机电传动单向数控平台设计专业课程设计

目录1设计任务1.1设计任务介绍及意义1.2设计任务明细1.3设计的基本要求2总体方案设计2.1设计的基本依据2.2总体方案的确定3机械传动系统设计3.1机械传动装置的组成及原理3.2主要部件的结构设计计算4电气控制系统设计4.1控制系统的基本组成4.2电器元件的选型计算4.3电气控制电路的设计4.4控制程序的设计及说明5结束语6参考文献21.设计任务1.1设计任务介绍及意义课程设计题目机电传动单向数控平台设计主要设计内容(1)机械传动结构设计(2)电气控制系统课程设计意义：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。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。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。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：机电传动单向数控平台设计：1.21电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；1.22机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；1.23电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；1.24功能控制要求：速度控制、位置控制；1.25主要设计参数：单向工作行程1800、1500、1200mm；3移动负载质量100、50kg；负载移动阻力100、50N；移动速度控制3、6m/min；1.3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图一张）。（3）电气控制线路图：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）成果展示：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）绘图及说明书：用计算机绘图，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。2总体方案设计2.1设计基本依据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；44、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。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。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。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点：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、高精度的保证滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。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)。5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s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。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。此次我选用西门子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。2.2总体方案的确定参数初设如下：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70kg移动负载质量100kg；负载移动阻力100N；移动速度控制3/min选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数；0.15丝杠材料初选钢材为，其HRC为。丝杠两端为固定支42roCM586:6撑（F-F），每个支座安装两个的接触角推力球轴承，面对面安装，进25行预拉伸。3.机械传动系统设计及核算3.1滚珠丝杠副的选用及核算序号计算项目单位计算公式、参数选择说明结果1导轨摩擦力N12()0.5(170)9.8Fmg式中工作台重量移动负载质量2=0.152502轴向载荷和和maxXF等效轴向载荷mmax()XXZFKFGK=1.15负载移动阻力XmaxF3653计算动载荷aCm.FhHlanKC式中寿命系数h1/3()50L工作寿命h载荷系数FK动载荷硬度影响系数H短行程系数l转速系数nK1/3.()2838=15000hhL=1.2FK=1.0H=1.0l=3.11nK74初选滚珠丝杠根据动载荷查表15-26初选滚珠丝杠副型号规格为FFZD2505其基本参数为：螺纹公称直径0d25m导程hp钢球直径3.wD圈数列数1jk=1.82（单圆弧）0.52swrFFZD25050d25mhp3.wD1jk.82srm5螺旋的导程角。actndhop3.6486基本额定动载荷校核aCN0.72/31.8(cos)tanawCfjkmDm每圈中钢球的个数dcoswDj每列工作圈数j=1k每个螺母的循环列数钢球与滚道便面在接触点处的公法线与螺纹轴线的垂直线间的夹角，理想接触角为45钢球直径wD与滚珠丝杠副滚道的几何形状，cf制造精度和材料有关的系数查表15-26=11000NaCj=1k=3=45=3.5wDaC所以动载荷满足条件97静载荷校核N基本额定静载荷2oasincwCfjkmD系数：当，时，ocf450.sr=63.7；，=41.16ocf.swrDocfoa.FHCK静载荷硬度影响系数oaoa42970满足静载荷条件查表15-26=45200NoaC63.7ocf=429NoaC=1.0HKoa满足静载荷条件螺旋传动的转矩Nmmdtan()/2TTF滚珠丝杠副的当量摩擦系数：，当量摩擦角0.3.1Tf:4T=320Nmm2T当量应力Mp223()()d0.FT丝杠的螺纹底径2dsere滚道圆弧偏心距1.0521.462d0.05e10/2swerD10强度条件105:丝杠材料的许用应力（Mp10:5丝杠满足强度条件11轴向载荷F产生的轴向变形量Fmm丝杠采用两端固定的方式式中：()jjFLEA丝杠两支撑间的距离（mm）j丝