机电传动单向数控平台设计 (4).doc

1、目录一、设计任务 1.1课程设计的内容 1.2课程设计的要求 1.3课程设计的具体任务二、 总体方案设计 2.1滚珠丝杆 2.2步进电机 2.3电气控制选择三、 参数计算 3.1滑动导轨的简易选择 3.2滚珠丝杠的设计 3.3步进电机的选择与校核 3.4联轴器的校核 3.5 轴承的选择与校核 3.6 键的选择与校核四、 电气控制系统设计 4.1电气控制系统设计的基本原则 4.2电气元件的选型S7200控制器 4.3 PLC具体设计与编程五、 总结六、 参考文献 绪论 现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工 程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算

2、机技术的迅 速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产 品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机 械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本 的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。 数控技术是用数字信息对 机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技 术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆 盖很多领域。 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的 纵横向进刀机构、电子元件表面贴装设备等

3、。模块化的 数控工作台，通常 由导轨座、移动滑块、工作、丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺 服电动机做执行元件用来驱动滚珠或螺旋丝杠， 丝杠螺母带动滑块和工作平台在 导轨上运动，完成工作台直线移动。导轨副、丝杠螺母副和伺服 电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控 制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控 制系统。 课程设计的目的通过课程设计培养学生综合运用所学知识和能力、提高分析和解决实际问题能力的一个重要环节，专业课程设计时建立的专业基础课程和专业方向课的基础上的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于

4、：1、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统产品的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。2、培养学生搜索、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍一集编写技术文件的能力、提高计算、绘图等基本能力。3、培养学生掌握机电产品设计的一半程序和方法，进行工程师基本素质的训练。4、树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。一、设计任务1.1 课程设计的内容专业课程设计内容为机电控制系统（典型机电产品）设计，其内容包括机械传动机构和其电气控制系统设计，基本内容如下：1) 总体方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析材料的基础上，明确系统的主

5、要功能，确定实现系统主要功能的原理方案。针对具体的原理方案进行总体设计，给出机电系统的工作示意图一张。2) 机械传动系统的设计：通过对动力和传动参数的选择计算，设计机械传动系统，完成机械传动系统装配图一张。3) 电气控制系统设计：根据控制功能要求，完成电气控制设计，给出电气控制电路原理图一张。 1.2课程设计的要求课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘的设计图纸上，量化要求如下：1) 每位同学采用不同方案独立完成；2) 每位同学独立完成课程设计说明书一份，A4纸30页左右，计算机打印并提交电子稿；3) 每位同学应完成设计图纸不少于三张，计算机绘图并提交电子稿。 1.3课程设计的具体任

6、务1) 题目：机电传动单向数控平台设计2) 方案选择： 电机驱动方式：步进电机 机械传动方式：滚珠丝杠 电气控制方式：PLC控制 功能控制要求：位置控制3) 主要设计参数： 移动质量100kg 移动速度3m/min 设工作台重量100kg设负载移动阻力100N 二、总体方案设计 2.1滚珠丝杠 滚珠丝杠意义： 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。由螺杆、螺母和滚珠组成。它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能，是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。兼具高精度、可逆性和高效率

7、的特点。 滚珠丝杠的特点： (1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 。由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。 (2)高精度的保证。螺母和螺杆经调整预紧，可以得到很高的定位精度（）重复定位精度（）并可以提高轴向刚度(3)微进给可能。滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 (4)无侧隙、刚性高。滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(

8、滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 (5)高速进给可能。滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。(6) 工作寿命长，不易发生故障。适用于金属切削机床、测试机械、仪器的传动螺旋和调整螺旋等。广泛应用于金属切削机床（特别是加工中心、数控机床、精密机床）、测试机械、仪器的传功螺旋和调整螺旋，升降、起重机构和汽车、拖拉机转向机构的传力螺旋，飞机、导弹、船舶、铁路等自控系统的传动和螺旋和传力螺旋。所选内循环式滚珠丝杠示意图： 2.2 步进电机选步进电机意义： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在

