机械课程设计（论文）-机电传动单向数控平台的设计【全套图纸】 .pdf

1 前前 言言 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。 x-y 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、数控铣床和数控钻床的 x-y 工作台、激光加工 设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。 模块化的 x-y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚 珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行 元件用来驱动滚珠丝杠， 滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上 运动，完成工作台在 x、y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母 副和伺服电动机等均以标准化，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。 2 一一 设计任务设计任务 1.1 设计任务介绍及意义设计任务介绍及意义 1.1.1 课程设计题目：课程设计题目： 机电传动单向数据平台设计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 1.1.2 主要内容包括主要内容包括 1）机械传动结构设计 2）电气控制系统 1.1.3 意义意义 过课程设计培养学生综合运用所学知识和技能、 提高分析和解决实际问题能 力的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课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： 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 设计任务明细设计任务明细 3 1.2.1 课程设计的基本要求：课程设计的基本要求： 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 一张） 。 3）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（a3 图一张） 。 4） 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 5000 字以上，设计图纸不少 于两张。 5）用计算机绘图或手工绘图，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； 1.2.2 设计题目说明：设计题目说明： （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； （3）电气控制方式：单片微机控制、plc 控制； （4）功能控制要求：速度控制，位置控制； （5）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； 控制精度要求：速度/位置均为 1/1000 机械图包括：电机（减速器）-传动部件负载-（包括它们的安 装底座+联轴器+支承部件+导向装置） ； 包括以上部件的选型设计； 电气部件选型设计；流程图+程序。 二二 总体方案设计总体方案设计 本次设计所做的机电传动单向数控系统要求工作台沿单一坐标轴方向有精 确的运动，可以对其进行速度和位置的控制。我所设计的是用步进电机直接驱动 滚珠丝杠，通过丝杠将电机的转动转换成工作台的直线运动，达到数控平台的工 作要求。 4 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。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上 有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 优点：1.一般步进电机的精度为步进角的 3- 5%，且不累积步进电机外表允 许的最高温度。 2.步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至 于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一 般来讲， 磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上， 有的甚至高达摄氏 200 度以上， 所以步进电机外表温度在摄氏 80- 90 度完全正常。 3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 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。主要特点： 1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3； 2、高精度的保证； 3、微进给可能； 4、无侧隙、刚性高； 5、高速进给可能。 