最新精品Word歡迎下載可修改目錄TOC\o"1-3"\u摘要 I第一章 前言 21.1 數控技術與數控機床概述 21.2 數控十字工作臺概述及應用 2第二章 總體方案的確定 32.1 總體方案的確定 3 機械系統傳動部件的選擇 3 電氣控制系統的設計 4第三章 機械部分各部件的設計 53.1 滾珠絲杠副的選擇 53.2 支承方式的選擇 63.3 導軌副的選擇 73.4 步進電機的選擇 83.5 聯軸器的設計 93.6 滾珠絲杠副的預緊 103.7 進給傳動系統的誤差分析 113.8 機械機構部分總體裝配圖 11第四章 控制系統部分的設計 134.1 控制系統硬件的基本組成 134.2 控制卡的選擇 134.3 驅動器的選擇 16 驅動器的功能及使用 17 驅動器的輸入輸出信號 184.4 電氣接線圖 19第五章 零件加工程序 21第六章 總結 23參考文獻 23致謝 24數控十字工作臺機電系統設計摘要數控十字工作臺是一種加工用途廣泛的機床工作臺，本次設計的數控十字工作臺，主要用于經濟型數控銑床，其精度要求不高，工作量要求不大。該設計包括機械系統部分的設計和電氣控制部分的設計。其中機械傳動部分的設計又包括機械本體、動力與驅動部分、執行機構的設計，主要涉及導軌副的選擇、滾珠絲杠的設計以及步進電動機的選型。而電氣控制部分的設計包括控制系統的硬件和軟件兩部分的設計，硬件部分主要有環分電路、功率驅動電路和電流控制電路的設計，以及控制卡的選用，軟件部分主要是控制卡控制程序的編寫。這是一個典型的機電一體化系統的設計。關鍵詞：精度、工作臺、滾珠絲杠、步進電機、控制系統。前言數控技術與數控機床概述隨著計算機技術、微電子技術、現代控制技術、傳感與檢測技術、制造技術等多學科領域的發展，數控技術已經成為現代制造系統中不可或缺的基礎技術，數控技術和數控機床的應用在制造業中日益普及，已成為機電一體化高新制造技術的基礎和重要組成部分。數控機床是指應用數控技術對加工過程進行控制的機床，它具有加工柔性好、加工精度高、生產率高、自動化程度高、勞動力要求低等多種優點，有利于生產管理的現代化以及經濟效益的提高。數控機床是一種高度機電一體化的產品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件。一個國家工業化發展的程度，很大程度在于數控機床的應用上。數控十字工作臺概述及應用數控十字工作臺是數控機床上的一個重要組成部分，它的發展與機床一樣有著重要的意義，它是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車床的橫向和縱向機構，數控鉆銑床的XY工作臺，激光加工設備的工作臺等等，隨著數控十字工作臺的多樣化、自動化已經靈活化等，它能加工出許多復雜多樣的零件，能夠滿足更高的精度要求，對數控十字工作臺的研究能夠進一步增強我們對機床的認識，鞏固所學專業知識，為機床的研究打下堅實的基礎，數控十字工作臺是光、機、電一體化高度集成設備，科技含量高，與傳統機加工相比，數控十字工作臺的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低產品成本，減輕工人負擔，對制造業來說，可以說是不可缺少的一部分，因此，對數控十字工作臺機電一體化系統進行研究，能夠推動現代制造技術的進步，本次設計就數控十字工作臺的機電一體系統進行設計與分析，為以后在實踐中可能遇到的相關問題打下堅實的基礎。