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数控平台课程设计说明书






1

设计任务................................................................................................................ 1 1.1 设计任务介绍及意义....................

................................................................... 1 1.2 设计任务明细:............................................................................................... 1 1.3 设计的基本要求............................................................................................... 2 1.4 课程设计时间安排及设计过程的相关环节................................................... 2

2

总体方案设计.......................................................................................................... 4 2.1 设计基本依据................................................................................................... 4 2.2 总体方案确定................................................................................................... 7

3

机械传动系统设计及核算...................................................................................... 8 3.1 滚珠丝杠,轴承的选用及核算...................................................................... 8 3.2 步进电机选用及核算..................................................................................... 13 3.3 联轴器校核.................................................................................................... 16 3.4 增量式旋转编码器的选用............................................................................ 16

4 电气控制系统设计.................................................................................................. 17 4.1 环形脉冲分配器 CH250 ................................................................................ 17 4.2 功率放大器.................................................................................................... 19 4.3 PLC 高速脉冲输出控制 ............................................................................. 20

结束语.......................................................................................................................... 29 参考文献...................................................................................................................... 30

机械电子课程设计

1
1.1 设计任务介绍及意义
1.1.1 课程设计题目 机电传动单向数据平台设计 1.1.2 主要内容包括

设计任务

(1)机械传动结构设计(2)电气测控系统 1.1.3 课程设计意义: 课程设计意义: 课程设计是培养学生综合运用所学知识和技能, 提高分析和解决实际问题能 力的一个重要环节,专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础上 的,是根据所学课程进行的工程基本训练,通过课程设计可以达到以下目标: (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,并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领 域. (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:
⑴电机驱动方式;步进电机,直流伺服电机,交流伺服电机 ⑵机械传动方式:螺旋丝杆,滚珠丝杆,同步皮带,链传动;
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⑶电气控制方式:单片微机控制,PLC 控制; ⑷功能控制要求:速度控制,位置控制; ⑸主要设计参数:单向工作行程——800,500,300 mm; 移动负载质量——100,50 kg; 负载移动阻力——50,100 N; 移动速度控制——3,6 m/min

1.3 设计的基本要求
⑴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,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. ⑵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. ⑶电气原理图: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. ⑷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,完成课程设计说明书一份,30页左右,设计图纸不少于两张. ⑸绘图及说明书:用计算机绘图或手工绘图,打印说明书.

1.4 课程设计时间安排及设计过程的相关环节
课程设计共 3 周,各阶段的任务和时间安排建议如下: 1.4.1.查阅资料及系统方案选择设计(5 天) .查阅资料及系统方案选择设计 根据课程设计任务的要求在搜集,归纳,分析资料的基础上,将设计要求具 体实施,确定系统设计方案,并完成初步计算,具体步骤如下: (1)根据设计要求,尽可能的多构想一些原理方案,并通过技术,性能与经 济合理型比较,寻求可行的设计方案; (2)对可行的设计方案进行分析计算或实验验证,考查所提原理方案能否满 足设计要求,并确定最终设计方案;

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1.4.2.机械系统图和电气控制原理的设计阶段(5 天) .机械系统图和电气控制原理的设计阶段( (1)根据所选设计方案,通过较详细的分析计算,完成机械传动系统及主要 部件的结构设计画出的图纸; (2) 根据系统检测控制要求, 完成电气控制部件的选型与控制电路图的设计; 1.4.3.课程设计说明书的编写(3 天) .课程设计说明书的编写( 根据系统方案设计的分析,计算内容,写出设计说明,要求其内容密切结合 设计课题,重点突出,用自己的语言认真书写,文字通顺流畅,要防止不加分析 地长篇引用教科书,抄袭其它著作中的阐述.

