機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái) 礦大 機(jī)械電子 有圖

1、機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)機(jī)械電子方向?qū)I(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)題目：機(jī)電傳動(dòng)單項(xiàng)數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 者： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2014年12月目錄一.設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義21.2設(shè)計(jì)任務(wù)21.3設(shè)計(jì)參數(shù)明細(xì)21.4課程設(shè)計(jì)基本要求··3 二總體方案設(shè)計(jì)2.1電動(dòng)機(jī)的選擇32.2傳動(dòng)方式的選擇42.3電氣控制的選擇52.4總體方案確定，參數(shù)初設(shè)5三機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.0機(jī)械傳動(dòng)裝置的組成及原理63.1導(dǎo)軌的選擇63.2步進(jìn)電機(jī)的選型83.3同步皮帶的選擇及校核93.4聯(lián)軸器的選用113.5鍵的校核123.6滾動(dòng)軸承的選用與校核133.7

2、潤(rùn)滑與密封裝置15四電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1設(shè)計(jì)的基本原則164.2 PLC控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)174.3 PLC高速脈沖輸出控制24五.結(jié)束語(yǔ)30六.參考文獻(xiàn)30一 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

3、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(shù)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)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)容必須包括一個(gè)模擬量控制。1.3設(shè)計(jì)參數(shù)明細(xì)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)

4、：?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)阻力100、50 N；移動(dòng)速度控制3、6 m/min；1.4 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)的控制原理圖或主要部件圖（A2一張）。（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

5、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3000字以上，設(shè)計(jì)圖紙不少于兩張。（5）用計(jì)算機(jī)繪圖或手工繪圖，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；二 總體方案設(shè)計(jì)2.1電機(jī)的選擇步進(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)電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：1、工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電壓波動(dòng)、電流大小與

6、波形變化、溫度等)的影響； 2 、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?；3、由于可以直接用數(shù)字信號(hào)控制，與微機(jī)接口 比較容易；4、控制性能好,在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”；5、不需要傳感器進(jìn)行反饋，可以進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制；6、缺點(diǎn)是能量效率較低。2.2傳動(dòng)方式的選擇同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)帶齒與輪的齒槽相嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力。 傳輸用同步帶傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無(wú)滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大，一

7、般可達(dá)1:10。允許線速度可達(dá)50m/s，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，不需潤(rùn)滑，無(wú)污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。 傳輸產(chǎn)品廣泛用于紡織、機(jī)床、煙草、通訊電纜、輕工、化工、冶金、儀表儀器、食品、礦山、石油、汽車等各行業(yè)各種類型的機(jī)械傳動(dòng)中。同步帶具有以下特點(diǎn)（1）傳動(dòng)準(zhǔn)確，工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，具有恒定的傳動(dòng)比；（2）傳動(dòng)平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；（3）傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.98，節(jié)能效果明顯；（4）維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤(rùn)滑，維護(hù)費(fèi)用低；（5）速比范圍大，一般可達(dá)10，線速度可達(dá)50m/s，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)

8、幾瓦到幾百千瓦；（6）可用于長(zhǎng)距離傳動(dòng)，中心距可達(dá)10m以上。（7）相對(duì)于V型帶傳送，預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受載荷小。2.3電氣控制的選擇可編程序控制器PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，能抗諸如電噪聲、電源波動(dòng)、振動(dòng)、電磁干擾等的干擾，能抗1000V、1s脈沖的干擾，能在高溫、高濕以及空氣中存有各種各種強(qiáng)腐蝕物質(zhì)粒子的惡劣環(huán)境下可靠地工作，PLC能夠承受電網(wǎng)電壓的變化，即使在電源瞬時(shí)斷電的情況下，仍可以正常工作。另外PLC是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)控制的，其控制程序編在軟件中，實(shí)現(xiàn)程序軟件化，因而對(duì)于不同的控制對(duì)象都可以采用相同的硬件配置。PLC 提供標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可以方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。而且PLC體積小、

