步进驱动系统与数控圆弧插补三菱PLC程序的设计课程设计

1、JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY课程设计与综合训练说明书课程设计题目：步进驱动系统与数控顺圆弧插补程序设计综合训练题目：连接电路和机床进给电机驱动器实现第三象限顺圆弧插补加工课程设计与综合训练任务书合训练题目 课程设计 -亲 一设计题目：步进驱动系统与数控圆弧插补二菱 PLC程序设计训练题目：连接电路和机床进给电机驱动器实现第三象限顺圆弧插补加工主 要 要计 求计数及主要设计参数：走刀长度(mm) : 50X丝杠导程(mm) : 4Z丝 杠导程(mm):6脉冲当量 Sp (um) : 20步距角 a( o) : 0.9 最大进给速度 Vmax(r/min) :

2、30等效惯量(Jm+Je)(N/m 2): 900 x 10 -4空启动时间 At (ms) : 70主切削力Fz(N) :1300吃刀抗力Fy(N):设 计 内 容 及 工 作 量课00程设计内容及工作量(一周)：(1 )根据给定任务参数选择传动比、步进电机型号，设 计并绘制伺服传动系统AutoCAD 传动图一张；(2 )使用PROTEL 绘图工具绘制微控制器接线图一张；(3 )编制插补程序。综合训练内容及工作量(两周)：(1 )利用设备及元气件制作微控制器及其接口控制电路；(2 )调试所编制插补程序；(3 )课程设计综合训练说明书1份：60008000 字。主 文要 献参考1 . PLC编

3、程控制方面的参考书；2 .步进电机驱动方面的参考书；3 . Solidworks 绘图方面的参考书。课程设计题目 : 步进驱动系统与数控圆弧插补程序设计综合训练题目 :连接电路和机床进给电机驱动器实现第三象限顺圆弧插补加工摘要： 通过对微控制器 -PLC 的学习进行了为期三周的课程设计，本次课程设 计是以第三象限顺圆弧插补为例。 PLC 在工业控制应用非常广泛，主要是因为 其稳定可靠。本设计即根据自制的车数控平台（双轴平台） ，通过插补运算， 利 用 FX3uPLC 发出脉冲，从而控制步进电机的运行，按照插补程序画出轨迹。 从而初步掌握步进电机控制系统的设计方法， 仿真数控车加工平台加工零件的

4、加 工轨迹。关键词： FX3U-64M ; 步进电机 ; SR3 插补 ;目录第一章 概 述 51.1 本次课程设计综合训练对象及内容 51.2 课程设计综合训练任务书及要求 5第二章 机电伺服传动系统设计及图形绘制 72.1 步进电机的选择和齿轮传动比的计算 72.1.1 系统方案设计 72.1.2 传动比计算和步进电机的选择 92.2 圆柱齿轮减速器的设计计算 152.2.1 X 向齿轮减速器的设计计算 152.2.2 Z 向齿轮减速器的设计计算 172.2.3 丝杠的选择 192.3 联轴器选择 242.4 轴承选择 242.5 键 252.6 齿轮结构设计的选择 25252.7 传动系

5、统结构设计和图形绘制 第三章 机电伺服系统微控制器电器线路及程序设计 273.1 开环控制系统 273.2 三菱 PLC 驱动电路设计 283.3 PLC 插 补 程 序 设 计 概述.303.4程序设计调试 35参考文献 43第一章 概 述机 械 电 子 工 程 专 业 的 课 程 设 计 ，是 对 前 阶 段 机 电 课 程 教 学 的 一 次 设 计 性 的 训 练 过 程 ，其 后 二 周 的 综 合 训 练 则 是 将 课 程 设 计 的 设 计 成 果 进 行 物 化 的 过 程 。整 个 过 程 应 该 能 实 现 对 理 论 教 学 内 容 的 综 合 应用目的。所以，本次课程

