机械134豪说明书

1、目录一.系统总体设计4二. 参数计算4（一）.弹簧参数选择计算4几何参数计算4特性曲线5承受静载荷的圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计5（二）滚珠丝杆，轴承等零件参数计算71.滚珠丝杆72.轴承. 7（三）选择电机，齿轮传动计算91.伺服电机选型计算：. 92.齿轮传动10三.PLC 控制设计说明10（一）.输入输出（I/O）点数的估算. 10. 11（二）.器容量的估算（三）.控制功能的选择. 11四. 装配图12五. 梯形图12六.接口电路图12七.系统传动简图13八.个人小结13参考文献14专业课程设计任务 书系别：机械工程系班级：134：豪学号：2013022431设计时间：3 周设计题目

2、及设计参数：PLC 控制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： 1000N设计要求：伺服系统装配图 A0 一张PLC 控制步进电机驱动及接口电路图一张系统梯形图一张说明书 70008000 字（包括语句表）指导教师：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，控制部分，执行部分。1.电源部分：AC220V 提供动力控制能源。DC24V 开关电源，为 PLC 供电，提供伺服控制信号电源。2.控制部分：该部分是由 PLC 负责发出控制信号，伺服驱动器对伺服电机进行闭环控制，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.执行部分

3、：该部分由执行电机拖动所需机械设备进行工作，电机工作情况由自身编 反馈给驱动器进行闭环控制，机械部分可由传感器反馈给 PLC 进行闭环控制。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=1000/50=20N/mm。结构设计为 4 个弹簧并联，每根弹簧刚度 k=20/4=5N/mm。1.几何参数计算普通圆柱螺旋弹簧的主要几何尺寸有：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几何尺寸参数图可知，它们的关系为：式簧的螺旋升角，对圆柱螺旋压缩弹簧一般应在59范围内选取。弹簧的旋向可以是右旋或左旋，但无特殊要求时，一般都用右

4、旋。中径：D2=Cd按普通圆柱螺旋弹簧尺寸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)（冷卷）n1=n+(1.52)（YII 型热卷）拉伸弹簧 n1尾数为 1/4,1/2,3/4 整圈。用 1/2 圈。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，（=59）2.特性曲线弹簧应具有经久不变的弹性，且不允许产生变形。因此在设计弹簧时，务必使其工作应力在弹

5、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关系，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关系(图 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长度。弹簧在安装时，通常预加一个压力 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

6、。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，且总的重复次数不超过103 次的交变载荷或脉动载荷而言。在这些情况下，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、最大变形、以及结构要求(例如安装空间对弹簧尺寸的限制)等来决定弹簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧

7、的螺旋升角和长度等。具体设计方法和步骤如下:根据工作情况及具体条件选定材料，并查取其机械性能数据。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。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，并查取弹簧丝的许用应力。试算弹簧丝直径 d必须注意，钢丝的许用应力决定于其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

8、，再查其而计算，代入上式进行试算，直至满意后才能计算 D2.计算出的 D2，值也要按表进行圆整。5）根据变形条件求出弹簧工作圈数：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）求出弹簧的尺寸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)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，这在工作中是不允许的。为了便于制造及避免失稳现象，建议一般压缩弹簧的长细比 b=H0/D2 按下列情况选取：当两端固定时，取 b5.3；当一端固定，另一端转动时，取 b3.7；当两端转动时，取 bFmax式中：Fc稳定时的临界载荷；C

9、u不稳定系数，从中查得；Fmax弹簧的最大工作载荷。如 FmaxFc 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。进行弹簧的结构设计。如对拉伸弹簧确定其钩环类型等，并按表计算出全部有关尺寸。绘制弹簧工作图。经上述计算根据杆径和最大受力 3600N,弹簧的选用参数如下：（二）滚珠丝杆，轴承等零件参数计算1.滚珠丝杆选择滚珠丝杆，导程 p=6mm，代号 2506-2.5，螺旋角=422,丝杆大径 d=24.5mm。螺母选用 FC1 型，长度 L=44mm。螺钉 M6*30。轴承座和横板的连接用开槽沉头螺钉 M4*20（GB/T68-2000）。固定轴

10、套圆螺母 M24*1.5（GB/T 810-1988）。其他圆螺母均为 M20*1.5（GB/T 810-1988）。 2.轴承2.1 选择步骤（1）根据轴承工作条件（包括载荷方向及载荷类型、转速、润滑方式、同轴度要求、定位或非定位、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根据使用要求，选定轴承型号，再验算要求，通过计算确定轴承型号，或；（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是极限转速、要求的确良和载荷能力，其它的则有助于确定轴承类型、结构、尺寸及公差等级和游隙工求的最终方案。2.2 类型选择各类滚动轴承具有不同的

