基于plc控制步进电机的数控滑台课程设计定稿.docx
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基于plc控制步进电机的数控滑台课程设计定稿
课程设计（学年论文）
说明书
课题名称：
基于PLC的单轴数控伺服滑台设计
专业班级：
10机械设计制造及其自动化01班
目录
摘 要3
一、滑台整体方案图3
二、数控滑台的总体设计方案3
2.1滑台设计3
2.2运动设计3
2.3滚珠丝杆副的尺寸计算与参数选用3
2.3.1滚珠丝杆副简介3
2.3.2滚珠丝杆副的消除间隙和预加载荷3
2.3.3滚珠丝杆副的结构3
2.3.4滚珠丝杆副的尺寸计算3
A.根据定位精度要求确定脉冲当量选择步距角3
B.根据电机的最高运行频率及步距角，确定电机最高转速3
2.3.5滚珠丝杠计算、选择3
i.导程的选择3
ii.平均转速3
iii.平均载荷Fm3
iv.时间寿命与回转寿命3
v.额定动载荷𝐂𝐚3
vi.预紧载荷𝐅𝐚𝐨3
vii.丝杆公称直径𝐝𝟎3
viii.丝杆初选3
ix.丝杆螺纹长度𝐥𝟏3
1）丝杆刚度𝐑𝐬3
2）螺母刚度𝐑𝐧𝐮3
3）支承刚度𝐑𝐚𝐋3
4）轴向总刚度𝐑𝐭𝐨𝐭3
2.6轴承的选定3
2.7联轴器的选择3
三、电机的选定3
（一）驱动转矩3
（二）由预加载荷产生的转矩3
（三）惯性加速转矩3
（四）总转矩的计算3
（五）驱动器的选择3
（六）行程控制3
（七）进给速度控制3
（八）进给方向控制3
四、直线导轨的选定3
a）导轨的选择3
b）光栅传感器的设计3
五、PLC控制系统的设计3
（I）控制系统的设计方案3
设计任务和要求如下设计任务和要求如下：
3
I/O接口规格3
接线图3
PLC控制的安装接线图3
梯形图3
指令程序3
（II）PLC控制系统的接地方法3
参考文献3
基于PLC的单轴数控伺服滑台设计
摘 要
随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程
PLC（可编程控制器）是一种专门为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。
步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件, 在工业上有着广泛的应用。
论文介绍了步进电机的工作原理和控制原则, 以及步进电机的驱动器工作方式。
光栅尺传感器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。
本系统简单实用，成本低，完全满足系统的控制要求，具有很好的实用性,本文还将给出一些必要的系统设计资料，供参考之用
关键词：
PLC、步进电机、光栅尺
一、滑台整体方案图
二、数控滑台的总体设计方案
2.1滑台设计
1.滑台——对数控滑台而言，主要是纵横方向两个坐标的传动，根据设计任务要求，决定采用点位控制，用伺服电机驱动的开环控制系统，这样可以使控制系统简单，成本低，调试维修容易，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚珠滚动导轨，为尽量消除齿侧间隙。
1.交流伺服电机--交流电动机与直流伺服电机相比，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。
现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。
2.联轴器—采用机械式结构的联轴器，这种联轴器的特点是大扭矩承载、高扭矩刚性和卓越灵敏度；免维护、超强抗油和耐腐蚀性；零回转间隙；体积小巧的联轴器，总长度短 ，结构简单。
3.滚珠丝杠—选用的滚珠丝杠精度高，并通过使用高纯净度的合金钢并采取特殊的表面热处理方式，使产品具有优异的耐久性。
4.丝杠螺母座—采用径向安装尺寸小，安装简便的丝杠螺母座。
5.滑鞍—采用田字格结构，彻底减轻滑鞍的重量。
2.2运动设计
数控机床半闭环进给系统如下
在图a 中，伺服电动机2经齿轮副3（或同步齿形带副），滚珠丝杆4拖动工作台5。
反馈装置1与电动机轴相联，发出反馈信号。
图b 与图a 基本相同，但反馈装置在丝杆的端部。
在图c 中，伺服电动机直接与丝杆联接。
图a 和图c 的优点是可以把反馈装置（如旋转变压器、测速发电机、脉冲编码器）等装在伺服电动机内，成为一个部件。
图b 的优点是齿轮等传动副3处于半闭环之内，其传动误差可由反馈校正。
2.3滚珠丝杆副的尺寸计算与参数选用
2.3.1滚珠丝杆副简介
数控机床为了提高进给系统的灵敏度,定位精度和防止爬行,必须降低摩擦并减少静、动摩擦系数之差。
因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杆副。
滚珠丝杆副的传动效率高达85%～98%,是普通滑动丝杆副的2～4倍。
滚珠丝杆副的摩擦角小于1°,因此本能自锁。
如果滚珠丝杆副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降）,则必须有制动装置。
滚珠丝杆可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。
滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。
这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。
滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。
尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。
滚珠丝杆的特点主要有：
（1） 传动效率高
在滚珠丝杆副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杆与螺母之间传递。
