三坐标工作台控制系统综合设计

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1、1总体方案的确定1.1引言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机械工业的渗透所形成的机电一体化，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变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。1.2、设计任务主要是设计一个具有X、Y、Z三个坐标轴的工作台，能够沿着X、Y、Z轴运动，用于加工机床时不仅可以对空间任意平面加工,而且能对空间曲面加工；还能用于测量装置，可以对工件的三维坐标进行测量。设计包括其机械结构部分，控制

2、系统部分的软、硬件系统，能够实现基本的运动功能和联动功能。1.3机械传动部件的选择1.3.1导轨副的选用要设计的工作台，需要承受20kN的载荷，载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此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，安装预紧方便等优点。1.3.2丝杠螺母副的选用步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.005mm冲当量和mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求。1.3.3减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，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

3、的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。1.3.4步进电动机的选用选定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此3000mm/min，故设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。1.3.5检测装置的选用为了确保电动机在运动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，拟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力应与步进电动机的步距角相匹配。1.4控制系统的设计1）设计的三坐标工作台准备用在数控

4、机床上，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，所以控制系统设计成连续控制型。2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MPC07运动控制卡作为控制系统的CPU，能够满足相关的指标。MPC07控制卡主要特征有：开放式结构、使用简便、功能丰富、可靠性高等3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。2、机械传动部件的选择由于所设计的三坐标工作台是用于数控铣床上，所以根据参考资料设计主要参数如下：1.立铣刀最大直径的d=20mm

5、；2.立铣刀齿数Z=43.最大铣削宽度=15mm;4.最大背吃刀量=10mm;5.加工材料为碳素钢。6.X、Y方向的脉冲当量=0.005mm/脉冲;7.X、Z方向的定位精度均为mm;8.工作台面尺寸为350mm×350mm，加工范围为380mm×380mm;9.工作台空载进给最快移动速度：;10.工作台进给最快移动速度:;1.每齿进给量F=0.1mm。2.铣刀转速n=300r/min。2.1工作台的受力分析与计算所设计的三坐标工作台是用于铣床上，零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由所参考资料查得立铣时的铣削力计算公式为：今选择铣刀的直径为d=

6、20mm，齿数Z=4,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为，背吃刀量=10mm，每齿进给量，铣刀转速。则由式求的最大铣削力：=N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由参考资料查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：。现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削力为。2.1Z轴的选型：2.1.2直线滚动导轨副的计算与选型工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于

7、台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：其中，移动部件重量Ｇ＝20kN，外加载荷，代入式中，得最大工作载荷=5.751kN。由所参考资料查得，根据工作载荷=5.751kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG25型，其额定动载荷Ca=17.7kN，额定静载荷Coa=22.6kN。任务书规定工作台面尺寸为350mm×350mm，加工范围为380mm×380mm，考虑工作行程应留有一定余量，由所参考资料查得，按标准系列，选取导轨的长度为800mm。上述所取的KL系列JSA-LG2