机电传动单向数控平台设计——机械工程及自动化专业专业课程设计说明书专业：机械工程及其自动化班级：机自06-3班学生姓名：学号：指导老师：2010年01月22日目录1.设计任务1.1设计任务介绍及意义1.2设计任务明细1.3设计的基本要求2．总体方案设计1.设计任务1.1设计任务介绍及意义◆课程设计题目机电传动单向数控平台设计◆主要设计内容(1)机械传动结构设计 (2)电气控制系统◆课程设计意义：⑴培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统(产品)的初步设计工作。
⑵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。
⑶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。
⑷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：机电传动单向数控平台设计：1.21电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；1.22机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；1.23电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；1.24功能控制要求：速度控制、位置控制；1.25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；1.3设计的基本要求⑴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。
⑵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（A1一张）。
⑶电气控制线路图：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）。
⑷成果展示：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，完成课程设计说明书一份，不少于30页，设计图纸不少于两张。
⑸绘图及说明书：用计算机绘图，打印说明书。
2．总体方案设计2.1设计基本依据步进电机又称脉冲电机。
它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。
每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。
转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。
只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。
步进电动机具有以下特点：1、工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响；2 、步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“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,在起动、停止、反转时不易“丢步”；5、不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；6、缺点是能量效率较低。
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。
滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。
它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。
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。
滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点：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滚动丝杠副的1/3。
在省电方面很有帮助。
2、高精度的保证滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。
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,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。
5、高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。
可编程序控制器PLC可靠性高、抗干扰能力强，能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰，能抗1000V、1s 脉冲的干扰，能在高温、高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作，PLC能够承受电网电压的变化，即使在电源瞬时断电的情况下，仍可以正常工作。
另外PLC是通过软件实现控制的，其控制程序编在软件中，实现程序软件化，因而对于不同的控制对象都可以采用相同的硬件配置。
PLC 提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信。
而且PLC体积小、能耗低、便于机电一体化。
通过PLC可以实现对步进电动机的控制，实际上控制时电动机的转动受脉冲控制。
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。
2.2总体方案确定，参数初设如下：⑴电机驱动方式：步进电机⑵机械传动方式：滚珠丝杠⑶电气控制方式：PLC控制⑷功能控制要求：速度控制⑸主要设计参数：单向最大工作行程——1200mm；工作台重量70kg移动负载质量——100kg；负载移动阻力——100N；移动速度控制——3/minm选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数0.15μ=； 丝杠材料初选钢材为42r o C M ，其HRC 为5860:。
丝杠两端为固定支撑（F-F ），每个支座安装两个25o 的接触角推力球轴承，面对面安装，进行预拉伸。
