機電傳動單向數(shù)控平臺設計

1、機電傳動單向數(shù)控平臺設計機械工程及自動化專業(yè)專業(yè)課程設計說明書 專 業(yè)：機械工程及其自動化班 級：機自10-2班 學生姓名：X X 學 號：2210XXXX 指導老師：崔 吉2 0 1 3 年 7 月 9 日目錄1.設計任務41.1設計任務介紹及意義41.1.1課程設計題目41.1.2主要設計內容41.1.3課程設計意義：41.2設計任務明細41.3設計的基本要求52總體方案設計52.1設計基本依據(jù)52.2總體方案的確定73.機械傳動系統(tǒng)設計73.1機械傳動裝置的組成及原理73.2 主要部件的結構84.電氣控制系統(tǒng)設計144.1控制系統(tǒng)的基本組成144.2環(huán)形脈沖分配器CH250144.3功率

2、放大器164.4 PLC高速脈沖輸出控制17總結23參考文獻241.設計任務 1.1設計任務介紹及意義1.1.1課程設計題目 機電傳動單向數(shù)控平臺設計1.1.2主要設計內容 (1)機械傳動結構設計 (2)電氣控制系統(tǒng)1.1.3課程設計意義： (1)培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎理論和專業(yè)知識，獨立進行機電控制 系統(tǒng)(產品)的初步設計工作。 (2)培養(yǎng)學生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書 籍以及編寫技術文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。 (3)培養(yǎng)學生掌握機電產品設計的一般程序和方法，進行工程師基本素質的訓練。 (4)樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。 1.2設計任務明細

3、機電傳動單向數(shù)控平臺設計： 1)電機驅動方式：步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機； 2)機械傳動方式：螺旋絲桿、滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動等； 3)電氣控制方式：單片微機控制、PLC控制； 4)功能控制要求：速度控制、位置控制；主要設計參數(shù)： 單向工作行程1800、1500、1200 mm； 移動負載質量100、50 kg； 負載移動阻力100、50 N； 移動速度控制3、6 m/min； 1.3設計的基本要求（1）方案設計：根據(jù)課程設計任務的要求，在搜集、歸納、分析資料的基礎上，明確系統(tǒng)的主要功能，確定實現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的原理方案，并對各種方案進行分析和評價，進行方案選優(yōu)。（2）總體設計：針

4、對具體的原理方案，通過對動力和總體參數(shù)的選擇和計算，進行總體設計，最后給出機械系統(tǒng)的控制原理圖或主要部件圖（A2圖一張）。（3）電氣控制線路圖：根據(jù)控制功能要求，完成電氣控制設計，給處電氣控制電路原理圖（A3圖一張）。（4）成果展示：課程設計的成果最后集中表現(xiàn)在課程設計說明書和所繪制的設計圖紙上，每個學生應獨立完成課程設計說明書一份，字數(shù)為3000字以上，設計圖紙不少于兩張。（5）繪圖及說明書：用計算機繪圖，打印說明書；（6）設計選題：分組進行，每位同學采用不同方案（或參數(shù)）獨立完成。2總體方案設計 2.1設計基本依據(jù)步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的

5、情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。 同步帶是一種綜合了帶、鏈傳動優(yōu)點的新型傳動。如圖所示，它在帶的工作面及帶輪外圓周上均制成齒形，通過帶輪與帶齒相嚙合，作無滑移的嚙合傳動。同時，帶內采用了承載后無彈性伸長的材料作強力層，以保持帶的節(jié)距不變，使主、從帶輪作無滑差的同步運動。與一般傳動

6、帶相比，同步帶傳動具有以下特點： 1工作時無滑動，有準確的傳動比同步帶傳動是一種嚙合傳動，雖然同步帶是彈性體，但由于其中承受負載的承載繩具有在拉力作用下不伸長的特性，故能保持帶節(jié)距不變，使帶與輪齒槽能正確嚙合，實現(xiàn)無滑差的同步傳動，獲得精確的傳動比。 2傳動效率高，節(jié)能效果好 由于同步帶作無滑動的同步傳動，故有較高的傳動效率，一般可達0.98。它與三角帶傳動相比，有明顯的節(jié)能效果。 3傳動比范圍大，結構緊湊 同步帶傳動的傳動比一般可達到10左右，而且在大傳動比情況下，其結構比三角帶傳動緊湊。因為同步帶傳動是嚙合傳動，其帶輪直徑比依靠摩擦力來傳遞動力的三角帶帶輪要小得多，此外由于同步帶不需要大的

