数控机床设计毕业设计

1、前 言l 中国数控市场发展状况数控机床是电子信息技术与传统机床技术相结合的机床一体化产品，具有高效、精密、柔性自动化和信息集成特点，特别适用加工复杂形状的零件，因而成为现在先进制造技术最重要的基础装备和世界机床市场的主流产品，受到机械制造企业的青睐。工业发达国家数控机床的发展大体上经历了缓慢、快速和深入发展三个阶段，目前一达较高水平，其机床产值数控化率至少超过50%，产品数控化率至少超过20%。设计思想 在社会主义市场经济的今天，产品的市场竞争日趋激烈，在保证产品的质量的前提下，如何提高机床的加工范围和降低制造成本是提高竞争力的关键所在。产品成本一般包括原材料、工具损耗、机床折旧、工人工资和各

2、项管理费用，他们与劳动生产了密切相关，因此提高产品加工效率是降低成本的最有效途径。 在小批量多品种生产中，为了加工具有精确角位置的零件，可采用回转盘或多齿分度盘进行精确加工，但对于直径较大、较重的工件却无能为力，这就需要设计制造大型回转台。 随着我国制造业的发展，加工中心将会越来越多地被要求配备第四轴和第五轴，以扩大加工范围。估计近几年要求配备数控转台的加工中心将会达到每年600台左右。数控转台作为机床附件，其技术性能的提高直接影响着数控机床的加工效率和加工质量。 回转工作台与落地铣镗床及各种大型、重型铣镗床配用，是机械加工的最佳组合，为此类机床增加了一个回转坐标一个直线坐标。扩大了机床的使用

3、范围，能完成平面、圆柱面、角度面的加工，对各种形状复杂的中、大重型工作的掉头镗十分有利，是一次完成多面加工的最佳选择。数控回转工作台与数控落地铣镗床，各种大型、重型加工中心、数控端面铣配用，更是机械加工的最佳组合。 回转工作台与数控铣床、数控镗床、加工中心等数控机床不可缺少的重要附件。它的作用是按照控制装置的信号或指令做回转分度或连续回转进给运动，以使数控机床能完成指定的加工工序。常见的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。l 功能：完成工作台的连续回转进给和任意角度的分度。l 作用：既能作为回转坐标轴实现坐标联动加工，又能作为分度头完成工件的转为换面。l 特点：采用伺服系统实现回转、精确分

4、度和定位。l 种类：开环数控回转台和闭环数控回转台l 考虑到数控回转工作台使用后，在对不需要回转工作台的工件加工时，回转工作台的存在影响将要加工工件的装卸、加工等操作，所以本次设计对传统的回转工作台进行改进，把它制造可以拆卸夹具式数控回转工作台。该工作台具有两大优点：第一：使用时，工作台如夹具固定在直线进给工作台的T行槽内，不用时，即可拆下，工作台是一个独立体，可以有几台数控机床公用。第二：本结构具有适应高温、高速和便于保证装配精度的特点。通过这样的改动后使得回转工作台的加工范围和加工精度都得到了扩展，在方法适用于中小型加工厂对多齿类零件的加工，同时也提高了设备利用率。 在数控机床电气控制中可

5、编程控制器（PLC）是应用最广泛的控制装置，已成为自动化系统的基本装置。PLC置于NC系统和机床之间，控制主轴、刀库等外部执行机构的动作，当前数控机床电器控制系统采用PLC已成为发展趋势。PLC以微处理器为基础，是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动化控制设备，面向控制过程、面向用户、适应工业环境，具有操作方便、可靠性高的特点，在包括数控机床在内的工业自动化控制中得到广泛应用，成为新一代通用工业控制设备，于CADCAM技术、工业机器人并成为加工业自动化的三大支柱。利用PLC代替传统的继电器接触器控制，可以避免大量的电器元件的更换，在逻辑关系改变时只需要相应的修改程序