9、能耗低、便于機(jī)電一體化。通過(guò)PLC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制，實(shí)際上控制時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)受脈沖控制。利用PLC產(chǎn)生高速脈沖串，調(diào)節(jié)脈沖頻率，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)加速、恒速運(yùn)行、減速停止過(guò)程。本次設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了啟動(dòng)、停止、設(shè)置行程等按鈕。還采用了直流伺服電動(dòng)機(jī)的專門控制芯片PMM8713，利用單片機(jī)定時(shí)中斷的方法輸出脈沖給PMM8713芯片，通過(guò)PMM8713芯片和功率放大器把脈沖分配給直流伺服電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。再通過(guò)帶動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)滑動(dòng)平臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)于位置控制，在平臺(tái)始末兩端安裝2個(gè)行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)?shù)竭_(dá)始末2端時(shí)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)的方向旋轉(zhuǎn)，使平臺(tái)方向運(yùn)行。同時(shí)還增加了平臺(tái)行程的設(shè)置功能

10、，當(dāng)需要改變平臺(tái)的行程，通過(guò)擴(kuò)展的鍵盤就可以實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)的總體工作原理如下圖所示：指令脈沖發(fā)生器脈沖分配器脈沖放大器直流伺服電機(jī)工作機(jī)構(gòu)2.4總體方案確定，參數(shù)初設(shè)如下：電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)方式：同步皮帶電氣控制方式：PLC控制功能控制要求：位置控制主要設(shè)計(jì)參數(shù)：?jiǎn)蜗蜃畲蠊ぷ餍谐?800mm； 移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量m1100kg；工作臺(tái)重量m250kg； 負(fù)載移動(dòng)阻力100N；移動(dòng)速度控制6選用矩形導(dǎo)軌；工作臺(tái)滑動(dòng)摩擦系數(shù)；三機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.0機(jī)械傳動(dòng)裝置的組成及原理本機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)，由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作臺(tái)、同步皮帶傳動(dòng)裝置以及直流伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行元

11、件用來(lái)驅(qū)動(dòng)同步皮帶，同步皮帶帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在X方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、同步皮帶和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。姓名設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)和過(guò)程結(jié)果3.1導(dǎo)軌的選擇1.已知條件本設(shè)計(jì)選擇同步帶單向工作行程ls=1800mm移動(dòng)速度v=6m/min 負(fù)載質(zhì)量m1=100kg采用2根導(dǎo)軌、4個(gè)滑塊，工作平臺(tái)和滑塊的質(zhì)量m2假設(shè)為50kg.壽命要求：每天開(kāi)機(jī)8h，一年按300個(gè)工作日，壽命8年以上初選矩形滑動(dòng)導(dǎo)軌2動(dòng)載荷的計(jì)算作用在滑塊上的力F=m1+m2

12、5;g=1470N則單個(gè)滑座受力F=F4=14704=367.5N導(dǎo)軌壽命Th=8×300×8=19200h行程長(zhǎng)度壽命：Ts=2Thlsn103其中n為每分鐘運(yùn)行的次數(shù)n=v2ls=62×1.5=2Ts=2×19200×1.5×60×21000=6912m設(shè)計(jì)平臺(tái)上共有滑塊4個(gè)，每根導(dǎo)軌2個(gè)滑塊。有Ts=kfHfTfcfwCaF3查機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)1有：k壽命系數(shù)取k=50fH硬度系數(shù)取fH=1.00fT溫度系數(shù)取fT=1.00fc接觸系數(shù)取fc=0.81fw負(fù)荷系數(shù)取fw=1.5則動(dòng)載荷有：Ca=F3Ts/kfwfHf

