基于PLC控制步進電機的數(shù)控滑臺課程設計1.docx

《基于PLC控制步進電機的數(shù)控滑臺課程設計1.docx》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《基于PLC控制步進電機的數(shù)控滑臺課程設計1.docx（24頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、課程設計（學年論文）說明書課題名稱： 基于PLC的單軸數(shù)控伺服滑臺設計 專業(yè)班級： 10機械設計制造及其自動化 01 班 小組成員：劉佳（1003010116） 張威（1003010136） 張云霄（1003010137） 學生成績：指導教師：胡 幫 友 課題工作時間：2013年12月30日 至 2014年1月10日武漢工程大學教務處 制目錄摘要2一、滑臺整體方案圖2二、數(shù)控滑臺的總體設計方案32.1滑臺設計32.2運動設計32.3滾珠絲桿副的尺寸計算與參數(shù)選用42.3.1滾珠絲桿副簡介42.3.2滾珠絲桿副的消除間隙和預加載荷52.3.3滾珠絲桿副的結構62.3.4滾珠絲桿副的尺寸計算6A.

2、根據(jù)定位精度要求確定脈沖當量選擇步距角6B.根據(jù)電機的最高運行頻率及步距角，確定電機最高轉速72.3.5滾珠絲杠計算、選擇7i.導程的選擇7ii.平均轉速8iii.平均載荷Fm8iv.時間壽命與回轉壽命8v.額定動載荷9vi.預緊載荷9vii.絲桿公稱直徑9viii.絲桿初選10ix.絲桿螺紋長度101)絲桿剛度102)螺母剛度113)支承剛度114)軸向總剛度112.6軸承的選定112.7聯(lián)軸器的選擇12三、電機的選定13(一)驅動轉矩13(二)由預加載荷產(chǎn)生的轉矩13(三)慣性加速轉矩13(四)總轉矩的計算14(五)驅動器的選擇14(六)行程控制14(七)進給速度控制14(八)進給方向控制

3、14四、直線導軌的選定15a)導軌的選擇15b)光柵傳感器的設計16五、PLC控制系統(tǒng)的設計17(I)控制系統(tǒng)的設計方案17設計任務和要求如下設計任務和要求如下：18I/O接口規(guī)格18接線圖19PLC控制的安裝接線圖19梯形圖19指令程序20(II)PLC控制系統(tǒng)的接地方法20參考文獻20基于PLC的單軸數(shù)控伺服滑臺設計摘要隨著微電子技術、計算機技術和軟件技術的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程PLC（可編程控制器）是一種專門為在工業(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，

4、用來在其內(nèi)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(chǎn)過程。步進電機是一種能將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件,在工業(yè)上有著廣泛的應用。論文介紹了步進電機的工作原理和控制原則,以及步進電機的驅動器工作方式。光柵尺傳感器系統(tǒng)主要應用于直線移動導軌機構或精密位移量的測量，可實現(xiàn)移動量的高精確顯示和自動控制，已廣泛應用于機床加工和儀器的精密測量。本系統(tǒng)簡單實用，成本低，完全滿足系統(tǒng)的控制要求，具有很好的實用性,本文還將給出一些必要的系統(tǒng)設計資料，供參考之用關鍵詞：PLC、步進電機、光柵尺一、滑臺整體方案圖二、數(shù)控

5、滑臺的總體設計方案2.1滑臺設計1.滑臺對數(shù)控滑臺而言，主要是縱橫方向兩個坐標的傳動，根據(jù)設計任務要求，決定采用點位控制，用伺服電機驅動的開環(huán)控制系統(tǒng)，這樣可以使控制系統(tǒng)簡單，成本低，調(diào)試維修容易，為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，此工作臺采用滾珠絲杠螺母副和滾珠滾動導軌，為盡量消除齒側間隙。1.交流伺服電機-交流電動機與直流伺服電機相比，交流電動機輸出功率可比直流電動機提高1070，此外，交流電動機的容量可比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉速?，F(xiàn)代數(shù)控機床都傾向采用交流伺服驅動，交流伺服驅動已有取代直流伺服驅動之勢。2.聯(lián)軸器采用機械式結構的聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器的特點是大扭矩承載、高扭