11、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。一般情况下：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、众多的轴承产品中，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，一般先确定轴的尺寸，然后，根据轴的尺寸选择滚动轴承。通常是小轴选用球轴承，大轴选用滚子轴承。但是，当轴承在机器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；当轴承在机器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轴承。轴承所受载荷的大小、方向和性质工作高度高度钢丝直径旋绕比效圈数总

12、圈数螺旋角40mm90mm2.0mm51/710 圈12 圈6.8载荷是选用轴承的最主要。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，渗碳钢制造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联合载荷时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承。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调心滚子轴承，以及外球

13、轴承。此类轴承在轴稍微倾斜或弯曲情况下，能保持正常工作。轴承性能愈好。轴承的刚性性能的好坏，与其允许的不同轴度有关，不同轴度值愈大，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，一般应选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：预紧量不可过大。过大时，将使。轴承摩擦增大，轴承的转速增高

14、，影响轴承使用每一个轴承型号都有其自身的极限转速，它是由诸如尺寸、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。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。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，只能用于较低转速的场合。对于同一类轴承，尺寸愈小，允许转速愈高。在选用轴承时，应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况下，一个轴用

15、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，安装时应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，这主要是此类轴承结构允许轴与外壳有适当轴向位移的缘故。此时，内圈与轴，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，在安装中必须允许外圈与外壳孔，或内圈与轴采用较松配合，使之轴向可游动。圆锥滚子轴承、滚子轴承和深沟球轴承基本上属于定位型，当用作非定位时则采用松配合安装。所有推力滚子轴承均属定

16、位型轴承。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，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承、双列圆柱滚子轴承和其它要求。此外，内径带圆锥孔的，带紧定套的球轴承，也比较容易安装拆卸。滚子轴除上述外，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。游隙选择：游隙是滚动轴承能否正常工作的一个重要，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

17、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，有利于提高轴承的的轴承游隙.。因此。在选用轴承时，必须选择适当综 上 所 述 ， 轴 承 选 用 角 接 触 球 轴 承 内 径 d=25mm, 宽度 B=15mm（GB/T292-1994）.丝杆轴与大齿轮的轴向定位选用普通平键连接； 其尺寸为（GB/T1096-2003）。=6*6*20（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i=(.S)/(360.)(1-1)比i 计算如下: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

18、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）计算电机输出的总力矩MM=Ma+Mf+Mt（1-3）Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102（1-4）式中：Ma-电机启动加速力矩（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）式中：Mf-导轨摩擦折算至

19、电机的转矩（N.m) u-摩擦系数-传递效率Mt=(Pt.s)/(2i)102（1-6）式中：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。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为：fq=fq0【(1-(Mf+Mt)/Ml）(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

20、输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。（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),带入数据齿数比 u=Z1/Z2=2/5。当行程达到最大的 50mm,允许有 20%的过载，最大工作受力为 F=3600N,由此丝 杆 所 受 的 切 向 力 Ft=F*tan =275N. 进 而 得 到 丝 杆 最 大 转

21、 矩T0=Ft*d=6740N*mm。丝杆传动效率取 0.9，1 对角接触球轴承 0.97，齿轮传动效率 0.95，总效率为 0.9*0.97*0.95=0.804。所以电机所需转矩 T=T0/(0.804*u)=3.353N*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定位，根据轴径选用开槽锥紧定螺钉，GB/T71M5*6.2.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=3.353N*m，按

22、弯曲疲劳强度取齿轮模 m=1.5,根据齿数比 u=Z1/Z2=2/5，选择齿轮齿数Z1=40,Z2=100。故此小齿轮分度圆直径 D1=64mm，大齿轮分度圆直径 D2=154mm,中心距（取整）a=110mm。三.PLC 控制设计说明（一）.输入输出（I/O）点数的估算I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，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控制器本身能提供的硬件单元大小，程序容量是存储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

23、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，通常采用存储器容量的估算来替代。（三）.控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、等特性的选择。1.运算功能功能和处理速度简单 PLC 的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通 PLC 的运算功能还包括数据移位、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控制时，才使用代数运算，数值转换和编码等运算。2.控制功能运算等。要显示数据时需要译码和控制功能

24、包括控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用的控制功能，提高 PLC 的处理速度和节省的智能输入输出单元完成所需器容量。例如采用控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC 码转换单元等。通信功能大中型 PLC 系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如 TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合 ISO/IEEE 通信标准，应是开放的通信网络。为减轻 CPU 通信任务，根据网络组成的实际需要，应选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。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（FBD）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，以满足特殊控制场合的控制要求。综上分析，选用：PLC 型号西门子 S7-200地址分配：I0.0