定位磨齿专用工作台设计.docx

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定位磨齿专用工作台设计

定位磨齿专用工作台设计

摘要

定位磨齿专用工作台机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度，降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。

开环控制能充分的利用微机的软件、硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大,进一步提高机床的精度和可靠性。

本文机械部分采用步进电动机通过同步齿形带带动滚珠丝杠拖动工作台在直线滚动导轨副上运动，其中，步进电动机选用90BYG22602型号。

工作台控制部分以S7-200PLC为核心，作为主控器；选择步进电机配套驱动器MD-201驱动步进电动机实现加、减速、急停等操作，从而实现对工作台的控制。

关键词：

步进电动机，S7-200PLC，工作台

Positioning Grinding Teeth Dedicated Workbench Design

Author:

ZhouZhuonan

Tutor:

XueDongbin

Abstract

Summarytwo-axisCNCWorkbenchisanopen-loopcontrolsystemformechanicalandelectricalsystemsdesign,itsstructureissimple,easyandcanguaranteeacertaindegreeofaccuracy,reducecosts,isthesimplestapplicationofmicrocomputercontroltechnology.Open-loopcontrolcanmakefulluseofcomputersoftwareandhardwarecapabilitiesforcontrolofthemachinetool,machinetoolmachiningrangeofexpanded,furtherimprovetheaccuracyandreliabilityofmachinetools.

MachinerysectionofthisarticleadoptssteppingmotorbydraggingthetableinTimingbelt drivenballscrewlinearrollingguideonmovement,ofwhich,stepmotorselection90BYG22602model.TablecontrolsectionS7-200PLCmicrocontrollerasthecore,selectsteppingmotordriveMD-201-drivesteppermotorsforoperationssuchasaddition,decelerationandemergencystop,enablingcontroloverthetable.

Keywords:

Steppermotors,S7-200PLC,Workbench

目录

1绪论1

1.1前言1

1.2机电一体化系统综述1

1.2.1机电一体化系统的基本构成1

1.2.2机电一体化系统的核心技术3

1.2.3机电一体化的发展趋势3

2总体方案设计5

2.1确定主要参数5

2.2工作台的外形尺寸6

2.3机械传动部件的选择7

2.3.1导轨副的选用7

2.3.2丝杠螺母副的选用7

2.3.3伺服电动机的选用7

2.3.4控制系统的选用7

2.4控制系统的设计7

2.5系统总体框图8

3机械设计部分9

3.1工作台重量初步估算9

3.2磨削力的计算9

3.3滚动导轨的选用10

3.1.1导轨工作负载计算10

3.3.2块承受工作载荷

的计算11

3.3.3距离额定寿命L的计算11

3.4滚珠丝杠的计算和选择11

3.4.1最大工作载荷Fm的计算12

3.4.2最大动工作载荷FQ的计算12

3.5型号的选择与校核12

3.5.1规格型号的初选12

3.5.2传动效率η的计算13

3.5.3刚度的验算13

3.5.4压杆稳定性校核14

3.6步进电动机的计算与选型14

3.6.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq14

3.6.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq15

3.6.3步进电动机最大静转矩的选定17

3.6.4步进电动机的性能校核17

3.7步进电机同步齿形带的设计19

3.7.1给出传动要求及原始数据19

3.7.2选择带的节距19

3.7.3确定带轮直径及带的节线长19

3.7.4确定带宽20

4控制系统硬件设计22

4.1硬件设计22

4.1.1主控制器CPU的选择22

4.1.2系统结构22

4.1.3硬件配置22

4.2PLC的输入信号与输出信号23

4.3系统软件设计23

4.4初始化24

4.5设置和取消参考点24

4.6定位控制25

4.7停止电机25

5程序和注释26

6系统误差分析31

6.1误差的来源31

6.2控制系统误差31

6.2.1步进电机失步原因和解决办法31

6.2.2步进电机越步原因和解决办法32

6.2.3本设计中采用的方法32

6.3进给系统的误差32

设计总结34

致谢35

参考文献36

1绪论

1.1前言

机电一体化技术是指建立在机械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术基础上的一种综合性技术，通过对机械、电子与信息技术的有机结合，来实现工业产品和生产过程最优化。

在机械领域，由于微电子技术和微机技术的迅速发展，发展形成的机电一体化技术，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

在传统的机械设备通常需要采用比较复杂的机械传动系统来连接各个相关的执行构件，以保证各执行构件动作的同步性和协调性。

机械传动部件之间的机械磨损、间隙配合等所引起的运动误差和传动链较长等常常影响设备传动精度和效率。

而且，由于人机的直接接触，事故发生率较高，后果较严重。

采用机电一体化技术后，可以用电子器件、微型计算机来控制和实现各执行构件的动作及功能关系协调，实现机械产品操作的全部自动化。

通过微机控制系统可以精确地按照预先给定量，同时可使相应的机械动作、各种干扰因素造成的误差，进行执行校正、补偿，从而可以达到单纯机械方法所实现不了的加工工艺精度。

本文重点是二维工作台的机电系统控制的设计，即通过对小型机械设备的机械和机电控制相结合来加深自己对机电一体化系统的基本原理和简单设计过程的了解。

1.2机电一体化系统综述

1.2.1机电一体化系统的基本构成

1、机电一体化系统的基本构成要素

一个机电一体化系统一般包括一下几个基本要素：

机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感与检测部分、信息处理与控制单元各要素和环节之间相联系接口。