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2.1 设计基本依据
2.1.1 电机驱动方式的选择

总体方案设计

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,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角.这一线 性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点.使得在速 度,位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单. 下面先叙述三相反应式步进电机原理. 1,结构: 电机转子均匀分布着很多小 齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依 次分别与转子齿轴线错开 0, て, て, 1/3 2/3 (相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て 表示) ,即 A 与齿 1 相对齐,B 与齿 2 向右 错开 1/3 て,C 与齿 3 向右错开 2/3 て,A' 与齿 5 相对齐, (A'就是 A, 5 就是齿 1) 齿 , 左图为电机的结构简图. 2,旋转: 如 A 相通电,B,C 相不通电时,由于磁场作用,齿 1 与 A 对齐, (转子不受任何力以下均同) 如 B 相通电,A,C 相不通电时,齿 2 应与 B 对 . 齐,此时转子向右移过 1/3 て,此时齿 3 与 C 偏移为 1/3 て,齿 4 与 A 偏移(て -1/3 て)=2/3 て. 如 C 相通电,A,B 相不通电,齿 3 应与 C 对齐,此时转子 又向右移过 1/3 て,此时齿 4 与 A 偏移为 1/3 て对齐. 如 A 相通电,B,C 相不 通电,齿 4 与 A 对齐,转子又向右移过 1/3 て 这样经过 A,B,C,A 分别通电 状态,齿 4(即齿 1 前一齿)移到 A 相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断 地按 A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3 て,向右旋转.如按 A, C,B,A……通电,电机就反转. 由此可见:电机的位置和速度由导电次数(脉
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冲数)和频率成一一对应关系.而方向由导电顺序决定.三相单三拍和双三拍的 工作原理相似.

2.1.2 机械传动方式的选择

滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动,或将直线运动转化 为回转运动的理想的产品.由螺杆,螺母和滚珠组成.它以滚珠的滚动代替丝杆 螺母副中的滑动, 摩擦力小, 具有良好的性能, 是滚珠螺丝的进一步延伸和发展, 由于具有很小的摩擦阻力,滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器.兼 具高精度,可逆性和高效率的特点. 滚珠丝杠的主要特点如下: (1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 .由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝 杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率.与过去的滑 动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚 动丝杠副的 1/3.在省电方面很有帮助. (2)高精度的保证.螺母和螺杆经调整预紧,可以得到很高的定位精度 ( 5 m / 300mm )重复定位精度( 1 2 m )并可以提高轴向刚度
(3)微进给可能.滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不

会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给.
(4)无侧隙,刚性高.滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙

达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力, 在实际用于机 械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强).
(5)高速进给可能.滚珠丝杠由于运动效率高,发热小,所以可实现高

速进给(运动).
(6) 工作寿命长,不易发生故障.适用于金属切削机床,测试机械,仪器的

传动螺旋和调整螺旋等.

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2.1.3 电气控制方式选择 现代控制系统中, PLC 作为广泛应用于工业自动化领域的控制器,它的功 能越来越强,性能越来越先进.可编程序控制器 PLC 可靠性高,抗干扰能力强, 能抗诸如电噪声,电源波动,振动,电磁干扰等的干扰,能抗 1000V,1 s 脉冲 的干扰,能在高温,高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠 地工作,PLC 能够承受电网电压的变化,即使在电源瞬时断电的情况下,仍可以 正常工作.另外 PLC 是通过软件实现控制的,其控制程序编在软件中,实现程 序软件化,因而对于不同的控制对象都可以采用相同的硬件配置.PLC 提供标 准通信接口,可以方便地进行网络通信.而且 PLC 体积小,能耗低,便于机电 一体化.通过 PLC 可以实现对步进电动机的控制,实际上控制时电动机的转动 受脉冲控制.为了配合步进电机的控制,许多 PLC 都内置了脉冲输出功能,并 设置了相应的控制指令,可以很好地对步进电机进行直接控制.这种控制方式的 优点是:大大减少了系统设计的工作量,不存在各部分接口信号的匹配问题,提 高系统的可靠性.整个控制系统由 PLC 和步进电机组成.PLC 具有实时刷新技 术,输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高,使得脉冲分配能有很高的分配速 度,充分利用步进电机的速度响应能力,提高整个系统的快速性.并且, PLC 有采用大功率晶体管的输出端口,能够满足步进电机各相绕组数 10V 级脉冲电 压,1A 级脉冲电流的驱动要求.

图 2.1 步进电机控制原理简图

PLC 直接控制步进电机系统设计时,在 PLC 和步进电机选型前,必须计算 出脉冲当量,脉冲频率上限和最大脉冲数量 3 个参数: 脉冲当量=步进电机步距角×螺距/(360×传动速比) 脉冲频率上限=移动速度×步进电机细分数/脉冲当量 最大脉冲数量=移动距离×步进电机细分数/脉冲当量
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根据脉冲频率确定 PLC 高速脉冲输出频率, 根据脉冲数量确定 PLC 的位宽. 利用 PLC 产生高速脉冲串,调节脉冲频率,从而实现步进电动机启动加速, 恒速运行,减速停止过程.

