機(jī)械電子方向?qū)I(yè)課程設(shè)計(jì)-機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

1、機(jī)械工程專業(yè)機(jī)械電子方向?qū)I(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書全套圖紙加扣 3346389411或3012250582設(shè)計(jì)題目： 機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)設(shè) 計(jì) 者： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2018 年 12月目 錄 1設(shè)計(jì)任務(wù)31.1 設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義31.2 設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)32總體方案設(shè)計(jì)52.1 設(shè)計(jì)的基本依據(jù)52.2 可行性方案的比較52.3 總體方案的確定73機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)83.1裝置示意圖83.2主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算83.2.1工作臺(tái)的設(shè)計(jì)83.2.2導(dǎo)軌的選擇93.2.3螺旋絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算103.2.4軸承的設(shè)計(jì)與計(jì)算163.2.5步進(jìn)電機(jī)的選型183.2.6聯(lián)軸器選擇與校核203.2.7

2、鍵的選擇與校核224電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)234.1 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能234.2 控制系統(tǒng)的基本組成234.3 硬件選型計(jì)算234.2.1 硬件環(huán)形分配器原理234.2.2功率放大器的簡(jiǎn)要介紹254.2.3驅(qū)動(dòng)器的選擇254.2.4軸編碼器的選擇274.2.5 PLC的選擇284.4 電氣控制電路的設(shè)計(jì)284.5 軟件設(shè)計(jì)及說(shuō)明294.5.1 程序設(shè)計(jì)說(shuō)明294.5.2 主程序流程圖設(shè)計(jì)344.5.3 子程序流程圖設(shè)計(jì)365.設(shè)計(jì)小結(jié)386. 附錄38參考文獻(xiàn)411設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義通過(guò)課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能、提高分析和解決實(shí)際問(wèn)題能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設(shè)計(jì)是

3、建立在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)方向課的基礎(chǔ)上的，是學(xué)生根據(jù)所學(xué)課程進(jìn)行的工程基本訓(xùn)練，課程設(shè)計(jì)的目的在于：1、培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)(產(chǎn)品)的初步設(shè)計(jì)工作，并結(jié)合設(shè)計(jì)或試驗(yàn)研究課題進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)大知識(shí)領(lǐng)域。2、培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計(jì)算、繪圖等基本技能。3、培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般程序和方法，進(jìn)行工程師基本素質(zhì)的訓(xùn)練。4、樹立正確的設(shè)計(jì)思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)1、設(shè)計(jì)內(nèi)容為機(jī)電控制系統(tǒng)（典型機(jī)電產(chǎn)品）設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容包括：1）機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2）電氣測(cè)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)內(nèi)容

4、必須包括實(shí)現(xiàn)一路速度或位置控制，控制精度要求：位置精度0.05mm(僅限鏈傳動(dòng)), 0.005mm, 0.001mm，速度精度±0.5%，±0.05%。課程設(shè)計(jì)題目：機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)；（2）機(jī)械傳動(dòng)方式：螺旋絲桿、滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動(dòng)等；（3）電氣控制方式：?jiǎn)纹C(jī)控制、PLC控制；（4）功能控制要求：速度控制、位置控制；（5）主要設(shè)計(jì)參數(shù)：?jiǎn)蜗蚬ぷ餍谐?800、1500、1200 mm；移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量100、50 kg；負(fù)載移動(dòng)附加阻力100、500 N；移動(dòng)速度控制6、9、18 m/min；設(shè)計(jì)加(減)

5、速度23m/s22、課程設(shè)計(jì)的基本要求：（1）方案設(shè)計(jì)：根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，在搜集、歸納、分析資料的基礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)的主要功能，確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的原理方案，并對(duì)各種方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，進(jìn)行方案選優(yōu)。（2）總體設(shè)計(jì)：針對(duì)具體的原理方案，通過(guò)對(duì)動(dòng)力和總體參數(shù)的選擇和計(jì)算，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，最后給出機(jī)械系統(tǒng)的控制原理圖、裝配圖（A2一張）及主要部件圖(A3一張)。（3）根據(jù)控制功能要求，完成電氣控制設(shè)計(jì)，給處電氣控制電路原理圖（A2或A3圖一張）。（4）課程設(shè)計(jì)的成果最后集中表現(xiàn)在課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書和所繪制的設(shè)計(jì)圖紙上，每個(gè)學(xué)生應(yīng)獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份，字?jǐn)?shù)為12000字以上，設(shè)計(jì)圖紙不少于兩張

6、。（5）用計(jì)算機(jī)繪圖，打印說(shuō)明書。（6）設(shè)計(jì)選題分組進(jìn)行，每位同學(xué)采用不同方案（或參數(shù)）獨(dú)立完成； 2總體方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)的基本依據(jù)機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電動(dòng)機(jī)及拖動(dòng)控制、檢測(cè)等技術(shù)為一體的自動(dòng)化設(shè)備。其基本組成包括機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)等。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主傳動(dòng)在數(shù)控平臺(tái)上一般采用絲桿螺母機(jī)構(gòu)。它是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以將直線運(yùn)動(dòng)變換為螺旋運(yùn)動(dòng)。絲桿螺母機(jī)構(gòu)有滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)之分?；瑒?dòng)摩擦機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能，但其摩擦阻力打，傳動(dòng)效率低。滾珠絲桿機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，但最大優(yōu)

7、點(diǎn)是摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高。數(shù)控裝置是數(shù)控平臺(tái)的核心。其功能是接受輸入裝置輸入的數(shù)控程序中的加工信息，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進(jìn)行譯碼、運(yùn)算和邏輯處理后，發(fā)出相應(yīng)的脈沖送給伺服系統(tǒng)，使伺服系統(tǒng)帶動(dòng)機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件按數(shù)控程序預(yù)定要求動(dòng)作。一般由輸入輸出裝置、控制器、運(yùn)算器、各種接口電路、CRT顯示器等硬件以及相應(yīng)的軟件組成。數(shù)控裝置作為數(shù)控機(jī)床“指揮系統(tǒng)”，能完成信息的輸入、存儲(chǔ)、變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部件，包括主軸驅(qū)動(dòng)單元（主要是速度控制）、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元（主要有速度控制和位置控