9、非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 代号名称特点BF磁阻时步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位置的执行元件，定转子磁路均由软磁材料制成，只有控制绕组，基于磁导变化而产生转矩，其性能特点是步距角小，起动和运行频率较高，断定时无定位转矩，消耗功率较大BYG感应子式永磁步进电动机

10、转子为感应子式结构形式，也称混合式，兼顾永磁式和磁阻式两类电机优点，它具有步距角小，有较高的起动运行频率的特点。需要正负脉冲供电，消耗功率较小，有定位转矩。BY永磁式步进电动机凡在结构上采用永久磁钢的步进电机其特点是控制功率小，电磁阻尼大，步距角大，起动功率低，需要正负脉冲供电，有定位转矩BD电磁式步进电机无需一般步进电动机所需的专用电源，施加直流电即可工作，控制简便，应用于检测系统中 2.3电气控制选择PLC意义现代控制系统中， PLC作为广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。可编程序控制器PLC可靠性高、抗干扰能力强，能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等

11、的干扰，能抗1000V、1脉冲的干扰，能在高温、高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作，PLC能够承受电网电压的变化，即使在电源瞬时断电的情况下，仍可以正常工作。另外PLC是通过软件实现控制的，其控制程序编在软件中，实现程序软件化，因而对于不同的控制对象都可以采用相同的硬件配置。PLC 提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信。而且PLC体积小、能耗低、便于机电一体化。通过PLC可以实现对步进电动机的控制，实际上控制时电动机的转动受脉冲控制。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行直接控制。这种控制方式的优点是

12、：大大减少了系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。整个控制系统由PLC和步进电机组成。PLC具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。并且， PLC有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的驱动要求。PLC的优点1实现成本低 由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。2范围广 电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。PLC可以轻松地渗透

13、到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。3高速率 PLC能够提供高速的传输。目前，其传输速率依设备厂家的不同而4.5M45Mbps之间。远远高于拨号上网和ISDN，比ADSL更快！足以支持现有网络上的各种应用。更高速率的PLC产品正在研制之中。4 永远在线 PLC属于即插即用，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络！5便捷 不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受！ 三、参数计算 3.1 滑动导轨的简易选择已知条件单向行程长度：l1200mm1.2m移动速度 ：3m/min负载质量 ：100kg寿命要求 ：每天开机8h，一年按300个工

14、作日，寿命5年以上计算项目设计计算及说明主要结果1、额定工作时 间寿命Th每天开机8h，一年按300个工作日，寿命5年以上2、额定行程长度寿命Ts3、额定动载荷额定动载荷是指滚动直线导轨的额定长度寿命 t=50km 时，作用在滑坐上大小和方向均不变化的载 荷。其值可按下式计算：式中，Ts 为额定行程长度寿命；K 为寿命系数，一般 取K=50km；为硬度系数；为温度系数； 为接触系数；为负荷系数；Ca 为额定动载荷；F 为滑块工作载荷。4、对导轨副的选 择根据以上计算数据，选择上银科技股份有限公司（HIWIN）的四列示低组装线型滑轨EG系列。EG系列采用四列钢珠承受负载设计，使其具备高刚性、高负

15、荷的特性，同时具备四方向负载特色、及自动调心的功能，可吸收安装面的装配误差，得到高精度的诉求。加上降低组合高度及缩短滑块长度，非常 适合高速自动化产业机械及空间要求的小型设备使用。具体型号选取EGH15SA。其具体数据如图2及表3所示图2 四列示低组装线型滑轨EG系列表3 EGH15SA型滑轨详细参数3.2 滚珠丝杠的设计基本参数选择工作行程1200mm移动质量100kg移动速度3m/min设工作台重量100kg设负载移动阻力100N螺纹滚道形状：矩形，所以工作太滑动摩擦系数0.15轴向载荷与运动方向反向丝杠采用两段固定的方式L=1200mm=100kg=100kg螺杆材料选择精密螺杆，材料4