7、張緊力，使帶輪軸和軸承的尺寸都可減小。所以與三角帶傳動相比，在同樣的傳動比下，同步帶傳動具有較緊湊的結構。 4維護保養(yǎng)方便，運轉費用低 由于同步帶中承載繩采用伸長率很小的玻璃纖維、鋼絲等材料制成，故在運轉過程中帶伸長很小，不需要像三角帶、鏈傳動等需經常調整張緊力。此外，同步帶在運轉中也不需要任何潤滑，所以維護保養(yǎng)很方便，運轉費用比三角帶、鏈、齒輪要低得多。 5惡劣環(huán)境條件下仍能正常工作盡管同步帶傳動與其它傳動相比有以上優(yōu)點，但它對安裝時的中心距要求等方面極其嚴格，同時制造工藝復雜、制造成本高。 PLC是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其

8、內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 2.2總體方案的確定 我的主體思想：用PLC控制步進電機的轉速，用同步帶進行電機和絲桿之間的傳動，間接控制平臺的進給運動。參數(shù)初設如下： （1）電機驅動方式：步進電機 （2）機械傳動方式：同步皮帶 （3）電氣控制方式：PLC控制 （4）功能控制要求：位置控制 （5）主要設計參數(shù):總行程600mm,第一段空行程100mm, 第二段工作行程400mm,第三段工作行程100mm

9、; 移動負載質量50kg； 負載移動阻力100N； 移動速度控制：6m/s3.機械傳動系統(tǒng)設計 3.1機械傳動裝置的組成及原理 本設計選擇同步皮帶，2根HSR型導軌和4個滑座,工作平臺的質量假設為40kg，滑塊質量50Kg. 壽命要求：每天開機8h，一年按300個工作日，壽命5年以上。已知條件：單向工作行程600mm，第一段工作行程100m, 第二段工作行程400mm，第三段工作行程100mm。 負載質量 ：50kg 3.2 主要部件的結構計算及說明結果3.2.1同步帶傳動設計計算 1）傳遞的功率：P=Fv=100×0.2=0.02kW 2）功率：Pd=KAPKA 工況系數(shù)，查表2.

10、1-13Pd=1.1KAP=1.1×1.7×0.02=0.04kW 3)主動輪轉速n1：電機直接驅動主動輪，初選電機轉速為2000r/min 從動輪轉速n2：主帶輪直徑等于從帶輪直徑 4）選定帶型：根據(jù)Pd和小帶輪轉速n1由圖2.1-3選取，可知應選L型。 5）節(jié)距：Pb=9.525 查表2.1-5 6)小帶輪齒數(shù)：查表2.1-14得zmin=14，因為z1>zmin，所以小帶輪齒數(shù)z1=15 7）小帶輪節(jié)圓直徑： 8）大帶輪齒數(shù)：z2=iz1=1×15=15 9）大帶輪節(jié)圓直徑： 10）同步帶傳動速度： (應滿足=50m/s） 11）初定軸間距：0.7（d

11、1+d2）a02（d1+d2），取a0=150mm 12）同步帶長度： =443mm 13）同步帶齒數(shù)z和標準節(jié)線長LP：查表2.1-3 z=160,LP=1524mm 14）實際軸間距：a=a0+(LP-L0)/2 =690.5mm 13）小帶輪嚙合齒數(shù)：zn(0.5-(d2-d1)/6a)z1=8>6 15）基本額定功率： Ta 各帶型的許用工作拉力，查表2.1-16 m 帶寬為bs0的帶單位長度的質量，查表2.1-16 bs0 查表2.1-15 16）同步帶寬度： （Kz看表2.1-12）17）作用在軸上的力Ft=1000Pd/v=8.40N18）輪緣齒形尺寸查表2.1-2或取決于

12、表2.1-5所列漸開線刀具尺寸。3.2.2導軌動載荷的計算 作用在滑塊上的力 N 則單個滑座受力 N 導軌壽命 行程長度壽命： 其中n為每分鐘運行的次數(shù) h 設計平臺上共有滑塊4個，每根導軌2個滑塊。 有 K 壽命系數(shù) 取K=50 硬度系數(shù) 取=1 溫度系數(shù) 取=1 接觸系數(shù) 取=0.81 負荷系數(shù) 取=1.5 則動載荷有：N3.3步進電機選型計算已知參數(shù)：工作臺重量G=70x9.8N工作臺與導軌間摩擦系數(shù)u=0.15定位精度0.1毫米3.3.1脈沖當量的選擇 脈沖當量：一個指令脈沖使步進電動機驅動拖動的移動距離=0.1mm/p（輸入一個指令脈沖工作臺移動0.1毫米）3.3.2等效負載轉矩的計

