步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動伺服移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目:步進(jìn)電機(jī)直驅(qū)單軸直線伺服移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 姓 名: 王春榮 學(xué) 院: 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè): 機(jī)械電子工程（專升本） 班 級: 機(jī)械電子151（專升本） 學(xué) 號: 1673150119 指導(dǎo)教師: 張海濤 職稱: 副教授 2017 年 6 月安徽科技學(xué)院教務(wù)處制目 錄摘要1Abstract21 引言31.1 電機(jī)驅(qū)動的研究背景31.2 電機(jī)驅(qū)動的現(xiàn)狀研究41.3 本設(shè)計(jì)目標(biāo)42 步進(jìn)電機(jī)直驅(qū)單軸直線伺服移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案42.1 整體設(shè)計(jì)方案42.1.1 機(jī)構(gòu)傳動設(shè)計(jì)方案62.1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案62.2 機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)72.3 主要設(shè)計(jì)的參數(shù)與依據(jù)73

2、傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)83.1 滾珠絲杠概述83.1.1 確定滾珠絲桿副的導(dǎo)程Ph83.1.2 滾珠絲桿副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算83.1.3 滾珠絲桿的校核103.1.4 滾珠絲桿副的極限轉(zhuǎn)速n0的校核113.1.5 Dn值的驗(yàn)證113.1.6 基本軸向額定靜載荷Cu的驗(yàn)算113.2 軸承選擇113.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇143.6 滾動直線導(dǎo)軌的選擇、計(jì)算及驗(yàn)算154 步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動單軸直線伺服移動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)174.1 PLC的定義與簡介174.2 PLC硬件系統(tǒng)174.2.1 PLC的工作原理174.2.2 PLC組成194.2.3 PLC類型的選擇204.2.4 整個系統(tǒng)的接線方式204.3

3、 PLC的軟件系統(tǒng)214.3.1 設(shè)計(jì)的任務(wù)214.3.2 軟件系統(tǒng)214.3.3 程序流程圖224.3.4 輸入/輸出地址23總結(jié)25致謝26參考文獻(xiàn)27附錄：28 步進(jìn)電機(jī)直驅(qū)單軸直線伺服移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：單軸直線伺服移動機(jī)構(gòu)精巧的利用了控制器軟件功能和硬件功能相結(jié) 來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動，使加工范圍被拓寬，使加工精度也更加精確。它作為機(jī)電一體化技術(shù)的重要構(gòu)成部分之一，具有重要的地位。本課題由機(jī)械驅(qū)動部分知識和PLC部分的知識組成。機(jī)械部分在機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要是用來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行和構(gòu)造兩大功能，所以機(jī)械部分設(shè)計(jì)我們要完成的任務(wù)有：絲杠型號的選定、選擇合適的步進(jìn)電機(jī)型號、根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的型號選擇配套

4、的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的、根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮合適的導(dǎo)軌以及軸承。單軸直線伺服移動機(jī)構(gòu)屬于運(yùn)動控制系統(tǒng)，它以步進(jìn)電動機(jī)為控制對象以 可編程控器PLC為控制核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的自動控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)是將電產(chǎn)生力量的能力轉(zhuǎn)化為機(jī)械產(chǎn)生力量的能力，以實(shí)現(xiàn)我們期望的機(jī)械的運(yùn)動。對于設(shè)計(jì)的控制部分我們必須完成：PLC的選型、清晰知道控制的流程以及準(zhǔn)確的繪制梯形圖等。關(guān)鍵詞：單軸直線伺服移動、自動控制系統(tǒng)、機(jī)械驅(qū)動35Design of Direct - drive Single - axis Linear Servo Mechanism for Stepping MotorAbst

5、ract: Single-axis mobile servo mechanism is one of the important parts of electromechanical integration technology, it clever application of the controller hardware and software functions to achieve the control of the mobile body, increasing the processing range and improve the machining accuracy.Th

6、is paper includes the knowledge of the design of the mechanical part and the knowledge of the PLC control part. Mechanical part of the electromechanical integration system is mainly used to implement the implementation and construction of the two functions, so the mechanical part of the design we ha

7、ve to complete the task: the choice of screw, stepper motor selection, drive selection, guide the selection and Bearing selection. Single-axis linear motion mechanism is a motion control system, which is a stepper motor for the control object to PLC as the control center to power electronic power co

8、nversion device for the implementation of the composition of the automatic control system, automatic control system to convert electrical energy into mechanical energy, To achieve mechanical movement. For the control part of the task we want to complete: PLC selection, a clear understanding of the c

