步进驱动系统与数控圆弧插补程序设计.docx

JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY课程设计与综合训练说明书课程设计题目：步进驱动系统与数控圆弧 插补程序设计 综合训练题目：连接电路和机床进给电机 驱动器实现第二象限逆圆弧插补加工学院名称：机械学院专 业：班 级：姓 名：学 号：指导教师：2016年1月360X方向脉冲个数:n=走刀长度步距角40360x xl.25z =2= 80000.75360 走1度360xx2.08Z方向脉冲个数：n二一二口，王i=3=8000步距角0.752、步进电机所需力矩计算：选择步进电机应按照电机额定输出转矩T2电机所需的最大转矩Tmax的原 那么，首先计算电机所需的负载转矩。作用在步进电机轴上的总负载转矩T可按下面简化公式计算：T = Tm=Qm+J.K +鲁 + 鲁+2叼i 2的125i式中，心为启动加速引起的惯性力矩，71为拖板重力和拖板上其它力折算到电机轴上的当量摩擦力矩，人为加工负载折算到电机轴上的负载力矩，”为因丝杠预紧引起的力折算到电机轴上的附加摩擦转矩；乙为电机转动惯量；(为折算到电机轴上的等效转动惯量；为启动时的角加速度；人十乙由任务书中给出，由任务中的空载启动时间和最大进给速度计算得到；：为丝杠导程，由任务书中给出；以：为拖板重力和主切削力引起丝杠上的摩擦力，=(mg + Fz)，拖板重量由任务书中给出，注意：在计算纵向力时（选择纵向电机），拖板重量为两个拖板的重量之和, 在计算横向力（选择横向电机）时，为小拖板重量，钢与钢的摩擦系数可查 资料，一般为0.050.2左右；Fu,：在选择横向电机时，为工作台上的最大横向载荷，通过给定吃刀抗力Fy得到；在选择纵向电机时，为工作台上的最大纵向载荷，通过给定 吃刀抗力F x得到；Fq：为丝杠螺母副的预紧力，设取乙.的1/51/3 ；H ：为伺服进给系统的总效率，取为0.8 ； /：为减速器传动比。Jm+Je=0. 09N. m2启动时=523?)rad I nr2兀 n 2x3.14x504-60T -looxioTFu:横向力 Fu=(mg+Fz) Xu =(200+1000) X0. l=120N纵向力 Fu =(mg+Fz) Xu =(600+200+1000) XO. l=180NFw:横向力 Fw=(mg+Fy) Xu= (200+800) XO. l=100N纵向力 Fv=(mg+Fx) Xu= (600+500) XO. 1=1 IONFo:横向力 Fo= Fw*l/4= 25N纵向力 Fo=Fw*l/4=32. 5N由下式可得:横向:7 二4 + & + Tw + 4+ ) +PF。 pFw0.2p 吊1十27n7 i 27nl i i7 = 0.09x52.33 + (5x1205x1000.2x5x25)/1000纵向:7 = 0.09x52.33 + (3x1803x1102兀 )/1000一般启动时为空载，于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为:TTj+TJTo代入上式计算可得：Tqx = 4.7991N.7Tqz = 4.77 N.tn在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为:代入上式计算可得：计算出的总负载转矩根据驱动方式，选择电机时还需除以一系数，设为X 相2XX拍驱动方式，那么总负载转矩取为：T = max 7/0.8; 7； / (0.3 ().5)Tx= max 4. 779/0. 8 ;0. 1421/(0.30.5)=5. 999N. mTz= max 5. 96/0. 8; 0. 10779/(0. 30. 5)=5. 96N. m3 .由启动最大频率，步距角选取电动机：根据求出的负载转矩，和给定的步距角，上网查询步进电机型号。步进电机 的步距角为0. 75 ,计算得出负载转矩分别为5. 999 N - m和5. 96N-m查得静 转矩为8. 0N - m,步距角0. 75的步进电机型号为110BYG260B-0602o由网上查 得参数见以下图和表：表2-1电机主要参数型号相数步距角(DEG)电压(V)电流(A)静转矩(N. m)空载运行频率(KHZ)转动惯量(Kg. cm2)接线备注110BYG260B2/40. 75 /1.5120-31068.02159.71图2-2 110BYG250B系列型步进电机外形尺寸两相高性能混合式步进电机110BYG260A110BYG260B步距角0.75/1.5。