 机床进给驱动系统机械部分设计计算32.1 设计参数32.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型32.2.1 X向进给丝杠32.2.2 Y向进给丝杠52.2.3滚珠丝杠副的几何参数72.3 直线滚动导轨的计算与选择72.3.1 滚动导轨副的工作载荷计算72.4 步进电机的计算与选择92.4.1 转动惯量的计算92.4.2 电机的转矩的计算10第三章 数控系统硬件

3、电路设计133.1 数控系统133.2 PLC数控系统硬件电路设计133.2.1 PLC数控控制系统框图133.2.3 PLC的类型143.2.4扩展功能模块的选型143.2.5 I/O口接线设计153.3 驱动器的选型163.4 三相步进电机工作原理163.5 控制系统的工作原理17内蒙古工业大学专业综合设计（二）第一章 总体设计方案1.1系统运动方式的确定与驱动系统的选择运动方式可分为点位控制系统、点位/点线系统和连续控制系统。为了满足二维运动平台实现X-Y两坐标联动,运动定位,暂停,急停等功能,故选择连续控制系统。驱动系统有开环、闭环和半闭环。本方案利用了开环系统，利用步进电机进行驱动。

4、1.2机械传动方式 为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机转动丝杠。为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。1.3数控系统选择 通用平台的控制系统要求实现X-Y两坐标联动，设置工作台的越位报警和紧急事故的急停开关，并响应中断，且具有快速驱动功能。根据以上条件考虑到数控装置的尺寸、经济型、实用性、可靠性等因素采用PLC控制系统来控制平台的运行。1.4总体方案的确定数控驱动器驱动器步进电机步进电机工作平台中拖板图11 XY数控工作台总体方案设计第二章 机床进给驱动系统机械部分设计计算2.1 设计参数1、工作

5、台台面尺寸：250×2002、工作台移动尺寸： X×Y=160×1253、夹具和工作台总重： 4、最高运行速度：步进电动机运行方式：空载：1.5m/mim：切削：0.7m/min；交流伺服电动机运行方式：空载：15m/mim：切削：6m/min；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式0.005mm/step；6、系统定位精度：开环模式0.10mm；半闭环模式±0.01mm/step；7、切削负载：X向300N；Y向 400N；Z向 500N； 2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型2.2.1 X向进给丝杠（1）、计算工作载荷力作用在滚珠丝

6、杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为综合导轨的计算公式。计算公式为：式中 、-切削分力（N）； -移动部件上的重量（N）； -主轴上的扭距（N·cm）； -导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同； -考虑颠复力矩影响的实验系数；综合导轨的 , ，取，式中，, ，代入计算得 （2）、计算最大动载荷初选丝杠导程，则此时丝杠转速取滚珠丝杠的使用寿命，代入丝杠寿命系数查表3-30取载荷系数，再取硬度系数，代入式3-23求得最大载荷 （3）、滚珠丝杠螺母副

7、的选型所选丝杠螺母副规格如下（其中载荷单位为kgf）表2-1 丝杠螺母副规格根据以上算得的最大动负载在表中选用型号额定动载荷为4612，满足前面进给方向的要求。（4）、传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率： 式中 -丝杠螺旋升角； -摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。 导程代入由选用的W1L2506的滚珠死杠的相关数据可知丝杠螺旋升角代入公式计算得 2.2.2 Y向进给丝杠（1）计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公

8、式为矩形导轨的计算公式。最大工作载荷的计算公式如下：式中 -进给方向载荷（N）； -横向载荷（N）； -垂直载荷（N）； -导轨上的摩擦因数； -颠复力矩影响系数； -移动部件总重力；综合导轨的, ，取，式中， ， 代入计算得 （2） 最大动载荷的计算最大动载荷的计算公式如下： 式中 ，取； -滚珠丝杠副的寿命，以为一单位； -载荷系数，由表3-30查的； -硬度系数， -滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为代入计算的 （3） 规格型号的初选 由额定动载荷和额定静载荷，查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列1604-3型滚珠丝杠副，为固定反向器单螺母式，其公称直径为16mm，导

9、程为4mm，循环滚珠数为3圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为4612N大于，满足要求。（4）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率： 式中 -丝杠螺旋升角，由 -摩擦角，一半取。代入公式计算得 （5）、刚度的验算1、丝杠支承的中心距约为 钢的弹性模量查表得滚珠直径 丝杠底径 丝杠截面积丝杠在工作载荷作用下产生的拉压变形2、根据公式该型号丝杠为单螺母，圈数列数 3圈数列数=183=54，取轴向预紧力N因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半（6）、压杆稳定性校核 根据式（328）计算失稳时的临界载荷,查表3-34，取支撑系数；有丝杠底径，求的截面惯性矩；压杆稳定安全系

10、数;支撑距离，代入式（3-28），,远大于工作载荷，故丝杠不失稳。综上述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。（7）滚珠丝杠的长度确定X向和Y向： 螺纹长度；支承跨距；丝杠全长；2.2.3滚珠丝杠副的几何参数图2-2 滚珠丝杠副几何参数2.3 直线滚动导轨的计算与选择目前，滚动导轨在数控机床上应用非常广泛，因为其摩擦系数=；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度的变化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低度运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，所以选用滚动导轨。2.3.1 滚动导轨副的工作载荷计算(1) 、滑块承受工作载荷的计算及导轨的选取 工作载荷是影响导轨