13、算 空載時的摩擦轉矩TLF TLF = = =0.087N·m1）穩(wěn)定運行時的轉矩M1： 2）加速運行時轉矩M2： 帶輪折算到電機軸上的轉動慣量 ，取帶輪質量為2kg 負載和工作臺折算到電機軸上的轉動慣量 ，取工作臺質量為20kg 同步帶折算到電機軸上的轉動慣量 折算到電機軸上的總轉矩為3.3.3初選步進電動機型號根據(jù)穩(wěn)定運行時轉距M1=0.75N·m和電動機總轉動慣量JL=38.24Kg·m2,初步選定電動型號為SST86D040X步進電動機。該電動機的最大靜扭距Tmax=2.26N·m，轉子轉動慣量 Jm=12.5Kg·m2為了使步進電動機

14、具有良好的起動能力及較快的響應速度應為： 及空載時起動時間計算（ta）SST86D040X步進電動機的最小加、減速度時間為1秒帶慣性負載的最大起動頻率fL的計算Hz電動機空載起動頻率帶慣性負載的最大轉速轉/分帶慣性負載起動力矩Tm電動機起動矩-頻率特性曲線M1=0.75N·m負載時起動時間tata=該電機帶慣性負載時能夠起動以上計算，選該型號步進電動機，能滿足設計要求。3.3.4滾動軸承的選用與校核 根據(jù)工作情況以及滾珠絲杠的受力，初選軸承為角接觸球軸承，其，型號為7205B 基本額定載荷為：C0=15.8KN ，C0r=9.45KN 為徑向外載荷 Fr=(m1+m2+m3)g=(5

15、0+40+50)×9.8=1372N 為軸向外載荷 軸承支反力 軸承派生軸向力 軸承所受軸向載荷 則 計算軸承當量動載荷，工作在中等沖擊： 載荷系數(shù) 查表 查表 計算當量動載荷： 計算軸承的壽命： 因為， 故按進行校核。 取溫度系數(shù) ft=1 故 h 壽命指數(shù) 對于球軸承 因為 所以軸承符合要求 7205B角接觸軸承基本尺寸 內圈直徑 外圈直徑 軸承寬度 軸承質量 靜載荷 動載荷 3.3.5鍵的選擇與校核鍵許用擠壓應力，查表3.2得 帶輪軸上的鍵根據(jù)該處軸的直徑d = 15mm，取b×h=5×5采用A型鍵，根據(jù)GB/T1095-2003,GB/T1096-2003

16、暫選：鍵 A5×20 GB/T1096-20033.3.6潤滑與密封裝置由已知條件選擇脂潤滑，密封裝置為毛氈圈。受力情況如下圖：P=0.38kWKA=1.7Pd=0.04kWn1=n2=2000r/min選LPb=9.525 z1=15d1=45.5mm z2=15d2=45.5mmv=4.76m/sa0=150mmL0=443mmz=160LP=1524mm a=690.5mmzn=8Ta=245Nm=0.096kgm-1bs0 =25.4mmP0=1.15kWbs=75.8mmFt=8.40N=882NF=220.5NTh=12000hn=2K=50=1=1=0.81=1.5 C

17、a=1805.2N型號 HSR 15M1=0.75Nm=744.43Hz=89.33轉/分C0=15.8KNC0r=9.45KNFr=1372N ft=14.電氣控制系統(tǒng)設計4.1控制系統(tǒng)的基本組成步進電機是一種特殊的機電元件,不能直接接到交直流電源上工作,必須使用專用的驅動器。步進電動機轉速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于CP脈沖的有無或頻率。環(huán)形分配器用來接受來自控制器的CP脈沖信號，并按步進電動機工作方式要求的各相脈沖信號狀態(tài)順序產生各相導通或截止的信號，但是環(huán)形分配器的輸出電流很小，不能直接驅動步進電動機，因此需要功率放大器實現(xiàn)對脈沖分配回路輸出的弱信號進行放大，產生電機脈沖

