专业课程设计单向数控平台

1、 编号 课 程 设 计（论文）题目 机电传动单向数控平台 二级学院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 112040205 学生姓名 蒋青松 学号 11204020512 指导教师 甘彬 职称 教授 时 间 2015.06 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 电气控制系统设计的基本原则 4.2 电器元件的选型计算 4.3 PLC控制电路具体设计 4.4 控制程序的设计及

2、说明5 结束语6参考文献1.设计任务1.1设计任务介绍及意义u 课程设计题目机电传动单向数控平台设计u 主要设计内容(1)机械传动结构设计 (2)电气控制系统u 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

3、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、1200 、900mm；移动负载质量100、75、50 kg；负载移动阻力150、100、50 N；空载最快移动速度6000、3000mm/min；进给最快移动速度1200、600mm/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

4、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，绘制工作台进给传动机构装配图一张（A2一张）； （3）根据控制功能要求，完成电气控制设计，给出电气控制电路原理图（A2图一张）； （4）根据电气控制原理图编写相关的控制程序； （5）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； （6）用计算机绘图或手工绘图，打印说明书； （7）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（1）直流伺服电机是用直流电信号控制的伺服电动机，它在机电一体化设备中作为执行元件，其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上的

5、角位移或角速度输出。直流伺服电动机具有以下特点：1、稳定性好。直流伺服电动机具有线性下垂的机械性，能在较宽的速度范围内稳定运行。2 、可控性好。直流伺服电动机具有线性的调节特性，能使转速正比于控制电压的大小；转向取决于控制电压的极性；控制电压为零时，转子无惯性，能立即停转。3、响应迅速。直流伺服电动机具有较大的起动转矩和较小的转动惯量，在控制信号增加、减小或消失的瞬间，直流伺服电动机能快速起动增速、快速减速和快速减速。4、控制功率低，损耗小。5、堵转转矩大。（2）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

6、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

7、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)。 （3） PLC的优点 PLC是面向用户的专用工

8、业控制计算机，具有许多明显的特点。1.可靠性高，抗干扰能力强 为了限制故障的发生或者在发生故障时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，各PC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PC具有了很强的抗干扰能力。2.通用性强，控制程序可变，使用方便 PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量

9、采用。3.功能强，适应面广 现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。4.编程简单，容易掌握 目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，

10、是微不足道的，完全可以满足控制要求。5.减少了控制系统的设计及施工的工作量 由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等.6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便 PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。等，使维修也极为方便。2.2总体方案的确定参数初设如下： （1）电机驱动方式

11、：直流伺服电机机械传动方式：滚珠丝杠电气控制方式：PLC控制功能控制要求：位置控制主要设计参数：单向最大工作行程900mm； 移动负载质量75kg； 负载移动阻力50N；空载最快移动速度3000mm/min;进给最快移动速度600mm/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42CrMo，其HRC为5860。丝杠两端为固定支撑（F-F），每个支座安装两个25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计算及说明计算结果3.1导轨的选择3.1.1已知条件 本设计选择滚珠丝杆，已知： 单向工作行程900mm 移动速度3m/min 负载质

12、量 ：75kg采用2根导轨、4个滑座数，工作平台和滑块的质量假设为45kg. 寿命要求 ：每天开机8h，一年按300个工作日，寿命5 年以上3.1.2动载荷的计算 作用在滑座上的力 则单个滑座受力 导轨寿命 行程长度寿命： 其中n为每分钟运行的次数 h 设计平台上共有滑块4个，每根导轨2个滑块。 有 K 寿命系数 取K=50 硬度系数 取=1 温度系数 取=1 接触系数 取=0.81 负荷系数 取=1.5 则动载荷有：N 已知动载荷 Ca=1911.63N查机电一体化设计手册 导轨选择 型号：HSR 15A滚动导轨 基本额定载荷为8330N 每个滑块的质量为0.2kgls=900mmv=3m/

13、minm1=75kgm2=45kgF=294NTh=12000hn=1.67K=50=1=1=0.81=1.5 Ca=1911.63N型号 HSR 15A3.2 滚珠丝杆的选择及校核3.2.1根据机器的工作条件及完成的功能，滚珠螺母的循环方式和预紧方式滚珠螺母的循环方式为内循环预紧方式为双螺母垫片预紧导轨的摩擦力为： 移动负载的质量 取=75kg m2 工作台的质量 m2=45kg 导轨的摩擦系数 取=0.15N3.2.2 初选丝杆导程 根据公称直径范围选择Ph=5mm3.2.3 计算滚珠丝杆的动载荷 动载荷公式为：式中寿命系数=2.88工作寿命 ,Lh=12000h载荷系数 动载荷硬度影响系

