Z3040型钻床控制系统的PLC改造【毕业论文+CAD图纸全套】

目 录 一、设计任务 . 4 二、总体方案确定 . 4 . 4 . 5 三、机械传动部件的计算与选型 . 6 . 6 . 6 . 7 . 8 . 14 . 14 四、绘制进给传动机构的装配图 . 21 五、控制系统的设计 . 22 （ 1）控制系统的原理框图 . 22 （ 2）简介 . 22 （ 3）应用 . 26 六、步进电动机驱动电源的选用 . 29 七、附图 . 30 八、参考文献 . 30 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 1 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 2 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 3 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 4 一、 设计任 务 题目： 钻床控制系统的 造 任务：设计一种供 床使用的数控钻台 主要参数如下： 1） 钻头最大直径 d=402） 加工材料为灰铸铁 190 3） X 方向的脉冲当量 = 4） X 方向的定位精度为 5） 工作台面尺寸为 400360 6） 工作台空载最快移动速度 3000mm/ 7） 加工时最快进给移动速度 400mm/ 二、 总体方案确定 的选择 1) 导轨副的选用：要设计的工作台是与 床配套使用的，因此，选用直线滚动导轨副， 它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点 。 2) 丝杠螺母副的选用： 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足 脉冲当量和 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 5 定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。 滑动丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 3) 减速装置的选用：选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量， 放大电动机 的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，决定采用无间隙 齿轮传动减速箱。 4) 伺服电动机的选用：位精度也未达到微米级， 空载最快移动速度也只有 3000mm/此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如 交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。 5) 步进电动机的控制方式：由于任务书所给精度对于 步进电动机还可应付，且此工作台仅要求单坐标定位，故选用开环控制。 6) 对于步进电动机的开环控制，选用 8035 作为控制系统的满足任务书给定的相关指标。 7) 要设计一台完整的控制系统，在选择 后，还需要进购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 6 行存储器的选择、接口扩展、输入 /输出接口电路的设计 、隔离电路、报警电路、运行指示电路等。 8) 选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。 三、 机械传动部件的 计算与选型 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台 、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为 1000N。 采用硬质合金钻头，工件材料为灰铸铁 190孔 时轴向力计算公式为： Z F y d f k 今选择 钻头直径为 d=40转进给量 f=r。由表 31查得 410， 1， 由上式求得 切削力轴向力： 1 . 2 0 . 7 5410d f k 1 . 2 0 . 7 54 1 0 4 0 0 . 1 7 N 9080N 对于麻花钻钻削加工 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 7 0 . 5 70 . 5 7 9 0 8 051760 . 40 . 4 9 0 8 036320 . 0 30 . 0 3 9 0 8 0273z 1) 滑块承受工作载荷作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂 直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为 : m 其中，移动部件重量 G=1000N，外加载荷 F=73N，代入上式，得最大工作载荷23N= 查表 3 411，根据工作载荷选直线滚动导轨副的型号为 列的 ，额定载荷 。 任务书规定工作台面尺寸为 400360工范围为购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 8 210210虑工作行程应留有一定余量，查表 3 351，按标准系列，选取导轨的长度为 700 2) 距离 额定寿命 L 的计算：上述选取的 列 0作速度较低，载荷不大。