2011-课程设计

1.1 设计任务介绍及意义

1.1.1 课程设计题目

机电传动单项数据平台设计

1.1.2 主要内容包括

（1）机械传动结构设计 （2）电器测控系统

1.1.3 课程设计意义

通过课程设计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，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于：

1、培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，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 设计题目说明

1、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：1）机械传动结构设计；2）电气测控系统；设计内容必须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

（1）电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机； （2）机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等； （3）电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；

（4）功能控制要求：速度控制、位置控制； （5）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、课程设计的基本要求：

（1）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。

（2）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（A2一张）。

（3）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）。

（4）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。

（5）用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。

（6）设计选题分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）完成；

2 总体方案设计

2.1 设计的基本依据

2.1.1 电机驱动方式的选择

步进电机又称脉冲电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元

件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角，转角的大小及转子的速度分别与输入的电脉冲数及频率成正比，而不受负载变化的影响。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简单。 步进电动机的特点：

1. 工作状态不易受各种干扰因素的影响；

2. 步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数后也会出现累计误差，但转子转过一转后，其累计误差为零。

3. 由于可以直接用数字信号控制。与微机接口比较容易。 4. 控制性能好，在启动、停止、反转时不易丢步。 5. 不需要传感器反馈，可以进行控制。 6. 缺点是能量效率太低。

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滑动丝杠副的1/3。

（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、重复定位精度，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力，由于予压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性。

（5）高速进给可能。滚珠丝杠由于运动效率高、发热小，所以可以实现高速进给。 （6）工作寿命长，不易发生故障。适用于金属切削机床、测试机床、仪器的传动螺旋和调整螺旋等。

2.2 总体方案的确定

参数初设如下：

（1） 电机驱动方式：步进电机 （2） 机械传动方式：滚珠丝杠 （3） 电气控制方式：PLC控制 （4） 功能控制要求：速度控制

（5） 主要设计参数：单向最大工作行程——1200mm 工作台重量：100kg 移动负载质量：50kg

移动速度控制：3m/min；负载移动阻力：50N 选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数μ=0.15

丝杠材料初选钢材 43CrMo 其HRC为58，四缸两端为固定支撑（F-F），每个支座安装两个25度的接触角推力球轴承，面对面安装进行预拉伸。

3 机械传动系统设计

3.1 滚珠丝杠、轴承的选用及计算

3.1.1 螺旋类型及种类

螺旋传动类型：滚动螺旋传动 滚动螺旋副接触形势：内循环 3.1.2 滚珠丝杠副的组成及主要尺寸

滚珠丝杠的组成和主要尺寸

3.1.3 计算过程 计算过程 丝杠载荷： 导轨摩擦力Fμ=μ(m1+m2)=0.15*(100+50)*9.8=220.5N 电机转速nmax 结果 丝杠最大转速n 工作台最大速度Vmax=3m/min=3000mm/min 丝杠导程Ph=Vmax/n=3000/500 当量转速nm=n

220.5N 500r/min 500r/min 6mm 500r/min 计算过程 作用于丝杠轴向最大动载荷FQ=3LfhfwFμ L为滚珠丝杠寿命系数 L=60nT/106（其中T为使用寿命时间） T——数控机床及其他机电一体化设备仪器装置为15000 FH——平稳或轻度冲击时为1.0 FW——硬度系数HRC≥58时为1.0 L=60*500*15000/106=450 FQ=3450*1.2*1.0*220.5=2028 滚珠丝杠副的选型为：FD2506—3 滚珠丝杠副的主要尺寸： 公称直径：d0=25mm 钢球直径：dw=4mm 丝杠外径：d=23.9mm 循环圈数：3 丝杠内径：d2=d0+2e-2rs rs=0.52dw 结果 e=（rs-dw/2）sinα 算得：d2=20.96mm 螺母安装连接尺寸： D1=40mm D2=40mm l=10mm D3=66mm B=11mm 2028N FD2506—3 25mm 4mm 23.9mm 3 40mm 40mm 10mm 66mm 11mm

