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1、机电传动单向数控平台设计专 业： 班 级： 学生姓名：学 号：指导老师：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可行性方案的比较2.3总体方案的确定3、机械传动系统设计及核算3.1滑动导轨的建议选择3.2螺旋丝杠的计算3.3轴承的选择及校核3.4步进电机选型计算4、电气控制系统设计4.1控制系统的的基本组成4.2电器元件的选型4.3控制流程及程序清单5、小结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
2、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 机械传动方式：螺旋丝杠、滚珠丝杠、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：
3、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设计基本依据步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。步进电动机具有以下特点：1、工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响； 2 、步进电动机的步距角有误差，转子转
4、过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ；3、由于可以直接用数字信号控制，与微机接口 比较容易；4、控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；5、不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；6、缺点是能量效率较低。螺旋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。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，效率低，速度低，精度也低，但刚性好，具有自锁功能，用于重载荷。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
5、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。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。2.2总体方案确定，参数初设如下：电机驱动方式：步进电机机械传动方式：滚珠丝杠电气控制方式：PLC控制功能控制要求：速度控制主要设计参
6、数：单向最大工作行程1200mm；工作台重量70kg 移动负载质量100kg； 负载移动阻力50N；移动速度控制3 选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数； 丝杠材料初选钢材为，其HRC为。丝杠两端为固定支撑（F-F），每个支座安装两个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3.1 滑动导轨的简易选择已知条件单向行程长度：ls1200mm1.2m移动速度 ：3m/min负载质量 ：100kg寿命要求 ：每天开机8h，一年按300个工作日，寿命5年以上计算项目设计计算及说明主要结果1、额定工作时 间寿命Th每天开机8h，一年按300个工作日，寿命5年以上2、额定行程长度寿
7、命Ts3、额定动载荷额定动载荷是指滚动直线导轨的额定长度寿命 t=50km 时，作用在滑坐上大小和方向均不变化的载 荷。其值可按下式计算：式中，Ts 为额定行程长度寿命；K 为寿命系数，一般 取K=50km；为硬度系数；为温度系数； 为接触系数；为负荷系数；Ca 为额定动载荷；F 为滑块工作载荷。4、对导轨副的选 择根据以上计算数据，选择上银科技股份有限公司（HIWIN）的四列示低组装线型滑轨EG系列。EG系列采用四列钢珠承受负载设计，使其具备高刚性、高负荷的特性，同时具备四方向负载特色、及自动调心的功能，可吸收安装面的装配误差，得到高精度的诉求。加上降低组合高度及缩短滑块长度，非常 适合高速
8、自动化产业机械及空间要求的小型设备使用。具体型号选取EGH15SA。其具体数据如图2及表3所示图2 四列示低组装线型滑轨EG系列表3 EGH15SA型滑轨详细参数3.2螺旋丝杠的计算滑动螺旋副工作时主要承受转矩、轴向拉压力，设计时应根据具体工作情况，判定其失效形式，确定相应的计算准则。滑动螺旋副的主要失效形式是磨损，故螺杠的直径和螺母的高度通常是按耐磨性计算确定的。传力较大或受冲击载荷的传力螺旋，应校核螺杠危险截面的强度及螺母螺纹牙的剪切和弯曲强度。对精度要求较高的受压螺杠，因其易产生侧向弯曲，需校核其稳定性。长径比较大，转速又较高的螺杠，可能发生横向振动，应校核其临界转。对有自锁要求的螺旋传