6、设计涉及了单片机原理及接口技术、机 电 一 体 化 系 统 设 计 、电 气 控 制 与 PLC 、数 控 机 床 与 编 程 技 术 、机 械 工 程 测 试 技 术 基 础 等 多 门 机 电 课 程 知 识 ，从 机 电 系 统 及 其 电 气 原 理 图 的 设 计 与 绘 制 ，到 动 手 制 作 控 制 电路 及 调 试 ，对 这 些 课 程 的 诸 多 知识点在机电系统中的综合应用进行了简单的阐述。1.1 本次课程设计综合训练对象及内容本 次 设 计 任 务 是 根 据 自 制 的 车 数 控 平 台 ，进 行 伺 服 传 动 系 统 设 计 及 图 形 绘 制 、微 控 制 器

7、( 单 片 机 、可 编 程 序 控 制 器 PLC 、微 机 插 卡)的接口电路设计、控制程序的编写、切削加工调试，初步掌握 伺 服 控 制 系 统 的 设 计 方 法 ( 可 采 用 开 环 或 闭 环 )， 完 成 数 控 车 加 工 平台伺服系统零件的加工。本次设计和训练的具体内容如下：(1) 根 据 指 导 老 师 给 定 的 任 务 ， 使 用 AUTOCAD绘 制 数 控 系 统传动图形，选择系统所用步进电机、计算系统减速器传动比；(2) 使 用 绘 图 工 具 绘 制 微 控 制 器 接 线 图 ；(3) 利 用 元 气 件 制 作 微 控 制 器 及 其 接 口 控 制 电

8、路 ；(4) 编 制 和 调 试 程 序 ， 加 工 出 任 务 书 中 要 求 的 零 件 类 型 ；(5) 编制说明书。1.2 课程设计综合训练任务书及要求 课程设计综合训练任务书及其格式见附录，其主要内容有： 设 计 训 练 题 ：分 别 给 出 课 程 设 计 和 综 合 训 练 的 题 目 ，如 课 程 设 计 的 题 目 为“ 步 进 驱 动 系 统 设 计 与 数 控 直 线 插 补 单 片 机 程 序 设 计 ”， 综 合 训 练 的 题 目 为“ 连 接 自 制 电 路 和 机 床 进 给 电 机 驱 动 器 实 现 第 一 象 限 直 线 插 补 加 工 ”。主 要 设 计

9、 参 数 及 要 求 ：可 以 给 出 具 体 的 设 计 参 数 ，如 丝 杠 导 程p、步进电机步距角a、加工线型及走刀长度、脉冲当量Sp、电机 和折算到电机轴上等效转动惯量(Jm+Je )、空载启动时间At、最 大 进 给 速 度 Vmax 、大 小 拖 板质 Md 、 Mx ）、主 切 削 力 Fz 、吃 刀 抗 力 Fy 、走 刀 抗 力 Fx 等 参 数 ；要 求 如 选 择 电 机 型 号 、制 作 接 口 电 路 、 编制程序，使其能进行两方向伺服驱动加工出所需要的零件等。3、设计内容及工作量：如课程设计内容要求“根据给定的任 务参数，计算齿轮箱传动比，选择驱动中使用的步进电机

10、，使用 AUTOCAD 绘 制 数 控 系统 传 动 图 形 ； 使 用 AUTOCAD 绘 图 工 具 绘 制 微 控 制 器 接 线 图 。” ；综 合 训 练 内容 要 求“ 利 用 元 气 件 制 作 微 控 制 器 及 其 接 口 控 制 电 路 ；编 制 和 调 试程 序 ，加 工 出 任 务 书 中 要 求 的 零 件 类 型 ； 编 制 课 程 设 计 和 综 合 训 练 说 明 书 。”设 计 具 体 任 务 书 由 指 导 老 师 下 达 ， 要 求 每 个 学生 完 成 的 内 容 ：（1）根 据 给 定 的 脉 冲 当 量 选 择 传 动 比 、电 机 后，设 计 并