8、制）、主軸電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)等。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控平臺(tái)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，要求有好的快速響應(yīng)性能，以及能靈敏且準(zhǔn)確地跟蹤指令功能。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)、直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)，現(xiàn)在常用的是后兩者，都帶有感應(yīng)同步器、編碼器等位置檢測(cè)元件，而交流伺服系統(tǒng)正在取代直流伺服系統(tǒng)。反饋裝置是閉環(huán)（半閉環(huán)）數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)環(huán)節(jié)，該裝置可以包括在伺服系統(tǒng)中，它由檢測(cè)元件和相應(yīng)的電路組成，其作用是檢測(cè)數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的實(shí)際移動(dòng)速度和位移，并將信息反饋到數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動(dòng)中，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。檢測(cè)裝置的安裝、檢測(cè)信號(hào)反饋的位置，決定于數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。無(wú)測(cè)量反饋裝置的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)。由于先進(jìn)的伺服

9、系統(tǒng)都采用了數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)（稱為數(shù)字伺服），伺服驅(qū)動(dòng)和數(shù)控裝置間一般都采用總線進(jìn)行連接。反饋信號(hào)在大多數(shù)場(chǎng)合都是與伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行連接，并通過(guò)總線傳送到數(shù)控裝置，只有在少數(shù)場(chǎng)合或采用模擬量控制的伺服驅(qū)動(dòng)（稱為模擬伺服）時(shí)，反饋裝置才需要直接和數(shù)控裝置進(jìn)行連接。伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝式脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、測(cè)速機(jī)、光柵和磁尺2.2 可行性方案的比較采用閉環(huán)或半閉環(huán)方案的比較（精度、響應(yīng)速度、可靠性、便捷性、經(jīng)濟(jì)性）（1） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇。 伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)在控制系統(tǒng)應(yīng)用中均使用廣泛，兩者在驅(qū)動(dòng)控制方式上也相似，均為脈沖與方向信號(hào)來(lái)控制，步進(jìn)電機(jī)的控制方式為開環(huán)或半閉環(huán)控制，伺服驅(qū)動(dòng)系

10、統(tǒng)為閉環(huán)控制，控制精度更高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也較步進(jìn)電機(jī)復(fù)雜。步進(jìn)電機(jī)完全可以滿足本次設(shè)計(jì)所要求的控制精度以及響應(yīng)速度，故選擇步進(jìn)電機(jī)較為合適。步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)可以進(jìn)行數(shù)字角度轉(zhuǎn)換的元件，也是一個(gè)實(shí)用能力很強(qiáng)的串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器。步進(jìn)電機(jī)是一種過(guò)程控制的執(zhí)行結(jié)構(gòu)。通常也是儀表器件，數(shù)控車床中常用的運(yùn)行控制元件。步進(jìn)電機(jī)能夠步進(jìn)的最

11、根本原因是應(yīng)為步進(jìn)電機(jī)特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)錯(cuò)齒。通過(guò)錯(cuò)齒這一結(jié)構(gòu)，能夠讓步進(jìn)電機(jī)在各大領(lǐng)域的精確定位系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)主要性能特點(diǎn)：1)步進(jìn)電機(jī)的位移的控制精度為其步進(jìn)角的3%-5%，并且無(wú)累積誤差；2)步進(jìn)電機(jī)的工作溫度較高，而其允許溫度取決于磁性材料的退磁點(diǎn)；3)步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高急速下降；4)在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)命令啟動(dòng)困難。（2）機(jī)械傳動(dòng)方式的選擇有多種機(jī)械傳動(dòng)方式可供選擇，包括滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動(dòng)等。每種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用螺旋絲杠。螺旋絲桿是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)

12、，效率低、速度低、精度也低，但剛性好、具有自鎖功能，用于重載荷。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。由于本系統(tǒng)的負(fù)載阻力不是很高，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題，選擇螺旋絲桿。 導(dǎo)軌是機(jī)床的關(guān)鍵部件之一。其性能好壞將直接影響機(jī)床的加工精度、承載能力和使用壽命。導(dǎo)軌設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：導(dǎo)向精度、耐磨性、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、剛度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、便于間隙調(diào)整、具有良好的潤(rùn)滑和防護(hù)等要求。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。導(dǎo)軌副的選用

13、決定選用矩形直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。（3）電氣控制方式的選擇電氣控制方式PLC控制。特點(diǎn)：(1)可靠性高。由于PLC大都采用單片微型計(jì)算機(jī)，因而集成度高，再加上相應(yīng)的保護(hù)電路及自診斷功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。(2)編程容易。PLC的編程多采用繼電器控制梯形圖及命令語(yǔ)句，其數(shù)量比微型機(jī)指令要少得多。由于梯形圖形象而簡(jiǎn)單，因此容易掌握、使用方便，甚至不需要計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)，就可進(jìn)行編程。(3)組態(tài)靈活。由于PLC采用積木式結(jié)構(gòu)，用戶只需要簡(jiǎn)單地組合，便可靈活地改變控制系統(tǒng)的功能和規(guī)模，因此，可適用于任何控制系統(tǒng)。(4)輸入/輸出功能模塊齊