查表 3 363 401，分别取硬度系数 、 、接触系数 、精度系数 、 ，代入下式，得距离寿命： 3m a 0 1 . 0 0 0 . 8 1 0 . 9 7 . 9 4501 . 5 0 . 5 2 32 0 0 8 3 5 0H T C R f f f m k m 远大于期望值 50距离额定寿命满足要求。 （ 1） 最大工作载荷已知移动部件总重量 G=1000N，按矩形导轨进行计算，查表 3 291，取颠覆力矩影响系数 K=动导轨上的摩擦系数 。按下式计算滚珠丝杆副的最大工作载荷： m x z F F F G 考虑工作台在移动过程中只受 G 影响 故 10 5 1 0 0 05考虑工作台在静止加工时只受影响 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 9 故 1765694取2 5694 N（ 2） 最大动载荷的计算 最快进给速度 400mm/选丝杠导程 5hP 则此时丝杠转速 m a x 8 0 / m i 取滚珠丝杆的使用寿命 T=15000h，代入下式 66 0 / 1 0oL 的丝杠寿命系数 72(单位为： 610 r) 查表 3 301，取载荷系数 ，滚道硬度为 60硬度系数 ，代入下式 3Q o W H f f F 得最大动载荷： 33 7 2 1 . 2 1 . 0 5 6 9 428426Q o W H f f （ 3） 初选型号： 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表 3311，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 列 2505 4 型滚珠丝杆副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式，其参数 如下： 公称直径0 25d 买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 10 导程 5hP 环滚珠为 4 圈 2 列 精度等级 5 级 额定动载荷 28759N 故 2 8 7 5 9 2 8 4 2 6 N,满足要求。 （ 4） 传动效率 的计算： 将公称直径0 25d 导程 5hP 代入 0a rc ta n 得0a rc ta 8将摩擦角 10 ，代入 ta n 得 t a nt a nt a n 3 3 8t a n 3 3 8 1 09 5 （ 5）刚度的验算： 1) 滚珠丝杆副的支承采用“单推 单推”的方式，丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面，左右支承的距离约为 a=680的弹性模量 52 0E M P a 。查表 3 311，得 滚珠直径 3 5WD m m购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 11 丝杠底径2 杠截面积22222/42 1 2 丝杠在工作载荷压变形量 155 6 9 4 6 8 02 . 1 1 0 3 5 2 . 9 90 . 0 5 2 22) 根据 0 /3WZ d D，得 单圈滚珠数 Z=22 滚珠总数量 2 2 4 2176 圈 数 列 数 丝杠预紧时，取轴向 预紧力 5764F 1 8 9 833 代入2 233 20 . 0 0 1 31 0 F / 1 056940 . 0 0 1 31 0 3 . 1 7 5 1 8 9 8 1 7 6 / 1 00 . 0 0 2 8 因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的 1/3，所以实际变形量可减小一半，取2 0 1 4 。 3) 总总 120 . 0 5 2 2 0 . 0 0 1 4 m 0 5 3 6 m . 6 m 总由表 3 27 知， 5 级精度丝杠有效行程在 630800子版图纸， Q 11970985 或 401339828 12 时，行程偏差允许达到 36 m ，可见丝杠刚度不足 。 （ 6） 重选丝杠型号 仍选 列的 3205 3 型滚珠丝杆副。其 公称直径0d 32程 5hP 珠直径 3 5WD m m丝杠底径2 数列数 3 2 精度等级 5 级 额定动载荷 29091o a F满足要求。 同理 传动效率 11120 . 0 2 9 50 . 0 0 1 40 . 0 2 9 5 0 . 0 0 1 4 m 0 3 0 9 m . 9 m 3 6 总满足要求。 （ 7）压杆稳定性校核： 根据下式 2K 2F 计算失稳时的临界载荷表 3 341，取支承系数购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 13 1 ，丝杠底径 2 ，截面惯性矩42444642 8 0 4 3 压杆稳定安全系数 K 取 3（丝杠卧式水平安装）滚动螺母至轴向固 定处的距离 a 取最大值 a=680入上式， 得2K 2252 1 1 0 3 1 0 4 3 . 1 93 6 8 046382 远大于工作载荷 5694故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杆副满足使用要求。 （ 8）滚珠丝杆副主要尺寸列表： 主要尺寸 计算结果 公称直径0本导程旋升角 215 母大经 D 82 螺母小径1母长度 L 82 丝杠长度 S 700 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 14 油杯 为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速， 步进电动机的输出轴与小齿轮联结，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用弹簧错齿法消除间隙。 