13、Tfc=367.5×36912/50×1.51×1×0.81=3518.91N已知?jiǎng)虞d荷Ca=3518.91N查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)導(dǎo)軌選擇型號(hào)：HSR 15TA滑動(dòng)導(dǎo)軌基本額定載荷為7600N每個(gè)滑塊的質(zhì)量為0.2kg3.2步進(jìn)電機(jī)的選型工作臺(tái)重量，工作臺(tái)與導(dǎo)軌間摩擦系數(shù)，定位精度0.1mm。1)脈沖當(dāng)量的選擇 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，考慮是否有現(xiàn)成的與其配套的驅(qū)動(dòng)器。該設(shè)計(jì)選用反應(yīng)式三相六拍步進(jìn)電機(jī)。初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)時(shí)步距角與傳動(dòng)比應(yīng)滿足，取步距角為0.75°，為了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高精度，取。脈沖當(dāng)量：一個(gè)指令脈沖使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)的移動(dòng)距離（輸入一個(gè)指

14、令脈沖工作臺(tái)移動(dòng)0.1mm）2)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩：穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩： 加速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩： 帶輪折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取帶輪質(zhì)量為 負(fù)載和工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取工作臺(tái)質(zhì)量為50kg 同步帶折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)矩為3）初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)根據(jù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)距和電動(dòng)機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,初步選定電動(dòng)型號(hào)為110BC380B步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)的最大靜扭距，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。為了使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)能力及較快的響應(yīng)速度應(yīng)為：TmaxM=207.57=2.62JlJm=5.66.5=0.864 空載時(shí)起動(dòng)時(shí)間計(jì)算（ta）110BC380B步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最

15、小加、減速度時(shí)間為1秒帶慣性負(fù)載的最大起動(dòng)頻率fl的計(jì)算fl=fm1+JlJm=15001+0.86=1099.85Hz fm電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)頻率帶慣性負(fù)載的最大轉(zhuǎn)速nm=×fl×60360°=0.75°×1099.85×60360°=137轉(zhuǎn)/分 M1=7.57Nm負(fù)載時(shí)起動(dòng)時(shí)間tata=0.1047(Jl+Jm)nmTm-TLF=0.1047(56+65)×10-5×1377.57-1.51=2.78×10-3s該電機(jī)帶慣性負(fù)載時(shí)能夠起動(dòng)以上計(jì)算，選該型號(hào)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，能滿足設(shè)計(jì)要求。3.3同步

16、皮帶的選擇及校核取傳動(dòng)比i=1，n1=nN=2000r/min1）設(shè)計(jì)功率Pd 由手冊(cè)查得Pd=K0(1+K1)(1+K2)=1.7×1.1×1×0.01KW=0.0187KW 其中：K0為工況系數(shù)，取1.7； K1為張緊輪影響系數(shù)，取0.1； K2為增速傳動(dòng)系數(shù)，取0； 2）選定帶型和節(jié)距根據(jù)Pd=0.187KW和n1=2000r/min查手冊(cè)確定為H型，節(jié)距pb=12.70mm 3）小帶輪齒數(shù)z1根據(jù)帶型H和小帶輪轉(zhuǎn)速n1由手冊(cè)查得小帶輪的最小齒數(shù)z1min=20此處取z1=30 4）小帶輪節(jié)圓直徑d1d1=z1pb=30×12.7mm=121.28

17、mm5）大帶輪齒數(shù)z2 z2=iz1=1×30=30，按手冊(cè)取z2=306）大帶輪節(jié)圓直徑d2d2=z2pb=30×12.7mm=121.28mm7）帶速vv=d1n160×1000=×121.28×200060×1000=12.7ms<vmax 8）初定軸間距a00.7d1+d2=0.7181.91+181.91=254.67mm2d1+d2=2181.91+181.91=727.64mm由于0.7d1+d2<a0<2d1+d2而實(shí)際情況是單行行程為1800mm，故a0>ls+2d1+d2=1931mm 故取

18、a0=1950mm9）帶長(zhǎng)及其齒數(shù)L0=2a0+2d1+d2+d2-d124a0=2×1950+2121.28+121.28+121.28-121.2824×500mm=4281.01mm查表得應(yīng)選用帶長(zhǎng)代號(hào)為1700的H型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)Lp=4318.0mm,節(jié)線長(zhǎng)上的齒數(shù)zb=340。10）實(shí)際軸間距a此結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整aa0+Lp-L02=1950+4318-42812=1968.49mm11）小帶輪嚙合齒數(shù)zmzm=z121-pbz2-z12a=6021-9.52560-603.142×514=30 12）基本額定功率P0P0=Ta-mv2v1000T