6、矩剛性和卓越靈敏度；免維護、超強抗油和耐腐蝕性；零回轉間隙；體積小巧的聯(lián)軸器，總長度短，結構簡單。3.滾珠絲杠選用的滾珠絲杠精度高，并通過使用高純凈度的合金鋼并采取特殊的表面熱處理方式，使產(chǎn)品具有優(yōu)異的耐久性。4.絲杠螺母座采用徑向安裝尺寸小，安裝簡便的絲杠螺母座。5.滑鞍采用田字格結構，徹底減輕滑鞍的重量。2.2運動設計數(shù)控機床半閉環(huán)進給系統(tǒng)如下在圖a中，伺服電動機2經(jīng)齒輪副3（或同步齒形帶副），滾珠絲桿4拖動工作臺5。反饋裝置1與電動機軸相聯(lián)，發(fā)出反饋信號。圖b與圖a基本相同，但反饋裝置在絲桿的端部。在圖c中，伺服電動機直接與絲桿聯(lián)接。圖a和圖c的優(yōu)點是可以把反饋裝置（如旋轉變壓器、測速發(fā)

7、電機、脈沖編碼器）等裝在伺服電動機內(nèi)，成為一個部件。圖b的優(yōu)點是齒輪等傳動副3處于半閉環(huán)之內(nèi)，其傳動誤差可由反饋校正。2.3滾珠絲桿副的尺寸計算與參數(shù)選用2.3.1滾珠絲桿副簡介數(shù)控機床為了提高進給系統(tǒng)的靈敏度,定位精度和防止爬行,必須降低摩擦并減少靜、動摩擦系數(shù)之差。因此，行程不太長的直線運動機構常用滾珠絲桿副。滾珠絲桿副的傳動效率高達85%98%,是普通滑動絲桿副的24倍。滾珠絲桿副的摩擦角小于1,因此本能自鎖。如果滾珠絲桿副驅動升降運動(如主軸箱或升降臺的升降),則必須有制動裝置。滾珠絲桿可以消除反向間隙并施加預載，有助于提高定位精度和剛度。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械

8、元件，其作用是將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動或將直線運動轉變?yōu)樾D運動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展。這一發(fā)展的深刻意義如同滾動軸承對滑動軸承所帶來得改變一樣。滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的運用于各種工業(yè)設備、精密儀器、精密數(shù)控機床。尤其是近年來，滾珠絲杠副作為數(shù)控機床直線驅動執(zhí)行單元，在機床行業(yè)得到廣泛運用，極大的推動了機床行業(yè)的數(shù)控化發(fā)展。滾珠絲桿的特點主要有：（1）傳動效率高在滾珠絲桿副中，自由滾動的滾珠將力與運動在絲桿與螺母之間傳遞。這一傳動方式取代了傳統(tǒng)螺紋絲桿副的絲桿與螺母間直接作用方式，因而以極小滾動摩擦代替了傳統(tǒng)絲桿的滑動摩擦。使?jié)L珠絲桿副傳動效率達到90%以上，為滑動絲桿

9、副的24倍，整個傳動副的驅動力矩減少至滑動絲桿的1/3左右，發(fā)熱率也因此得以大幅降低。（2）運動平穩(wěn)滾珠絲桿副在工作中摩擦阻力小，靈敏度高，而且摩擦系數(shù)幾乎與運動速度無關，啟動摩擦力矩與運動時的摩擦力矩的差別很小。所以滾珠絲桿副運動平穩(wěn)，啟動時務顫動，低速時無爬行。（3）可以預緊通過對螺母施加預緊力能消除絲桿副的間隙，提高軸向接觸剛度，而摩擦力矩的增量卻不大。（4）定位精度和重復定位精度高由于前述的三個特點，滾珠絲桿副發(fā)熱率低,溫升以及在加工過程中對絲桿采取預緊拉伸并預緊消除軸向間隙等措施,因此采用精密滾珠絲桿副時可以獲得較高的定（5）使用壽命長滾珠絲桿和螺母均用合金鋼制造，螺紋滾道經(jīng)熱處理（

