机电传动单向数控平台_矿大_机械电子_有图.docx

机械工程及自动化专业机械电子方向专业课程设计说明书设计题目：机电传动单项数控平台设计设 计 者： 班 级： 学 号： 指导教师： 中国矿业大学机电工程学院2014年12月目录一.设计任务1.1设计任务介绍及意义21.2设计任务21.3设计参数明细21.4课程设计基本要求3 二总体方案设计2.1电动机的选择32.2传动方式的选择42.3电气控制的选择52.4总体方案确定，参数初设5三机械传动系统设计3.0机械传动装置的组成及原理63.1导轨的选择63.2步进电机的选型83.3同步皮带的选择及校核93.4联轴器的选用113.5键的校核123.6滚动轴承的选用与校核133.7润滑与密封装置15四电器控制系统设计4.1设计的基本原则164.2 PLC控制系统的具体设计174.3 PLC高速脉冲输出控制24五.结束语30六.参考文献30一 设计任务1.1设计任务介绍及意义通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1、设计内容为机电控制系统（典型机电产品）设计，其主要内容包括：1）机械传动结构设计；2）电气测控系统；设计内容必须包括一个模拟量控制。1.3设计参数明细课程设计题目：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；1.4 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（A2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3000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；二 总体方案设计2.1电机的选择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。2.2传动方式的选择同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。 传输用同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达1:10。允许线速度可达50m/s，传递功率从几瓦到百千瓦。传动效率高，一般可达98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。 传输产品广泛用于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、汽车等各行业各种类型的机械传动中。同步带具有以下特点（1）传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比；（2）传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低；（3）传动效率高，可达0.98，节能效果明显；（4）维护保养方便，不需润滑，维护费用低；（5）速比范围大，一般可达10，线速度可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦；（6）可用于长距离传动，中心距可达10m以上。（7）相对于V型带传送，预紧力较小，轴和轴承上所受载荷小。2.3电气控制的选择可编程序控制器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、1s脉冲的干扰，能在高温、高湿以及空气中存有各种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可以实现对直流伺服电动机的控制，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。本次设计设计了启动、停止、设置行程等按钮。还采用了直流伺服电动机的专门控制芯片PMM8713，利用单片机定时中断的方法输出脉冲给PMM8713芯片，通过PMM8713芯片和功率放大器把脉冲分配给直流伺服电动机，驱动电动机的运行。再通过带动滚珠丝杠带动滑动平台做直线运动，对于位置控制，在平台始末两端安装2个行程开关，当到达始末2端时使步进电动机自动的方向旋转，使平台方向运行。同时还增加了平台行程的设置功能，当需要改变平台的行程，通过扩展的键盘就可以实现。本次设计的总体工作原理如下图所示：指令脉冲发生器脉冲分配器脉冲放大器直流伺服电机工作机构2.4总体方案确定，参数初设如下：电机驱动方式：步进电机机械传动方式：同步皮带电气控制方式：PLC控制功能控制要求：位置控制主要设计参数：单向最大工作行程1800mm； 移动负载质量m1100kg；工作台重量m250kg； 负载移动阻力100N；移动速度控制6选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数；三机械传动系统设计3.0机械传动装置的组成及原理本机电传动单向数控平台，由导轨座、移动滑块、工作台、同步皮带传动装置以及直流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同步皮带，同步皮带带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X方向的直线移动。导轨副、同步皮带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。姓名设计计算依据和过程结果3.1导轨的选择1.已知条件本设计选择同步带单向工作行程ls=1800mm移动速度v=6m/min 负载质量m1=100kg采用2根导轨、4个滑块，工作平台和滑块的质量m2假设为50kg.