總體方案的確定總體方案的確定根據課程設計的要求，參考數控十字工作臺的有關資料，確定總體方案如下圖2.2-1所示：其原理為通過控制器對數據進行運算處理，將數據發送給驅動器，經過功率放大后驅動電機，電機通過聯軸器與絲杠相連，從而驅動工作臺的運動。控制器驅動器控制器驅動器X向工作臺聯軸器步進電機功率放大器X向工作臺聯軸器步進電機功率放大器 聯軸器步進電機功率放大器驅聯軸器步進電機功率放大器驅動器Y向工作臺 Y向工作臺圖2.2-1：系統總體原理圖機械系統傳動部件的選擇絲杠螺母副的選擇步進電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足相應的脈沖當量，因為定位精度要求相對較高，而絲杠螺母副主要有滑動絲杠螺母機構和滾珠絲杠螺母機構兩種，相比之下，滑動絲杠螺母機構傳動效率低，僅僅為30%-40%，而滾動絲杠螺母機構具有傳動效率高，約92%—98%，靈敏度高，無顫動、無爬行，同步性好，定位精度高，使用壽命長等優點。雖然相對于滑動絲杠價位偏高，制造復雜，但是性價比較高，也更加符合設計所需滿足條件，因此選用滾珠絲杠螺母機構。同時選用內循環的形式，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸結構緊湊，軸向剛度高。由于定位精度較高，而且選用單螺母滾珠絲杠副，故選擇變滾道預緊調整式，這種調隙方式結構簡單，剛性好，預緊可靠，使用中調整方便。由于工作臺最快的移動速度不是太大，故所需的轉速不高，故可以采用一般的安裝方法，即兩端固定的軸承配置形式。導軌副的選用本次設計的十字工作臺所配合的是數控鉆銑床，脈沖當量較小，要求定位精度較高而負載較小，考慮滾動導軌點接觸或者是線接觸，所以其抗震性叫差，接觸應力大，對導軌的表面硬度和表面形狀精度及尺寸精度要求高。而且其結構復雜，制造困難，成本較高，所以考慮還是選用滑動導軌，滑動導軌制造簡單，性價比好，承受負載能力強。且使用矩形導軌，因其有制造、檢驗和維修方便，剛度高等特點。聯軸器的選用考慮到絲杠的轉速不高，可以選用剛性凸緣聯軸器，它結構簡單，容易制造，而且能保證嚴格對中。步進電機的選用選用步進電動機，可選開環控制，也可選閉環控制。該設計的精度對于步進電動機來說不是太高，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，決定采用開環控制，該設計的脈沖當量和定位精度要求不高，空載最快移動速度也不高,故本設計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。電氣控制系統的設計設計的X-Y工作臺準備用在數控銑床上，其控制系統應該具有輪廓控制，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。對于步進電動機的開環控制系統，選用ADT-860控制卡作為控制系統的CPU，能夠滿足該設計給定的相關指標。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，I/O接口電路，D/A轉換電路，串行接口電路等。選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。