14、全。PLC的最大優(yōu)點(diǎn)之一，是針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)(如直流或交流、開關(guān)量、數(shù)字量或模擬量、電壓或電流等)，均有相應(yīng)的模板可與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件(如按鈕、開關(guān)、傳感電流變送器、電機(jī)啟動(dòng)器或控制閥等)直接連接，并通過(guò)總線與CPU主板連接。(5)安裝方便。與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，PLC的安裝既不需要專用機(jī)房，也不需要嚴(yán)格的屏蔽措施。使用時(shí)只需把檢測(cè)器件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PLC的I/O接口端子正確連接，便可正常工作。(6)運(yùn)行速度快。由于PLC的控制是由程序控制執(zhí)行的，因而不論其可靠性還是運(yùn)行速度，都是繼電器邏輯控制無(wú)法相比的。2.3 總體方案的確定綜上所述，總體方案及參數(shù)初步設(shè)置如下：（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電機(jī)（2）

15、機(jī)械傳動(dòng)方式：螺旋絲杠（3）電氣控制方式：PLC（4）功能控制要求：速度控制（5）主要設(shè)計(jì)參數(shù)：?jiǎn)蜗蚬ぷ餍谐?800 mm；移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量50kg；負(fù)載移動(dòng)附加阻力100N；移動(dòng)速度控制6 m/min；設(shè)計(jì)加(減)速度7/3m/s2系統(tǒng)工作原理：PLC控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器，從而驅(qū)動(dòng)螺旋絲杠。數(shù)控平臺(tái)固定在螺旋絲杠上，并通過(guò)導(dǎo)軌導(dǎo)向，隨螺旋絲杠的運(yùn)動(dòng)而單向往返運(yùn)動(dòng)?？刂圃韴D：3機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1裝置示意圖：螺旋絲杠 本機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)組成參見上圖，其具體主要包括由步進(jìn)電機(jī)、螺旋絲杠傳動(dòng)裝置、聯(lián)軸器、滑動(dòng)導(dǎo)軌以及工作臺(tái)等部件構(gòu)成。其對(duì)應(yīng)的工作原理流程可以簡(jiǎn)化為下圖所示。步

16、進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)螺旋絲杠往返運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)滑動(dòng)導(dǎo)軌的單向移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)聯(lián)軸器螺旋絲杠工作臺(tái)3.2主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算及說(shuō)明結(jié)果3.2.1 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 選用矩形工作臺(tái)，材料為HT200 設(shè)計(jì)工作臺(tái)長(zhǎng)寬高分別為260、230、64mm; 根據(jù)HT200密度為 7.4×103 kg/m3則該工作臺(tái)質(zhì)量為 3.2.2 導(dǎo)軌的選擇 采用兩根直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副，每根導(dǎo)軌上有兩個(gè)滑塊每根導(dǎo)軌使用兩個(gè)滑塊，從機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中表6-3-7可查得fc=0.81;工作溫度低于100，由表6-3-5得fT=1;工作中有中等沖擊但速度小于60m/min，由表6-3-8，可取fw=2;導(dǎo)軌副元件

17、硬度在58HRC以上，取fH=1;代入式（6-3-8）可得 通過(guò)以上計(jì)算，我們查閱相關(guān)手冊(cè)，最后選用米思米上銀公司生產(chǎn)的HGH15CA型矩形直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副。3.2.3螺旋絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 1、工作載荷通過(guò)查閱相關(guān)資料，工作載荷Fm是指絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力，它包括絲杠的走刀方式及與移動(dòng)體重力作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力，因?yàn)檫x擇的導(dǎo)軌為矩形截面，計(jì)算公式如下：矩形導(dǎo)軌 ： 其中， 分別為工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷；G為移動(dòng)部件的重力；k和分別為考慮顛覆力矩影響的試驗(yàn)參數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，取K=1.1 ， =0.15 2、計(jì)算螺旋絲桿的動(dòng)載荷動(dòng)載

18、荷計(jì)算公式為 其中，L為絲桿的壽命系數(shù)，L=60nT/，單位為1×106轉(zhuǎn)，T為使用壽命時(shí)間，本設(shè)計(jì)中取與導(dǎo)軌相同壽命T=12000h 取絲杠導(dǎo)程s=6mm 得 為載荷系數(shù)，取=1.1，計(jì)算可得動(dòng)載荷為 3、選擇螺旋類型螺旋副的螺紋種類主要有梯形螺紋、鋸齒形螺紋、圓螺紋、矩形螺紋、三角形螺紋。結(jié)合受力情況和使用場(chǎng)合等多種因素考慮，此處根據(jù)絲杠動(dòng)載荷選用梯形螺紋。4、 耐磨性考慮（1）螺紋中徑（mm） 為軸向載荷，為螺紋副許用壓強(qiáng)，絲桿材料取鋼，螺母材料取耐磨鑄鐵，得=6MPa，為螺母長(zhǎng)度L與螺桿螺紋中徑的比值，選整體式螺母，故取=1.5（2）公稱直徑d和螺距P根據(jù)上式計(jì)算出的按螺紋的

19、標(biāo)準(zhǔn)基本尺寸系列選取相應(yīng)的d和P，經(jīng)查表可以選出：公稱直徑：d=32mm；螺距：p=6mm，取材料選擇：梯形絲桿材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，傳動(dòng)螺母采用較軟材料且耐磨，選用耐磨鑄鐵（3）導(dǎo)程S選取線數(shù)Z=1，因?yàn)槁菥郟=6mm，故導(dǎo)程S=ZP=6mm（4）螺母高度HH=1.529=43.5mm（5）旋合圈數(shù)mm=H / P=43.5/6=7.25（6）螺紋的工作高度 （7）工作壓強(qiáng)m5、驗(yàn)算自鎖 （1）螺旋升角 （2）當(dāng)量摩擦角 通過(guò)查表，滑動(dòng)摩擦系數(shù)（定期潤(rùn)滑）：=0.12梯形螺紋牙型角=30°，故 6、螺桿強(qiáng)度（1）螺桿傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩T （2）當(dāng)量應(yīng)力 其中故 （3）強(qiáng)度條件螺桿材料為：45