技术参数参数/型号110BYG260A110BYG260B赠电蒸(A)4多加备()0 75/1 5保持”矩(M )811痔子惜(k f *)6 849 98“PP$ 乂隼步分式）1 80建行率“”$乂半步分式,K20电物重(“) 58 50动0电息入ACSOY I3OV 4A动b型号028Y01106M1143175M尺寸4X20由上图可知，当脉冲频率在1001000次/秒时，电机的输出转矩比拟稳定。4 .确定齿轮传动（圆柱直齿齿轮减速器）由于i2x1.478x5940V lx282x 0.01658 =0.72取 m=lmm4 =生= 30.38取 31 mZ2 =31X1.25 = 38.75取 39（4）几何尺寸计算 1）计算分度圆直径4 = Z|4 = 62mmd2 = z2m2 = 782）计算中心距4+d, 62 + 78 ”a = -= 70 mm223）计算齿轮宽度b =-4 = 1 x 62 = 62mm取 B2=62mm Bl=50mm2.2.2 Z向齿轮减速器的设计计算（一级）1 .选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）选用直齿圆柱齿轮传动，7级精度2）材料选择。由表选择小齿轮材料为40Cr,硬度为280HBS； 大齿轮材料为45钢，硬度为240HBS,二者材料硬度差为40HBSo3）选小齿轮齿数Zl=25,传动比i=2.08,那么大齿轮齿数Z2=522 .按齿面接触疲劳强度设计由设计公式（10-9a）进行试算，即公 32呼占2（1）确定公式内的各计算值1试选载荷系数Kt=1.3由前面计算可知小齿轮上的转矩Tl=5900 N. mm由表选取齿宽系数d=1.0由表查得材料的弹性影响系数ZE=189. 8MPa%由图按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限。Hliml=600Mpa, 大齿轮的接触疲劳强度极限0 Hlim2=550Mpa；由式计算应力循环次数（n=l.3 X1600/360 X 60=350r/min）Nl=60nljLh=60 X 350 X (1 X 12 X 8 X 300 X 15)=9. 07 X109N2=Nl/i=9. 07X 109 /2. 08=4. 36X 109由图取接触疲劳寿命系数KHN1=O. 90KHN2=0. 95计算疲劳许用应力 取失效率设，平安系数S=l,由式（1072）得o Hl= KHN1X a Hliml/S=O. 90X600/l=540MpaoH2= KHN2X o Hlim2/S=0. 58X550/1=522. 5Mpa（2）计算试算小齿轮分度圆直径dlt,带入式中较小的值=1.3x5900 xV 1.02.08 + 12.08,189.8、, x()-522.5=26.55 mm2）计算圆周速度xd,n, n x 26.55 x 35()八,八，v =LLJ- = 0.49 加 / s60x1000600003）计算齿宽h = 1 x 26.55 = 26.55mm 4）计算齿宽与齿高之比b/h模数5、 1.062，7z, 25齿高 h = 2.25% = 2.3895 = 2.3895 = 11.11 h5)计算载荷系数根据V=0.49 m/s, 7级精度，由图查得动载系数Kv=1.03直齿轮KHa=KFa=l课程设计与综合训练任务书合训练题目 课程设计综设计题目:步进驱动系统与数控圆弧插补三菱PLC程序设计训练题目：连接电路和机床进给电机驱动器实现第二象限逆圆弧插补加工主要设计参数及要求主要设计参数：走刀长度(mm)： 40 X丝杠导程(mm)： 4 Z丝杠导程(mm)： 5 脉冲当量S p(um) ： 30 步距角a () ： 0. 75 最大进 给速度 Vmax (r/min) ： 50 等效惯量(Jm+Je) (N/m2) ： 1000 X 10-4 空启动时间At (ms) ： 100 主切削力Fz(N)： 1000 吃刀抗力 Fy(N) ： 800走刀抗力 Fx ( N ) ： 500X方向工作台滑板及组件重量(N) ： 200Z方向工作台滑板及组件重量(N) ： 600设计内容及工作量课程设计内容及工作量(一周)：(1)根据给定任务参数选择传动比、步进电机型号，设 计并绘制伺服传动系统AutoCAD传动图一张；(2)使用PROTEL绘图工具绘制微控制器接线图一张；(3)编制插补程序。