至于对速度和位置的控制，我选用的是 plc 控制，由于在学习 plc 课程时 学的是西门子的 plc，故在此选用西门子 s7200 系列的产品，通过具体的电路 设计和相关计算， 可得出 s7224 即可达到设计要求。 而且本系统选择 plc 来作控 制器，与其它工控产品相比，有以下优点： 1、plc 控制器适应恶劣环境，抗电磁干扰能力强，能够较好适应井下环境， 5 系统稳定。 2、编程简单、安装简便、调试方便，响应速度快结果简单、组态方便。 3、造价比较便宜，系统扩展方便。 4、维修工作量小、维护方便，且体积小、能耗低。 综上所述，即可得出系统的工作原理图为： 该图可直观的反映出此次设计平台的简单工作原理。 三三 机械传动系统设计机械传动系统设计 项目内容及计算 计算结果 1 滑动导轨的设计验算滑动导轨的设计验算 初选对称形初选对称形 v 形导轨形导轨 6 采用夹角为 900的 v 形导轨，由于负载的质量为 100kg，即 摩擦力为： 0 100 9.8 0.1 sin45138.59 sin 138.59 f f f fgn fn = = 其中：g 为负载所受到的重力； f 为有油条件下摩擦副间的摩擦系数（钢铸铁） ， 这里取 0.1；为 v 形导轨的半角。由于负载移动的阻力为 100n，再由上面算得的摩擦为，得负载所受的总阻力为： 100238.59 mf ffn=+= 所以滚动螺旋副所受的轴向力为： 238.59 mm ffn= 2 机械传动部件的计算与选型机械传动部件的计算与选型 21 滚珠丝杠的选取及核算滚珠丝杠的选取及核算 2.1.1 根据使用和结构要求 选择滚道截面形状， 滚珠螺母的循环方式和预紧方 式 循环方式：内循环浮动式 代号：f 138.59 f fn= 238.59 mm ffn= 5 h pmm= 7 预紧方式：双螺母垫片预紧 代号：d 2.1.2 初定丝杠导程初定丝杠导程 根据丝杠公称直径范围 取 5 h pmm= 2.1.3 计算当量动载荷计算当量动载荷 3 mw m a fl f c f = 式中： m f 轴向平均载荷； l工作寿命（以 6 10 r 为单位） ， 6 60 10 w t ln= , w n 为平均转速，r/min； t使用寿命，h，一般机床可去t=10000h， 数控机床可取t=15000h； a f 精度系数， 1、 2、 3 级丝杠 a f =1,4、 5、 6 级 丝杠 a f =0.9； w f 运动状态系数， 无冲击取 11.2； 一般情况 取1.21.5；有冲击振动取 1.52.5； 其中轴向平均载荷为： m 100238.59 f ffn=+= 式中：m移动负载重量，取 100kg； 滚 动 直 线 导 轨 的 静 摩 擦 系 数 ， 取 0.0030.004 t=15000h a f =1 w f =2 m 238.59fn= w n =600 /minr 2160lr= 8 f f 负载移动阻力，取 100n； 工作寿命为: 6 60 10 w t ln= 其中： 3/ min 600 / min 5 w p vm nr hmm = 代入公式得： 6 602160 10 w t lnr= 综上可得：当量动载荷为： 3 6168.32 mw m a fl f cn f = 2.1.4 初选滚珠丝杠副的型号和有关参数初选滚珠丝杠副的型号和有关参数 综合以上，初选型号为：fd2005- 3 有关参数为： 额定动载荷 9000 a cn= 公称直径 0 20dmm= 导 程 5 h pmm= 钢球直径 3.5 w dmm= 具体参数如下表： 6168.32 m cn= fd2005- 3 9000 a cn= 0 20dmm= 5 h pmm= 3.5 w dmm= 9 2.1.5 滚珠丝杠传动副的稳定性验算滚珠丝杠传动副的稳定性验算 1）失稳性验算 滚珠丝杠副丝杠安装方式 安装 方式 简图 特点 一端 固定 一端 自由 1. 丝杠的静态稳定性和动 态稳定性都很低； 2. 结构简单 3. 轴向刚度较小； 4. 适用于较短的滚珠丝杠 安装和垂直的滚珠丝杠 安装 两端 铰支 1. 结构简单； 2. 轴向刚度小； 3. 适用于对刚度和位移要 求不高的滚珠丝杠安装； 4. 对丝杠的热伸长较敏感； 5. 适用于中等回转速度； 一端 固定 一端 铰支 1. 适用于中等回转速度； 2. 结构稍复杂； 3. 轴向刚度大； 4. 适用于对刚度和位移精 度要求较高的滚珠丝杠 安装； 5. 推力球轴承应安置在离 热源（步进电机）较远的 一端； 10 两端 固定 1. 丝杠的静态稳定性和动 态稳定性最高。适用于高速 回转； 2. 结构复杂，两端轴承均调 整预紧，丝杠的温度变形可 转化为轴承的预紧力； 3. 轴向刚度最大； 4. 适用于对刚度和位移精 度要求高的滚珠丝杠安 装； 5. 适用于较长的丝杠安装。 在设计中，滚珠丝杠副丝杠安装方式按工作环境适应选 取两端固定的安装方式。 