9、ontrol process and accurate drawing ladder diagram and so on.Using PLC and high-power transistors to achieve stepper motor drive and control. The whole system has the characteristics of simple structure, high reliability, low cost and practicability. It has high universality and popularization value

10、.Keywords: single-axis linear motion, electromechanical integration technology,motion control system, stepper motor.1 引言普通的電動機(jī)一般都是連續(xù)不斷運(yùn)轉(zhuǎn)的，步進(jìn)電機(jī)卻和普通電機(jī)不一樣，它是接受到一個信號就走一步。只有當(dāng)信號接連不斷的發(fā)生他才能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)是通過一種專門使用的電源輸入電脈沖信號，這種電源每輸入一個電脈沖信號就能使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個角度，由此我們可以知道電脈沖信號是斷斷續(xù)續(xù)的輸入所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的角位移也是斷斷續(xù)續(xù)的，由于這個特點(diǎn)我們又給步進(jìn)電機(jī)取了一個

11、別稱-脈沖電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制就是通過弱電驅(qū)動強(qiáng)電來實(shí)現(xiàn)的。弱電部分實(shí)現(xiàn)了頻率、數(shù)量和方向的變化。該設(shè)計(jì)是以三相步進(jìn)電動機(jī)作為控制電機(jī)的，三相步進(jìn)電機(jī)在本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用，它能起到將專用電源輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)變成為轉(zhuǎn)子上的角位移或者是軸上的轉(zhuǎn)速，以帶動工作臺做來回運(yùn)動。1.1 電機(jī)驅(qū)動的研究背景丹麥的物理學(xué)家奧斯特在一次偶然的機(jī)會發(fā)現(xiàn)了電流和小磁針之間的聯(lián)系。其后他在接下來的三個月中埋頭研究終于得出當(dāng)電流流過電路，靠近它的羅盤的磁針就一定會發(fā)生偏移這一現(xiàn)象。其后英國的法拉第基于這一結(jié)論反復(fù)研究試驗(yàn)終于發(fā)明了世界上第一臺電動機(jī)-圓盤電動機(jī)，雖然這臺電動機(jī)現(xiàn)在在我們看來十分簡

12、陋，但就是由它才演變出了我們現(xiàn)在各式各樣的電動機(jī)。當(dāng)今社會人們對生活品質(zhì)要求原來越高，這促使工業(yè)機(jī)械設(shè)備在飛速發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)行業(yè)迎來了千載難逢的絕佳機(jī)遇。電機(jī)技術(shù)可以說是整個機(jī)械控制系統(tǒng)的核心，但由于傳統(tǒng)的控制技術(shù)存在反應(yīng)靈敏度低、運(yùn)轉(zhuǎn)速度慢等缺點(diǎn)適應(yīng)不了市場對的需求，使得其被市場淘汰。新一代的步進(jìn)電機(jī)就在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生，電機(jī)行業(yè)又有了新的動力源泉。后來出現(xiàn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)就是應(yīng)用了交流伺服原理，從使用的結(jié)果來看他的性能有明顯的提高。三相混合式步進(jìn)電機(jī)與其專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器共同構(gòu)成了機(jī)械控制系統(tǒng)，它改變了傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度低、噪音大、起動頻率低等缺陷，通過了市場的考驗(yàn)?；旌鲜降?/p>

13、步進(jìn)電機(jī)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但它卻有一個很大的缺陷那就是不能直接來使用，它必須由各個部分配合協(xié)作變成了一個整個的控制系統(tǒng)才可以使用，想要能夠很好的使用步進(jìn)電機(jī)可不是一件容易的事呢！步進(jìn)電機(jī)的使用要涉及的知識十分廣泛，有機(jī)械方面的知識，有電力電子方面的知識，有計(jì)算機(jī)方面的知識。1.2 電機(jī)驅(qū)動的現(xiàn)狀研究電動機(jī)及電動機(jī)技術(shù)在半導(dǎo)體技術(shù)繁盛發(fā)展的大環(huán)境下，也取得的很大的進(jìn)步。在科技水平的進(jìn)一步推動下，電機(jī)驅(qū)動技術(shù)同樣取得了可喜的成績，已經(jīng)逐步從起初的應(yīng)用階段發(fā)展過渡到智能技術(shù)的應(yīng)用階段。又比如在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的排灌機(jī)械、脫粒機(jī)、以及各種農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械等等，都是電機(jī)驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用的典型代表；另一方面，將電子智

