朴伺服加载机构设计说明书

1、大连大学目录目录2专 业 课 程 设 计 任 务 书3一.系统总体设计4二. 参数计算4（一） 弹簧参数选择计算4（二）滚珠丝杆，轴承等零件参数计算. 91.滚珠丝杆92.轴承10（三） 选择电机，齿轮传动计算151. 伺服电机选型计算152. 齿轮传动19三PLC 设计说明19（一）.输入输出（I/O）点数的估算19（二）.（三）.器容量的估算19功能的选择201.运算功能202.功能203. 通信功能204. 编程功能21地址分配：21语句表：22四系统装配图24五接口电路图28六.系统传动简图28七.个人小结. 282大连大学专业课程设计任务书系别：机械工程系班级：134姓名：朴学号：2

2、013022412设计时间：三周设计题目及设计参数：PLC的精密加载伺服机构设计伺服机构行程：50mm执行机构的加载量：5000N设计要求：伺服系统装配图 A0 一张PLC步进电机驱动及接口电路图A1 一张系统软件梯形图一张说明书 70008000 字（语句表）指导教师：3大连大学一.系统总体设计综合考虑，确定本设计的系统结构。系统主要有三部分不：电源部分，部分，执行部分。1.电源部分：AC220V 提供动力能源。DC24V 开关电源，为PLC 供电，提供伺服信号电源。2.部分：该部分是由 PLC 负责发出信号，伺服驱动器对伺服电机进行闭环，对其各种信息做出快速，准确地反应，处理随时变化的信号

3、。3.执行部分：该部分由执行电机拖动所需机械进行工作，电机工作情况由自身编码器反馈给驱动器进行闭环，机械部分可由传感器反馈给 PLC 进行闭环。二. 参数计算（一）弹簧参数选择计算由所给数据可以求出加载机构弹簧总刚度 K=5000/50=100N/mm。结构设计为 4 个弹簧并联，每根弹簧刚度 k=100/4=25.0N/mm。1.几何参数计算普通圆柱螺旋弹簧的主要几何有：外径 D、中径 D2、内径D1、节距 p、螺旋升角及弹簧丝直径 d。由下图圆柱螺旋弹簧的4大连大学几何参数图可知，它们的为：式簧的螺旋升角，对圆柱螺旋压缩弹簧一般应在5°9°范围内选取。弹簧的旋向可以是右

4、旋或左旋，但无特殊要求时，一般都用右旋。中径：D2=Cd按普通圆柱螺旋弹簧系列表取标准值内径：D1=D2-d外径：D=D2+d有效圈数：n 根据要求变形量按式（16-11）计算（n2）总圈数：n1=n+(22.5)（）n1=n+(1.52)（YII 型热卷）拉伸弹簧 n1 尾数为 1/4,1/2,3/4 整圈。推荐用 1/2 圈。自由高度或长度：H0pn+(1.52)d（两端并紧，磨平）H0pn+(33.5)d（两端并紧，不磨平）工作高度或长度： Hn=H0-n（n-工作变形量）螺旋角：=arctg(p/D2)对压缩螺旋弹簧，推荐=5°9°2.特性曲线弹簧应具有经久不变的弹

5、性，且不产生变形。因此在设计弹簧时，务必使其工作应力在弹性极限范围内。在这个范围内工作的压缩弹簧，当承受轴向载荷 P 时，弹簧将产生相应的弹性变形，如图a 所示。为了表示弹簧的载荷与变形的，取纵坐标表示弹簧承受的载荷，横坐标表示弹簧的变形，通常载荷和变形成直线(图5大连b)。 这种表示载荷与变形的关系的曲线称为弹簧的特性曲线。对拉伸弹簧，如图<圆柱螺旋拉伸弹簧的特性曲线>所示，图b 为无预应力的拉伸弹簧的特性曲线；图 a 中的 H0 是压缩弹簧在没有承受外力时的自由长度。弹簧在安装时，通常预加一个Fmin，使它可靠地稳定在安装位置上。Fmin 称为弹簧的最小载荷(安装载荷)。在它的