丝杠不发生失稳的最大临界载荷 cr f 按下式计算: 2 2 () a cr ei f l = 式中：e丝杠材料的弹性模量，e=206gpa； l丝杠工作长度；0.8m； a i 丝杠危险截面的轴惯性矩， 4 64 a d i = ,d=0.2m； 长度系数，取 0.5； 综上可得： 99649.7 cr fn= 104n 2）临界转速验算 高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不 会发生共振的最高转速临界转速 cr n ，要求丝杠的最高转 速 maxcr nn= ,故可按照此频 率计算最大的快进速度 v 为： max 11 3750/ min120002000/ min 66 h p vfmmmm i = 综上所述，可选该型号的步进电动机，且有一定的余量。 110bf003 为反应式三相六拍步进电动机，主要性能参数为： 步距角：0.75 度； 最大静转矩：80kg.cm； 最高空载启动频率：1500 步/秒； 运行频率：7000 步/秒； 电压：80v； 相电流：6a； 外径：110mm； 长度：160mm； 轴径：11mm； 重量：6kg。 五五 联轴器、轴承相联轴器、轴承相关参数选择及关参数选择及校校核核 15 4.1 联轴器的选用联轴器的选用 因为选用的步进电机的输出轴径为 11mm，初选 yl11 型凸缘刚 性联轴器，相关参数如下（gb584386） ： n 10n m=公称直径t ； 许用转速n = 13000r/m i n; 11;dmm=轴孔直径 1 71;53;dmm dmm= 3m6n =螺栓数量，直径； 0 yl54l=mm=型，轴孔长度25； 2 i=0.0018kg m转动惯量 ； 4.2 轴承的选用及校核轴承的选用及校核 4.2.1 因为滚珠丝杠的副的丝杠的安装时两端固定，两端固定配 置常选用深沟球轴承，有较大轴向载荷时，则选用一对对角接触球 轴承，采用面对面安装，装拆调整方便，初选角接触球轴承，型号 为 7001c。 7001c 的相关参数为： 10; 28; 8; 5.42; 2.65; r or dmm dmm bmm ckn ckn = = = = = 10; 28; 8; 5.42; 2.65; r or dmm dmm bmm ckn ckn = = = = = 100 r fn= a f238.59n= 16 4.2.2 当量动载荷 p=f ( ) dra xfyf+ 式中： a f x,y r d f f 径向载荷； 轴向载荷； 径向系数和轴向系数； 冲击载荷系数。 径向载荷 100 r fn= ; 轴向载荷为： a f238.59 m fn= 查表得：x=0.27，y=2.39； 冲击载荷系数取 1.2。 载荷性质 d f 无冲击或轻微冲击 1.01.2 中等冲击获中等惯性力 1.21.8 强大冲击 1.83.0 综上可得：当量静载荷为： p=0.72kn 6 10 l =836.03 10 r 5805.77 h lh= 7001c 17 p=0.72kn 4.2.3 寿命计算 计算滚动轴承基本额定寿命的公式是： 10 66 3 10 5.42 l =()()10836.03 10 0.72 c rr p = 式中： 10 l 失效率10% 的基本额定寿命； c p 基本额定动载荷； 当量动载荷； 寿命指数，对球轴承为3，滚子轴承为10/3。 实际计算中，用小时表示寿命比较简单，则轴承寿命为： 6 10 ()5805.774500 60 hh c lhlh n p = 轴承符合要求，选用 7001c 型号角接触球轴承。 六六 电电气控制气控制系统设计系统设计 电气控制方式plc 控制； 功能控制要求位置控制； 1、设计的基本设计的基本原则原则 在电气控制系统的设计过程中，应遵循以下几个原则： 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 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 18 安全、可靠。 5) 合理的选用电器元件。 2、设计步骤、设计步骤 1) 分析被控对象并提出控制要求 详细分析被控对象的工艺过程及工作特点， 了解被控对 象机、电、液之间的配合，提出被控对象对 plc 控制系统的 控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。 2) 确定输入/输出设备 根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备 （如：按钮、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出 设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等）， 从而确定与 plc 有关的输入/输出设备，以确定 plc 的 i/o 点数。 3）选择 plc plc 选择包括对 plc 的机型、容量、i/o 模块、电源等 的选择等等。 4）分配 i/o 点并设计 plc 外围硬件线路 分配 i/o 点 画出 plc 的 i/o 点与输入/输出设备的连接图或对应关 系表，该部分也可在第 2 步中进行。 设计 plc 外围硬件线路 画出系统其它部分的电气线路图， 包括主电路和未进入 plc 的控制电路等。由 plc 的 i/o 连接图和 plc 外围电气线 路图组成系统的电气原理图。 