10、硬度HRC5862）后磨至所需的精度和表面粗糙度，具有較高抗疲勞的能力。滾動摩擦磨損極微，因此具有較高的使用壽命和精度保持性。實踐證明，使用壽命約為普通滑動絲桿副的410倍，甚至更高。（6）同步性好由于滾珠絲桿副運轉順滑、消除軸向間隙以及制造的一致性，采用多套相同的滾珠絲桿副同時傳動幾個相同的部件或裝置時，由于反應靈敏，無阻滯，無滑移，可以獲得較好的同步運動。（7）使用可靠，潤滑簡單，維修方便與液壓傳動相比，滾珠絲桿副在正常使用條件下故障率低。維修保養(yǎng)也極為簡單，通常只需進行一般的潤滑和防塵。（8）不自鎖由于滾珠絲桿副的摩擦角小，所以不能自鎖。當用于豎直傳動或需急停時，必須在傳動系統(tǒng)中附加自鎖

11、機構或制動裝置。（9）傳動可逆性滾珠絲桿副沒有滑動絲桿粘滯摩擦，消除了在傳動過程中可能出現(xiàn)的爬行現(xiàn)象，滾珠絲桿副能夠實現(xiàn)兩種傳動方式將旋轉運動轉化為直線運動或將直線運動轉化為旋轉運動并傳遞動力。2.3.2滾珠絲桿副的消除間隙和預加載荷滾珠絲桿可以消除反向間隙。為了提高剛度，還可使它在過盈的條件下工作，即可以預加載荷，或稱預緊。消除間隙和預加載荷有很多方法。在機床上常用的是雙螺母法。把左、右螺母往兩頭撐開，左、右螺母接觸方向相反。左、右螺母裝在一個共同的螺母體內(nèi)。這就可使螺母作為一個整體，與絲桿間處于無間隙或過盈狀態(tài)以提高接觸剛度。常見的消除間隙和預加載荷的方式有雙螺母式和齒差式。本設計采用的是

12、雙螺母墊片預緊的方式。滾珠絲桿的預緊是根據(jù)下述原則確定的：如在預緊后的滾珠螺母體上受一個外載荷F，方向為向右，則右螺母4的接觸變形（指螺母滾道-鋼珠-絲桿滾道沿接觸線的變形）加大，左螺母則減小。F大到某種程度，可使左螺母的接觸變形減小到零。如果F再加大，則左螺母與絲桿間將出現(xiàn)間隙，影響定位精度。可以證明，使不受力側的螺母接觸變形降至零的外載荷F，約等于預加載荷0F的3倍，（準確值為2.83倍），F(xiàn)=30F。因此，滾珠絲桿的預加載荷的0F，應不低于絲桿最大軸向載荷的1/3。預緊后的剛度，可提高到為無預緊時的2倍。但是，預加載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大。通常，滾珠絲桿在出廠時，就已由制造廠

13、調(diào)好預加載荷。預加載荷往往與絲桿副的額定動載荷aC有一定的比例關系。2.3.3滾珠絲桿副的結構滾珠絲桿副的結構主要有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種方式。本設計采用內(nèi)循環(huán)（浮動反向器）方式。其主要特性有：（1）滾珠返回通道短，不受負荷的滾珠最少，滾珠間摩擦損失小，提高了傳動的靈敏度；（2）螺母徑向和軸向尺寸較?。唬?）返回器剛性高，滾珠循環(huán)裝置有較高的可靠性；（4）返回器在螺母返回孔內(nèi)自由浮動，返回器回路與螺母螺紋滾道的對接可以自動調(diào)整，滾珠在返回循環(huán)過程中摩擦阻力小，傳動平穩(wěn)，定位精確；（5）返回器如用工程塑料制作，則吸振性能好，耐磨，噪聲小，一次成型，工藝簡單，成本低。本設計采用雙螺母墊片預緊的方式。雙

14、螺母預緊的特點有：（1）修磨墊片來改變兩個螺母間的軸向距離。分為拉伸預緊和壓縮預緊兩種。本設計采用拉伸預緊的方式。（2）結構簡單，調(diào)整片做成兩半，修磨時不需擰下螺母。調(diào)整后不易松動，剛度高。2.3.4滾珠絲桿副的尺寸計算A. 根據(jù)定位精度要求確定脈沖當量選擇步距角根據(jù)經(jīng)驗，初步選擇導程為5mm的絲桿；本系統(tǒng)中的定位精度均為0.025mm，因此脈沖當量均取=0.025mm/Hz，為脈沖當量為0.025mm/hz；i為傳動比a=360iP因為本滑臺的滾珠絲杠和電機是用聯(lián)軸器直接相連，故i=1，可得步進電機步距角=0.9根據(jù)快速進給速度，確定電機的最高運行頻率vmax=60fmax1000vmax為

