机电传动单向数控平台设计.docx

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机电传动单向数控平台设计

1、设计任务

1.1设计任务介绍及意义

（1）课程设计题目：

机电传动单向数控平台设计

（2）主要设计内容：

机械传动结构设计和电气控制系统

①电机驱动方式步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机

②机械传动方式螺旋丝杠、滚珠丝杠、同步皮带、链传动等

③电气控制方式单片微机控制、PLC控制

④功能控制要求速度控制、位置控制

⑤主要设计参数

单向工作行程——1800、1500、1200mm

移动负载质量——100、50kg

负载移动阻力——100、50N

移动速度控制——3、6m/min

（3）课程设计意义：

通过课程设计，培养综合运用所学知识和能力，提高分析和解决实际问题的能力。

专业课程设计是建立在专业基础课程和专业方向课的基础之上，根据所学课程进行工程基本训练。

1.2设计任务明细

（1）方案设计：

根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析评价，进行方案选优；

（2）总体设计：

针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（A2图纸一张）；

（3）电气控制线路图：

根据控制功能的要求，完成电气控制设计，给出电气控制电路原理图（A3图纸一张）；

（4）成果展示：

课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，应保证独立完成课程设计说明书一份，字数为3000字以上，设计图纸不少于两张；

（5）绘图及说明书：

用计算机绘图，打印说明书；

（6）设计分组：

设计选题分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成。

2、总体方案设计

2.1设计的基本依据

机电传动单向数控平台是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电动机及拖动控制、检测等技术为一体的自动化设备。

其基本组成包括机械传动系统、数控装置、伺服系统、反馈系统等。

机械传动系统的主传动在数控平台上一般采用丝杆螺母机构。

它是将旋转运动变换为直线运动，也可以将直线运动变换为螺旋运动。

丝杆螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。

滑动摩擦机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能，但其摩擦阻力打，传动效率低。

滚珠丝杆机构虽然结构复杂，制造成本高，但最大优点是摩擦阻力小，传动效率高。

数控装置是数控平台的核心。

其功能是接受输入装置输入的数控程序中的加工信息，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，发出相应的脉冲送给伺服系统，使伺服系统带动机床的各个运动部件按数控程序预定要求动作。

一般由输入输出装置、控制器、运算器、各种接口电路、CRT显示器等硬件以及相应的软件组成。

数控装置作为数控机床“指挥系统”，能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。

伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。

驱动机床执行机构运动的驱动部件，包括主轴驱动单元（主要是速度控制）、进给驱动单元（主要有速度控制和位置控制）、主轴电动机和进给电动机等。

一般来说，数控平台的伺服驱动系统，要求有好的快速响应性能，以及能灵敏且准确地跟踪指令功能。

数控机床的伺服系统有步进电动机伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统，现在常用的是后两者，都带有感应同步器、编码器等位置检测元件，而交流伺服系统正在取代直流伺服系统。

反馈装置是闭环（半闭环）数控机床的检测环节，该装置可以包括在伺服系统中，它由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测数控机床坐标轴的实际移动速度和位移，并将信息反馈到数控装置或伺服驱动中，构成闭环控制系统。

检测装置的安装、检测信号反馈的位置，决定于数控系统的结构形式。

无测量反馈装置的系统称为开环系统。

由于先进的伺服系统都采用了数字式伺服驱动技术（称为数字伺服），伺服驱动和数控装置间一般都采用总线进行连接。

反馈信号在大多数场合都是与伺服驱动进行连接，并通过总线传送到数控装置，只有在少数场合或采用模拟量控制的伺服驱动（称为模拟伺服）时，反馈装置才需要直接和数控装置进行连接。