11、绘 制 伺 服 传 动 系 统 AutoCAD 传 动 图 一 张 ；（2）绘制微控制器电器接线图一张；（3）利用自制数控加工平台，编程插补加工出零件一个；（4 ）课程设计综合训练说明书1份：60008000 字。第二章机电伺服传动系统设计及图形绘制2.1步进电机的选择和齿轮传动比的计算系统总体设计非常重要，是对一部机器的总体布局和全局的安排。总体设 计是否合理将对后面几步的设计产生重大影响， 也将影响机器的尺寸大小、性能、 功能和设计质量。所以，在总体设计时应多花时间、考虑清楚，以减少返工现象。 当伺服系统的负载不大、精度要求不高时，可采用开环控制。一般来讲，开环伺 服系统的稳定性不成问题，

12、设计时主要考虑精度方面的要求，通过合理的结构参 数设计，使系统具有良好的动态响应性能。2.1.1系统方案设计在机电一体化产品中，典型的开环控制位置伺服系统是简易数控机床（本实验室自制数控平台）及X-Y数控工作台等，其结构原理如图2-1所示。各种开环伺服系统在结构原理上大同小异，其方案设计实质上就是在图2-1的基础上选择和确定各构成环节的具体实现方案。图2-1开环伺服系统结构原理框图1、执行元件的选择选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性及体积、成本等多方面要求。开环系统中可采用步进电机、电液脉冲马达等作为执行元件， 其中步进电机应用最为广泛， 一般情况下优先选用步

13、进电机， 当其 负载能力不够时，再考虑选用电液脉冲马达等。2 、传动机构方案的选择 传动机构实质上是执行元件与执行机构以输出旋转运动和转矩为主， 而执行 机构则多为直线运动。 用于将旋转运动转换为直线运动的传动机构主要有齿轮齿 条和丝杠螺母等。 前者可获得较大的传动比和较高的传动效率， 所能传递的力也 较大，但高精度的齿轮齿条制造困难， 且为消除传动间隙而结构复杂， 后者因结 构简单、制造容易而广泛使用。在步进电机与丝杠之间运动的传递有多种方式， 可将步进电机与丝杠通过联轴器直接连接， 其优点是结构简单， 可获得较高的速 度，但对步进电机的负载能力要求较高； 还可以通过减速器连接丝杠， 通过减

14、速 比的选择配凑脉冲当量、 扭矩和惯量； 当电动机与丝杠中心距较大时， 可采用同 步齿形带传动。3、执行机构方案的选择执行机构是伺服系统中的被控对象， 是实现实际操作的机构， 应根据具体操 作对象及其特点来选择和设计。 一般来讲， 执行机构中都包含有导向机构， 执行 机构的选择主要是导向机构的选择。4、控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括微控制器、 步进电机控制方式、 驱动电路等的选择。 常用的微控制器有单片机、 PLC 、微机插卡、微机并行口、串行口和下位机等， 其中单片机由于在体积、 成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性， 在 伺服系统中得到广泛的应用。 步进电机控制方式有硬件

15、环行分配器控制和软件环行分配器控制之分，对多相电机还有 X相单X拍、X相2XX拍、X相双X拍和细分驱动等控制方式，如三相步进电机有 3 相单 3 拍、3 相 6 拍、3 相双 3拍和细分驱动等控制方式， 对于控制电路有单一电压控制、 高低压控制、 恒流斩 波控制、细分控制等电路。5、本次课程设计和综合训练方案的选择 对于我们这次的课程设计和综合训练， 各种选择不一定与实际自制数控平台 完全一致，可以根据任务书中给定的设计要求进行选择。执行元件选用功率步进电机， 但步进电机的功率需要通过计算后选定电机的 型号（其网址是： http ：/www.step- ）；传动方案选择带有降速齿 轮箱的丝杠螺

16、母传动机构， 但在已知丝杠导程和步进电机步距角的情况下， 必须 计算降速齿轮箱传动比、 查询丝杠的型号， 以满足脉冲当量的要求； 执行机构选 用拖板导轨；控制系统中微控制器采用 PLC ，步进电机控制方式采用带有硬件 环行分配器的驱动器， 在共地的情况下， 给该驱动器提供一路进给脉冲、 另一路 高（低）电平方向控制电位即可。2.1.2 传动比计算和步进电机的选择步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位线 （或线位移） 的电磁装置， 步进 电机的角位移量和角速度分别与指令脉冲的数量和频率成正比， 在时间上与输入 脉冲同步， 而且旋转方向决定于脉冲电流的通电顺序。 因此只需控制输入脉冲的 数量、频率及

