机电传动单向数控平台设计 (2).doc

1、 目录1.设计任务41.1设计任务介绍及意义41.1.1课程设计题目41.1.2主要设计内容41.1.3课程设计意义：41.2设计任务明细41.3设计的基本要求52总体方案设计52.1设计基本依据52.2总体方案的确定73.机械传动系统设计73.1机械传动装置的组成及原理73.2 主要部件的结构84.电气控制系统设计144.1控制系统的基本组成144.2环形脉冲分配器CH250144.3功率放大器164.4 PLC高速脉冲输出控制17总结23参考文献241.设计任务 1.1设计任务介绍及意义1.1.1课程设计题目 机电传动单向数控平台设计1.1.2主要设计内容 (1)机械传动结构设计 (2)电

2、气控制系统1.1.3课程设计意义： (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。 (2)培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书 籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。 (3)培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，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。 1.2设计任务明细机电传动单向数控平台设计： 1)电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机； 2)机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等； 3)电气控制方式：单片微机控制、PLC控制； 4)功能控制要

3、求：速度控制、位置控制；主要设计参数： 单向工作行程1800、1500、1200 mm； 移动负载质量100、50 kg； 负载移动阻力100、50 N； 移动速度控制3、6 m/min； 1.3设计的基本要求（1）方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。（2）总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（A2图一张）。（3）电气控制线路图：根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制电路原理图（A

4、3图一张）。（4）成果展示：课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为3000字以上，设计图纸不少于两张。（5）绘图及说明书：用计算机绘图，打印说明书；（6）设计选题：分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成。2总体方案设计 2.1设计基本依据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

5、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。 同步带是一种综合了带、链传动优点的新型传动。如图所示，它在带的工作面及带轮外圆周上均制成齿形，通过带轮与带齿相啮合，作无滑移的啮合传动。同时，带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主、从带轮作无滑差的同步运动。与一般传动带相比，同步带传动具有以下特点： 1工作时无滑动，有准确的传动比同步带传动是一种啮合传动，虽然同步带是弹性体，但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变，使带与轮齿槽能正确啮

6、合，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。 2传动效率高，节能效果好 由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，一般可达0.98。它与三角带传动相比，有明显的节能效果。 3传动比范围大，结构紧凑 同步带传动的传动比一般可达到10左右，而且在大传动比情况下，其结构比三角带传动紧凑。因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径比依靠摩擦力来传递动力的三角带带轮要小得多，此外由于同步带不需要大的张紧力，使带轮轴和轴承的尺寸都可减小。所以与三角带传动相比，在同样的传动比下，同步带传动具有较紧凑的结构。 4维护保养方便，运转费用低 由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维、钢丝等材料制成，故在运转过

7、程中带伸长很小，不需要像三角带、链传动等需经常调整张紧力。此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运转费用比三角带、链、齿轮要低得多。 5恶劣环境条件下仍能正常工作尽管同步带传动与其它传动相比有以上优点，但它对安装时的中心距要求等方面极其严格，同时制造工艺复杂、制造成本高。 PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其

8、功能的原则而设计。 2.2总体方案的确定 我的主体思想：用PLC控制步进电机的转速，用同步带进行电机和丝杆之间的传动，间接控制平台的进给运动。参数初设如下： （1）电机驱动方式：步进电机 （2）机械传动方式：同步皮带 （3）电气控制方式：PLC控制 （4）功能控制要求：位置控制 （5）主要设计参数:总行程600mm,第一段空行程100mm, 第二段工作行程400mm,第三段工作行程100mm; 移动负载质量50kg； 负载移动阻力100N； 移动速度控制：6m/s3.机械传动系统设计 3.1机械传动装置的组成及原理 本设计选择同步皮带，2根HSR型导轨和4个滑座,工作平台的质量假设为40kg，

9、滑块质量50Kg. 寿命要求：每天开机8h，一年按300个工作日，寿命5年以上。已知条件：单向工作行程600mm，第一段工作行程100m, 第二段工作行程400mm，第三段工作行程100mm。 负载质量 ：50kg 3.2 主要部件的结构计算及说明结果3.2.1同步带传动设计计算 1）传递的功率：P=Fv=1000.2=0.02kW 2）功率：Pd=KAPKA 工况系数，查表2.1-13Pd=1.1KAP=1.11.70.02=0.04kW 3)主动轮转速n1：电机直接驱动主动轮，初选电机转速为2000r/min 从动轮转速n2：主带轮直径等于从带轮直径 4）选定带型：根据Pd和小带轮转速n1