14、能技術(shù)和電機(jī)驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行有效整合，使其更加適應(yīng)人們生產(chǎn)生活的需求。時間的一步步推移和科學(xué)技術(shù)也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新，傳統(tǒng)的工作模式不能再適應(yīng)我們?nèi)遮吰惹械纳a(chǎn)生活的要求了，于是人們把交流伺服原理扦插進(jìn)了步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中。后來出現(xiàn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)就是應(yīng)用了交流伺服原理，它的各項(xiàng)性能都有大幅度的提高。它改變了傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度低、噪音大、起動頻率低等缺陷，通過了市場的考驗(yàn)。步進(jìn)電機(jī)的使用要涉及的知識十分廣泛，有機(jī)械方面的知識，有電力電子方面的知識，有計(jì)算機(jī)方面的知識。1.3 本設(shè)計(jì)目標(biāo)本設(shè)計(jì)的經(jīng)過前期的初步構(gòu)思和設(shè)想，最終我們希望該設(shè)計(jì)能在PLC控制器里進(jìn)行指令的預(yù)命令，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)

15、轉(zhuǎn)子帶動與滾珠絲杠連接的重物，做指定運(yùn)動，能達(dá)到即動即停加速減速往復(fù)等動作的目的。2 步進(jìn)電機(jī)直驅(qū)單軸直線伺服移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案2.1 整體設(shè)計(jì)方案下圖為系統(tǒng)的整體框圖： 圖 2.1 系統(tǒng)框圖由圖2.1我們可以大致闡述一下整個機(jī)構(gòu)的工作流程，PLC控制器通過手動輸入控制發(fā)出指令脈沖信號，指令脈沖信號被步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收，接受的信號個數(shù)與頻率通過功率放大電路就能達(dá)到控制驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的目的。在本設(shè)計(jì)中我們利用聯(lián)軸器把步進(jìn)電機(jī)軸和滾珠絲杠直接連接成為一個整體，步進(jìn)電機(jī)軸開始轉(zhuǎn)動了就連帶著絲桿一起跟著轉(zhuǎn)動，其大小和頻率都與步進(jìn)電機(jī)一致。滾珠絲杠副由于轉(zhuǎn)動產(chǎn)生行程，帶動工作臺做特定移動。整體方案設(shè)計(jì)的

16、內(nèi)容包括：是以什么形式運(yùn)動、步進(jìn)電機(jī)型號的選定和其調(diào)速方法、可編程控制器PLC控制系統(tǒng)的選擇。經(jīng)過前期的考慮與分析我們將從下面幾個方向展開：（1）運(yùn)動方式的確定該設(shè)計(jì)規(guī)定工作臺要沿著坐標(biāo)軸做單軸直線移動并且具備相對精確的運(yùn)動關(guān)系所以我們最終選擇連續(xù)不斷的控制方式。（2）系統(tǒng)驅(qū)動的選擇本設(shè)計(jì)的負(fù)載不是很大并且對精度和速度的要求也不高，開環(huán)伺服系統(tǒng)就能夠滿足我們的需求 。開環(huán)伺服系統(tǒng)有，所以開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動成為本設(shè)計(jì)的最佳選擇。（3）控制系統(tǒng)的控制器選擇自動控制系統(tǒng)有三種控制器可以供人們選擇，有適用在不同場合、不同功能需求的控制系統(tǒng)中運(yùn)動控制器；有性能十分可靠，受外界干擾影響小的可編程控制器PLC

17、；還有低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式的產(chǎn)品單片機(jī)，綜合考慮了一下三種控制器的優(yōu)缺點(diǎn)，權(quán)衡再三最后我還是決定用PLC作為本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的控制器。（4）機(jī)構(gòu)的傳動方式對于本設(shè)計(jì)要求能達(dá)到一定的精度和穩(wěn)定性，并且也能使結(jié)構(gòu)更加緊湊連貫，我綜合考慮一下，覺得滾珠絲杠螺母驅(qū)動更加適用我的設(shè)計(jì)。由于機(jī)構(gòu)件存在間隙，且存在傳動剛度不夠大的情況。我們得加上預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。從前文主要設(shè)計(jì)的參數(shù)與依據(jù)我們可以得出工作臺的移動構(gòu)件重量和外加載荷都不是太大，由此我們可以使用滑動滾動直線導(dǎo)軌，因?yàn)榛瑒訚L動導(dǎo)軌可以降低摩擦系數(shù)，提高移動過程中平穩(wěn)性能。2.1.1 機(jī)構(gòu)傳動設(shè)計(jì)方案機(jī)構(gòu)傳動設(shè)計(jì)部分內(nèi)容有：明確系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量