17、电动机绕组通电顺序，便可控制执行部件位移、速度和运动方向。 在无脉冲输入时， 在绕组电源激励下机按其输出扭矩的大小， 可分为快速步进电 动机与功率步进电动机；按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相；按其工 作原理可以分为永磁式（ PM ）、反应式（ VR ）和混合式（ HB ）。步进伺服结构 简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经 济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来PWM驱动、微步驱动、超微步驱 动和混合伺服技术，使得步进伺服的性能提高到一个新的水平。1、减速器的传动比计算：i= oc

18、P/360 8p其中：表示步进电机步距角，两个方向由任务书给出；P :表示丝杠的导程，两个方向由任务书给出；p:表示脉冲当量，两个方向由任务书给出。根据上述公式可以得出减速器传动比的大小。X 向：ii= apl (360 命)=(0.9 X4)/(360 X 0.005)=2Z 向：i2=ocp/ (360 命)=(0.9 X 6)/(360 X 0.005)=3走刀长度50360360 1.310400X方向脉冲个数:n=导程i =3步距角0.9360 50 2.1i =50.910080走刀长度360导程_Z方向脉冲个数:n=而一步距角2、步进电机所需力矩计算:选择步进电机应按照电机额定输

19、出转矩T电机所需的最大转矩Tmax的原则，首先计算电机所需的负载转矩。作用在步进电机轴上的总负载转矩 T可按下面简化公式计算:T Tj TT W T0 (Jm Je)(2-1 )pFpFw O.2pFo2 i 2 i 2 i式中，Tj为启动加速引起的惯性力矩，T 为拖板重力和拖板上其它力折算到电机轴上的当量摩擦力矩,Tw为加工负载折算到电机轴上的负载力矩，To为因丝杠预紧引起的力折算到电机轴上的附加摩擦转矩；Jm为电机转动惯量；J e为折算到电机轴上的等效转动惯量；为启动时的角加速度；Jm Je由任务书中给出，由任务中的空载启动时间和最大进给速度计算得到；p :为丝杠导程，由任务书中给出；F

20、:为拖板重力和主切削力引起丝杠上的摩擦力，F （mg Fz），拖板重量由任务书中给出,注意：在计算纵向力时（选择纵向电机），拖板重量为两个拖板的重量之和， 在计算横向力（选择横向电机）时，为小拖板重量，钢与钢的摩擦系数可查 资料，一般为0.050.2 左右；Fw :在选择横向电机时，为工作台上的最大横向载荷，通过给定吃刀抗力Fy得到；在选择纵向电机时，为工作台上的最大纵向载荷，通过给定 吃刀抗力Fx得到；Fo :为丝杠螺母副的预紧力，设取 Fw的1/5 1/3；:为伺服进给系统的总效率，取为0.8 ；i :为减速器传动比。Jm+Je=0.09 N.m 2启动时2 n 2 314 30 6044

21、.86rad/m70 10 33)Fu:横向力Fu=(mg+Fz) x u =(100+1300) x 0.1=140N纵向力Fu =(mg+Fz) x u =(300+100+1300) x 0.1=170N4)Fw:横向力Fw=(mg+Fy) x u=(100+1000) x 0.1= 110N纵向力Fw=(mg+Fx) x u=(300+600) x 0.仁90N5)Fo:横向力Fo=Fw (1/51/3)=2237N取 Fo=29N纵向力Fo=Fw (1/51/3)=1830N取 Fo=25N由下式可得:T0(Jm Je)pFpF wiO.2pFo横向:9001000044.86 (

22、4 1402冗 0.824 1100.22 冗 0.82-)/10002冗 0.82=4.037+0.056+0.044+0.002=4.139N.m纵向:6 90輕44.86 (丄卫0100002冗 0.8 3 2冗 0.8 30. )/10002冗 0.8 3=4.037+0.068+0.029+0.002=4.136 N.m般启动时为空载，于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为:(2-2)Tq =Tj +T +T0代入上式计算可得:Tqx=4.095N.mTqz=4.107N.m在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为:Tg =TW +T +T02-3 )代入上式计算可得：Tgx=