6、作用下，弹簧的长度被压缩到 H1 其压缩变形量为min。Fmax 为弹簧承受的最大工作载荷。在 Fmax 作用下，弹簧长度减到 H2，其压缩变形量增到max。max 与min 的差即为弹簧的工作行程 h,h=max-min。Flim为弹簧的极限载荷。在该力的作用下，弹簧丝内的应力达到了材料的弹性极限。与 Flim 对应的弹簧长度为 H3，压缩变形量为lim。3.承受静载荷的圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计弹簧的静载荷是指载荷不随时间变化，或虽有变化但变化平稳，6大连大学且总的重复次数不超过103 次的交变载荷或脉动载荷而言。在这些情，弹簧是按静载强度来设计的。在设计时，通常是根据弹簧的最大载荷、

7、最大变形、以及结构要求(例如安装空间对弹簧的限制)等来决定弹簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧的螺旋升角和长度等。具体设计和步骤如下:1) 根据工作情况及具体条件选定材料， 并机械性能数据。2)选择旋绕比C，通常可取 C58(极限状态时不小于 4 或超过 16)，并算出补偿系数 K 值。3)根据安装空间初设弹簧中径 D2，乃根据 C 值估取弹簧丝直径 d，并弹簧丝的应力。4)试算弹簧丝直径 d'必须注意，钢丝的应力决定B，而B 是随着钢丝的直径变化的,又因是按估取的 d 值查得B 的 H 计算得来的，所以此时试算所得的 d'值，必须与原来估取的 d 值相比较，如果两者相等或很接

8、近，即可按标准圆整为邻近的标准弹簧钢丝直径 d，并按D2=Cd 以求出；如果两者相差较大，则应参考计算结果重估 d 值，再计算，代入上式进行试算，直至满意后才能计算 D2.计算出的D2，值也要按表<普通圆柱螺旋弹簧系列>进行圆整。5)根据变形条件求出弹簧工作圈数：7大连大学对于有预应力的拉伸弹簧对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧6)求出弹簧的D、D1、H0,并检查其是否符合安装要求等。如不符合，则应改选有关参数(例如C 值)重新设计。7)7)验算稳定性。对于压缩弹簧，如其长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不的。为了便于及避免失稳现象，建议一般压缩弹簧的长细比 b=H0/

9、D2 按下列情况选取：当两端固定时，取 b<5.3；当一端固定，另一端自由转动时，取 b<3.7；当两端自由转动时，取 b<2.6。当b 大于上述数值时，要进行稳定性验算，并应满足 Fc=CukpH0>Fmax式中：Fc稳定时的临界载荷；Cu不稳定系数，从<不稳定系数线图>中查得；Fmax弹簧的最大工作载荷。如 Fmax>Fc 时，要重新选取参数，改变 b 值，提高 Fc 值，使其大于Fmax 值，以保证弹簧的稳定性。8)进行弹簧的结构设计。如对拉伸弹簧确定其钩环类型等，并按表<普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构（mm）计算公式>计算出全部有

10、关。由任务书得系统总刚度：8大连大学Fmax Lmax5000K = 100 N mm50所以：单根弹簧刚度：1004k = K 4 = 25.0 N mm又由弹簧刚度计算公式：Gd 4k = 25.0 N mm8nD 3经上述计算根据和最大受力,弹簧的选用参数如下：（二）滚珠丝杆，轴承等零件参数计算1.滚珠丝杆1）计算载荷FcFc = KF KH KAFm查表选出KF =1.0KH =1.0KA =1.1当行程达到最大的 50mm,有 20%的过载，最大工作受力为F=2400N9工作高度自由高度钢丝直径旋绕比有效圈数总圈数螺旋角40mm90mm5.0mm28/58.5 圈10 圈6.8

11、76;大连大学Fm = (Fmax + Fmin )¸ 2 = 1200N故： FC = 1.0´1.0´1.1´1200 = 1320 N2）计算额定动载荷计算值C 'aL'60 ´15000nCa = Fc 3= 13203= 4532.5N' m h1.67 ´1041.67 ´1043）根据C'选择滚珠丝杆，导程 p=6mm，代号 2506-2.5，螺旋角a=4°22',丝杆大径 d=24.5mm。螺母选用 FC1 型，长度 L=80mm。螺栓M6x20 。 轴 承