18、信號工作所需的激磁電流。其控制流程如下圖所示：4.2環(huán)形脈沖分配器CH250由于用軟件環(huán)形分配器需要編寫復雜的程序，而且占用計算機運行時間，故一般使用硬件或軟硬件結合來實現(xiàn)。硬件環(huán)形分配器的種類很多，有專用的集成電路，可以用JK觸發(fā)器或D觸發(fā)器構成，還可以用通用的可編程邏輯器件組成。在這里，通常我們采用集成電路CH250。CH250是國產的三相反應式步進電機環(huán)形分配器的專用集成電路芯片，通過其控制端的不同接法可以組成三拍和三相六拍的不同工作方式。CH250管腳圖如下所示:CH250主要管腳的作用：J3r、J3L兩端子是三相雙三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相雙三拍工作時，若J

19、3r“1”，而J3L“0”，則電機正轉；若J3r“0”，J3L“1”，則電機反轉；三相六拍供電時，若J6r“1”，J6L“0”，則電機正轉；若J6r“0”，J6L“1”，電機反轉。R2是雙三拍的復位端，R1是六拍的復位端，使用時，首先將其對應復位端接入高電平，使其進入工作狀態(tài)，然后換接到工作位置。CL端是時鐘脈沖輸入端，EN是時鐘脈沖允許端，用以控制時鐘脈沖的允許與否。當脈沖CP由CL端輸入，只有EN端為高電平時，時鐘脈沖的上升沿才起作用。CH250也允許以EN端作脈沖CP的輸入端，此時，只有CL為低電平時，時鐘脈沖的下降沿才起作用。A、B、C為環(huán)形分配器的三個輸出端，經過脈沖放大器（功率放大

20、器）后分別接到步進電動機的三相線上。CH250的三相雙三拍接線原理圖如下所示：4.3功率放大器單電壓功率放大電路 是步進電動機一相的驅動電路如下圖所示，L是電動機繞組，晶體管VT可以認為是一個無觸點開關，它的理想工作狀態(tài)應使電流流過繞組L的波形盡可能接近矩形波。但是由于電感線圈中的電流指數(shù)規(guī)律上升，其時問常數(shù)=L/r，須經過3rl的時間后才能達到穩(wěn)態(tài)電流。由于步進電動機繞組本身的電阻很小，所以，時間常數(shù)很大，從而嚴重影響電動機的啟動頻率。為了減小時問常數(shù)，在勵磁繞組中串以電阻R，這樣時間常數(shù)就大大減小，縮短了繞組中電流上升的過渡過程，從而提高了工作速度。在電阻R兩端并聯(lián)電容c，是由于電容上的電

21、壓不能突變，在繞組由截止到導通的瞬間，電源電壓全部降落在繞組上，使電流上升更快，所以，電容c又稱為加速電容。二極管V在晶體管VT截止時起續(xù)流和保護作用，以防止晶體管截止瞬間繞組產生的反電勢造成管子擊穿，串聯(lián)電阻Ro使電流下降更快，從而使繞組電流波形后沿變陡。這種電路的缺點是R上有功率消耗。為了提高快速性，需加大R的阻值，隨著阻值的加大，電源電壓也勢必提高，功率消耗也進一步加大。正因為這樣，單電壓限流型驅動電路的使用受到了限制。4.4 PLC高速脈沖輸出控制S7-200控制器S7-200系列是一類可編程邏輯控制器（Micro PLC）。這一系列產品可以滿足多種多樣的自動化控制需要。由于具有緊湊的

22、設計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令，使得S7-200可以近乎完美的滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的CPU類型和電壓等級使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，具有很強的適應性。S7-200的編程軟件：STEP7-Micro/WIN32。該編程軟件可以方便地在Windows環(huán)境下對PLC編程、調試、監(jiān)控。使得PLC的編程更加方便、快捷。主要組成部分：一臺S7-200 Micro PLC包括一個單獨的S7-200CPU，或者帶有各種各樣的可選擴展的模塊。S7-200 Micro PLC模塊包括一個中央處理單元，電源及數(shù)字量I/O點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。3. CPU負責執(zhí)行程