杠的计算长度，指和作用处到LFT固定支承端的距离丝杠材料的弹性模量，钢材的E（Mp）52.071丝杠的计算截面面积A2(d)/4()wDm48.310F=1200mmjL=1600mm（52.071EMp）=363A2m12转矩T产生的轴向变形量Tmm2jhTpLGI丝杠的螺纹导程h丝杠计算截面的极惯性矩，pI4(d)/32wD丝杠材料的切变模量，钢材的G48.1041.70T=5hp42.10I48.3G1112轴向载荷F使钢球与螺旋滚道间产生的轴向变形量aMm因为，而且有预紧，所以0.52swrD式中31/3p.1()ZawKF钢球直径w工作螺母中的钢球总数Zmjkd/(cos)wD预紧力，一般取pFpmax/3F载荷分布不均匀系数，一般取ZK1.23:42.7310a=3.5wD=69Z=123pF=1.3ZK13轴向总变形量mmFTa31.28014丝杠的轴向刚度KN/mmK52.810K15刚度条件丝杠允许的轴向刚度(1820):4K满足刚度条件16临界转速r/min式中21/2160()iEnl密度，对于钢性丝杠Kg/67.8103m螺杆两支承之间的距离1600mml=5516n1217传动效率支承系数取4.73钢螺杆621.30d/nl1d(5)wD:0.8n由转动变为移动tan()T=24.31d60n.8横向震动满足条件912T3.2滚动轴承选用、校核初选轴承为的角接触球轴承，采用面对面安装，其轴向载荷分析如25下图：13序号计算名称单位计算公式、参数选择说明结果1径向外载荷rFN12()rmg16662轴向外载荷aaxXF3653轴承支反力12rR8334轴承派生轴向力查表10.7（机械设计），得120.7SR583.15轴承所受的轴向载荷因为，则2aFS21baA1948.1583.16计算轴承所受当量动载荷rP因为轴承工作时有中等冲击，查表载荷系数.4pf因为且12/07.68.ARe，所以1221()rpPfxRyA查表10.5得x=0.41，y=0.871632.927基本额定动载荷C,601hrtnLCf式中轴承预期计算寿命,h寿命指数温度系数tf13586.5=16000,hL31.0tf148选用轴承m根据基本额定动载荷，查机械C设计课程上机与设计书，表13-6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，26ad41aD1asr7204ACd=20D=47B=14a=14.99计算寿命hL60()thrfCLnp额定动载荷,hh14000NC轴承合格3.3步进电动机的选择与校核序号计算名称单位计算公式及参数说明结果1脉冲当量的确定/mp根据设计位置精度要求（），初取脉冲当量为10.0.12步距角b初选电动机型号时步距角与传动比bi应满足，取步距角为，036bLi1.5为了使结构简单，提高精度，这里取，1i.50.2pm满足153初选步进电机型号查机械设计手册，初选110BF003，步进电机轴的转动惯量，最大精度5246.01DJkgm:转矩。启动频率max78jMN1500HZ，运行频率7000HZ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20.18LJkgm:110BF003YL1式凸缘联轴器4矩频特性（1）加速力矩kaM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maxkqjM步进电机所需空载启动力矩0kqakf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kfM算到电机轴上的摩擦力矩；为由0于丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。2max106kanMJt式中；amx(/)3bpvnr为传动系统各部件惯量折算J到电机轴上总等效转动惯量35.1kaNcm:=600mxn16（2）空载摩擦力矩KfM2()kgcm:；sLgmJJ丝杠的转动惯量s4032sdJ式中01.(14)hLP:丝杠公称直径0d材料密度联轴器的转动惯量LJ工作台折算到丝杠上的转动g惯量2()hiPJm式中工作台总质量i电动机转子的转动惯量mJ电机最大加速度2(/)rads静止部件从启动到最快速度的t加速度时间（s）；（）02KfGLiNcm:式中G运动部件总重力（N）导轨摩擦系数f系统传动总效率0.727.95/Jkgcm24.1/s1390Lm28LJkgc:1.0/7imkg查表得24./mJc0.5t28.4KfMNcm:G=1666N0.15f70.L17（3）附加摩擦力矩0M空载启动力矩kqM名义启动转矩mq滚珠丝杠的基本导程0L齿轮传动降速比i（）2001YJFLiNcm:式中预紧力YJ3MYJF丝杠未预紧时的传动效率0（）0kqakfMNcm:maxqj2784Nc:=0.5maxkqjM1i02.38Ncm:17YJ0.965.9kqNcm:2ax3j合格5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，kqM找到对应的允许启动频率约150kjfH18最大频率：maxax106pvf为了使，所以启动矩频特性kjyjf满足要求，我们将分二个阶段启动，每个阶段的启动频率仅为最高启动频率的1/2,即1190Hzmax2380fHZ6运行矩频特性校核（1）快速进给运行矩频特性校核（2）工进运行矩频特性校核快进时的最高运行频率：maxax1023806pvfHZ快速进给时已经不存在加速力矩项，并且一般快速进给时处于空载kaM状态，快速进给时步进电机运行所需力矩：0KJkf其中：、分别与上面的、0Mkf0M相同。f查运行矩频特性曲线，得，kjyjfkJykj工进时，步进电机的运行频率：106GJPvf工进时步进电机运行所需力矩：0GJftM其中：、分别与上面的、0f0M相同。kf54.KJNcm:2380GJfHz95.GJNcm:41.5tc:1902ttFLMNcmi:查运行矩频特性曲线，得,运行矩频特性满足。故GJyJ选用110BF003满足要求。合格3.4联轴器的校核序号计算名称单位计算公式及说明结果1YL1联轴器初选用YL1式凸缘联轴器，其公称转矩T=10，由上面的计算易Nm:得出：，故联轴器满足设计GJMT要求。合格3.5键的选用与校核序号计算名称单位计算公式及说明结果1平键的选择平键在轴端选C型键2键的型号电机输出轴上的键，型号325丝杠输入端上的键，型号6C3256203键的校核4pTdhl式中GJM2blL满足条件p型号键上325C的4.pNm:型号键上652的1.p满足条件p合格3.6增量式旋转编码器的选用序号计算项目单位计算依据计算结果1ZLK-A-60-05VO-8-H型编码器编码器把角位移或直线位移转换成电信号。