数控机运动控制系统设计

天津职业技术师范大学X-Y数控机运动控制系统设计专业：机械维修及检测技术教育班级学号：机检学生姓名：指导教师：目录一、总体方案设计 (1)1.1 设计任务 (1)1.2 总体方案确定 (1)1.2.1系统的运动方式与伺服系统 (1)1.2.2 导轨副的选择 (2)1.2.3 丝杠螺母副的选择 (2)1.2.4减速装置的选择 (2)1.2.5电气控制原理图 (3)二、机械系统设计 (3)2.1、工作台外形尺寸及重量估算 (3)2.2、滚动导轨的参数确定 (4)2.3、滚珠丝杠的设计计算 (5)2.3.1 最大动负载Q的计算 (5)2.3.2滚珠丝杠螺母副几何参数计算 (7)2.3.3传动效率计算 (8)2.3.4刚度验算 (8)2.3.5稳定性验算 (9)2.4步进电机的选用 (9) (9)2.4.1步进电机的步距角b2.4.2步进电机启动力矩的计算 (9)2.4.3步进电机的转速n (10)2.5确定齿轮传动比 (11)2.6、确定齿轮模数及有关尺寸 (12)2.7步进电机惯性负载的计算 (12)三驱动器和控制器的选择 (13)四参考资料 (19)一、总体方案设计1.1 设计任务设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。

该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。

设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H＝445mm×460mm×32mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝610mm×620mm×540mm；最大长度L=688mm；工作台加工范围X=95mm，Y=80mm；工作台最大快移速度为6m/min。

设计要求：根据数控机床课程设计的示例要求，根据每个组的设计参数，计算出相应运动部分的质量及惯量，根据计算结果选择电机及驱动器型号，并选择相应数控系统（可选用其他课程中学过的数控系统），画出电气控制原理框图、设计驱动控制强、弱控制电路，撰写不低于3000字左右设计论文，并附录相关资料及设计图纸1.2 总体方案确定1.2.1系统的运动方式与伺服系统设计的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，所以控制系统应该设计成连续控制型。

伺服进给系统的选择数控机床的进给系统有开环、半闭环、闭环之分。

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。

采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。

但他的结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价高。

本设计的精度要求不是很高，采用闭环控制系统的必要性不大。

由于任务书所给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，并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。

XY工作台系统总体框图如下图所示1.2.2 导轨副的选择要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，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。

1.2.3 丝杠螺母副的选择伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和±0.02mm 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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。

1.2.4减速装置的选择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，且应有消除间隙机构。

为此，系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。

驱动器与控制器的选择选择了混合式步进电机以后，就要选择与之想匹配的驱动器，控制器基本上是一样的，选一个能够满足使用，又价格便宜的。

图1-1 系统总体框图1.2.5电气控制原理图二、机械系统设计2.1、工作台外形尺寸及重量估算X 向拖板（上拖板）尺寸：长⨯宽⨯高 50460445⨯⨯ 重量：按重量=体积×材料比重估算N ≈⨯⨯⨯⨯⨯=--799108.7105046044523xWY 向拖板（下拖板）尺寸： 50460445⨯⨯ 重量：约799N 。

上导轨座（连电机）重量：N ≈+⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=--20220108.710)171549528450610(23W夹具及工件重量：约150N 。

X-Y 工作台运动部分的总重量：799+799+202+150=1950N2.2、滚动导轨的参数确定本设计中的X-Y 工作台是水平布置，采用双导轨，四滑块的支撑形式。

⑴、导轨型式：矩形截面滚珠导轨 ⑵、导轨长度 ①上导轨（X 向）取动导轨长度 400=Bl动导轨行程 95=l 支承导轨长度 495=+=l l L B②下导轨（Y 向）取动导轨长度 400=Bl动导轨行程 80=l 支承导轨长度 480=+=l l L B选择导轨的型号：GGB16 ⑶、直线滚动轴承的选型 ①上导轨N =+=1001202799XG②下导轨N =1950YG由于本系统负载相对不大，有下图得出LM30LUU 型直线滚动轴承的额定动载荷为2490N ，大于实际动负载。