16、2CrMo 热处理：高、中频加热,表面淬火螺母材料：ZCuSn10Zn2热处理：渗氮、淬火返向器材料：60Mn 热处理：高、中频加热,表面淬火导轨摩擦力N 工作台重量 移动负载重量250N初选滚珠丝杠 额定动载荷为：9650N 额定静载荷为：23100N 公称直径d0为：25mm 导程Ph为：5mm 螺纹升角为：339 钢球直径Dw为：3.175mm 圈数列数为：12螺旋副几何尺寸计算螺纹滚道曲率半径mm偏心距mm螺杆大径mm螺杆小径mm螺杆接触点直径mm螺杆牙顶圆角半径mm螺母螺纹大径mm螺母螺纹小径=25.31825.397mm工作寿命=15000h=15000h基本参数选择载荷系数短行程

17、系数硬度影响系数硬度影响系数载荷计算=409NK=1.15动载荷计算： 公式说明Ca基本额定动载荷基本额定静载荷寿命系数转速系数载荷系数硬度影响系数硬度影响系数工作寿命F轴向载荷短行程系数n转速Ca=4890.992N基本额定动载荷校核11000m每圈中钢球个数j每列工作圈数j=1K每个螺母的循环列数钢球与滚珠便面在接触点处的公法线与螺纹轴线的垂直直径间的夹角，理想接触角为45钢球直径与滚珠丝杠副滚道的几何形状，制造精度和材料有关的系数Ca=11000NJ=1K=3=45=3.175合格静载荷校核基本额定静载荷=27000当当满足静载荷条件N临界载荷Ni应使满足临界载荷条件临界转速因为2端固定

18、 所以钢制螺栓驱动转矩由旋转运动转变为直线运动计算：N由旋转变直线运动时T=3899.844N当量应力=3.44强度条件满足要求合格钢球与螺纹滚道产生轴向接触变形量载荷分布不均系数（1.21.3）取=1.28螺旋的导程角效率 3.3步进电机的选择和校核因为位置精度为0.1mm，初选脉冲当量为步距角初选电动机型号步距角与传动比i应满足，取步距角为1.5.为了提高精度，i=1 满足条件合格初选电机选110BF003步进电机，电机轴的转动惯量最大精度转矩根据电机轴的直径和四个转速初选联轴器，这里初选YL1式凸缘联轴器联轴器的转动惯量步进电机所需空载启动力矩应小于步进电机的名义启动转矩，步进电机空载力

19、矩空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度，折算到由机轴上的加速力矩空载时折算到电机轴上的摩擦力矩由于丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩110BF003步进电机加速度力矩由于为三相双三拍 满足条件合格启动矩频特性校核要保证电机在快速启动时不失步，需要对启动矩频特性进行校核。由于突跳启动过程极短，加速度力矩很大，启动时丢步不可避免。因此，突跳启动很少使用，这里我们使用升速启动方式。根据空载启动力矩查手册，允许启动频率最大频率为了使，所以启动矩频特性满足要求，我们将分2个阶段启动运行矩频特性校核工进时，步进电机的运行频率工进时步进电机运行所需力矩分别与上面写的相同,运行矩频特性满足。所以选11

20、0BF003MGJ=66.33N.cm选110BF003合格3.4联轴器的校核YL1联轴器初选YL1式凸缘联轴器，其公称转矩T=10N。m，满足要求YL1联轴器合格3.5轴承的选择与校核径向载荷轴向载荷轴承支反力轴承派生轴向力轴承所受的轴向载荷因为 ,计算轴承所受当量动载荷轴承工作时有中等冲击，所以载荷系数因为 接触角a=10 判断系数e=0.973 且 ,所以=2744得x=1 y=0基本额定动载荷温度系数 轴承工作温度假定小于120 =1轴承预期寿命每天工作8h的机械 ，故=16000h寿命系数 对于球轴承=10/3选用轴承选30204型基本尺寸d=20 D=47极限转速n=1000030

