1、數控車床工作臺二維運動伺服進給系統設計 1 引言 數控機床作為機電一體化的典型產品，在機械制造業中發揮著巨大的作用，很好地解決了現代機械制造中結構復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩定產品的加工質量，大幅度提高生產效率。X-Y數控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車床的縱橫向進刀機構、數控銑床和數控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。模塊化的X-Y數控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構成。其中伺服電動機做執行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移

2、動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可。控制系統根據需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統。2 設計任務題目：數控車床工作臺二維運動伺服進給系統設計任務：設計一種供應式數控銑床使用的X-Y數控工作臺，主要參數如下：1. 立銑刀最大直徑的d=15mm；2. 立銑刀齒數Z=3;3. 最大銑削寬度=15mm;4. 最大背吃刀量=8mm;5. 加工材料為碳素鋼活有色金屬。6. X、Y方向的脈沖當量=0.01mm;7. X、Z方向的定位精度均為0.04mm;8. 重復定位精度為0.02mm;9. 工作臺尺寸 250&

3、#215;250;10. X坐標行程 300mm;11. Y坐標行程 120mm;12. 工作臺空載進給最快移動速度：Vxmaxf =Vzmaxf =1500mm/min;13. 工作臺進給最快移動速度:;3 總體方案確定3.1機械傳動部件的選擇導軌副的選用要設計數控車床X-Z工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度不是很高，因此選用直線滑動導軌副，它具有摩擦系數小、不易爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優點。絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足0.004mm沖當量和mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求

4、，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態響應快、運轉平穩、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。3.1.3伺服電動機的選用任務書規定的脈沖當量尚未達到0.01mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有因此1500mm/min，故本設計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式步進電動機。以降低成本，提高性價比。減速裝置的選用為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，需要設置減速裝置，且應有消間隙機構。因此決定采用無間隙齒輪傳動減速箱。3.1.5檢測裝置的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環控制，也可選閉環控制。任務書所給的精度對于步進電動機來

5、說還是偏高，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用半閉環控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。考慮到X、Z兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Z兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規格。3.2 控制系統的設計1）設計的X-Z工作臺準備用在數控車床上，其控制系統應該具有單坐標定位，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統設計成連續控制型。2）對于步進電動機的半閉環控制，選用MCS-51系列

6、的8位單片機AT89S52作為控制系統的CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。3）要設計一臺完整的控制系統，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉換電路，串行接口電路等。4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。3.3 繪制總體方案圖總體方案圖如圖所示:系統結構原理框圖4 機械傳動部件的計算與選型4.1 導軌上移動部件的重量估算按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、導軌座等,估計重量約為500N4.2 銑削力的計算設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表3-7查

7、得立銑時的銑削力計算公式為： (6-11)今選擇銑刀的直徑為d=15mm，齒數Z=3,為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量=8mm ，每齒進給量，銑刀轉速。則由式（6-11）求的最大銑削力：FC=118 x150.85x 0.10.75x 15-0.73x 81.0x 3000.13x 3N=1463N 采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：,，。圖3-4a為臥銑情況，現考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則縱向銑削力，徑

8、向銑削力為。4.3 導軌的計算由于使用的是雙矩形滑動導軌，故不要求進行相應的計算。4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 最大工作載荷Fm的計算如前所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1607N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=366N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=556N.已知移動部件總重量G=500N，按矩形導軌進行計算，取顛覆力矩影響系數K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數=0.04。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.11408+0.04(556+366+500)N1827N 最大動工作載荷FQ的計算設工作臺在承受最

9、大銑削力時的最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm,則此時絲杠轉速n=v/Ph=80r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得絲杠壽命系數L0=72（單位為：106r）。查表，取載荷系數fw=1.2,滾道硬度為60HRC時，取硬度系數fH=1.0,代入式（3-23），求得最大動載荷： 初選型號根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的G系列2005-4型滾珠絲杠副，為內循環固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環滾珠為3圈*1系列，精度等級取5級，額定動載荷為11082N，大于F

