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1、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2 0 1 3 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

2、 1.3.4.2环形脉冲分配器 CH250 1.34.3 功率放大器 1.5.4.4 PLC 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

3、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、1200 mm；移动负载质量 100、50 kg；负载移动阻力 100、50 N；移动速度控制 3、6 m/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，

4、 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

5、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

6、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

7、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

8、、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 10

9、0mm;移动负载质量 50kg；负载移动阻力 100N； 移动速度控制： 6m/s3. 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=1000.2=0.02kW2）功率： Pd=KAPP=0.38kW

10、KA 工况系数，查表 2.1-13Pd=1.1KAP=1.11.7 0.02=0.04 kWKA=1.73）主动轮转速 n1：电机直接驱动主动轮， 初选电机转速为 2000r/minPd=0.04kW从动轮转速 n2：主带轮直径等于从带轮直径n1=n2=2000r/min4）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L6）小带轮齿数：查表 2.1-14得zmin=14，因为 z1zmin，所以小带轮Pb=9.525齿数 z1=157）小带轮节圆直径： d1 Pb z1 / 45.5mmz1=158）大带轮齿数

11、： z2=iz1=115=15d1=45.5mm9）大带轮节圆直径： d2 Pb z2 / 45.5mmz2=1510）同步带传动速度： v d1 n1/ 60 1000 4.76m / s （应满足d2=45.5mmv=4.76m/sv vmax =50m/s )11）初定轴间距： 0.7（d1+d2） a02（d1+d2），取 a0=150mm12)同步带长度：L0 2a0 (d1 d2) / 2 (d 2 d1) / 4a0 =443mma0=150mm13）同步带齿数 z和标准节线长 LP：查表 2.1-3L0=443mmz=160,LP=1524mmz=16014)实际轴间距： a=

12、a0+(LP-L0)/2 =690.5mmLP=1524mm13)小带轮啮合齿数： zn(0.5-(d2-d1)/6a)z1=86a=690.5mm15）基本额定功率：zn=8Ta 各带型的许用工作拉力，查表 2.1-16m 带宽为 bs0 的带单位长度的质量，查表 2.1-16Ta=245Nbs0 查表 2.1-15-1m=0.096kg?m-1P0 (Ta mv 2) v/1000 1.15kWbs0 =25.4mm16)同步带宽度： bs bs0Pd/(KzP0)1/1.14 75.8m(mKz看表 2.1-12)P0=1.15kW17）作用在轴上的力 Ft=1000Pd/v=8.40N

13、bs=75.8mm18）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 (m1 m2)g (50 40) 9.8 882N则单个滑座受力F =882N7F 882F 220.5 N 44导轨寿命Th 8 300 5 12000 h行程长度寿命：2Thls nTs 3s 103其中 n 为每分钟运行的次数n v 6 22ls 2 1.52 12000 1.5 60 2 4320h1000设计平台上共有滑块 4 个，每根导轨 2 个滑块。2P0 (Ta mv 2) v/1000Ts k( hfwt c Fa)3

14、寿命系数取 K=50硬度系数取 f =1H温度系数取 f =1T接触系数取 f =0.81C负荷系数F 取 f =1.5有KHTC(m1 m2)g则动载荷有：wFCa220.5 3 432050 1.550 1805.2 N0.81 1 1F=220.5NTh=12000hn=2Ts 4320hK=50 f H=1 fT=1 f =0.81Cf =1.5WCa=1805.2N 型号 HSR 153.3 步进电机选型计算J1J2u=0.15J3已知参数：M1=0.75N?mJ1 1 10 3kg m232J1 36.2 10 kg mJ3 1.04 10 3kg m2J 38.24 10 3kg

15、 m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 TLFTLF = uGl = 0.15 70 9.8 0.005 =0.087Nm2 si 2 3.14 0.94 11)稳定运行时的转矩 M1： M1 F (d1/2) 10 3 100 (15 / 2) 10 3 0.75N m 2)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 2kg J1 2 (m0