14、数短行程系数转速系数, Fm 滚珠丝杆等效轴向载荷 K=1.15 Fx负载移动阻力，Fx=50N 计算得N3.2.4初选滚珠丝杠副的型号和有关参数 根据上面所计算的数据，选取的滚珠丝杆的基本额定动载荷要大于计算出来的动载荷。 初选型号为FFZD2005型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杆副。 其主要参数：额定动载荷为=11KN额定静载荷为KN 公称直径mm 导程Ph=5mm 钢球直径 预紧力计算 Nm1=75kgm2=45kg =0.15 =176.4N Ph=5mm Kh=2.88KF=1.2KH=1.0Kl=1.0Kn=0.38 Fm=233.9NCa=2127.26N=11KNKNm

15、mPh=5mmF0=1000N 丝杆螺纹部分长度lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余程 =900+86+36=1022mm 轴承的支撑距离应大于螺纹部分的长度 取支撑距离 =1500mm3.2.5丝杆稳定性验算 根据工作环境选择两端采用角接触轴承固定的工作方式，则丝杆不发生失稳的最大工作载荷为： 式中： 材料的拉压弹性模量 钢取 ； 丝杆轴最小截面惯性矩 ； 为滚珠丝杆的公称直径 mm； 丝杠小径 mm； 实际承受载荷的能力； 压杆稳定的支撑系数（双推双推时为4，单推单推时为1，双推简支时为2，双推自由式时为0、25），此时取； K 压杆稳定安全系数（一般去2.54），垂直安装时取小值，此时

16、取。 N 符合压杆稳定性要求。3.2.6临界转速校核 不发生共振最高转速成为临界转速，表示 丝杆的临界转速系数 取 l 临界转速计算距离 =1500mm 长度系数 r/min 转动转速：r/min 能够达到不共振要求。 此外滚珠丝杆还应满足发热条件 综上，滚珠丝杆满足压缩失稳、共振、发热的条件 3.2.7 滚珠丝杆副的系统刚度 (1)轴向载荷F产生的轴向变形量，丝杠采用两端固定的方式 式中： 丝杠两支撑间的距离（mm）； 丝杠的计算长度，指和作用处到固定支承端 的距离； 丝杠材料的弹性模量，钢材的MP； 丝杠的计算截面面积: (2)转矩T产生的轴向变形量: 丝杠的螺纹导程； 丝杠计算截面的极惯

17、性矩： 丝杠材料的切变模量，钢材的MPa； 螺旋传动的转矩； 螺旋的倒程角 滚珠丝杠副的当量摩擦系数：，当量摩擦角；取(3) 轴向载荷F使钢球与螺旋滚道间产生的轴向变形量 基本额定载荷系数：当，时，； ，。由于有预紧，所以； 式中 工作螺母中的钢球总数j 每列工作圈数 j=1K每个螺母循环列数 k=3m每圈中钢球个数 预紧力，一般取 载荷分布不均匀系数，一般取轴向总变形量： 丝杠的轴向刚度： 丝杠允许的轴向刚度3.2.8 效率验算 滚珠丝杠副的传动效率为 要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。 经过上述计算验证，所选型号规格滚珠丝杠各项性能均符合题目要求，可选用。3.3 直流伺服电动机的选

18、择 直流伺服电机具有响应迅速、精度和效率高、高速范围宽、负载能力大、控制特性优良等优点，被广泛应用在闭环或半闭环控制的伺服系统中。 直流伺服电机的选择要满足惯量匹配和容量匹配原则。3.3.1等效负载转矩计算 选择传动比为i=1负载转矩 假设传动效率为90% 负载总的合力，3.3.2初选电动机型号 已知负载转矩 初选电动机型号为110SZ55，电磁式直流伺服电动机，其最大静转矩为 该电机参数如下：最大转矩：转速：功率：308W电压：24V外形尺寸：总长234mm，外径110mm，轴径10mm重量：7.6kg3.4 联轴器的选用 根据步进电动机输出轴的直径和滚珠丝杠的直径，选用YLD1式凸缘联轴器

19、。 其公称转矩 许用转速 轴孔直径d=10mm 轴孔长度L=25mm（Y型） 螺栓数量3个，采用M6螺栓 Y型 转动惯量3.4.1等效转动惯量（1） 滚珠丝杠转动惯量 钢材密度取（2）工作台等效到电机输出轴上 （3）联轴器的转动惯量 根据滚珠螺杆和电动机输出轴的直径，选择YLD1联轴器，其转动惯量为 因此，换算到电动机轴上的转动惯量：3.5 键的校核3.5.1连接伺服电动机与联轴器上键的校核选C型键，d=10mm查表GB/T1095-2003选键：b=4mm,h=4mm,L=20mm 键的强度较合，验算其挤压强度 ，查表得其许用压应力 ： T转矩 d轴径 h高度 L键的长度键的工作长度，则 ；

