机电传动单向数控平台设计.doc

机电传动单向数控
平台设计
——机械工程及自动化专业专业课程设计说明书

专 业：机械工程及其自动化
班 级：机自06-3班
学生姓名：
学 号：
指导老师：
2010年01月22日
目录
1.设计任务
1.1设计任务介绍及意义
1.2设计任务明细
1.3设计的基本要求
2．总体方案设计

1.设计任务

1.1设计任务介绍及意义
u 课程设计题目
机电传动单向数控平台设计
u 主要设计内容
(1)机械传动结构设计 (2)电气控制系统
u 课程设计意义：
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷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：
1.21 电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；
1.22 机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；
1.23 电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；
1.24 功能控制要求：速度控制、位置控制；
1.25 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
⑴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。
⑵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（A1一张）。
⑶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（A2图一张）。
⑷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，完成课程设计说明书一份，不少于30页，设计图纸不少于两张。
⑸绘图及说明书：用计算机绘图，打印说明书。
2．总体方案设计
2.1设计基本依据
步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。步进电动机具有以下特点：
1、工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响；
2 、步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ；
3、由于可以直接用数字信号控制，与微机接口 比较容易；
4、控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；
5、不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；
6、缺点是能量效率较低。
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。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。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。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点：
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
　　滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。
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(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)。
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。利用PLC产生高速脉冲串，调节脉冲频率，从而实现步进电动机启动加速、恒速运行、减速停止过程。
2.2总体方案确定，参数初设如下：
⑴电机驱动方式：步进电机
⑵机械传动方式：滚珠丝杠
⑶电气控制方式：PLC控制
⑷功能控制要求：速度控制
⑸主要设计参数：单向最大工作行程——1200mm；工作台重量70kg
移动负载质量——100kg；
负载移动阻力——100N；移动速度控制——3
选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数；
丝杠材料初选钢材为，其HRC为。丝杠两端为固定支撑（F-F），每个支座安装两个的接触角推力球轴承，面对面安装，进行预拉伸。

3.机械传动系统设计及核算
3.1 滚珠丝杠副的选用及核算
序号
计算项目
单位
计算公式、参数选择说明
结果
1
导轨摩擦力
N

式中—工作台重量
—移动负载质量
=0.15
250
2
轴向载荷和和等效轴向载荷
Ｎ

K=1.15
——负载移动阻力

365
3
计算动载荷
Ｎ

式中——寿命系数

——工作寿命
——载荷系数
——动载荷硬度影响系数
——短行程系数
——转速系数

2838

=15000h
=1.2
=1.0
=1.0

=3.11
4

初选滚珠丝杠

根据动载荷查表15-26初选滚珠丝杠副型号规格为FFZD2505
其基本参数为：
螺纹公称直径
导程
钢球直径
圈数列数
=1.82（单圆弧）
FFZD2505

5
螺旋的导程角
。

6
基本额定动载荷校核
N

m——每圈中钢球的个数

j——每列工作圈数 j=1
k——每个螺母的循环列数
——钢球与滚道便面在接触点处的公法线与螺纹轴线的垂直线间的夹角，理想接触角为

——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
查表15-26
=11000N

j=1
k=3
=

=3.5

所以动载荷满足条件
7

静载荷校核
N
基本额定静载荷
系数：当，时，=63.7；，=41.16

——静载荷硬度影响系数

满足静载荷条件

查表15-26
=45200N

=429N
=1.0

满足静载荷条件
８
螺旋传动的转矩Ｔ
N．mm

滚珠丝杠副的当量摩擦系数：，当量摩擦角

T=320N．mm

９
当量应力
Mp

——丝杠的螺纹底径

e——滚道圆弧偏心距

1.05

21.46

0.05

10
强度条件

——丝杠材料的许用应力（Mp

丝杠满足强度条件
11

轴向载荷F产生的轴向变形量

mm

丝杠采用两端固定的方式
式中：
——丝杠两支撑间的距离（mm）
——丝杠的计算长度，指和作用处到固定支承端的距离
——丝杠材料的弹性模量，钢材的（Mp）
——丝杠的计算截面面积

