XY工作台系统课程设计二维水平数控滑台Word格式.docx
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设计简单的步进电机驱动电路或根据电机选择成品驱动器;
选择控制器或自行设计控制器,控制器配套软件的设计。
驱动控制系统最终要完成电气原理图。
2.设计要求
2.1机械系统设计要求:
●结构轻巧合理
两维的组合方式自拟
●技术指标
行程mm
脉冲当量mm
中心负载
最大速度
重复定位精度
100×
100
0.0025
<
15kg
40mm/s
<0.005mm
2.2驱动电路的设计或选择:
针对所选择的的电机,设计符合负载要求的驱动电路或选择驱动器。
2.3控制系统设计要求:
要求实现的功能:
1)电机的点动控制:
电机正转、反转、停止等功能
2)电机的轮廓控制:
直线插补功能,圆弧插补功能
3)电机的启停时的加减速控制
3.设计任务
A.总体方案设计,收集资料,明确设计任务、方案的设计及选择
B.机械部分设计,具体任务包括结构设计、设计计算、零件图绘制、装配图绘制
C.电气部分设计,包括驱动电路设计或选择,控制器软硬件设计或选择,强电部分设计,电器原理图绘制
二、设计说明书
1.引言
1.1数控机床的概念
数控机床是数字控制机床(Computernumericalcontrolmachinetools)的简称,是一种装有程序控制系统的自动化机床。
该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,并将其译码,用代码化的数字表示,通过信息载体输入数控装置。
经运算处理由数控装置发出各种控制信号,控制机床的动作,按图纸要求的形状和尺寸,自动地将零件加工出来。
它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。
1.2数控机床的组成
数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。
1.控制介质:
以指令的形式记载各种加工信息;
2.数控装置:
接受输入的加工信息,经数控装置运算处理,向伺服系统发出相应的脉冲;
3.伺服系统:
把数控装置的脉冲信号转换成机床运动部件的机械位移;
用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。
4.机械系统:
包括,主轴部分、进给系统、刀库和自动换刀装置(ATC)、自动托盘交换装置(APC)等。
1.3X-Y数控工作台
X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件,如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。
模块化的X-Y数控工作台,通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副,以及伺服电动机等部件构成。
其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠,滚珠丝杠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以标准化,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,可以选取用标准的工作控制计算机,也可以设计专用的微机控制系统。
2.总体方案设计
2.1设计任务
设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。
设计参数如下:
中心负载M=15kg;
工作台行程X=150,Y=150;
工作台最大速度V=2.4m/min;
脉冲当量S=0.0025mm;
传动方式:
丝杠直连。
2.2总体方案确定
数控机床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性,将直接影响工件的加工精度。
为此,数控机床的进给传动系统必须满足:
(1)传动精度高;
(2)摩擦阻力小;
(3)运动部件惯量小。
此系统要求实现两个电机的协调运动,以及一定的正转反转停止等控制功能,采用单片机来控制步进电机,实现了软件与硬件相结合的控制方法。
利用单片机的强大功能控制步进电机驱动电路,可以控制电机的加减速控制功能,设置正、反转、停止功能,因此采用基于单片机的控制方案。
选用单片机、步进电机驱动芯片和键盘阵列,构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。
二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。
X-Y工作台的传动方式:
为保证一定的传动精度和平稳性,又要求结构紧凑,所以选用丝杠螺母传动副。
为提高传动刚度和消除间隙,采用预加负荷的结构。
由于工作台的运动载荷不大,因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。
采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差,从而提高运动平稳性,减小振动。
3、机械系统设计
3.1导轨的选择或设计
导轨是用金属或其它材料制成的槽或脊,可承受、固定、引导移动装置或设备并减少其摩擦的一种装置。
导轨表面上的纵向槽或脊,用于导引、固定机器部件、专用设备、仪器等。
导轨又称滑轨、线性导轨、线性滑轨,用于直线往复运动场合,拥有比直线轴承更高的额定负载,同时可以承担一定的扭矩,可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。
导轨按摩擦性质分为滑动摩擦导轨和滚动摩擦导轨。
滑动导轨运动件与承导件直线接触。
它的优点是结构简单、接触刚度大;
缺点是摩擦阻力大、磨损快、低速运动时易产生爬行现象。
