机电传动单向数控平台设计（课程设计含CAD图纸）
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课程设计机电传动单向数控平台学 院班 级学 号姓 指导老师：目录1 设计任务21.1设计任务介绍及意义21.2设计任务明细22 总体方案设计32.1设计基本依据32.2总体方案确定53 机械传动系统设计及核算63.1螺旋丝杠选用及核算63.2轴承选用及核算133.3步进电机选用及核算153.4联轴器选用及核算193.5增量式旋转编码器的选用214 电气控制系统设计224.1环形脉冲分配器CH250224.2 功率放大器234.3 PLC高速脉冲输出控制235 结论356 参考文献351.设计任务1.1设计任务介绍及意义1.11 课程设计题目机电传动单向数控平台设计1.12 主要设计内容(1)机械传动结构设计(2)电气控制系统1.13 课程设计意义(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。(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设计任务明细机电传动单向数控平台设计：电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；功能控制要求：速度控制、位置控制；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；负载移动阻力100、50 N；移动速度控制3、6 m/min；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是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。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。 下面先叙述三相反应式步进电机原理。 通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。优点:1.电机旋转的角度正比于脉冲数；2.电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；3.由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 4.优秀的起停和反转响应；5.由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；6.电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；7.仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转；8.由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。2.1.2机械传动方式的选择选择螺旋丝杠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：(1)机驱动方式：步进电机机械传动方式：螺旋丝杠电气控制方式：PLC控制功能控制要求：速度控制主要设计参数：单向工作行程：1200mm移动负载质量：100kg负载移动阻力：100N移动速度控制：3m/min自定参数：载物平台质量：30kg导轨摩擦系数：0.12要求使用寿命：20000h丝杠两端为固定支撑（F-F），每个支座安装圆锥滚子轴承。3.机械传动系统设计及核算3.1 螺旋丝杠的选用及校核计算项目单位计算依据结果备注选择材料和许用应力螺杆材料选择45号钢，调质处理，=360 ,由表12-10-0可得，螺旋材料的许用应力，可取；螺母材料选择ZcuAl10Fe3,由表12-1-10可得，=4060，可取=50，可取；工作台移动速度3m/min，低速，由表12-1-9钢对青铜，速度0.05m/s时可得许用压强，可取。耐磨性导轨摩擦力丝杠轴向载荷NN152.9252.9螺杆中径 mm梯形螺纹和矩形螺纹 2.74根据GB5796.3-86 选取d=22 P=3 =20.5 =22.5 =18.5 =19 的梯形螺纹，7级精度。母高度 mm整体式螺母 取1.836.9旋合圈数 12.3螺纹的工作高度（基本牙型高）mm梯形螺纹和矩形螺纹 1.5工作压强 Mpa0.21经校核，工作压强，符合要求验算自锁螺纹升角 单头螺纹，导程S=P=3mm； 当量摩擦角；由手册12-1-7，钢对青铜=0.080.10，选取=0.09；牙型角=；经校核,故自锁可靠。螺旋强度当量应力 Mpa1.06传递转矩（）；外螺纹小径；经校核：85时有：28163.6端部结构系数，由表12-1-5得两端固定的端部结构系数=0.5；螺杆最大工作长度；E螺杆材料的弹性模量，对于钢E=；螺杆危险截面的轴惯性矩，；经校核： 故稳定性满足要求螺杆刚度轴向载荷使导程产生的变形mm螺杆危险截面的极惯性矩，=；G螺杆材料的切变模量，对于钢G=。转矩使导程产生的变形导程的总变形量校核：由表12-1-6，可得对于7级精度，S=3mm的螺杆，本设计，故每米导程变形量在运许值内。横向振动临界转速螺杆最大转速：对于钢制螺杆应使转速,即3562.33449.2系数，与螺杆的端部结构有关，由表12-1-5可得，两端固定形式系数=4.730；螺杆两支承间的最大距离，mm;密度，对于钢。经校核，螺杆最大转速，故转速满足要求。驱动转矩 效率 回转运动转化为直线运动时：系数为轴承效率，决定于轴承型式，滑动轴承取最小值；轴向载荷与运动方向相反时取+号。3.2轴承的选择和校核轴承的选用查机械设计手册表7-2-70选择圆锥滚子轴承7302E,该轴承参数如下d=15mm,D=42mm,B=13mm, ， ，取基本额定动载荷 , 基本额定静载荷,采用脂润滑,极限转速为9000r/min。轴承的受力参数由于螺杆只受轴向力，径向力由轨道承受，所以，轴承只受轴向力。故选择圆锥滚子轴承。圆锥磙子轴承的特点：能承受较大的单向的轴向载荷。径向力轴向力圆周力计算轴承受力轴承1、2的合成支反力为0；由机械设计，表10.7可得：圆锥滚子轴承派生轴向力；平台进给运动时，只有一端轴承受力，因轴承所受轴向载荷，可得,计算轴承所受当量动载荷轴承工作时受中等冲击，根据机械设计，表10.6，可得载荷系数，可取。