12、座 和 横 板 的 连 接 用 六 角 螺 栓M6x12（GB/T5781-2000）。固定弹簧芯轴圆螺母 M12x1.5（GB/T810-1988）。其他圆螺母均为 M20x1.5（GB/T810-1988）。2.轴承2.1 选择步骤（1）根据轴承工作条件（载荷方向及载荷类型、转速、润滑方式、同轴度要求、或非、安装和维修环境、环境温度等），选择轴承基本类型、公差等级和游隙；（2）根据轴承的工作条件和受力情况和要求，通过计算确定轴承型号，或根据使用要求，选定轴承型号，再验算；（3）验算所选轴承的额定载荷和极限转速。选择轴承的主要考虑因素是极限转速、要求的确良和载荷能力，其它的因素则有助于确定轴

13、承类型、结构、及公差等级和游1大连大学隙工求的最终方案。2.2 类型选择各类滚动轴承具有不同的特性，适用于各种机械的不同使用情况。选择轴承类型时，通常应考虑下列因素。一般情：对承受推力载荷时选用推力轴承、角接触轴承，对高速应用场合通常使用球轴承，承受重的径向载荷时，则选用滚子轴承。总之，选用应从不同生产厂家、众多的轴承中，选用合适的类型。轴承所占机械的空间和位置在机械设计中，一般先确定轴的，然后，根据轴的选择滚动轴承。通常是选用球轴承，大轴选用滚子轴承。但是，当轴承在的直径方向受到限制时，则选用滚针轴承、特轻和超轻系列的球或滚子轴承；当轴承在的轴向位置受到限制时，可选用窄的或特窄系列的球或滚子

14、轴承。轴承所受载荷的大小、方向和性质载荷是选用轴承的最主要因素。滚子轴承用于承受较重的载荷，球轴承用于承受较轻的或中等载荷，渗碳钢或贝氏体淬火的轴承，可承受冲击与振动载荷。在载荷的作用方向方面，承受纯径向载荷时，可选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。承受较小的纯轴向载荷时，可选用推力球轴承；承受较大的纯轴向载荷时，可选用推力滚子轴承。当轴承承受径向和轴向载荷时， 一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承。1大连大学轴承的性能当轴的中心线与轴承座中心线不同，有角度误差，或因轴的两支承间距较大而轴的刚性以较小，容易受力弯曲或倾斜时，可选用具有良好性能的球或滚子轴承，以及外球轴承。此类轴承在轴稍微倾斜

15、或弯曲情，能保持正常工作。轴承性能的好坏，与其的不同轴度有关，不同轴度值愈大，性能愈好。轴承的刚性轴承的刚性，是指轴承产生变形所需力之大小。滚动轴承的弹性变形很小，在大多数机械中可以不必考虑，但在某些机械中，如机床主轴，轴承刚性则是一个重要因素，一般用圆柱和圆锥滚子轴承。因为这两类轴承在承受载荷时，其滚动体与滚道属于点接触，刚性较差。另外，各类轴承还可以通过预紧，达到增大支承刚性的目的。如角接触球轴承和圆锥滚子轴承，为防止轴的振动，增加支承刚性，往往在安装时预先施加一定的轴向力，使其相互压紧。这里特别指出：预紧量不可过大。过大时，将使轴承摩擦增大，增高，影响轴承使用。轴承的转速每一个轴承型号都

16、有其自身的极限转速，它是由诸如、类型及结构等物理特性所决定的，极限转速是指轴承的最高工作转速（通常用 rmin），超过这一极限会导致轴承温度升高，润滑剂干枯，甚至使轴承卡死。1大连大学使用场合所要求的速度范围有助于决定采用什么类型的轴承，D是轴承，它通常是指轴承的节圆直径，在选择轴承时，使用轴承内径和外径的平均值，mm.用节圆直径D 乘以轴旋转速度（r/min）得出一极限转速因素（DN），DN 在选择轴承类型和时十分重要。大多数轴承厂家的目录都提供其的极限转速值，实践证明，在低于极限转速 90%的状态下工作是比较好的。脂润滑轴承的极限转速比油润滑轴承的极限转速低，轴承的供油方式对可达到的极限转