6、就可以啊实现目标，既节省时间、也节省成本，同时大幅度提高了机床自动化控制程度和电器控制系统柔性化。目前PLC技术已经成熟，基于PLC的机床电器控制系统设计具有良好的可行性。1 .方案设计1.1数控回转工作台的结构设计方案的优化选择 设计数控回转工作台时，应该考虑合理的布局。在满足所要达到功能的前提下，应该降低成本。同时要使工作台的结构尽量简单、装配容易，而且达到所需的精度要求。1.1.1比较几种不同的传动方案的优缺点 1.平面圆柱齿轮包络蜗杆传动 优点：传动结构简单、易于装配。 缺点：制造复杂，成本较高，承载能力较小。 2.单头双导程蜗杆传动 优点：传动结构简单、易于装配。缺点：制造复杂，成本

7、较高。 3.双蜗杆双蜗轮结构传动（如图1.1）优点:可以消除蜗轮杆的反向间隙，调整方便，装配简单，减速比大，也可提高电机扭矩，并且具有自锁功能。缺点：成本较高。 图1.1双蜗杆蜗轮结构4.双蜗杆单蜗轮结构传动优点：可以消除蜗轮蜗杆的反向间隙，调整方便，装配制造简单，成本低，承载能了大。缺点:传动结构比较复杂。我们对于以上四种方案比较优化，其中第四种方案比较好，因此这个方案为本次设计方案。（如图1.2） 图1.2双蜗杆单蜗轮结构1.2双蜗杆结构传动的数控回转工作台的结构原理 如图1.2所示，设当使用步进电机驱动时，电机每转动50转（即蜗杆轴转动50转时）蜗轮轴转动1转，即蜗杆蜗轮的传动比为50：

8、1。 50 :1=n : 1z 即 （1.1） N=50z 上式中： n 电动机转数； Z 工件的等分数； 50蜗杆蜗轮副的传动比1.3双蜗杆结构传动的数控回转工作台的一些改进双蜗杆结构传动的数控回转工作台虽然具有很多优点，但是它在具体的实际应用中还存在着一定的局限性，现下面对这些局限性进行分析和改造。 数控回转工作台夹具式改造：考虑到回转工作台使用之后，在对不需要回转工作台加工的工件加工时，回转工作台的存在影响将要加工工件的装卸、加工等操作。所以对传统的回转工作台进行改造，把它制造成可以拆卸夹具式数控回转工作台。 上述回转工作台具有两大优点:使用时，工作台如夹具固定在直线进给工作台的T行槽内

9、，不用时，即可拆下，工作台是一个独立体，可以由几台数控机床共用。本结构具有适应高温、高速和便于保证装配精度的特点。通过这样的改动后使得回转工作台在加工范围和精度得到扩展，该设备适用于中小型加工厂对多齿类零件的加工，同时也提高了设备利用率。1.4双蜗杆结构传动的数控回转工作台结构及参数设计 数控回转工作台采用双蜗杆传动，步进电机正反转控制工作台的正反转，两个蜗杆分别与蜗轮左右齿面接触，尽量消除正反传动间隙。采用六个气压缸作为工作台的夹紧装置。两个锥齿轮实现双蜗杆的传动。设计参数为：回转工作台台面尺寸（直径高）为320244回转工作台(材料为HT200)重量:G=Vg=7.851031602244

10、9.8110-9=1363N =7.85103kgm3(材料密度)所能承受的负载转矩为100N. 2.机械部件的设计和校核2.1蜗轮蜗杆的设计 2.1.1蜗轮蜗杆的设计参数 初始条件确定：设定蜗杆转速为2000r/min，蜗轮蜗杆副的传动比为50。材料选择考虑到蜗杆的传递功率不大，但速度比较高。所以蜗杆选用40Cr钢，芯部调质、表面淬火、硬度为HRC4555，加工精度6级并磨削。蜗杆形式采用延伸渐开线蜗杆，法面齿形角20。蜗轮材料ZCuSn10Pl,金属膜制造，其最大负载转矩为100NM选择蜗杆传动类型根据GB/T100851988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZA）。按照齿面接触疲劳强度进行设计计