10、Q，滿足要求。表3.1滾珠絲杠螺母副幾何參數名 稱符號計算公式及結果螺紋滾道名義直徑（中徑）D20mm螺 距S5mm接觸角 45°鋼球直徑3.175mm螺紋滾道法面半徑R1.651mm偏心距E0.0449mm螺紋升角 4°33螺桿螺桿外徑名 稱符號計算公式及結果螺桿內徑螺母螺桿接觸直徑螺母螺紋外徑螺母內徑20.14mm螺母凸緣外徑60mm螺母配合外徑D36mm螺母裝配總長度L51mm 選擇滾珠絲杠直徑時，還應綜合考慮下列問題絲杠工作長度L，應滿足控制中的行程要求。L應為絲杠工作長度： 式中，為控制系統中需要的行程（mm），H為螺母的安裝高度（mm），為滿足行程以外的余量，一

11、般，為由絲杠防護結構確定的長度（mm），于是：橫向絲杠： 縱向絲杠： (1) 根據結構設計，螺桿的總長度應為螺桿的工作長度L加上結構長度。橫向： 縱向： (2) 絲杠的長度還應滿足剛度的要求，根據剛度要求確定絲杠的直徑d橫向： 縱向： 即滿足(3) 因此，滾珠絲杠直徑可以都選為d=25mm 傳動效率的計算將公稱直徑d0=20mm,導程Ph=5mm,代入=arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=4°33。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動效率=96.4%。 剛度的驗算(1) X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用-對推力角接

12、觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1105Mpa;查表得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=16.2mm,絲杠截面積S=/4=206.12m。忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產生的拉/壓變形量105mm=0.0211mm.。(2) 根據公式，求得單圈滾珠數Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數列數為31，代入公式Z圈數列數，得滾珠總數量=60。絲杠預緊時，取軸向預緊力/3=609N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量mm。因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0

13、.0012mm。(3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度500mm）=0.0212mm=21.2本例中，絲杠的有效行程為330mm，由表知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時，行程偏差允許達到25，可見絲杠剛度足夠。 壓桿穩定性校核根據公式（3-28）計算失穩時的臨界載荷FK。取支承系數=1；由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩3380.88；壓桿穩定安全系數K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入式（3-28），得臨界載荷FK=1557N，故絲杠不會失穩。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 支承方式及軸承的選擇經過查

14、閱相關資料，并結合本設計具體情況選擇“單推單推”支承方式通過查相關手冊，軸承選擇如下：表1 軸承參數軸承名稱軸承型號公稱直徑結構尺寸標記額定動載荷數量推力球軸承5120317mmd=17mm,T=12mm,D=35mm滾動軸承51203GB/T 301199517KN4深溝球軸承620317mmd=17mm,B=12mm,D=40mm滾動軸承6203GB/T 276944 由上表可看出，軸承的額定動載荷Ca>C，所以所選軸承在給定的工作條件下的預期的壽命內安全。4.5 步進電動機傳動比已知工作臺的脈沖當量=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠的的導程Ph=5mm， 初選步進電動機的步距角=0.7

15、2°。根據式（3-12），算得減速比：=（0.725）/（3600.01）=1 由此可見本機構不必要選減速箱4.6 步進電動機的計算與選型 計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長l=500mm，導程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=500N傳動比i=1算得各個零部件的轉動慣量如下： 滾珠絲杠的轉動慣量Js=0.617kg·cm2;拖板折算到絲杠上的轉動慣量Jw=0.517kg·cm2;初選步進電動機的型號為110BYG007-,為五相混合式，五相驅動時的步距角為0.72°，

16、從表查得該型號的電動機轉子的轉動慣量Jm=11.5 kg·cm2。則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為： 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq 分快速空載和承受最大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，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據式（4-12）可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有：=+ （6-13）根據式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機

17、轉軸上最大加速轉矩：= (6-14)其中： =300r/min (6-15)式中空載最快移動速度，任務書指定為3000mm/min；步進電動機步距角，預選電動機為0.72；脈沖當量，本例=0.01mm/脈沖。設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率=0.75。則由式（6-14）求得：由式（4-10）知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： (6-16)式中導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.04垂直方向的銑削力，空載時取0傳動鏈效率，取0.75最后由式（6-13）求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： =+=0.197Nm (6-17) 2) 最大工作負載狀態下電動機轉軸所承