17、速有影响。必须注意，对脂润滑轴承，其极限转速一般仅是该轴承采用一个高质量的重复循环油系统时的极限转速的 80%，但对油雾润，其极限转速一般比相同的基本润滑系统高 50%。保持架的设计和结构也影响轴承的极限转速，因为滚动体与保持架表面是滑动接触，用比较贵的、设计合理的、以高质量和低摩擦材料制成的保持架，不仅可将滚动体隔开来，而且有助于维持滑动接触区的润滑油膜。但象冲压保持架之类价格低廉的保持架，通常只能使滚动体保持分离。因此，它们着事故和令人苦恼的滑动接触，从而导致更低的极限转速。一般来说在较高转速的工作场合下，宜选用深沟球轴承、角接触轴承、圆柱滚子轴承；在较低转速工作场合下，可选用圆锥滚子轴承

18、。圆锥滚子轴承的极限转速，一般约为深沟球轴承的 65%，圆柱滚子轴承的 70%，角接触球轴承的 60%。推力球轴承的极限转速低，只能用1大连大学于较低转速的场合。对于同一类轴承，愈小，转速愈高。在选用轴承注意要使实际转速低于极限转速。轴承游动和轴向位移通常情，一个轴用两个轴承相隔一定的距离给予支承。为了适应轴和外壳不同程度的热涨影响，安装将一个轴承在轴向固定，另一个轴承使之在轴上可以游动（即游动支承），以防止因轴的伸长或收缩引起的卡死现象。游动支承通常选用内圈或外圈无挡边的圆柱滚子轴承（原 2000 型、32000 型）和滚针轴承，这主要是此类轴承内部结构轴与外壳有适当轴向位移的缘故。此时，内

19、圈与轴，外圈与外壳采用紧配合。当采用不可分离型轴承做游动支承时，如深沟球轴承、滚子轴承，在安装中必须外圈与外壳孔，或内圈与轴采用较松配合，使之轴向可自由游动。圆锥滚子轴承、滚子轴承和深沟球轴承基本上属于型，当用作非时则采用松配合安装。所有推力滚子轴承均属型轴承。便利于轴承的安装和拆卸选用轴承类型时，对轴承安装拆卸是否方便，亦必须考虑周全，特别是对大型和特大型轴承的安装和拆卸尤为重要。一般的外圈可分离的角接触球轴承、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承和滚针轴承，安装拆卸比较方便，它们的内圈和外圈可分别装于轴上或壳体。此外，内径带圆锥孔的，带紧定套的滚子轴承、双列圆柱滚子轴承和调1大连大学心球轴承，也比较

20、容易安装拆卸。其它要求除上述因素外，还应考虑轴承的工作环境温度、轴承密封及对摩擦力矩、振动、噪声等的特殊要求。1.游隙选择游隙是滚动轴承能否正常工作的一个重要因素，分为轴向游隙和径向游隙。选择适当的游隙，可使载荷在轴承滚动体之间合理分布；可限制轴（或外壳）的轴向和径向位移，保证轴的旋转精度；能使轴承在规定的温度下正常工作；减少振动和噪声，有利于提高轴承的寿命。因此。在选用轴承时，必须选择适当的轴承游隙.综上所述，轴承选用角接触球轴承内径 d=25m，宽度 B=15mm7205C（GB/T292-1994）.丝杆轴与大齿轮的轴向选用普通平键连接；其为b³h³f=6³

21、6³20（GB/T1096-2003）。（三）选择电机，齿轮传动计算1.伺服电机选型计算（1）计算齿轮的比根据所要求脉冲当量，齿轮比 i 计算如下:1大连大学i=(.S)/(360.) (1-1)式中：步进电机的步距角（o/脉冲）S-丝杆螺距（mm)-(mm/脉冲）（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量 Jt。Jt=J1+（1/i2)【(J2+Js）+W/g（S/2)2】（1-2）式中：Jt-折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2)J1、J2-齿轮惯量(Kg.cm.s2)Js丝杆惯量(Kg.cm.s2)W-工作台重量（N）S-丝杆螺距（cm）（3）M=Ma+Mf+Mt（1

22、-3）Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×102（1-4）式中：Ma-电机启动力矩（N.m)Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)n-电机所需达到的转速（r/min）T-电机升速时间（s）Mf=(u.W.s)/(2i)×102（1-5）Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)u-摩擦系数-传递效率1大连大学Mt=(Pt.s)/(2i)×102（1-6）Mt-切削力折算至电机力矩（N.m)Pt-最大切削力（N）（4）负载起动频率估算。数控系统电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大，其估算公式为：fq=fq0【(1-(Mf+Mt)/Ml）&

