机电传动单向数控平台设计讲解.docx
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机电传动单向数控平台设计讲解
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
班级：
学生姓名：
学号：
指导老师：
崔吉
2013年7月9日
1.设计任务3
1.1设计任务介绍及意义3...
1.1.1课程设计题目3...
1.1.2主要设计内容3...
1.1.3课程设计意义：
3..
1.2设计任务明细3...
1.3设计的基本要求4...
2．总体方案设计4...
2.1设计基本依据4...
2.2总体方案的确定6...
3.机械传动系统设计6...
3.1机械传动装置的组成及原理6..
3.2主要部件的结构7...
4.电气控制系统设计1..3.
4.1控制系统的基本组成1.3.
4.2环形脉冲分配器CH2501..3
4.3功率放大器1..5.
4.4PLC高速脉冲输出控制1..6
总结2..2..
参考文献2.3..
1.设计任务
1.1设计任务介绍及意义
1.1.1课程设计题目
机电传动单向数控平台设计
1.1.2主要设计内容
（1）机械传动结构设计
（2）电气控制系统
1.1.3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：
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：
螺旋丝杆、滚珠丝杆、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；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；
1.3设计的基本要求
（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和评价，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图一张）。
（3）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（A3图一张）。
（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，每个学生应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设计基本依据
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步进电机件。
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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
与一般传动带相比，同步带传动具有以下特点：
1．工作时无滑动，有准确的传动比同步带传动是一种啮合传动，虽然同步带是弹性体，但由于其中承受负载的承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变，使带与轮齿槽能正确啮合，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。
2．传动效率高，节能效果好
由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，一般可达0.98。
它与三角带传动相比，有明显的节能效果。
3．传动比范围大，结构紧凑
同步带传动的传动比一般可达到10左右，而且在大传动比情况下，其结构比三角带传动紧凑。
因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径比依靠摩擦力来传递动力的三角带带轮要小得多，此外由于同步带不需要大的张紧力，使带轮轴和轴承的尺寸都可减小。
所以与三角带传动相比，在同样的传动比下，同步带传动具有较紧凑的结构。
4．维护保养方便，运转费用低由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维、钢丝等材料制成，故在运转过程中带伸长很小，不需要像三角带、链传动等需经常调整张紧力。
此外，同步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运转费用比三角带、链、齿轮要低得多。
5．恶劣环境条件下仍能正常工作
q尽管同步带传动与其它传动相比有以上优点，但它对安装时的中心距要求等方面极其严格，同时制造工艺复杂、制造成本高。
PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
2.2总体方案的确定
我的主体思想：
用PLC控制步进电机的转速，用同步带进行电机和丝杆之间的传动，间接控制平台的进给运动。
参数初设如下：
（1）电机驱动方式：
步进电机
（2）机械传动方式：
同步皮带
（3）电气控制方式：
PLC控制
（4）功能控制要求：
位置控制
（5）主要设计参数:
总行程600mm,第一段空行程100mm,第二段工作行程400mm,第三段工作行程100mm;
移动负载质量——50kg；
负载移动阻力——100N；移动速度控制：
6m/s
3.机械传动系统设计
3.1机械传动装置的组成及原理
本设计选择同步皮带，2根HSR型导轨和4个滑座,工作平台的质量假设为40kg，滑块质量50Kg.