已知工作台的脉冲当量 0 . 0 0 5 / 脉 冲，滚珠丝杆的导程5mm初选步进电动机的齿距角 。传动比的计算： 3600 53 6 0 0 52512i3 型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为 1数比为 75 36，材料为 45 调质钢，齿表面硬度达 55速箱中心距为7 5 3 6 5 5 . 52 m m m m ，小齿轮厚度为 20双片大齿轮厚度均为10齿轮直径为1 36d 大齿轮直径为2 75d （ 1）加在步进电动机转轴上的总转动惯量 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 15 已知：滚珠丝杠的公称直径0 32d 珠丝杆总长 680l 基本导程 5hP 料密度 337 . 8 5 1 0 /k g c m 移动部件总重力 G=1000N 小齿轮宽度1 20b 齿轮直径1 36d 齿轮宽度2 20b 齿轮直径2 75d 动比 2512i得滚珠丝杆的转动惯 量 441 3 1222326 8 0 1 0 7 . 8 5 1 0 1 0225 . 4 9 5g c mk g c m 托板折算到丝杠上的转动惯量 2212225 1 0 1 0 0 02 9 . 80 . 6 4 6g c mk g c m 小齿轮的转动惯量 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 16 41 3 142112362 0 1 0 7 . 8 5 1 0 1 02220 . 2 5 9k g c mk g c m 大齿轮的转动惯量 41 3 142222752 0 1 0 7 . 8 5 1 0 1 02224 . 8 7 7k g c mk g c m 初选步进电动机型号为 90两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为 从表4查得该型号电动机转子的转动惯量 24mJ kg 。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： 2212 / 6 . 8 0e q m Z Z W J J J J i k g c m （ 2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩141可知，1部分是快速空载起动时折算 到电动机转轴上的最大加速转矩部分是移动部件运动是折算到电动机转轴上的摩擦转矩有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（ 41可知，0以 忽略不计。则有： 1 m a a T根据式（ 41，考虑传动链的总效率 ，计算快速空购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 17 载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： m a 60 e q ma （ 6 式中 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为 r/ 步进电动机由静止到加速至位为 s. 其中： （ 6 式中 空载最快移动速度，任务书指定为 3000mm/ 步进电动机步距角，预选电动机为 脉冲当量，本设计 0 . 0 0 5 / 脉 冲。 将上式各值代入式（ 61,算得 1 2 5 0 / m i 设步进电动机由静止到加速至传动链总效率 。则由式（ 61求的： 4m a . 8 0 1 2 5 0 1 0 1 0 . 3 26 0 0 . 4 0 . 7 m N m 由式（ 41可知，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： 2 式中 导轨的摩擦因数，滚动导轨取 垂直方向的切削力，空载时取 0； 传动链总效率。取 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 18 则由式（ 61，得： 0 . 0 0 5 2 7 3 1 0 0 0 0 . 0 0 5 0 . 0 0 4 m N m 252 0 . 7 12最后由式（ 61,求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： 1 m a x 0 . 3 2 4e q a T N m 2） 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩241可知，2部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 部分是移动部件运动是折算到电动机转轴上的摩擦转矩有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T。0以忽略不计。则有： 2eq t T其中，41计算。已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷 5176则有： 5 1 7 6 0 . 0 0 5 2 . 8 22 2 0 . 