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1、 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：1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 CH250.224.2 功率放大器 .234.3 PLC 高速脉冲输出控 制 .235 结论 .356 参考文献 .3521.
2、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
3、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；32. 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
4、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
5、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4会 将 一 步 的 误 差 积
6、 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
7、 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us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
8、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
9、，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。5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
10、、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6参数初设如下：(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 ,
11、由表 12-10-0 可得，螺旋s2N/m材料的许用应力 ，可取 ；螺母材料选择1207 35s2/210/ZcuAl10Fe3,由表 12-1-10 可得， =4060 ，可取 =50 ，b2/b2N/m，可取 ；工作台移动速度 3m/min，低速，由表 12-2304/Nm2/Nm71-9 钢对青铜，速度 0.05m/s 时可得许用压强 ，可取218/pNm。21/pNm导轨摩擦力 F丝杠轴向载荷 aFNN0.1239.8g9.afF152.9252.9螺杆中径 2dmm 225.90.81Fdp梯形螺纹和矩形螺纹 .2.74 根据 GB5796.3-86 选取 d=22 P=3 =20.
12、5 2d=22.5 =18.5 =19 4D31D的梯形螺纹，7 级精度。母高度 Hmm 21.805d整体式螺母 取 1.836.9旋合圈数 Z36.9HZP12.3耐磨性螺纹的工作高度 mm 梯形螺纹和矩形螺纹8（基h本牙型高）0.5.3hP1.5工作压强 pMpa 225.93.1401.3Fpdhz0.21 经校核，工作压强 85 时有：i2 42523.18.3.14.06acEIFl28163.6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； 318.5462di；E螺杆材料的弹性模量， ，对于钢2N/mE= ；5.10螺杆危险截面aI的轴
13、惯性矩， ，4m；436adI经校核：2813.62.559cF11故稳定性满足要求轴向载荷使导程产生的变形 FS2354.93.1018.FSEAd51.340转矩使导程产生的变形 MS243224163.1850.ttMpSSGId75.410螺杆危险截面pI的极惯性矩 ， =4mpI；432dG螺杆材料的切变模量， ，对于钢2N/mG= 。48.510螺杆刚度导程的总变形量 Smm 2423316tMFSFSGdE23.901./m51.90校核：由表 12-1-6，可得对于 7 级精度，S=3mm的螺杆，310/Sm本设计 3，故每米导程310S变形量在运许值内。12横向振动临界转速 cnmir螺
