机电传动单向数控平台设计

1、实用标准文案机械工程及自动化专业机械电子方向专业课程设计说明书设计题目：机电传动单向数控平台设计设 计 者：Afan班级：学号：指导教师：中国矿业大学机电工程学院2014 年 11 月目录精彩文档实用标准文案1.设计任务 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.1设计任务介绍及意义 . . . . . . . . . . . . . . .11.2设计任务明细 . . . . . . . . . . . . . . . . .22.总体方案设计 . . . . . . . . . . . . . . . . .32.1设计的基本依据 . . . . .

2、. . . . . . . . . . . .32.2可行性方案的比较 . . . . . . . . . . . . . . . . .32.3总体方案的确定 . . . . . . . . . . . . . . . . .43.机械传动系统设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . .53.1机械传动装置的组成及原理 .53.2主要部件的结构设计计算 .54.电气控制系统设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . .144.1控制系统的基本组成 . . . . . . . . . . . . . . .144.2电气元件的选型计

3、算 . . . . . . . . . . . . . . .154.3电气控制电路的设计 . . . . . . . . . . . . . . .174.4控制程序的设计及说明 . . . . . . . . . . . . . . .185.总结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . .26精彩文档实用标准文案1. 设计任务1.1 设计任务介绍及意义（1）任务介绍设计内容为机电控制系统（典型机电产品）设计，其主要内容包括：机械传动结构设计；电气测控系统。设计内容必须

4、包括一个模拟量控制。课程设计题目：机电传动单向数控平台设计电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；电气控制方式：单片微机控制、 PLC控制；功能控制要求：速度控制、位置控制；主要设计参数：单向工作行程 1800、1500、1200 mm；移动负载质量 100、50 kg ；负载移动阻力 100、50 N；移动速度控制 3、6 m/min ；（2）课程设计意义此次专业课程设计是培养我们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

5、训练，课程设计的意义在于：培养我们综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制精彩文档实用标准文案系统 ( 产品 ) 的初步设计工作的能力，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。培养我们搜集、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。培养我们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。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。总体设

6、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（ A2 一张）。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（A2 图一张）。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，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为3000 字以上，设计图纸不少于两张。用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。设计选题分组进行，每位同学应采用不同的方案（或参数）独立完成；精彩文档实用标准文案2. 总体方案设计2.1 设计的基本依据机电传动单向数控平台是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电动机及拖动控制、检测等技术

7、为一体的自动化设备。其基本组成包括机械传动装置和电气控制系统，本次设计主要就是围绕这两个方面进行的。2.2 可行性方案的比较（1）电机驱动方式的选择。伺服电机与步进电机在控制系统应用中均使用广泛，两者在驱动控制方式上也相似，均为脉冲与方向信号来控制，步进电机的控制方式为开环控制，伺服驱动系统为闭环控制，控制精度更高，但系统结构也较步进电机复杂。步进电机完全可以满足本次设计所要求的控制精度以及响应速度，故选择步进电机较为合适。步进电机具有以下特点： 工作状态不易受各种因素的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作； 转动一转后，累积误差变为零，不会长期累积；

8、控制性能好，在启动、停止、反转时不易丢步。（2）机械传动方式的选择有多种机械传动方式可供选择， 包括滚珠丝杆、 同步皮带、链传动等。每种方式各有其优缺点。由于本次设计要求每人参数不一样，故选择同步皮带传动。同步皮带传动原理如下图所示，其有以下优点：传动比准确，传动效率高（可达 0.98 ）、能吸振、噪音低、传动平稳、能高速传动、维护保养精彩文档实用标准文案方便。同步带结构及类型如下图所示。图 1（3）电气控制方式的选择电气控制方式可选择单片微机控制或PLC控制。单片机体积小，价格低，但编程复杂，程序设计繁琐，抗干扰能力不如 PLC,可靠性较低。可编程序控制器 PLC可靠性高、抗干扰能力强，为了

