数控切割机结构与运动控制系统设计论文-学位论文.doc
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1、济南大学毕业设计1 前言1.1 课题背景在机械加工过程中,以往板材切割常用的方式有手工切割、半自动切割机切割及数控切割机切割。手工切割灵活方便,但手工切割质量差、尺寸误差大、材料浪费多、生产效率低。半自动切割机中仿形切割机,切割工件的质量较好,由于其使用切割模具,不适合于单件、小批量和大工件切割。其它类型半自动切割机虽然降低了工人劳动强度,但其功能简单,只适合一些较规则形状的零件切割。数控切割相对手动和半自动切割方式来说,可有效地提高板材切割地效率、切割质量,减轻操作者地劳动强度。数控切割机是数字程序控制(Numerical program Control)的自动化切割设备,简称NC切割机,这
2、种设备不但切割操作的自动化程度高,而且切割精度高、材料利用率高、生产效率。同时,随着时代的发展数控切割机控制系统已经在当初的简单功能、较低的自动化程度、复杂的编程和输入方式方面得到了很好的发展,形成了现在的具有功能完善、图形化、智能化、网络化的控制方式; 驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天的全数字式伺服驱动。激光是二十世纪最重大的科学发现之一,它刚一问世就引起了科学家们的高度重视。自此以来,世界各国投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光加工对材料学的研究,促使激光加工在很短的时间内得到了飞速发展,并获得了巨大的经济效益和社会效益。如今在中国,激光技术在工业、医学、军工以及人
3、们的现代生活中得到广泛的应用,并且正逐步实现激光技术产业化。切割机的数控化以及激光器的应用在当今机加工过程中的地位越来越重,这种机光、机、电为一体的设备实现代科学技术的完美体现,在高强度、高韧性、高硬度等工件的加工过程中会得到广泛的运用。数控激光切割机是集光、机、电为一体的高度集成设备,是目前科技含量相对较高的机械设备,现对于传统的机加工,数控激光具有切割机的加工精度更高、柔性化好,有利于提高材料的利用率,降低产品成本,减轻工人负担等优点,对制造业来说,数控激光的出现是一场机加工技术的革命。数控激光切割的适用对象主要是难切割材料,如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料,以及精密细小和形状复
4、杂的零件。数控切割技术、数控切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。因此研究和设计数控切割有很强的现实意义。微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。1.2 设计任务本次设计任务是设计一台由单片机控制的切割机床,主要设计对象是XY工作台部件及单片机控制原理图。单片机对XY工作台的纵、横向进给脉冲当量0.001mm/ pluse。工作台部件主要构件为滚珠丝杠副、滚动直线导轨副、步进电机、工作台等。设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配工艺。1.3总体设计方案通过对数控切割机的整体设计,确定一台合理的立式机床结构。数控切割机的主要组成部分有工作台、滚珠丝杠传动系统、直线导轨、步进电机及其传动机构、数控系统等。
5、根据题目要求,设计出一个结构合理的XY轴工作台,同时对工作台进行受力分析、设计计算,对滚珠丝杠传动系统传动效率、强度等也进行相应的计算,对直线滚动导轨如何选型进行深度分析,确定步进电机及其传动机构并进行惯性负载计算、刚度讨论等,分别来验证其合理性。利用单片机,设计出一个比较合理的数控硬件电路与步进电机驱动相匹配的数控软件连接,由单片机控制步进电机来实现XYZ方向的运动。在设计中对机床数控部分的I/O进行扩展,并对键盘和显示器进行相应的设计,对程序进行初始化。采用单片机对数据进行计算处理,由I/O接口输出控制信号给驱动器,来驱动步进电机,经齿轮机构减速后,带动滚珠丝杠转动,实现进给。其原理示意图
6、如图1:控制器驱动器驱动器步进电 机步进电 机X向工作台Y向工作台图1系统总体原理图根据机械系统方案的要求,可以看出:对机械部分的控制只有进给系统的步进电机的控制和工作台回转的步进电机控制。控制系统有微机的、有PLC的、也有单片机的,这里选择经济型的PLC控制系统。另外,居然要控制,就得有输入和输出设备才能对相应的运动进行控制。其控制系统框图如图2所示:显示器键 盘驱动器存储器扩展驱动器I/O口扩展PLC功 率 放 大Z轴电机横向丝杠Y轴电机纵向丝杠X轴电机Z向丝杠图2 控制系统框图通过这些过程基本完成经济型数控切割机的设计,按此设计的切割机可以满足生产的实际需要。2 机械部分的基本结构设计2