20、鋼調(diào)質(zhì)，查表得：材料的屈服極限為，選300；故<7、螺紋牙強(qiáng)度（1）螺紋牙底寬度因?yàn)槭翘菪温菁y，故（2）螺母的抗剪強(qiáng)度螺桿剪切應(yīng)力為： 螺母剪切應(yīng)力為：螺桿許用剪切應(yīng)力 螺母許用剪切應(yīng)力可見，校核通過(guò)。（3）螺桿和螺母的抗彎強(qiáng)度螺桿的彎曲應(yīng)力： 螺母的彎曲應(yīng)力： 螺桿許用彎曲應(yīng)力螺母許用彎曲應(yīng)力可見，校核通過(guò)。綜上所述，螺紋牙強(qiáng)度足夠。8、螺桿的穩(wěn)定性（1）柔度，其中長(zhǎng)度系數(shù)（兩端固定），工作行程=1800mm， 故螺桿材料45鋼的比例極限p = 280Mpa，彈性模量則，顯然(2)臨界載荷使用歐拉公式計(jì)算其臨界應(yīng)力 其中螺桿危險(xiǎn)截面的軸慣性矩(3)穩(wěn)定性判定 說(shuō)明穩(wěn)定性合格.9、螺桿的

21、剛度（1）軸向載荷使導(dǎo)程產(chǎn)生的變形 mm/m（2）轉(zhuǎn)矩使導(dǎo)程產(chǎn)生的變形G為螺桿材料的剪切模量：G=（3）導(dǎo)程的總變形量，軸向載荷與運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)取正號(hào)。則（4）單位長(zhǎng)度變形量在本設(shè)計(jì)中，取精度等級(jí)為7級(jí)，故可知，螺桿剛度合格。10、螺桿的橫向振動(dòng)(1) 臨界轉(zhuǎn)速(r/min)其中，L為螺桿兩支承間距離 mm，取L=1800mm為支承系數(shù)(兩端固定)：=4.730為密度：鋼的 (2) 工作轉(zhuǎn)速n的校核由以上條件可知：工作轉(zhuǎn)速n=1000r/min，則 11、動(dòng)力計(jì)算(1) 驅(qū)動(dòng)功率P (KW)其中，T：螺紋傳動(dòng)中主動(dòng)件上的轉(zhuǎn)矩(N·mm)；n：螺紋傳動(dòng)中主動(dòng)件上的轉(zhuǎn)速 (r/min)；

22、F：螺紋傳動(dòng)中移動(dòng)件的軸向力 (N)；V：螺紋傳動(dòng)中移動(dòng)物件的線速度 (mm/s)；：從動(dòng)力源到螺旋傳動(dòng)主動(dòng)件的機(jī)械效率；：螺旋傳動(dòng)的正行程效率；而 =36%從動(dòng)力源到螺旋傳動(dòng)主動(dòng)件之間只有一對(duì)軸承和一個(gè)聯(lián)軸器，故 得： 12、螺旋絲桿選型通過(guò)螺紋外徑和螺距選擇30度梯形絲杠(兩端臺(tái)階型)，型號(hào)為MTWK32；再根據(jù)螺紋的公稱直徑和螺距選擇圓法蘭型絲杠螺母（右旋），型號(hào)為MTSFR32。k=50fH=1fT=1fc=0.81fW=2型號(hào)HGH15CAd=32 mmp=6 mmd2=29 mm梯形絲杠材料45鋼調(diào)質(zhì)，絲杠螺母材料耐磨鑄鐵Pm<Pp，說(shuō)明校核合格，設(shè)計(jì)正確。，滿足自鎖條件T=

23、632.53 N·mmd1=26 mm<，校核合格，符合強(qiáng)度條件說(shuō)明螺紋牙強(qiáng)度足夠。>4,證明穩(wěn)定性合格.，螺桿剛度合格，滿足轉(zhuǎn)速要求。0.342梯形絲杠型號(hào)MTWK32絲杠螺母型號(hào)MTSFR323.2.4 軸承的設(shè)計(jì)與計(jì)算初選軸承為角接觸球軸承，其，采用面對(duì)面安裝，其軸向載荷分析如下：1）軸承所承受的最大軸向外載荷（預(yù)緊力按最大軸向工作載荷的1/3） 2）軸承徑向外載荷3） 軸承支反力 4） 軸承派生軸向力 5）軸承所受的軸向載荷6）軸承所受當(dāng)量動(dòng)載荷因?yàn)檩S承工作時(shí)有中等沖擊，查表得載荷系數(shù)fp=1.5查表有70000AC對(duì)應(yīng)的系數(shù)e=0.68，7）基本額定動(dòng)載荷 其中

24、Lh軸承預(yù)期計(jì)算壽命,取Lh=15000h8）選用軸承型號(hào)根據(jù)額定動(dòng)載荷C，查表，選用7204AC，內(nèi)徑d=20mm，外徑D=47mm，寬度B=14mm，基本額定動(dòng)載荷Cr=14.5KN ，基本額定靜載荷C0=8.4KN9）計(jì)算壽命故軸承壽命符合要求派生軸向力S1=S2=266.5N當(dāng)量動(dòng)載荷P=1176 N基本額定動(dòng)載荷C=11354N軸承型號(hào)7204AC34120符合壽命要求軸承合格3.2.5 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)與計(jì)算1. 位置精度的考慮初選步距角=1.2°根據(jù)設(shè)計(jì)位置精度要求（），初取脈沖當(dāng)量為0.0025mm，初選電機(jī)型號(hào)時(shí)步距角與傳動(dòng)比i應(yīng)滿足（），該設(shè)計(jì)中電機(jī)與絲杠間無(wú)其他傳