具体系统中，要素的构成不太一样，例如，开环控制系统当中，不需要检测元件。

机电一体化系统组成如图1-1所示。

图1．1机电一体化系统的组成

从机电一体化系统的功能来看，与人体有着完美的相似性，如表1-1所示。

表1.1机电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系

机电一体化系统要素

功能

人体构成要素

控制器（计算机等）

控制（信息存储、处理、传送）

头脑

传感器

检测（信息收集与变换）

感官

执行部件

驱动（操作）

四肢

动力源

提供动力（能量）

内脏

机械本体

支撑与连接

躯干

2、机电一体化系统的构成要素的连接

机电一体化系统的基本要素内部及各要素之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换，有机的融合，集成一个完整系统。

各要素之间必须遵循接口耦合、物质流动、信息控制、能量转换的四大原则，完成以下内容：

变换。

两个需要进行信息交换和传输的要素之间，由于信息的模式不同（数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等），无法直接实现信息或能量的交流，必须通过接口完成信息或能量的统一。

涉及的接口包括传感器接口、计算机接口。

放大。

在两个信息强度相差悬殊的要素之间，经接口放大，达到能量的匹配。

耦合。

变换和放大后的信号在要素之间能可靠、快速、准确地交换，不需符合时序要求、信号格式和逻辑规范。

接口应该具有信息逻辑控制的功能，使信息按规定模式传递。

能量转换。

能量转换包括执行器、驱动器，各要素之间的不同类型能量的转换，应该满足最优转换方法与原理。

信息控制。

智能组成要素的系统控制单元，在软硬件的保证下，要完成数据采集、分析、判断、决策，已达到信息控制的目的。

对于智能化程度高的系统，还包含了知识的获取、推理机制及知识学习等以知识驱动为主的信息控制。

运动传递。

运动传递是指各组成要素之间不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。

1.2.2机电一体化系统的核心技术

（1）机械技术。

在当代的机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。

（2）计算机与信息技术。

其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。

（3）系统总体技术。

系统总体技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，实现系统各部分有机连接的保证。

（4）自动控制技术。

其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。

（5）传感检测技术。

传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。

其功能越强，系统的自动化程序就越高。

现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。

（6）伺服传动技术。

包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。

1.2.3机电一体化的发展趋势

机电一体化系统是具有机电一体化技术的新型机电系统。

其发展依赖于机械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术，它的发展主要体现在以下几个方面：

模块化。

融合机械、电子和软件三大部分的机电一体化模块代表了未来产品的发展方向，具有高度自主性、良好的协调性和自组织性的特点。

微型化。

微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活,可进入一般机械无法进入的空间，并易于进行精细操作，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。

目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。

绿色化。

21世纪，机电一体化技术的使命是要能提供一种高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、环境舒适和可回收的智能化机械产品，即提供一种能满足可持续性发展的绿色产品。

智能化。

目前,专家系统、模糊系统、神经网络以及遗传算法,是机电一体化产品（系统）实现智能化的4种主要技术，随着制造自动化程度的不断提高,将会出现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动,并会对制造中出现的问题进行分析、判断、推理、构思和决策。

网络化。

现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势,利用家庭网络（homenet）将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统（computerintegratedappliancesystem,CIAS）,因此机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。

如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：

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设计总结

本系统是专为用步进电动机驱动，有两轴联动功能的数控工作台而设计的，具有数控系统所使用的常用功能，结构简单，操作方便，控制精度高。

本设计题目可以说是对我整个大学学习成果的一个综合性的检验，从机械制图到单片机控制系统的设计，包含了计算机绘图，机械设计，机械原理，控制工程，PLC控制，电子技术等多门课程。

通过本次设计，系统化了我的知识体系，关键是让我明白了，从设计题目开始到设计成果的展现，要做哪些工作，要完成哪些任务，应如何收集较完善的资料，最关键的是从哪里入手。

通过这次毕业设计，我更加发现了我的很多不足，但是我也更加增加了以后工作学习的信心。

相信在这次的设计，会是我人生路上的重要坐标，让我更加懂得学习和知识的重要性，我对于本次设计也是费尽了心血，受益颇多。

致谢

本次毕业设计的顺利完成，首先我要感谢党和国家给我上大学的机会，让我可以学习知识；其次要感谢黄河科技学院对我的栽培和鼓励，给我提供给了一个良好的学习环境；再次，我要向我的论文指导老师薛东彬老师表示衷心的感谢，感谢他对我的严格要求，感谢他的监督和指导；接下来就是要感谢这四年里给我授课的所有老师，感谢你们传给我知识；还要感谢参考文献中所列书籍、文章及资料的作者；最后就是要谢谢我的同学，有了他们的帮助，我的设计才会顺利完成，谢谢你们。

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