18、，滾珠絲杠型號的的選定和驗(yàn)算，步進(jìn)電機(jī)型號的選定和校核，導(dǎo)軌型號的選取，軸承型號的選定，繪出機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。本文是通過步進(jìn)電機(jī)接收放大的脈沖信號后轉(zhuǎn)動產(chǎn)生步距角帶動滾珠絲杠的絲桿旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)工作臺水平移動。開環(huán)伺服控制系統(tǒng)是不能補(bǔ)償系統(tǒng)精度的，因?yàn)闆]有檢測反饋裝置，因此步進(jìn)電機(jī)的誤差以及滾珠絲杠的傳動誤差都將影響運(yùn)動精度?？紤]到摩擦系數(shù)和動靜摩擦系數(shù)差等因素，還有滾動直線導(dǎo)軌運(yùn)動輕巧靈活、運(yùn)動平穩(wěn)性高、定位和移動精度高等優(yōu)點(diǎn)最終我們選擇滾動直線導(dǎo)軌。下圖為機(jī)構(gòu)傳動的結(jié)構(gòu)圖：圖2.2 單軸直線移動機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)圖2.1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案經(jīng)過上面的分析和研究我們最終確定采用PLC來實(shí)現(xiàn)此控制系統(tǒng)的預(yù)

19、期目標(biāo)。可編程控制器PLC控制步進(jìn)電機(jī)，是通過硬件的連線和軟件的編程來實(shí)現(xiàn)發(fā)出指令脈沖以達(dá)到對步進(jìn)電機(jī)的控制?？删幊炭刂破骺赏ㄟ^變換輸入指令脈沖的個數(shù)和頻率，來控制的步進(jìn)電動機(jī)的速度大小、方向確定和定位功能等。我們希望控制系統(tǒng)能達(dá)到以下功能要求： （1）能實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)起動或者能實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)起動；（2） 在電機(jī)運(yùn)行過程中能實(shí)現(xiàn)在不停機(jī)的前提下正、反轉(zhuǎn)的隨機(jī)切換；（3） 可以在任意時間或者任意工作位置隨時手動切換高速、中速、低速三檔的步進(jìn)速度。2.2 機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)給傳動系統(tǒng)如下圖： 圖2.3 機(jī)構(gòu)進(jìn)給傳動示意圖2.3 主要設(shè)計(jì)的參數(shù)與依據(jù)表2.1 設(shè)計(jì)的主要參數(shù)及依據(jù)負(fù)載最大 1800N最小 1

20、400N工作速度高速 0.6m/s中速 0.4m/s低速 0.2m/s快進(jìn)速度0.04m/min定位精度0.02/300mm重復(fù)定位精度0.01mm行程0.6m壽命要求22000h絲桿直徑初定16mm絲杠支撐形式兩端固定托板尺寸長0.4m寬0.4m高0.03m3 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1 滾珠絲杠概述滾珠絲杠是精密儀器中使用的主要傳動元件之一，其主要功能是將扭矩轉(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，并且還同時具備效率高、可逆性強(qiáng)和精度十分高的特點(diǎn)。滾珠絲杠因?yàn)榫邆浞N種優(yōu)勢現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器中去。滾珠絲杠由螺桿、螺母、鋼球、預(yù)壓片、反向器和防塵器組成。滾珠絲杠是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，這是艾克

21、姆螺桿的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滑動動作變成滾動動作。3.1.1 確定滾珠絲桿副的導(dǎo)程Ph從表2.1我們可以知道絲桿直徑為16mm,由馮浩人等主編的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第三章表3-5滾珠絲杠副的公稱直徑和基本導(dǎo)程的參數(shù)系列及組合知可選擇的滾珠絲桿副的導(dǎo)程有=5mm和=10mm兩種。根據(jù)本論文的實(shí)際需要我們選擇=10mm。3.1.2 滾珠絲桿副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算1）2）3）導(dǎo)軌副與托板連接部分重量估算為：4）夾具及工件重量約為：5）工作臺運(yùn)動部分總重：6）最小載荷選機(jī)器空載時滾珠絲桿副的傳動力。由滾動導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)得7)最大載荷采用矩形滾動導(dǎo)軌工作載荷等效公式：其中： 8