到此为止系统的硬件电气线路 已经确定。 5) 根据 plc 所要完成的任务及应具备的功能，进行 plc 程序设计，同时可进行控制台的设计等。 3 plc 控制控制系统系统具具体设计体设计 1、控制要求、控制要求 s7-224plc 19 在本设计中我要做的是数控机床工作台的位置控制， 由 于工作台的移动速度已给定， 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， 由可编程控制器通过 pto/pwm 控制， 输出脉冲和方向 控制信号， 控制三相步进电机的转速和转向， 进而控制工作 台的前进和后退， 达到对工作台位置的控制。 而且通过选择 合适的伺服驱动器和在可编程控制器中把高速计数指令和 pto/pwm 控制结合实用实现了开环控制。 2、plc 的选择的选择 plc=programmable logic controller，可编程逻 辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业 环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于 其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计 数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式 输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。现在 plc 种类很多，有西门子、三菱、松下等等，而且每种 plc 都有很多的系列，他们的功能各不相同，以满足不同用 户、不同环境的要求。由于我们在 plc 课程学习时学的 是西门子 s7200 系列的 plc，故我们对西门子 plc 的性 能、特点及使用等比较熟悉，所以我们从西门子 plc 着 手选起，最后确定选用 s7-224plc,通过分析，它可以达 到工作要求： 1) 功能强弱适当，因为系统对响应速度要求不高， s7-200 系列足以满足需要； 2) 结构合理，s7-224 具有模块化结构，通过相应 模块可以实现控制要求； 3) 可在线编程，其特点是主机和编程器各有一个 cpu，编程器的 cpu 可随时处理由键盘输入的各种编程 指令； 20 4) 由于工作环境并不恶劣，s7-224 已经可以很好的适 应环境了。 3 步进电机专用芯片的选择：步进电机专用芯片的选择： 在选择电机时， 因为考虑到伺服系统的关系， 使用与其 配套的 pmm8713。 pmm8713 是单片 cmos 芯片，用于控制三相和四相步进 电机 pmm8723 是表面安装器件， 用于控制二相步进电机， 是 pmm8713 的简化设计，价格低于 pmm8713 pmm8714 是单片 cmos 芯片，用于控制五相步进电机 对于 pmm8713，它的基本规格如下： 1）控制步进电机工作方式：4 相输出1 相励，2 相励 磁，1-2 相励磁。 3 相输出1 相励，2 相励 磁，1-2 相励磁 2）电源电压范围 ：418 dd vvv= +: 3）输出电流 ：源极或漏极输出电流最小为 20ma 4）抗干扰能力强 ：所有输入端内部都设置施密特 电路 5）两种类型脉冲输入方式 1） 2 输入端 （cw 和 ccw 输入 方式） 2）1 输入端一切换端（ck 和 u/d 输入方式） 21 pmm8713 的管脚功能如下： 管脚编号 符号 功能 管脚编号 符号 1 u c 输入脉冲 up 时钟 9 r 2 d c 输入脉冲 down 时钟 10 4 3 k c 输入时钟 11 3 4 u/d 方向切 0-反转 1-正转 12 2 5 a e 励磁方式切换控 制 13 1 6 b e 14 m e 7 c 3,4 相选择 15 o c 8 ss v 0v (地) 16 dd v pmm8713 的其他相关参数参见参考书及相关手册 4、控制电路设计、控制电路设计 22 机 床 电 气 控 制 系 统 的 电 路 图 如 下 ： 5、程序设计、程序设计 (1) 输入/输出地址分配 根据控制电路，可得出s7-224在系统中所应用的输入和 输出分别为： 输 入 i0.0 步进电机启动按钮 i0.1 步进电机停止按钮 输 出 q0.0 步进电机驱动器脉冲输入端 q0.1 步进电机驱动器方向输入端 (2) 程序框图 程序框图：见下图 23 第三节第三节 plc 程序：语句表和梯形图程序：语句表和梯形图 (1) 梯形图 24 2）语句表 network1 ld io.o o m1.0 an i0.1 25 = q0.0 = m1.0 network2 ld m1.0 an q0.1 o i0.2 r q0.1 network3 ld m1.0 an q0.1 o i0.3 = q0.1 程序分析： 利用s7-224 为控制器，利用时钟和计数器功能实现对步进 电机的半闭环控制，功能实现简单，控制精度一般，这种方 式适用于一般精度数控机床。 对其它电机的控制方法也基本 相同， 通过适当的信号匹配可控制大功率的步进电机。 目前， 随着电机技术的进步，机床、印刷设备、包装设备、纺织设 备、 机器人、 自动化生产线等行业逐步采用伺服电机取代传 统使用的步进电机等驱动设备