寿命要求：每天开机8h，一年按300个工作日，寿命8年以上初选矩形滑动导轨2动载荷的计算作用在滑块上的力F=m1+m2g=1470N则单个滑座受力F=F4=14704=367.5N导轨寿命Th=83008=19200h行程长度寿命：Ts=2Thlsn103其中n为每分钟运行的次数n=v2ls=621.5=2Ts=2192001.56021000=6912m设计平台上共有滑块4个，每根导轨2个滑块。有Ts=kfHfTfcfwCaF3查机电一体化技术手册1有：k寿命系数取k=50fH硬度系数取fH=1.00fT温度系数取fT=1.00fc接触系数取fc=0.81fw负荷系数取fw=1.5则动载荷有：Ca=F3Ts/kfwfHfTfc=367.536912/501.5110.81=3518.91N已知动载荷Ca=3518.91N查机电一体化设计手册导轨选择型号：HSR 15TA滑动导轨基本额定载荷为7600N每个滑块的质量为0.2kg3.2步进电机的选型工作台重量，工作台与导轨间摩擦系数，定位精度0.1mm。1)脉冲当量的选择 选择步进电机时，考虑是否有现成的与其配套的驱动器。该设计选用反应式三相六拍步进电机。初选电动机型号时步距角与传动比应满足，取步距角为0.75，为了结构简单，提高精度，取。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（输入一个指令脉冲工作台移动0.1mm）2)等效负载转矩的计算 空载时的摩擦转矩：稳定运行时的转矩： 加速运行时转矩： 带轮折算到电机轴上的转动惯量，取带轮质量为 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50kg 同步带折算到电机轴上的转动惯量 折算到电机轴上的总转矩为3）初选步进电动机型号根据稳定运行时转距和电动机总转动惯量,初步选定电动型号为110BC380B步进电动机。该电动机的最大静扭距，转子转动惯量 。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：TmaxM=207.57=2.62JlJm=5.66.5=0.864 空载时起动时间计算（ta）110BC380B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fl=fm1+JlJm=15001+0.86=1099.85Hz fm电动机空载起动频率带惯性负载的最大转速nm=fl60360=0.751099.8560360=137转/分 M1=7.57Nm负载时起动时间tata=0.1047(Jl+Jm)nmTm-TLF=0.1047(56+65)10-51377.57-1.51=2.7810-3s该电机带惯性负载时能够起动以上计算，选该型号步进电动机，能满足设计要求。3.3同步皮带的选择及校核取传动比i=1，n1=nN=2000r/min1）设计功率Pd 由手册查得Pd=K0(1+K1)(1+K2)=1.71.110.01KW=0.0187KW 其中：K0为工况系数，取1.7； K1为张紧轮影响系数，取0.1； K2为增速传动系数，取0； 2）选定带型和节距根据Pd=0.187KW和n1=2000r/min查手册确定为H型，节距pb=12.70mm 3）小带轮齿数z1根据带型H和小带轮转速n1由手册查得小带轮的最小齿数z1min=20此处取z1=30 4）小带轮节圆直径d1d1=z1pb=3012.7mm=121.28mm5）大带轮齿数z2 z2=iz1=130=30，按手册取z2=306）大带轮节圆直径d2d2=z2pb=3012.7mm=121.28mm7）带速vv=d1n1601000=121.282000601000=12.7msvmax 8）初定轴间距a00.7d1+d2=0.7181.91+181.91=254.67mm2d1+d2=2181.91+181.91=727.64mm由于0.7d1+d2a0ls+2d1+d2=1931mm 故取a0=1950mm9）带长及其齿数L0=2a0+2d1+d2+d2-d124a0=21950+2121.28+121.28+121.28-121.2824500mm=4281.01mm查表得应选用带长代号为1700的H型同步带，其节线长Lp=4318.0mm,节线长上的齿数zb=340。10）实际轴间距a此结构的轴间距可调整aa0+Lp-L02=1950+4318-42812=1968.49mm11）小带轮啮合齿数zmzm=z121-pbz2-z12a=6021-9.52560-603.142514=30 12）基本额定功率P0P0=Ta-mv2v1000Ta宽度为bs0的带的许用工作拉力（N） m宽度为bs0的带单位长度的质量（kg/m）由手册查得bs0=76.2mm，Ta=2100N，m=0.448kg/mP0=2100-0.44812.7212.71000kW=25.75kW13）所需带宽bsbs=bs01.14PdKzP0按zm=30查得Kz=1bs=76.21.140.01879125.75=0.13mm由手册查得，应选带宽代号为075的H型带，其bs=76.2mm14)作用在轴上的力Fr Fr=Pdv1000=0.018712.71000=1.47N 3.4 联轴器的选用110BC380B电动机输出轴的直径为d=14mm，根据手册选用HL1型弹性柱销联轴器。其许用转矩Tn=160Nm许用转速np=7100r/min轴孔直径d=14mm轴孔长度L=32mm转动惯量J=0.0064kgm23.5键的校核1）连接伺服电机与联轴器上键的校核选A型普通平键，d=14mm查手册，选键：b=5mm，h=5mm，L=30mm平键的主要失效形式是工作面的过度磨损，应进行强度校核，验算其挤压强度，对于钢轴，承受轻微冲击，查表得其许用压应力p=120MPa强度条件为：p=2T103kldp键的工作长度l=L-b=30-5=25mm，T=FTd12=325121.2810-32=19.71Nm，k=0.5h=2.5mm，则p=219.7110002.52514=45.05MPapp，符合要求2）连接联