图 2.2 通过 PLC 频率调节步进电机转速

2.2 总体方案确定
参数初设如下: ⑴电机驱动方式:步进电机 ⑵机械传动方式:滚珠丝杠 ⑶电气控制方式:PLC 控制 ⑷功能控制要求:速度控制 ⑸主要设计参数:单向最大工作行程——1200mm;工作台重量 200kg; 移动负载质量——100kg; 负载移动阻力——100N;移动速度控制——3 m / min 选用矩形导轨;工作台滑动摩擦系数 = 0.15 ; 丝杠两端为固定支撑(F-F) ,每个支座安装一个接触角 a=10 (度) 的圆 锥滚子轴承,面对面安装,进行预拉伸.

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3

机械传动系统设计及核算

3.1 滚珠丝杠,轴承的选用及核算
3.1.1 螺旋类型及种类 螺旋传动类型:滚动螺旋传动 滚动螺旋副接触形式:内循环 3.1.2. 初始条件 精密螺杆,材料 42CrMo 热处理:高,中频加热,表面淬火 螺母材料:ZCuSn10Zn2 热处理:渗氮,淬火 返向器材料:60Mn 热处理:高,中频加热,表面淬火

螺纹滚道法向截面形状:矩形 轴向载荷与运动方向反向 滚珠丝杠副的组成及主要尺寸: 3.1.3.滚珠丝杠副的组成及主要尺寸: 滚珠丝杠副的组成及主要尺寸

图 5.1 滚珠丝杠的组成和主要尺寸

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3.1.4 计算过程
序号 计算项目 丝杠载荷: 导轨摩擦力 1 切削时载荷 Fa max 单位 N N 计算依据
F = ( m1 + m2 ) g = 0.15(200 + 100) × 9.8

计算结果 441 551

F

Fa max = KFX + ' ( FZ + FY + G ) = 1.1× 100 + 0.15 × (100 + 200) × 9.8

电机转速 2

nmax

丝杠最大转速 n

r/min r/min

初步选择电机转速为 500r/min 初步设电机与丝杠之间没有减速器,转速不变

500 500

丝杠导程 3

Ph

mm

工作台最大速度: Vmax = 3m / min = 3 × 1000 = 3000mm / min Ph = vmax / n = 3000 / 500 不考虑强力切削,精铣,一般铣等情况下转速的 区别

6

当量转速 4 当量负荷

nm

r/min r/min

500 551

nm = n Fm = Fa max

初选滚珠丝杠 N (1)计算动负荷

Caj

h

按照机电一体化设计手册 2.8-13 求得滚珠丝杠动 负荷 Kh 3.107 Caj = Fm = × 551 K n f∑ 0.405 × 0.477 查表 2.8-65,得用于数控机床,精密机床的滚珠 丝杠的推荐寿命为 15000h
1/ 3 由表 2.8-63 查得 K h = ( Lh / 500) ≈ 3.107 1/ 3 由表 2.8-63 查得 K n = (33.3 / n) ≈ 0.405

8861.7 15000 3.107 0.405 0.477

(2)要求寿命 5

Lh

(3)综合系数

f∑

f∑ =

f t f h f a f k 1×1× 1× 0.62 = = 0.477 fw 1.3

由表 2.8-25~表 2.8-62 查的

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(4) 滚 珠 丝 杠 副 型 号

f t = 1, f h = 1, f a = 1 f k = 0.62

( 丝 杠 精 度 为 1~3 级 ) ,

FFZD320 6

(可靠性为 95%) ,

f w = 1.3

由表 2.8-25 选用 FFZD3206,额定动载荷为
Ca = 15 KN > Caj

1 1 F0 = 0.25Ca = 3750 N > Fmax = × 551 3 3 = 183.7 N 预紧力:
滚珠丝杠副的主 要尺寸 mm 采用 FFZD 型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧 滚珠丝杠副. 公称直径 基本导程 钢球直径 丝杠大径 丝杠小径

符合要求

d 0 = 32 ph = 6 Dw = 4
d = 30.9 d 2 = d 0 + 2e 2rs

rs = 0.52 Dw
其中,

e = (rs

Dw ) sin a 2

螺母安装连接尺 寸

算得, d 2 = 29.0

B = 13; D5 = 7; D6 = 12; h = 7; D7 = 38; M = M 6; T = 3; E = 6; L1 = 54; L2 = 102;