滚动导轨在运动件和承导件之间放置滚动体(滚珠、滚柱、滚动轴承等)。
它的特点有①摩擦系数小、运动灵便,不易出现爬行现象;
②定位精度高;
③磨损较小,寿命长,润滑方便;
④结构较为复杂,加工较困难,成本较高;
⑤对脏物及导轨面的误差比较敏感。
A.X向导轨选用
为了达到较高的精度,X向导轨选用滚动导轨,参照MISUMI公司的产品,下面确定导轨的型号。
1)导轨的工作条件
静载荷:
安装方向:
水平安装
导轨数目:
2
滑块数目:
使用环境:
工作环境为一般环境,必须进行润滑,无需对导轨进行防锈、防锈处理。
2)导轨受力分析
静态载荷:
=73.5N
根据所受静态载荷,选定导轨的型号为:
SSEL2BL10。
基本额定静载荷,基本额定动载荷
3)导轨的额定寿命计算
额定寿命的计算公式:
其中,:
额定寿命(km);
:
基本动额定载荷(N);
负荷计算值(N);
:
硬度系数,取值为1;
温度系数,取值为1;
接触系数,取值为1;
取值为1。
则,
B.Z向导轨选用
Z向导轨选用滑动导轨,导轨数目为2,根据机械设计手册上常用导轨性能比较(下表),我们选用开式“V”形导轨,一边为三角形导轨,一边为矩形导轨。
三角形导轨的特点:
该导轨在垂直载荷的作用下,磨损后能自动补偿,不会产生间隙,故导向精度比较高。
但压板面仍需有间隙调整装置。
为增加承载面积,减小比压,在导轨高度不变的条件下,应采用较大的顶角(110°
~120°
);
为提高导向性,可采用较小的顶角(60°
)。
矩形导轨特点:
结构简单,制造、检验和修理方便,导轨面较宽,承载能力大,刚度高,故应用广泛。
3.2滚珠丝杠的选择
选用HIWIN微小型滚珠丝杠
3.2.1HIWIN滚珠丝杠的特点
1)高效率及可逆性
由于滚珠丝杠(滚珠螺杆)螺杆轴及螺帽均是点接触之滚动运动,所以其效率可高达90%以上。
因此其传动扭矩仅只有传统导螺杆的1/3,滚珠螺杆的机械效率远高于传统导螺杆。
HIWIN滚珠丝杠(滚珠螺杆)在牙型表面采以超精密加工,以降低珠槽与钢珠间的接触摩擦,又钢珠与珠槽间为点接触之滚动运动,有低摩擦力及高运转效率的优点。
故可降低马达驱动力要求,进而降低成本。
HIWIN以高精度测试仪器并依循标准测试步骤以确保滚珠螺杆的效率。
2)零背隙及高刚性
CNC工具机、IT及半导体设备对于传动螺杆的要求为零背隙、最小弹性变形(高刚性)及高顺畅感,经由我们的特别设计可以达成此一要求。
滚珠丝杠(滚珠螺杆)及HIWIN直线导轨、HIWIN导轨采用施加预压力,来达到综欣机台的重现性及全行程的高刚性。
但过大的预压力,会增加操作扭矩。
如此增加的摩擦扭矩将会产生热及降低预期寿命。
透过我们特别的设计及制程,提供给您最佳化的滚珠螺杆——零背隙和低热损失。
3)高导程精度
HIWIN滚珠丝杠精度等级依循ISO,JIS和DIN标准制造亦可依顾客需求生产所需精度等级。
采用精密雷射量测仪器来保证滚珠螺杆精度并随每支研磨级滚珠螺杆均附上导程精度表,予以100%品质保证。
4)寿命预测
不同于传统导螺杆的寿命取决接触面之磨耗;
HIWIN滚珠丝杠(滚珠螺杆)则取决于材料的疲劳破坏。
为确保HIWIN滚珠丝杠(滚珠螺杆)在预期寿命之可靠度,不管设计、材质、热处理及导程等皆采以最严格的专业考量。
滚珠丝杠(滚珠螺杆)的预期寿命必须参考设计品质及制程等几项的安全因子,但最主要以动负荷(C)为依据。
而影响动负荷的基本因素为——牙型精度、材料特性及表面硬度。
高品质的滚珠丝杠(滚珠螺杆),必须达到在统计学上的B级寿命(亦即90%螺杆均达到所设计的寿命),有50%的滚珠螺杆寿命超过设计寿命值的2—4倍。
5)低起动扭矩及顺畅度
传统导螺杆因为是金属与金属间的面接触,所以为克服起动摩擦力,则必须采以较高的起动扭力。
然后滚珠丝杠(滚珠螺杆)是由钢珠滚动接触,只须很小的起动扭矩力即可克服摩擦力。
HIWIN采用最佳的牙型设计系数(形状系数)及专业制造技术达成最佳真实牙型。
且HIWIN导轨使用牙型测量设备,来监测每一制程中的牙型。
如此可确保符合设定之扭力范围。
HIWIN直线导轨亦使用电脑量测,以精确量测出滚珠丝杠(滚珠螺杆)的摩擦扭矩。
6)静音
高品质机械设备于快速进给及重负荷操作下,依然必须要求低噪音。
HIWIN严格控管循环系统及牙型设计,组装技术,并严密检测表面精密加工及尺寸,以达到低噪音的目标。
7)短交期
HIWIN以最快速的制程安排及库存滚珠丝杠(滚珠螺杆)以达到短交期的目标。
8)优于气、液压制动器的优点
若制动器中采用滚珠丝杠(滚珠螺杆)取代传统的气压或液压驱动可得到许多的优点如:
不会渗漏,不须过滤,省能源及重现性高。
3.2.2滚珠丝杠的选型和校核
1)选择导程
根据导程计算公式
马达和驱动器所需要的步进角(°
),取0.36°
;
S:
脉冲当量(mm),0.0025mm;
滚珠丝杠的导程(mm);
A:
减速比,取1。
计算的滚珠丝杠导程=2.5mm。
2)选择型号
行程为150mm选用HIWIN型号为R12-2.5T3-FSI-210-280-0.008的滚珠丝杠。
额定静载荷,额定动载荷,丝杆外径12mm。
3)选择丝杠轴的安装方法
考虑到滚珠丝杠的刚性,选用两端固定的支撑方式。
根据丝杠轴外径,选择支撑单元的型号为EK8,轴承的型号为60000型628/8-Z深沟球轴承。
4)静态安全系数
通常,基本静额定负荷等于滚珠丝杠的容许轴向负荷。
根据使用条件,对于计算负荷有必要考虑以下静态安全系数。
滚珠丝杠在静止或运动中,由于冲击或启动停止所产生的惯性力等,会有意想不到的外力作用,务必注意。
表1静态安全系数
使用机械
负荷条件
fs的下限
一般工业机械
无震动或冲击时
1~1.3
有震动或冲击时
2~3
工具机
1~1.5
2.5~7
轴向负荷的最大值计算公式:
导向面上的摩擦系数,取最小值0.01;
运送质量(kg),为整个上托板的质量
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