9、动，要验算其能否满足自锁条件。在进行滑动螺旋计算之前，要先选择螺纹，螺纹有梯形、锯齿形、圆形、矩形、三角形等，各有各的特点，在这里选用比较常用的梯形螺纹，其特点为：牙型角为30度，内外螺纹以锥面贴紧不易松动，与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好；如用剖分螺母，还可以调整间隙。3.2.1螺旋丝杠初选计算项目设计计算及说明主要结果1、工作载荷通过查阅相关资料，工作载荷Fm是指丝杠副在驱动工作台时承受的轴向力，也叫做进给牵引力，它包括丝杠的走刀方式及与移动体重力作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力，计算公式如下：矩形导轨： 燕尾槽导轨： 三角形或综合导轨： 其中， 分别为
10、工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N）；G为移动部件的重力；k和分别为考虑颠覆力矩影响的试验参数和导轨上的摩擦系数，因导轨形式不同而不同 对于矩形导轨： K=1.1 =0.15对于燕尾导轨：K=1.4 =0.2对于三角形或综合导轨：K=1.15 =0.150.18选取梯形导轨2、最大动载荷动载荷的计算公式为：其中，L为丝杠的寿命系数，单位为1转,;为载荷系数 ，无冲击取1-1.2 一般情况取1.21.5 本设计中受轻度冲击，故取=1.1；T为使用寿命时间,数控机床，一般取T=15000h;n为丝杠转速：；s为导程； 取s=6mm，v=3m/min，故n=500r/min；得3、选择螺旋类
11、型螺旋副的螺纹种类主要有梯形螺纹、锯齿形 螺纹、圆螺纹、矩形螺纹、三角形螺纹。结合受 力情况和使用场合等多种因素考虑，选用梯形螺 纹。其螺旋副的牙形图、特点和应用如图 所示。选用梯形螺纹3.2.2螺旋丝杠的计算校核计算项目设计计算及说明主要结果1、耐磨性(1) 螺杠中径(mm)其中，为螺纹形式系数(梯形螺纹)，取=0.8；为轴向力；为螺母长度L与螺杠中径之比，选整体式螺母，故=1.5；为许用压强，通过查表选择：螺杠螺母材料为钢耐磨铸铁，得=15MPa故 (2) 公称直径d和螺距P根据上式算出的按螺纹的标准基本尺寸系列选取相应的d和P，经查表可选出：公称直径：d=20mm，螺距：p=4mm，取=
12、d-0.5*P=18mm材料选择： 丝杠材料40CrMn，轴颈处可局部热传动螺母采用ZCuSn10Zn2(3) 导程S选取线数Z=1，因为螺距P=4mm，故导程S=ZP=4mm。(4) 螺母旋合长度L螺母旋合长度L=1.518=27mm。(5) 旋合圈数m=27/2=13.5(6) 螺纹工作高度因为是梯形螺纹，所以=0.5P=2mm(8) 压强校核：=2591.2/(3.1418213.5)=3.394 Mp=15，即校核合格，所以说设计正确。2、验证自锁情况(1) 螺纹升角(2) 当量摩擦角通过查表，可得滑动摩擦系数（定期润滑）：=0.09牙型半角 ，满足自锁条件，故此设计可自锁3、螺杠强度
13、(1) 螺杠传动的转矩T （Nmm）(2) 当量应力（MPa）；因 故 (3) 强度条件因为螺杠材料：45钢调质，故可查表得：材料屈服极限=167278MPa ，选278MPa；=0.20.33，则=0.3278=83.4MPa；所以， =83.4 ，校核通过，说明设计正确4、螺纹牙强度校核(1) 螺纹牙底宽度b(mm)因为是梯形螺纹，故 b=0.65p=0.654=2.6mm(2) 剪切：剪切应力(MPa)螺杠： =2.293MPa螺母：=3.302MPa强度条件为：螺杠许用剪切应力=0.6=40MPa螺母许用剪切应力=40MPa2.29340Mpa ，3.302TLF=0.072Nm（空载
14、时的摩擦转矩）工作行程速度计算当T=1.832Nm时，电动机对应频率f3000HZ以上计算，选该型号步进电动机，无论是起动性能，还是空行程快速进给，还是工作行进给速度都能满足设计要求。4、电气控制系统设计4.1控制系统的基本组成系统由西门子S7-200控制器、东方马达RK599ACE电动机/驱动器组合（电机型号为PK599ACE、驱动器型号为RKD514H-C）、七海光栅尺。系统框图如图4-1：I0.0I0.7对偶码定位角度24V人机界面CPU224RKD514H-C驱动器步进电机B路A路I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 编程电缆Q0.2 旋转方向Q0.0 脉冲输出工
15、作台光栅尺4.2电器元件的选型4.2.1 S7-200控制器S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（Micro PLC）。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美的满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。S7-200的编程软件：STEP7-Micro/WIN32。该编程软件可以方便地在Windows环境下对PLC编程、调试、监控。使得PLC的编程更加方便、快捷。主要组成部分：一台S7-200 Micro PLC包括一个单独的S7-200