丝杠螺纹部分长 6 度

lu

mm

lu

= 工 作 台 最 大 行 程 ( 1200mm ) + 螺 母 长 度 1382

(102mm)+两端余程(40mm) =1200+102+2 × 40=1382mm mm 支撑跨距 l 应大于

7

支撑距离 l

lu

1600

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临界转速校核

nc

r/min m

按照(2.8-18) f 2d 4.732 × 0.0272 nc = 9900 2 2 2 = 9900 × Lc 1.42

3073.8 0.0272 4.73 (两端 1.399 符合要求

丝杠底径 8

d2

d 2 = d 0 1.2 Dw = 32 1.2 × 4 = 27.2mm
由查表 2.8-66 查得支撑方式系数

支撑方式系数

f 2 = 4.73

f2
(3) 临 界 转 速 计 算 长度 9

固定)
Lc = 100 1600 1382 + 1200 + 40 + = 1399mm = 1.399 2 2

Lc

nc > nmax

压杆稳定校核 预拉伸计算 温升引起的伸长 量

两端固定支撑,丝杠不受压缩,不必校核稳定性 设温升为 3.5 C ,按照(2.8-30)

δt

m m
N

丝杠全长伸长量

δ t = αtlu = 11×106 × 3.5 × 1.382 ≈ 53.207 m δ tz = αtlu = 11×106 × 3.5 ×1.6 ≈ 61.6 m
按拉伸公式
Ft =

53.207 61.6

δ tz
10 预拉力

Ft

δ 't AE
lu

=

61.6 ×106 ×

× 0.02722 4 × 2.1× 1011 1.382

π

5436.25

= 5436.25 N

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轴承选择 主要尺寸和参数 mm

根据手册选择轴承为圆锥滚子轴承 32304

d = 20; D = 52; T = 22.25; B = 21; C = 18; a = 13.6.
下面对所选轴承进行校核: 径向力 Fr=3000 (N) 轴向力 Fa=551 (N) 圆周力 Ft=0 (N) 轴颈直径 d1=20 (mm) 转速 n=500 (r/min) 要求寿命 Lh'=15000 (h) 可靠性 S=90 (%) 润滑方式 Grease=油润滑 轴承列数 BCol=1 轴承内径 d=20 (mm) 轴承外径 D=52 (mm) 轴承宽度 B= 21(mm) 基本额定动载荷 C=42800 (N) 基本额定静载荷 Co=46200 (N) 极限转速(油) nlimy=9500 (r/min) 轴承 1 径向支反力 Fr1=2100 (N) 轴承 1 轴向支反力 Fa1=1658 (N) 轴承 2 径向支反力 Fr2=810 (N) 轴承 2 轴向支反力 Fa2=923.4 (N) 判断系数 e=0.973 径向载荷系数 X=1 轴向载荷系数 Y=0 接触角 a=10 (度) 负荷系数 fp=1.2 当量动载荷 P1=2303.46 (N) 当量动载荷 P2=810 (N) 当量动载荷 P=3600 (N) 当量动载荷 P0=2303.46 (N) 轴承工作温度 T=<=120 (℃) 额定动载荷计算值 C'=22508.464 (N) 轴承寿命 L10=3832 (10^6 转) 轴承寿命 Lh=127739 (h) 修正的额定寿命 Lna=0 (h) 最大工作转速 nmax=10 (r/min) 寿命系数 E=3.333

轴承型号 圆锥滚子 轴 承 32304

额定动负荷 C

N

11

轴承支反力

N

当量动载荷

合格

疲劳寿命计算

h

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η=

tan φ tan(φ + ρ ' )

(tan ρ ' = 0.0025)
ph = 3°24 '56 '' π d0

效率验算 12

导程角为: r = arctan

效 率 为 95.9% 合格

η=

tan 3° 24'56 '' = 95.9% tan(3° 24'56 ''+ 8' 40" )

要求η 在 90%-95%之间,故丝杠合格

3.2 步进电机选用及核算
序号 计算项目 脉冲当量的 选用 步距角 单位 计算依据 根据设计位置精度要求( ±1mm ) ,初取脉冲当量 为 δ = 0.1mm 初步选择步进电机型号为 110BF003,步距角 计算单位

δ = 0.1mm

θb

θb 和 θb = 1.5

θb L0
传动比 i 应满足 360i ,取步距角为 1.5 ,为了使 结 构 简 单 , 提 高 精 度 , 这 里 取 i =1 , 则

δp =
1 矩频特性

1.5 × 6 = 0.025mm 1× 360 . 110BF003 步进电机轴

的转动惯量 转矩

J D = 46.06 × 105 kg im 2

,最大精度 YL1 式凸缘 联轴器

M j max = 7.84 N im

. 根据电机轴的直径 d 和

丝杠转速 n 初选联轴器,这里初选用 YL1 式凸缘 联轴器,其转动惯量

J L = 0.0018kg im 2

.