25、動(dòng)，故i=1，由于 ，不滿足要求，故考慮步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)；要滿足 ，其中k是電機(jī)的每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)2. 慣量匹配 折算到電機(jī)軸上的總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je應(yīng)與電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量Jm相匹配，二者的比值應(yīng)在一個(gè)合適的范圍，若相差太大，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性將主要取決于負(fù)載特性，綜合性能變差，若比值太小，這說(shuō)明設(shè)計(jì)不合理，經(jīng)濟(jì)性差。該合理的比值范圍是 （）絲杠等傳動(dòng)件在忽略軸孔的情況下可按照?qǐng)A柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算： ，其中 則 絲杠進(jìn)給的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J=故折算到電機(jī)軸上的當(dāng)量負(fù)載 3. 轉(zhuǎn)矩的匹配步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩及慣量的加速轉(zhuǎn)矩的要求電機(jī)軸上總的慣量為（此時(shí)Jm按電機(jī)最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算） 本設(shè)計(jì)中工作平臺(tái)

26、加（減）速度為7/3 m/s2，則電機(jī)的角加速度 工作臺(tái)當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩 (其中m為工作臺(tái)和物塊總質(zhì)量，為導(dǎo)軌摩擦系數(shù))絲杠預(yù)緊后的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 其中F0為預(yù)緊力，取1/3最大軸向負(fù)載，0為絲杠預(yù)緊前的傳動(dòng)效率，取0.95則步進(jìn)電機(jī)帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí) 連續(xù)運(yùn)行時(shí) 所以 ，式中C為常數(shù)，與步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和勵(lì)磁規(guī)律有關(guān) 按照三相六拍步進(jìn)電機(jī)，選擇C為0.866 則 s4.選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào) 根據(jù)上述計(jì)算的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩要求，選擇憶星科技有限公司的三相130mm混合步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為130BYG350A，具體參數(shù)如下：步距角1.2° 與 設(shè)計(jì)過(guò)程所取一致轉(zhuǎn)子慣量 1.054×10-3<

27、;2.687×10-3<4.216×10-3 kg·m2 滿足要求，但設(shè)計(jì)時(shí)未考慮聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此之后還需對(duì)轉(zhuǎn)子慣量進(jìn)行驗(yàn)算。最大靜轉(zhuǎn)矩24N·m > Ts 滿足要求，但設(shè)計(jì)時(shí)未考慮聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此之后還需對(duì)最大靜轉(zhuǎn)矩進(jìn)行驗(yàn)算。速度匹配驗(yàn)算工進(jìn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與絲杠轉(zhuǎn)速達(dá)最快， 從上述矩頻特性曲線可以看出，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T=9N·m>Ts2，顯然該電機(jī)滿足運(yùn)行速度的要求。3.2.6 聯(lián)軸器的選擇與校核所選130BYG350A型步進(jìn)電機(jī)尺寸如下（單伸出軸式，軸徑19/24mm可選，考慮到絲杠軸與聯(lián)軸器連接部分軸徑1

28、9mm,這里選擇19mm型）根據(jù)所選步進(jìn)電機(jī)的軸徑19mm以及絲杠軸與聯(lián)軸器連接部分軸19mm，參照GB/T 5843-2003，選擇GY2型凸緣聯(lián)軸器查表可得，所選GY2型凸緣聯(lián)軸器聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.5×10-3kg·m2重新校核電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 此時(shí)電機(jī)軸上等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 重新校核電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩T ,顯然在此條件下Ts<T=24N·m（電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩） 滿足要求校核聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩該型號(hào)聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩T公稱=25N·m>Ts 顯然聯(lián)軸器強(qiáng)度滿足要求。電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)K2400電機(jī)軸上當(dāng)量負(fù)載Je=1.054×10-3kg·m2要

29、求步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩Ts2>15.264N要求步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Ts>15.264N選用三相混合步進(jìn)電機(jī)電機(jī)型號(hào)130BYG350AT> Ts2，滿足速度匹配的要求選擇GY2型凸緣聯(lián)軸器0.25<Je2/Jm<1滿足轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要求Ts<T=24N·m（電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩） 滿足要求T公稱=25N·m>Ts 聯(lián)軸器強(qiáng)度滿足要求3.2.7鍵的選擇與校核1.電機(jī)與聯(lián)軸器上鍵的校核（1） 選擇C型單圓頭普通平鍵。根據(jù)軸徑d=19mm,選擇b=6mm,h=6mm,L=31mm。（2）鍵的強(qiáng)度校核驗(yàn)算其擠壓強(qiáng)度，查表得2.聯(lián)軸器與螺旋絲桿上鍵的校核

30、根據(jù)軸徑d=19mm,選擇b=6mm,h=6mm,L=31mm。其擠壓強(qiáng)度驗(yàn)算過(guò)程與一致，故同樣符合強(qiáng)度要求。C型單圓頭普通平鍵C型單圓頭普通平鍵四 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能在本設(shè)計(jì)中要做的是數(shù)控單向平臺(tái)的速度控制，由于工作臺(tái)的移動(dòng)速度已給定，根據(jù)絲杠螺距可算出工進(jìn)時(shí)電機(jī)和絲杠的轉(zhuǎn)速，由可編程控制器通過(guò)多段PTO包絡(luò)表（包括加速和減速階段），輸出脈沖信號(hào)，結(jié)合方向控制信號(hào)控制工作臺(tái)的前進(jìn)和后退，達(dá)到工作臺(tái)工作要求的控制。而且通過(guò)選擇合適的軸編碼器和在可編程控制器中把高速計(jì)數(shù)指令和PTO/PWM控制結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)了半閉環(huán)控制。4.2控制系統(tǒng)的基本組成 步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的機(jī)電元件，