3.机械传动系统设计及核算α=o的角接触球轴承，采用面对面安装，其轴向载荷分析如下初选轴承为25图：序号 计算名称 单位 计算公式、参数选择说明 结果 1 径向外载荷r F N 1666 2 轴向外载荷a F 365 3 轴承支反力833 4轴承派生轴向力查表10.7（机械设计），得583.15 轴承所受的轴向载荷因为12a S F S +>，则948.1 583.16 计算轴承所受当量动载荷r P因为轴承工作时有中等冲击，查表载荷系数 1.4p f = 因为1122/0.70.68/ 1.140.68A R e A R e =>==>=且21A A >，所以221()r p P P f xR yA ==+查表10.5 得x=0.41，y=0.871632.927基本额定动载荷C '式中,h L ——轴承预期计算寿命ε——寿命指数t f ——温度系数13586.5,h L =16000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: ⑵CH250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 是步进电动机一相的驱动电路如下图所示，L 是电动机绕组，晶体管VT 可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组L 的波形尽可能接近矩形波。
但是由于电感线圈中的电流指数规律上升，其时问常数τ=L/r，须经过3rl 的时间后才能达到稳态电流。
由于步进电动机绕组本身的电阻很小，所以，时间常数很大，从而严重影响电动机的启动频率。
为了减小时问常数，在励磁绕组中串以电阻R ，这样时间常数就大大减小，缩短了绕组中电流上升的过渡过程，从而提高了工作速度。
在电阻R 两端并联电容c ，是由于电容上的电压不能突变，在绕组由截止到导通的瞬间，电源电压全部降落在绕组上，使电流上升更快，所以，电容c 又称为加速电容。
二极管V 在晶体管VT 截止时起续流和保护作用，以防止U D J 3L J 3r CBAR1R 2J 6r J 6L ENCL U SCH25012345678161514131211109晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管子击穿，串联电阻Ro使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。
这种电路的缺点是R上有功率消耗。
为了提高快速性，需加大R的阻值，随着阻值的加大，电源电压也势必提高，功率消耗也进一步加大。
正因为这样，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。
4.3 PLC高速脉冲输出控制⑴PLC接线图输入端：输出端：蜂鸣器、报警指示灯输出Q0.2⑶PLC控制程序主程序Main:Network 1 // Network Title// Network CommentLD SM0.1R Q0.0, 2R S0.0, 3Network 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 I0.0A I0.3AN I0.1AN I0.2EUS S0.1, 1Network 3LSCR S0.1Network 4LD SM0.1CALL SBR3Network 5LD SM0.0= Q0.1 //启动标志Network 6LD SM0.1CALL SBR0 //正向输出//正向标志//Q0.0脉冲输出Network 7LD I0.4SCRT S0.2Network 8SCRENetwork 9LSCR S0.2Network 10 // 延时100ms后，电动机反转LD SM0.0TON T37, +100Network 11LD T37R Q0.1, 1 //启动标志Network 12LD T37A SM0.1AN I0.3CALL SBR0 //反向输出//反向标志//Q0.0脉冲输出Network 13SCRENetwork 14 // 电动机立即停止LD I0.1AN I0.2S M0.1, 1CALL SBR1Network 15 // 电动机正常停止LD I0.2AN I0.1R S0.0, 3Network 16LD SM0.1A M0.1MOVW SMW68, VW200 //将此时的脉冲周期存入VW200 R S0.0, 3Network 17 // 电动机调整零点LD I0.0AN I0.3AN I0.1AN I0.2AN Q0.1S S0.0, 1Network 18LSCR S0.0Network 19LD SM0.1AN I0.3CALL SBR0Network 20LD I0.3S S0.1, 1 //到零点后，正常行驶MOVD +0, SMD48Network 21SCRENetwork 22LD SM0.0TON T32, +100Network 23LD T32CALL SBR2R T32, 8子程序SBR_0 ；PLC发射高速脉冲Network 1 // Network Title// Network CommentLD SM0.0MOVB 16#E7, SMB67 //PTO工作于多段工作模式MOVW 100, SMW168MOVB 3, VB100MOVW +667, 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 +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MOVD +262, VD121 //第3段的脉冲个数PLS 0Network 2LD I0.3O I0.4S SM66.5, 1子程序SBR_1 ；紧急停车时脉冲控制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 //该段初始周期MOVW VW204, VW402 //周期增量MOVD +262, VD404 //脉冲个数PLS 0子程序SBR_2 ；编码器检测到的脉冲与PLC产生的脉冲数的比较，超过报警值报警Network 1 // Network Title// Network CommentLD SM0.0MOVD SMD72, VD520Network 2LD SM0.0-R SMD48, VD520Network 3LDR>= VD520, 50.0O Q0.2S Q0.2, 1子程序SBR_3 ;接收增量式旋转编码器发出的高速脉冲并计数Network 1 // Network Title// Network CommentLD SM0.0MOVB 16#F8, SMB47HDEF 1, 9MOVD +0, SMD48MOVD +30000, SMD52HSC 15.结束语本次课程设计使我基本掌握了如何综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统的初步设计的方法，学会了如何查找资料进行系统方案的选择、确定，提高了自己独立分析问题、解决问题的能力，自己获益匪浅。