11、副的使用寿命的重要因素。对于水平布置的十字工作台，多采用双导轨、四滑块的支承形式。滑块承受工作载荷的计算公式： 根据=0.625,初选直线导轨滚动导轨副的型号为表（3-41）JSA-KL型直线滚动导轨 任务书工作台面工作台台面尺寸：250×200工作台加工范围， X×Y=160×125，查表（3-35）得选取导轨长度为400mm。(2)、距离额定寿命的计算1、额定寿命计算其计算公式如下： 式中 -距离额定寿命，单位为Km -额定动载荷；额定动载荷-计算载荷, -温度系数；运行时的温度小于100查相关资料可的；-接触系数；导轨上的滑块数为2查相关资料 -载荷系数；无

12、明显冲击和震动，中速运动场合速度在15-60m/min之间查相关资料-硬度系数；滚道硬度不得低于HRC58故通常取代入公式计算得：=11768km2、寿命时间的计算 L远大于 故初选型号满足设计要求。表2-3 直线导轨副的参数2.4 步进电机的计算与选择选用步进电机时，必须首先根据机械设计结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效惯量，分别计算各种共况条件下所需的等效力矩，再根据步进电机最大转矩选择合适的步进电机。2.4.1 转动惯量的计算(1）、丝杠的转动惯量计算 由于用步进电机则省去了齿轮的传动比，以及齿轮的转动惯量的计算所以只要计算丝杠本身的转动惯量即可,丝杠导程=4mm，名义直

13、径,两支撑间距L=289mm可计算出丝杠的转动惯量，公式如下： 由于丝杠是通过联轴器与电机直接进行连接的，所以，丝杠折算到电机轴上的转动惯量(2)、工作台折算到丝杠上的转动惯量根据机电装备设计课程设计指导书表4-22所示工作台折算到丝杠轴上的转动惯量，由丝杠导程L0=4mm，工作台重量为500N，则工作台的折算转动惯量为： (3)、丝杠传动时传动系折算到电机上的总的转动惯量由于丝杠是通过联轴器与电机直接进行连接的，所以，丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量为：在上式中没有考虑电机转子本身的转动惯量，根据实践经验，传动系统惯量和转子惯量之间，有一个惯量匹配的问题，的比值不能太小，否则机床

14、动态特性将主要取决于负载特性，此时不同重量和行程的各坐标的特性将有很大差别，并且很容易受切削力、摩擦力等干扰的影响。但是的比值太大，也是很不经济的。电机转子的转动惯量可以查出，初选步进电机型号为90BF003，电动机转子的转动惯量为 所以=1.61，基本满足惯量匹配要求。传动系统折算到电机轴上的总转动惯量为0.9732.4.2 电机的转矩的计算计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载起和承受最大切削工作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 式中 -快速空载起动力矩； -空载起动时折算到电机上的加速力矩； -折算到电机轴上的摩擦力矩； -由于丝杠欲紧时

15、折算到电机轴上的附加摩擦力矩可以忽略。其中 式中 传动系统折算到电机轴上的总的等校转动惯量 -电机的最大转速； -运动部件动停止起动加速到最快进给速度所需时间;代入上式 折算到电机轴上的摩擦力矩： 根据上面的计算结果可得 =0.019+0.0025 =0.0215<1.96N*m比初选的电机的最大转矩小符合设计要求。(2)、最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 式中 包括三部分：折算到电动机轴上的最大工作负载转矩 ，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 ，滚珠丝杠预紧后折算到电动机轴上的附加摩擦转矩 。相对于和很小，可以忽略不计。则有 其中 式中 -进给方向上的最大切削力；

16、代入数据计算得 综合以上数据可算得 =经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：(3) 、步进电动机最大静转矩的选定 根据来选择步进电动机静转矩时候需要考虑安全系数。取，则,对于前面预选的90BF003型步进电动机由表4-5可知，可见完全满足要求。(4) 、步进电动机的性能校核1） 最快工作进度时电动机输出转矩校核 任务书给定，脉冲当量 从90BF003步进电机的运行矩频特性图看出电动机的输出转矩大于,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，则在此频率下电动机输出转矩大于，满足要求。3） 最快移动时电动机运行频率校核 任务书给定 对应的电动机运行频率可知

17、90BF003步进电机极限运行频率为15000可见没有超过上限。4） 起动频率的计算 可知电动机轴上的总的转动惯量，转子惯量，电动机的空载起动频率为，则求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：，上述说明保证步进电动机起动时不失步，任何时候都小于。 综上述，电动机90BF003满足设计要求。 第三章 数控系统硬件电路设计3.1 数控系统通用平台的控制系统要求实现X-Y两坐标联动，设置工作台的越位报警和紧急事故的急停开关，并响应中断，且具有快速驱动功能。根据以上条件考虑到数控装置的尺寸、经济型、实用性、可靠性等因素采用PLC控制系统来控制平台的运行。由于三菱FX系列PLC拥有编程简单，产品类型多，