31、不能直接接到交直流電源上的工作，必須使用專門的驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低，啟動(dòng)或停止都完全取決于CP脈沖的有無(wú)和頻率。環(huán)形分配器用來(lái)接收來(lái)自控制器的CP脈沖信號(hào)，并按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作方式要求的各相脈沖信號(hào)狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)，但是環(huán)形分配器的輸出電流很小，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因此需要功率放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖分配回路的弱信號(hào)進(jìn)行放大，產(chǎn)生電機(jī)脈沖信號(hào)工作所需的激勵(lì)電流?？刂葡到y(tǒng)框圖如下： 4.3 電器元件的選型計(jì)算 4.3.1 硬件環(huán)形分配器的原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配可以由硬件和軟件兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。硬件環(huán)形分配器需要根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和要求的通電方式而設(shè)計(jì)專門的電路，下圖所示為一

32、個(gè)三相六拍的環(huán)形分配器。環(huán)形分配器的主體是三個(gè)J-K觸發(fā)器。三個(gè)J-K觸發(fā)器的Q輸出端分別經(jīng)各自的功放線路與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)U、W、V三相繞組連接。當(dāng)QA=1時(shí)，A相繞組通電；QB=1時(shí)，B相繞組通電；QC=1時(shí)，C相繞組通電。DR+和DR-是步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)。正轉(zhuǎn)時(shí)，各相通電順序：A-AB-B-BC-C-CA反轉(zhuǎn)時(shí)，各相通電順序：A-AC-C-CB-B-BA序號(hào) 控制信號(hào)狀態(tài) 輸出狀態(tài)導(dǎo)電繞組CAJCBJCCJQAQBQC0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A 4.3.2 功率放大器的簡(jiǎn)要介紹 從環(huán)形分配器輸出

33、的電流很小，而步進(jìn)電機(jī)的額定電流為幾百毫安到幾十安培，所以必須接功率放大器。功率放大器由前置放大和大功率驅(qū)動(dòng)兩部分組成，前者用于推動(dòng)大功率器件而設(shè)置，一般反相器、射極跟隨器等構(gòu)成；后者都為大功率器件，按電路主要?jiǎng)澐譃閱坞妷弘娐?、雙電壓電路、恒流斬波電路、調(diào)頻調(diào)壓電路、細(xì)分電路等，是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中最重要的部分。 4.3.3 驅(qū)動(dòng)器的選擇 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控

34、制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要結(jié)構(gòu)有環(huán)形分配器、功率放大器、保護(hù)電路等組成，因此選用合適的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就可以代替分配器和功率放大器完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。根據(jù)所選擇的130BYG350A型三相混合式步進(jìn)電機(jī)選擇與之適應(yīng)的數(shù)字式三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 3ND2283-DSP。（1）其性能指標(biāo)如下：（2）電流匹配： 本驅(qū)動(dòng)器最大輸出電流值為10A/相（有效值），通過(guò)驅(qū)動(dòng)器側(cè)板第5,6,7三位開關(guān)的不同組合可以方便的選擇8種電流值，從2A10A（詳見電流選擇表）。電流Sw5Sw6Sw72.8AOffOffOff3.5AOnOffOff4.2AOffOnOff6.4

35、AOnOnOff7.7AOffOffOn8.3AOnOffOn9.0AOffOnOn10.0AOnOnOn所選擇的130BYG350A型三相混合式步進(jìn)電機(jī)輸入的額定電流為6.8A，故Sw5,Sw6,Sw7以O(shè)n,On,Off這一模式下能較好滿足該步進(jìn)電機(jī)的工作要求。（3）細(xì)分選擇：細(xì)分驅(qū)動(dòng)可以減小步進(jìn)電機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲，使運(yùn)行更加平穩(wěn)，提高分辨率，實(shí)現(xiàn)精確定位。細(xì)分的原理是在換相時(shí)，不降繞組全部電流通入或關(guān)斷，只改變其中的一部分，使繞組電流不是方波而是階梯波。在本驅(qū)動(dòng)器中可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器面板上的第1,2,3,4四位撥碼開關(guān)選擇共16位細(xì)分模式，用電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)標(biāo)識(shí)，可根據(jù)需要自行選擇細(xì)

36、分。 從位置精度方面考慮要滿足 ，其中k是電機(jī)的每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，選擇該驅(qū)動(dòng)器3200細(xì)分步數(shù)能初步滿足步進(jìn)電機(jī)位置精度要求。（4）典型接線圖如下： 4.3.4 軸編碼器的選擇 （1）分辨率要求由于位置精度要求選擇步進(jìn)電機(jī)3200細(xì)分步數(shù)，即步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)達(dá)3200個(gè)脈沖，由于軸編碼器可以通過(guò)A相、B相四倍頻輸出，因此要求所選軸編碼器線數(shù)m800，初選無(wú)錫嘉德光電公司型號(hào)為EKT80-20-001G-1000的空心增量式軸編碼器，其孔徑為20mm，線數(shù)1000，電纜側(cè)出線，工作電壓5-24V DC , TTL型輸出。 （2）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求 所選空心增量式軸編碼器啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，故滿足起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求。（3

37、）最大轉(zhuǎn)速要求 本設(shè)計(jì)中絲杠軸轉(zhuǎn)速最高為1000r/min,該軸編碼器最大轉(zhuǎn)速6000r/min,滿足要求。（4）接線表4.3.5 PLC的選擇我們?cè)赑LC課程學(xué)習(xí)時(shí)學(xué)的是西門子S7200系列的PLC，故我們對(duì)西門子PLC的性能、特點(diǎn)及使用等比較熟悉，所以我們從西門子PLC著手選起.根據(jù)已選硬件初步估計(jì)輸入輸出口：輸入：?jiǎn)?dòng)、停止、復(fù)位按鈕、兩個(gè)行程開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器A、B相輸出：PLC脈沖輸出、電機(jī)方向控制、脈沖控制使能、蜂鳴器共計(jì)7個(gè)輸入、4個(gè)輸出，因此選用CPU224XP-CN型PLC，它能提供I0.0I0.7,I1.0I1.5共14個(gè)輸入，Q0.0Q1.1共10個(gè)輸出，滿足設(shè)計(jì)要求。4.