16、d12 /8) 10 6 2 (2 45.52 /8) 10 6 1 10 3 kg m2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 20kgJ2 (m1 m2)d12 /4 106 (50 20) 45.52 /4 10 6 36.2 10 3kg m2 同步带折算到电机轴上的转动惯量J3 (m0d12 /4) 106 (mLpd12 /4) 106 1.04 103kg m2 折算到电机轴上的总转矩为J J1 J2 J3 (1 36.2 1.04) 10 3 38.24 10 3kg m23.3.3初选步进电动机型号=744.43Hz=89.33 转/分根据稳定 运行 时转 距

17、 M1=0.75N m 和电动 机总转动 惯量 JL=38.24 10 5Kgm2, 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 52Jm=12.5 10 5Kg 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=0.75Nm负载时起动时间 t a1025A2 480.2 Nx 0.41, y 0.87P1 1123.4NP2 1476.5NC0=15.8KNC0r=9.45KNJL JM nm 38.24

18、 10 5 12.5 10 5 89.330.1047 L M m 0.1047t a= Tm TLF 0.75 0.08771.58 10 4sA1 750.7 N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。Fa 270.5N3.3.4滚动轴承的选用与校核R1 R2 686N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S1 S2 480.2 N承，其 25 ， 型号为 7205B基本额定载荷为： C0=15.8KN ， C0r=9.45KNx 0.41, y 0.87Fr 为径向外载荷 Fr=(m1+m2+m3)g=(50+40+50)9.

19、8=1372NFp 1.5Fa为轴向外载荷 Fa 270.5N轴承支反力 R1 R2 Fr /2 1372 /2 686NLn 148120 h轴承派生轴向力 S1 S2 0.7 R 0.7 686 480.2 N轴承所受轴向载荷 S2 Fa S1则 A1 S2 Fa 480.2 270.5 750.7 Nft=1A2 S1 480.2 ND 32mm计算轴承当量动载荷，工作在中等冲击：符合要求载荷系数 Fp 1.5B 9mmA1 785 1.07 e 0.68R1 735d 15mm查表 x 0.41,y 0.87A2 514.52 0.7 e 0.68 R2 735查表 x 0.41, y

20、 0.87计算当量动载荷：P1 fp (xR1 yA2) 1.5 (0.41 735 0.87 514.5) 1123.4N111476.5NP2 f p(xR2 yA1) 1.5 (0.41 735 0.87 785)计算轴承的寿命：因为 P2P1， 故按 P2 进行校核取温度系数 ft=1故 Ln 106 ( ftC) 106 (1 32500) 14812060n P2n 60 1200 1476.5寿命指数 对于球轴承 3 因为 Ln 15000h 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 d 25mm 外圈直径 D 52mm 轴承宽度 B 15mm动载荷 C

21、0r 9.45kN3.3.5键的选择与校核键许用挤压应力，查表 3.2得 p 70N/ mm2带轮轴上的键根据该处轴的直径 d= 15mm，取 bh=55 采用 A 型键，根据 GB/T1095-2003,GB/T1096-2003 暂选：键 A520 GB/T1096-2003p 4T 4 230 0.61N/ mm2 p dhL 15 5 203.3.6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：124. 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

22、、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

23、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。 CH250 管脚图如下所示 : CH250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， R

24、1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。CH250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

25、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 =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

26、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（ Micro PLC ）。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

27、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 S7-200 Micro PLC 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。 S7-200 Micro PLC 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

28、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。168.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 C

29、PU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 8062程序存储器4K本机 I/O14 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 PLC 接线图AB5V1 2 3 4SB1 SB2 SB3 S1 S21L Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3S7-200 CPU2241M I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7JP1三电动机转动 PLC控制 I/O 分配输入端： 启动按钮 SB1 I0.0 紧急停止按钮 SB2 I0.1 正常停止按钮 SB3 I0.2 初始位置行程开关 S1 I0.3 终点位置行程开关 S2 I0.4 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 CL Q0.017电机转动方向输出控制 Q0.1 蜂鸣器、报警指示灯输出 Q0.2 PLC 控制程序 主程序 Main:Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.1R Q0.0, 2R S0.0, 3Network 2 / 当物体