7、.1 工作台的设计2.1.1 主要设计参数及设计要求本次设计的是一台数控激光切割机床,主要应用于高硬度的板材加工。其主要设计参数规定如下:(1) 工作台行程:横向350mm,纵向450mm(2) 工作台最大尺寸(长宽高):500550150mm(3)最大加工尺寸XY:300400mm(4) 工作台最大承载重量:100Kg(5) 脉冲当量:0.001mm/pluse(6) 进给速度:60mm/min(7) 设计寿命:15年2.1.2工作台的尺寸及重量估算(1) X轴方向工作台的尺寸及重量估算估计托座重量约为=70N。电机重量约为15Kg,即G=159.8=147(N)。估计其它零件重量之和约为
8、=120N。则X方向导轨副所承受的最大负载为:=+2+G=70+2147+120=484(N) (2)Y轴方向工作台的尺寸及重量估算初步确定工作台尺寸为600600150mm,材料为HT200,估重=400N。估计工件最大重量约为100 Kg,即其重量约为G=1009.8=980(N)。托座重量约为=200N,其它零件的重量之和约为 =200N。则Y方向导轨副所承受的最大负载为:=+G=400+200+200+980=1780(N) 2.2工作台进给系统的受力分析由于本设计为数控激光切割机,切割机在工作过程中其激光枪与工件不会出现直接接触,因此可以认为在整个加工过程中没有外力负载,即其切削力可
9、认为是零。通常情况下,滚动直线导轨的摩擦力相对较小,因此可以忽略不计。滚珠丝杠副以及齿轮间的摩擦力就相对较大,会影响电机的步距精度,则这些摩擦力是不可以忽略的。X、Y、Z三个方向的运动全部由滚珠丝杠带动,附加上工作台、中间滑块、底座、导轨等零部件实现完整的工作运动。同时,因为滚珠丝杠副的作用也保证了各相对运动过程中的运动精度。3 滚珠丝杠的设计计算3.1 计算切削力因为在整个切削过程中激光枪与工件之间没有直接接触18,则可认为其切削力零:3.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.2.1 横向进给丝杠 (1)计算进给牵引力(N)横向导轨为滚动导轨=0+0.004484=1.936(N) (3.1)式
10、中 滑动导轨摩擦系数:=0.15-0.14;滚动导轨摩擦系数:=0.0025-0.005,取=0.004 工作台及工件重量:G=484(N)(2)计算最大动载荷C 式中,滚珠丝杠导程,由于丝杠为低速工作,故初选4mm; 最大切削速度,=600mm/min; 运转系数,按一般运转取=1.21.5; 使用寿命,按130000h; 寿命、以转为1单位。=15(r/min) (3.2)=117 (3.3)=11.4(N) (3.4)(3) 滚珠丝杠螺母副的选型查阅机电专业课程设计指导书附录A表3,可选用NL3005内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,其额定动载荷为9100N,足以满足要求,算定精度为
11、3。(4)传动效率的计算 (3.5)式中 螺旋升角,NL3005 = 摩擦角取;滚动摩擦系数0.0030.004=0.95(5)刚度计算横向进给丝杠的支撑方式如图3所示,最大牵引力为1.936N支撑间距L=600mm,预紧力为最大轴向载荷的1/3。步进电 机工作台L图3 横向进给丝杠的支撑计算简图 丝杠的拉伸或压缩变形量(mm)先用下面的公式计算在工作负载的作用下引起的导程的变化量。 (3.6)式中 在工作负载作用下引起的每一导程的变化量,(mm); 工作负载,即进给率引力,=1.936N; 滚珠丝杠的导程 ,=4mm; E材料的弹性模数,对钢E=20.6(N/mm); F 滚珠丝杠横截面积(
12、按内径确定) (mm)=5.3210(mm)在计算滚珠丝杠的总长度上的拉伸和压缩量。 (3.7)式中 L滚珠丝杠在支撑间的受力长度,L=600mm 。=8.5510(mm) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量(mm)由于对滚珠丝杠加有预紧力,且为轴向最大负载的1/3,则之值可减少一半。 (3.8)式中 轴向工作负载,=0.1936kgf; 预紧力,=0.064kgf; 滚珠直径,=3.175mm; 滚珠数量 =Z圈数列数=2712=54; Z 一圈的滚珠数=27 滚珠丝杠的公称直径,=30mm。=0.210(mm)则取之值的一半为=0.110mm 支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形(mm)选用51205
13、推力球轴承,=25mm,滚动体直径=7.5mm,滚动体数量z=11。=1.4310(mm) (3.9)注意在此公式中的单位应为又因施加预紧力,故=1.4310=0.71510(mm) (3.10)根据以上计算: =+=8.5510+0.110+0.71510=0.900510(mm)定位精度(6)稳定性校核由于已选定丝杠尺寸且支撑条件为一端支撑一端自由,则应计算承受最大载荷是其有没有产生纵向弯曲的危险。产生失稳的临界负载可用下式计算: (3.11)式中 E丝杠材料弹性模量,对钢E=20.610(N/cm); I截面惯性矩(cm),丝杠截面惯性矩=3.143/64=3.97 cm(为丝杠螺纹的底
