電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)工作臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張立軍

上汽通用五菱汽車股份有限公司重慶分公司 重慶市 404100

1 引言

機(jī)械設(shè)備的技術(shù)水平?jīng)Q定了國民經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平和硬實(shí)力的先進(jìn)水平。數(shù)控技術(shù)和設(shè)備的能力是最基本的要求，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的發(fā)展依靠最核心的先進(jìn)制造技術(shù)水平和裝備能力。

數(shù)控技術(shù)是一種技術(shù)應(yīng)用程序，使用數(shù)字信息來控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)和機(jī)械工作過程。數(shù)控設(shè)備是一個(gè)創(chuàng)新的技術(shù)由數(shù)控技術(shù)提高傳統(tǒng)制造業(yè)，形成機(jī)械電子一體化的產(chǎn)品，所帶來的技術(shù)，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定

數(shù)控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模式、伺服系統(tǒng)選擇、x-y工作臺傳輸模式。

2.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模式

系統(tǒng)需要有一個(gè)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及每個(gè)坐標(biāo)軸。一般來說，使用連續(xù)控制。

2.2 伺服系統(tǒng)選擇

一般通過8031系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，MCS—51系列單片機(jī)的主要特點(diǎn)是性價(jià)比高、高集成、可靠性好、速度快、功能強(qiáng)大。伺服系統(tǒng)的操作程序和控制命令通過操作鍵盤，顯示器顯示處理數(shù)據(jù)和工作條件。

伺服系統(tǒng)使用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī)，用于負(fù)荷并不大。由于開環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋元件，它不能正確的系統(tǒng)傳輸錯(cuò)誤。然而，開環(huán)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整和維護(hù)，并廣泛應(yīng)用于操作動(dòng)作準(zhǔn)確性不高的場所。

2.3 x-y工作臺傳輸模式

為了確保工作臺的傳動(dòng)精度和穩(wěn)定性，滾珠絲杠螺母傳動(dòng)副通常被使用；為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，結(jié)構(gòu)與預(yù)壓結(jié)構(gòu)的預(yù)加載荷得到廣泛使用。

考慮到工作臺移動(dòng)部件的重量和負(fù)荷并不大，選擇滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，減少工作的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)分辨率和負(fù)載的要求，齒輪減速驅(qū)動(dòng)用于電動(dòng)機(jī)步角和鉛線棒的長度。

系統(tǒng)的總體圖如下：

3 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，工作臺的形狀尺寸和重量估計(jì)，計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌副、滾珠絲杠的計(jì)算、齒輪計(jì)算/設(shè)計(jì)等。

3.1 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量

脈沖當(dāng)量ΔP是工作臺的位移時(shí)的橫向進(jìn)給指令。標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)≤工作臺的定位精度。自定位精度±0.01毫米，脈沖當(dāng)量是0.01毫米。

3.2 估計(jì)工作臺尺寸和重量

畫工作臺圖，根據(jù)現(xiàn)有的工作臺的有效行程，估算X-Y工作臺的承載重量。

X向?qū)к壷行木嘀武撉蚴?20毫米，Y向?qū)к壷行木嘀武撉蚴?10毫米。工作臺設(shè)計(jì)如下：

①Y向拖板尺寸（下）：長*寬*高=420 * 410*50

重量：按重量計(jì)算=體積*材料重量 為：WY=420*410*50*10-3*7.8*10-2=671.58N

②X向拖板尺寸（上）：長*寬*高=420*420*50

重量：按重量計(jì)算=體積*材料重量 為：WX=420*420*50*10-3*7.8*10-2=687.96N

③Y向拖板尺寸（下）：長*寬*高=420*410*50

重量：按重量計(jì)算=體積*材料重量 為：WY=420*400*50*10-3*7.8*10-2=671.58N

④上導(dǎo)軌的重量（含電機(jī)）：（900*480*8+2*800*35*50）7.8*10-2*10-3=487.97N

夾具和工件的重量約為160N

x-y工作臺的運(yùn)動(dòng)部分的總重量：W=487.97+671.58+687.96+160≈2000N

3.3 計(jì)算和滾動(dòng)導(dǎo)軌的選擇

根據(jù)給定的工作負(fù)載Fz，估算WX和WY，靜態(tài)安全系數(shù)目前=fSLC0/P，在公式：C0導(dǎo)軌的基本靜態(tài)額定負(fù)載，工作負(fù)荷P=0.5（Fz+W）；fSL=1.0~3.0（一般操作條件），3.0~5.0（在運(yùn)動(dòng)沖擊和振動(dòng)）。操作中系統(tǒng)受到的沖擊及振動(dòng)為中等，fSL=3.0

3.4 齒輪計(jì)算/設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量，一對齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)該添加降低速度。初選步進(jìn)電機(jī)角步：α=2.0/step。

因?yàn)榕ぞ匦。?shù)m=1mm：

分度圓直徑計(jì)算：d1=mz1=1*24=24mm d2=mz2=1*50=50mm

齒根圓直徑計(jì)算： df1=（z1-2.5）m=（24-2.5）*1=21.5mm

齒頂圓直徑計(jì)算：da1=（z1+2）m=（24+2）*1=26mm

da2=（z2+2）m=（50+2）*1=52mm

寬度計(jì)算：b=φdd1=1*24=24mm b1=25mm，b2=30mm

中心距計(jì)算：a=0.5（d1+d2）=0.5（24+50）=37mm

分度圓壓力角：α=20°

齒輪采用標(biāo)準(zhǔn)漸開線圓柱齒輪，選擇小齒輪和兩個(gè)薄齒輪避免互連。

4 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

x-y數(shù)控系統(tǒng)包括CPU、傳輸驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)電路，電源設(shè)計(jì)等。在設(shè)計(jì)硬設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要注意電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，成本低、性能可靠、維護(hù)方便、人機(jī)交互等等。

4.1 CPU的選擇

應(yīng)用電子技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，單芯片微型計(jì)算機(jī)跨越式發(fā)展。目前，單片模型市場，有很多通過mcs—51匯編語言芯片和派生的兼容芯片。8位單片機(jī)89c51，廉價(jià)、強(qiáng)大、性價(jià)比優(yōu)良，在市場中得到了廣泛的應(yīng)用。

4.2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

傳動(dòng)部分包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電磁鐵驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器必須滿足快速定位、帶動(dòng)工作臺運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行并能按照程序的設(shè)定的速度運(yùn)行。

4.3 電源設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)使用兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，電力消耗很大，所以有必要選擇一個(gè)大的電源。該系統(tǒng)中使用的電源電壓為27v/12V/5V。為了滿足電源要求、功率管理容量需求，27v電源作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓，轉(zhuǎn)換為12v/5v電壓芯片使用。

4.4 電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路

該驅(qū)動(dòng)電路采用光電耦合器，其電路相對簡單。因?yàn)轵?qū)動(dòng)電磁鐵的電流比較大，光電耦合部分使用達(dá)林頓管。

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展從初步探索到相對成熟的階段，性能先進(jìn)、技術(shù)成熟、產(chǎn)品可靠的數(shù)控產(chǎn)品正在快速代替維護(hù)成本昂貴的老式設(shè)備。對于提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)舊設(shè)備的利用率起到舉足輕重的作用，也是推廣機(jī)電一體化技術(shù)的重要方法。