10、由图2.1-3选取，可知应选L型。 5）节距：Pb=9.525 查表2.1-5 6)小带轮齿数：查表2.1-14得zmin=14，因为z1zmin，所以小带轮齿数z1=15 7）小带轮节圆直径： 8）大带轮齿数：z2=iz1=115=15 9）大带轮节圆直径： 10）同步带传动速度： (应满足=50m/s） 11）初定轴间距：0.7（d1+d2）a02（d1+d2），取a0=150mm 12）同步带长度： =443mm 13）同步带齿数z和标准节线长LP：查表2.1-3 z=160,LP=1524mm 14）实际轴间距：a=a0+(LP-L0)/2 =690.5mm 13）小带轮啮合齿数：zn

11、(0.5-(d2-d1)/6a)z1=86 15）基本额定功率： Ta 各带型的许用工作拉力，查表2.1-16 m 带宽为bs0的带单位长度的质量，查表2.1-16 bs0 查表2.1-15 16）同步带宽度： （Kz看表2.1-12）17）作用在轴上的力Ft=1000Pd/v=8.40N18）轮缘齿形尺寸查表2.1-2或取决于表2.1-5所列渐开线刀具尺寸。3.2.2导轨动载荷的计算 作用在滑块上的力 N 则单个滑座受力 N 导轨寿命 行程长度寿命： 其中n为每分钟运行的次数 h 设计平台上共有滑块4个，每根导轨2个滑块。 有 K 寿命系数 取K=50 硬度系数 取=1 温度系数 取=1 接

12、触系数 取=0.81 负荷系数 取=1.5 则动载荷有：N3.3步进电机选型计算已知参数：工作台重量G=70x9.8N工作台与导轨间摩擦系数u=0.15定位精度0.1毫米3.3.1脉冲当量的选择 脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离=0.1mm/p（输入一个指令脉冲工作台移动0.1毫米）3.3.2等效负载转矩的计算 空载时的摩擦转矩TLF TLF = = =0.087Nm1）稳定运行时的转矩M1： 2）加速运行时转矩M2： 带轮折算到电机轴上的转动惯量 ，取带轮质量为2kg 负载和工作台折算到电机轴上的转动惯量 ，取工作台质量为20kg 同步带折算到电机轴上的转动惯量 折算到电

13、机轴上的总转矩为3.3.3初选步进电动机型号根据稳定运行时转距M1=0.75Nm和电动机总转动惯量JL=38.24Kgm2,初步选定电动型号为SST86D040X步进电动机。该电动机的最大静扭距Tmax=2.26Nm，转子转动惯量 Jm=12.5Kgm2为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度应为： 及空载时起动时间计算（ta）SST86D040X步进电动机的最小加、减速度时间为1秒带惯性负载的最大起动频率fL的计算Hz电动机空载起动频率带惯性负载的最大转速转/分带惯性负载起动力矩Tm电动机起动矩-频率特性曲线M1=0.75Nm负载时起动时间tata=该电机带惯性负载时能够起动以上计

14、算，选该型号步进电动机，能满足设计要求。3.3.4滚动轴承的选用与校核 根据工作情况以及滚珠丝杠的受力，初选轴承为角接触球轴承，其，型号为7205B 基本额定载荷为：C0=15.8KN ，C0r=9.45KN 为径向外载荷 Fr=(m1+m2+m3)g=(50+40+50)9.8=1372N 为轴向外载荷 轴承支反力 轴承派生轴向力 轴承所受轴向载荷 则 计算轴承当量动载荷，工作在中等冲击： 载荷系数 查表 查表 计算当量动载荷： 计算轴承的寿命： 因为， 故按进行校核。 取温度系数 ft=1 故 h 寿命指数 对于球轴承 因为 所以轴承符合要求 7205B角接触轴承基本尺寸 内圈直径 外圈直

15、径 轴承宽度 轴承质量 静载荷 动载荷 3.3.5键的选择与校核键许用挤压应力，查表3.2得 带轮轴上的键根据该处轴的直径d = 15mm，取bh=55采用A型键，根据GB/T1095-2003,GB/T1096-2003暂选：键 A520 GB/T1096-20033.3.6润滑与密封装置由已知条件选择脂润滑，密封装置为毛毡圈。受力情况如下图：P=0.38kWKA=1.7Pd=0.04kWn1=n2=2000r/min选LPb=9.525 z1=15d1=45.5mm z2=15d2=45.5mmv=4.76m/sa0=150mmL0=443mmz=160LP=1524mm a=690.5m

