数控平台课程设计机电传动单向数据平台设计.doc

机械电子课程设计目录一设计任务21.1设计任务介绍及意义21.2设计题目说明21.3设计的基本要求31.4课程设计时间安排及设计过程的相关环节3二总体方案设计42.1设计基本依据42.2总体方案确定7三机械传动系统设计及核算83.1 滚珠丝杠、轴承的选用及核算83.2步进电机选用及核算143.3 联轴器校核163.4 增量式旋转编码器的选用16四电气控制系统设计184.1环形脉冲分配器CH250184.2 功率放大器204.3 PLC高速脉冲输出控制21五结束语30六参考文献30一设计任务1.1设计任务介绍及意义1.1.1课程设计题目机电传动单向数据平台设计1.1.2主要内容包括(1)机械传动结构设计(2)电气测控系统1.1.3课程设计意义：课程设计是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，是根据所学课程进行的工程基本训练，通过课程设计可以达到以下目标：(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设计题目说明： 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；移动速度控制0-3、0-6 m/min；负载移动阻力50、100 N；1.3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；1.4课程设计时间安排及设计过程的相关环节课程设计共3周，各阶段的任务和时间安排建议如下：1查阅资料及系统方案选择设计(5天)根据课程设计任务的要求在搜集、归纳、分析资料的基础上，将设计要求具体实施，确定系统设计方案，并完成初步计算，具体步骤如下：1)根据设计要求，尽可能的多构想一些原理方案，并通过技术、性能与经济合理型比较，寻求可行的设计方案；2)对可行的设计方案进行分析计算或实验验证，考查所提原理方案能否满足设计要求，并确定最终设计方案；2机械系统图和电气控制原理的设计阶段（5天）1）根据所选设计方案，通过较详细的分析计算，完成机械传动系统及主要部件的结构设计画出的图纸；2）根据系统检测控制要求，完成电气控制部件的选型与控制电路图的设计；3课程设计说明书的编写（3天）根据系统方案设计的分析、计算内容，写出设计说明，要求其内容密切结合设计课题，重点突出，用自己的语言认真书写，文字通顺流畅，要防止不加分析地长篇引用教科书，抄袭其它著作中的阐述。2总体方案设计2.1设计基本依据2.1.1电机驱动方式的选择步进电机又称脉冲电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。每当输入一个电脉冲时，转自就转过一个相应的步距角，转角的大小及转子的速度分别与输入的电脉冲数及频率成正比，而不受负载变化的影响。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电动机的特点：1. 工作状态不易受各种干扰因素的影响;2. 步进电动机的步距角有误差，转自转过一定步数后也会出现累计误差，但转子转过一转后，其累计误差变为零。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. 不需进行传感器进行反馈， 可以进行控制；6. 缺点是能量效率较低。2.1.2机械传动方式的选择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。由螺杆、螺母和滚珠组成。它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能，是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，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。兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 滚珠丝杠的主要特点如下： (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。螺母和螺杆经调整预紧，可以得到很高的定位精度（）重复定位精度（）并可以提高轴向刚度(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)。(6) 工作寿命长，不易发生故障。适用于金属切削机床、测试机械、仪器的传动螺旋和调整螺旋等。2.1.3电气控制方式选择现代控制系统中， PLC作为广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。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。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行直接控制。这种控制方式的优点是：大大减少了系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。整个控制系统由PLC和步进电机组成。PLC具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。并且， PLC有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的驱动要求。图2.1步进电机控制原理简图PLC直接控制步进电机系统设计时，在PLC和步进电机选型前，必须计算出脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量3个参数：脉冲当量=步进电机步距角螺距/(360传动速比)脉冲频率上限=移动速度步进电机细分数/脉冲当量最大脉冲数量=移动距离步进电机细分数/脉冲当量根据脉冲频率确定PLC高速脉冲输出频率，根据脉冲数量确定PLC的位宽。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。