19、a寬度為bs0的帶的許用工作拉力（N） m寬度為bs0的帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量（kg/m）由手冊(cè)查得bs0=76.2mm，Ta=2100N，m=0.448kg/mP0=2100-0.448×12.72×12.71000kW=25.75kW13）所需帶寬bsbs=bs01.14PdKzP0按zm=30查得Kz=1bs=76.2×1.140.018791×25.75=0.13mm由手冊(cè)查得，應(yīng)選帶寬代號(hào)為075的H型帶，其bs=76.2mm14)作用在軸上的力Fr Fr=Pdv×1000=0.018712.7×1000=1.47N 3.4 聯(lián)軸

20、器的選用110BC380B電動(dòng)機(jī)輸出軸的直徑為d=14mm，根據(jù)手冊(cè)選用HL1型彈性柱銷聯(lián)軸器。其許用轉(zhuǎn)矩Tn=160Nm許用轉(zhuǎn)速np=7100r/min軸孔直徑d=14mm軸孔長(zhǎng)度L=32mm轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.0064kgm23.5鍵的校核1）連接伺服電機(jī)與聯(lián)軸器上鍵的校核選A型普通平鍵，d=14mm查手冊(cè)，選鍵：b=5mm，h=5mm，L=30mm平鍵的主要失效形式是工作面的過(guò)度磨損，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核，驗(yàn)算其擠壓強(qiáng)度，對(duì)于鋼軸，承受輕微沖擊，查表得其許用壓應(yīng)力p=120MPa強(qiáng)度條件為：p=2T×103kldp鍵的工作長(zhǎng)度l=L-b=30-5=25mm，T=FTd12=325

21、5;121.28×10-32=19.71Nm，k=0.5h=2.5mm，則p=2×19.71×10002.5×25×14=45.05MPap<p，符合要求2）連接聯(lián)軸器和同步帶輪的鍵的校核連接伺服電機(jī)與聯(lián)軸器的鍵與連接聯(lián)軸器與同步帶輪的鍵采用相同的鍵，對(duì)于同樣的負(fù)載轉(zhuǎn)矩同樣能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3）同步帶輪上鍵的校核選A型普通平鍵，d=20mm查手冊(cè)，選鍵：b=6mm，h=6mm，L=20mm強(qiáng)度條件為：p=2T×103kldp鍵的工作長(zhǎng)度l=L-b=20-6=14mm，T=FTd12=325×181.91×10

22、-32=29.56Nm，k=0.5h=3mm，則p=2×19.71×1033×14×20=46.93MPap<p，符合要求3.6滾動(dòng)軸承的選用和校核根據(jù)以上數(shù)據(jù)作出帶輪軸的簡(jiǎn)圖：根據(jù)工作情況以及滾珠絲杠的受力，初選軸承為角接觸球軸承,其型號(hào)為7205B 基本額定載荷為：C0=15.8KN ，C0r=9.45KN 受力情況如下圖為徑向外載荷 Fr=(m1+m2+m3)g=(100+50+50)×9.8=1960N 為軸向外載荷 Fa=270.5N 軸承支反力 軸承派生軸向力 軸承所受軸向載荷 則 計(jì)算軸承當(dāng)量動(dòng)載荷，工作在中等沖擊： 載荷系

23、數(shù) 查表 查表 計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷： 計(jì)算軸承的壽命： 因?yàn)椋?故按進(jìn)行校核。 取溫度系數(shù) ft=1 故 壽命指數(shù) 對(duì)于球軸承 因?yàn)?所以軸承符合要求 7205B角接觸軸承基本尺寸 內(nèi)圈直徑 外圈直徑 軸承寬度 軸承質(zhì)量 靜載荷 動(dòng)載荷 3.7潤(rùn)滑與密封裝置由已知條件選擇脂潤(rùn)滑，密封裝置為毛氈圈。ls=1800mv=6m/minm1=100kgm2=50kgF=1470N=367.5NTh=19200hn=2Ts=6912mk=50fH=1fT=1fc=0.81fw=1.5Ca=3518.91N=0.15M1=7.57NmJ1=7.35×10-3kgm2J2=0.55kgm2J3=7.1