22、)滾珠絲桿副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速及當(dāng)量載荷Fm:按工進(jìn)時間占總時間的90%，快進(jìn)時間占總時間的10%計(jì)算：確定當(dāng)量載荷：確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速：預(yù)期額定動載荷按預(yù)期工作時間計(jì)算：使用壽命 滾珠絲杠副壽命（）最大動載荷：查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書以下簡稱指導(dǎo)書表3-30取載荷系數(shù)：，硬度系數(shù)代入上式得擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載計(jì)算查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)踐表3-25以下簡稱實(shí)踐重載荷取 得取以上結(jié)果最大值確定允許的最小螺紋小徑估算絲杠允許的最大軸向變形量。已知：重復(fù)定位精度，定位精度=（1/41/3)重復(fù)定位精度=（1/51/4)定位精度=取最小值=3，估算最小螺紋底徑，絲桿要求預(yù)拉伸，采用兩端固定的

23、支承形式，已知行程為600mm，靜摩擦系數(shù)查實(shí)踐表3-26 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號：選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒雙螺母型墊片預(yù)緊形式。由、選擇相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD3210-3 確定預(yù)緊力：3.1.3 滾珠絲桿的校核下面進(jìn)行滾珠絲桿副臨界壓縮載荷的核算（即驗(yàn)算壓桿穩(wěn)定性）（其中： ）所以驗(yàn)證穩(wěn)定性合格.3.1.4 滾珠絲桿副的極限轉(zhuǎn)速n0的校核 驗(yàn)算合格。3.1.5 Dn值的驗(yàn)證 經(jīng)驗(yàn)證合格。3.1.6 基本軸向額定靜載荷Cu的驗(yàn)算 3.2 軸承選擇按照滾珠絲杠副相關(guān)要求初步選定滾動角接觸球軸承B型背對背安裝，受力如下圖： 1 F2 2 圖 3.1角接觸球軸承的受力分析徑向力：派生軸向力：

24、 取載荷系數(shù) 徑向當(dāng)量動載荷：徑向當(dāng)量動載荷：求軸承具有的基本額定動載荷：根據(jù)所選滾珠絲杠副及軸承壽命要求選擇 滾動軸承7305 B GB/T292所選軸承滿足設(shè)計(jì)要求。3.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇、計(jì)算及驗(yàn)算（一）作用在滾珠絲桿副上各種轉(zhuǎn)矩計(jì)算外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩TF（N.m）空載時:外加徑向載荷時的摩擦力矩:滾珠絲桿副預(yù)加載荷產(chǎn)生的預(yù)緊力矩: （二）負(fù)荷轉(zhuǎn)動慣量JL（Kg.m2）及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J（Kg.m）的計(jì)算：滾動絲桿的轉(zhuǎn)動慣量：移動平臺轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)動慣量； （三）空載時最大加速轉(zhuǎn)矩Tam根據(jù)負(fù)載情況初選步進(jìn)電機(jī)130BYG3503為三相混合式，采用單-雙6拍動時步距角為，查130BYG3

25、503步進(jìn)電機(jī)參數(shù)得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣30kg.取脈沖當(dāng)量d=0.01mm/脈沖，則加到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： Tam1=（四）快速空載啟動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（五）快速負(fù)載啟動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由上可知，加在步進(jìn)電機(jī)上的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：（六）電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成失步，甚至堵轉(zhuǎn)。并采用開環(huán)控制，需考慮安全系數(shù)。取K=3.5，則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：表3.1 步進(jìn)電機(jī)型號表步進(jìn)電機(jī)型號步進(jìn)電機(jī)相數(shù)相電流相電阻相電感保持轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量電機(jī)重量機(jī)身長度適配步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器型號單軸 Am

26、HN.MKg-cm2kgmm130BYGH3501步進(jìn)電機(jī)350.842225131683HB0822M步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 130BYGH3502步進(jìn)電機(jī)3515303016197130BYGH3503步進(jìn)電機(jī)351.313363518225130BYGH3504步進(jìn)電機(jī)351.617.5504522280 查表3.1初選電機(jī)130BYG3503的最大靜轉(zhuǎn)矩為。所選電機(jī)滿足要求如下圖為130BYG3503型號的步進(jìn)電機(jī):圖3.2 130BYG3503型號步進(jìn)電機(jī)3.4 聯(lián)軸器的選擇傳動軸上的公稱轉(zhuǎn)矩取工作情況系數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩根據(jù)所選電機(jī)輸出軸、絲杠大小及計(jì)算轉(zhuǎn)矩選擇：YL2聯(lián)軸器,所選聯(lián)軸器滿足要求。