=1200mm
=1600mm

（Mp）
=363
12

转矩T产生的轴向变形量

mm

——丝杠的螺纹导程
——丝杠计算截面的极惯性矩，

——丝杠材料的切变模量，钢材的

=5

12

轴向载荷F使钢球与螺旋滚道间产生的轴向变形量

Mm

因为，而且有预紧，所以
式中
——钢球直径
——工作螺母中的钢球总数

——预紧力，一般取
——载荷分布不均匀系数，一般取

=3.5
=69

=123
=1.3

13
轴向总变形量
mm

14
丝杠的轴向刚度
N/mm

15
刚度条件

——丝杠允许的轴向刚度

满足刚度条件

16

17

临界转速

传动效率

r/min
式中
——密度，对于钢性丝杠Kg/
——螺杆两支承之间的距离1600mm
——支承系数 取4.73
钢螺杆

由转动变为移动

=5516

=24.3

横向震动满足条件

3.2滚动轴承选用、校核

初选轴承为的角接触球轴承，采用面对面安装，其轴向载荷分析如下图：
序号
计算名称
单位
计算公式、参数选择说明
结果
1
径向外载荷
N

1666
2
轴向外载荷

365
3
轴承支反力

833
4
轴承派生轴向力

查表10.7（机械设计），得

583.1
5
轴承所受的轴向载荷

因为，则

948.1

583.1
6
计算轴承所受当量动载荷

因为轴承工作时有中等冲击，查表载荷系数
因为且，所以
查表10.5 得x=0.41，y=0.87

1632.92
7
基本额定动载荷

式中——轴承预期计算寿命
——寿命指数
——温度系数

13586.5
=16000

8
选用轴承

根据基本额定动载荷，查机械设计课程上机与设计书，表13-6 初步选用7204AC型角接触轴承，其基本参数如下：
基本尺寸d=20,D=47,B=14,a=14.9
安装尺寸，，

7204AC

d=20
D=47
B=14
a=14.9
9
计算寿命

——额定动载荷

17506

=14000N

轴承合格

3.3步进电动机的选择与校核
序号
计算名称
单位
计算公式及参数说明
结果
1
脉冲当量的确定

根据设计位置精度要求（），初取脉冲当量为
0.1
2
步距角

初选电动机型号时步距角与传动比i应满足，取步距角为，为了使结构简单，提高精度，这里取，

满足
3
初选步进电机型号

查机械设计手册，初选110BF003， 步进电机轴的转动惯量，最大精度转矩。启动频率1500HZ，运行频率7000HZ
根据电机轴的直径d和丝杠转速n初选联轴器，这里初选用YL1式凸缘联轴器，其转动惯量
110BF003

YL1式凸缘联轴器

4

矩频特性

（1）加速力矩

（2）空载摩擦力矩

（3）附加摩擦力矩

空载启动力矩

名义启动转矩

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，即

步进电机所需空载启动力矩

其中：为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；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；为由于丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。

式中；
——为传动系统各部件惯量折算到电机轴上总等效转动惯量
；
——丝杠的转动惯量

式中
——丝杠公称直径
——材料密度
——联轴器的转动惯量
——工作台折算到丝杠上的转动
惯量
式中——工作台总质量
——电动机转子的转动惯量

——电机最大加速度
——静止部件从启动到最快速度的加速度时间（s）；

（）
式中G——运动部件总重力（N）
——导轨摩擦系数
——系统传动总效率
——滚珠丝杠的基本导程
——齿轮传动降速比

（）
式中——预紧力
——丝杠未预紧时的传动效率

（）

=0.5

=600

查表得

G=1666N

合格

5

启动矩频特性校核

上面的计算仅仅是检查电机的最大静转矩是否满足要求，但不能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，启动时丢步是不可避免的。因此，突跳启动很少使用。这里我们使用升速启动方式。如图所示：
根据空载启动力矩查手册，找到对应的允许启动频率约
最大频率：
为了使，所以启动矩频特性满足要求，我们将分二个阶段启动，每个阶段的启动频率仅为最高启动频率的1/2,即1190Hz

6
运行矩频特性校核

（1）快速进给运行矩频特性校核

（2）工进运行矩频特性校核

快进时的最高运行频率：

快速进给时已经不存在加速力矩项，并且一般快速进给时处于空载状态，快速进给时步进电机运行所需力矩：

其中：
、分别与上面的、相同。
查运行矩频特性曲线，得，

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：

其中：
、分别与上面的、相同。

查运行矩频特性曲线，得,运行矩频特性满足。故选用110BF003满足要求。

合格

3.4联轴器的校核

序号
计算名称
单位
计算公式及说明
结果
1
YL1联轴器

初选用YL1式凸缘联轴器，其公称转矩T=10，由上面的计算易得出：
，故联轴器满足设计要求。
合格

3.5键的选用与校核
序号
计算名称
单位
计算公式及说明
结果
1
平键的选择

平键在轴端选C型键

2
键的型号

电机输出轴上的键，型号

丝杠输入端上的键，型号

3
键的校核

式中

满足条件

型号键上的
型号键上的
满足条件
合格

3.6 增量式旋转编码器的选用
序号
计算项目
单位
计算依据
计算结果
1
ZLK-A-60-05
VO-8-H型编码器

编码器把角位移或直线位移转换成电信号。所选步进电机采用半闭环控制，可在电动机尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。由于步距角为，可知电机转动一转时需要控制系统发出
=240个步进脉冲，考虑到增量式选择编码器输出A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此分辨力选用60线。这样控制系统每发出一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。
这里我们选择ZLK-A-60-05VO-8-H型编码器。