24、1×10-3kgm2J=0.56kgm2i=1n1=2000r/minPd=0.0187KWpb=12.70mmz1=30d1=121.28mmz2=30d2=121.28mmv=12.7m/sa0=1950mmL0=4281.01mmLp=4318.0mmzb=340a19668.49mmzm=30P0=25.75kwbs=76.2mmFr=1.47NTn=160Nmnp=7100r/mind=14mmL=32mmJ=0.0064kgm2b=5mmh=5mmL=30mmp=120MPa符合要求b=6mmh=6mmL=20mm符合要求C0=15.8KNC0r=9.45KNFr=196

25、0N ft=1四 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1設(shè)計(jì)的基本原則在電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：1) 最大限度滿足機(jī)床和工藝對(duì)電氣控制的要求；2) 在滿足控制要求的前提下，設(shè)計(jì)方案應(yīng)力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用，不宜盲目追求自動(dòng)化和高性能指標(biāo)；3) 妥善處理機(jī)械與電氣的關(guān)系。很多生產(chǎn)機(jī)械是采用機(jī)電結(jié)合控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制要求的，要從工藝要求、制造成本、機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和使用維護(hù)等方面協(xié)調(diào)處理好二者的關(guān)系；4) 把電氣系統(tǒng)的安全性和可靠性放在首位，確保使用安全、可靠。5) 合理的選用電器元件。4.12設(shè)計(jì)步驟1) 分析被控對(duì)象并提出控制要求詳細(xì)分析被控對(duì)象的工藝過(guò)程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電

26、、液之間的配合，提出被控對(duì)象對(duì)PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書。2) 確定輸入/輸出設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按鈕、位置開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與PLC有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。3）選擇PLCPLC選擇包括對(duì)PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇等等。4）分配I/O點(diǎn)并設(shè)計(jì)PLC外圍硬件線路 分配I/O點(diǎn)畫出PLC的I/O點(diǎn)與輸入/輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表，該部分也可在第2步中進(jìn)行。 設(shè)計(jì)PLC外圍硬件線路畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包

27、括主電路和未進(jìn)入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。5) 根據(jù)PLC所要完成的任務(wù)及應(yīng)具備的功能，進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)，同時(shí)可進(jìn)行控制臺(tái)的設(shè)計(jì)等。4.2 PLC控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)4.21 控制要求在本設(shè)計(jì)中我要做的是數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的位置控制，由于工作臺(tái)的移動(dòng)速度已給定，根據(jù)工作行程的計(jì)算可算出單向行程的行走時(shí)間，通過(guò)PLC的計(jì)時(shí)器功能，控制其正反轉(zhuǎn)，由可編程控制器通過(guò)PTO/PWM控制，輸出脈沖和方向控制信號(hào)，控制三相交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，進(jìn)而控制工作臺(tái)的前進(jìn)和后退，達(dá)到對(duì)工作臺(tái)位置的控制。而且通過(guò)選擇合適的

28、伺服驅(qū)動(dòng)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)合實(shí)用實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。 現(xiàn)把步進(jìn)電機(jī)的原理陳述如下：4.22 PLC的選擇PLC=Programmable logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。現(xiàn)在PLC種類很多，有西門子、三菱、松下等等，而且每種PLC都有很多的系列，他們的功能各不相同，以滿足不同用戶、不同環(huán)境的要求。由于我們?cè)赑LC課程學(xué)習(xí)時(shí)