因轴承1、2的合成支反力为0，故，。查表10.5，可得当量动载荷系数，。当量动载荷; 计算轴承寿命因，故应该按计算，由表10.3取温度系数，故轴承寿命，故寿命满足要求。3.3步进电机选用及核算计算项目单位计算依据结果备注估算步进电机功率系统效率0.31螺旋副传动效率；一对圆锥滚子轴承的传动效率；凸缘联轴器的传动效率；电机功率PW42.15根据估算的步进电机功率，初步选择步进电机型号为95BC340A，三相，步距角，电压60110V，电流6A，最大静转矩,空载启动频率1500Hz，空载运行频率15000Hz。转动惯量=。脉冲当量mm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。螺旋丝杠折算到电机轴上的转动惯量37.53传动比，无齿轮减速时=1；空载时的负载质量；螺杆的公称直径。工作台折算到电机轴上的转动惯量0.30丝杠的导程；工作台及移动质量。折算后电机轴上的总转动惯量步进电机转轴上的等效负载转矩的计算步进电动机转轴所承受的复制转矩在不同的工况下是不同的。通常考虑两种情况：一种情况是快速空载启动（工作负载为0），另一种情况是承受最大工作载荷。下面分别进行讨论：快速空载启动时电机转轴所承受的负载转矩0.82快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；0.24移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；垂直方向上工作负载，本工作台为零。0.12丝杠预紧力，取工作载荷的1/3；丝杠预紧后折算到电机转轴的附加转矩；未预紧时的传动效率。最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩0.40折算到电机转轴上的最大工作负载转矩。0.761.18电机转轴最大等效负载转矩校核因为在工程应用中，当电网电压降低时，步进电动机的输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。所以，在选择步进电机最大静转矩时，需要考虑安全系数K，对于开环控制，一般应在2.54之间选取。有以上计算得：,故满足要求，校核通过。步进电机的性能校核最快工作进给速度时电机输出转矩校核由最快工作进给速度和系统脉冲当量，可计算出电机对应的运行频率为： 从初选步进电动机的矩頻特性曲线，可得4000Hz对应的输出转矩经校核：，故满足要求，校核通过。最快空载移动时电机输出转矩校核由最快空载移动速度和系统脉冲当量，可计算出电机对应的运行频率为：从初选步进电动机的矩頻特性曲线，可得4000Hz对应的输出转矩经校核：，故满足要求，校核通过。最快空载移动时电机运行频率校核Hz经校核：最快空载移动时电机运行频率校核小于所选电动机的极限空载运行频率15000Hz，故满足要求，校核通过。启动频率的校核Hz287.51经校核：，故满足要求，校核通过。3.4联轴器的选用及核算本工作台的负载较小，系统冲击为中等，输入轴的最大工作转速较小。综上选择凸缘联轴器。凸缘联轴器的优缺点：优点是构造简单，成本低，可传递较大的转矩。适用于转速低，冲击小，刚性大的轴。缺点是缺乏补偿相对位移的能力。装拆时需将轴作轴向移动。根据步进电机的轴颈初选用YL1式凸缘联轴器，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。3.5 增量式旋转编码器的选用 ZLK-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。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。41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。4.1.1 CH250管脚图如下所示:4.1.2 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”，J3L“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。4.13 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。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。4.3 PLC高速脉冲输出控制4.3.1 PLC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、报警指示灯输出Q0.24.3.3数控平台数控程序流程图4.3.4 PLC控制程序主程序Main:Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.1R Q0.0, 2R S0.0, 3Network 2 / 当物体处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 /正向输出LD SM0.1 /正向标志CALL SBR0 /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 SM0.1 /反向输出AN I0.3 /反向标志CALL SBR0 /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 100, SMW168MOVB 3, VB100MOVW +667, VW101 /第1段的初始周期，周期单位MOVW -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MOVW 0, 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PLS 0Network 2 LD I0.3O I0.4S SM66.5, 1子程序SBR_1 ；紧急停车时脉冲控制Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.0MOVW +50
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