步进电机所需空载启动力矩应小于步进电机的名 义启动转矩,即

M kq ≤ M mq = λ M j max
N icm
步进电机所需空载启动力矩

M kq = M ka + M kf + M 0

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①加速度力 矩

M ka

其中:

M ka

为空载启动时运动部件由静止升速到

最大快进速度, 折算到由机轴上的加速力矩; 为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩;

M kf

M0

为由

于丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩.

M ka = J ∑ε = J ∑
N icm

2π nmax × 102 60t
1.309 × 10 3

J s = 0.78D 4 L × 103 = 0.78 × 3.24 ×160 × 103 = 13.09kg icm 2 = 1.309 × 103 kg im2
J∑ =
n v n Mi i + ∑ J j j 2 ∑ nk 4π 1 1 nk 2 2

1

m

N icm

3 3 3 5 × 300 × + 1.309 ×10 + 1.8 ×10 + 1.568 × 10 4π 2 500 = 3.399 ×103 kg im 2 = 1

2

3.399 × 103

N imm

2π nmax × 10 2 60t 2π × 500 = 33.99 × × 102 = 35.57 N icm 60 × 0.5 M ka = J ∑ε = J ∑
Gf ' L0 300 × 9.8 × 0.15 × 0.6 = 2πη i 2 × π × 0.8 × 1 = 52.67 N icm M Kf =

35.57

②空载摩擦 力矩

M0 =

FYJ L0 (1 η02 ) 2πη i

M Kf

52.67

③附加摩擦 力矩

1 × 551× 0.6 3 = (1 0.962 ) = 1.72 N icm 2π × 0.8 ×1
M kq = M ka + M kf + M 0 = 35.57 + 52.67 + 1.72 = 89.96 N icm = 899.6 N imm M mq = λ M j max = 0.5 × 7.84 = 3.92 N imm
由于此处为三相双三拍,故 λ = 0.5 899.6 合格 1.72

M0

空载启动力 矩

M kq

名义启动转 矩

M mq

M kq ≤ M mq = λ M j max

满足

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启动矩频特 性校核

上面的计算仅仅是检查电机的最大静转矩是否满 足要求,但不能保证电机在快速启动时不失步, 需要对启动矩频特性进行校核.由于突跳启动过 程极短,加速度力矩很大,启动时丢步是不可避 免的.因此,突跳启动很少使用.这里我们使用 升速启动方式.如图所示: 根据空载启动力矩

M kq

查手册,找到对应的允许 1150

2

f yq

Hz

启动频率约 最大频率:

f yq = 1400 Hz

Hz

f max

f max =

1000vmax 60δ p

1000 × 3 = = 2000 Hz 60 × 0.025
为了使 运行矩频特 性校核

1000

f q < f yq

,所以启动矩频特性满足要求,

我们将分二个阶段启动. 3 工进时,步进电机的运行频率:

f GJ =

1000vG 1000 × 3 = = 2000 Hz 60δ P 60 × 0.025
66.33

工进时步进电机运行所需力矩:

M GJ

N icm

M GJ = M 0 + M f + M t
其中:

=1.72+52.67+11.94

M0

,

Mf

分别与上面的

M0

,

M kf

相同.

Mt =

Ft × 0.6 100 × 0.6 = = 11.94 N icm 2πη i 2 × 3.14 × 0.8 × 1 M GJ < M yGJ
,运行矩频特

合格

查手册上图 2-22,显有

性满足.故选用 110BF003 满足要求.

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3.3 联轴器校核
符号 1 计算项目 TGLA2 鼓形 齿式联轴器 单位 计算依据 初 选 用 YL1 式 凸 缘 联 轴 器 , 其 公 称 转 矩 T=10 N i m ,由上面的计算易得出: 合格 计算结果

M GJ < T

,故联轴器满足设计要求.

3.4 增量式旋转编码器的选用
编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置. 增量式编码器是将 位移转换成周期性的电信号,再把这个电信号转变成计数脉冲,用脉冲的个数表 示位移的大小.旋转增量式编码器以转动时输出脉冲,通过计数设备来知道其位 置,当编码器不动或停电时,依靠计数设备的内部记忆来记住位置.这样,当停 电后,编码器不能有任何的移动,当来电工作时,编码器输出脉冲过程中,也不 能有干扰而丢失脉冲,不然,计数设备记忆的零点就会偏移,而且这种偏移的量 是无从知道的, 只有错误的生产结果出现后才能知道. 解决的方法是增加参考点, 编码器每经过参考点,将参考位置修正进计数设备的记忆位置.
符号 1 计算项目 ZLK-A-60-05 VO-8-H 型编 码器 单位 计算依据 本设计所选步进电机采用半闭环控制,可在电动 机尾部转轴上安装增量式旋转编码器,用以检测 电动机的转速.增量式旋转编码器的分辨率应与 步进电动机的步距角相匹配.由于步距角为 1.5 , 可知电机转动一转时需要控制系统发出 360 / α =240 个步进脉冲,考虑到增量式选择编码器输出 A, 相信号, B 可以送到四倍频电路进行电子四细 分,因此分辨力选用 60 线.这样控制系统每发出 一个步进脉冲,电动机转过一个步距角,编码器 对应输出一个脉冲信号. 这里我们选择 ZLK-A-60-05VO-8-H 型编码 器. 计算结果