20、 符合要求；3.5.2连接联轴器和滚珠丝杆键校核链接联轴器和滚珠丝杆上的键与链接电机输出轴与联轴器的键采用相同的键，对于同样的负载转矩同样能够达到设计要求。3.6 滚动轴承的选用与校核 初选轴承型号7003AC采用正装方式，轴承受力情况如下图所示： 径向载荷：轴向载荷：轴承支反力：轴承派生轴向力：由于，则左边压紧，右边放松，所以: 计算当量动载荷：查表X=0.41、Y=0.87查表X=1、Y=0工作在中等冲击：载荷系数计算当量动载荷：计算轴承寿命由于 故按进行校核假设轴承工作温度小于120，取温度系数查表知球轴承寿命系数=3每天开机8h，一年按300个工作日，寿命5年以上故=16000h基本额

21、定动载荷：故计算寿命满足条件 7003AC角接触球轴承基本尺寸 内圈直径 外圈直径 轴承宽度 极限转速 静载荷 动载荷 3.7 润滑与密封装置由已知条件选择脂润滑，密封装置为毛毡圈。lu=1022mm=1500mmmmmm s=1500mmN符合要求r/min=600r/min符合要求 丝杆满足使用要求=1200mm=1500mmMP Ph=5mmMPa Z=60满足刚度条件合格L=25mm 合格合格4. 电气控制系统设计4.1电气控制系统设计的基本原则： （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

22、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。4.1.1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

23、、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

24、计等。 4.1.2 PLC的基本结构组成PLC的基本组成结构框图4.2电器元件的选型三菱型控制器4.2.1 三菱FX系列PLC是继F1/F2系列之后，其推出的小型（超小型）机。主要有、等几种机型。其中系列PLC 是FX中运算速度最快、功能最强、配置最灵活、功能模块最多的微型PLC，应用最为广泛，所以在本次设计中选用系列PLC。根据其选用位数和输出方式，确定选用的型号为。4.2.2 三菱系列的编程软件：SWOPC-FXGP/WIN-C V2.11。这编程软件可以在Windows95/98/2000下运行，可以通过梯形符号、指令语言级SFC符号来创建程序，还可以加入中文、英文注释，它能够监控PLC

25、运行时的动作状态和数据变化情况，而且还具有程序和监控结果的打印功能。总之，这个软件为用户提供了程序录入、编辑、和监控手段，使得PLC的编程更加方便、快捷。4.2.3 主要组成参数：外形尺寸（mm）2208790程序存储器8000步RAM本机I/O24输入24输出处理速度0.08us/步内置式电源（24V）24v、400mA直流电数据寄存器(一般用)16位（D0-D199）4.2.4编码器型号 选用的是带螺纹编码器的伺服电动机，本次采用螺纹编码器，型号为ZSF-6215-007CW-1024BZ3-5L型，安装在电机的一头，反馈转速位移和转向，输出量为数字信号。需要注意的是：编码器的轴头与安装轴

26、之间必须采用无间隙柔性联接，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。4.3 PLC控制电路具体设计4.3.1控制要求 ： 在本次设计中我选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，控制直流伺服电机的转速和转向，进而控制工作台的前进和后退，达到对工作台位置的控制。而且通过配套的伺服驱动器和在可编程控制器中与高速计数指令和PTO/PWM控制，结合螺纹编码器的角位移检测装置实用实现半闭环控制。4.3.2伺服电机转速控制采用硬件电

27、路实现对直流电机的转速控制已在实践中应用多年，其硬件组成复杂，速度调整困难，缺乏控制的灵活性。本设计利用PWM信号发生器实现了对直流伺服电机转速的实时检测和控制。4.3.3 PWM直流调速原理直流电动机直流脉宽调速系统PWM简介：为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。脉宽调制的基本原理：脉宽调制（Pulse Width Modulation），是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度

28、或周期达到变压的目的。所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管（GTR）、功率MOSFET、IGBT等。通常PWM变换器是用定频调宽来达到调压的目的。PWM变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈. 4.3.4 三菱PLC的I/O端口分配表电气元件及端口逻辑软元件作用电器元件或端口逻辑软元件作用伺服编码器A相X002对伺服转动进行高速计数接伺服CR端口Y002清零伺服编码器B相X003接伺服NP端口Y003正反转输出端口接D01X004反馈伺服系统坐标值接伺服EMG端口Y004紧急停止端口接ZSPX005接伺服SON端口Y005伺服使能端口接TLCX006接伺服ABSM端口Y006ABS传输SB1X012循环启动接伺服ABSR端口Y007ABS请求SB2X013停止接伺服RES端口Y010复位控制SB3X014点动前进接伺服LSP端口Y011伺服电机正转极限SB4X015点动后退接伺服LSN端口Y012伺服电机反转极限SA1X016手动/自动接STF端口Y014主轴正转SB5X017回零接STR端口Y015主轴反转接RH端口Y016高