计算过程 D4=53mm D5=5.8mm D6=10mm h=6mm D7=46mm M=M6 D8=30mm L1=100（97）mm E=6mm 丝杠螺纹部分的长度：lu=工作台最大行程（1200mm）+螺母长度 （100mm）+两端余程（40mm） =1200+100+2*40=1380mm 支撑距离l应大于lu 结果 53mm 5.8mm 10mm 6mm 46mm M6 30mm 100（97）mm 6mm 1380mm 1600mm 2385 1.36m 符合要求 效率为95.9％ 合格 临界转速校核nc nc=9900f22d2/Lc2=2385 临界转速计算长度Lc=100/2+1200+（1600-1380）/2=1.36m nc>nmax 效率验算：η=tanΦ/tan（Φ+ρ·）（tanρ·=0.0025） 导程角： Φ=arctanph/πd0=3024‘56” η =95.9％ 要η求在90％～95％ 故丝杠合格

初选轴承为α=250的角接触球轴承，采用面对面安装，其轴向载荷分析如下： 径向外载荷Fc：Fc=（m1+m2）g 轴向外载荷：Fa=Fxmax 支撑反力：R1=R2=Fr/2 轴承派生轴向力：S1=S2=S=0.7R 轴承所受轴向载荷：A2=S1+Fa A1=S1 因工作时是中等冲击查表得fp=1.4 因为A1/R1=0.7>e=0.68 A2/R2=1.14>e=0.68 且A2>A1,所以轴承所受当量载荷： Ｐｒ＝Ｐ２＝ｆｐ（ｘＲ２＋ｙＡ１）查表得： x=0.41，y=0.87

1470N 220.5N 735N 514.5N 923.5N 514.5N 1048.5N 基本额定载荷： 选用轴承：根据额定载荷，查表初步选用7204AC型角接触球轴 承，其基本参数如下： 基本尺寸：d=20mm，D=47mm，B=14mm，a=14.9mm 安装尺寸：dα=26mm，Dα=41mm，rαrα=1 计算寿命： 8209.4N C—额定动载荷 Lh=17506>1600

3.2 步进电机的选用及计算

计算过程 脉冲当量的选用： 根据设计位置精度要求，初取脉冲当为б=0.05mm。 步距角θb： 结果 Б=0.05mm θb：=0.75 初步选择步进电机型号为110BF004，步距角θb和传动比i应满足 θbL0/360i≤б,取步距角为0.75为了使结构简单，提高精度取i=1 则бp=0.75*6/360=0.0125.110BF004步进电机轴的转动惯量 -52,JD=34.3*10kgm，最大精度转矩MJmax=4.9Nm。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 2JL=0.0018kgm。 步进电机所需空载启动力矩应小于步进电机的名义启动力矩，即 Ｍｋｑ＝ＭＫα＋ＭＫｆ＋Ｍ０ 其中ＭＫα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；Ｍｋｆ为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩； Ｍ０为由于丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 -2Ｍｋａ＝ＪΣε＝ＪΣ＊２πｎｍａｘ/60t*10 3.2*10-3 Ｊs=0.78D4L*10-3=32kgm2 -3 5.2*10 -3 =5.2*10

54.45N =54.45N 26.3N =26.33N =1.02 1.02 Mkq= ＭＫα＋ＭＫｆ＋Ｍ０ =54.45+26.3+1.02=807.7 Mｍｑ＝λＭJmax=0.5*4.9=2450N.mm 由于此处为三相双拍，故λ=0.5 Mkq≤Mmq=λMJmax满足 合格 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，启动时失步是不可避免的。 因此，突跳启动很少使用。这里升速启动方式。 根据空载启动力矩Mkq查手册找到对应的允许启动频率fyq=1400Hz 最大频率： Fmax=1000vmax/60бp=4000Hz 为了使fq工作进行时步进电机所需力矩： MGJ=M0+Mf+Mt=1.02+52.67+11.94 其中： Mt=Ft*0.6/2πηi=11.94 查手册有MGJ3.3 联轴器校核

初选用YL1式凸缘联轴器，其公称转矩T=10N.m由上面的计算可知MGJ以联轴器满足要求——合格。

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。其控制流程如下图所示：

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。CH250是国产的三相反应式步进电机环形分配器的专用集成电路芯片，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方

式。

⑴CH250管脚图如下所示:

161514131211109

UDJ3LJ3rCBAR1R2

CH250J6rJ6LENCLUS

1

2345678⑵CH250主要管脚的作用：

J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r＝“1”，而J3L＝“0”，则电机正转；若J3r＝“0”，J3L＝“1”，则电机反转；三相六拍供电时，若J6r＝“1”，J6L＝“0”，则电机正转；若J6r＝“0”，J6L＝“1”，电机反转。R2是双三拍的复位端，R1是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。A0、B0、C0为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。