18、受的負載轉矩包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （6-18）其中折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩由公式（4-14）計算。有：再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：最后由式（6-18），求得最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩：=+=1.77N/m （6-19）最后求得在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為： 步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動

19、機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。取K=4, 則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： （6-20）初選步進電動機的型號為110B007-，查得該型號電動機的最大靜轉矩=9.45Nm。可見，滿足要求。 步進電動機的性能校核1)最快工進速度時電動機的輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度=400mm/min，脈沖當量/脈沖，由式（4-16）求出電動機對應的運行頻率。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩6Nm，大于最大工作負載轉矩=1.77

20、5Nm，滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度=1500mm/min，求出其對應運行頻率。在此頻率下，電動機的輸出轉矩=5.8Nm，大于快速空載起動時的負載轉矩=0.197Nm，滿足要求。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度=1500mm/min對應的電動機運行頻率為。查表知110BYG007-電動機的空載運行頻率可達30000，可見沒有超出上限。4）起動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣量，電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率。由式（4-17）可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：說明：要想保證步進電

21、動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于1244Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100。綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統選用110BYG007-步進電動機，完全滿足設計要求。5 增量式旋轉編碼器的選本設計所選步進電動機采用半閉環控制，可在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角，可知電動機轉動一轉時，需要控制系統發出個步進脈沖。考慮到增量式旋轉編碼器輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分，因此，編碼器的分辨力可選120線。這樣控制系統每發一個步進脈沖，電動機轉過一個

22、步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。此次設計選用的編碼器型號為：ZLK-A-120-05VO-10-H 盤狀空心型，孔徑10mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每秒輸出120個A/B脈沖，信號為電壓輸出。6 繪制進給傳動系統示意圖進給傳動系統示意圖如圖所示： 進給傳動系統示意圖7 工作臺控制系統的設計根據任務書的要求，設計控制系統的硬件電路時主要考慮以下功能：（1） 接收鍵盤數據，控制LED顯示（2） 接受操作面板的開關與按鈕信息；（3） 接受車床限位開關信號；（4） 接受電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；（5） 控制X，Z向步進電動機的驅動器；（6） 控制主軸的正轉，反轉與停止；

23、（7） 控制多速電動機，實現主軸有級變速；（8） 控制交流變頻器，實現主軸無級變速；（9） 控制切削液泵啟動/停止；（10） 控制電動卡盤的夾緊與松開；（11） 控制電動刀架的自動選刀；（12） 與PC機的串行通信。X-Y數控工作臺的控制系統設計，控制系統根據需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統。本設計CPU選用ATMEL公司的8位單片機AT89S52，由于AT89S52本身資源有限，所以擴展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器，存放系統底層程序；擴展了一片SRAM芯片6264用做數據存儲器，存放用戶程序；由于數控工作臺還需要加入銑刀運動控制和程序輸入

24、等指令，所以除設置了XY方向的控制指令鍵，操作開停鍵，急停鍵和復位鍵等外還采用8279來管理擴展多種按鍵。8279是一種通用的可編程鍵盤顯示器接口芯片，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分提供掃描工作方式，可與64個按鍵的矩陣鍵盤進行連接，能對鍵盤實行不間斷的自動掃描，自動消除抖動，自動識別按鍵并給出鍵值。顯示部分包括一組數碼顯示管和七只發光二極管。與PC機的串行通信經過MAX233，可以采用PC機將編好的程序送入本系統。控制步進電動機的轉動需要三個要素：方向轉角和轉速。對于含有硬件環形分配器的驅動電源，方向取決于控制器送出的方向電頻的高低，轉角取決于控制送出的步進脈沖個數，而轉速則取決于控制器發出的步進脈沖的頻率。在步進電動的控制中，方向和轉角控制簡單，而轉速控制則比較復雜。由于步進電動的轉速正比于控制脈沖的頻率，所以對步進電動機脈沖頻率的調節，實質上就是對步進電動機的速度的調節。步進電動機的調頻的軟件延時和硬件定時。采用軟件延時法實現速度的調節，程序簡單，不占用其他硬件資源；缺點是控制電動機轉動的過程中，CPU不能做其他事。硬件定時要占用一個定時器。本設