16、CPU，或者带有各种各样的可选扩展的模块。S7-200 Micro PLC模块包括一个中央处理单元，电源及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。 CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。 输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或者开关）中采集信号，输出部分则控制电机、泵、以及工业过程中的其他设备。 电源向CPU所连接的任何模块提供电力。 通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其他设备连接起来。 状态信息号灯显示了CPU的工作模式（运行或者停止），本机I/O的当前状态，以及检查出错的系统错误。 通过扩展模块可增加CPU的I/O点数
17、。 通过扩展模块可提供其他通讯性能。 一些CPU具有内置的实时时钟，其它CPU则需要实时时钟卡。 EEPROM可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。 通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间本系统中选CPU224，主要参数如表4-1：外形尺寸（mm）120.58062程序存储器4K本机I/O14输入10输出用户数据2K内置高速计数器6H/W（20KHz）数据后备50小时 表4-14.2.2步进电机及驱动系统本系统采用东方马达RK599ACE电动机/驱动器组合（电机型号为PK599ACE、驱动器型号为RKD514H-C）。该系统具有符合环保概念的省电模式，
18、当处于省电模式于停止时自动控制电磁制动，停止对电动机提供电流，仅以电磁制动保持负载。减少耗电量，有助于延长电动机、驱动器的使用寿命。影响电动机使用寿命的轴承使用了高性能轴承润滑油。与原有产品相比，实现了其2倍的使用寿命。设有保护接地端子，卓越的防尘性、防水性的保护等级IP65规格，保护等级IP65规格。电动机与驱动器之间无需中继由于电动机电缆线与驱动器端子部可直接配线，因此，不需要连接到中继用端子台以及焊接。该系统的主要功能：1平滑驱动功能平滑驱动功能是不需变更脉冲输入设定，就能以整步时的移动量、移动速度自行进行微步驱动的控制。只需转换一个开关就可以轻易地实现微步驱动的低振动。使用RK系列的平
19、滑驱动功能，也能缩短整定时间。2微步驱动方式无需通过减速机构等机械元件即可将电动机的基本步距角最大分割至1/250。步距角共有16种。可用驱动器的数字开关轻松设定。除了能进行细微定位外，从低振动、低速搬运至高速复位时，无需特殊调整也可以简单进行。3100-115V、200-230V 电源规格充分考虑到不同国家使用电源不同而特别设计的驱动器，备有100-115V与200-230V的2种输入方式。也拥有充实的安全规格认证，因此可安心使用。4角度精度提高原有的微步驱动器，有时会受到电流控制的影响而使角度精度恶化。但是，RK系列利用高度的电路技术，将电动机本来的高精度发挥到极限。5响应性更好自起动频率
20、高的RK系列无需变更加减速常数即可缩短机器工作周期。在1天中需重复几千次相同周期时，可大幅缩短工作时数。接线图如图4-2：PLC Q0.0Q0.2 220vACGND RKD541H-C脉冲信号 A+方向信号 B+脱机信号 B- 公共端 A- 悬空2K220vAC图4-24.2.3光栅尺光栅位移传感器由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）组成。其进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或 明暗相间）的规则条纹图形（称之为莫尔条纹），经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，送入光栅数显表计数显示。线
21、位移光栅传感器数显系统主要应用于直线移动导轨机构或精密位移量的测量，可实现移动量的高精确显示和自动控制，已广泛应用于机床加工和仪器的精密测量。目前该产品已形成多种系列，品种齐全，制作精巧，技术精良，可供不同规格的各类机床、仪器数字化改造选用，还可根据用户的特殊需要进行特殊制作。配套相应的数显系统可以用于车床改造、铣床改造、镗床改造、磨床改造、火花机改造、钻床改造、坐标测 量、投影测量等。长春七海光栅尺技术QH-400参数如表4-2：精度0.1um响应速度25m/min量程500mm电压输出TTL方波24V工作温度0-45C 表4-24.3控制流程及信号清单4.3.1程序初始化 在程序的第一个扫
22、描周期（SM0.1=1）设置重要的参数。此外，高速计算器HSC2由外部复位并初始化A/B计数器。HSC2对检测定位的光栅传感器信号计数。传感器的A路和B路信号分别作为CPU输入端I1.2和I1.3的输入。由传感器进行定位监视，在输出脉冲结束之后，等待T1时间，以便使连接电机和传感器的轴连接器的振动消失。4.3.2实际值和设定值比较T1到时后，子程序4对实际值和设定值进行比较。若果轴的设定位置的步数范围内，定位就是正确的。如果实际位置在此范围之外，当超过起停频率时，那就会造成电机失步这种情况发生。此时，Q1.1就会输出一个警告信号。4.3.3位置的校正若错误定位被检测出来，则启动第二等待定时器T