27、3.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇通過上面的一系列計(jì)算我們已經(jīng)得出了步進(jìn)電機(jī)的型號，再根據(jù)表3.1可以得出我們將選擇3HB0822M型號的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。下圖為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的接線圖：圖3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接線圖3.6 滾動直線導(dǎo)軌的選擇、計(jì)算及驗(yàn)算 導(dǎo)向支承部件的作用是使運(yùn)動機(jī)構(gòu)按照既定的運(yùn)動要求和規(guī)定的運(yùn)動方向運(yùn)動，對運(yùn)動正在運(yùn)動的部件起到支承和限制的效果。機(jī)電一體化系統(tǒng)對導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度、剛度、精度的保持性、運(yùn)動的靈活性、低速時的平穩(wěn)性、對溫度的敏感性和結(jié)構(gòu)的工藝性都有一定的要求。根據(jù)給定的工作載荷和估算的和計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，；工作載荷P=0.5()； (一

28、般運(yùn)行狀況)，（運(yùn)動時受沖擊、振動）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:選擇漢機(jī)江機(jī)床廠系列滾動直線導(dǎo)軌,其型號為:，其參數(shù)如下：表3.2導(dǎo)軌參數(shù)滑座個數(shù)單向行程長度每分鐘往復(fù)次數(shù)40.64表3.3導(dǎo)軌規(guī)格額定載荷靜載荷 C017500動載荷 C126000靜態(tài)力矩/N*MTA198TB198TC288滑座重量Kg0.6導(dǎo)軌重量Kg/m3.1導(dǎo)軌長度L(mm)7604 步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動單軸直線伺服移動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 PLC的定義與簡介1987年 International Electrotechnical Commission

29、（國際電工委員會）對PLC做出了一個詳細(xì)又生動的解釋。為了適應(yīng)快速發(fā)展的工業(yè)需求，我們的先人們特地設(shè)計(jì)了一種電子裝置，這種電子裝置是利用數(shù)字運(yùn)算操作的。它的內(nèi)部存儲器可以被被編制，它的所有操作指令都是在其內(nèi)部完成的，最后通過數(shù)字式或者模擬量輸入輸出，來操控各種機(jī)械運(yùn)動或生產(chǎn)過程。4.2 PLC硬件系統(tǒng) 4.2.1 PLC的工作原理PLC是集中輸入、集中輸出以及周期性掃描的工作方式進(jìn)行工作的，它的原理流程圖如下。由下圖可知，當(dāng)圖4.1 PLC工作原理流程圖由上圖4.1我們可以知道當(dāng)系統(tǒng)處于，就會把流程圖中所有的步驟都執(zhí)行一遍，而當(dāng)不處于系統(tǒng)執(zhí)行兩個步驟“”和“通信處理”。例如PLC之間的聯(lián)機(jī)等。

30、當(dāng)PLC完成一個掃描周期后，又重新執(zhí)行流程圖中的步驟，周而復(fù)始的進(jìn)行掃描。為了防止某個掃描周期會超過規(guī)定時間而使PLC程序運(yùn)行進(jìn)入死循環(huán)，在其內(nèi)部設(shè)置了WDR既看門狗程序來監(jiān)視每個掃描周期。4.2.2 PLC組成PLC主要組成分為以下5個部分，如圖所示： 圖4.2 PLC的組成（1）CPU： CPU在PLC中的地位和在計(jì)算機(jī)中的地位是一樣的，都是首腦“人物”。（2）存儲器：PLC的存儲器有兩個部分結(jié)合形成的，分別是。起到的主要作用是存儲程序，。（3）電源：PLC的電源一般是開關(guān)電源。（4）輸入/輸出： 輸入輸出模塊可以擴(kuò)大CPU接線端子的數(shù)量，其主要功能還是輸入或輸出模擬量和數(shù)字量。我們知道P

