数控车床系统XY工作台与控制系统设计.docx

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数控车床系统XY工作台与控制系统设计

数控车床系统XY工作台与控制系统设计

作者：

杨昭晖

[摘要]

当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。

一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：

机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。

机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。

新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。

[关键词]

机电一体化的基础基本组成要素特点发展趋势

[Abstract]

Intoday'sworldelectronictechnologyrapiddevelopment,microprocessor,themicrocomputerinthetechnologyhasbeenwidelyapplied,thedevelopmentofthetechnologyofvariousfieldshasplayedagreatroleinpromoting.Amoreperfectmechanicalandelectricalintegrationsystem,shouldcontainthefollowingbasicelements:

body,poweranddriveparts,actuator,sensortest,controlandinformationprocessing.Mechanicalandelectricalintegrationisthesystemtechnology,computertechnology,automaticcontrolandinformationprocessingtechnology,detectionsensortechnologyandservodrivetechnologyandmechanicaltechnologyandothermulti-disciplinaryoverlappingtechnology-intensivesystemengineeringtechnologyfield.AnewgenerationofthiskindoftypicalCNCsystemismovingtowardthehighperformanceandintelligentmechatronicsproducts,systematicandlightweightandminiaturizationdirection.

[Keyword]

Thebasisofmechatronicsunderlyingdimensioncharacteristicdevelopmenttendency

一绪言

当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状在我国对外开放进一步深化的新环境下,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。

装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,其技术范围覆盖很多领域。

（一）、数控技术的发展趋势。

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,他对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。

从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要研究热点有以下几个方面:

1、高速、高精加工技术及装备的新趋势

效率、质量是先进制造技术的主体。

高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。

从EMO2001展会情况来看,高速加工中心进给速度可达80m/min,甚至更高,空运行速度可达100m/min左右。

目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。

在加工精度方面,近10年来,普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密级加工中心则从3～5μm,提高到1～1.5μm并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.1μm。

为了实现高速、高精加工,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展,应用领域进一步扩大。

2、5轴联动加工和复合加工机床快速发展

采用5轴联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅光洁度高,而且效率也大幅度提高。

但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因,其价格要比3轴联动数控机床高出数倍,加之编程技术难度较大,制约了5轴联动机床的发展。

当前由于电主轴的出现,使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化,其制造难度和成本大幅度降低,数控系统的价格差距缩小。

因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床含5面加工机床的发展。

3、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:

为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。

数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。

所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁结构对象数控功能,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统,形成具有鲜明个性的名牌产品。

目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

（二）、对我国数控技术及其产业发展的基本估计

我国数控技术起步于1958年,近50年的发展历程大致可分为三个阶段：

第一阶段从1958年到1979年,即封闭式发展阶段。

在此阶段,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制,数控技术的发展较为缓慢。

第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期,即引进技术,消化吸收,初步建立起国产化体系阶段。

在此阶段,由于改革开放和国家的重视,以及研究开发环境和国际环境的改善,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。

第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间,即实施产业化的研究,进入市场竞争阶段。

纵观我国数控技术近50年的发展历程,特别是经过4个5年计划的攻关,总体来看取得的成绩还是不小。

（三）、对我国数控技术和产业化发展的战略思考

1、战略考虑

我国是制造大国,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移,所以,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。

首先从社会安全看,因为制造业是我国就业人口最多的行业,制造业发展不仅可提高人民的生活水平,而且还可缓解我国就业的压力,保障社会的稳定;其次从国防安全看,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质,对我国实现禁运和限制,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。

2、发展策略

从我国基本国情的角度出发,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标,用系统的方法,选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容,实现制造装备业的跨跃式发展。

强调市场需求为导向,即以数控终端产品为主,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等带动数控产业的发展。

重点解决数控系统和相关功能部件数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等的可靠性和生产规模问题。

没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。

二毕业设计的目的、意义

（一）撰写论文的目的

撰写毕业论文的目的，主要有两个方面；一是对学生的知识相能力进行一次全面的考核。

二是对学生进行科学研究基本功的训练，培养学生综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文打下良好的基础。