合格

4.电气控制系统设计
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CP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：

4．1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，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式。

⑴CH250管脚图如下所示:

⑵CH250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。A0、B0、C0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。
⑶CH250的三相双三拍接线原理图如下所示：

4.2 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τ=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，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，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。

4.3 PLC高速脉冲输出控制
⑴PLC接线图

⑵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 Q0.2
⑶PLC控制程序
主程序Main:
Network 1 // Network Title
// Network Comment
LD SM0.1
R Q0.0, 2
R S0.0, 3

Network 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 I0.0
A I0.3
AN I0.1
AN I0.2
EU
S S0.1, 1

Network 3
LSCR S0.1
Network 4
LD SM0.1
CALL SBR3
Network 5
LD SM0.0
= Q0.1 //启动标志

Network 6
LD SM0.1
CALL SBR0 //正向输出
//正向标志
//Q0.0脉冲输出

Network 7
LD I0.4
SCRT S0.2

Network 8
SCRE
Network 9
LSCR S0.2
Network 10 // 延时100ms后，电动机反转
LD SM0.0
TON T37, +100

Network 11
LD T37
R Q0.1, 1 //启动标志

Network 12
LD T37
A SM0.1
AN I0.3
CALL SBR0 //反向输出
//反向标志
//Q0.0脉冲输出

Network 13
SCRE
Network 14 // 电动机立即停止
LD I0.1
AN I0.2
S M0.1, 1
CALL SBR1

Network 15 // 电动机正常停止
LD I0.2
AN I0.1

R S0.0, 3
Network 16
LD SM0.1
A M0.1
MOVW SMW68, VW200 //将此时的脉冲周期存入VW200
R S0.0, 3

Network 17 // 电动机调整零点
LD I0.0
AN I0.3
AN I0.1
AN I0.2
AN Q0.1
S S0.0, 1

Network 18
LSCR S0.0
Network 19
LD SM0.1
AN I0.3
CALL SBR0

Network 20
LD I0.3
S S0.1, 1 //到零点后，正常行驶

MOVD +0, SMD48
Network 21
SCRE
Network 22
LD SM0.0
TON T32, +100
Network 23
LD T32
CALL SBR2
R T32, 8

子程序SBR_0 ；PLC发射高速脉冲
Network 1 // Network Title
// Network Comment
LD SM0.0
MOVB 16#E7, SMB67 //PTO工作于多段工作模式
MOVW 100, SMW168
MOVB 3, VB100
MOVW +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, VW117 //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 0

Network 2
LD I0.3
O I0.4
S SM66.5, 1

子程序SBR_1 ；紧急停车时脉冲控制
Network 1 // Network Title
// Network Comment
LD SM0.0
MOVW +50, VW202
-I VW200, VW202
MOVW VW202, VW204
/I +50, VW204
MOVB 16#88, SMB67 //PTO工作于一段工作模式
MOVW VW200, VW400 //该段初始周期
MOVW VW204, VW402 //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 Comment
LD SM0.0
MOVD SMD72, VD520
Network 2
LD SM0.0
-R SMD48, VD520
Network 3
LDR>= VD520, 50.0
O Q0.2
S 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 Comment
LD SM0.0
MOVB 16#F8, SMB47
HDEF 1, 9
MOVD +0, SMD48
MOVD +30000, SMD52
HSC 1
5.结束语
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，我用了SolidWorks三维造型软件画出了机械单方向数控平台的三维立体图，然后直接生成了二维三视图，减少了工作量。
最后，对一直辛勤地指导我们的老师，衷心的表示感谢！

6.参考文献
1、《机械设计手册电子版2008》；
2、《机电液设计手册》，机械工程出版社出版社，蔡春源主编；
3、《现代机械传动手册》机械工业出版社，第二版；
4、《电子技术基础》，高等教育出版社，康华光主编；
5、《可编程控制器教程》，电子工业出版社，胡学林主编；
6、《画法几何及机械制图》，中国矿业大学出版社，李爱军、曾维鑫主编;
7、《机械设计》，东南大学出版社，程志红主编；
8、《机械设计课程上机与设计》，东南大学出版社，程志红、唐大放主编；
9、《机电综合指导》，中国人民大学出版社，吴振彪主编；
10、《步进电动机的选择与计算》，《电子技术》，叶文卿；
11、《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》，苏静；
12、《基于 PLC的步进电动机升降速控制》，《微电机》2009.5，王立红、梅立凤；
13、《基于PLC 的步进电动机控制系统的设计》，《科技信息》2009.5，王赞；
14、《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》，连香娇；，
15、《AutoCAD2008机械制图实例教程》，化学工业出版社，刘岩松主编；
16、《SolidWorks2007高级设计》，人民邮电出版社，二代龙镇工作室编；