9、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，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。同时 PLC编程简单，调试方便，维护量小，更适合工业控制。综上所述，本次设计选择PLC控制。2.3 总体方案的确定电机驱动方式为步进电机驱动，机械传动方式选择同步皮带，电气控制方式选择 PLC控制，功能控制要求为速度控制。系统工作原理： PLC 控制步进电机的转速，步进电机驱动带轮，从而驱动同步皮带。数控平台固定在同步皮带上，并通过导轨导向，随同步带的运动而单向往返运动。精彩文档实用标准文案主要设计参数为：

10、数控平台每天开机8h, 一年工作 300 个工作日，寿命 8 年以上。单向工作行程 l s=1500mm，移动负载质量 m1=100kg，负载移动阻力 F=100N，移动速度控制 v=6m/min。3. 机械传动系统设计3.1 机械传动装置的组成及原理本机电传动单向数控平台由步进电机、同步皮带传动装置、导轨以及工作台等部件构成。步进电机驱动同步带轮带动同步带运动，进而转换为工作台的单向移动。3.2 主要部件的结构设计计算计算及说明3.2.1 导轨的选择工作平台的质量 m2假设为 50kg。初选矩形滑动导轨。作用在滑块上的力Fm1m2 g1500N单个滑块受力FF1500375N44导轨寿命Th

11、8300819200h行程长度寿命2Thl snTs =103其中 n 为每分钟运行的次数结果F1500NF375NTh19200h精彩文档实用标准文案nv62ls221.52192006015002Ts10006912000m=6912km又有3TsfH f T fc CakfwF其中，k 为寿命系数， f H为硬度系数， f T 为温度系数， f c 为接触系数， f W为负荷系数。取 k=50，f H=1，f T=1，f c=0.81 ，f W=1.5则动载荷CaF 3 Ts / k f w3753 6912/ 50 1.5f H fTfc3590.72N1 1 0.81查机电一体化设计

12、手册， 选择 HGH20CA型矩形直线滑动导轨副。3.2.2同步皮带的设计计算（1）传递的功率为P Fv 100 0.1 10W由 1 表 BC-10 查得 KA=1.7. 由于电机反复启动，正反转频繁，故KA应增加 10%。设计功率 Pd 为Pd1.1K A P1.1 1.71018.7W（2）主动轮转速 n1 ：电机直接驱动主动轮，初选电机转速为 1500r/min 。从动轮转速 n2 ：从带轮直径等于主带轮直径，故其n2Ts6912kmk=50f H=1f T=1f c=0.81f W=1.5Ca3590.72N型号 HGH20CAP10WPd18.7Wn1 =1500r/mi精彩文档实

13、用标准文案转速为 1500r/min 。n（3）选定带型和节距： 根据 Pd 和 n1 ，查1 图 BC-6n2 =1500r/mi选取 H型同步带。查 1 表 BC-2 得节距 Pb =12.7mm。n（ 4）小带轮齿数：查表 1 B C-5 可得 zmin =18. 因为 z1 zmin ，故取 z1 =60（5）小带轮节圆直径d1Pb =12.7mmd1z1 pb6012.7242.55mm（6）大带轮齿数 z2z1 =60z2iz11 6060（7）大带轮节圆直径 d2d1 =242.55mmz2 pb6012.7d2242.55mm（8）带速 vvd1n1=242.551500z2

14、=6060=19.05m/svmax 40m / s6010001000（9）初定轴间距：由于工作台单向形成为 1500mm，d2 =242.55mm故取 =1600mm。（10）同步带长度v =19.05m/s1d2d1l0 2a03962mm(d1 d2 )24a0查1 表 B&C-3选取带长代号为1700 的 H型同步带。=1600mm其节线长 Lp =4318mm，节线上的齿数为 zb =340。（11）实际轴间距精彩文档实用标准文案Lpl 0160043183962l03962mma a021778mm2带长代号（12）小带轮啮合齿数1700d2d1 ) zz(0.530 6H型同步

15、带m6a1（13）基本额定功率Tamv2va1778mmP01000其中， 为宽度为的带的许用工作拉力， m为宽度zm 30的带单位长度的质量。查1表 B&C-11得=76.2mm，为=2100N，m=0.448kg/m。21000.44819.05219.05P0100036.91kW（14）带宽bb1.14Pdss0K zP0其中， K z1，故P036.91kW18.7bs76.2 1.1441.97mm1 36.91查 1 表 B&C-4，选择带宽代号为 200 的 H 型带，其带宽 bs 50.8 mm。（15）作用在轴上的力Fr 为bs41.97mmFrPd18.7带 宽代 号 为