機械部分各部件的設計滾珠絲杠副的選擇根據工作臺的具體情況，結合總體方案的，選用的滾珠絲杠副為內循環滾珠絲杠螺母副，其結構圖如下圖3.1-1所示：圖3.1-1：滾珠絲杠螺母副結構由上圖知，滾珠絲杠螺母副的組成主要由反相器、螺母、絲杠、滾珠組成，此設計中選擇FFZD3205-5型內循環浮動式螺紋預緊滾珠絲杠副滾珠絲杠副，其公稱直徑為，導程為Ph=5mm，循環滾珠為5圈，精度等級取5級，額定動載荷18.1kN，額定靜載荷為31.4kN，其各尺寸和性能參數如下圖3.1-2和表3.1-1所示：圖3.1-2：FFZD3205-5滾珠絲杠螺母副安裝及外形尺寸表3.1-1：FFZL3205-3型滾珠絲杠螺母副幾何參數（單位mm）公稱直徑基本導程Ph絲杠外徑絲杠底徑循環圈數鋼球直徑額定動載荷Co/KN額定靜載荷Coa/KN32531.528.953.518.152.4螺母安裝尺寸L1BhD3D4D5D6D7108137826771262支承方式的選擇根據絲桿尺寸和有關數據，經過查閱軸承選取的相關資料，并結合本設計具體情況選擇“單推－單推”的支承方式。選用的軸承為角接觸球軸承，通過查相關手冊，軸承選擇如下表3.2-1所示：表3.2-1所示：所選軸承型號表2-13軸承參數軸承名稱軸承型號結構尺寸標記額定載荷數量角接觸球軸承7204Cd=20mm,B=14mm,D=47mm滾動軸承7204CGB/T276—9414.5KN4其中圖3.2-1和表3.2-2分別是軸承的尺寸結構圖和參數表：圖3.2-1：角接觸球軸承尺寸結構表3.2-2：7204角接觸球軸承參數導軌副的選擇本次設計的十字工作臺所配合的是數控鉆銑床，脈沖當量較小，要求定位精度較高而負載較小，考慮滾動導軌點接觸或者是線接觸，所以其抗震性較差，接觸應力大，對導軌的表面硬度和表面形狀精度及尺寸精度要求高。而且其結構復雜，制造困難，成本較高，所以考慮選用滑動導軌，滑動導軌制造簡單，性價比好，承受負載能力強。且使用矩形導軌，因其有制造、檢驗和維修方便，剛度高等特點。本導軌選用的截面形狀選擇矩形導軌，因為矩形導軌容易加工制造，剛度和承載能力大，便于安裝調整。其組合形式選用雙矩形導軌四滑塊支承形式，該導軌具有一個缺點是磨損后不能自動補償間隙，因此需要間隙調整裝置。步進電機的選擇該設計的脈沖當量和定位精度要求不高，空載最快移動速度也不高,故本設計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。本次設計折算到電機軸上的負載轉矩的有關計算如下：1.計算切削負載力矩，其計算公式如下：上式中為絲杠導程=0.005m，為進給系統的總效率，當絲杠與電機直連時取=0.90，=1967.77N。計算得：N﹒m計算摩擦負載力矩，其計算公式如下：上式中為空載時導軌摩擦力，=36N，其它數據與上面相同。則計算得：N﹒m計算由滾珠絲杠副的預緊而產生的附加負載力矩，其計算公式如下：上式中為滾珠絲杠副的預緊力,為最大工作載荷的1/3，所以=656N；為絲杠基本導程=0.005m；為滾珠絲杠副效率=0.98，則計算得：N﹒m各坐標軸折算到電機軸上的負載力矩的計算空載時：N﹒m切削時：N﹒m根據上面的計算結果，本次設計中工作臺的進給傳動系統選用選用的電機為北京和利時機電技術有限公司90BYG550C-SAKRML-0301混合式步進電機，其步距角為0.72。空載啟動頻率為2200步/s，最大靜轉矩為8N.m。具體參數如表3.4a所示：表3.4-1：:90BYG550C-SAKRML-0301混合式步進電機參數型號步矩角相數驅動電壓相電流額定轉矩空載運行頻率轉動慣量90BYG550C-SAKRML-03010.72°580V3A6N.m2200該電動機的額定力矩為8Nm，足以滿足該設計的驅動要求。