29、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，最后確定選用S7-224PLC,通過(guò)分析，它可以達(dá)到工作要求：1) 功能強(qiáng)弱適當(dāng)，因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)響應(yīng)速度要求不高，S7-200系列足以滿足需要；2) 結(jié)構(gòu)合理，S7-224具有模塊化結(jié)構(gòu)，通過(guò)相應(yīng)模塊可以實(shí)現(xiàn)控制要求；3) 可在線編程，其特點(diǎn)是主機(jī)和編程器各有一個(gè)CPU，編程器的CPU可隨時(shí)處理由鍵盤輸入的各種編程指令；4) 由于工作環(huán)境并不惡劣，S7-224已經(jīng)可以很好的適應(yīng)環(huán)境了。4.23步進(jìn)電機(jī)專用芯片的選擇：在選擇電機(jī)時(shí)，因?yàn)榭紤]到伺服系統(tǒng)的關(guān)系，使用與其配套的PMM871

30、3。PMM8713是單片CMOS芯片，用于控制三相和四相步進(jìn)電機(jī)PMM8723 是表面安裝器件，用于控制二相步進(jìn)電機(jī)，是PMM8713的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，價(jià)格低于PMM8713PMM8714是單片CMOS芯片，用于控制五相步進(jìn)電機(jī)對(duì)于PMM8713，它的基本規(guī)格如下：1） 控制步進(jìn)電機(jī)工作方式：4相輸出1相勵(lì)，2相勵(lì)磁，1-2相勵(lì)磁。 3相輸出1相勵(lì)，2相勵(lì)磁，1-2相勵(lì)磁2） 電源電壓范圍 ：3） 輸出電流 ：源極或漏極輸出電流最小為20mA4） 抗干擾能力強(qiáng) ：所有輸入端內(nèi)部都設(shè)置施密特電路5） 兩種類型脈沖輸入方式 1）2輸入端（CW和CCW輸入方式） 2）1輸入端一切換端（CK和U/D輸入方式

31、）6）有勵(lì)磁監(jiān)視 ： PMM8713的E腳輸出可說(shuō)明控制器的工作方式PMM8713的管腳功能如下：管腳編號(hào)符號(hào) 功能管腳編號(hào)符號(hào)功能1輸入脈沖 Up時(shí)鐘9復(fù)位2輸入脈沖 DOWN 時(shí)鐘103輸入時(shí)鐘114U/D方向切0-反轉(zhuǎn)1-正轉(zhuǎn)125勵(lì)磁方式切換控制13614勵(lì)磁監(jiān)視73,4相選擇15輸入脈沖監(jiān)視80V (地)16電源（+4-+18V）PMM8713的其他相關(guān)參數(shù)參見(jiàn)參考書及相關(guān)手冊(cè) 4.24控制電路設(shè)計(jì)主程序框圖：Ø PTO/PWM控制框圖：Ø 高速計(jì)數(shù)程序中的中斷程序框圖： Ø 高速計(jì)數(shù)程序框圖：4.25 PTO/PWM控制寄存器及相關(guān)計(jì)算(1) PTO/

32、PWM控制寄存器S7-224 有兩臺(tái)PTO/PWM 發(fā)生器，建立高速脈沖串或脈寬調(diào)節(jié)信號(hào)波形。一臺(tái)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。脈寬調(diào)制（PWM）功能提供帶變量占空比的固定周期輸出。每臺(tái)PTO/PWM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

33、設(shè)置好控制寄存器。在編寫程序之前，編程人員必須明確的知道控制寄存器各個(gè)位的功能，具體說(shuō)明見(jiàn)下表(見(jiàn)下頁(yè)) 。(2) 相關(guān)計(jì)算PMM8713有很多參數(shù)，參數(shù)的設(shè)置值影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋信號(hào)，同時(shí)決定輸入輸出接口中脈沖和方向的類型。由于驅(qū)動(dòng)器的輸入輸出接口與S7-224連接，而S7-224的I/O為24VDC的單端信號(hào)，必須實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器和S7-224輸入輸出信號(hào)類型及電平的匹配。由于S7-224脈沖輸出和和計(jì)數(shù)器的最高頻率均為20KHz，所以Pr44和Pr4B的設(shè)定值必須確保在合適的范圍內(nèi)。伺服驅(qū)動(dòng)器中A相和B相反饋脈沖均為差分信號(hào)，而PLC不能直接輸入差分信號(hào)，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并放