伺服电动机内装式脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、测速机、光栅和磁尺

2.2可行性方案的比较

（1）电机驱动方式的选择

直流伺服电机主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

步进电机是开环控制，每输入一个脉冲，转过一个角度，精度较低，有时会发生丢步现象。

启动较慢，不具备过载能力。

综上所述，电机选择直流伺服电机。

（2）机械传动方式选择

螺旋丝杆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。

滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。

由于本系统的负载阻力不是很高，同时考虑到经济的问题，选择螺旋丝杆。

（3）电气控制方式的选择

单片机是一种可编程的集成芯片，系统设计要从底层开发，设计较繁琐。

应用系统广泛，开发成本低，开发周期短，可靠性高。

PLC（可编程逻辑控制器）实质是一种专用于工业控制的计算机，是单片机的特例，采用模块化设计，使用方便，编程简单，可靠性高，抗干扰能力强。

本例中采用单片机控制。

2.3总体方案的确定

（1）电机驱动方式直流伺服电机

（2）机械传动方式螺旋丝杠

（3）电气控制方式单片微机控制

（4）功能控制要求速度控制

（5）主要设计参数

①单向工作行程——1200mm

②移动负载质量——50kg

③负载移动阻力——50N

④移动速度控制——3m/min

⑤寿命要求：

每天开机8h，一年按300个工作日，寿命5年以上。

⑥定位精度——0.01mm

图2.1系统原理图

3、机械传动系统设计

3.1机械传动装置的组成及原理

机械传动装置主要包括螺旋丝杆，工作平台，直线导轨，联轴器，轴承等。

其中电机与联轴器、丝杆与联轴器均为键联接。

原理如下图：

图3.1机械传动原理图

3.2主要部件的结构设计计算

3.2.1、导轨的选择

表格A

计算项目

设计计算过程

计算结果

已知条件

本设计采用螺旋丝杆，2根导轨，4个滑座数，工作平台和滑块的质量假定为50kg。

1、额定工作时间寿命

=h

2、额定行程长度寿命

2160h

3、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，作用在滑座上大小的方向均不变化的载荷。

其值可以按下式计算：

作用在滑块上的力

则单个滑座受力

K寿命系数K=50

硬度系数=1

温度系数=1

接触系数=0.81

负荷系数=1.5

则动载荷有

=1730N

4、选择导轨

由动载荷可以选择导轨：

钢球间隔保持器型LM滚动导轨微型SRS型。

型号：

SRS12MC1+1340LHM。

导轨长1340mm，4个滑块，基本额定动载荷，基本额定静载荷。

图3.2直线滚动导轨

3.2.2、螺旋丝杆的选择及校核

（1）螺旋丝杆初选

表格B

计算项目

设计计算过程

计算结果

1、工作载荷

通过查阅相关资料，工作载荷是指丝杆副在驱动工作台时承受的轴向力，也叫做进给牵引力，它包括丝杆的走刀方式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，因为选择的导轨为矩形截面，所以计算公式如下：

=

其中，、、分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷；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的摩擦系数，取K=1.1，=0.15.

则

=202N

2、计算螺旋丝杆的动载荷

动载荷计算公式为

其中，L为丝杆的寿命系数，单位为转，L=60nT/

T为使用寿命时间，本设计中取T=12000h

n为丝杆转速：

n=v/p=600r/min

得

为载荷系数，取=1.1

计算可得动载荷为

3、选择螺旋类型

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。

选用梯形螺纹

（2）螺旋丝杆的计算校核

表格C

计算项目

设计计算过程

计算结果

1、耐磨性

（1）螺纹中径（mm）

为轴向载荷，螺纹副许用压强，螺纹副的材料取钢对耐磨铸铁，得

=4.3MPa

为螺母长度L与螺杆中径，选整体式螺母，故=1.5

故

（2）公称直径d和螺距P

根据上式计算出的按螺纹的标准基本尺寸系列选取相应的d和P，经查表可以选出：

公称直径：

d=20mm；螺距：

p=4mm，取

材料选择：

丝杆材料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）螺母高度H

H==1.518=27mm

（5）旋合圈数m

m=H/P=27/4=6.75

（6）螺纹的工作高度

（7）工作压强

12.44mm

=8，说明校核合格，设计正确。

2、验算自锁

（1）螺旋升角

（2）当量摩擦角

通过查表，滑动摩擦系数（定期润滑）：

=0.10

牙型角=

故

，满足自锁条件

3、螺杆强度

（1）螺杆传动的转矩T

（2）当量应力

其中

故

（3）强度条件

螺杆材料为：

45钢调质，查表得：

材料的屈服极限为，选278；

则螺杆的许用应力为

故<

<，校核合格，符合强度条件

4、螺纹牙强度

（1）螺纹牙底宽度

因为是梯形螺纹，故

（2）螺杆和螺母的抗剪强度

螺杆剪切应力为：

螺母剪切应力为：

螺杆许用剪切应力

螺母许用剪切应力

可见，校核通过。

（3）螺杆和螺母的抗弯强度

螺杆的弯曲应力：

螺母的弯曲应力：

螺杆许用弯曲应力

螺母许用弯曲应力

可见，校核通过。

综上所述，螺纹牙强度足够。

说明螺纹牙强度足够。

5、螺杆的稳定性

（1）柔度

，

其中长度系数（两端固定），工作行程

=1200mm，

故>90

（2）临界载荷

其中E为螺杆材料的弹性模量,取

螺杆危险截面的轴惯性矩

故

（3）稳定性判定

说明稳定性合格.

>4,证明稳定性合格.

6.螺杆的刚度

（1）轴向载荷使导程产生的变形

（2）转矩使导程产生的变形

（3）导程的总变形量

，轴向载荷与运动方向相反时取正号。

则

（4）单位长度变形量

在本设计中，取精度等级为7级，

故可知，螺杆刚度合格。

，螺杆刚度合格

7、螺杆的横向振动

（1）临界转速

，其中为螺杆两支承间的距离，取=1200mm；为支承系数，取=4.730（两端固定）；

则

（2）工作转速的校核

按=1500计算，

满足要求，合格。

，满足转速要求。

8、效率

0.395

9、螺旋丝杆选型

通过螺纹外径和螺距选择30度梯形丝杠（两端台阶型），型号为MTSBLW20-1200-F25-V15-S25-Q15

图3.3螺旋丝杆

3.2.3直流伺服电机的选型

已知参数：

工作台重