11、算根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计计算，再按弯曲疲劳强度进行校核.由传动中心距的公式： a3KT2ZpZeH2 (2.1)确定作用在蜗轮上的转矩T2按照Z1=1估计取效率=0.8。则 T2=9.55106P2n2=9.55106Pn1i=171.9N.m (2.2)确定载荷系数K因为工作载荷比较稳定，所以取载荷分布不均匀系数K=1,选取使用系数KA=1.15。由于转速不高，冲击不大，可以取动载系数KV=1.05。则 K=KKAKV=11.151.05=1.21 (2.3) （3）确定弹性影响系数ZE 因为选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，所以选取ZE=160MP （4

12、）确定接触系数Z先假设蜗杆的分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1a=0.35,则可以查出Z=2.9.（5）确定许用应力H 根据蜗轮材料ZCuSn10Pl，金属模制造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC。可得出蜗轮的许用应力为Hlim=550MP。应力循环次数N=60nJLh=602000128300150=2.81010 (2.4)现取失效概率为1%，安全系数为S=1 H=KHN1HlimS=467.5 (2.5) (6) 计算中心距 3KT2ZPZEH2 求的95.36mm 中心距=100mm, i=90, 取模数m=2mm。 则蜗杆分度圆直径d1=35.5mm。 这时d1=0.33 (2.6

13、)查表得ZP=2.85。 所以，满足要求。蜗轮蜗杆的主要参数与几何尺寸蜗轮分度圆直径 d2=mZ2=290=250mm (2.7)齿顶圆直径 d2=mZ2+2=292=260mm (2.8)齿根圆直径 df2=mZ2-2.4=238mm (2.9)外径 de2=d2+m=265mm （2.10）咽喉母圆半径 g2=-d22=20mm (2.11)齿宽 B0.67d1=33.5mm 取B=35mm (2.12)顶隙 C=0.2m=1mm (2.13)齿宽包角 =2sin-1b1d1=106.3 (2.14)蜗杆分度圆直径 d1=50mm 齿顶圆直径 d1=d1+2m=60mm (2.15)齿根圆

14、直径 df1=d1-2.4m=38mm (2.16)轴向齿距 Pl=m=15.7mm （2.17）螺旋线导程 S=Z1P1=15.7mm (2.18)法向齿距 Sn=mcos2=7.811mm (2.19)蜗杆螺旋角 =tan-1Zmd1=5.3 (2.20)压力角 t=20螺旋部分长度 14011+0.06Z2m=70mm 所以 b1=32.8+20.2=95mm2.1.2校核齿根弯曲疲劳强度 由公式 F=1.53KT2d1d2mYF2YF （2.21） 当量齿数 ZV2=Z2cos3=62.46 （2.22）由X2=-0.500 ZV2=62.4 查出YF2=2.65螺旋角系数 =1-14

15、0=0.8442 (2.23)许用弯曲应力 F=HKFN (2.24) 查出ZCuSn10pb1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力H=56MP 查出寿命系数KHN=.81010=0.702 F=560.702=39.33MP 而F=11.339F 故满足弯曲强度 表2.1蜗轮蜗杆参数蜗杆参数蜗轮参数分度圆直径d1(mm)50分度圆直径d2(mm)250 齿顶圆直径d1(mm)60齿顶圆直径d2(mm)260 齿根圆直径df1(mm)38齿根圆直径df2(mm)238 轴向齿距p1(mm)15.7外径de2(mm)265 螺旋线导程S（mm)15.7咽喉母圆半径g2mm20 法向齿距Sn(mm)7.8

16、11 齿宽B (mm)35 蜗杆齿螺旋角5.73 顶隙C (mm)1 压力角t20 齿宽包角106.32.2蜗杆传动的热平衡计算 对于闭式蜗杆传动，由于蜗杆传动效率不较低，所以工作时发热量比较大，如果产生的热量不能及时地散逸，将引起油温的不断升高使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。所以必须根据单位时间内的发热1等于同时间内的散热量2的条件进行热平衡计算，以保证油温稳定的处于规定的范围内。 由于摩擦损耗的功率Pf=p1-,则产生的热量（单位时间内1W=1JS）为 1=1000P1- (2.25) 式中为蜗杆传动的功率P，单位为KW 以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气里的热量2（单