合格

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4 电气控制系统设计
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,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.步进电机的驱动框图如下:

图 4.1 步进电机的驱动框图

4.1 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逻辑器件组成. 在这里,通常我们采用集成电路 CH250.集成电路 CH250 是一种专为三相步进 电机设计的环形分配器,其采用 CMOS 工艺,集成性高,可靠性好.
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⑴CH250 管脚图如下所示:

16

15

14

13

12

11

10

9

UD

J3L

J3r

C

B

A

R*

R

CH250
J6r
1

J6L
2 3 4 5

EN
6

CL
7

US
8

图 4.2 ⑵CH250 主要管脚的作用:

CH250 管脚图

A, C——环形分配器三个输出端, B, 经功率放大后接到电机的三相绕组上. R1,R2——复位端,R2 为三相双三拍复位端,R1 为三相六拍复位端,先 将对应的复位端接入高电平,使其进入工作状态,若为"10" ,则为三相双三拍 工作方式;若为"01" ,则为三相六拍工作方式. CL,EN——进给脉冲输入端和允许端;进给脉冲由 CL 输入,只有 EN=1, 脉冲上升沿使环形分配器工作;CH250 也允许以 EN 端作脉冲输入端,此时,只 有 CL=0, 脉冲下降沿使环形分配器工作. 不符合上述规定则为环形分配器状态 锁定(保持) . J3r,J3L, J6r,J6L——分别为三相双三拍,三相六拍工作方式时步进电机 正,反转的控制端. UD,US——电源端. ⑶CH250 的三相双三拍接线原理图如下所示:

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图 4.3 CH250 的三相双三拍接线原理图

4.2 功率放大器
利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换 为按照输入信号变化的电流.因为声音是不同振幅和不同频率的波,即交流信号 电流, 三极管的集电极电流永远是基极电流的 β 倍, 是三极管的交流放大倍数, β 应用这一点,若将小信号注入基极,则集电极流过的电流会等于基极电流的 β 倍,然后将这个信号用隔直电容隔离出来,就得到了电流(或电压)是原先的 β 倍 的大信号,这现象成为三极管的放大作用.经过不断的电流及电压放大,就完成 了功率放大. 功率放大器,简称"功放".很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整 个音响系统的任务, 这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需 的功率缺口,而功率放大器在整个音响系统中起到了"组织,协调"的枢纽作用, 在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出. 图下所示是一种典型的功放电路, 步进电动机的每一相绕组都有一套这样的 电路. 图中 L 为步进电动机励磁绕组的电感, 为绕组的电阻, 是限流电阻, Ra Rc 为了减少回路的时间常数 L/(Ra+Rc) ,电阻 Rc 并联一电容 C,使回路电流上升 沿变陡,提高了步进电动机的高频性能和启动性能.续流二极管 VD 和阻容吸收 RC 回路,是功率管 VT 的保护电路,在 VT 由导通到截止瞬间释放电动机电感 产生的高的反电势. 此电路的优点是电路结构简单,不足之处是 Rc 消耗能量大,电流脉冲前后 沿不够陡,在改善了高频性能后,低频工作时会使振荡有所增加,使低频特性变
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坏.