23、序和存儲數(shù)據(jù)，以便對工業(yè)自動控制任務或過程進行控制。4. 輸入和輸出是系統(tǒng)的控制點：輸入部分從現(xiàn)場設備（例如傳感器或者開關）中采集信號，輸出部分則控制電機、泵、以及工業(yè)過程中的其他設備。5. 電源向CPU所連接的任何模塊提供電力。6. 通訊端口允許將S7-200CPU同編程器或其他設備連接起來。7. 狀態(tài)信息號燈顯示了CPU的工作模式（運行或者停止），本機I/O的當前狀態(tài)，以及檢查出錯的系統(tǒng)錯誤。8. 通過擴展模塊可增加CPU的I/O點數(shù)。9. 通過擴展模塊可提供其他通訊性能。10. 一些CPU具有內置的實時時鐘，其它CPU則需要實時時鐘卡。11. EEPROM可以存儲CPU程序，也可以將一個

24、CPU中的程序傳送到另一個CPU中。12. 通過可選的插入式電池盒可延長RAM中的數(shù)據(jù)存儲時間本系統(tǒng)中選CPU224，主要參數(shù)如表4-1：外形尺寸（mm）120.5×80×62程序存儲器4K本機I/O14輸入10輸出用戶數(shù)據(jù)2K內置高速計數(shù)器6H/W（20KHz）數(shù)據(jù)后備50小時PLC接線圖 三電動機轉動PLC控制I/O分配輸入端：啟動按鈕SB1 I0.0緊急停止按鈕SB2 I0.1正常停止按鈕SB3 I0.2初始位置行程開關S1 I0.3終點位置行程開關S2 I0.4增量式旋轉式編碼器A相I0.6增量式旋轉式編碼器B相I0.7輸出端：脈沖輸出口CL Q0.0電機轉動方向輸

25、出控制Q0.1蜂鳴器、報警指示燈輸出Q0.2PLC控制程序主程序Main:Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.1R Q0.0, 2R S0.0, 3Network 2 / 當物體處在初始位置行程開關且啟動按鈕啟動時，電動機正轉LD I0.0A I0.3AN I0.1AN I0.2EUS S0.1, 1Network 3 LSCR S0.1Network 4 LD SM0.1CALL SBR3Network 5 LD SM0.0= Q0.1 /啟動標志Network 6 LD SM0.1CALL SBR0 /正向輸出 /正向標志 /Q

26、0.0脈沖輸出Network 7 LD I0.4SCRT S0.2Network 8 SCRENetwork 9 LD T37R Q0.1, 1 /啟動標志Network 10 SCRENetwork 11/ 電動機立即停止LD I0.1AN I0.2S M0.1, 1CALL SBR1Network 12 / 電動機正常停止 LD I0.2AN I0.1R S0.0, 3Network 13 LD SM0.1A M0.1MOVW SMW68, VW200 /將此時的脈沖周期存入VW200R S0.0, 3Network 14/ 電動機調整零點LD I0.0AN I0.3AN I0.1AN I

27、0.2AN Q0.1S S0.0, 1Network 15 LSCR S0.0Network 19 LD SM0.1AN I0.3CALL SBR0Network 16 LD I0.3S S0.1, 1 /到零點后，正常行駛MOVD +0, SMD48Network 21 SCRENetwork 17 LD SM0.0TON T32, +100Network 23 LD T32CALL SBR2R T32, 8子程序SBR_0 ；PLC發(fā)射高速脈沖Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.0MOVB 16#E7, SMB67 /PTO工作

28、于多段工作模式MOVW 100, SMW168MOVB 3, VB100MOVW +667, VW101 /第1段的初始周期，周期單位MOVW -1, VW103 /第1段的周期增量MOVD +524, VD105 /第1段的脈沖個數(shù)MOVW +143, 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段的脈沖個數(shù)MOVW +667, 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段的脈沖個數(shù)PLS 0Network 2 LD I0.3O I0.4S

29、SM66.5, 1子程序SBR_1 ；緊急停車時脈沖控制Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.0MOVW +50, VW202-I VW200, VW202MOVW VW202, VW204/I +50, VW204MOVB 16#88, SMB67 /PTO工作于一段工作模式MOVW VW200, VW400 /該段初始周期MOVW VW204, VW402 /周期增量MOVD +262, VD404 /脈沖個數(shù)PLS 0子程序SBR_2 ；編碼器檢測到的脈沖與PLC產生的脈沖數(shù)的比較，超過報警值報警Network 1 / Network Title/ Network CommentLD SM0.0MOVD SMD72, VD520Network 2 LD SM0.0-R SMD48, VD520Network 3 LDR>= VD520, 50.0O