如圖3.4a為90BYG550C混合式步進電機的結構尺寸，表3.4b為90BYG550C-SAKRML-0301混合式步進電機結構尺寸參數表圖3.4-1：90BYG550C-SAKRML-0301混合式步進電機結構尺寸表3.4-2：90BYG550C-SAKRML-0301混合式步進電機結構尺寸參數表L1L2L3L4L5電機軸直徑9.54137261512聯軸器的設計剛性聯軸器常被用于絲桿與電機聯接，以提高兩軸頭連接的固定精度，其結構比較簡單，制造容易，免維護，其特點有：可用于小型，瞬間慣量小的高速轉動的場合；安裝后無無反作用力，而且維護簡單；提滾珠絲桿的強度時，跳動不會受到影響；依靠鎖緊螺栓旋加的磨擦緊固，無需鍵；在高速轉動時可保持平衡。應用范圍為CNC車床、M/C磨床、加工中心，各類專用機械，軸軸聯接，軸與電機的聯接裝置。所以本設計中選用GY系列的GY1凸緣聯軸器，其主要結構尺寸和參數如圖3.5-1和表3.5-1所示。圖3.5-1：凸緣聯軸器表3.5-1：GY系列凸緣聯軸器參數表滾珠絲杠副的預緊滾珠絲杠副在工作臺上的支承方式有兩種。一種是單支承形式；另一種是兩端支承形式，本設計選用兩端支承形式中的“雙支點各單向固定”的支承方式。該形式夾緊一對圓錐滾子軸承的外圈而預緊，提高軸承的旋轉精度，增加軸承裝置的剛性，減小機器工作時軸承的振動。預緊量由廠家提供。進給傳動系統的誤差分析在開環控制的系統中，由于在執行部件上沒有安裝檢測裝置和反饋裝置，為了保證工作的精度的要求，必須使其進給傳動系統在任何時刻任何情況下都能夠嚴格跟隨驅動電機的運動而運動，然而實際上，在進給系統的輸入與輸出之間總會有誤差存在，在這些誤差中，有傳動系統的制造和安裝所造成的誤差，還有進給系統的動力參數所引起的誤差，在進行進給系統的設計時，必須將這些誤差控制在允許的范圍內，通常這些誤差有進給傳動系統的死區誤差，由進給傳動系統的綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差。機械機構部分總體裝配圖圖3.7-1：機械部分結構圖（主視圖）圖3.7-2：機械部分結構簡圖（左視圖）圖3.5-3：機械部分結構簡圖（俯視圖）控制系統部分的設計控制系統硬件的基本組成電氣控制部分的總體方案如圖4.1-1所示，通過選擇控制器，經控制器處理程序信號后，將信號傳輸給光電隔離電路進行光電隔離，但由于控制器輸出的信號電流很小，因此需要將電流放大后才能驅動步進電機，如圖4.1-1所示，因此此過程中還需要用到功率放大電路，但現在的多數這些電路都被整體集成了一個模塊，因此不必單獨設計該電路，只需選擇啟動器即可。我們選用的步進電機為90BYG550C-SAKRML-0301混合式步進電機,因此驅動器選擇與之配套的無相混合式步進電機驅動器SH-50806，從控制器出來的信號經驅動器處理后，即可驅動電機。圖4.1-1：控制系統基本組成框圖控制卡的選擇本設計中選用的控制卡為ADT-860控制卡，該控制卡需要與計算機的PCI插槽連接，ADT860卡是基于PC104總線的高性能四周伺服步進控制卡，位置可變環形，可在運動中隨時改變速度，可使用連續插補等功能，該控制卡的脈沖輸出方式可以是單脈沖，也可以是雙脈沖方式，最大脈沖頻率是4MHz，采用先進技術使輸出頻率在很高的時候也能使頻率誤差小于百分之一，為四軸聯動控制卡，其該控制卡的簡圖如下圖4.2-1所示：圖4.2-1：ADT-860控制卡簡圖其中J3為開關量輸入的信號接線，J5為開關量輸出的信號接線，J6為脈沖輸出和編碼輸入信號的接線。以下是該控制卡主要特征：●32位PC-104總線

