X-YX-Y数控工作台及其数控工作台及其控制系统设计控制系统设计 叙述结构叙述结构X-Y数控工作台数控工作台及其控制系统及其控制系统致谢致谢概述概述控制系统控制系统设计设计机械系统机械系统方案确定方案确定机械系统机械系统设计设计第一部分第一部分 概述概述 本部分主要内容：本部分主要内容： 1、研究背景 2、研究意义 3、主要设计参数 4、进给系统示意图 5、X-Y数控工作台实体图 1 1 研究背景研究背景 现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展, ,及其向及其向机械工业的渗透机械工业的渗透, ,而形成的机电一体化，使机械工业的技术结而形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由变化，使工业生产由“机械电气化机械电气化”迈入了以迈入了以“机电一体化机电一体化”为特征的发展阶段。为特征的发展阶段。 随着市场竞争的日趋激烈，产品更新换代周期缩随着市场竞争的日趋激烈，产品更新换代周期缩短，小批量产品的生产所占的比重越来越大，约占总加工量的短，小批量产品的生产所占的比重越来越大，约占总加工量的8080以上。在航空、航天、重型机床以及国防工业部门尤为突以上。在航空、航天、重型机床以及国防工业部门尤为突出。因此，迫切需要一种精度高，柔性好的加工设备来满足上出。因此，迫切需要一种精度高，柔性好的加工设备来满足上述需求，这是机床数控技术产生和发展的内在动力。另一方面，述需求，这是机床数控技术产生和发展的内在动力。另一方面，电子技术和计算机技术的飞速发展则为电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC NC 机床的发展提供了机床的发展提供了坚实的技术基础。数控工作台正是在这种背景下诞生和发展起坚实的技术基础。数控工作台正是在这种背景下诞生和发展起来的，它极其有效地满足了上述要求，为小批量、精密复杂的来的，它极其有效地满足了上述要求，为小批量、精密复杂的零件生产提供了自动化加工手段。零件生产提供了自动化加工手段。 2 2 研究意义研究意义 数控技术可以说就是先进制造技术的基本，体现数控技术可以说就是先进制造技术的基本，体现着数控技术的数控机床和数控技术本身就理所当然地成为制造着数控技术的数控机床和数控技术本身就理所当然地成为制造业关注的焦点。业关注的焦点。 微机控制的数控机床、数控加工中心的高精度、微机控制的数控机床、数控加工中心的高精度、高度柔性化及适合加工复杂零件的性能，正好满足当今市场竞高度柔性化及适合加工复杂零件的性能，正好满足当今市场竞争和工艺发展的需要。可以说，微机数字控制技术的应用是机争和工艺发展的需要。可以说，微机数字控制技术的应用是机械制造行业现代化的标志，在很大程度上决定了企业在市场竞械制造行业现代化的标志，在很大程度上决定了企业在市场竞争中的成败，决定着整个国民经济的水平和现代化程度。争中的成败，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型高新技术产业和尖端工数控技术及装备是发展新型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。数控技术是使用数字信息对机械运动和工作过最核心的技术。数控技术是使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，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，其向传统制造产业和新兴制造业的渗透，形成了机电一体化产其向传统制造产业和新兴制造业的渗透，形成了机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。品，其技术范围覆盖很多领域。 3 3 主要设计参数主要设计参数 1）X、Y方向的脉冲当量为0.01mm；2）X、Y方向的定位精度均为0.01mm； 3）加工范围为X500mm.Y450mm； 4）工作荷载 2000N； 5）工作寿命 15000h； 6）快速进给速度Vmax=2000mm/min。 4 4 进给系统示意图进给系统示意图 5 X-Y 5 X-Y数控工作台实体图数控工作台实体图第二部分第二部分 机械部分设计机械部分设计 本部分主要内容：本部分主要内容： 1、导轨副的确定 2、丝杠螺母副的选择 3、减速装置的确定 4、电动机的选择 5、装配结构图 1 1 导轨副的确定导轨副的确定 根据计算的额定静荷载，选用滚动导轨根据计算的额定静荷载，选用滚动导轨装置中的直线滚动导轨副。它可做成独立的标准部装置中的直线滚动导轨副。它可做成独立的标准部件，其型号为：件，其型号为：HJG-DA45A HJG-DA45A 。 其特点如下： （1）刚度高，承载能力大，便于拆装，可直接 装在任意行程长度的运动部件上； （2）具有自调整能力，安装基面许用误差大； （3） 制造精度高； （4） 可高速运行； （5） 高精度保持性好； （6） 可预加负载，提高刚度。直线滚动导轨副结构图直线滚动导轨副结构图直线滚动导轨副结构图直线滚动导轨副结构图 2 2 丝杠螺母副的选择丝杠螺母副的选择 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，且需要满足参数中的要求，母副转换成直线运动，且需要满足参数中的要求，故选用滚珠丝杠副以更好的达到要求。本设计故选用滚珠丝杠副以更好的达到要求。本设计选选择择G.GDG.GD系列的系列的3206-2.53206-2.5丝杠丝杠，并对其进行了校核。，并对其进行了校核。 滚珠丝杠副的优点： （1）传动精度高 （2）动态响应快 （3）运转平稳 （4） 寿命长 （5） 效率高 （6） 预紧后可消除反向间隙。双螺母垫片调隙式滚珠丝杠副双螺母垫片调隙式滚珠丝杠副双螺母垫片调隙式滚珠丝杠副双螺母垫片调隙式滚珠丝杠副 3 3 减速装置的确定减速装置的确定 减速器的作用： （1）降速同时提高输出的扭矩; （2）降低负载的惯量，惯量的减少是减速比的平方， 一般情况下电机都有一个惯量值。 （3）对于步进电机可以圆整步距角。 本文使用带传动作为减速装置本文使用带传动作为减速装置 带传动的优点： （1）结构简单，成本低； （2）带有弹性，能缓冲减震，运转平稳，噪音小； （3）传动过载时，带与带轮打滑，保护其他零件。 