撰写毕业论文是在校大学生最后一次知识的全面检验，是对学生基本知识、基本理论和基本技能掌握与提高程度的一次总测试，这是撰写毕业论文的第一个目的。

大学生在学习期间，已经按照教学计划的规定，学完了公共课、基础课、专业课以及选修课等，每门课程也都经过了考试或考查。

学习期间的这种考核是单科进行，主要是考查学生对本门学科所学知识的记忆程度和理解程度。

但毕业论文则不同，它不是单一地对学生进行某一学科已学知识的考核，而是着重考查学生运用所学知识对某一问题进行探讨和研究的能力。

写好一篇毕业论文，既要系统地掌握和运用专业知识，还要有较宽的知识面并有一定的逻辑思维能力和写作功底。

这就要求学生既要具备良好的专业知识，又要有深厚的基础课和公共课知识。

撰写毕业论文的第二目的是培养大学生的科学研究能力，使他们初步掌握进行科学研究的基本程序和方法。

大学生毕业后，不论从事何种工作，都必须具有一定的研究和写作能力。

在党政部门和企事业单位从事管理工作，就要学会搞调查研究，学会起草工作计划、总结、报告等，为此就要学会收集和整理材料，能提出问题、分析问题和解决问题，并将其结果以文字的形式表达出来。

（二）撰写论文的意义

首先，撰写毕业论文是检验我们大学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。

大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。

申请学位必须提交相应的学位论文，经答辩通过后，方可取得学位。

可以这么说，毕业论文是结束大学学习生活走向社会的一个中介和桥梁。

毕业论文是大学生才华的第一次显露，是向祖国和人民所交的一份有份量的答卷，是投身社会主义现代化建设事业的报到书。

一篇毕业论文虽然不能全面地反映出一个人的才华，也不一定能对社会直接带来巨大的效益，对专业产生开拓性的影响。

但它总是在一定程度上表明一个人的能力与才华，向社会展示自身的价值。

撰写毕业论文在学业生涯中是一件值得留恋的事情。

论文写作过程中所唤起的对科学研究的极大兴趣，所激发的对科学事业的满腔热情，以及写作中辛勤的耕耘，导师的教诲和拿到学位证书时激动人心的场面等，都会变成美好的回忆，深藏在记亿中。

此外，撰写毕业论文是大学生在校学习期间专业考核的重要环节。

教学计划规定大学三年级学生要写学年论文，四五年级即将毕业的学生要写毕业论文。

1981年全国实行学位制度，规定凡申请学位者，都要提交学位论文。

目前，撰写毕业论文制度，不仅在全国高等院校中普遍实行，而且在电大、函大、职工大学、刊授大学等各种形式的高等业余教育中也得到了全面贯彻。

实践证明，撰写毕业论文是提高教学质量的重要环节，是保证出好人才的重要措施。

三材料与方法

已知条件：

定位精度：

±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：

T=15000h，中等冲击工作台的有效行程为Lx400mmLY400mm快速进给速度vxmax200m0m/vmin2000mm/min和工作载荷FZ2000Nymax

（一）数控装置总体方案的确定

1.数控装置设计参数的确定；2.方案的分析，比较，论证。

（二）机械部分的设计

1.确定脉冲当量；

2.机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；

3.传动元件及导向元件的设计，计算和选用；

4.确定伺服电机；

5.绘制机械结构装配图；

6.系统等效惯量计算；

7.系统精度分析。

（三）数控系统的设计

1.微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；

2.I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用；

3.系统控制软件的设。

（四）数控系统总体方案的确定

数控系统总体方案设计的内容包括：

系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。

进行方案的分析、比较和论证。

1.系统运动方式的确定

该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。

2.伺服系统的选择

开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。

但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。

考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。

3.计算机系统的选择

采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。

MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。

系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。

显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。

4.X—Y工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。

由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。

考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。

系统总体框图如下:

图1-1

（五）机械部分设计

机械部分设计内容包括：

确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。

1.确定系统脉冲当量

脉冲当量δp是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为±0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。

2.工作台外形尺寸及重量初步估算

根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。

取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下：

图1-2

X向拖板（上拖板）尺寸为:

长*宽*高=420*410*50

重量:

按重量=体积*材料比重估算为:

Wx=420*410*50*10-3*7.8*10-2*671.58N

Y向拖板（下拖板）尺寸为:

420*400*50

重量WY=420*400*50*10-3*7.8*10-2*655.2N

上导轨（含电机）重量为

（900*480*82*800*35*50）*7.8*10-2*10-3=487.97N

夹具及工件重量:

约155N

X-Y工作台运动部分总重量为:

W=487.97+655.2+671.58+155≈2000N

四计算

（一）滚动导轨副的计算、选择

根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：

C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5（Fz+W）；fSL=1.0～3.0（一般运行状况），3.0～5.0（运动时受冲击、振动）。

根据计算结果查有关资料初选导轨：

因系统受中等冲击,因此取fsL=4.0

C0=fSLPX,Y

PX,Y=0.5（FZ+WX,Y）

Px=0.5（FZ+WX）=0.5（2000+671.58）=1335.79N

PY=0.5（FZ+WY）=0.5（2000+655.2）=1327.6NCOX=fSLPX=4*1335.79=5343.16N

COY=fSLPY=4*1327.6=5310.4N

根据计算额定静载荷初选导轨:

选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:

HJG-D25

基本参数如下：

表1-1

导轨的额定动载荷Ca=17500N

依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷Ca（kN）验算导轨的工作寿命Ln：

额定行程长度寿命:

Ts=K（fHfTfC/fwCa/F）

F=FM/M=2000/4=500

fT=1,fW-2,fC=0.81,fH=1,

K=R/do=50

TS=K（fHfTfC/fwCa/F）=50（1*1*0.81/217500/500）3=142409.58km

导轨的额定工作时间寿

TH=TS*103/2lon

TH=TS*103/2lon=142409.58*103/2*0.6*4*60=494477h>T=15000h

导轨的工作寿命足够.

（二）滚珠丝杠计算、选择

初选丝杠材质：

CrWMn钢，HRC58～60，导程：

lo=5mm

1.强度计算

丝杠轴向力：

Fmax=KFx,y+f（Fz+Wx,y）（N）

其中：

K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003～0005；在车床车削外圆时：

Fx=（0.1～0.6）Fz，Fy=（0.15～0.7）Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。

取f=0.004,FZ=400则:

FX=0.5FZ*0.5*2000=1000N

FY=0.6FZ*0.6*2000=1200N

FXmax=1.15*10000.004（2000+671.58）=1045.686N

FYmax=1.15*12000.004（2000+655.2）=1252.621N

寿命值：

L=60nT/106，其中丝杠转速n=vmax/lo（r/min）

T=15000h

n=vmax/lo=2000/5=400r/min

L=60*400*15000/106=360

最大动载荷：

Q=3√LfHfWF

式中：

fW为载荷系数，中等冲击时为1.2～1.5；fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。

查表得中等冲击时

fW=1.2,fH=1则：

QX=3√360*1.2*1*1045.686=7079.58N

Qy=3√360*1.2*1*1252.621=10686.54N

根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为:

CM系列滚珠丝杆副，其型号为：

CM2005-5。

其基本参数如下:

图1-3

其额定动载荷为14205N>Qy足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.

滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表

表1-2

名称

计算公式

结果

公称直径do

--

20mm

螺距t

--

5mm

接触角β

--

45o

钢球直径db

--

3.175mm

螺纹滚道法向半径R

R=0.52db

1.651mm

偏心距e

e=（R-db/2）sinβ

0.04489mm

螺纹升角γ

γ=arctg（t/πdo）

4o33

螺杆外径d

d=do-（0.2～0.25）db

19.365mm

螺杆内径d1

d1=do+2e-2R

16.788mm

螺杆接触直径d

D2=d0-dbcosβ

17.755mm

螺母螺纹外径D

D=d0-2e+2R

23.212mm

螺母内径（外循环）D1

D1=d0+（0.2～0.255）db

20.7mm

2.传动效率计算

丝杠螺母副的传动效率为：

η=tgγ/tg（γ+φ）

式中：

φ=10，，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。

η=tgγ/tg（γ+φ）=tg4o33’/tg（4o33’+10,）=0.96

3.稳定性验算

丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。

（注：

可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!

）