38、4 電器控制電路的設(shè)計(jì)（1）PLC I/O口分配 連續(xù)運(yùn)行啟動(dòng)按鈕SB1I0.0單行程運(yùn)行啟動(dòng)按鈕SB2I0.1正常停止按鈕SB3I0.2初始位置行程開關(guān)S1I0.3終點(diǎn)位置行程開關(guān)S2I0.4增量式旋轉(zhuǎn)式編碼器A相I0.6增量式旋轉(zhuǎn)式編碼器B相I0.7緊急停止按鈕SB4I1.1復(fù)位按鈕SB5I1.2PLC脈沖輸出口Q0.0電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向輸出控制Q0.1脈沖控制電機(jī)使能端Q0.2連續(xù)運(yùn)行綠燈Q0.3單行程運(yùn)行黃燈Q0.4緊急停止紅燈Q0.5蜂鳴器Q0.6（2）電路接線圖4.5 軟件設(shè)計(jì)及說(shuō)明4.5.1 程序設(shè)計(jì)說(shuō)明 (1) PTO控制寄存器CPU224 有兩臺(tái)PTO 發(fā)生器，建立高速脈沖串。一臺(tái)

39、發(fā)生器指定給數(shù)字輸出點(diǎn)Q0.0，另一臺(tái)發(fā)生器指定給數(shù)字輸出點(diǎn)Q0.1。脈沖串（PTO）功能提供50%占空比的方波輸出或指定的脈沖數(shù)及指定的周期。每臺(tái)PTO發(fā)生器有一個(gè)8 位的控制字節(jié)，一個(gè)不帶符號(hào)的16位的周期值、一個(gè)不帶符號(hào)的16位的脈寬值和一個(gè)不帶符號(hào)的32位脈沖個(gè)數(shù)值。這些值全部存儲(chǔ)在特殊內(nèi)存區(qū)域SM的指定位置，一旦設(shè)置這些特殊的內(nèi)存位，選擇所需的操作后，執(zhí)行脈沖輸出指令（PLS）即啟動(dòng)操作。因此，在執(zhí)行高速脈沖輸出指令之前，必須設(shè)置好控制寄存器。另外，若要輸出多個(gè)脈沖串，PTO功能允許脈沖串的排隊(duì)，形成管線，當(dāng)激活的脈沖串輸出完成后，立即開始輸出新的脈沖串，該情況下PTO發(fā)生器有單段管

40、線和多段管線兩種模式。本設(shè)計(jì)采用PTO多段管線模式，下面是有關(guān)多段PTO包絡(luò)表的計(jì)算： 因?yàn)榻z杠的導(dǎo)程為6mm，所以絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)一圈是前進(jìn)6mm，本設(shè)計(jì)中工作臺(tái)的工作行程是1800mm，故可得出絲杠走完全程需要1800/6=300轉(zhuǎn)； 由電機(jī)步距角為1.2°，根據(jù)由此可算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要的脈沖數(shù)為360°/1.2°=300個(gè)脈沖，所以完成工作臺(tái)的行動(dòng)共需300×300=90000個(gè)脈沖； 因?yàn)楣ぷ髋_(tái)速度要求6m/min即0.1m/s，又有電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要的脈沖數(shù)為300個(gè)，根據(jù)由于工作臺(tái)工作速度為0.1m/s,加（減）速度為m/s2,根據(jù)t=v/a可得步進(jìn)

41、電機(jī)的加減速階段時(shí)間均為s。選擇啟動(dòng)和結(jié)束頻率為2kHz，則加速階段的脈沖數(shù)為 同理減速階段的脈沖數(shù) 則穩(wěn)定運(yùn)行階段的脈沖數(shù)下面給出電機(jī)脈沖頻率時(shí)間關(guān)系圖 包絡(luò)表參數(shù)的計(jì)算由以上脈沖頻率時(shí)間關(guān)系圖可知，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制分成3段，起動(dòng)、運(yùn)行和停止，共需要90000個(gè)脈沖。起動(dòng)和結(jié)束時(shí)的頻率是2KHz，最大脈沖頻率是5KHz。由于包絡(luò)表中的值需要用周期表示，而不是用頻率，因此需要把給定的頻率值轉(zhuǎn)換成周期值：n 起動(dòng)和結(jié)束時(shí)的周期是：500sn 最大頻率對(duì)應(yīng)的周期是：200s要求加速部分在150個(gè)脈沖內(nèi)達(dá)到最大脈沖頻率（10KHz），減速部分在150個(gè)脈沖內(nèi)完成。PTO發(fā)生器用來(lái)調(diào)整給定段脈沖周期

42、的周期增量為：周期增量（ECTICT）/Q其中，ECT該段結(jié)束周期； ICT該段初始周期； Q該段脈沖數(shù)。故可計(jì)算得出：加速部分（第一段）的周期增量是2；恒速部分（第二段）周期增量是0；減速部分（第三段）的周期增量是2。假定包絡(luò)表存放在從VB500開始的V存儲(chǔ)區(qū)，相應(yīng)的包絡(luò)表參數(shù)如下表所示：包絡(luò)表值V存儲(chǔ)器地址參數(shù)值VB5003（總段數(shù)）VW501500（1段初始周期）VW5032（1段周期增量）VD505150（1段脈沖數(shù)）VW509200（2段初始周期）VW5110（2段周期增量）VD51389700（2段脈沖數(shù)）VW517200（3段初始周期）VW5192（3段周期增量）VD521150