17、位为W）为 2=dS(T0-T) (2.26) 式中：d-箱体的表面散热系数，可取8.1517.45m2.c,当周围空气流通良好时，取偏大值。 S-内表面能被润滑油飞溅到，而外表面可被周围空气所冷却的箱体的表面积，单位为m2。 T0-有的工作温度，一般限制在60C70C，最高不超过80C。 T-周围温度常取20C.按热平衡条件，可求得在给定工作条件下的油温（单位为C）为 T0=T+1000P1- dS (2.27)或在给定工作条件下，保持正常工作所需要的散热面积S（单位为m2）为 S=1000P(1-)dT0-T (2.28) 两式中各符号的单位和意义同前。 在T080或有效的散热面积不足时，

18、则必须采取措施提高散热能力，通常用的方法有：增加散热片增大散热面积。在蜗杆轴端加装风扇，加速空气流通。在传动箱内装循环冷却管道。经检验计算，满足热平衡要求。2.3精度等级、公差和表面粗糙度的确定 考虑到所设计的蜗轮蜗杆传动是分度装置，在轻载条件下工作。根据GB/T100851988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZA），蜗轮精度等级6级。 查机械设计手册，蜗杆尺寸公差为IT6，形位公差为IT6。2.4锥齿轮设计计算与校核 2.41锥齿轮的设计参数 锥齿轮齿形采用格里森齿制等顶隙收缩弧齿，正交传动，齿形角20。确定两个锥齿轮的齿数都为22，传动比为1。两个齿轮材料都为45钢（调质），硬度240HBS。采

19、用6级精度。 2.4. 2锥齿轮的设计 已知P=0.9kw n1=2000rmin i1=1选用6级精度，两个齿轮材料都为45钢（调质），硬度240HBS。选齿数Z1=Z2=22确定作用在蜗杆轴上的转矩 T1=9.55106Pn1 =0.9 (2.29) =3869Nmm 按照齿面接触疲劳强度设计由公式 d1t2.923ZEH2KT1R1-0.5R2U (2.30)弹性影响系数由械设计手册表106查得 ZE=189.8MP试选载荷系数K KA=1.0 试选Kt=1.3 KV=1.1选齿轮宽度系数 R=13 传动比i=1接触疲劳强度 Hlim1=Hlim2=550MP计算应力循环次数 N1=N2

20、=60n1jLh=60200012830015 (2.31) =2.81010查接触疲劳强度系数由机械设计图1019查得KHN1=KHN2=0.85取失效概率为1%，安全系数S=1，则 H1=H2=KHN1HlimS=5500.85=467.5 (2.32)计算 则分度圆直径为 d1t2.923ZEH2KT1R1-0.5R2U =45.17mm校核模数 m=d1tZ1=2.05 取m=2.25 (2.33)按照几何关系计算 d1=mZ1=2.2522=49.5 dm1=d11-0.5R=42.075计算圆周速度Vm(平均直径处)a.Vm=dm1n1601000=11.76ms , (2.34)

21、b.查图Kv=1.09校对 d1=3KVKvtd1t=42.37 (2.35)按照齿根弯曲疲劳强度校核 1=4KT1YFYSm321-0.5R2Z122U2+1F (2.36)a.K=KAKVKK=11.1811.51.1=1.947 (2.37) b.YFYS的确定 cos=11+1=0.707 1=2=45 ZV1=ZV2=31.11 YF1=YF2=2.52 YS1=YS2=1.625 c.确定F=FlimSFYNYX (2.38) 查表YN1=YN2=0.86 当N3106时， YN=1 YX=1 SF=1.5 查表10-20C，查得F=230MP 所以F=2301.511=153.3

22、MP锥齿轮几何尺寸分度圆直径 d1=mZ1=49.5 (2.39)节锥角 1=tan-1Z1Z2=45 (2.40)节锥距 R=d2sin=35mm (2.41)齿宽 b=RR=11.67 (2.42)周节 p=m=7.07mm (2.43)变为系数 1+2=90 x1=-x2=0.461-Z1Z22=0齿顶高 h1=m1+x1=2.25mm (2.44)齿根高 hf1=m1.2-x1=2.7mm (2.45)齿顶间隙 C=0.2m=0.45mm (2.46)齿根角 f1=tan-1hf2R=4.41 (2.47)齿顶角 =tan-1hR=3.67 (2.48)齿顶圆锥角 =+=48.67 (