寿命要求：
每天开机8h，一年按300个工作日，寿命5年以上。
已知条件：
单向工作行程600mm，第一段工作行程100m,第二段工作行程400mm，第三段工作行程100mm。
3.2主要部件的结构
计算及说明
结果
3.2.1同步带传动设计计算
1）传递的功率：
P=Fv=100×0.2=0.02kW
2）功率：
Pd=KAP
P=0.38kW
KA———工况系数，查表2.1-13
Pd=1.1KAP=1.1×1.7×0.02=0.04kW
KA=1.7
3）主动轮转速n1：
电机直接驱动主动轮，初选电机转速为2000r/min
Pd=0.04kW
从动轮转速n2：
主带轮直径等于从带轮直径
n1=n2=2000r/min
4）选定带型：
根据Pd和小带轮转速n1由图2.1-3选取，可知应
选L型。
5）节距：
Pb=9.525查表2.1-5
选L
6）小带轮齿数：
查表2.1-14得zmin=14，因为z1>zmin，所以小带轮
Pb=9.525
齿数z1=15
7）小带轮节圆直径：
d1Pbz1/45.5mm
z1=15
8）大带轮齿数：
z2=iz1=1×15=15
d1=45.5mm
9）大带轮节圆直径：
d2Pbz2/45.5mm
z2=15
10）同步带传动速度：
vd1n1/6010004.76m/s（应满足
d2=45.5mm
v=4.76m/s
vvmax=50m/s）
11）初定轴间距：
0.7（d1+d2）≤a0≤2（d1+d2），取a0=150mm
12）同步带长度：
L02a0（d1d2）/2（d2d1）/4a0=443mm
a0=150mm
13）同步带齿数z和标准节线长LP：
查表2.1-3
L0=443mm
z=160,LP=1524mm
z=160
14）实际轴间距：
a=a0+（LP-L0）/2=690.5mm
LP=1524mm
13）小带轮啮合齿数：
zn≈（0.5-（d2-d1）/6a）z1=8>6
a=690.5mm
15）基本额定功率：
zn=8
Ta———各带型的许用工作拉力，查表2.1-16
m———带宽为bs0的带单位长度的质量，查表2.1-16
Ta=245N
bs0———查表2.1-15
-1
m=0.096kg?
m-1
P0（Tamv2）v/10001.15kW
bs0=25.4mm
16）同步带宽度：
bsbs0[Pd/（KzP0）]1/1.1475.8m（mKz看表2.1-12）
P0=1.15kW
17）作用在轴上的力Ft=1000Pd/v=8.40N
bs=75.8mm
18）轮缘齿形尺寸查表2.1-2或取决于表2.1-5所列渐开线刀具尺
Ft=8.40N
寸。
3.2.2导轨动载荷的计算
作用在滑块上的力
F（m1m2）g（5040）9.8882N
则单个滑座受力
F=882N
7
F882
F220.5N44
导轨寿命
Th8300512000h
行程长度寿命：
2Thlsn
Ts3
s103
其中n为每分钟运行的次数
nv62
2ls21.5
2120001.56024320h
1000
设计平台上共有滑块4个，每根导轨2个滑块。
2
P0（Tamv2）v/1000
Tsk（hfwtcFa）3
寿命系数
取K=50
硬度系数
取f=1
H
温度系数
取f=1
T
接触系数
取f=0.81
C
负荷系数
F取f=1.5
有
K
H
T
C
（m1m2）g
则动载荷有：
w
F
Ca
220.534320501.5
501805.2N
0.8111
F=220.5N
Th=12000h
n=2
Ts4320h
K=50fH=1fT=1f=0.81
C
f=1.5
W
Ca=1805.2N型号HSR15
3.3步进电机选型计算
J1
J2
u=0.15
J3
已知参数：
M1=0.75N?