31、LC1輸出有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出三種形式。繼電器輸出型它的響應(yīng)時間慢，可以帶動大的外部負(fù)載。晶體管輸出它的響應(yīng)速度快可輸出高頻脈沖，如步進(jìn)電機(jī)方面。晶閘管輸出它的響應(yīng)時間較快，則用于需要大電流控制的的高頻輸出。綜合考慮之后我們最終選擇PLC的晶體管的輸出方式。（5）通信接口通信接口是PLC與外界聯(lián)系的途徑，只有通過通信接口我們才能把難懂的PLC與外界聯(lián)系結(jié)合起來，才能達(dá)到利用PLC控制機(jī)械運(yùn)動的目的。將單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)納入整體統(tǒng)一集中控制的途徑。 4.2.3 PLC類型的選擇德國SIEMENS公司在1996年研制了一套PLC產(chǎn)品，是S7的。這套系列PLC包括了小型、中型和大型三種型號。分

32、別是、和。這三種機(jī)型的性能以及適用范圍都不相同。在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時，要根據(jù)系統(tǒng)功能和選擇的輸入輸出設(shè)備的點(diǎn)數(shù)、性能和特殊通道選擇PLC的機(jī)型。而S7-200系列的小型機(jī)，由于其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的緊湊性，擴(kuò)展功能的良好性，價格相對的低廉性以及指令系統(tǒng)的豐富性從而勝任本文的設(shè)計(jì)任務(wù)，對于中小規(guī)模系統(tǒng)的控制中，它近乎完美，在各行各業(yè)中的應(yīng)用從而得到廣泛的推廣。 又能具體細(xì)分成不同型號，有、等。綜合多方面考慮最終確定選用來完成設(shè)計(jì)，有，。它自身帶有和，有4個的，2個。除此之外，還擁有一個RS-485通信口，一個模擬電位器，128個輸入印象區(qū)和128個輸出印象區(qū)。 4.2.4 整個系統(tǒng)的接線方式由第三章我們

33、已經(jīng)得出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器機(jī)型號，且根據(jù)上文我們也得出了可編程控制器的型號。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著脈沖信號頻率增大而變快，所以我們只要通過改變進(jìn)行精確的調(diào)速。同理通過改變步進(jìn)脈沖的數(shù)量就可以精確定位電機(jī)。下圖是整個系統(tǒng)的接線圖：圖4.3 PLC與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接線圖4.3 PLC的軟件系統(tǒng) 4.3.1 設(shè)計(jì)的任務(wù) PLC組成的控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)時,可以通過改變輸入脈沖的頻率和數(shù)量，來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的速度、方向、定位方面的掌控。 4.3.2 軟件系統(tǒng)上面中已經(jīng)簡單介紹了硬件系統(tǒng)的部分，但要想系統(tǒng)真正發(fā)揮控制作用關(guān)鍵還是在于系統(tǒng)的軟件部分，軟件設(shè)計(jì)的合理性與簡明性直接影響著系統(tǒng)控制的使用效率與效果。接下

34、來我們將采用梯形圖程序來講解本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。對于軟件的編程，不同廠家的可編程控制器所使用的編程軟件也各不相同，比如日本的三菱系列的PLC使用的是GX DEVELOPER編程軟件，歐姆龍系列的PLC使用的是CX-Programmer編程軟件等等，而本文中的西門子S7-200系列的PLC所用的編程軟件是Step 7 MICRO/WIN編程軟件。雖然各大廠家的指令以及編程軟件都不相同，但其中含義都是相同的。梯形圖由于簡明易懂，直觀方便在西門子軟件編程領(lǐng)域中占得一席地位。4.3.2.1 Step 7 MICRO/WIN編程軟件介紹：本文所采用的Step 7 MICRO/WIN編程軟件是由西門子公

35、司針對本公司系列的PLC所開發(fā)的編程軟件。操作簡單易上手，功能也相當(dāng)完善而被廣大的編程愛好者們所喜愛。本節(jié)將對Step 7 MICRO/WIN編程軟件的使用編程進(jìn)行簡單的介紹。Step 7 MICRO/WIN編程軟件的開發(fā)是基于微軟的windows操作系統(tǒng)?，F(xiàn)在家用計(jì)算機(jī)以及工業(yè)計(jì)算機(jī)都能遠(yuǎn)遠(yuǎn)的滿足Step 7 MICRO/WIN編程軟件的平臺要求。Step 7 MICRO/WIN編程軟件的自帶語法檢測功能可以避免一些語法錯誤和數(shù)據(jù)類型方面的錯誤，為我們廣大編程者提供了相當(dāng)方便的編程平臺，進(jìn)過語法功能的檢查后，在錯誤的梯形圖處自動加上紅色波浪線，直觀明了，簡潔易懂。除了這些基本功能外，我們的S