23、2.49) 齿根圆锥角 f1=1-f1=40.57 (2.50)齿顶圆直径 d1=d1+2h1cos1=52.68mm (2.51)齿根圆直径 df1=d-2hf1cos1=44.61mm (2.52)节锥点到轮冠的距离 AK1=d22-h1sin1=23.16mm (2.53)大端分度圆弧齿厚 S1=m2=3.534mm (2.54)分度圆弧齿厚 S=S11-S126d12=3.5313mm (2.55)分度圆弧齿高 h1=h1+S12cos14d1=2.2946mm (2.56)2.5轴设计计算与校核根据前面所列的基本参数，现在对蜗杆、蜗轮、锥齿轮等进行必要的设计计算和校核。 2.5.1

24、蜗杆轴的设计 蜗杆轴的结构设计，根据轴上所需要的零件，确定最小轴的直径并草绘轴的结构图。图2.1蜗杆轴拟定轴上零件的装配方案。经过对轴上装配零件的分析计算，其装配方案如上图所示。根据轴向定位要求确定轴的各段轴径和长度。2.5.2蜗杆轴的设计计算 (1)确定作用在蜗杆轴上的转矩 T1=9.55106Pn1 =0.9 (2.62) =3868Nmm(2)选择45钢正火处理，硬度为170HBS217HBS B=600MP S=300MP(3)计算最小直径 根据机械设计查得： d11710630.92000 =8.968.12 （2.63） 选用30204型轴承，联轴器选用 所以最小轴径取为d=22m

25、m.2.5.3蜗杆轴的结构设计 根据轴上定位的要求确定各段轴的直径和长度 （1）为了满足联轴器的轴向定位要求，L1L2段轴左端需要轴肩，故L1端轴的直径长度由联轴器确定d1=52，d1=50。 （2）初步选轴承 因为轴同时受到轴向力和径向力的作用，故选双列圆锥滚子轴承。考虑到工作要求并根据轴径d2=25mm查机械设计手册初选00基本游隙组，标准精度级的双列圆锥滚子轴承30204，其基本尺寸为dDT=255216.2。根据相关参数，轴左端应选用N204E圆柱滚子轴承，基本尺寸为dDT=255215。 (3)取安装锥齿轮处轴直径为d8=20mm。这样去可以对轴承N204E圆锥滚子轴承的左端其定位作

26、用。已知锥齿轮的宽度为17mm。为了是轴端的挡板与锥齿轮很好的接触并其定位作用。故L8=31。轴承N204E圆锥滚子轴承右端轴肩定位。（4） 蜗杆两端直径根据蜗杆参数取d6=d4=30mm,长度根据装配结构蜗杆右端取L4=115mm左端L6=55mm。由蜗杆参数已知d5=60mm、l5=90mm。 (5)零件的轴向定位 轴承30205的右端用圆螺母固定定位，因此该段轴做成螺纹型。选用M20*1.5的薄螺母。其基本尺寸为dl=208。为了保证轴端不与电机碰撞，故L2=84mm根据装配结构d7=d3=26mm L3=15 L7=70mm。锥齿轮左端采用轴端挡板定位，并用螺钉紧固，轴端做成螺纹孔，选

27、用六角螺钉，基本参数dl=8mm30mm。 （6）轴上零件的轴向定位 锥齿轮、联轴器于轴的轴向定位均采用平键连接，按d1=22mm 、d8=20mm查机械设计手册基本尺寸为：bhl=6620 、 bhl=8716GBT1096-2003 (7)轴端倒角为2452.5.4蜗杆轴的受力分析 求轴的载荷，根据轴的载荷做出轴的计算简图如下:图2.2 轴的载荷分度各级传动效率按=0.9计算，则 T1=T2=12T=12171.90.90.9=69.619N （2.64）再水平面内： RHB=Ft1+Ft2 (2.65) RHD=Ft1 因为： Ft1=2T1d1=269.10-3=397.8N (2.6