14、径); 丝杠两端支撑距离,=60; 丝杠的支撑长度系数,取=0.25。=55996(N)=55996/1.936=28924则丝杠不会失稳;为许用稳定性安全系数,一般取=2.54.3.2.2 纵向进给丝杠 (1)计算进给牵引力(N)纵向导轨为滚动导轨=0+0.0041780=7.12(N) (3.12)式中 滑动导轨摩擦系数:=0.15-0.14;滚动导轨摩擦系数:=0.0025-0.005,取=0.004 工作台及工件重量:G=1780(N)(2)计算最大动载荷C=15(r/min) (3.13)=117 (3.14)=41.9(N) (3.15)(3) 滚珠丝杠螺母副的选型查阅机电专业课程
15、设计指导书附录A表3,可选用NL6008内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,其额定动载荷为21200N,足以满足要求,算定精度为3。(4)传动效率的计算 (3.16)式中 螺旋升角,NL6008 = 摩擦角取;滚动摩擦系数0.0030.004=0.93(5)刚度计算纵向进给丝杠的支撑方式如图4所示,最大牵引力为7.12N支撑间距L=900mm,预紧力为最大轴向载荷的1/3。步进电 机工作台L图4 纵向进给丝杠的支撑方式计算简图 丝杠的拉伸或压缩变形量(mm)=4.8910(m)=1110(m) (3.17)式中 L滚珠丝杠在支撑间的受力长度,L=900mm 。 滚珠与螺纹滚道间接触变形量(m
16、m)由于对滚珠丝杠加有预紧力,且为轴向最大负载的1/3,则之值可减少一半。=0.47109(mm) (3.18)式中 轴向工作负载,=0.712kgf; 预紧力,=0.237kgf; 滚珠直径,=4.637mm; 滚珠数量 =Z圈数列数=4112=82; Z 一圈的滚珠数=41; 滚珠丝杠的公称直径,=60mm。则取之值的一半为=0.2410(mm) 支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形(mm)选用51200推力球轴承,=55mm,滚动体直径=12.5mm,滚动体数量z=14。=6.5910(mm) (3.19)注意在此公式中的单位应为又因施加预紧力,故=6.5910=3.29510(mm)=+=
17、1110+0.2410+3.29510=3.64510(mm)定位精度(6)稳定性校核由于已选定丝杠尺寸且支撑条件为一端支撑一端自由,则应计算承受最大载荷是其有没有产生纵向弯曲的危险。=398630(N) (3.20)式中 E丝杠材料弹性模量,对钢E=20.610(N/cm); I截面惯性矩,丝杠截面惯性矩=3.146/64=63.59(为丝杠螺纹的底径); 丝杠两端支撑距离,=90; 丝杠的支撑长度系数,取=0.25。=55996/7.12=55987则丝杠不会失稳;为许用稳定性安全系数,一般取=2.54.3.2.3 Z轴进给丝杠因Z轴方向比X轴方向丝杠所受的负载小,则Z向根据X向选用相同规
18、格的丝杠即可满足要求。 4齿轮传动比的计算4.1横向进给齿轮传动比的计算已经确定脉冲当量=0.001,滚珠丝杠导程为=4mm,初选步进电机步距角0.36度。则可计算出传动比=0.25 (4.1)可以选定齿轮齿数为: (4.2)=18,=72或=27,=1084.2纵向进给齿轮传动比的计算可根据横向进给齿轮传动比的计算选择合适齿数的齿轮。4.3 Z向进给齿轮传动比的计算可与X向选择相同规格的齿轮配合。由于进给运动齿轮的受力不大,可取模数为2,相关参数见下表1:齿数187227108分度圆3614454216齿顶圆4014858220齿根圆316749211齿宽(610)20202020中心距90
19、135表1 齿轮传动几何参数5步进电机的计算和选型5.1 横向进给步进电机的计算(1)等效转动惯量的计算计算简图见图1。传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量为(),可以通过下试进行计算: (5.1)式中 步进电机的转动惯量(); 、齿轮、的转动惯量(); 滚珠丝杠的转动惯量()初选步进电机为45BF,其转子转动惯量=0.8=0.7810=0.78103.62=0.262=0.7810=0.781014.42=67.077 (5.2)=0.7810360=3.791W=484N代入上式:=0.8+0.262+ (5.4)=5.5 考虑步进电机与传动系统惯量相匹配问题。/=0.8/5.5=0.14
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