小型数控钻床旋转平移工作台控制系统设计.docx
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小型数控钻床旋转平移工作台控制系统设计
学号
毕业设计〔论文〕
题目：
小型数控钻床旋转平移工作台控制系统设计
何强届别：
2021届
院别：
机械工程学院专业：
机械电子工程
指导教师：
余晓峰职称：
副教授
完成时间：
2021/4/25
摘要
在机械加工行业中，旋转平移钻床工作台使用量很大，为了提高加工效率，保证加工精度，必须对钻床工作台进行数控化改进。
本文对传统钻床工作台存在的不能很好的在圆周方向上钻孔问题，设计了一款立式钻床旋转工作台。
本文确定数控钻床工作台整体结构设计方案，对机械局部对圆周方向上旋转，x、y方向上平移做了重点设计。
对控制系统局部，本文阐述了用单片机控制交流伺服电机以实现钻床工作台旋转、平移过程。
阐述了整个系统的控制原理。
本课题所设计的工作台，其加工过程是将所需加工孔的数据通过输入设备输入到控制系统，然后系统根据工件上所需加工孔的坐标，是工作台运动到孔的位置，实现对工件的全自动钻孔，并且系统在加工过程中实时显示加工数据。
关键词：
传动系统；控制系统；步进电动机
Abstract
Inthemechanicalprocessingindustries,rotarydrillingmachineworkingtableusedinlargequantities,inordertoimprovetheprocessingefficiency,ensuringtheprocessingprecision,totableofthedrillingmachineNCimprovement.Basedontraditionaldrillingmachineworkingtableproblem,designaverticaldrillingmachinerotarytable.Basedonthedomesticandintermationalcurrentsituationanddevelopmenttrendundertookananakysis,indeterminingtheoverallscheme,elaboratedwithSCMcontrolACservomotortoachievedrillingmachineworktablerotation,translationprocess.
ThefirstrunningprocessoftheCNCdrillingdesignedbythesubject,istoinputtheprocessingdataabouttheholeintothecontrolsystembytheenteringequipment,thenfindthelocationoflocationoftheholebymovingthetableaccordingtocoordinateofthehole,andtheproceddingdataofthesystemdisplayedinreal-time.
Keywords:
drivesystem；controlsystem；steppingmotor
7附录---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------36
1绪论
1.1现状
中国分度回转工作台产业领域的开展存在很多问题，如在产业结构规划布局上不合理，劳动力密集型产品在生产上占据了主要局部；技术类密集型产品在生产上只占据了很少的一局部，并且与西方兴旺工业国家相比有很大的差距；生产要素至关重要的影响正在逐步削弱。
从中国数控分度回转工作台产业开展报告可以大致了解世界数控分度回转工作台产业的开展历程，该报告有力的说明了中国的数控分度回转工作台产业开展现状也指出了和西方兴旺工业国家在此方面的差距，并且提出了“新型数控分度回转工作台产业〞概念，这是之前没有出现过得，此份研究报告从“以人为本〞、环境友好、科技创新和面向未来四个方面阐述了“新型数控分度回转工作台产业〞内涵，对中国的行政和四大都市圈的数控分度回转工作台产业开展进行了全卖弄的研究。
1.2开展前景
近几十年以来，各个跨国公司推动的产品全球化开展使得国际分工和国际贸易格局发生额改变，加工贸易成为全球化产业开展的要求。
有跨国公司推动的加工贸易的全球化开展，因此可以为开展中国家快速进入全球高新技术产业链条提供条件，从而可能让开展中国家实现产业升级上提供便捷途径。
其中分度旋转工作台的运用得到了广泛推广，各种新型工作台不断被引进，同时我国也自主研制和开发了一批使用、高效行得分度宣战工作台、本次设计的意义是设计出一套结构简单、实用性强、精度系数比较高的自动分度旋转工作台，并能满足生产加工的需求。
分度旋转工作台作为数控机床中的几个非常大的局部，研究其设计、制造过程是非常有实际要的工程应用价值。
数控工作台的应用非常多，而数控工作台像自动分度旋转
工作台的研究必然有着其实际的意义。
2工作台方案的设计
2.1工作原理及总体框图
工作台工作原理采用单片机控制步进电机带开工作台的旋转和平移，通过键盘和显示屏幕发送指令给单片机，控制脉冲分配器向步进电机发送脉冲，步进电机带动蜗轮蜗杆传动，从而实现工作台的旋转运动。
工作台总体框图见图2.1
6
3
2
图2.1工作台总体框图
1-步进电机2-燕尾导轨槽3-固定端轴承座4-蜗杆5-旋转工作台6-丝杠
2.2流程图
通过键盘输入信息到控制系统，单片机控制器向伺服驱动器发动器发出控制信号，通过驱动器驱动电机按要求工作以完成动作。
图2.2工作台流程图
3旋转工作台传动系统设计
3.1旋转局部设计
自动分度旋转工作台箱体起着支撑并包容各种传动零件，如齿轮、轴、蜗杆、涡轮、轴承等零件，使它们能够正常运动情况下可以到达相关的运动精度。
箱体还可以通过润滑剂来实现各种零件的润滑、平安保护和密封作用，既可以很好的让操作员的人生平安得到保障，又能够使箱体内的零件尽可能的少受外界环境的影响，并有一定隔振、隔热作用。
分度旋转工作台是机械加工中常用的机床附件，因此尺寸不易过大，必须能配合机床的使用。
自动分度旋转工作台尺寸：
长*宽*高550*500*160
工作台右端盖局部尺寸：
长*宽*高240*50*160
蜗杆箱体及钻台如以以下图所示：
工作台
涡轮
图2.2旋转工作台箱体图
图2.2旋转工作台
〔1〕传动比设定
系统要实现的参数：
工作台旋转速度最大为20度/秒，工作台分度精度0.25.