7 2 5 / 1 2 m N 再由式（ 41计算垂直方向承受最大工作负载（ 273 情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： 0 . 0 0 5 2 7 3 1 0 0 0 0 . 0 0 5 0 . 0 0 42 2 0 . 7 2 5 / 1 2 最后由式（ 61，求的最大工作负载状态下电动机转购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 19 轴所承受的负载转矩为： 2 2 . 8 2 4e q t T N m 经过上述计算后，得 到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： 12m a x , 2 . 8 2 4e q e q e T N m （ 3） 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩下降，可能造成丢步，甚至 堵 转 。因此，根据要考虑安全系数。取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： m a x 4 4 2 . 8 2 4 1 1 . 2 9 6j e N m N m 上述初选的步进电动机型号为 90表 4查得该型号电动机的最大静转矩m a x 6 m。显然 ，不满足要求。 （ 4）重选步进电动机 选步进电动机型号为 110两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为，从表 4查得该型号电动机转子的转动惯量 215mJ kg 。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： 2212 / 1 7 . 8e q m Z Z W J J J J i k g c m 快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： 4m a 7 . 8 1 2 5 0 1 0 1 0 . 8 36 0 0 . 4 0 . 7 m N m 折算到电动机转轴上的摩擦转矩仍为： 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 20 0 4 m 则快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： 1 m a x 0 . 8 3 4e q a T N m 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩仍为： 2 2 . 8 2 4 m得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： 2 2 . 8 2 4 m仍取安全系数 K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： m a x 4 4 2 . 8 2 4 1 1 . 2 9 6j e N m N m 上述选定的步进电动机型号为 110表 4查得该型号电动机的最大静转矩m a x 20 m。显然，满足要求。 （ 5）步进电动机的性能校核 1） 最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作 台 最 快 工 进 速 度m a x 4 0 0 / m i ， 脉 冲 当 量0 . 0 0 5 / 脉 冲，由式 m a xm a 3336 0 6 0 0 . 0 0 5 z H z ， 从110中可以查得，在此频率下，电动机的输出转矩m a x 15 m，大于最大工作负载转矩2 2 . 8 2 4 m，满足要求。 2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作 最 快 空 载 移 动 速 度m a x 3 0 0 0 / m i ， 由 式m a xm a x 3000 100006 0 6 0 0 . 0 0 5f H z H z ， 从表 4查得，在此频率下，电动 机的输出转矩m T N m，大于快速空载起动式的负购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 21 载转矩1 0 4 m，满足要求。 3） 最快空载移动时的电动机运行频率校核 与最快空载移 动 速 度m a x 3 0 0 0 / m i 对 应 的 电 动 机 运 行 频 率 为m a x 10000f H z，查表 4可知 110动机的空载运行频率可达 20000见满足要求。 4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量21 7 kg ，电动机 转子的转动惯量 215mJ kg ，电动机转轴不带负荷负载时的空载起动频率（查表 4），则由式1/可以求出步进克服惯性负载的起动频率： 12171/q 上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时侯的起动频率都必须小于 1217 综上所述，本设计工作台的 X 向进给步进电动机选用110 求。 四、 绘制进给传动机构的装配图 在完成滚珠丝杠螺母副，减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以绘制进给传动机构的转配图 了。在绘制装配图式，需要考虑以下问题： 定丝两端轴承的型号，轴承的结构，以及轴承的预紧和调试方式。 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 22 接和调整方法。 