16、mzn=8Ta=245Nm=0.096kgm-1bs0 =25.4mmP0=1.15kWbs=75.8mmFt=8.40N=882NF=220.5NTh=12000hn=2K=50=1=1=0.81=1.5 Ca=1805.2N型号 HSR 15M1=0.75Nm=744.43Hz=89.33转/分C0=15.8KNC0r=9.45KNFr=1372N ft=14.电气控制系统设计4.1控制系统的基本组成步进电机是一种特殊的机电元件,不能直接接到交直流电源上工作,必须使用专用的驱动器。步进电动机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率。环形分配器用来接受来自控制器的C

17、P脉冲信号，并按步进电动机工作方式要求的各相脉冲信号状态顺序产生各相导通或截止的信号，但是环形分配器的输出电流很小，不能直接驱动步进电动机，因此需要功率放大器实现对脉冲分配回路输出的弱信号进行放大，产生电机脉冲信号工作所需的激磁电流。其控制流程如下图所示：4.2环形脉冲分配器CH250由于用软件环形分配器需要编写复杂的程序，而且占用计算机运行时间，故一般使用硬件或软硬件结合来实现。硬件环形分配器的种类很多，有专用的集成电路，可以用JK触发器或D触发器构成，还可以用通用的可编程逻辑器件组成。在这里，通常我们采用集成电路CH250。CH250是国产的三相反应式步进电机环形分配器的专用集成电路芯片，

18、通过其控制端的不同接法可以组成三拍和三相六拍的不同工作方式。CH250管脚图如下所示:CH250主要管脚的作用：J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r“1”，而J3L“0”，则电机正转；若J3r“0”，J3L“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r“1”，J6L“0”，则电机正转；若J6r“0”，J6L“1”，电机反转。R2是双三拍的复位端，R1是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端

19、输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A、B、C为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。CH250的三相双三拍接线原理图如下所示：4.3功率放大器单电压功率放大电路 是步进电动机一相的驱动电路如下图所示，L是电动机绕组，晶体管VT可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组L的波形尽可能接近矩形波。但是由于电感线圈中的电流指数规律上升，其时问常数=L/r，须经过3rl的时间后才能达到稳态电流。由于步进电动机绕组本身的电阻很小

20、，所以，时间常数很大，从而严重影响电动机的启动频率。为了减小时问常数，在励磁绕组中串以电阻R，这样时间常数就大大减小，缩短了绕组中电流上升的过渡过程，从而提高了工作速度。在电阻R两端并联电容c，是由于电容上的电压不能突变，在绕组由截止到导通的瞬间，电源电压全部降落在绕组上，使电流上升更快，所以，电容c又称为加速电容。二极管V在晶体管VT截止时起续流和保护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管子击穿，串联电阻Ro使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。这种电路的缺点是R上有功率消耗。为了提高快速性，需加大R的阻值，随着阻值的加大，电源电压也势必提高，功率消耗也进一步加大。正因为这样

21、，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。4.4 PLC高速脉冲输出控制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、快捷。主要组成部分：一台S7-200 Micro PL

22、C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。3. 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。4. 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。5. 电源向CPU所连接的任何模块提供电力。6. 通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其他设备连接起来。7. 状态信息号灯显示了CPU的工作模式（运行或者停止），本机I/O的当前状态，以及检查出错的

23、系统错误。8. 通过扩展模块可增加CPU的I/O点数。9. 通过扩展模块可提供其他通讯性能。10. 一些CPU具有内置的实时时钟，其它CPU则需要实时时钟卡。11. 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。12. 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PLC接线图 三电动机转动PLC控制I/O分配输入端：启动按钮SB1 I0.0紧急停止按钮SB2 I0.1正常停止

24、按钮SB3 I0.2初始位置行程开关S1 I0.3终点位置行程开关S2 I0.4增量式旋转式编码器A相I0.6增量式旋转式编码器B相I0.7输出端：脉冲输出口CL Q0.0电机转动方向输出控制Q0.1蜂鸣器、报警指示灯输出Q0.2PLC控制程序主程序Main:Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.1R Q0.0, 2R S0.0, 3Network 2 / 当物体处在初始位置行程开关且启动按钮启动时，电动机正转LD I0.0A I0.3AN I0.1AN I0.2EUS S0.1, 1Network 3 LSCR S0.1Networ