●脈沖輸出方式：脈沖/方向，脈沖/脈沖

●最大脈沖輸出頻率為4MHz

●4軸步進/伺服電機控制，每軸可以獨立控制，互不影響

●2-3軸直線插補，任意2軸硬件圓弧插補，多軸連續插補

●可用直線或S曲線進行加/減速

●非對稱直線加/減速運動

●4軸均有位置(編碼器)反饋輸入，32位計數，頻率高達4MHz，最大計數范圍-2147483648~+2147493647●PC104總線，即插即用●4軸步進/伺服電機控制，32路光耦隔離輸入●任意兩軸、三軸直線插補、任意兩軸圓弧插補,連續插補●運動中變速，四軸連動●非對稱直線加減速運動●32路集電極開路輸出●直線/S形曲線加減速

●帶光電隔離32路數字輸入/32路數字輸出信號，包括每軸2個正負限位信號

●運動中可實時改變速度及目標位置

●運動中可實時讀取邏輯位置、實際位置、驅動速度、加速度、驅動狀態

●每軸有3個STOP信號，可用于原點搜尋、編碼器Z相搜尋●可接受伺服驅動器的各種信號，如編碼器Z相信號、到位信號、報警信號等

●同一系統中支持多達16個控制卡，共64個軸

●支持DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP、WINCE等操作系統

●支持C/BC++/VC/VB/C++Builder/Delphi/Labview/EVC等開發工具編程如圖4.2-2為ADT-860控制卡的輸入輸出信號接線口。其中本設計的電氣硬件接線圖主要用到J6接口，因此如表4.2-1所示為J6信號線接口的相關功能說明。1：開關量輸入的信號接線2：脈沖輸出和編碼輸入信號的接線圖4.2-2：J1，J6接線圖表4.2-1：ADT-860接口功能說明驅動器的選擇由于本次設計所選用的是五相十拍90BYG550C-SAKRML-0301混合式步進電機，因此步進電機驅動器同樣選用該公司生產的與其相配套的SH-50806B型步進電機驅動器，其特點有：數字化升頻升壓結合恒流控制技術；運行平穩、低噪音、低振動；最大輸出驅動電流6.0A/相；輸入信號TTL兼容；輸入輸出信號光電隔離；過壓保護及過流保護功能；脫機保持功能；撥碼選擇適配多種型號電機；單/雙脈沖方式可選；整/半步運行模式可選；提供零位信號輸出；提供故障信號輸出；斷電記憶功能；自動半電流可選。其主要性能指標如表4.3-1所示：表4.3-1：SH-50806B性能指標驅動器的功能及使用該驅動器的功能及使用說明如下步距角選擇：通過驅動器側板第6位撥碼開關可進行整/半步的設置，實現電機半步及整步運行模式的切換。單/雙脈沖選擇：通過驅動器側板第7位撥碼開關可實現單脈沖或雙脈沖控制模式的切換。選擇單脈沖控制方式時，脈沖信號端輸入的脈沖信號控制電機運行，方向信號端輸入的電平信號的高低控制電機轉向；選擇雙脈沖控制方式時，脈沖信號端輸入正轉脈沖信號，方向信號端輸入反轉脈沖信號。自動半電流：通過驅動器側板第5位撥碼開關可選擇是否開放自動半電流，置于“OFF”時為半電流有效，此時驅動器工作若連續1秒沒有接收到新的脈沖則驅動器自動進入半電流狀態，相電流降低為標準值的50％，達到降低功耗的目的，在收到新的脈沖時驅動器自動退出半電流狀態。電機選擇：通過驅動器側板第2，3，4位撥碼開關可選擇適配不同型號的電機。由于本驅動器采用升頻升壓加恒流控制方式，輸出相電流值與配套電機的額定相電流、繞組電阻及電感值有關。若用戶配套其他廠家生產的電機時，請及時與廠家聯系進行驅動器輸出電流的整定。試機功能：驅動器內置脈沖發生器，可通過驅動器側板第8位撥碼開關進行選擇。置于“ON”時，驅動器在無外部脈沖輸入的情況下，由驅動器內部脈沖發生器產生恒定頻率的脈沖，實現電機低速恒速試運轉，用來檢驗系統接線和運行狀況。斷電記憶：驅動器斷電后，可自動記憶斷電前的最后一個相序狀態。二次上電后，電機會從斷電前的位置繼續運行，而不會出現異常抖動。過流保護：當驅動器輸出出現過流時，驅動器將自動切斷輸出電流，系統停止工作，同時故障指示燈亮。