16、v187N0.1200 的 H 型带（16）查 1 表 B&C-13可得，预紧力 F0668N 。50.8 mmbs精彩文档实用标准文案3.2.3 步进电动机的选择与校核已知参数如下：Fr187N工作台重量 G=mg=500NF0668N1工作台与导轨间摩擦系数 =0.15定位精度 0.1 毫米（1）脉冲当量的确定根据设计位置精度要求，初取脉冲当量为0.1mm（2）步距角b初选电动机型号时步距角b 与传动比i 应满足b d1，取步距角为 0.75。0.1mm2360ip 0.75 242.55 0.25mm2 360 1（ 3）稳定运行时的转矩M1F (d / 2) 10 3100 (242.

17、55 / 2) 10 312.13N mb =0.751（4）等效转动惯量的计算取带轮质量为2kg，则带轮折算到电机轴上的转动惯量M 1 12.13N mJ1 2 (m0d12 / 8) 10 62 (2 242.552 / 8) 10 60.03kg m2负载和工作台折算到电机轴上的转动惯量精彩文档实用标准文案J2 ( m1 m2 )d12 / 4 10 6(100 50)242.552 / 40.03kg m210 62.21kg m2J1故折算到电动机轴上的总转动惯量为J JJ (0.03 2.21)10 3 2.2410 3 kg m212（5）初选步进电机型号J22.21kg m2根

18、据稳定运行时转距和电动机总转动惯量查 2表3-8 ，初选 110BF003型步进电机，步进电机转子的转动惯 J2.24 10 3JD 46.110 5 kg m2 。空载启动频率 1500Hz，空载运行kg m2频率 7000Hz。根据电机轴的直径 d 初选联轴器，查3 表 14-5初选110BF003型用 YL1 式凸缘联轴器。 其转动惯量 JL0.0018kg m 2 。步进电机Tmax2 ， JL4 ，故步进电动机具有良好的起动能M1JM力及较快的响应速度。（6）矩频特性Tmax2M 1步进电动机的空载启动转矩应该大于步进电动机名JL义起动转矩，即 M kqM mqM jmax4JM步进

19、电机所需的起动转矩M kqM kaTL M 0其中， M ka 为空载启动运动部件由静止升速到最大速度所需转矩，TL 为空载时折算到电机轴的摩擦力矩，M 0 为由于同步带预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。加速转矩M ka精彩文档实用标准文案M ka JJ 2 nmax 10 260tJ 为各部件折算到电机轴的转动惯量J2.24 10 3 kg m2t 为静止部件由静止加速到最大速度，取t1sM kaJ 2 nmax 10 20.04N m60t空载摩擦力矩TLuGd10.1550 10242.552si20.940.97N m1 1000附加摩擦力矩M 0F0d1 (1 02 )2i66824

20、2.55(10.952 )2 0.94 1 10000.84N m则总转矩为M kqM kaTLM00.040.970.841.85N m名义启动转矩 M mqM mqM jmax0.57.843.92N mM kq1.85N mM mq 3.92N m所以最大静转矩符合启动要求。上面的计算仅仅是检查电机的最大静转矩是否满足M ka0.04N mTL0.97N mM 00.84N mM kq1.85N m要求，但不能保证电机在快速启动时不失步，需要对启动M mq3.92N m精彩文档实用标准文案矩频特性进行校核。 由于突跳启动过程极短， 加速度力矩M kqM mq很大，启动时丢步是不可避免的。