34、大至24VDC信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換及放大處理。PTO/PWM控制寄存器各位功能表Q0.0Q0.1描述狀態(tài)字節(jié)SM66.4SM76.4PTO包絡(luò)由于增量計(jì)算錯(cuò)誤而終止，0無(wú)錯(cuò)誤；1有錯(cuò)誤SM66.5SM76.5PTO包絡(luò)由于用戶命令而終止，0不中止；1終止SM66.6SM76.6PTO管線溢出，0無(wú)溢出；1有溢出SM66.7SM76.7PTO空閑，0執(zhí)行中；1PTO空閑控制字節(jié)SM67.0SM77.0PTO/PWM更新周期值，0不更新；1更新周期值SM67.1SM77.1PWM更新脈沖寬度值，0不更新；1更新脈沖寬度值SM67.2SM77.2PTO更新脈沖數(shù)，0不更新；1更新脈沖數(shù)SM67.3SM77

35、.3PTO/PWM時(shí)間基準(zhǔn)選擇，01us；11msSM67.4SM77.4PWM更新方法，0異步更新，1同步更新SM67.5SM77.5PTO操作，0單段操作；1多段操作SM67.6SM77.6PTO/PWM模式選擇，0PTO；1=PWMSM67.7SM77.7PTO/PWM允許，0禁止；1允許其它寄存器SMW68SMW78PTO/PWM周期值（范圍265535）SMW70SMW80PWM脈沖寬度值（范圍065536）SMD72SMD82PTO脈沖計(jì)數(shù)值（范SMW166SMW176操作中的段數(shù)（僅在多段PTO操作中）SMW168SMW178包絡(luò)表的起始位置，用從V0開(kāi)

36、始的字節(jié)偏移量表示電平匹配的問(wèn)題已通過(guò)控制電路設(shè)計(jì)解決掉了，現(xiàn)在我們做相應(yīng)計(jì)算來(lái)解決脈沖的問(wèn)題： 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中負(fù)載的工作行程是1800mm，故可得出絲杠走完全程需要15轉(zhuǎn)。 為了S7-224和驅(qū)動(dòng)器功率協(xié)調(diào)，我們就設(shè)最高工作頻率為10KHZ，此時(shí)電機(jī)步距角為0.75°出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要的脈沖數(shù)為360/0.75=480所以完成負(fù)載的行動(dòng)共需72000個(gè)脈沖。由以上計(jì)算就可得出MDDDT5540-003驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置參數(shù)為：編號(hào)參數(shù)名稱設(shè)定值功能說(shuō)明Pr40指令脈沖輸入選擇0通過(guò)光耦電路輸入Pr41旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置0Pr42指令脈沖輸入方式3Pr44反饋脈沖分倍頻分子75電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，編碼器

37、反饋的脈沖為Pr44*4Pr45反饋脈沖分倍頻分母0Pr48指令脈沖分倍頻分子0Pr4B指令脈沖分倍頻分母300電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)為Pr4B 110BF003(新)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率為1.4KHZ。 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72000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10KHz。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：100s要求加速部分在400個(gè)脈沖內(nèi)達(dá)到最大脈沖頻率（10KHz），減速部分在80

38、0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1；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0.5。假定包絡(luò)表存放在從VB500開(kāi)始的V存儲(chǔ)器區(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VB1003（總段數(shù)）VW101500（1段初始周期）VW1031（1段周期增量）VD105400（1段脈沖數(shù)）VW109100（2段初始周期）VW1110（2段周期增量）VD11370800（2段脈沖數(shù)）VW117100（3