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，可知电机转动一1.5转时需要控制系统发出360/=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合格21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。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。其控制流程如下图所示：2241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。CH250是国产的三相反应式步进电机环形分配器的专用集成电路芯片，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式。CH250管脚图如下所示:CH250主要管脚的作用：J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r“1”，而J3L“0”，则电机正转；若J3r“0”，UDJ3LrCBAR12J6rLENLUSH25013467816410923J3L“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r“1”，J6L“0”，则电机正转；若J6r“0”，J6L“1”，电机反转。R2是双三拍的复位端，R1是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A0、B0、C0为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。CH250的三相双三拍接线原理图如下所示：4.2功率放大器单电压功率放大电路是步进电动机一相的驱动电路如下图所示，L是电动机绕组，晶体管VT可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组L的波形尽可能接近矩形波。但是由于电感线圈中的电流指数规律上升，其时问常数=L/r，须经过3rl的时间后才能达到稳态电流。由于步进电动机绕组本身的电阻很小，所以，时间常数很大，从而严重影响电动机的启动频率。为了减小时问常数，在励磁绕组中串以电阻R，这样时间常数就大大减小，缩短了绕组中电流上升的过渡过程，从而提高了工作速度。在电阻R两端并联电容c，是由于电容上的电压不能突变，在绕组由截止到导通的瞬间，电源电压全部降落在绕组上，使电流上升更快，所以，电容c又称为加速电容。24二极管V在晶体管VT截止时起续流和保护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管子击穿，串联电阻Ro使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。这种电路的缺点是R上有功率消耗。为了提高快速性，需加大R的阻值，随着阻值的加大，电源电压也势必提高，功率消耗也进一步加大。正因为这样，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。4.3PLC高速脉冲输出控制PLC接线图三电动机转动PLC控制I/O分配输入端：启动按钮SB1I0.0紧急停止按钮SB2I0.1正常停止按钮SB3I0.2初始位置行程开关S1I0.3终点位置行程开关S2I0.4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CLQ0.0电机转动方向输出控制Q0.1蜂鸣器、报警指示灯输出Q0.2PLC控制程序主程序Main:Network1/NetworkTitle/NetworkCommentLDSM0.1RQ0.0,2I0.43S217-CPULMQ.I56.7JGNDAB5V5VR425RS0.0,3Network2/当物体处在初始位置行程开关且启动按钮启动时，电动机正转LDI0.0AI0.3ANI0.1ANI0.2EUSS0.1,1Network3LSCRS0.1Network4LDSM0.1CALLSBR3Network5LDSM0.0=Q0.1/启动标志Network6LDSM0.1CALLSBR0/正向输出/正向标志/Q0.0脉冲输出Network7LDI0.4SCRTS0.2Network8SCRENetwork9LSCRS0.2Network10/延时100ms后，电动机反转LDSM0.0TONT37,+100Network11LDT37RQ0.1,1/启动标志Network12LDT37ASM0.126ANI0.3CALLSBR0/反向输出/反向标志/Q0.0脉冲输出Network13SCRENetwork14/电动机立即停止LDI0.1ANI0.2SM0.1,1CALLSBR1Network15/电动机正常停止LDI0.2ANI0.1RS0.0,3Network16LDSM0.1AM0.1MOVWSMW68,VW200/将此时的脉冲周期存入VW200RS0.0,3Network17/电动机调整零点LDI0.0ANI0.3ANI0.1ANI0.2ANQ0.1SS0.0,1Network18LSCRS0.0Network19LDSM0.1ANI0.3CALLSBR0Network20LDI0.327SS0.1,1/到零点后，正常行驶MOVD+0,SMD48Network21SCRENetwork22LDSM0.0TONT32,+100Network23LDT32CALLSBR2RT32,8子程序SBR_0；PLC发射高速脉冲Network1/NetworkTitle/NetworkCommentLDSM0.0MOVB16#E7,SMB67/PTO工作于多段工作模式MOVW100,SMW168MOVB3,VB100MOVW+667,VW101/第1段的初始周期，周期单位sMOVW-1,VW103/第1段的周期增量MOVD+524,VD105/第1段的脉冲个数MOVW+143,VW109/第2段的初始周期MOVW0,VW111/第2段的周期增量MOVD+28000,VD113/第2段的脉冲个数MOVW+667,VW117/第3段的初始周期MOVW+2,VW119/第3段的周期增量MOVD+262,VD121/第3段的脉冲个数PLS0Network2LDI0.3OI0.4SSM66.5,1子程序SBR_1；紧急停车时脉冲控制Network1/NetworkTitle/NetworkCommentLDSM0.0MOVW+50,VW202-IVW200,VW202MOVWVW202,VW2