⑶CH250的三相双三拍接线原理图如下所示：

4.2 功率放大器

单电压功率放大电路，如下图所示。图中A、B、C分别为步进电机的三相，每相由一组放大器驱动。在电路中与绕阻W串联的电阻R为限流电阻，通过绕阻的电流不超过其额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。B的阻值一般在5~20欧姆之间。

该电路结构简单，但R串在大电流回路中要消耗能量，使放大器功率降低。同时由于绕阻电感L较大，电路对脉冲电流的反应较慢，因此输出脉冲波形差、输出功率低。

单电压功率放大电路图

4.3 PLC高速脉冲输出控制 ⑴PLC接线图

⑵三电动机转动PLC控制I/O分配 输入端： 启动按钮SB1 I0.2

停止按钮SB2 I0.3

输出端：

脉冲输出口CL

⑶PLC控制程序 主程序Main:

Network 1 // Network Title

Q0.0 Q0.1

电机转动方向输出控制

// Network Comment LD SM0.1 R Q0.0, 2 R S0.0, 3

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

S S0.1, 1

Network 3 LSCR S0.1 Network 4 LD SM0.1 CALL SBR3 Network 5 LD SM0.0

= Q0.1

Network 6 LD SM0.1

CALL SBR0

Network 7 LD I0.4 SCRT S0.2

Network 8 SCRE

Network 9 LSCR S0.2

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

Network 11 LD T37

R Q0.1, 1

//启动标志 //正向输出 //正向标志

//Q0.0脉冲输出 //启动标志

Network 12 LD T37 A SM0.1 AN I0.3

CALL 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 AN I0.2 S M0.1, 1 CALL SBR1

Network 15 // 电动机正常停止 LD I0.2 AN I0.1

R S0.0, 3 Network 16 LD SM0.1 A M0.1

MOVW SMW68, VW200 R S0.0, 3

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

Network 18 LSCR S0.0 Network 19 LD SM0.1 AN I0.3 CALL SBR0

//将此时的脉冲周期存入VW200

Network 20 LD I0.3

S S0.1, 1 //到零点后，正常行驶

MOVD +0, SMD48 Network 21 SCRE

Network 22 LD SM0.0 TON T32, +100 Network 23 LD T32 CALL SBR2 R T32, 8

子程序SBR_0 ；PLC发射高速脉冲 Network 1 // Network Title // Network Comment LD SM0.0

MOVB 16#E7, SMB67 //PTO工作于多段工作模式 MOVW 100, SMW168 MOVB 3, VB100

MOVW +1334, VW101 //第1段的初始周期，周期单位s MOVW -1, VW103 //第1段的周期增量 MOVD +524, VD105 //第1段的脉冲个数 MOVW +286, VW109 //第2段的初始周期 MOVW 0, VW111 //第2段的周期增量 MOVD +28000, VD113 //第2段的脉冲个数 MOVW +1334, VW117 //第3段的初始周期 MOVW +2, VW119 //第3段的周期增量 MOVD +262, VD121 //第3段的脉冲个数 PLS 0

Network 2 LD I0.3 O I0.4

S SM66.5, 1

子程序SBR_1 ；紧急停车时脉冲控制 Network 1 // Network Title // Network Comment LD SM0.0

MOVW +50, VW202 -I VW200, VW202 MOVW VW202, VW204 /I +50, VW204

MOVB 16#88, SMB67 //PTO工作于一段工作模式 MOVW VW200, VW400 //该段初始周期 MOVW VW204, VW402 //周期增量 MOVD +262, VD404 //脉冲个数 PLS 0

5.结束语

本次课程设计，我前期主要进行资料整理，通过网络、图书馆、教材、请教老师同学，进行了初步的方案设定，中期主要进行机械图和电气图的绘制，在此期间，应用了CAD、CAXA、电子机械设计手册等设计软件辅助设计。PLC编程则主要通过查资料。这次课程设计锻炼了我的分析处理问题的能力。后期主要进行说明书的编写等工作。

6参考资料

（1）机械原理与机械设计 （2）微机原理与接口技术

（3）测试技术

（4）机电传动控制 （5）PLC控制技术

（6）机电一体化系统设计 （7）机电控制及自动化 （8）机械设计手册

（9）机电一体化设计手册