43、（3段脈沖數(shù)）(2) 高速計(jì)數(shù)器CPU224 XP-CN 支持6 臺(tái)高速計(jì)數(shù)器 (HSC0 至HSC5)，可配置為十二種不同的操作模式。每臺(tái)計(jì)數(shù)器對(duì)支持此類功能的時(shí)鐘、方向控制、復(fù)原和起始均有專用輸入。對(duì)于雙相計(jì)數(shù)器，兩個(gè)時(shí)鐘均可按最高速度運(yùn)行。在正交模式中，選擇一倍或四倍的最高計(jì)數(shù)速率。所有的計(jì)數(shù)器按最高速率運(yùn)行，而不會(huì)相互干擾。由于軸編碼器返回A、B 兩相正交編碼信號(hào)，在程序中，使用高速計(jì)數(shù)器HSC1，工作在模式9，使用內(nèi)部啟動(dòng)和清零功能，A 相和B 相計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)I0.6、I0.7 輸入。內(nèi)存單元中SMD48、SMD52 分別為HSC1 的初始值和預(yù)置值，SMB47為HSC0 的控制字節(jié)

44、，計(jì)數(shù)實(shí)時(shí)值使用地址HSC1，當(dāng)計(jì)數(shù)實(shí)時(shí)值等于預(yù)置值時(shí)，產(chǎn)生13號(hào)中斷，可在對(duì)應(yīng)的中斷程序中實(shí)現(xiàn)特定的功能。(3) 位置精度考慮 如前述，在位置精度方面，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用細(xì)分技術(shù)，將電機(jī)的步距角進(jìn)一步縮小，使得單個(gè)脈沖當(dāng)量引起的位置誤差在±0.005mm之內(nèi)；此外，采用多段PTO包絡(luò)表輸出脈沖進(jìn)行對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，即增加了電機(jī)加速和減速階段，很好的保證了電機(jī)不丟步、不沖步，大大提高了工作臺(tái)定位的位置精度。當(dāng)然，由于未能對(duì)工作臺(tái)位置進(jìn)行閉環(huán)控制，僅能保證實(shí)際的位置誤差在一定范圍內(nèi)，要滿足±0.005mm的位置精度還具有相當(dāng)高的難度。(4) 速度精度考慮 本設(shè)計(jì)著重考慮對(duì)電機(jī)

45、速度的控制，即希望盡可能的滿足速度精度要求。因此，初步設(shè)計(jì)利用軸編碼器來(lái)反饋實(shí)際脈沖，通過(guò)實(shí)際脈沖與理想脈沖的差值進(jìn)行PID控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)輸入的脈沖頻率。但由于已經(jīng)利用PLC多段PTO包絡(luò)表輸出脈沖，包絡(luò)表執(zhí)行階段無(wú)法改變脈沖頻率，因此也就無(wú)法利用軸編碼器的反饋對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)。經(jīng)綜合考慮之后，決定采用一種半閉環(huán)的方式來(lái)控制電機(jī)的速度，即利用軸編碼器來(lái)反饋實(shí)際脈沖，使理想脈沖與實(shí)際脈沖的差值維持在一定范圍內(nèi)，一旦超過(guò)該范圍，電機(jī)停轉(zhuǎn)、蜂鳴器報(bào)警，此后通過(guò)人工檢修來(lái)排除影響電機(jī)速度精度的故障，從而達(dá)到半閉環(huán)控制的效果。 下面進(jìn)行有關(guān)速度精度的計(jì)算： 要求速度精度為±

46、0.5%，絲杠工進(jìn)時(shí)速度為6m/min,則對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min， 由于高速計(jì)數(shù)器采用四倍頻工作，編碼器線數(shù)為1000，則編碼器轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)為4000個(gè)， 程序設(shè)計(jì)中暫定每100ms比較PTO所發(fā)脈沖和軸編碼器實(shí)際脈沖，對(duì)于1800mm單向行程，多段PTO包絡(luò)表總脈沖個(gè)數(shù)為90000個(gè)，而軸編碼器總脈沖個(gè)數(shù)為1200000個(gè)，因此每次需用PTO所發(fā)脈沖數(shù)×40/3與軸編碼器實(shí)際脈沖比較。取Q偏差下限33個(gè)/ms，則可得到速度控制的程序判斷標(biāo)準(zhǔn)（每100ms）： 4.5.2 主程序設(shè)計(jì)流程圖運(yùn)行模式停止模式 復(fù)位模式 4.5.3 子程序設(shè)計(jì)流程圖PTO控制框圖：高速計(jì)數(shù)程

47、序框圖：速度控制過(guò)程框圖五 設(shè)計(jì)小結(jié)本次課程設(shè)計(jì)雖然時(shí)間短暫，但是給我的感受很深刻。課程設(shè)計(jì)題目下來(lái)之后，在前期方面，我主要進(jìn)行了資料整理，包括從網(wǎng)絡(luò)、圖書館、教材、請(qǐng)教同學(xué)等方面，進(jìn)行了初步的方案設(shè)定，同時(shí)復(fù)習(xí)以前相關(guān)專業(yè)知識(shí)；中期主要進(jìn)行說(shuō)明書的編寫等工作；后期方面，主要進(jìn)行機(jī)械圖和電氣圖的繪制，在此期間，機(jī)械方面通過(guò)應(yīng)用了CAD、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)等各種參考書進(jìn)行設(shè)計(jì)。PLC編程則主要通過(guò)擬定工作臺(tái)能滿足的功能要求，根據(jù)要求畫出程序流程圖，再根據(jù)流程圖編寫程序。應(yīng)用編碼器簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，通過(guò)脈沖輸出與接收數(shù)量的比較判定步進(jìn)電機(jī)的丟步是否在誤差允許范圍內(nèi)，從而保證數(shù)控平臺(tái)的運(yùn)行更為可靠。能夠順利完成這次課程設(shè)計(jì)，在此由衷的感謝給與我指導(dǎo)的老師和在課設(shè)過(guò)程中一起探討學(xué)習(xí)的同學(xué)們。另外，由于時(shí)間較短暫，設(shè)計(jì)過(guò)程中不免會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，懇請(qǐng)老師和同學(xué)們