28、6) Ft2=2T2dm2=269.619501-0.50.310-3=3000.44N （2.67） 所以： RHB=397.83000.44=3213.3N RHD=397.8=184.5N MHB=Ft2AB=3000.444510-3= 46.5N.m MHC=FHBBC=(3213.3-3000.44)14710-3=34.932 N 垂直平面内： MB=0 得 Fa22710-3-Ft215.510-3+Fa12510-3-Fr116410-3-RVD35010-3=0 已知 Fa2=47.39N Fr2 =47.319N Fa1 = 1375.2N Fr1= Fa1tan20=5

29、95.375N 则 RVD=-179N 由 MD=0 Fa125+Fa1186.5+RVB350.5-Fr2365+Fa227=0 得 RVB= -Fa125-Fa1186.5+Fr2365-Fa227350.5=83N 可以看出C点处受最大载荷，故对C点进行弯扭合成校核。 e=M2+T2W-1b (2.68) W=0.1403=6400 则 e=M2+T2W=1712+103=27.6MPa (忽略键槽的影响) -1b=55MPa 故合理。2.5.5蜗轮轴的设计 （1）取传动效率=0.95，则 蜗轮轴上的功率 P=P1=0.90.90.95=0.7695KW (2.69) n1=ni=40r

30、min T1=9550P1n1=0.7695955040=183.7N.m (2.70) （2）选择蜗轮轴的材料为45钢，正火处理，硬度170HBS217HBS. B=600MPa S=300MPa (3)计算轴径 轴在蜗轮以上部分受扭转力矩，蜗轮安装部分的轴径为： dC3PN=(117106)30. (查手册得 C=117 106) （2.71） d31.349828.4024mm 选用22206/W33调心滚子轴承，其内径d=25mm2.5.6联轴器的选择本设计中电机轴与蜗杆轴通过弹性套柱销联轴器联结。 这种联轴器的构造与凸缘联轴器相似，只是用带有弹性套的柱销代替了联结螺栓，通过蛹状的弹性

31、套传递扭矩，它可以缓冲减振。弹性套的材料常用耐油橡胶，并且做成截面形状，以提高其弹性，半联轴器与轴的配合孔可以做成圆柱或圆周形。 半联轴器的材料常用HY200，有时也采用35钢等材料，柱销的材料也采用35钢。 3.驱动系统设计3.1驱动器的选择 步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲量成正比，其速度与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其他任何运行

32、方式的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度。特别是在短距离的传动中，步进电机具有很好的精度保障。因此，本次设计选择步进电机作为驱动系统。3.2步进电机的简单介绍3.2.1基本工作原理 步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。对这种电机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度，转速度就高，反之则慢；分配脉冲的相序改变后，可以实现电动机的正反转。称为一步。脉冲数增加，直线或角位移随之增加；脉冲频率高，旋3.2.2步进电机的重要参数 步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定了下来。步距角电机的步距角取决于负载精度的要

33、求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）1.5度/3度（三相电机）等。静转矩 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的，直接启动（一般低速）时两种负载都要考虑，加速启动时主要考虑惯性负载；恒速运行时只考虑摩擦负载。一般情况下，静力距应为摩擦负载的23倍内好，静力距一旦选定，电机的机座及长度便

34、能确定下来（几何尺寸）电流 静力距一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据距频特性曲线图，判别电机的电流（参考驱动电源、驱动电压）。力矩与功率步进电机一般再较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率转换如下： P=M (3.1) =2n60 (3.2) P=2nM/60 (3.3) 其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩，单位牛顿每米。 P=2fM/400 （半步工作） (3.4)其中f为每秒脉冲数（简称PPS）3.3步进电机的选型3.3.1惯量折算和负载折算已知条件：在回转工作台的传动系统中，蜗轮蜗杆的模数m=2,蜗杆的

35、分度圆直径d1=35.5mm，蜗轮的分度圆直径d2=180mm,蜗杆的长度L=334mm,工作台面直径=250mm，系统的传动比i=90，蜗轮的宽度b=40mm。材料的密度=7.8103/m31传动惯量的折算 J=d14l32=3.145010-347.810-333410-332 (3.5) =1.410-4m2 J=d24l32=3.1425010-347.810-34210-332 (3.6) =1.110-2m2 JL=1.410-4+1i21.110-2+10-32 （3.7） =2.9810-4 2.惯量匹配计算 由惯量匹配的条件： 1JMJL4 (3.8) 取匹配值等于2，则有：