25、k 4 LD SM0.1CALL SBR3Network 5 LD SM0.0= Q0.1 /启动标志Network 6 LD SM0.1CALL SBR0 /正向输出 /正向标志 /Q0.0脉冲输出Network 7 LD I0.4SCRT S0.2Network 8 SCRENetwork 9 LD T37R Q0.1, 1 /启动标志Network 10 SCRENetwork 11/ 电动机立即停止LD I0.1AN I0.2S M0.1, 1CALL SBR1Network 12 / 电动机正常停止 LD I0.2AN I0.1R S0.0, 3Network 13 LD SM0.1

26、A M0.1MOVW SMW68, VW200 /将此时的脉冲周期存入VW200R S0.0, 3Network 14/ 电动机调整零点LD I0.0AN I0.3AN I0.1AN I0.2AN Q0.1S S0.0, 1Network 15 LSCR S0.0Network 19 LD SM0.1AN I0.3CALL SBR0Network 16 LD I0.3S S0.1, 1 /到零点后，正常行驶MOVD +0, SMD48Network 21 SCRENetwork 17 LD SM0.0TON T32, +100Network 23 LD T32CALL SBR2R T32, 8

27、子程序SBR_0 ；PLC发射高速脉冲Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.0MOVB 16#E7, SMB67 /PTO工作于多段工作模式MOVW 100, SMW168MOVB 3, VB100MOVW +667, VW101 /第1段的初始周期，周期单位MOVW -1, VW103 /第1段的周期增量MOVD +524, VD105 /第1段的脉冲个数MOVW +143, VW109 /第2段的初始周期MOVW 0, VW111 /第2段的周期增量MOVD +28000, VD113 /第2段的脉冲个数MOVW +667, VW

28、117 /第3段的初始周期MOVW +2, VW119 /第3段的周期增量MOVD +262, VD121 /第3段的脉冲个数PLS 0Network 2 LD I0.3O I0.4S SM66.5, 1子程序SBR_1 ；紧急停车时脉冲控制Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.0MOVW +50, VW202-I VW200, VW202MOVW VW202, VW204/I +50, VW204MOVB 16#88, SMB67 /PTO工作于一段工作模式MOVW VW200, VW400 /该段初始周期MOVW VW204, V

29、W402 /周期增量MOVD +262, VD404 /脉冲个数PLS 0子程序SBR_2 ；编码器检测到的脉冲与PLC产生的脉冲数的比较，超过报警值报警Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.0MOVD SMD72, VD520Network 2 LD SM0.0-R SMD48, VD520Network 3 LDR= VD520, 50.0O Q0.2S Q0.2, 1子程序SBR_3 ;接收增量式旋转编码器发出的高速脉冲并计数Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.0MO

30、VB 16#F8, SMB47HDEF 1, 9MOVD +0, SMD48MOVD +30000, SMD52HSC 1总结此次课程设计，在老师将题目布置下来以后，便通过网络、图书馆及教材查找相关资料，请教老师同学，进行了初步的方案设定。然后进行计算校核，确保方案的正确。查阅机械设计手册进行结构设计，同时登陆诸多产品官方网站进行部件选型，查阅很多文档书籍进行PLC编程设计。本次课程设计使我基本掌握了如何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的初步设计的方法，学会了如何查找资料进行系统方案的选择、确定，提高了自己独立分析问题、解决问题的能力，自己获益匪浅。在计算机绘图方面，使用

31、了用了AutoCAD、Autodesk Inventor等造型软件，很大程度上加快了设计的速度，减少了工作量，同时提高了自身软件使用技巧。最后，对一直辛勤地指导我们的老师，衷心的表示感谢！参考文献7 王立红，基于单片机的步进电动机升降速控制，微电机，2009.58 王赞，基于单片机的步进电动机控制系统的设计，科技信息，2009.59 叶佩青等.数控技术的现状及发展策略.机械科学与技术，1997年03期10 苏静，数控机床中步进电动机的选用，数字技术与机械加工工艺装备，2008.311 郭宏.伺服电动机的闭环控制系统.微电机，1993年01期：202512 连香娇，X - Y工作台的机电一体化系统设计，北京建筑工程学院学报，2009,113 周彬，基于Proteus的单片机PWM直流调速系统设计，重庆大学学报，2010.514 郓为民等.步进电机微步驱动位置闭环控制的研究.微电机,1993年03期15 李伟，基于单片机的无刷电机控制系统设计,仪表技术与传感器, 2011年11期 16 基于AT89S51控制的直流电机调速与测速系统设计与实现, 科学技术与工程, 2011年33期 17 蔡春源，机械设计手册电子版2008，机械工程出版社出版社18 现代机械传动手册,机械工业出版社，第二版19 程志红，机械设计，东南大学出版社20 程志红等，机械设计23