21、 因此，突跳启动很少使用，可以使用升速启动方式。根据空载启动力矩M kq 查手册，找到对应的允许启动1000vmax频率约 f kj 1500H ， 最大频率： fmax60 p为了使 fkjf ykj ，所以启动矩频特性满足要求，可分二个阶段启动，每个阶段的启动频率仅为最高启动频率的1/2 ，即 3012Hz。3.2.4滚动轴承的选用与校核同步带传动轴承承受的径向力较小，根据电机轴径，查3 表 13-3 初选型号为 6002 的深沟球轴承。其基本额定载荷为 Cr5.58kN ， C0r2.85kN径向载荷 Fr =187N轴承支反力 R1R21 Fr 93.5N2轴承当量动载荷为Pf p (

22、 XFrYFa )取 f p 1.1，则P1.1193.5102.85N计算轴承寿命：取温度系数p p ，故Ln106( ft C )3106(15580)32361703h60nP60150093.5Ln19200h ，故轴承符合寿命要求。Cr5.58kNC0r2.85kNFr =187NR1R293.5N精彩文档实用标准文案P102.85N6002 轴承基本参数：内圈直径d15mm，外圈直径D 32mm ，轴承宽度 B 9mm 3.2.5 键的选择与校核（1）连接同步电机轴与联轴器的键的校核Ln19200h查3表 11-1选 A 型普通平键， b4mm ，h4mm ，d15mmL30mm。

23、D32mmB9mm其许用压应力=120MPa，强度条件为：2T103p b4mmpkldh4mm其 中 ， lLb304 26mm， T1.85N m ，L30mmk0.5h0.542mm ，则p2T10321.8510006.47MPakld2 2611p p ，符合要求（ 2）连接联轴器和同步带轮轴的键的校核连接同步电机与联轴器的键与连接联轴器与同步带轮轴的键采用相同的键， 对于同样的负载转矩同样能够达到设计要求。（3）同步带轮上键的校核查3 表 11-1 选 A 型普通平键， b6mm ，h6mm ，L20mm 。pp 精彩文档实用标准文案强度条件为：2T103p pb6mmkld其 中

24、 ， l Lb206 14mm ， T1.85N m ，h6mmL20mmk 0.5h0.5 6 3mm ，则p2T10321.8510004.4MPakld3 1420p p ，符合要求。 p p4. 电气控制系统设计4.1 控制系统的基本组成电气控制系统采用 PLC 控制，主要是由检测传感装置、 PLC、环形脉冲分配器、功率放大器等组成。其中 PLC采用 S7-200 系列。通过 PLC可以实现对步进电动机的控制，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

25、接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。由于工作台是由步进电机驱动，而步进电机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作，因此需用到环形脉冲分配器，使通电顺序按照一定规律变化。从计算机输出口或环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动步进电机运转。电气控制过程如下图所示：精彩文档实用标准文案变频信号源脉冲功率数控分配器放大器方向同步带平台图 2电气控制过程4.2 电气元件的选型计算（1）PLC的选择西门子公司生产的S7-200PLC指令丰富，功能强大，可靠性高，适应性好，结构紧凑，便于扩展，性价比高，

26、故本次设计选用 S7-200CPU模块具体型号为 CPU224，其主要参数如下表所示：表 1 S7-200CPU 主要参数程序存储器4096 字用户数据存储器2560 字本机 I/O14 入/10 出扩展模块数7 个通信口数量1（RS-485）(2) 环形脉冲分配器实现环形分配的方法有3 种。一种是软分配，即利用计算机软件进行分配。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，但占用计算机的运行时间，影响步进电动机的运行速度。第二种是采用小规模集成电路搭建而成的三相六拍环形脉冲分配器，这种方式灵活性很大，可搭接任意相任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。精彩文档实用标准

27、文案第三种即采用专用环形分配器器件，可实现步进电机各种环形分配，使用方便，接口简单。本设计采用第三种方法。使用的是CH250环形分配器。其管脚图和三相六拍接线图如下所示。方向图 3 CH250管脚图及三相六拍接线图（3）功率放大器步进电机所用的功率放大电路有电压型和电流型。电压型又有单电压型、双电压型（高低压型） 。电流型中有恒流驱动、斩波驱动等。本设计中采用恒流源功率放大电路。其电路图如下图所示。图中，A、B、C分别为步进电机的三相，每相由一组功率放大器驱动。放大器输入端与环形脉冲分配器相连。当脉冲依次加到三个输入端时，三组放大器分别驱动不同的绕组，使电动机一步一步地转动。电路中与绕组并联的