并采用双排两列6个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。

产品是上海晶铂传动机械有限公司生产的。

⑷、滚动导轨刚度及预紧方法当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。

当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。

此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。

2.3、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。

应按铣削时的情况计算。

2.3.1 最大动负载Q 的计算3H Q L f P ω=查表得系数1f ω=，1H f =，寿命值66010nTL =查表得使用寿命时间T=15000h ，初选丝杠导程mm P h5=，得丝杠转速min/12005610001000maxr PVn h=⨯=⨯=所以 66010nTL =108010150001200606=⨯⨯=X 向丝杠牵引力1.414x x P f G =当 ()f 当——当量摩擦系数N =⨯⨯=16.14100101.0414.1Y 向丝杠牵引力N =⨯⨯==57.27195001.0414.1414.1YYG f P 当所以最大动负荷X 向 N =⨯⨯⨯=28.14516.141110803XQ Y 向 N =⨯⨯⨯=87.28257.271110803YQ 查表，取滚珠丝杠公称直径 m m d 16=，选用滚珠丝杠螺母副的型号为 SFI01605-4，其额定动载1380N ，足够用。

有盛凯传动有限公司生产。

2.3.2滚珠丝杠螺母副几何参数计算表名 称 符 号计算公式和结果螺纹滚道公称直径 0d 16 螺距 t5接触角 45钢球直径q d32.3.3传动效率计算957.0)2.043.4(43.4)(=+=+=tg tg tg tg ϕγγη 式中：ϕ——摩擦角；γ——丝杠螺纹升角。

2.3.4刚度验算滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程0L 的变化量ESPLL 01±=∆Y 向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算N =86.282P cm L 1= 6220.610(/)E N cm =⨯ ()材料为钢22212.2)26.1(14.3cmd S =⨯==π所以ESPL L 01±=∆cm661012.32.2106.205.086.282-⨯±=⨯⨯⨯±= 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2L 很小，可以忽略。

所以导程总误差mm L L/75.01001012.31006μ=⨯⨯=∆=∆- 查表知E 级精度的丝杠允许误差15m μ，故刚度足够。

2.3.5稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。

2.4步进电机的选用2.4.1步进电机的步距角b θ取系统脉冲当量0.01/p mm stepδ=，初选步进电机步距角2.1=b θ。

2.4.2步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T ，负载力为P ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系T Ps ϕη＝式中：ϕ ——电机转角；s ——移动部件的相应位移；η ——机械传动效率。

若取 b ϕθ=，则p s δ=，且S P P G μ=+，所以[]36()2p S b P G T N cm δμπθη+=式中：S P ——移动部件负载（N ）；G ——移动部件重量（N ）； z P ——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N ）；μ ——导轨摩擦系数；b θ——步进电机步距角，（rad ）；T ——电机轴负载力矩（N cm ） 本例中，取0.03μ=（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96η=，S P 为丝杠牵引力，N ==86.282YSP P 。

考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取N ==1950YG G ，所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩cmT •N =⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=1796.02.114.32)195003.086.282(01.0360.3~0.5q TT =取安全系数为0.3，则cmT q•N ==573.017对于工作方式为三相六拍的三相步进电机cmTTq•N ===66866.057866.0m ax2.4.3步进电机的转速nm in/12005610001000maxr PVn h=⨯=⨯=下面是常州盈洋电子生产的电机技术规格，有上面可选用两个86BYG350A 型步进电机。

86BYG 三相混合式步进电机选型如表2-2 步进电机参数表2-2 步进电机参数2.5确定齿轮传动比因步进电机步距角2.1=bθ，滚珠丝杠螺距mm P h5=，要实现脉冲当量0.01/pmm step δ=，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。

齿轮传动比6.052.136001.036021=⨯⨯=⨯==hbpP Z Z i θδ 选28,1721==Z Z 。