18、高性能，高速运算，具有很高的性价比特点，决定采用三菱FX系列的FX2N-型号PLC控制系统。控制系统由数控部分，键盘、显示器、I/O接口、扩展功能模块、驱动器等几部分组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用LED显示器。3.2 PLC数控系统硬件电路设计3.2.1 PLC数控控制系统框图 数控系统由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础，有了硬件软件才能有效的运行驱动器1PGPLC控制信号步进电机外设（键盘、显示器、蜂鸣器等）图3-1机床数控系统硬件框图3.2.3 PLC的类型可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。通常由中央处

19、理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入单元（I/O）、电源盒编程器等几个部分组成。PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件机构盒微机是基本一致。如图：PLC硬件的基本结构图根据其经济性、实用性、可靠性、选择三菱FX2N系列FX2N-32MR-001型号作为数控主控制器。具有系统配置既固定又灵活,编程简单；备有可自由选择，丰富的品种；令人放心的高性能，高速运算，使用于多种特殊用途；外部机器通讯简单化，共同的外部设备等特点。它是一种小型化，高速度，高性能和所有方面都是相当于FX系列中高档次的小型程序装置。3.2.4扩展功能模块的选型 步进电机的PLC控制系统要由PLC控制器、步

20、进电机、驱动器等器件组成，都是靠PLC发出的高速脉冲来控制的，这下指令都需要频率来实现，产生脉冲个数的多少来实现准确的定位，所以控制的关键是控制产生的脉冲。为控制脉冲选择使用三菱FX2N-1PG定位模块，通过写缓冲区的方式控制它发脉冲进行定位。FX2N-1PG有简易控制所需的7种运行模式，可连接8台，最大输出100kHz的脉冲串通过顺控系统进行定位等特点，满足设计所需的要求。3.2.5 I/O口接线设计I/O接口是一电子电路(以IC芯片或接口板形式出现 ),其内有若干专用寄存器和相应的控制逻辑电路构成。它是CPU和I/O设备之间交换信息的媒介和桥梁。CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需

21、要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同。它进行端口地址译码设备选择,向CPU提供I/O设备的状态信息和进行命令译码。进行定时和相应时序控制。对传送数据提供缓冲，以消除计算机与外设在“定时” 或数据处理速度上的差异。 提供计算机与外设间有关信息格式的相容性变换和有关电气的适配，还可以中断方式实现CPU与外设之间信息的交换。根据设计要求系统的I/O口分配如下表：输入端输出端输入设备输入端子输出设备输出端子开关1 （STOP）X00指示灯L2Y00开关2 （复位）X0

22、1指示灯L3Y01开关3 （X向正向）X02蜂鸣器1Y02开关4 （X向反向）X03蜂鸣器2Y03开关5 （Y向正向）X04蜂鸣器3Y04开关6 （Y向反向）X05蜂鸣器4Y05开关7 （X向正向点动）X06指示灯L4Y06开关8 （X向反向点动）X07指示灯L5Y07开关9 （Y向正向点动）X08指示灯L6Y08开关10（Y向反向点动）X09指示灯L7Y09熔断器FU2COM1熔断器FU3COM2熔断器FU4COM33.3 驱动器的选型 步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋

23、转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。驱动器接受的信号和输出是一一对应的，即收到高电平，则对应的输出端输出高电平。驱动器把输出电流给放大，以达到驱动电机的目的。因为控制器件的I/O口不能直接输出这么大的电流来驱动步进电机。考虑经济实用性，且根据计算出的电机的各类数据选择SH3F090M步进电动机驱动器。3.4 三相步进电机工作原理 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定

24、位和运转两种基本状态，当有脉冲输进肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输进脉冲的个数严格成正比，在时间上与输进脉冲同步，因此只要控制输进脉冲的数目、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输进时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。 步进电动机按其输出转矩的大小来分，可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在N·cm级，可以作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达往驱动数控机床的工作台

25、，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是N·m级的，可以直接往驱动机床的移动部件。 步进电动机按其励磁相数，可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相均匀电流会高些，从而使电动机的转速转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用36相的步进电动机。 由于步进电动机的转速随着输进脉冲频率变化而变化，调速范围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度较高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，进步进给机构的自动化水平。 步进电动机按其工作原

26、理来分，主要有磁电式和反应式两大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理，现用下图的步进电动机的简化图来加以说明。 在电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。假如在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。 首先有一相线圈(设为A相)通电，则转子1、3两齿被磁极A吸住，转子就停留在图55a的位置上。然后，A相断电，6相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，磁极召的磁场把离它最近的2、4两齿吸引过往，停止在

27、图b的位置上，这时转子逆时针转了30°。再接下往B相断电，C相通电。根据同样道理，转子又逆时针转了30°，停止在图c的位置上。若再A相通电，C相断开，那么转子再逆转30°，使磁极A的磁场把2、4两个齿吸住。定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按ABCABCA次序轮流通电，步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次，步进电动机旋转30°，我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角。假如把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成ACBACB的顺序，则步进电动机将按顺时针方向旋转，所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进行。 3.