28、二极管VD分别起到续流的作用， 。与绕组 W串联的电阻 R 为限流电阻。该电路结构简单，可用于对速度要求不高的小型步进电机中。精彩文档实用标准文案www图 4恒流源功率放大电路（4）旋转式编码器增量式编码器只能记住自己走过的步数，开机后会回到原点；而绝对式上电后就能知道所处的位置，但其需要更多的线数，成本较高，不如增量式经济。故本设计中选用增量式旋转式编码器。4.3 电气控制电路的设计本设计中采用的是PLC控制。其 I/O 分配如下表所示。表 2I/O 分配表功能I/O 口功能I/O 口启动按钮 SB1I0.0增量式旋转式编码器A相I0.6紧急停止按钮 SB2I0.1增量式旋转式编码器B相I0

29、.7正常停止按钮 SB3I0.2脉冲输出口Q0.0初始位置行程开关 S1I0.3电机转动方向输出控制Q0.1终点位置行程开关 S2I0.4蜂鸣器、报警指示灯输出Q0.2精彩文档实用标准文案其接线图如下图所示。R512VR4GND1LQ0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3S7-200 CPU2241MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5 I0.6I0.712VJP1ABSB1 SB2 SB3 S1S2图 5 PLC 接线图4.4 控制程序的设计及说明（1）速度控制原理本设计采用的是速度控制，速度编码器通过编码，输出的是标准脉冲，根据其分辨率，通过计算 1s 的的输出脉冲值，就可以得到

30、电机轴的实际转速，通过与额定转速比较，得出差值，在进行调速，即可完成速度的反馈控制。图 6数控平台运动过程利用 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。数控平台运行过程如下图所示。精彩文档实用标准文案（2）程序流程图图 7程序流程图主程序 :Network 1 /初始化LDSM0.1RQ0.0, 2RS0.0, 3精彩文档实用标准文案Network 2 /当平台处在初始位置行程开关且启动按钮按下时，电动机正转LDI0.0A I0.3AN I0.1 AN I0.2 EUSS0.1, 1Network 3LSCRS0.1Network 4LDSM0.

31、1CALLSBR3Network 5LDSM0.0=Q0.1/ 启动标志Network 6LDSM0.1CALLSBR0/ 正向输出/正向标志精彩文档实用标准文案/Q0.0 脉冲输出Network 7LDI0.4SCRTS0.2Network 8SCRENetwork 9LDT37RQ0.1, 1/ 启动标志Network 10SCRENetwork 11 /电动机立即停止LDI0.1ANI0.2SM0.1, 1CALLSBR1Network 12 /电动机正常停止LDI0.2ANI0.1R S0.0, 3Network 13精彩文档实用标准文案LDSM0.1AM0.1MOVW SMW68,

32、VW200 / 将此时的脉冲周期存入RS0.0, 3Network 14 / 电动机调整零点LDI0.0ANI0.3ANI0.1ANI0.2ANQ0.1S S0.0, 1Network 15 LSCR S0.0 Network 19 LD SM0.1 AN I0.3 CALL SBR0 Network 16LDI0.3SS0.1, 1/ 到零点后，正常行驶MOVD+0, SMD48Network 21精彩文档实用标准文案SCRENetwork 17LDSM0.0TONT32, +100Network 23LDT32CALLSBR2RT32, 8子程序 SBR_0 / PLC 发射高速脉冲Net

33、work 1LDSM0.0MOVB 16#E7, SMB67/PTO 工作于多段工作模式MOVW100, SMW168MOVB3, VB100MOVW+667, VW101/第 1段的初始周期，周期单位sMOVW-1, VW103/第 1段的周期增量MOVD+524, VD105/ 第 1段的脉冲个数MOVW+143, VW109/ 第 2段的初始周期MOVW0, VW111/第 2段的周期增量MOVD +28000, VD113/第 2 段的脉冲个数MOVW+667, VW117/第 3段的初始周期MOVW+2, VW119/ 第 3段的周期增量精彩文档实用标准文案MOVD +262, VD121/