图2.2通过PLC频率调节步进电机转速2.2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：滚珠丝杠电气控制方式：PLC控制功能控制要求：速度控制主要设计参数：单向最大工作行程1200mm； 工作台重量100kg； 移动负载质量50kg； 移动速度控制0-3；负载移动阻力100N 选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数； 丝杠材料初选钢材 42CrMo 其HRC为58，丝杠两端为固定支撑（F-F），每个支座安装两个25度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、轴承的选用及核算3.1.1 螺旋类型及种类螺旋传动类型：滚动螺旋传动滚动螺旋副接触形式：内循环3.1.2. 初始条件精密螺杆，材料42CrMo 热处理：高、中频加热,表面淬火螺母材料：ZCuSn10Zn2热处理：渗氮、淬火返向器材料：60Mn 热处理：高、中频加热,表面淬火螺纹滚道法向截面形状：矩形轴向载荷与运动方向反向3.1.3.滚珠丝杠副的组成及主要尺寸：图5.1滚珠丝杠的组成和主要尺寸 3.1.4计算过程序号计算项目单位计算依据计算结果1丝杠载荷：导轨摩擦力切削时载荷NN=0.15*（100+50）*9.8=220.5=1.15*100+0.15*（100+100）*9.8=409220.54092电机转速丝杠最大转速r/minr/min初步选择电机转速为500r/min初步设电机与丝杠之间没有减速器，转速不变5005003丝杠导程mm工作台最大速度：64当量转速当量负荷r/minr/min不考虑强力切削、精铣、一般铣等情况下转速的区别5004095初选滚珠丝杠(1)计算动负荷(2)要求寿命(3)综合系数Nh按照机电一体化设计手册2.8-13求得滚珠丝杠动负荷=(3.107*409) / (0.405*0.477)=6578查表2.8-65，得用于数控机床、精密机床的滚珠丝杠的推荐寿命为15000h由表2.8-63查得由表2.8-63查得由表2.8-25表2.8-62查的6578150003.1070.4050.477(4)滚珠丝杠副型号滚珠丝杠副的主要尺寸螺母安装连接尺寸mm（丝杠精度为13级），（可靠性为95%），由表2.8-25选用FFZD3206，额定动载荷为 预紧力： =(1/3)*409=136采用FFZD型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副。公称直径基本导程钢球直径丝杠大径 =30.9丝杠小径 =0.52其中，算得，螺母小径D=32.5 ,大径D1=36, L1=99，L2=10，D4=67FFZD3206符合要求2.082.080.05D=32.5D1=366丝杠螺纹部分长度mm=工作台最大行程（1200mm）+螺母长度（99mm）+两端余程（40mm） =1200+99+240=1379mm13797支撑距离mm支撑跨距应大于16008临界转速校核支撑方式系数 临界转速计算长度r/minm按照（2.8-18）由查表2.8-66查得支撑方式系数（两端固定）=100/2+1200+40+(1600-1379)/2=3073.84.731.4005符合要求9压杆稳定校核两端固定支撑，丝杠不受压缩，不必校核稳定性10预拉伸计算温升引起的伸长量丝杠全长伸长量预拉力N设温升为3.5，按照（2.8-30）1.379=53.207按拉伸公式1.37953.20761.65436.2511效率验算 导程角为：要求在90%-95%之间，故丝杠合格效率为95.9%合格计算名称径向外载荷轴向外载荷轴承支反力轴承派生轴向力轴承所受轴向载荷计算轴承所受当量动载荷基本额定动载荷c选用轴承计算寿命单位Nmm计算公式 参数选择说明=（m1+m2)g=R1=R2=R=查表10.7得S1=S2=S=0.7RA2=S2+=S1+A1=S1因为工作时有中等冲击查表得=1.4因为A1/R1=0.7e=0.68A2/R2=1.14e=0.68且A2A1，所以=（xR2 + yA1)查表得x=0.41，y=0.87C=式中轴承预期计算寿命寿命指数温度系数根据基本额定动载荷c，查表初步选用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=26，=41，=1=C额定动载荷=17506=1600 结果1470409735514.5923.5514.51048.58209.47204ACd=20D=47B=14a=14.9 3.2步进电机选用及核算序号计算项目单位计算依据计算单位1脉冲当量的选用步距角矩频特性加速度力矩空载摩擦力矩附加摩擦力矩空载启动力矩名义启动转矩根据设计位置精度要求（），初取脉冲当量为初步选择步进电机型号为110BF003,步距角和传动比应满足，取步距角为，为了使结构简单，提高精度，这里取，则。110BF003步进电机轴的转动惯量，最大精度转矩。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。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。 =26.33=35.57+26.33+1.02=62.93Ncm=629.3=3920Nmm由于此处为三相双三拍，故满足=YL1式凸缘联轴器35.5726.331.02629.3合格2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要除以2。10003运行矩频特性校核工进时，步进电机的运行频率：工进时步进电机运行所需力矩：=1.02+52.67+11.94其中：、分别与上面的、相同。查手册上图2-22，显有,运行矩频特性满足。故选用110BF003满足要求。65.63合格3.3 联轴器校核3.3 联轴器校核符号计算项目单位计算依据计算结果1YL1式凸缘联轴器初选用，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3.4 增量式旋转编码器的选用编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。符号计算项目单位计算依据计算结果1ZLK-A-60-05VO-8-H型编码器本设计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。步进电机的驱动框图如下：图4.1步进电机的驱动框图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。集成电路CH250是一种专为三相步进电机设计的环形分配器，其采用CMOS工艺，集成性高，可靠性好。