电机驱动运动工作台控制系统设计

张立军

上汽通用五菱汽车股份有限公司重庆分公司 重庆市 404100

1 引言

机械设备的技术水平决定了国民经济、技术水平和硬实力的先进水平。数控技术和设备的能力是最基本的要求，高新技术产业和尖端工业的发展依靠最核心的先进制造技术水平和装备能力。

数控技术是一种技术应用程序，使用数字信息来控制机械运动和机械工作过程。数控设备是一个创新的技术由数控技术提高传统制造业，形成机械电子一体化的产品，所带来的技术，在许多领域得到广泛应用。

2 数控系统总体方案的确定

数控系统的方案设计内容包括：系统运动模式、伺服系统选择、x-y工作台传输模式。

2.1 系统运动模式

系统需要有一个准确的运动关系以及每个坐标轴。一般来说，使用连续控制。

2.2 伺服系统选择

一般通过8031系列单片机控制系统，MCS—51系列单片机的主要特点是性价比高、高集成、可靠性好、速度快、功能强大。伺服系统的操作程序和控制命令通过操作键盘，显示器显示处理数据和工作条件。

伺服系统使用功率步进电机作为伺服电机，用于负荷并不大。由于开环控制系统没有反馈元件，它不能正确的系统传输错误。然而，开环控制系统具有结构简单、易于调整和维护，并广泛应用于操作动作准确性不高的场所。

2.3 x-y工作台传输模式

为了确保工作台的传动精度和稳定性，滚珠丝杠螺母传动副通常被使用；为了提高传动刚度和消除间隙，结构与预压结构的预加载荷得到广泛使用。

考虑到工作台移动部件的重量和负荷并不大，选择滚动直线导轨副，减少工作的摩擦系数，提高运动的稳定性。为了实现分辨率和负载的要求，齿轮减速驱动用于电动机步角和铅线棒的长度。

系统的总体图如下：

3 机械部分设计

机械设计的内容包括：系统脉冲当量，工作台的形状尺寸和重量估计，计算滚动导轨副、滚珠丝杠的计算、齿轮计算/设计等。

3.1 系统脉冲当量

脉冲当量ΔP是工作台的位移时的横向进给指令。标准应≤工作台的定位精度。自定位精度±0.01毫米，脉冲当量是0.01毫米。

3.2 估计工作台尺寸和重量

画工作台图，根据现有的工作台的有效行程，估算X-Y工作台的承载重量。

X向导轨中心距支撑钢球是420毫米，Y向导轨中心距支撑钢球是410毫米。工作台设计如下：

①Y向拖板尺寸（下）：长*宽*高=420 * 410*50

重量：按重量计算=体积*材料重量 为：WY=420*410*50*10-3*7.8*10-2=671.58N

②X向拖板尺寸（上）：长*宽*高=420*420*50

重量：按重量计算=体积*材料重量 为：WX=420*420*50*10-3*7.8*10-2=687.96N

③Y向拖板尺寸（下）：长*宽*高=420*410*50

重量：按重量计算=体积*材料重量 为：WY=420*400*50*10-3*7.8*10-2=671.58N

④上导轨的重量（含电机）：（900*480*8+2*800*35*50）7.8*10-2*10-3=487.97N

夹具和工件的重量约为160N

x-y工作台的运动部分的总重量：W=487.97+671.58+687.96+160≈2000N

3.3 计算和滚动导轨的选择

根据给定的工作负载Fz，估算WX和WY，静态安全系数目前=fSLC0/P，在公式：C0导轨的基本静态额定负载，工作负荷P=0.5（Fz+W）；fSL=1.0~3.0（一般操作条件），3.0~5.0（在运动冲击和振动）。操作中系统受到的冲击及振动为中等，fSL=3.0

3.4 齿轮计算/设计

为了实现脉冲当量，一对齿轮传动系统中应该添加降低速度。初选步进电机角步：α=2.0/step。

因为扭矩小，模数m=1mm：

分度圆直径计算：d1=mz1=1*24=24mm d2=mz2=1*50=50mm

齿根圆直径计算： df1=（z1-2.5）m=（24-2.5）*1=21.5mm

齿顶圆直径计算：da1=（z1+2）m=（24+2）*1=26mm

da2=（z2+2）m=（50+2）*1=52mm

宽度计算：b=φdd1=1*24=24mm b1=25mm，b2=30mm

中心距计算：a=0.5（d1+d2）=0.5（24+50）=37mm

分度圆压力角：α=20°

齿轮采用标准渐开线圆柱齿轮，选择小齿轮和两个薄齿轮避免互连。

4 数控系统的硬件电路设计

x-y数控系统包括CPU、传输驱动、电磁驱动电路，电源设计等。在设计硬设计系统时，需要注意电机运行平稳，成本低、性能可靠、维护方便、人机交互等等。

4.1 CPU的选择

应用电子技术的持续改进，单芯片微型计算机跨越式发展。目前，单片模型市场，有很多通过mcs—51汇编语言芯片和派生的兼容芯片。8位单片机89c51，廉价、强大、性价比优良，在市场中得到了广泛的应用。

4.2 步进驱动系统。

传动部分包括步进电机驱动器和电磁铁驱动。步进电机驱动器必须满足快速定位、带动工作台运动，运行并能按照程序的设定的速度运行。

4.3 电源设计

控制系统使用两个电机同时工作，电力消耗很大，所以有必要选择一个大的电源。该系统中使用的电源电压为27v/12V/5V。为了满足电源要求、功率管理容量需求，27v电源作为设计系统的基准电压，转换为12v/5v电压芯片使用。

4.4 电磁铁驱动电路

该驱动电路采用光电耦合器，其电路相对简单。因为驱动电磁铁的电流比较大，光电耦合部分使用达林顿管。

5 结语

随着科学技术的进步，我国数控机床的发展从初步探索到相对成熟的阶段，性能先进、技术成熟、产品可靠的数控产品正在快速代替维护成本昂贵的老式设备。对于提高生产效率，提高产品质量，加强旧设备的利用率起到举足轻重的作用，也是推广机电一体化技术的重要方法。