PLC控制的精密加载伺服机构设计说明书

PLC控制的精密加载伺服机构设计学院：机械工程学院专业课程设计任务书说明书7000~8000字(包括语句表)1系统总体设计根据设计任务书可了解，本设计主要是PLC控制的精密加载伺服机构的设计，首先要满足伺服机构行程±40mm以及执行机构最大承受的加载量大于3000N，行程达到最大是允许有20%的负载。综合考虑，确定本设计的系统结构。系统PLC3.机构执行部分：该部分由执行电机拖动所需机械设备进行工作，电机工作情况由自身编码器反馈给驱动器进行闭环控制，机械部分可由传感器反馈给系统传动简图2相关参数计算及选择2.1弹簧参数选择计算由所给数据可以求出加载机构弹簧总刚度K=3000/40=75N/mm，为了使产品在使用时所受的力分布均匀，本结构采用4个弹簧并联，每根弹簧刚度选择弹簧材料和许用应力。选用C级碳素弹簧钢丝，Dp估取弹簧直径3mm，弹簧中径25mm，材料选择碳素弹簧钢丝，由于并无严格总圈数：n1=n+(2~2.5)(冷卷)n1=n+(1.5~2)(YII型热卷)拉伸弹簧n1尾数自由高度或长度：H0≈pn+(1.5~2)d(两端并紧，磨平)H0≈pn+(3~3.5)d(两端并紧，不磨平)螺旋角：α=arctg(p/πD2)对压缩螺旋弹簧，(推荐α=5°~9。)。arctgDD=arctg0.12=5.7。应力的拉伸弹簧其特性曲线与压缩弹簧的特性曲性特性，弹簧的工作变形量应取在(0.2~0.8)ylim范围内。a强度约束条件将作用于弹簧的轴向载荷F移至这个剖面，在此剖面上有转矩：T=FD2\2(2-1-2)(2-1-3)C(1)选择步骤1)根据轴承工作条件(包括载荷方向及载荷类型、转速、润滑方式、同轴度要求、定位或非定位、安装和维修环境、环境温度等)，选择轴承基本类型、2)根据轴承的工作条件和受力情况和寿命要求，通过计算确定轴承型号，3)验算所选轴承的额定载荷和极限转速。选择轴承的主要考虑因素是极限转速、要求的确良寿命和载荷能力，其它的因素则有助于确定轴承类型、结构、尺寸及公差等级和游隙工求的最终方案。1)负载方向：轴向负荷很大，而径向负荷较小时，可选用推力角接触轴承，也可以采用向心轴承和推力轴承一起的支承结构。2)调心性能：当轴的中心线与轴承座中心线不同，有角度误差，或因轴的两支承间距较大而轴的刚性以较小，容易受力弯曲或倾斜时，可选用具有良好调心性能的调能保持正常工作。轴承调心性能的好坏，与其允许的不同轴度有关，不同轴3)轴承的转速：每一个轴承型号都有其自身的极限转速，它是由诸如尺寸、类型及结构等物理特性所决定的，极限转速是指轴承的最高工作转速(通常用r∕min)，超过这一极限会导致轴承温度升高，润滑剂干枯，甚至使轴承卡死。4)当量动负荷P0的计算:滚动轴承的基本额定动负荷是在向心轴承只受径向负荷，推力轴承只受轴向负荷的特定条件下确定的。实际上，轴承往往承受着径向负荷和轴向负荷的联合作用，因此，须将该实际联合负荷等效为一假想的当量动负荷P来处理，在此载荷作用下，轴承的工作寿命与轴承在实际工作负荷下的寿命相同。计算P0向心角接触轴承(3类、7类)在受到径向载荷作用时，将产生使轴承内外使用。由于向心角接触轴承产生内部轴向力，故在计算其当量动负荷时，式中的轴向负(2-2-1)转速较低，对运转精度和摩擦力矩要求不高时，允许有较大接触应力。可取S0＜1；对7)其他要求：除上述因素外，还应考虑轴承的工作环境温度、轴承密封及对摩擦力矩、振游隙选择：游隙是滚动轴承能否正常工作的一个重要因素，分为轴向游隙和径向游隙。选择适当的游隙，可使载荷在轴承滚动体之间合理分布；可限制轴(或外壳)的轴向和径向位移，保证轴的旋转精度；能使轴承在规定的温度下正常工作；减少振动和噪声，有利于提高轴承的寿命。因此。在选用轴承时，必须选择适当的轴承游隙.在汉江机床厂C1型滚珠丝杆选代号2506-2.5螺旋角λ=4°22',丝杆大径M4*20(GB/T68-2000)。DeR40+2x0.0635-2x1.651)mm=36.825mmd2dp2524.566-2.5λDBE5M4LQ12h6固定轴套圆螺母M24*1.5(GB/T810-1988)。NNλ=4°22'滚珠丝杠副可用润滑来提高耐磨性及传动效率。润滑剂分为润滑油及润滑脂两大类。润滑油用机油、90~180号透平油或140号主轴油。润滑脂可采用锂基油脂。润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油通过壳体上的油孔注入螺母空间内。(1)伺服电机选型计算S－－-丝杆螺距(mm)(2)计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。