综合训练内容及工作量(两周)：(1)利用设备及元气件制作微控制器及其接口控制电路；(2)调试所编制插补程序；(3)课程设计综合训练说明书1份：60008000字。主要参考文献1. PLC编程控制方面的参考书；2. 步进电机驱动方面的参考书；3. Solidworks绘图方面的参考书由表查得使用系数KA=1由表用插补法查得7级精度小齿轮相对支承非对称布置时，KH B =1.421Efa b/h=8. 89 ， KH 3=1. 421 查图得 KF B =1.32；故载荷系数 K=KAXKvXKHa XKH 3 =1 X 1. 03X 1 X 1. 421=1. 4646）按实际的载荷系数校正所计算得的分度圆直径，由式得_ /1.464 _=26.55 x V = 27.62?7）计算模数d. 27.62 .m = - = 1. mmz, 25取模数m=2 mm（3）按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为1.确定公式内的各计算数值1）查小齿轮的弯曲疲劳强度极限。FEl=500MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限。FE2=380MPa2）取弯曲疲劳寿命系数KFNl=0.85, KFN2=0.883）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳平安系数S=L 410.85x500MPwL fJ, S1.4 i KfnQfez -88x380MPa _ n 通 =238.86MP。L 门 2 s1.44）计算载荷系数KK = K八 K,K&K = 1x1.12x1x1.32 = 1.4785）查取齿形系数YFal=2. 80YFa2=2. 406）查取应力校正系数Ysal = 1.55 Ysa2=1.677)计算大、小齿轮的/并加以比拟= 0.01430= aF - 303.57%2、2KT238.86= 0.01678大齿轮的数值大2.设计计算，2x 1.478x59丽V lx252x 0.01678 =0.78取 m=lmmZ)= = 27.62m加取 30mm mz2 = 2.08 x30 = 62 A min(4)几何尺寸计算1)分度圆直径4 = mz = 3()d2 = mz2 = 62Amm2)计算中心距a = 4 +出=46.223)计算齿轮宽度b = 30/71/77取 B2=30mm Bl=35m2. 3联轴器选择根据电机尺寸选择联轴器为弹性套柱销联轴器ET2,联轴器尺寸如下表所 示:表2-3联轴器型号额定转矩Tn(N.m)许用转速n(r/min)轴孔 直径 d/mm轴孔 长度D/mmD2*/m mA/mm转动 惯量 /kgm2质量 /kgLT216550016328030180.0011.642. 4轴承选择假定轴承的寿命2 = 5000(1) X轴方向：2x8x10，=xtan 20033=176. 5N试选择角接触球轴承7204C型轴承d=20mm, D=47mm , B=14mmC=11.2KN , C =7.46 KNP = fpNR3 (X轴、Y轴同时反向)；NR1 SR2、NR3和SIM这四种线型的偏差计算公式也都相同。（2） SRI -NR1 ( X、Y 对调)；NR1 -SR1 （ X、Y 对调）；可见，通过对调X、Y信号和改变进给方向，各个象限不同走向的圆弧插补 运动都可以通过进行第一象限顺圆弧的插补计算或第一象限逆圆弧的插补计算 来完成。如下图，设要加工圆弧SE,圆弧的圆心在坐标原点，圆弧的起点S(XS, YS)、 终点E (XE,YE),圆弧半径为Ro令瞬时加工点为i (xi,yi)，它与圆心的距离 为Ri。比拟Ri和R,可以比拟他们的平方值。R:=x02+y02因此可得圆弧偏差判别式如下：Fi=Rl2-R2=xl2+yi2-R2假设Fi=0,说明加工点i在圆弧上；Fi0,说明加工点i在圆弧外；Fi0,说明加工点i在圆弧内。假设Fi20,为逼近圆弧，下一步向+Y轴向进给一步，并算出新的偏差；Fi0,为逼近圆弧，下一步向-X轴向进给一步，并算出新的偏差.如此一步步计算和一步步进给，在到达终点后停止运算，就可插补出如图所 示第三象限顺圆弧。为简化计算，下面进一步推导偏差计算的递推公式。