23、0.102N.mTgz=0.126N.m计算出的总负载转矩根据驱动方式，选择电机时还需除以一系数，设为 X相2 XX拍驱动方式，则总负载转矩取为：T max Tq /0.8; Tg /(0.3 0.5)Tx=max4.095/0.8;0.102/(0.30.5)=max (5.119,0.340.2043) N.m=5.16N.mTz =max4.107/0.8;0.126/(0.30.5)= max (5.134,0.420.252 )N.m=5.18N.m3. 由启动最大频率 ，步距角选取电动机：根据求出的负载转矩， 和给定的步距角， 上网查询步进电机型号。 步进电机的步距角为0.9。，计

24、算得出负载转矩分别为 5.16 N m 5.18N m查得静转矩为8.0N m，步距角0.9。的步进电机型号为110BYG250B 。由网上查得参数见下图和表：序号规祈厘号相数步葩 ()相电整(A)保持排矩 (N-m)斡动欄量(g - cm2)(Kg)外席尺寸 (mm)128BYG250C-007120.9/1.8070.09120152&2B40235BYG25OB-OO0120 9/1.0080.11140.1935-3534339BYG250e-005i20 9/1.8050 065n0 1239*39*20442BYG250A-015120 9/1.01.50.23330.21427*

25、34542BYG350B-015120 9/1.8可0 4570.2342*42*40642BYG25OC-O15120 9/4820 3642M2-4S756BYG250BX242.40.651600.4B56*56*45a56BYG250C-024120.W1J241.042600656*56M956BYG250D-024120.9/1.8241.724601:105GBYG250E-060120 9.-1.862.57501.51185BYG250ANr36120 9.-1.83 62.45601.583*83*6312药站G20阳忖MOI20.9/

26、1.84 0513002.683-83-9113&6erG2MCN-050l20.9；1.85.07.5428036朋晡3町26M110BYG250B 06022Q.9/1.86.0897006.4112*112-15615110BYG250C-040220.9H.B4 012146008 7112-112-19016H 7110BYG250C-060220 9；1.860121460084112x112-194a 4jrfcD vjr-ncrkm ncnnirn n j-i o，-n-404 n r扁dir P 4 4 n v ncTE规格相数步距角相保持转转动惯量重量外形尺寸型号(。电矩(

27、)(kg)(mm)流()(A)11020.9/1.6.0897006.4112*112*15BYG86250B-0602图2-2 110BYG250B系列型步进电机外形尺寸AAE。 三 e 辰誓4Ufd+ls日q* 11200.01 0,1 1 10 脉冲频率 (KHZ?15.016D.01500.0wn:皎速 (rpm)图2-3 110BYG250B 系列型步进电机矩频特性曲线图由上图可知，当脉冲频率在1001300次/秒时，电机的输出转矩比较稳定4. 确定齿轮传动.（圆柱直齿齿轮减速器）由于i3,故采用一级圆柱齿轮减速器，联轴器连接电机与减速器假设伺服进给系统的总效率n为0.8由w机械设计

28、表12-8,取 n1=0.99,耳2=0.98, 3=0.97则丝杠传动的效率0.80.872 2d 2 c 0.99 0.982 0.971 2 3X向电机各轴输入输出转矩电动机输出转矩T d1 =5.16N.mI轴输入转矩Ti=Td X1=5.16 X 0.99=5.11N.mII轴输入转矩Tii=TiX2 x X i1=5.11 X 0.98 X 0.97 X 2=9.72N.mI轴输出转矩TI=5.11 X 0.98=5.01N.mII轴输出转矩T II=9.72 X 0.98=9.53N.m由于i = 402 =0.0191（舍弃） F】1210 f22106）计算重合度系数丫0 7