23、2。此后，根据设定值和实际值之间的差值计算出校正的步数。当校正时，电机频率低于起停频率，以防新的步数丢失。如果在两次校正尝试之后还不能到达设定位置，为安全起见，控制将被锁定（M0.2=1）。只有按下确认按钮I1.4之后，控制才被打开，然后，进行另一个参考 点的检测。4.3.4流程图如图4-2：启动主程序初始化（仅在第一个扫描周期执行）选择旋转方向（I1.5）在子程序1中指定操作模式设置参考点？定位控制子程序2位置监视错误定位？查找参考值设定参考点传感器A路传感器B路是否否2个不成功的校正尝试？锁定控制子程序5中进行位置校正是是否确认定位错误结束主程序传感器A路传感器B路4.3.5信号清单：输入
24、： I0.0I0.7 I1.0 电机启动按钮 “Start” I1.1 电机停止按钮 “Stop” I1.2 传感器信号A路 I1.3 传感器信号B路I1.4 设置/取消参考点按钮（确认开关）I1.5 选择旋转方向的开关输出：Q0.0 脉冲输出Q0.2 旋转方向信号输出Q1.0 操作模式的显示Q1.1 定位错误的显示标志位：M0.1 电机运转标志位M0.2 锁定标志位M0.3 参考点标志位M0.4 完成第一次定位标志M1.1 T1等待时间到标志位MD8、MD12 M20.0 输出脉冲结束标志位 MW25 错误定位计数器精度： AC0 允许偏差的下限 AC1 允许偏差的上限 AC2 设定值AC3
25、 辅助寄存器4.4.6主程序及注释如下： ORGANIZATION_BLOCK 程序块:OB1TITLE=子程序注释BEGINNetwork 1 / 主程序初始化LD SM0.1 /仅首次扫描时SM0.1才为1ATCH INT0, 19 /把中断程序0分配给中断事件19ENI /允许中断MOVW 0, SMW70 /脉冲宽度等于0（脉宽调制）CALL SBR6 /在子程序六中进行初始化MOVB 16#FC, SMB57 /置hsc2的控制字节HDEF 2, 10 / HSC2模式10：外部复位，A/B计数器HSC 2 /激活HSC2Network 2 / 定位速度LDW= MW25, 0 /若
26、没有错误定位MOVW 200, SMW68 /则高速定位（T=200us）Network 3 / 设置逆时针旋转LDN M0.1 /若电机停止（M0.1=0）A I1.5 /且按下旋转方向开关（I1.5=1）S Q0.2, 1 /则逆时针旋转（Q0.2=0）Network 4 / 设置顺时针旋转LDN M0.1 /若电机停止（M0.1=0）AN I1.5 /且未按下旋转方向开关（I1.5=0）R Q0.2, 1 /则顺时针旋转（Q0.2=0）Network 5 / 锁定LD I1.1 /若按电机停止按钮STOPOW= MW25, 3 /或者有3个错误定位S M0.2, 1 /则激活锁定（M0.
27、2=1）Network 6 / 解除锁定LDN I1.1 /若未按电机停止钮stop（I1.1=0）AN I1.0 /且未按电机启动钮start（I1.0=0）AW= MW25, 2 /且= SMD72, 1 /且步数大于1MOVD 0, SMD58 /置HSC2的起始值为0HSC 2 /启动HSC2MOVB 16#85, SMB67 /激活脉冲输出功能PTO0S M0.1, 1 /电机运转标志位置位（M0.1=1）PLS 0 /电机输出端Q0.0输出脉冲Network 9 / 定位LDN M0.3 /若定位操作模式（M0.3=1）A M0.4 /且尚未定位（M0.4=0）CALL SBR2
28、/则调用子程序2来定位Network 10 / 位置校正LD M1.1 /若T1到时（M1.1=1）AW= MW25, 1 /且检测出错误定位（MW25=1)AN M0.2 /且未激活锁定TON T98, 100 /则启动等待定时器T2（1秒）Network 11 LD T98 /若T2到时（T98=1），则CALL SBR5 /调用子程序5计算校正步数MOVW 1000, SMW68 /用1KHz进行位置校正MOVB 16#85, SMB67 /激活PTO0（即PTO0的控制位）S M0.1, 1 /设置电机运转标记位PLS 0 /启动Q0.0输出脉冲R M1.1, 1 /T1复位（M1.1=0）Network 12 LD M20.0 /若脉冲输出结束（M20.0=1）AN M0.2 /且未激活锁定TON T97, 50 /则启动等待定时器T1（500毫秒）Network 13 LD T97 /若T1到时（T97=1），则S M1.1, 1 /置T1标志置位CALL SBR4 /在子程序4中调用为位置监视R M20.0, 1 /脉冲输出结束标志位复位（M20.0=0）Network 14 / 电机停止LD I1.1 /若按下电机停止按钮stop（I1.1=1）EU /且上升沿A M0.1 /且电机在运转（M0.1=1）CALL SBR0 /则调用电机停止子程序