過壓保護：當驅動器輸入電壓超過額定值30%時，過壓保護電路動作，驅動器停止工作，同時故障指示燈亮。驅動器重新上電后可恢復工作。驅動器的輸入輸出信號該驅動器的信號輸入輸出可由圖4.3-1表示，包括以下幾個方面；脈沖信號輸入：單脈沖控制方式時為脈沖信號輸入端，雙脈沖控制方式時為正轉脈沖信號輸入端。輸入信號脈沖為沿有效方式，如：在下面的典型接線圖中，控制機輸出信號下降沿有效。對于驅動器的正確運行來說，有效電平信號占空比應在50%以下，為了確保脈沖信號的可靠響應，脈沖低電平的持續時間不應少于10μs。方向信號輸入：單脈沖模式下該端的內部光耦的通、斷被解釋為電機運行的兩個方向，方向信號的改變將使電機運行的方向發生變化，該端的懸空被等效認為輸入高電平。要注意一點是，應確保方向信號領先脈沖信號輸入至少10μs建立，從而避免驅動器對脈沖信號的錯誤響應。當不需換向時，方向信號端可懸空。雙脈沖模式下本端口接收反轉脈沖，接口邏輯要求與脈沖輸入端口一致。輸入信號脈沖為沿有效方式。脫機信號輸入：內部光耦導通時，電機相電流被切斷，轉子處于自由狀態（脫機狀態）而失去鎖定力矩。該功能可顯著減少驅動器和電機的損耗。當該端口內部光耦截止時，電機轉子處于上電鎖定狀態。不需要此功能時，脫機信號端可以懸空。零位信號輸出：整步運行方式時驅動器每十拍輸出一個脈沖給控制機，半步運行方式時驅動器每二十拍輸出一個脈沖給控制機，同時零位指示燈亮一次。無需此信號輸出時，該端圖4.3-1：驅動器信號圖可懸空。故障信號輸出：當驅動器出現過壓或過流時，驅動器切斷電機電流，此接口電路閉合，向控制機輸出信號，提示控制機驅動器出現故障。電氣接線圖ADT—860控制卡的其中一端與計算機PCI擴展插槽連接，另一端則由數據線與主電路部分相連，控制卡與計算機相連接后，在計算機上安裝相應的驅動軟件，而后編輯的程序便可經過控制卡的處理而發出相應的控制信息，控制卡處理相應的程序后，將其轉換成脈沖信號，輸送給控制電路，控制電路經過功率放大后和轉換后送給步進電機各相繞組，從而驅動工作臺運動。其總體接線圖可由下面圖4.4a接線簡圖來表達；圖4.4-1：電氣硬件接線簡圖對圖4.4-1中的ADT-860部分的J6接口和驅動器部分的接線進行放大，放大后的圖如下圖4.4-2和4.4-3所示，其中圖4.4-2中的編號與圖4.2-2中的J6接口圖相對應，圖4.4-3中的功能與圖4.3-1中的驅動器信號相對應。圖4.4-2：J6接線放大圖4.4-3：驅動器部分接線放大零件加工程序如圖5.1-1所示，毛坯為70㎜×70㎜×18㎜板材，六面已粗加工過，要求數控銑出槽，工件材料為45鋼圖5.1-1：加工圖樣根據圖樣要求、毛坯及前道工序加工情況，確定工藝方案及加工路線，以已加工過的底面為定位基準，加工步驟為先讓銑刀先走兩個圓軌跡，再用左刀具半徑補償加工50㎜×50㎜四角倒圓的正方形。每次切深為2㎜，分二次加工完。程序如下：O0014N0010G00Z2S800T1M03

N0020X15Y0M08

N0030G20N01P1.-2；調一次子程序，槽深為2㎜

N0040G20N01P1.-4；再調一次子程序，槽深為4㎜

N0050G01Z2M09

N0060G00X0Y0Z150

N0070M02；主程序結束

N0010G22N01；子程序開始

N0020G01ZP1F80

N0030G03X15Y0I-15J0

N0040G01X20

N0050G03X20YOI-20J0

N0060G41G01X25Y15；左刀補銑四角倒圓的正方形

N0070G03X15Y25I-10J0

N0080G01X-15

N0090G03X-25Y15I0J-10

N0100G01Y-15

N0110G03X-15Y-25I10J0

N0120G01X15

N0130G03X25Y-15I0J10

N0140G01Y0

N0150G40G01X1