设加工点正处于i(xi,yi)点，其判别式为Fi=Xi2+yi2-R2假设Fi20,应沿+Y轴向进给一步，到i + 1点，其坐标值为匕产Yi+1课程设计题目：步进驱动系统与数控圆弧插补程序设计综合训练题目：连接电路和机床进给电机驱动器实现第二象限逆圆弧插补加工摘要：通过对微控制器-PLC的学习进行了为期三周的课程设计，本次课程设计 是以第二象限逆圆弧插补为例。PLC在工业控制应用非常广泛，主要是因为其稳 定可靠。本设计即根据自制的车数控平台（双轴平台），通过插补运算，利用 FX3uPLC发出脉冲，从而控制步进电机的运行，按照插补程序画出轨迹。从而初 步掌握步进电机控制系统的设计方法，仿真数控车加工平台加工零件的加工轨 迹。关键词：FX3U-64M ;步进电机;NR2插补；新加工点的偏差为：Fm=Xi+12+YiH2-R-xi2+（y/-l）2-R2=F-2Yi+l（3-1）假设FiO,应沿-X轴向进给一步，到i + 1点，其坐标值为X*X1丫*匕新加工点的偏差为：R=Xi+：+Yi+：_Rj（XjT） 2+yj_R2=R+2Xi+l（3-2）根据式（3T）和（3-2）可以看出，只要知道前一点偏差和坐标，就可以 求出新的一点的偏差。公式中只有乘2运算，计算大为简化了。由于加工是从圆 弧的起点开始的，起点的偏差为0,坐标为（X。, y0）,所以新的加工点的偏差完 全可以用前一加工点的偏差递推出来。综上所述，逐点比拟的逆圆弧插补过程为每走一步要进行以下四个步骤， 即判别、进给、运算、比拟。（1）判别。根据偏差值确定刀具的位置是在直线的上方（或线上），还是在 直线的下方。（2）进给。根据判别的结果，决定控制哪个坐标（x或y）移动一步。（3）运算。计算刀具移动后的新偏差，提供给下一个判别依据。根据式（3-1） 及式（3-2）来算新加工点的偏差，使运算大大简化，但是每一新加工点的偏差 是由前一点偏差推算出来的，并且一直推算下去，这样就要知道开始加工时 的那一点的偏差是多少。当开始加工时，我们是以人工方式将刀具移到加工起点, 既所谓的“对刀”，这一点当然没有偏差，所以开始加工点的（4）比拟。在计算运算偏差的同时，还要进行一次终点比拟，以确定是否到 达终点。假设已经到达，就不要再进行计算，并发出停机或转换新程序的信号。逐点比拟法第三象限顺圆弧插补程序流程图如下:图3-4第三象限顺圆弧插补流程图使用MOV、ADD、SUB等编程模块，和一些控制指令进行，注意到了规定的进给总步数后应跳过进给段。3. 4程序设计调试Y006-MOVKODO-MOVK-5000D2DOL/Z-MOVK-5000DlNEGDI-MOVKOD3-MOVKOD4)MIO M834OM835016011好切:MU M8340M8350磔 T片M12X005X015Y00617卡 |1 Ip4FADDKID4INCDECCMPD6KORSTPLSR K3000K32000 K10D4DOD6MIOML02M102M103Y001JJ；189X006X014II11Y006FLSR K3000K32000 K10Y001201X007X016Tl1 一Y006TlY006 pH-PLSR K3000K32000 K10YOOO(Y002X010X017Y006217| |1 |必PLSR K3000K32000 K10YOOO229xoooXOO1XO11X002启动停止紧停复位Y006)启动指示Y006启动指示XOOOMOV K0启动DO 3372 x起点坐标MOV K-5000 D23692 y起点坐标IG D23692 y起点坐标MOV K-5000 DI5000 y终点坐标伸GDI5000 y终点坐标D30x终点坐标MOVKOD41248f偏差ADDK5000K5000D65320插补总步数ML02 1Y006M8340M102M835046 | |M。)启动指示yO输出yl输出M10053| |CMP D4 KO Ml 1248OFFf偏差=O,M31得电徇 )f =0,1.431得电M31X001 XOU X01468PLSR K3000 KIK108195f=0,M31停止 紧停X轴左限位得电M30X011Tl0=0, M31 紧停 得电M310=0, M31得电X016PLSR K3000 KIK1O7轴前限位MUL K2SUB D4f偏差YOOO OFF Ml脉冲Y001 OFF M2脉冲Y003)M2方向D2 D9 36927386y起点坐标D9 D4 124873861248f偏差ADD KID4f偏差D412481248f偏差DECD2 3692 y起点坐标DECD65320