39、段初始周期）VW1190.5（3段周期增量）VD121800（3段脈沖數(shù)）4.27高速計(jì)數(shù)器S7-224 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。在編寫程序之前，編程人員必須明確的知道控制寄存器各個(gè)位的功能，具體說(shuō)明見(jiàn)下面兩個(gè)表：(1) 高速計(jì)數(shù)器的控制字節(jié)表HSC0HSC1HSC2HSC3HSC4HSC5描述SM37.0SM47.0SM57.0SM147.0復(fù)

40、位有效電平控制位；1=低電平-SM47.1SM57.1-啟動(dòng)有效電平控制位；1=低電平SM37.2SM47.2SM57.2SM147.2正交計(jì)數(shù)速率選擇；1=1*計(jì)數(shù)速率SM37.3SM47.3SM57.3SM137.3SM147.3SM157.3計(jì)數(shù)方向控制位1=增計(jì)數(shù)SM37.4SM47.4SM57.4SM137.4SM147.4SM157.4允許更新計(jì)數(shù)方向；1=更新SM37.5SM47.5SM57.5SM137.5SM147.5SM157.5向HSC寫入預(yù)置值1=更新預(yù)置值SM37.6SM47.6SM57.6SM137.6SM147.6SM157.6向HSC寫入當(dāng)前值1=更新當(dāng)前值SM

41、37.7SM47.7SM57.7SM137.7SM147.7SM157.7HSC允許；1=允許(2) HSC的當(dāng)前值和預(yù)置值表要裝入的值HSC0HSC1HSC2HSC3HSC4HSC5新當(dāng)前值SMD38SMD48SMD58SMD138SMD148SMD158新預(yù)置值SMD42SMD52SMD62SMD142SMD152SMD162結(jié)合以上兩表，由于伺服電機(jī)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HSC0，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)I0.0、I0.1 輸入，I0.2 為外部復(fù)位。內(nèi)存單元中SMD38、SMD42 分別為HSC0 的初始值和預(yù)置值

42、，SMB37為HSC0 的控制字節(jié)，計(jì)數(shù)實(shí)時(shí)值使用地址HSC0，當(dāng)計(jì)數(shù)實(shí)時(shí)值等于預(yù)置值時(shí)，產(chǎn)生12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。4.3 PLC高速脈沖輸出控制PLC接線圖 三電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)PLC控制I/O分配輸入端：?jiǎn)?dòng)按鈕SB1 I0.0緊急停止按鈕SB2 I0.1正常停止按鈕SB3 I0.2初始位置行程開(kāi)關(guān)S1 I0.3終點(diǎn)位置行程開(kāi)關(guān)S2 I0.4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輸出端：脈沖輸出口CL Q0.0電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向輸出控制Q0.1蜂鳴器、報(bào)警指示燈輸出Q0.2PLC控制程序主程序Main:Network 1 / Network Title/

43、Network CommentLD SM0.1R Q0.0, 2R S0.0, 3Network 2 / 當(dāng)物體處在初始位置行程開(kāi)關(guān)且啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)LD I0.0A I0.3AN I0.1AN I0.2EUS S0.1, 1Network 3 LSCR S0.1Network 4 LD SM0.1CALL SBR3Network 5 LD SM0.0= Q0.1 /啟動(dòng)標(biāo)志Network 6 LD SM0.1CALL SBR0 /正向輸出 /正向標(biāo)志 /Q0.0脈沖輸出Network 7 LD I0.4SCRT S0.2Network 8 SCRENetwork 9 LSCR S0

44、.2Network 10 / 延時(shí)100ms后，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)LD SM0.0TON T37, +100Network 11 LD T37R Q0.1, 1 /啟動(dòng)標(biāo)志Network 12 LD T37A SM0.1AN I0.3CALL SBR0 /反向輸出 /反向標(biāo)志 /Q0.0脈沖輸出Network 13 SCRENetwork 14 / 電動(dòng)機(jī)立即停止LD I0.1AN I0.2S M0.1, 1CALL SBR1Network 15 / 電動(dòng)機(jī)正常停止 LD I0.2AN I0.1R S0.0, 3Network 16 LD SM0.1A M0.1MOVW SMW68, VW200 /將此時(shí)的脈沖周期存入VW200R S0.0