JtJiJJsWg(S/2π)2】(2-2-3)Js－－－－丝杆惯量(Kg.cm.s2)W－－-工作台重量(N)S－－-丝杆螺距(cm)(3)计算电机输出的总力矩MM=Ma+Mf+Mt(2-2-4)n－－-电机所需达到的转速(r/min)T－－-电机升速时间(s)MfuWsi0ˉ2(2-2-6)Mf至电机的转矩(N.m)MtPtsi10ˉ2(2-2-7)Mt(N.m)Pt－－-最大切削力(N)(4)负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为：fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/M)l÷(1+Jt/Jm)]1/2(2-2-8)fq－-空载起动频率Ml－－起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩(N.m)(5)运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 (6)负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式(2-2-6)和式(2-2-7)计算，电机在最大进给速度时，由矩与Mt之和应小于(0.2~0.4)Mmax。经上述分析计算，电机步距角α=0.75°，脉冲当量σ=0.005mm，由公式σ=α*p*Z1/(360°*2入),数据可得齿数比u=Z1/Z2=2/5。平键LDB984Ed，根据轴径选用开槽锥紧定螺钉，GB/T71M5³6。负载惯量对电机的控制特性和快速移动的加/减速时间都有很大影响。负载指令变化后，需要较长的时间达到新指令指定的速度。负载惯量小于或等于电机的惯量时，不会出现这些问题。若负载惯量为电机的3倍以上，控制特性就会降低。实际上这对普通金属加工机床的工作的影响不大，但是如果加工木制品或是高速加工曲线轨迹，建议负载惯量要小于或等于电机的惯量。如果负载惯量比3倍的电机惯量大的多，则控制特性将大大下降。此时，电机的特(2)齿轮参数计算选择齿轮类型、精度等级、材料根据工作要求以及工作环境选择直齿圆柱齿轮，速度不高，选用7级精度(GB10095-88)。材料选择选择小齿轮材料为40Cr(调质)，硬度为280HBS，大齿轮材料为45刚(调质)，硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。(2-2-10)d.取接触疲劳寿命系数=0.98,=1.0式(2-2-10)算得dt≥55mm，选择的满足要求。u=Z1/Z2=2/5，选择齿轮齿数Z1=40,Z2=100。故此小齿轮分度圆直径D1=64mm，(3)键的连接及校核择键时应考虑类型和尺寸两个方面。键的类型选择应考虑键连接的结构特点、对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键连接(静连接)，过载，一般不会出现键的剪核计算。对于平键连接和滑键连接(动连接)，其主要的失效形式是工作面的过度磨损。因此，通常按工度条件为(一)可编程控制器控制系统I/O点数估算号与输出信号的总点数，选择相应规模的可编程控制器并留有10%~15%的I/O裕量。估算出被控对象上I/O点数后，就可选择点数相当的可编程控制器。选(二)存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。(三)控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送PLC的PID运算和其他高级运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议(如TCP/IP)，需要时应能与工厂管理网(TCP/IP)相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，CPU际需要，应选择具有不同通信功能的(如点对点、现场总线、工业以太网)通信处理器。能五种标准化编程语言：顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能模块图 (FBD)三种图形化语言和语句表(IL)、结构文本(ST)两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准(IEC6113123)，同时，还应支持多种语言编程形式，I—脉冲控制