m
J11103kgm2
32
J136.210kgm
J31.04103kgm2
J38.24103kgm
工作台重量G=70x9.8N工作台与导轨间摩擦系数定位精度0.1毫米
3.3.1脉冲当量的选择脉冲当量：
一个指令脉冲使步进电J动机驱动拖动的移动距离
=0.1mm/p（输入一个指令脉冲工作台移动0.1毫米）
3.3.2等效负载转矩的计算空载时的摩擦转矩TLF
TLF=uGl=0.15709.80.005=0.087N·m
2si23.140.941
1）稳定运行时的转矩M1：
M1F（d1/2）103100（15/2）1030.75Nm2）加速运行时转矩M2：
带轮折算到电机轴上的转动惯量，取带轮质量为2kgJ12（m0d12/8）1062（245.52/8）1061103kgm2
负载和工作台折算到电机轴上的转动惯量，取工作台质量为20kg
J2[（m1m2）d12/4]106[（5020）45.52/4]10636.2103kgm2同步带折算到电机轴上的转动惯量
J3（m0d12/4）106（mLpd12/4）1061.04103kgm2折算到电机轴上的总转矩为
JJ1J2J3（136.21.04）10338.24103kgm2
3.3.3初选步进电动机型号
=744.43Hz
=89.33转/分
根据稳定运行时转距M1=0.75N·m和电动机总转动惯量JL=38.24105Kg·m2,,初步选定电动型号为SST86D040X步进电动机。
该电动机的最大静扭距Tmax=2.26N·m，转子转动惯量52
Jm=12.5105Kg·m2为了使步进电动机具有良好的起动能力及较快的响应速度应为：
fm电动机空载起动频率
带惯性负载的最大转速
带惯性负载起动力矩Tm电动机起动矩频率特性曲线
M1=0.75N·m
负载时起动时间ta
10
25
A2480.2N
x0.41,y0.87
P11123.4N
P21476.5N
C0=15.8KN
C0r=9.45KN
JLJMnm38.2410512.510589.33
0.1047LMm0.1047
ta=TmTLF0.750.087
71.58104s
A1750.7N
该电机带惯性负载时能够起动
Fr=1372N
以上计算，选该型号步进电动机，能满足设计要求。
Fa270.5N
3.3.4滚动轴承的选用与校核
R1R2686N
根据工作情况以及滚珠丝杠的受力，初选轴承为角接触球轴
S1S2480.2N
承，其25，型号为7205B
基本额定载荷为：
C0=15.8KN，C0r=9.45KN
x0.41,y0.87
Fr为径向外载荷Fr=（m1+m2+m3）g=（50+40+50）×9.8=1372N
Fp1.5
Fa为轴向外载荷Fa270.5N
轴承支反力R1R2Fr/21372/2686N
Ln148120h
轴承派生轴向力S1S20.7R0.7686480.2N
轴承所受轴向载荷S2FaS1
则A1S2Fa480.2270.5750.7N
ft=1
A2S1480.2N
D32mm
计算轴承当量动载荷，工作在中等冲击：
符合要求
载荷系数Fp1.5
B9mm
A17851.07e0.68
R1735
d15mm
查表x0.41,y0.87
A2514.5
20.7e0.68R2735
查表x0.41,y0.87
计算当量动载荷：
P1fp（xR1yA2）1.5（0.417350.87514.5）1123.4N
11
1476.5N
P2fp（xR2yA1）1.5（0.417350.87785）
计算轴承的寿命：
因为P2>P1，故按P2进行校核
取温度系数ft=1
故Ln106（ftC）106（132500）148120
60nP2
n6012001476.5
寿命指数对于球轴承3因为Ln15000h所以轴承符合要求符合要求
7205B角接触轴承基本尺寸内圈直径d25mm外圈直径D52mm轴承宽度B15mm
动载荷C0r9.45kN
3.3.5键的选择与校核
键许用挤压应力，查表3.2得σp70N/mm2
带轮轴上的键
根据该处轴的直径d=15mm，取b×h=5×5采用A型键，根据GB/T1095-2003,GB/T1096-2003暂选：
键A5×20GB/T1096-2003
σp4T42300.61N/mm2pdhL15520
3.3.6润滑与密封装置
由已知条件选择脂润滑，密封装置为毛毡圈
受力情况如下图：
12
4.电气控制系统设计
4.1控制系统的基本组成
步进电机是一种特殊的机电元件,不能直接接到交直流电源上工作,必须使用专用的驱动器。
步进电动机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率。
环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲信号，并按步进电动机工作方式要求的各相脉冲信号状态顺序产生各相导通或截止的信号，但是环形分配器的输出电流很小，不能直接驱动步进电动机，因此需要功率放大器实现对脉冲分配回路输出的弱信号进行放大，产生电机脉冲信号工作所需的激磁电流。
其控制流程如下图所示：
4.2环形脉冲分配器CH250
由于用软件环形分配器需要编写复杂的程序，而且占用计算机运行时间，
故一般使用硬件或软硬件结合来实现。
硬件环形分配器的种类很多，有专用的集
13成电路，可以用JK触发器或D触发器构成，还可以用通用的可编程逻辑器件组成。
在这里，通常我们采用集成电路CH250。
CH250是国产的三相反应式步进电机环形分配器的专用集成电路芯片，通过其控制端的不同接法可以组成三拍和三相六拍的不同工作方式。