36、 JMJL=JM2.9810-4=2 则： JM=5.9610-4 3.步进电机轴上总惯量的计算 J=JM+JL=8,9410-4 (3.9) 4.惯性转矩 空载启动时电机轴上的惯性转矩为： T=J=J2nmax60tc=1.16Nm (3.10) 5.工作台所能承受的最大负载转矩为100Nm， 取效率=0.8 T1=T2i=10050=1.6N.M (3.11) 忽略摩擦转矩 启动时电动机轴上总负载转矩为 Tmax=T+T1=1.16+1.6=2.76N.M 工作时电机轴上负载转矩为 T=T1=1.6N.M 6.最大静转矩 按照正常运行所需要的在最大静转矩: TS2=T0.30.5=1.60

37、.30.5=3.25.4N.M (3.12) 7.验算 验算准则 TS1=maxTS1,TS2=5.4N.M （3.13）3.3.2选择步进电机型号 选择金坛市四海电机电器厂生产的永磁感应式步进电机（三相90），根据上述计算的最大静转矩5.4N.M，选择步距角为0.6度，型号为90BYG350C.它的技术参数为：内容型号内容型号相数相电流电感步距角保持转矩空载启动频率空载运行频率转动惯量重量AmH度N.mKHzKHzKg90BYG350C33.05.20.6/1.26.32.015114.8 4.控制系统设计4.1控制方式选择 本次设计选用可编程控制器（Programmable Logic C

38、ontroller）PLC控制步进电机带动回转工作台工作。PLC适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工业控制装备。它能够完成较精确地位置控制。 4.2 PLC的简单介绍 4.2.1可编程序控制器的由来和分类 1.可编程控制器的由来 可编程控制器（ProgrammableController）简称PC，但为了与个人计算机 （Personal Computer）相区别，也可简称为PLC。是为工业控制应用而设计制造的。在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的

39、周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。 2.可编程控制器的现状 世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运

40、算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 3.可编程控制器的分类 PLC一般可按I/O点数和结构形式分类。 1）按I/O总点数分类 （1）小型PLC 输入、输出点数在128点以下，用户存储器容量在2KB以下。小型PLC适用于开关量控制场合， 具有逻辑运算、计算、计时等功能，可以实现条件控制、定时、计数控制和顺序控制。 （2）中型PLC 输入/输出点数在2561024点之间，用户程序存储器容量在28KB。中型PLC除具有上述逻辑运算功能外，还有模拟量输入、输出、数据传输、数据通信等功能。这种PLC多采用模块使结构，用户可根据控制要求增加I/

41、O模块外，还有模拟量模块。因此，可以完成既有开关量又有模拟量复杂的工业生产过程的自动控制。 （3）大型PLC 输入/输出点数在1024点上，最多可达8192点，用户程序存储器容量在8KB或8KB以上。这种PLC有丰富的I/O 模块，能适应各种控制要求。它除了能用梯形图编程外，还可以采用高级语言编程，如BASIC、C语言等。具有数据运算、模块调节、实时中断、过程监控、联网通讯、文件处理、远程控制、智能控制等，也可构成分布式控制系统或整个工厂的自动化网络。 2）按结构形式分类 （1）整体式（箱体式） 将PLC的中央处理器单元、输入、输出部件安装在一块印刷电路板上，并连同电源一起装在一个标准机壳内，形成一个箱体。这种结构简单，体积小，重量轻，通过输入、输出端子与外部设备连接。一般小型PLC常采用这种结构，它适用于单机自动控制。 （2）机架模块式 把PLC的各个部分制成独立的标准尺寸的模块，主要有CPU模块（包括存储器）、输入模块、输出模块、电源模块以及其他各种模块直接插入机架底板的插座上即可。这种结构形式配置灵活，装配方便，便于扩展，用户根据控制要求灵活地配置各种模块，构成各种控制系统。一般大型、中型PLC采用这种结构。 4.可编程控制器的特点（1） 可靠性高，抗干