23、#247;(1+Jt/Jm)】1/2（1-7）式中：fq-带载起动频率（Hz）fq0-空载起动频率Ml - 起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)若负载参数无法精确确定,则可按 fq=1/2fq0 进行估算.5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的。（6）负载力矩和最大静力矩 Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于 Mf 与Mt 之和，并留有余量。一般来说，Mf 与Mt 之和应小于（0.20.4)Mmax.经上述分

24、析计算，电机步距角 =0.75°，脉冲当量=0.005mm，由公式=*p*Z1/(360°*Z2),带入数据可得齿数比1大连大学u=Z1/Z2=6/25Ft=F*tan=366.53N进而得到丝杆最大转矩:T0=Ft*d=8980.008 N · m 。丝杆传动效率取 0.9，1 对角接触球轴承 0.97²，齿轮传动效率0.95.总效率为 0.9*0.97 ² *0.95=0.804 。所以电机所需转矩T=T0/(0.804*u)=2.68 N · m .根据之前选定的电机步距角 =0.75°，采用三相反应式步进电机，选用型

25、号 110BF003，其参数静力距 7.84N · m ，满足要求。外形如图，根据电机参数，电机平键轴直径14mm，电机轴主要传递转矩，选用紧定螺钉进行齿轮轴向，根据轴径选用锥紧定螺钉，GB/T71M5x6.1大连大学2.齿轮传动根据工作要求以及工作环境选择直齿圆柱齿轮，上面求得转矩T=4.49N ² m ， 按弯曲疲劳强度取齿轮模 m=1.5, 根据齿数比u=Z1/Z2=6/25，选择齿轮齿数 Z1=24,Z2=100。故此小齿轮分度圆直径 D1=36mm，大齿轮分度圆直径 D2=150mm,中心距a=93mm。三PLC 设计说明（一）.输入输出（I/O）点数的估算I/O

26、 点数估算考虑适当的，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%20%的可扩展后，作为输入输出点数估算数据。（二）.器容量的估算器容量是可编程序器本身能提供的硬件单元大小，程序容量是器中用户应用项目使用的单元的大小，因此程序容量小于器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用器容量的估算来替代。器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 1015 倍，加上模拟 I/O1大连大学点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（16 位为一个字），

27、另外再按此数的 25%考虑。（三）.该选择功能的选择运算功能、功能、通信功能、编程功能、功能和处理速度等特性的选择。1.运算功能简单 PLC 的运算功能逻辑运算、计时和计数功能；普通 PLC的运算功能还数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型 PLC 中还有模拟量的 PID 运算和其他高级运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和时，才使用代数运算，数值转换和 PID 运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。功能2.功能PID运算、前馈补偿运算、比值运算等，应根据要求确定。PLC 主要用于顺序逻辑，因此，

28、大多数场合常采用单回路或多回路器解决模拟量的，有时也采用的智能输入输出单元完成所需的功能，提高 PLC 的处理速度和节省器容量。例如采用 PID单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC 码转换单元等。3.通信功能2大连大学大中型 PLC 系统应支持多种现场总线和标准通信协议（ 如TCP/IP），需要能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合 ISO/IEEE 通信标准，应是开放的通信。为减轻 CPU 通信任务，根据组成的实际需要，择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。4.编程功能五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（F

29、BD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如 C，Basic 等，以满足特殊场合的要求。综上选取PLC 型号西门子 CPU214，扩展 EM222.地址分配：I0.0点动I0.1加脉冲I0.5反转I0.6系统暂停I0.7关闭系统Q0.0驱动器 CPQ0.2驱动器 MC2大连大学I0.0 用来调整位置，I0.1 给系统加脉冲，即加载，行程 50mm，脉冲总数 10000 个，用计数器 C1 来。I0.5 电机反转。I0.6 用于在运行过程中的暂停，需要开始从I0.0 或I0.1 给一个脉冲即可。I0.7 则用于停止系统的运行。语句表：NO1LDM0.0NO2LDI0.1N