L VD Rc

Ra

C
输入

C

VT

前置放大

R

图 4.4

功率放大电路

4.3 PLC 高速脉冲输出控制
PLC(Programmable Logic Controller)是在顺序控制器和微机控制器的基础上 发展起来的新型控制器,它的特点是可靠性高,编程方式简单直观,功能越来越 完善,使其在工业控制领域得到广泛的应用.用 PLC 控制步进电机实现定位控 制,硬件电路设计简单,方便,快捷,编程语言形象直观,容易掌握.步进电机 又称为脉冲电机,是控制系统中的一种执行元件.其作用是将脉冲信号变换为相 应的角位移或直线位移,即给一个脉冲电信号,电动机就转动一个角度或前进一 步.步进电机的角位移量与脉冲个数严格成正比,转速与脉冲频率成正比,因此 只要控制输入脉冲的数量, 频率及电动机绕组通电的相序, 便可获得所需的转角, 转速及转动方向,实现精确定位. 三相步进电机的转速控制:步进电机的转速受脉冲频率的控制.当改变输入 脉冲的周期时, ABC 三相绕组高低电平的宽度将发生变化.这就导致通电和断电变化的速 率发生变化,使电机转速发生变化.所以调节输入脉冲的周期就可以控制步进电 机的转速 n,如式(1)所示: n=60f/zk (1)
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其中:f 为电动机通电的脉冲频率; z 为步进电机的齿数; k 为步进电机的 工作拍数.三相步进电机的步数控制:步进电机每输入一个电脉冲就前进一步, 其输出的角位移与输入的脉冲数成正比.
R5
12V

4.3.1

PLC 接线图
R4

GND

1L Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3

S7-200 CPU224
1M I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7
12V

JP1

A B
1 2 3 4

SB1 SB2 SB3 S1 S2
图 4.5 4.3.2 PLC 接线图

三电动机转动 PLC 控制 I/O 分配 输入端:启动按钮 SB1 紧急停止按钮 SB2 正常停止按钮 SB3 初始位置行程开关 S1 终点位置行程开关 S2 增量式旋转式编码器 A 相 增量式旋转式编码器 B 相 输出端:脉冲输出口 CL 电机转动方向输出控制 蜂鸣器报警输出 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.6 I0.7 Q0.0 Q0.1 Q0.2

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4.3.3

数控平台数控程序流程图

图 4.6 数控平台数控程序流程图

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4.3.4

PLC 控制程序 主程序 Main: Network 1 // Network Title // Network Comment LD R R SM0.1 Q0.0, 2 S0.0, 3

Network 2 // 当物体压在初始位置行程开关且启动按钮启动时,电动机正转 LD A AN AN EU S S0.1, 1 I0.0 I0.3 I0.1 I0.2

Network 3 LSCR S0.1

Network 4 LD CALL SM0.1 SBR3

Network 5 LD = SM0.0 Q0.1 //启动标志

Network 6 LD CALL SM0.1 SBR0 //正向输出 //正向标志
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//Q0.0 脉冲输出

Network 7 LD SCRT I0.4 S0.2

Network 8 SCRE Network 9 LSCR S0.2

Network 10 // 延时 100ms 后,电动机反转 LD TON SM0.0 T37, +100

Network 11 LD R T37 Q0.1, 1 //启动标志

Network 12 LD A AN CALL T37 SM0.1 I0.3 SBR0 //反向输出 //反向标志 //Q0.0 脉冲输出

Network 13 SCRE Network 14 // 电动机立即停止 LD I0.1
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AN S CALL

I0.2 M0.1, 1 SBR1

Network 15 // 电动机正常停止 LD AN I0.2 I0.1

R

S0.0, 3

Network 16 LD A MOVW VW200 R S0.0, 3 SM0.1 M0.1 SMW68, VW200 //将此时的脉冲周期存入

Network 17 // 电动机调整零点 LD AN AN AN AN S I0.0 I0.3 I0.1 I0.2 Q0.1 S0.0, 1

Network 18 LSCR S0.0

Network 19 LD SM0.1
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AN CALL

I0.3 SBR0

Network 20 LD S I0.3 S0.1, 1 //到零点后,正常行驶

MOVD

+0, SMD48

Network 21 SCRE Network 22 LD TON SM0.0 T32, +100

Network 23 LD CALL R T32 SBR2 T32, 8

子程序 SBR_0

;PLC 发射高速脉冲

Network 1 // Network Title // Network Comment LD MOVB MOVW MOVB MOVW MOVW MOVD SM0.0 16#E7, SMB67 600, SMW168 3, VB600 +1000, VW601 -1, VW603 500, VD605 //第 1 段的初始周期 //第 1 段的周期增量 //第 1 段的脉冲个数
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//PTO 工作于多段工作模式

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MOVW MOVW MOVD MOVW MOVW MOVD PLS 0