36、tep 7 MICRO/WIN編程軟件還可以對PLC設(shè)置“RUN”和“STOP”的工作方式以及數(shù)據(jù)參數(shù)和監(jiān)控等等，還可以對編寫的程序進(jìn)行加密處理和管理。 4.3.3 程序流程圖本設(shè)計(jì)的程序流程圖如下： 圖4.4 控制程序流程圖4.3.4 輸入/輸出地址在編寫梯形圖之前，最重要的是先對控制系統(tǒng)的輸入量和輸出量進(jìn)行分析， 下表是輸入/輸出地址分配表。表4 I/O分配表輸入信號輸出信號正轉(zhuǎn)起動按鈕SB1 I0.0反轉(zhuǎn)起動按鈕SB2 I0.1停止及清零按鈕SB3 I0.2低速按鈕SB4 I1.0中速按鈕SB5 I1.1高速按鈕SB6 I1.2控制A相繞組 Q0.0控制B相繞組 Q0.1控制C相繞組 Q

37、0.2 總結(jié)本論文是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用的一個實(shí)例。它是通過步進(jìn)電機(jī)接受控制系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖轉(zhuǎn)動預(yù)期的角度，帶動滾珠絲杠副絲桿的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生行程，再由滾珠絲杠副的螺母帶動工作臺做水平往復(fù)直線運(yùn)動。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的負(fù)載不是很大并且對精度和速度的要求也不高，所以我們選擇開環(huán)伺服系統(tǒng) 。開環(huán)伺服系統(tǒng)中由于沒有檢測反饋裝置所以不能補(bǔ)償系統(tǒng)精度， 所以只有通過選擇合適的驅(qū)動系統(tǒng)和適宜的機(jī)械傳動部件自身精度來控制。所以導(dǎo)致整個系統(tǒng)的精度不是很高。因?yàn)槲覀兊脑O(shè)計(jì)是用步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器連接直接驅(qū)動滾珠絲杠，所以系統(tǒng)的定位精度是由步距角來決定的，所以這要求我們步進(jìn)電機(jī)的步距角要小。 在傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的章節(jié)中我們選擇的導(dǎo)軌

38、是是滾動直線導(dǎo)軌，選擇的原因是滾動直線導(dǎo)軌能降低摩擦阻力、受壓能力強(qiáng)、硬度大、使用時間長、結(jié)構(gòu)具有自我調(diào)節(jié)的能力等優(yōu)點(diǎn)。滾珠絲杠螺旋傳動相比較于其他類型的傳動機(jī)構(gòu)，有很多優(yōu)勢。如、能夠預(yù)緊、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)。本論文采用的是內(nèi)循環(huán)的滾珠循環(huán)方式，可以做到通道流暢、摩擦特性好和剛度較高的優(yōu)點(diǎn)。雖然設(shè)計(jì)中一定還存在著的缺陷，但是對控制的精度影響不大，基本上能達(dá)到設(shè)計(jì)開始時的預(yù)期，能實(shí)現(xiàn)對工作臺控制。致謝經(jīng)過為期幾個月的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，終于完成了本課題的任務(wù)，期間收獲甚大，獲益匪淺。畢業(yè)設(shè)計(jì)是多年學(xué)習(xí)生涯的一個句號，我想要能把這個句號畫的更圓更完美。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，我漸漸掌握了一些我原本并不具備的一

39、些能力和知識，我學(xué)會了怎么樣能高速效率快的查閱到我想要的知識；如何通過一個知識聯(lián)想到另一個知識點(diǎn)，再怎么把它們串聯(lián)在一起；如何在已有的知識里面合理的加入自己的理解使它成為我的東西。這一次的畢業(yè)設(shè)計(jì)可以說是掏空了我的腦海里知識的儲備量，當(dāng)然也有添加進(jìn)新的東西。機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)電一體化要求高精度，運(yùn)動平穩(wěn)，安全可靠，這不僅是靜態(tài)設(shè)計(jì)可以解決的問題，需要對系統(tǒng)的動態(tài)性能分析調(diào)整相關(guān)的機(jī)械性能參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)性能。經(jīng)過這段時間的設(shè)計(jì)，得出以下經(jīng)驗(yàn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊; 組件應(yīng)盡可能輕，標(biāo)準(zhǔn)件選擇盡可能小的慣性; 在允許現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行局部調(diào)整的條件下; 最大的是滾珠絲杠，聯(lián)軸器，電機(jī)，它的選擇考慮主要考慮減少慣性。 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)是為了訓(xùn)練我們的學(xué)習(xí)能力，以