29、50 75Y =0.25+=0.25+=0.6964式（11-45 ）1.687 ）设计计算1：2 1 4 5160m 30.0204 0.69640.798mm飞 0.7 242将模数圆整为标准值取 m=2mm3. 几何尺寸计算(1 )计算分度圆直径d1 z1m1 48mm d2 z2m2 96mm(2) 计算中心距2（4896）144mm2m(zi Z2)a2(3) 计算齿轮宽度b2dd10.7 48 35mmb 1=b 2 +(5 10)mm=45mm4. 极核齿面接触疲劳强度按式(11-39 )校核H =Z E Z H Z益?；1式中：ZE =189.8 . mpa（表 11-11）Z

30、h =2.5 （图 11-31）z=T=HF0.88（式11-42）H =Z e Z h Z,：T1?uu1=189.82.5 0.882 1.4 516035 482=306.7MPH门=苛詈=640MPa接触疲劳强度足够222 Z向齿轮减速器的设计计算1. 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1 ）选用直齿圆柱齿轮传动。40cr，（2 ）大、小齿轮都选用硬齿面。由表7.1选大、小齿轮的材料均为并经调质后表面淬火，齿面硬度为 HRC!=HRC2=50。（3）选取精度等级，初选 7级精度（GB/T 10095-1988）。2. 按轮齿弯曲劳强度设计1）初步选定齿轮参数Z124，Z2 口乙 72

31、，d 0.7 （表 11-13 ）2）计算小齿轮名义转矩=1.210 4N.mm ；3）计算载荷系数KK a=1（表 11-10）KV =1.2图 11-28（a）=1.88-3.2（丄 丄）cos =1.7（或 11-39）Z1Z2K =1 （图 11-29 ）K =1.17 （图 11-30 ）K=Ka X Kv X K aX K=1 X 1.2 X 1 X 1.17=1.684）查取复合齿形系数Yfs由图 11-32 查得 YFS1=4.28 , Y FS2 =4.025）计算大、小齿轮的 亘 并进行比较f-Yfs = 4.28 =0.0204 = 402 =0.0191（舍弃） F】1

32、210 f】22106 ）计算重合度系数丫Y =0.25+ 075 =0.25+ =0.6912式（11-45 ）1.77 ）设计计算2 1.68 5180m 32一 0.0204 0.6964 0.8475 mm0.7 24将模数圆整为标准值取 m=1.25mm3. 几何尺寸计算（1 ）计算分度圆直径d1 z1m1 30mmd2z2m2 90mm（2）计算中心距m（z1 z2）1.25（30 90）a 7 =0.88 3-75mm2 2（3）计算齿轮宽度b2d d1 0.7 30 25mmb 1=b 2 +（5 10）mm=35mm4. 极核齿面接触疲劳强度按式（11-39 ）校核H =Ze

33、ZhZ式中：Ze =189.8 , mpa（表 11-11）Zh =2.5 （图 11-31 ）4（式 11-42 ）H =Z eZ HZ2K?U 1 =189.8. bau2.5 0.882 1.68 5180:25 302=424.06MPaH C a的原则，并参考同类型设备的实际情况，得出设计选用：外循环滚珠丝 杠，公称直径 do= 16 ,2.5 圈X 1 列,Ca=6300N，钢球直径 Dw （d b）=2.381mm, p4 33精度等级为E，基本导程极限偏差为土 6 pm，丝杠大径表面粗糙度为Ra0.8 。由上述计算可知，应选 do = 16、基本导程L = 4mm、基本长度为4

34、0cm 的滚珠丝杠。二.设计Z方向的滚珠丝杠螺母机构：1、Z方向丝杠受力分析：X、Z方向的工作台滑板及其组件重量（W1、W2）以及X方向的轴向工作 载荷Fa1主要由导轨承担，而Z方向丝杠主要承受Z方向的轴向力F Z方向丝 杠所受的总轴向力F由两部分组成：一是刀具所受的 Z方向轴向工作载荷Fa2 ； 二是工作台滑板及其组件重量（W1、W2）和X方向的轴向载荷在导轨上产生的 合成摩擦力Fn两部分组成：F = Fa2 + Fn22i-22FN =u ：Fa1 W1 W20.05 J600100 30036 N式中F丝杠所受的总轴向力 N ;Fn 导轨与工作台滑板之间的摩擦力N ;FaiX方向的轴向工