21、204型d=20 D=47 额定寿命修正系数*修正可靠度材料修正系数=1运转条件修正系数=1计算寿命满足条件合格3.6键的选择与校核键的型号电机轴上的键，丝杠轴上的键，都选C型键键 的校核T=l=L-T转矩d轴径h高度l键的长度合格 四、 电气控制系统设计 4.1电气控制系统设计的基本原则： 1) 最大限度满足机床和工艺对电气控制的要求； 2) 在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济和实用，不宜盲目 追求自动化和高性能指标； 3) 妥善处理机械与电气的关系。 很多生产机械是采用机电结合控制方式来实 现控制要求的，要从工艺要求、制造成本、机械电气结构的复杂性和使用维护等 方面协调处理好

22、二者的关系； 4) 把电气系统的安全性和可靠性放在首位，确保使用安全、可靠。 5) 合理的选用电器元件。4.2电器元件的选型S7-200控制器 S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（Micro PLC）。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美的满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。S7-200的编程软件：STEP7-Micro/WIN32。该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。使得PLC的编程更加方便

23、、快捷。主要组成部分：一台S7-200 Micro PLC包括一个单独的S7-200CPU，或者带有各种各样的可选扩展的模块。S7-200 Micro PLC模块包括一个中央处理单元，电源及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。 CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。 输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或者开关）中采集信号，输出部分则控制电机、泵、以及工业过程中的其他设备。 电源向CPU所连接的任何模块提供电力。 通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其他设备连接起来。 状态信息号灯显示了CPU的工作模式（运行或者停止），

24、本机I/O的当前状态，以及检查出错的系统错误。 通过扩展模块可增加CPU的I/O点数。 通过扩展模块可提供其他通讯性能。 一些CPU具有内置的实时时钟，其它CPU则需要实时时钟卡。 EEPROM可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。 通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间本系统中选CPU224，主要参数如表4-1：外形尺寸（mm）120.58062程序存储器4K本机I/O14输入10输出用户数据2K内置高速计数器6H/W（20KHz）数据后备50小时4.3 PLC具体设计与编程（1）控制要求 ： 题目设计中我要做的是数控平台的位置控制， 由于工作台的移

25、动速度已给定，根据工作行程的计算可算出单向行程的行走时间，通过 PLC 的计时器 功能，控制其正反转，输出脉冲和方向控制信号，控制步进电机的转速和转向，进而控制工作台的前进，达到对工作台位置的控制。 （2）控制流程图：PLC指令脉冲发生器脉冲分配器脉冲放大器步进电机平台负载（3）环形分配器：环形分配器的主要功能是把来自自控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电机各相驱动器的输入端以控制励磁绕组的导通或截止。同时，由于电动机有正反转要求，所以脉冲环分配既是周期性的，又是可逆的。因为环形分配器是一种可逆循环的特殊编码计数器。其功能可以用硬件电路实现，也可以用软件实现。环形分配器还应有较强的抗干

26、扰能力，对输入信号的波形，前沿应无特殊严格的要求。同时不允许有非法状态输出。非法状态输出不但会引起误动作，而且可能引起驱动器的故障。R3R6CLENJ3rJ3LJ6rJ6L功能000下0010三相六拍正转0下0001三相六拍反转（4)功率放大器： 单电压基本型改进电路。它在外接电阻Rc的两端并联了一个电容C，同时在续流回路中串联一个电阻Rd，在Rc上并联电容C可以改善步进电机绕组的电流脉冲前沿特性。在功率晶体管V导通瞬间，点让相当于短路，迫使流过绕组的电流上升进一步加快，这样使电流的前沿明显变陡，从而提高了步进电机的高频性能。在电源电压U和外接电阻Rc不变的条件下，在Rc上并联电容C，使得在一

27、个步进的周期中，流入绕组的平均电流值相对增加了。从而提高了步进电机的转矩。特别是在高频段工作时更为明显。这种并联电容的单电压功率放大电路也有不足的地方，这就是在低频工作时会使振荡有所增加，导致低频性能较差。（5）工作台的工作速度：（6）PTO发生器用来调整给定段脉冲周期的周期增量为：周期增量=（ECT-ICT）/QECT该段结束周期ICT该段初始周期Q该段脉冲数 第一 三段行程 包络表V存储器地址参数值VB500总段数VW5011段初始周期VW5031段周期增量VD5051段脉冲数VW5092段初始周期VW5112段周期增量VD5132段脉冲数VW5173段初始周期VW5193段周期增量VD5

