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】 .doc

前 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。一 设计任务1.1 设计任务介绍及意义1.1.1课程设计题目：机电传动单向数据平台设计全套图纸，加1538937061.1.2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 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1.2.1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：（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 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。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，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 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初选对称形v形导轨采用夹角为900的v形导轨，由于负载的质量为100kg，即摩擦力为：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： 所以滚动螺旋副所受的轴向力为： 2 机械传动部件的计算与选型21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 预紧方式：双螺母垫片预紧 代号：d2.1.2初定丝杠导程 根据丝杠公称直径范围 取 2.1.3 计算当量动载荷式中：轴向平均载荷； 工作寿命（以r为单位），, 为平均转速，r/min； 使用寿命，h，一般机床可去=10000h，数控机床可取=15000h； 精度系数，1、2、3级丝杠=1,4、5、6 级丝杠=0.9； 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： 式中：移动负载重量，取100kg； 滚动直线导轨的静摩擦系数，取0.0030.004 负载移动阻力，取100n； 工作寿命为: 其中： 代入公式得： 综上可得：当量动载荷为： 2.1.4 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 公称直径 导 程 钢球直径 具体参数如下表： 2.1.5 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；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按下式计算: 式中：丝杠材料的弹性模量，=206gpa； 丝杠工作长度；0.8m； 丝杠危险截面的轴惯性矩，,=0.2m； 长度系数，取0.5；综上可得：104n2） 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，要求丝杠的最高转速。临界转速可按下式计算： 式中：临界转速系数，取4.730；丝杠内径，综上可得： 3） 工作稳定性验算 滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求，其中，为公称直径。 4）滚珠丝杠传动副的刚度与变形验算 如果定位滚珠丝杠，还需要计算丝杠副的刚度和变形量是否满足使用要求。 （1）丝杠的刚度 rc 由丝杠的拉压刚度rs、螺母支承刚度rn和螺纹滚道接触刚度r组成。其关系式如下： 1）丝杠的拉压刚度rs，当丝杠支承为两端固定时 式中：丝杠螺纹底径（mm），查表取14.5mm 2）螺母的支撑刚度rn为： 式中：a螺纹横截面，； 3）螺纹滚道接触刚度r，当预紧力时，接触刚度需作修正 综上可得： ( 2）滚珠丝杠副的变形量 5） 预紧转矩计算 预紧力一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一，其相应的预紧转矩可用下式求取： 式中：传动效率，4级及4级以上去0.9，以下去0.85。预紧转矩远小于额定转矩，验算合格。四 步进电机的选择验算 3.1 脉冲当量的选择 选择步进电动机时，要考虑是否有现成的与其配套的驱动器。目前我国市场上最为常用的步进电动机有反应式和混合式两种。在本设计中，初选三相步进电动机采用三相六拍运行方式，步距角,其每转脉冲数： 初选脉冲当量（每输入一个指令脉冲，步进电机驱动工作台的移动距离单位mm/p）,根据定位精度1mm，同时，为求结构简单，提高精度，传动比为1。3.2 等效负载转矩计算 工作时的负载转矩 3.3等效转动惯量 （1）滚珠丝杠的转动惯量 （2）工作台运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量jw 因此，换算到电动机轴上的总惯性负载为： 3.4 初选步进电动机型号 已知、，初选步进电动机型号为：110bf003，它的三条性能曲线如图，其最大静扭矩，转子惯量时，由此可得： 该型号电动机规定最小加、减速时间为1s，现试算之。在图中起动惯频特性曲线中，查不确定的、带惯性负载的最大自启动频率，可用以下公式计算： 式中：电动机本身的起动频率，hz。 空载时的起动时间，由下式计算： 查电动机的起动矩频特性曲线可知，当时，对应的转速为： 由此可得： 因此，该电动机在惯性负载时能够起动。 3.5 速度验算快进速度验算：从图运行频特性曲线表查得，当时，电动机转矩 ,故可按照此频率计算最大的快进速度v为： 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 联轴器、轴承相关参数选择及校核4.1 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）：； ；4.2 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： 4.2.2当量动载荷 式中： 径向载荷; 轴向载荷为： 查表得：x=0.27，y=2.39； 冲击载荷系数取1.2。载荷性质 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： 4.2.3 寿命计算计算滚动轴承基本额定寿命的公式是： 式中： 实际计算中，用小时表示寿命比较简单，则轴承寿命为： 轴承符合要求，选用7001c型号角接触球轴承。 六 电气控制系统设计 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，确保使用安全、可靠。5) 合理的选用电器元件。2、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plcplc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控制系统具体设计1、控制要求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；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：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pmm8713pmm8714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 ：3） 输出电流 ：源极或漏极输出电流最小为20ma4） 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）pmm8713的管脚功能如下：管脚编号符号 功能管脚编号符号功能1输入脉冲 up时钟9复位2输入脉冲 down 时钟103输入时钟114u/d方向切0-反转1-正转125励磁方式切换控制13614励磁监视73,4相选择15输入脉冲监视80v (地)16电源（+4-+18v）pmm8713的其他相关参数参见参考书及相关手册 4、控制电路设计机床电气控制系统的电路图如下：5、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：见下图第三节 plc程序：语句表和梯形图(1) 梯形图2）语句表 network1 ld io.o o m1.0 an i0.1 = 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，以满足工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求，通过plc 可实现对电机和其它设备的一体化控制，提高整体的自动化水平。=15000h=1=2fd2005-3验算合格110bf0037001cs7-224plc七