CH250管脚图如下所示:图4.2CH250管脚图CH250主要管脚的作用：A、B、C环形分配器三个输出端，经功率放大后接到电机的三相绕组上。R1、R2复位端，R2为三相双三拍复位端，R1为三相六拍复位端，先将对应的复位端接入高电平，使其进入工作状态，若为“10”，则为三相双三拍工作方式；若为“01”，则为三相六拍工作方式。CL、EN进给脉冲输入端和允许端；进给脉冲由CL输入，只有EN1，脉冲上升沿使环形分配器工作；CH250也允许以EN端作脉冲输入端，此时，只有CL0，脉冲下降沿使环形分配器工作。不符合上述规定则为环形分配器状态锁定（保持）。J3r、J3L、 J6r、J6L分别为三相双三拍、三相六拍工作方式时步进电机正、反转的控制端。UD、US电源端。CH250的三相双三拍接线原理图如下所示：图4.3CH250的三相双三拍接线原理图4.2 功率放大器利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。 图下所示是一种典型的功放电路，步进电动机的每一相绕组都有一套这样的电路。图中L为步进电动机励磁绕组的电感、Ra为绕组的电阻，Rc是限流电阻，为了减少回路的时间常数L/（Ra+Rc），电阻Rc并联一电容C，使回路电流上升沿变陡，提高了步进电动机的高频性能和启动性能。续流二极管VD和阻容吸收RC回路，是功率管VT的保护电路，在VT由导通到截止瞬间释放电动机电感产生的高的反电势。此电路的优点是电路结构简单，不足之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后沿不够陡，在改善了高频性能后，低频工作时会使振荡有所增加，使低频特性变坏。图4.4功率放大电路4.3 PLC高速脉冲输出控制PLC(Programmable Logic Controller)是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，它的特点是可靠性高、编程方式简单直观、功能越来越完善，使其在工业控制领域得到广泛的应用。用PLC控制步进电机实现定位控制，硬件电路设计简单、方便、快捷，编程语言形象直观，容易掌握。步进电机又称为脉冲电机，是控制系统中的一种执行元件。其作用是将脉冲信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。步进电机的角位移量与脉冲个数严格成正比，转速与脉冲频率成正比，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向，实现精确定位。三相步进电机的转速控制：步进电机的转速受脉冲频率的控制。当改变输入脉冲的周期时，ABC三相绕组高低电平的宽度将发生变化。这就导致通电和断电变化的速率发生变化，使电机转速发生变化。所以调节输入脉冲的周期就可以控制步进电机的转速n，如式(1)所示：n=60f/zk (1)其中：f为电动机通电的脉冲频率； z为步进电机的齿数； k为步进电机的工作拍数。三相步进电机的步数控制：步进电机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比。4.3.1PLC接线图图4.5PLC接线图4.3.2三电动机转动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蜂鸣器报警输出Q0.24.3.3数控平台数控程序流程图图4.6数控平台数控程序流程图4.3.4PLC控制程序主程序Main:Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.1R Q0.0, 2R S0.0, 3Network 2 / 当物体压在初始位置行程开关且启动按钮启动时，电动机正转LD I0.0A I0.3AN I0.1AN I0.2EUS S0.1, 1Network 3 LSCR S0.1Network 4 LD SM0.1CALL SBR3Network 5 LD SM0.0= Q0.1 /启动标志Network 6 LD SM0.1CALL SBR0 /正向输出 /正向标志 /Q0.0脉冲输出Network 7 LD I0.4SCRT S0.2Network 8 SCRENetwork 9 LSCR S0.2Network 10 / 延时100ms后，电动机反转LD SM0.0TON T37, +100Network 11 LD T37R Q0.1, 1 /启动标志Network 12 LD T37A SM0.1AN I0.3CALL SBR0 /反向输出 /反向标志 /Q0.0脉冲输出Network 13 SCRENetwork 14 / 电动机立即停止LD I0.1AN I0.2S M0.1, 1CALL SBR1Network 15 / 电动机正常停止 LD I0.2AN I0.1R S0.0, 3Network 16 LD SM0.1A M0.1MOVW SMW68, VW200 /将此时的脉冲周期存入VW200R S0.0, 3Network 17 / 电动机调整零点LD I0.0AN I0.3AN I0.1AN I0.2AN Q0.1S S0.0, 1Network 18 LSCR S0.0Network 19 LD SM0.1AN I0.3CALL SBR0Network 20 LD I0.3S S0.1, 1 /到零点后，正常行驶MOVD +0, SMD48Network 21 SCRENetwork 22 LD SM0.0TON T32, +100Network 23 LD T32CALL SBR2R T32, 8子程序SBR_0 ；PLC发射高速脉冲Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.0MOVB 16#E7, SMB67 /PTO工作于多段工作模式MOVW 600, SMW168MOVB 3, VB600MOVW +1000, VW601 /第1段的初始周期MOVW -1, VW603 /第1段的周期增量MOVD 500, VD605 /第1段的脉冲个数MOVW +500, VW609 /第2段的初始周期MOVW 0, VW611 /第2段的周期增量MOVD +15800, VD613 /第2段的脉冲个数MOVW +500, VW617 /第3段的初始周期MOVW +1, VW619 /第3段的周期增量MOVD +500, VD621