⑴CH250管脚图如下所示:
⑵CH250主要管脚的作用：
J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r＝“1”，而J3L＝“0”，则电机正转；若J3r＝“0”，J3L＝“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r＝“1”，J6L＝“0”，则电机正转；若J6r＝“0”，J6L＝“1”，电机反转。
R2是双三拍的复位端，R1是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后
14
换接到工作位置。
CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。
当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。
CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。
A、B、C为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。
⑶CH250的三相双三拍接线原理图如下所示：
4.3功率放大器
单电压功率放大电路是步进电动机一相的驱动电路如下图所示，L是电动机绕组，晶体管VT可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组L的波形尽可能接近矩形波。
但是由于电感线圈中的电流指数规律上升，其时问常数τ=L/r，须经过3rl的时间后才能达到稳态电流。
由于步进电动机绕组本身的电阻很小，所以，时间常数很大，从而严重影响电动机的启动频率。
为了减小时问常数，在励磁绕组中串以电阻R，这样时间常数就
15大大减小，缩短了绕组中电流上升的过渡过程，从而提高了工作速度。
在电阻R两端并联电容c，是由于电容上的电压不能突变，在绕组由截止到导通的瞬间，电源电压全部降落在绕组上，使电流上升更快，所以，电容c又称为加速电容。
二极管V在晶体管VT截止时起续流和保护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管子击穿，串联电阻Ro使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。
这种电路的缺点是R上有功率消耗。
为了提高快速性，需加大R的阻值，随着阻值的加大，电源电压也势必提高，功率消耗也进一步加大。
正因为这样，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。
4.4PLC高速脉冲输出控制
S7-200控制器
S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。
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S7-200MicroPLC包括一个单独的S7-200CPU，或者带有各种各样的可选扩展的模块。
S7-200MicroPLC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。
3.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。
4.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。
5.电源向CPU所连接的任何模块提供电力。
6.通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其他设备连接起来。
7.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。
16
8.通过扩展模块可增加CPU的I/O点数
9.通过扩展模块可提供其他通讯性能。
10.一些CPU具有内置的实时时钟，其它CPU则需要实时时钟卡。
11.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
12.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）
120.5×80×62
程序存储器
4K
本机I/O
14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
⑴PLC接线图
A
B
5V
1234
SB1SB2SB3S1S2
1
LQ0.0Q0
.1Q0.2Q0.3
S7-200CPU224
1MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7
JP1
⑵三电动机转动PLC控制I/O分配
输入端：
启动按钮SB1I0.0紧急停止按钮SB2I0.1正常停止按钮SB3I0.2初始位置行程开关S1I0.3终点位置行程开关S2I0.4增量式旋转式编码器A相I0.6增量式旋转式编码器B相I0.7
输出端：
脉冲输出口CLQ0.0
17
电机转动方向输出控制Q0.1蜂鸣器、报警指示灯输出Q0.2⑶PLC控制程序主程序Main:
Network1//NetworkTitle
//NetworkComment
LDSM0.1
RQ0.0,2
RS0.0,3
Network2//当物体
升级会员 