这一传动方式取代了传统螺纹丝杆副的丝杆与螺母间直接作用方式，因而以极小滚动摩擦代替了传统丝杆的滑动摩擦。
使滚珠丝杆副传动效率达到90%以上，为滑动丝杆副的2～4倍，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杆的1/3左右，发热率也因此得以大幅降低。
（2） 运动平稳
滚珠丝杆副在工作中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。
所以滚珠丝杆副运动平稳，启动时务颤动，低速时无爬行。
（3） 可以预紧
通过对螺母施加预紧力能消除丝杆副的间隙，提高轴向接触刚度，而摩擦力矩的增量却不大。
（4） 定位精度和 重复定位精度高
由于前述的三个特点，滚珠丝杆副发热率低,温升以及在加工过程中对丝杆采取预紧拉伸并预紧消除轴向间隙等措施,因此采用精密滚珠丝杆副时可以获得较高的定
（5）使用寿命长
滚珠丝杆和螺母均用合金钢制造，螺纹滚道经热处理（硬度HRC58～62）后磨至所需的精度和表面粗糙度，具有较高抗疲劳的能力。
滚动摩擦磨损极微，因此具有较高的使用寿命和精度保持性。
实践证明，使用寿命约为普通滑动丝杆副的4～10倍，甚至更高。
（6） 同步性好
由于滚珠丝杆副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的部件或装置时，由于反应灵敏，无阻滞，无滑移，可以获得较好的同步运动。
（7）使用可靠，润滑简单，维修方便
与液压传动相比，滚珠丝杆副在正常使用条件下故障率低。
维修保养也极为简单，通常只需进行一般的润滑和防尘。
（8）不自锁
由于滚珠丝杆副的 摩擦角小，所以不能自锁。
当用于竖直传动或需急停时，必须在传动系统中附加自锁机构或制动装置。
（9）传动可逆性
滚珠丝杆副没有滑动丝杆粘滞摩擦，消除了在传动过程中可能出现的爬行现象，滚珠丝杆副能够实现两种传动方式——将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力。
2.3.2滚珠丝杆副的消除间隙和预加载荷
滚珠丝杆可以消除反向间隙。
为了提高刚度，还可使它在过盈的条件下工作，即可以预加载荷，或称预紧。
消除间隙和预加载荷有很多方法。
在机床上常用的是双螺母法。
把左、右螺母往两头撑开，左、右螺母接触方向相反。
左、右螺母装在一个共同的螺母体内。
这就可使螺母作为一个整体，与丝杆间处于无间隙或过盈状态以提高接触刚度。
常见的消除间隙和预加载荷的方式有双螺母式和齿差式。
本设计采用的是双螺母垫片预紧的方式。
滚珠丝杆的预紧是根据下述原则确定的：
如在预紧后的滚珠螺母体上受一个外载荷F，方向为向右，则右螺母4的接触变形（指螺母滚道-钢珠-丝杆滚道沿接触线的变形）加大，左螺母则减小。
F大到某种程度，可使左螺母的接触变形减小到零。
如果F再加大，则左螺母与丝杆间将出现间隙，影响定位精度。
可以证明，使不受力侧
的螺母接触变形降至零的外载荷F，约等于预加载荷0F的3倍，（准确值为2.83倍），F=30F。
因此，滚珠丝杆的预加载荷的0F，应不低于丝杆最大轴向载荷的1/3。
预紧后的刚度，可提高到为无预紧时的2倍。
但是，预加载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大。
通常，滚珠丝杆在出厂时，就已由制造厂调好预加载荷。
预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷aC有一定的比例关系。
2.3.3滚珠丝杆副的结构
滚珠丝杆副的结构主要有内循环和外循环两种方式。
本设计采用内循环（浮动反向器）方式。
其主要特性有：
（1） 滚珠返回通道短，不受负荷的滚珠最少，滚珠间摩擦损失小，提高了传动的灵敏度；
（2） 螺母径向和轴向尺寸较小；
（3） 返回器刚性高，滚珠循环装置有较高的可靠性；
（4） 返回器在螺母返回孔内自由浮动，返回器回路与螺母螺纹滚道的对接可以自动调整，滚珠在返回循环过程中摩擦阻力小，传动平稳，定位精确；
（5） 返回器如用工程塑料制作，则吸振性能好，耐磨，噪声小，一次成型，工艺简单，成本低。
本设计采用双螺母垫片预紧的方式。
双螺母预紧的特点有：
（1） 修磨垫片来改变两个螺母间的轴向距离。
分为拉伸预紧和压缩预紧两种。
本设计采用拉伸预紧的方式。
（2） 结构简单，调整片做成两半，修磨时不需拧下螺母。
调整后不易松动，刚度高。
2.3.4滚珠丝杆副的尺寸计算
A.根据定位精度要求确定脉冲当量选择步距角
根据经验，初步选择导程为5mm的丝杆；本系统中的定位精度均为±0.025mm，因此脉冲当量均取
=0.025mm/Hz，
为脉冲当量为0.025mm/hz；i为传动比
因为本滑台的滚珠丝杠和电机是用联轴器直接相连，故i=1，可得步进电机步距角
根据快速进给速度，确定电机的最高运行频率
vmax为工作台运行最高速度（m/min）；
fmax为步进电机最高运行频率（Hz）。
代入工作台最快进给速度60m/min，脉冲当量0.025mm/Hz 计算得maxf=40000HZ
B.根据电机的最高运行频率及步距角，确定电机最高转速
计算可得nmax=2400r/min
2.3.5滚珠丝杠计算、选择
i.导程的选择
丝杆的导程必须满足下式
Ph0为导程（mm）
Vmax为工作台运行最高速度（mm/s）；
nmax为电机最高转速（r/min）;
I为传动比;
代入数据得导程Pho≥5mm，故取PB=5（mm）
ii.平均转速
由于我们要选择的丝杆的运转方式为无切削方式，由上表可知 取丝杆平均转速nm=1400r/min
由于我们要选择的丝杆的运转方式为无切削方式，由上表可知 取丝杆平均转速nm=1400r/min
iii.
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