率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短了升降速的时间,并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为 “启动频率”,与此类似，“停止频率” 是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据,才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程由突跳频率加加速曲线组成(减速过程反之) 。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率 f 0。步进电机的最高起动频率(突跳频率)一般为 0. 1 kHz 到 3～4 kHz ,而最高运行频率则可以达到 N ×100kHz ,以超过最高起动频率的频率直接起动 ,会产生堵转和丢步的现象。较为理想的起动曲线应是按指数规律起动。但实际应用时对起动段的处理可采用按直线拟合的方法,即阶梯加速法。一般可按2种情况处理:
(1)已知突跳频率则按突跳频率分段起动,分段数 n = f/f0 ;
(2)未知突跳频率,则按段拟合至给定的起动频率,每段频率的递增量(后称阶梯频率)Δf = f/8,即采用8段拟合。在运行控制过程中,将起始的速度(频率)分为 n 分,作为阶梯频率,采用阶梯加速法将速度连续升到所需要的速度,然后锁定,按预置的曲线运行,如图4-2所示。
在一般的应用中,经过大量实 践和反复验证,频率如按直线上升 图4-2 频率曲线
t/或下降,控制效果就可以满足常规的应用要求。用 PL实现步进电机的加减速控制,实际上fh fo Hz 就是控制发脉冲的频率。
加速时,使脉冲频率增高,减速时则相反。如果使用定时器来控制电机的速度 ,加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。速度从 v1～v2 变化,如果是线性增加,则按给定的斜率加减速;如果是突变,则按阶梯加速法处理。在此过程中要处理好2个问题:
(1)速度转换时间应尽量短。
(2)保证控制速度的精确性。要从一个速度准确达到另外一个速度,就要建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度。
4.4.3 步进电机的换向控制
步进电机换向时,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向,以免产生
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较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、 反向切换实质包含了降速 →换向 →加速3个过程。将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个I/O接口，节省了CNC控制系统，其脉冲当量为0.01~0.05mm,进给速度为Vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求
4.5 本章小结
本章介绍了数控滑台的控制方法，PLC系统设计两种方案以及步进电机的控制方法。用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号,并用 PLC中的定时器来产生速度脉冲信号,这样就可以省掉专用的步进电机驱动器,降低硬件成本。但由于 PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒,相应的频率只能达到几百赫兹,因此,受到 PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响 ,步进电机不能在高频下工作,无法实现高速控制。并且在速度较高时,由于受到扫描周期的影响 ,相应的控制精度就降低了。利用 PLC的高速脉冲输出功能输出脉冲信号 ,经过专用的步进电机驱动器去控制步进电机，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用 PLC 的 I/O 口点数，步进电机功率驱动器可将 PLC 输出的控制脉冲放大到几十至上百伏特、几安至十几安。步进电机的起停控制可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。步进电机的加减速段的处理可采用按直线拟合的方式
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第五章 数控滑台的设计
5.1总体设计方案的确定
1、为降低生产成本,满足使用要求,故确定总体设计方案如下:
采用FX2N-16MT三菱系统对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲驱动步进电机，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现数控平台的纵向、横向进给运动。
方案如下：
图5-1 步进电机带动机床工作台示意图
工作台总体结构的确定 初步采用
（1）、步进电机2个（X、Y向分别控制）
（2）、滚珠丝杆2套，由于所受的力以及行程长短不一样，所以要分别选择计算
（3）、滚动导轨：双导轨、四滑块（分别为X、Y向，长短选择不同） （4）、带有三条“?”槽的工作台面 2、传动方案的确定
步进电机→（是否需要齿轮减速装置？减速比取多少？）→滚珠丝杆→工作台X、Y方向满足：
???Y?2?m/step
X5.2 机械部分设计计算
1、纵向进给系统设计计算
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已知条件：
工作台重量： W=800N 时间常数： T=25ms 滚珠丝杆基本导程： L0=6mm 行程： S=320mm 脉冲当量： ???2?m/step
步进角： ??0.75?/step 快速进给速度： ?max?1m/min 电机功率 ： N=1.5kw
(1)、切削力计算 由《机床设计手册》可知，切削功率
Nc?N?K
查机床说明书，得电机功率N=1.5kw；系统总效率??0.65；系统功率系数K=0.96。则Nc?1.5?0.65?0.96?0.936W
Nc?Fz?6120NcFz??6120 ；
式中－－切削线速度V=100m/min 主切削：
Fz?6120?0.936?57.283kgf?527.83N100
由《金属切削原理》可知，主切削力：
XFzFz?CFzaPfYFzKFz
XFZ?1,YFZ?0.75,
KFZ?1
则可计算出FZ如下所示：
apmm 1 0.1 334 1 0.2 562 1 0.3 762 24
2 0.1 668 2 0.2 1124 2 0.3 1524 fmm FZ(N)
查表，可知当FZ=562.3N时，切削力深度
ap?1mm，走刀量f?0.2mm
从《机械设计手册》中可知，在一般外团圆车削时；
Fx?1.1Fz Fy?0.7Fz 即： Fx?1.1Fz?1.1?572.83?630.11N
Fy?0.7Fz?0.7?572.83?400.98N
(2)、滚珠丝杆设计计算：
对于矩形槽： P?KFx?f'(Fz?W)
K=1.15,摩擦系数f’=0.16
P?1.15?630.11?0.16?(572.83?800)?944.3N 1）、 强度计算：
nf1000vf60niTin??Li?i6L0?DL0 10寿命值： ；
取工件直径：D=80mm;查表T1=15000h
n1?1000?100?0.2?13.3r/min3.14?80?6 60?13.3?15000?11.97106
L1?3最大动负载： Q?L1PfwfH
查表： fw?1.2；fH?1
Q?3L1PfwfH?311.97?944.3?1.2?1?2549.6N根据Q选择滚珠丝杆型号：
CMD2504－2.5－E其额定动载荷Q=14462N，所以强度足够用。d1=22.5mm。螺母长度L=71mm,余程le=16mm,螺纹长度l=320+71+2×16=423mm. 2 )、效率计算：
根据《机械原理》，丝杆螺母副的传动效率：
??
tg?tg(???)
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