35、作载荷 N ；Fa2 丫方向轴向工作载荷N ；卩一一导轨与工作台滑板之间的摩擦系数，由于导轨与工作台滑板处于 边界润滑状态（脂润滑或油润滑），可取卩=0.050.2 ;Wi X方向工作台滑板及其组件重量 N;W2y方向工作台滑板及组件重量 N ;将有关参数代入上述公式可得X方向丝杠所受的总轴向力F为：F= Fa2 + Fn=1000+36=1036N2、丝杠设计计算及选择当滚珠丝杠副承受轴向载荷时，滚珠和滚道型面间便会产生接触应力。 对滚 道型面上某一点而言，其应力状态是交变应力。这种交变接触应力作用下，经过 一定的应力循环次数后，就要使滚珠和滚道型面产生疲劳点蚀现象，随着麻点的扩大滚珠丝杠副

36、就会出现振动和噪音，而使它失效，这是滚珠丝杠副的主要破坏形式。在设计滚珠丝杠副时，必须保证在一定的轴向工作载荷下，在回转一百万转时，在它的滚道上由于受滚道的压力而不至于出现点蚀现象，此时所能承受的轴向载荷，称为这种滚珠丝杠副的最大（基本）额定动载荷Ca。设计在较高速度下长时间工作的滚珠丝杠副时，因疲劳点蚀是其主要的破坏形式，故应按疲劳寿命选用，并采用与滚动轴承同样的计算方法，首先从工作载荷F推算最大动载荷Ca，由机械设计可知3LcaLL10f或 Ca Ca= F 一 L式中 Ca 最大（基本）额定动载荷（N）,其值查附表5计算额定动载荷F丝杠所受总的轴向工作载荷（N）Lio 基本额定寿命（以一

37、百万转为一个单位）L预期使用寿命（以一百万转为一个单位）（1 ）、按额定静载荷选择：按Ca = F的原则选择丝杠：do= 16mm（2 ）、按疲劳寿命选择L =60 X n X T/1000000= 60 X 600 X 15000/1000000=540（百万转）n21Z1 600rpmZ2 Ca C a= fWfH F 汇 1.2 934N 540 9126.96NfH （硬度系数）由2表取1.0 , fw （运转系数）由表3取1.2 ,T使用寿命由表4取为15000h由已知条件（1 ）、（2）、（3）,查滚珠丝杠副的表5，根据导程L0 = 6mm 和 Ca Ca的原则，并参考同类型设备的

38、实际情况，得出设计选用：外循环滚珠丝 杠，公称直径 d = 20，2.5圈X 1列，Ca=13100N，钢球直径 Dw （d b） =3.969mm,片5 24 ，精度等级为E，基本导程极限偏差为土 6呵，丝杠大径表面粗糙度为Ra0.8由上述计算可知，应选 do = 20、基本导程L = 6mm、基本长度为40cm 的滚珠丝杠。2.3联轴器选择根据电机尺寸选择联轴器为弹性套柱销联轴器HTC1-40S，联轴器尺寸如F表所示:表2-2联轴器型号额定转矩Tn(N.m)许用转速n(r/min)轴孔直径 d/mm轴孔长度D/mmD2*/mmA/mm转动惯量/kgm2质量/kgHTC1-40S855001

39、7664030180.0011.642.4轴承选择假定轴承的寿命Lh 5000h X轴方向：Fr Ft ? tan- ? tandi=(2 x 5385 x tan20 ) /48=81.67 N试选择角接触球轴承7003C型轴承d=17mm, D=35mm , B=10mmC=6.6KN， C03.85KNa 0 Za 0 C。FrPfp?(XFt YF0) 1.0 (0.56 1200 1.5 800) 1872N.c p 3 60?n?Lh1061872 3 60 60 6 50004906N10611.2KN所以所选轴承符合要求Z轴方向：同上选择角接触球轴承 7003C型轴承2.5 键