总传动比i为各级传动比i1,i2乘积，即
i=i1*i2〔3.1〕
在设计中分配总传动比是重要问题，传动比假设分配得不合理，将不能有效的实现降低本钱和结构紧凑的目的；也不能使传动零件获得较低的圆周速度从而影响到动载荷或对传动精度等级造成影响；但是如果要到达所有要求相比照较困难，因此应按设计要求考虑传动比分配方案，以满足要求。
为了保证工作台分度精度，传动比需要很大，同时为了保证结构尺寸，蜗杆传动比设定在120，齿轮传动比可以设定为3，那么传动系统的总传动比为120*30=360.
〔2〕最大旋转速度
工作台的最大旋转速度为20度/秒；即
ω涡轮ω工作台=20rad/s〔3.2〕
n涡轮=ω涡轮/360。
=20/360=1/18r/s〔3.3〕
根据系统总传动比为360，可得
n电机=n涡轮*360=〔1/18〕*360=20r/s〔3.4〕
〔3〕分度精度
工作台的分度精度是通过步进电机的转速和系统地总传动比来确定，工作台分度精度为0.25度，即涡轮最小的转动单位为0.25度，系统的总传动比为360，即可得步进电机的最小分度精度为90度，即步进电机的每次旋转的度数为90度的倍数。
步进电动机的选择包括结构、步距角、型号、功率和转速的选取，并要准确的查出所需要的尺寸和型号。
步进电动机由步进电动机本体，步进电动机控制器及0步进电动机驱动器组成。
选择步进电动机时候，要想让工作台所需的脉冲当量得到保障，步进电动机的输出功率大于负载所需要的功率这一点是前提条件，这一点必须得到保证。
要计算机械系统的负载转矩可以确保电机的矩频特性能满足机械负载并有可以有余量。
在一般正常工作中，在矩频特性曲线范围内是各种频率下的负载必须遵循的，这样就保证步矩角和机械系统匹配。
（1）步进电机启动力矩计算
步进电机选用三相步进电动机，初选不进电动机步矩角θ b=3度。
设步进电机等效负载力矩为T,负载力为P，根据能量守恒原理，电机做的功与负载力做的功关系如下：
TΦ η =PS〔3.5〕
式中Φ—电机转角；
S—转动部件的相应位移；
η—机械传动效率。
假设取Φ=θ b,那么S=δb，且P=Pz+μ〔G+W2〕,所以
T=[Pz+μ〔G+W〕]
〔3.6〕
式中G—转动部件负载，N;
W—转动部件重量，N;
PZ—与中立方向一致的作用在转动部件上的负载力，N;
μ—摩擦系数；
θb—步进电机步矩角，rad;
T—电机轴负载力矩，N.
取μ=0.03，η=0.96，PZ=500N。
W=ΠR2×30×10-3×7.8×10-2=325N〔3.7〕
G=ΠR2×70×10-3×7.8×10-2=1075N〔3.8〕
可求得
T=〔500+42〕×
=4963.81N≈5N.m〔3.9〕
不考虑启动时运动部件的惯性影响，启动力矩为
Tm=T/〔0.3～0.5〕=10N.m〔取平安系数0.5〕〔3.10〕
步进电机为三相六拍的电机
Tmax=
≈
〔2〕步进电机最大转速
根据工作台的最大转速n工作台=
r/s与系统总传动比i=360,可得
n电机=20r/s=1200r/min〔3.12〕
所以，不进电机的现在最大转速
nmax电机≥n电机=1200r/min〔3.13〕
〔3〕步进电机最大频率
根据不进电机的步矩角θb=3°与步进电机最大转速n电机=20r/s,可得
f电机=20×120=2400step/s〔3.14〕
所以步进电机选择最高的频率
fmax电机≥f电机=2400step/s〔3.15〕
〔4〕步进电机型号
由于步进电机步矩角θb=3°，步进电机最高转速nmax电机≥1200r/min，步进电机最高频率fmax电机≥2400step/s，步进电机最大转矩Tmax
表1步进电机参数
型号
主要技术参数
外形尺寸/mm
重量/〔KN〕
步矩角/〔°〕
保持转矩
相数
电压/V
电流/A
外径
长度
轴径
130BC3100
3
12
3
27
3
100
168
22
10
在机械设计中，轴是一种非常重要的机械零件，传递运动、扭矩或弯矩主要依赖于轴和支撑转动零件一起通过回转来实现。
轴各段有直径不同，依据轴线形状的不同，轴可以分为曲轴和直轴两类。
轴的强度和刚度决定其工作能力，在快速运转时取决于其振动稳定性。
载荷的大小、方向、性质及其分布状态，轴上零件的数量及安装位置、定位方法等都是轴结构形状的影响因素
〔1〕蜗杆轴的设计
轴的结构
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