+500, VW609 0, VW611 +15800, VD613 +500, VW617 +1, VW619 +500, VD621

//第 2 段的初始周期 //第 2 段的周期增量 //第 2 段的脉冲个数 //第 3 段的初始周期 //第 3 段的周期增量 //第 3 段的脉冲个数

Network 2 LD O S I0.3 I0.4 SM66.5, 1

子程序 SBR_1

;紧急停车时脉冲控制

Network 1 // Network Title // Network Comment LD MOVW -I SM0.0 +50, VW202

VW200, VW202 VW202, VW204

MOVW /I MOVB MOVW MOVW MOVD PLS 0

+50, VW204 16#88, SMB67 VW200, VW400 VW204, VW402 +1250, VD404 //PTO 工作于一段工作模式 //该段初始周期 //周期增量 //脉冲个数

子程序 SBR_2 值报警

;编码器检测到的脉冲与 PLC 产生的脉冲数的比较,超过报警

Network 1 // Network Title
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// Network Comment LD MOVD Network 2 LD -R SM0.0 SMD48, VD520 SM0.0 SMD72, VD520

Network 3 LDR>= VD520, 50.0 O S Q0.2 Q0.2, 1

子程序 SBR_3

;接收增量式旋转编码器发出的高速脉冲并计数

Network 1 // Network Title // Network Comment LD MOVB HDEF MOVD MOVD HSC 1 SM0.0 16#F8, SMB47 1, 9 +0, SMD48 +50000, SMD52

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结束语
作为传动滑动丝杠的进一步延伸发展,滚珠丝杠由于其高效率,温升少,高 精度,高速度,高刚性,可逆性,长寿命,低能耗,同步性,高灵敏度,无间隙, 维护简单等优点而在当代数控机床进给伺服机构中得到广泛应用. 而滚珠丝杠副 的性能是丝杠副的综合反映,是反映丝杠制造企业制造水平和技术实力的标志. 采用 PLC 方法进行硬件连接和软件编程,三相步进电动机运行效果良好, 电机运行平稳,无噪声,得到了令人满意的控制结果.由于采用了 PLC 控制步 进电机技术,所以改变控制参数相当方便,只需改变 PLC 程序中相应部分即可. 对任何相数的步进电机都可以使用,在设计方法上简单易行,具有较高的推广和 实用价值. 本课程设计针对目前现场数控车床上单向数控中存在的问题, 以机械车床设 计技术与 PLC 数控技术为基础,研制了较先进的单向数控平台,实现对数控车 床速度信息的有效控制.本课程设计主要完成以下工作: ⑴根据机电一体化系统设计手册,选定手册推荐的设计方案,并通过对滚珠 丝杠,轴承,步进电机,联轴器等进行一系列的选择,校核,完成机械传动系统 及主要部件结构设计,并画出 A1 装配图一张. ⑵根据系统检测控制要求,结合 PLC 案例分析实例,对步进电机控制做了 详细设计,完成了电气控制部分的选型与控制电路的设计,并画出 A2 电气图纸 一张. 在整个的设计过程中,得到了洪晓华老师的辛勤指导,让我更好的把课堂 里学到的知识综合运用到设计当中,衷心感谢老师的帮助!

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参考文献

[1] 杨黎明主编.电一体化系统设计手册.国防工业出版社,2005 [2] 程志红,唐大放主编.机械设计课程上机与设计.东南大学出版社.2006 [3] 李爱军,曾维鑫主编.画法几何及机械制图.中国矿业大学出版社,2003 [4] 康华光主编.电子技术基础.高等教育出版社,2005 [5] 吴中俊,黄永红主编.可编程控制器原理及应用.机械工业出版社,2004 [6] 顾冠群,万德均主编.机电一体化设计手册.江苏省金陵科技著作出版基金,2000 [7] 刘瑞新主编.Protel DXP 原理图设计.机械工业出版社,2005 [8] 高钟毓编著.机电控制工程(第二版).北京:清华大学出版社,2004.4 [9] 刘宝廷,程树康等.步进电动机及其驱动控制系统.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997 [10] 余雷声.电气控制与 PLC 应用.北京:机械工业出版社,1996 [11] 林春方.可编程控制器原理及其应用.上海:上海交通大学出版社,2004 [12] 晋小莉,王立莹.PLC 直接控制步进电机系统.小型内燃机与摩托车,2006 [13] 孟少农.机械加工工艺手册.北京:机械工业出版社, 1991 [14] 廉元国,张永洪.加工中心设计与应用.北京:机械工业出版社, 1995 [15] 刘又午,杜君文等.数字控制机床.北京:机械工业出版社, 1997 [16] 刘泽九.滚动轴承的额定负荷与寿命.北京:机械工业出版社,2006 [17] 于庆广,刘葵.光电编码器选型及同步电机转速和转子位置测量.电气传动,2006

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