40、的选择(1) X轴方向:1)高速轴：连轴器处：半圆键 GB/T1099-1979,L=4 7.5192)低速轴：齿轮连接处：圆头平键A型GB1096-79,h L=8728(2) Z轴方向:1)高速轴：连轴器处：半圆键 GB/T1099-1979,L=4 7.5192)低速轴：齿轮连接处：圆头平键A型GB1096-79,h L=87282.6齿轮结构设计X方向:，但是大齿轮与d1 160mm，所以小齿轮做成实心的。虽然 d2 160mm丝杠连接，因此不能做成实心的，应根据丝杠来定。Z方向:同理：d1 160mm，所以小齿轮做成实心的虽然 d? 3，且总转动量与电机轴上的主动齿轮转动惯量之比5时

41、，考虑采用两级传动减速箱，即i iii2,采用等效转动惯量最小原则，传动比应该“前小后大”，也就是ii i2的布 置方式，最后确定各齿轮模数、齿数、厚度及电机轴和丝杠的连接。第三章 机电伺服系统微控制器电器线路及程序设计3.1 开环控制系统图 3-1 为开环机电伺服系统微控制器信号流动原理框图。开环系统是最简 单的进给系统， 这种系统的伺服驱动装置主要是步进电机、 电液脉冲马达等。 由 数控系统送出的进给指令脉冲， 经驱动电路控制和功率放大后， 驱动步进电机转 动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。 这种系统不需要对实际位移和 速度进行测量， 更无需将所测得的实际位置和速度反馈到系统的输

42、入端， 与输入 的指令位置和速度进行比较， 故称之为开环系统。 系统的位移精度主要决定于步 进电机的角位移精度、 齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度以及系统的摩擦阻 尼特性。此类系统的位移精度较低，其定位精度一般可达 0.02 mm 。如果采 取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可提高到 0. 0l mm 。此外， 由于步进电机性能的限制， 开环进给系统的进给速度也受到限制， 在脉冲当量为 0.0lmm 时，一般不超过 5m min 。开环进给系统的结构较简单， 调试、维修、 使用都很方便， 工作可靠， 成本低廉。 在一般要求精度不太高的机床上曾得到广 泛应用。 20 世纪 60 年代

43、，日本生产的数控机床几乎全部采用功率步进电机和 电液脉冲马达的开环进给系统。 20 世纪 70 年代初我国也曾仿造过这种开环进 给系统的数控机床，但是欧美等国却很少采用开环进给系统。进入 20 世纪 70 年代中期，日本生产的数控机床也改用了直流或交流伺服电机的半闭环和闭环进 给系统。3.2 三菱 PLC 驱动电路设计表 3-1 I O 地址分配表输入点输出点地址功能地址功能X0启动Y0M1脉冲X1停止Y1M2脉冲X2复位Y2M1方向X5摇柄X+Y3M2方向X6摇柄X-Y4M1使能X7摇柄Y+Y5M2使能X10摇柄Y+Y6启动指示X11紧停Y7停止指示X12Y10复位指示X13Y11X14X轴

44、左限位Y12X15X轴右限位Y13X16Y轴前限位Y14X17Y轴后限位Y15X20S / S WP4恥yo淳止X 二XIXll Y1112 丫2113 Y3TT” IX14 Y4皿T5X16黄X17 C124VFX-3UDIR十 I)TT?-ENA+EffAPUIPUL-BlAhClAC2*24vZNIC-DGLiiOPLrL+PUL-DIRi DIR-A-B4ENA-AC1ACEZ二X轴电机图3-1 PLC驱动步进电机接线图与单片机要求相同，本电路应该能实现两个方向步进电机的插补进给，和进刀退刀的动作，由于使用晶体管输出使该快速发出脉冲的驱动设计成为可能。电路接线如图3-1所示，该驱动装置由PLC系统（包括：机价、电源、CPU、输 入模块、输出模块等）、步进电机驱动器、开关电源、步进电机等组成。图中所 示是驱动器中含有硬件环型分配器的驱动方式，其中使用丫0（丫1） 口线接PUL-，提供一定频率的脉冲信号，驱动步进电机按与给定频率对应的转速运行，改变脉冲信号的频率便可以改变步进电机的转速；丫2（丫3） 口线接D