护、润滑以及安全机构等问题。 注意装配的工艺性、考虑装配的顺序，保证安装，调试和拆卸的方便。 进给传动机构的装配图，见附图 3。 五、 控制系统的设计 （ 1）控制系统的原理框图 用 8031 扩展了一片 片 2764 用作程序存储器，存放系统底层程序；扩展 了一片 片 6264 用作数据存储器，存放用户程序；键盘与 示采用 8155 来管理；输入输出接口的扩展选用了并行接口 8255 芯片。 （ 2）简介 1） 8031： 包含一个 8 位 128 字节的 个 16 位的定时器，四个 8 位并行口，一个全双功能串行口，可扩展的外部程序存储器和数据存储器的容量含 64K 字节，具有 5 个中断源并配有两个优先级，还有 21个特殊功能寄存器。他 是一个有 40根引脚的双列直插式器件。 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 23 控制系统原理框图 压为 +5V； 电平。 8 位双向 I/既是数据线，又是低 8 位地址线，分时使用。 ： 8 位双向 I/供用户使用的接口。 ： 8 位双向 I/系统外部存储器扩展时，作高 8位地址线使用，系统扩展时，也可供用户使用。 8 位双向 I/一个双功能口；第一个功能和 样可以作为通用 I/O 口，工作于第二功能时，各端口定义如下： 串行输入 ； 串行输出； 外部中断输入； 外部中断输入； 定时器 O 外输入端； 定时器 1 外输入端； 写信号； 读信号； 复位电路 芯片 2764 6264 键盘显示 8155 口芯片8255 限位开关 隔离放大 X 向步进电动机 操作面板开关 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 24 问外部存储器时，用于锁定地址低 8 位字节的地址锁存允许输出。 供一个定时信号，在与外部存储器存取数据时，把 程序存储器允许输出，是外部程序存储器的读选信号。 高电平时 ， 行程序内部程序存储器的指令。 低电平时 行外部程序存储器指令。使用 8031 单片机 须接地。 振荡器的反相放大器输入，使用外部时必须接地； 振荡器的反相放大器输出，使用外部振荡器时，接受外部震荡信号； 复位控制，在震荡运行时，使 脚至少保持 ；两个机器周期为高电平时，可实现复位操作。 脚是掉电电路输入口。 2） 2764：程序存储器 容量为 80 地址输入线，共 13根； 数据输出线，共 8 根； 片选线，低电平有效； 数据输出选通线，低电平有效； 编程脉冲输入线； 编程电源； 进行片内存储单元的选择，先把 位地址对应连接，剩下的高位地址 2 口的 样 2764芯片内存储单元的选择问题就解决了。 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 25 3） 6234：数据存储器，容量为 8K 字节 地址输入线，共 13根； 态双向数据线，共 8 根 ； 1 2片选信号端，选通时 1低电平， 2高电平； 选通信号输入线，低电平有效； 写选通信号输入线，低电平有效； +5V 电源； 地电平； 2 高电平有效，可用于掉电保护； 4） 74址锁存器单片机规定 位地址线。同时又要作为数据线，所以 位地址和数据通道。为了把地址信息分离出来保存，提供外接存储器的低 8 位地址信息， 片选端，选通端 G 与 8031 单片机的地址锁存信号 接， 当选通端 G=1 时， 74输出端与输入端相通，当 G 端从高电平返回低电平时，输入信息就被锁存入 5) 74码器即对三个输入信号进行译码，得到 8 个输出状态； G、 使能端或译码允许端，当 1 时， 0时，该译码器可以译码， 译码选择端，即译码信号输入。0电平有效。输入端占用 8031 单片机的 余 13 根地址线用作数据存储器的内地址线。 74子版图纸， Q 11970985 或 401339828 26 选控制，因此一个 74 8 根输出端可以连接 8 个 8K 字节地址空间。 6) 8255：是可编程通用并行接口芯片，具有 40个引脚，双列直插封装，由 +5个口线共 24 根，与外设相连，而 8 位的数据线 7与 双向三态，在内部经数据总线缓冲电路后和各组控制寄存器及个端口数据寄存器连接。 片选信号，由地址译码器产生，低电平有效。地址信号 255 内部译码生成四个口地址分别对应 A、 B、 C 三个独立的数据端口及一个公共控制端口。两个低电平有效的信号 定了 0时，由 入 电平有效。复位后，控制存储器的内容被撤除， A、 B、 C 三个端口全置成输入方式且锁存器也全清零。 方式选择开关通过接口芯片 8255 与 8031 单片机连接，选择开关动片接地，选择开关的固定片接到并行 设置成输入方式 个接口 经上拉电阻接 +5V，故为高电平。若某个接口被选中，则被选中的接口经动片接地变为低电平。 （ 3）应用 1) 方式选择开关 方式选择开关是一单刀 6 掷的波段开关，提供选择的方式有编辑、空运行、自动、手动、通信和单段，总共 6 种功能。 方式选择开关通过接口芯片 8255 与 8031 单片机连接，如图 3购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 27 所示 选择开关的动定片接到并行 ，将 6 个接口经上位电阻接 +5V，故为高电平。若控制面板方式选择开关控制电路 某 个接口被选中 ，则被选中 的接 口 经动片接地，变为低电平。 2） 键盘接口设计 键盘和显示器是数控系统经常用的人机对话的外围设备，键盘可以完成程序数据的输入，显示器显示计算机运行时的状态数据。 键盘和显示器