同步齿形带传动同步齿形带传动 本设计选择同步齿形带实现精确的传动。同步齿形带传动是一种新型的带传动。 其优点有： （1）它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次啮 合传递运动和动力，因而兼有带传动、齿 轮传动及链传动的优点。 （2）无相对滑动，平均传动比较准确，传动精 度高，而且齿形带的强度高、厚度小、重 量轻，故可用于该设计的传动。 （3）齿形带无需特别张紧，故作用在轴和轴承 上的载荷小，传动效率也高。同步齿形带传动同步齿形带传动 4 4 电动机的选择电动机的选择 主要的伺服电动机有： （1）直流伺服电动机 （2）交流伺服电动机 （3）步进电动机 由原始参数，本设计不必采用高档次的伺服电动机，故可以选用混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。 步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。步进电机最有意义的一个特点就是在开环系统里可以实现精确的控制。 因此本设计选择因此本设计选择86BYG350AH-020186BYG350AH-0201三相三相混合式步进电机。混合式步进电机。 步进电机的优点步进电机的优点步进电机的优点步进电机的优点： （1）由于每步的精度在3%-5%，而且不会将上一步 的误差积累到下一步，因而有较好的位置精度 和运动的重复性； （2）优秀的起停和反转响应； （3）由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命 仅仅取决于轴承的寿命； （4）电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以 采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简 单，而且控制成本较低； （5）可将负载直接连接到电机的转轴上，也可以极 低速的同步旋转； （6）由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转 速范围。混合式步进电机混合式步进电机混合式步进电机混合式步进电机 5 5 装配结构图装配结构图第三部分第三部分 控制部分设计控制部分设计 本部分主要内容：本部分主要内容： 1、西门子S7-200型PLC特点 2、PLC硬件组成 3、步进电机的控制 1 1 西门子西门子S7-200S7-200型型PLCPLC 其特点如下： （1）PLC体积小、抗干扰能力强，对环境要求 不高，可靠性高，灵活性好 （2）S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适 用于各行各业，各种场合中的检测、监测 及控制的自动化。 （3）S7-200系列具有极高的可靠性、极丰富的 指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的 内置集成功能、实时特性、丰富的扩展模 块。S7-200S7-200型型PLCPLC 2 PLC 2 PLC的硬件组成的硬件组成 3 3 步进电机的控制步进电机的控制 控制要求如下： （1）可正转起动或反转起动； （2）运行过程中,正反转可随时不停机切换； （3）步进速度可分为高速(0. 05 s) 、中速(0. 1s) 、低速(0. 5 s) 三档,并可随时手控变速； （4）停止时,应对移位寄存器清零,使每次起动均 从A 相开始。开始选择步进速度移位寄存器赋初值高速发出移位脉冲执行移位正转或反转启动控制电机步进六拍计数？中速低速NY输入端输入端输出端输出端I0. I0. 0 0步进电机正转起动按钮步进电机正转起动按钮Q0. Q0. 0 0控制控制A A 相绕相绕组组I0. I0. 1 1步进电机反转起动按钮步进电机反转起动按钮Q0. Q0. 1 1控制控制B B相绕组相绕组I0. I0. 2 2停止及清零按钮停止及清零按钮Q0. Q0. 2 2控制控制C C相绕组相绕组I1. I1. 0 0低速开关低速开关I1. I1. 1 1中速开关中速开关I1. I1. 2 2高速开关高速开关输入输入/ /输出编址输出编址移位寄存器初值移位寄存器初值M0. 7M0. 7M0. 6M0. 6M0. 5M0. 5M0. 4M0. 4 M0. 3M0. 3M0. 2M0. 2M0. 1M0. 1M0. 0M0. 000100000三相绕组的控制逻辑关系三相绕组的控制逻辑关系正转时A 相Q0. 0 = M0. 5 + M0. 4 + M0. 0B 相Q0. 1 = M0. 4 + M0. 3 + M0. 2C 相Q0. 2 = M0. 2 + M0. 1 + M0. 0反转时A 相Q0. 0 = M0. 5 + M0. 4 + M0. 0B 相Q0. 1 = M0. 2 + M0. 1 + M0. 0C 相Q0. 2 = M0. 4 + M0. 3 + M0. 2移位寄存器输出状态及步进电机绕移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表组状态真值表移位寄存器移位寄存器MB0MB0正转正转反转反转M0.5M0.4 M0.3 M0.2M0.1M0.0ABCABC000000000000100000100100010000110101001000010001000100011011000010001010000001101110程序模块程序模块模块模块模块模块1 1 1 1 步进速度选择步进速度选择步进速度选择步进速度选择模块模块模块模块2 2 2 2 启动、停止、清零启动、停止、清零启动、停止、清零启动、停止、清零模块模块模块模块3 3 3 3 移位步进控制功能模块移位步进控制功能模块移位步进控制功能模块移位步进控制功能模块模块模块模块模块4 A 4 A 4 A 4 A 、B B B B 、C C C C 三相绕组对象控制三相绕组对象控制三相绕组对象控制三相绕组对象控制第四部分第四部分 致谢致谢感谢四年间我有幸聆听教诲的各科老师；感谢四年间我有幸聆听教诲的各科老师； 感谢我的母校；感谢我的母校； 感谢各位专家、老师、同学的指正。感谢各位专家、老师、同学的指正。