数控平台设计.doc
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机电传动单向数控
平台设计
——机械工程及自动化专业专业课程设计说明书
专业：
机械工程及其自动化
班级：
机自09-4班
学生姓名：
王栋
学号：
22090118
指导老师：
程延海
2012年6月18日
目录
一．前言………………………3
二.设计任务
1.1设计任务介绍及意义………………………4
1.2设计任务明细………………………4
1.3设计的基本要求………………………5
三．总体方案设计
1．导轨的选择………………………8
2．滚珠丝杆的选择及校核………………………10
3步进电动机的选择………………………17
4联轴器的选用………………………21
5键的校核………………………21
6滚动轴承的选用与校核………………………22
四．电器控制系统设计
4.1设计的基本原则………………………24
4.2PLC控制系统具体设计………………………25
4.3PLC高速脉冲输出控制………………………33
五.总结………………………36
六.参考文献………………………36
一前言
现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。
在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，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。
X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。
模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。
其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。
导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。
控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。
二设计任务
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课程设计意义：
⑴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。
⑵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。
⑶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。
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：
螺旋丝杆、滚珠丝杆、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：
单向工作行程——800、500、300mm；
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；
1.3设计的基本要求
⑴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和评价，进行方案选优。
⑵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（A1一张）。
⑶电气控制线路图：
根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制电路原理图（A2图一张）。
⑷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，完成课程设计说明书一份，不少于30页，设计图纸不少于两张。
⑸绘图及说明书：
用计算机绘图，打印说明书。
三总体方案设计
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。
滚珠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。
滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。
它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。
由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
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：
1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3
由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。
与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。
在省电方面很有帮助。
2、高精度的保证
滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。
3、微进给可能
滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。
4、无侧隙、刚性高
滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性（滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强）。
5、高速进给可能
滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（运动）。
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。
本次设计设计了启动、停止、设置行程等按钮。
还采用了步进电动机的专门控制芯片PMM8713，利用单片机定时中断的方法输出脉冲给PMM8713芯片，通过PMM8713芯片和功率放大器把脉冲分配给步进电动机，驱动电动机的运行。
再通过带动滚珠丝杠带动滑动平台做直线运动，对于位置控制，在平台始末两端安装2个行程开关，当到达始末2端时使步进电动机自动的方向旋转，使平台方向运行。
同时还增加了平台行程的设置功能，当需要改变平台的行程，通过扩展的键盘就可以实现。
本次设计的总体工作原理如下图所示：
2.2总体方案确定，参数初设如下：
⑴电机驱动方式：
步进电机
⑵机械传动方式：
滚珠丝杠
⑶电气控制方式：
PLC控制
⑷功能控制要求：
速度控制
⑸主要设计参数：
单向最大工作行程——800mm；工作台重量70kg
移动负载质量——100kg；
负载移动阻力——100N；移动速度控制——3
选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数；
三机械传动系统设计
计算及说明
结果
1．导轨的选择
1、已知条件
本设计选择滚动丝杆，已知：
单向工作行程800mm
移动速度3m/min
负载质量：
70kg
采用2根导轨、4个滑座数，工作平台和滑块的质量假设为100kg.
寿命要求：
每天开机8h，一年按300个工作日，寿命8年以上
2、动载荷的计算
作用在滑块上的力
=（+）g=（70+100）x9.8=1666N
则单个滑座受力
==1666/4=416.5N
导轨寿命
行程长度寿命：
=2Thlsn/103=3456h
其中n为每分钟运行的次数
n=3/2x0.8=1.875
设计平台上共有滑块4个，每根导轨2个滑块。
有
K寿命系数取K=50
硬度系数取=1
温度系数取=1
接触系数取=0.81
负荷系数取=1.5
则动载荷有：
Ca=3165.4N
=800mm
=3m/min
=70kg
=100kg
=1666N
=416.5N
n=1.875
=3456h
K=50
=1
=1
=0.81
=1.5
Ca=3165.4N
已知动载荷Ca=3165.4N查机电一体化设计手册
导轨选择型号：
HSR15TA滚动导轨
基本额定载荷为7600N
每个滑块的质量为0.2kg
2．滚珠丝杆的选择及校核
2.1根据机器的工作条件及完成的功能，滚珠螺母的循环方式和预紧方式。
滚珠螺母的循环方式为内循环
预紧方式为双螺母垫片预紧
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