28、213段脉冲数 第二段行程 包络表V存储器地址参数值VB600总段数VW6011段初始周期VW6031段周期增量VD6051段脉冲数VW6092段初始周期VW6112段周期增量VD6132段脉冲数VW6173段初始周期VW6193段周期增量VD6213段脉冲数 语句表： 主程序Network 1 / 网络标题 / 网络注释LD SM0.1R Q0.0, 1 复位Network 2 LD I0.0AN I0.1S S1.1, 1 开始程序Network 3 LSCR S1.1Network 4 LD SM0.1CALL SBR0 Network 5 LD M2.0SCRT S1.2Network

29、 6 SCRENetwork 7 LSCR S1.2Network 8 LD SM0.1CALL SBR1 Network 9 LD M2.0SCRT S1.3Network 10 SCRENetwork 11 LSCR S1.3Network 12 LD SM0.1CALL SBR0 Network 13 SCRE子程序1Network 1 / 网络标题/ 网络注释LD SM0.0MOVB 16#A0, SMB67 设定PTO控制字节MOVW 500, SMW168 指定包络表的起始地址V500MOVB 3, VB500 设定包络表的总段数3MOVW 714, VW501 设定第一段的初始周

30、期714MOVW -1, VW503 设定第一段的周期增量-1MOVD 200, VD505 设定第一段的脉冲个数是200MOVW 500, VW509 设定第二段的初始周期714 MOVW 0, VW511 设定第二段的周期增量0MOVD 4400, VD513 设定第二段的脉冲个数是4400MOVW 500, VW717 设定第三段的初始周期500MOVW 1, VW519 设定第一段的周期增量1MOVD 200, VD521 设定第一段的脉冲个数是200ATCH INT0, 19 建立PTO输出完成中断时间 19与中断程序2的连接ENI 允许中断 PLS 0 执行PLS指令子程序2Net

31、work 1 / 网络标题/ 网络注释LD SM0.0MOVB 16#A0, SMB67MOVW 600, SMW168MOVB 3, VB600MOVW 714, VW601MOVW -1, VW603MOVD 200, VD605MOVW 500, VW609MOVW 0, VW611MOVD 18800, VD613MOVW 500, VW617MOVW 1, VW619MOVD 200, VD621ATCH INT0, 19ENIPLS 0中断子程序Network 1 / 网络标题/ 网络注释LD SM0.0= Q0.0 当PTO输出完成时接通Q0.0S M2.0, 1总结 通过这次的

32、课程设计，了解了数控车床单向运动的原理，工作方式以及基本的理论知识。此次的课程设计通过老师已给的数据结合所学的知识，通过上网查询和图书馆寻找资料进行部件的选型，查略PLC编程设计书进行编程。 本次的课程设计昂我知道如何的掌握了运用所学的基础知识和专业课程，以及和同学之间相互进行学习和研究，来克服在课程设计中所不懂的内容，提高了自己的独自分析问题的能力和与同学之间的相互沟通的意识。 感谢老师为我们专门进行课程设计的辅导与意见，使我们受益匪浅，谢谢您们！参考书目机械设计手册软件版V3.0，机械工业出版社机械设计课程上机与设计-程志红 唐大放主编机械设计-程志红主编机电一体化控制技术与系统-计时明主编电气控制与PLC应用技术-胡晓林 廖世海主编PLC控制程序精编108例-王阿根主编机械设计手册2008电子版PLC基础与应用技术，-张承志主编画法几何及机械制图-李爱军、曾维鑫主编现代机械传动手册-机械工业出版社可编程控制器教程，-胡学林主编机电综合指导，-，吴振彪主编步进电动机的选择与计算AutoCAD2008机械制图实例教程-刘岩松主编30