15、工作臺運行最高速度（m/min）；fmax為步進電機最高運行頻率（Hz）。代入工作臺最快進給速度60m/min，脈沖當量0.025mm/Hz計算得maxf=40000HZB. 根據(jù)電機的最高運行頻率及步距角，確定電機最高轉速nmax=fmax360計算可得nmax=2400r/min2.3.5滾珠絲杠計算、選擇i. 導程的選擇絲桿的導程必須滿足下式Ph0為導程（mm）Vmax為工作臺運行最高速度（mm/s）；nmax為電機最高轉速（r/min）;I為傳動比;代入數(shù)據(jù)得導程Pho5mm，故取PB=5（mm）ii. 平均轉速由于我們要選擇的絲桿的運轉方式為無切削方式，由上表可知取絲桿平均轉速nm=

16、1400r/min由于我們要選擇的絲桿的運轉方式為無切削方式，由上表可知取絲桿平均轉速nm=1400r/miniii. 平均載荷Fm軸向載荷Fa=Fw+FFw為摩擦阻力，F(xiàn)w=mg其中m=10kg，取0.2;F為切削阻力，為0;計算可得Fa=19.6N;故平均載荷Fm=Fa=19.6Niv. 時間壽命與回轉壽命工作壽命為5年，一年工作300天，每天工作6小時，因此工作壽命Lh=5*300*6=9000（小時）回轉壽命L=Lh*nmax*60*I=6480000000rv. 額定動載荷Fw為載荷系數(shù)，此處為普通運動，由下表取Fw=1.4計算可得Ca=4240.21N故選絲桿時，絲桿的額定動載荷C

17、a應該大于等于4240.21Nvi. 預緊載荷Fao=Fa/3=19.6N/3=6.53N其中Fa為軸向載荷vii. 絲桿公稱直徑絲桿臨界轉速nk=2400*50.8=3000r/minln為臨界長度，取350mmfnk為支承系數(shù)，當支承方式為固定-支承時，取18.9計算可得d2=1.97mm故所選的絲桿的底徑d2應大于等于1.97mmviii. 絲桿初選綜上可知，我們要選的絲桿應滿足：導程Pho5mm底徑d29.7mm額定動載荷Ca2420.21N又根據(jù)所設計的二維滑臺的精度等設計要求，我們初步選取的絲桿型號如下NFSG2053.53P2l2*l1ix. 絲桿螺紋長度l1=lu+2lelu為

18、有效行程，為350mmle為余程，根據(jù)導程PB=5mm和下表可知le=20mm計算可得l1=390mm故絲桿螺紋的長度不得小于390mm加上絲桿螺母總成的一半21.5mm（螺母總長為43mm）得絲桿螺紋長度411.5mm，在此取絲桿螺母長度為l1=430mm。則軸承之間的距離la=430mm。加上軸承安裝長度和與聯(lián)軸器的連接長度，取絲桿長度為500mm故絲桿編號為：NFSG2053.53P25004302.3.6滾珠絲桿傳動系統(tǒng)剛度1) 絲桿剛度當ls1=lk時，Rs為最小值，一般情況下計算最小剛度值Ra=165*（d0-0.707Dw）2Lst可得Ra=144.8N/min此時計算軸向彈性變

19、形量s=FaRs計算可得s=0.14m2) 螺母剛度Rnu=0.8*R*（Fs0Ca）1/3Ca=10033NFs0=1/3Fa=6.5N剛度計算系數(shù)取0.1（墊片預緊）計算可得Rnu=45.8N/mnu=FaRnu計算可得nu=0.43m3) 支承剛度查表可得RaL=1020N/mal=FaRal計算可得aL=0.019m4) 軸向總剛度1Rtot=1Rs+1Rnu+1Ral計算可得Rtot=33.65N/mtot=s+nu+al計算可得tot=0.589m2.6軸承的選定軸承跟絲桿的配合方式是過盈配合，根據(jù)絲桿內(nèi)徑（20mm），選取內(nèi)徑為20mm的軸承。支承方式選用“固定游動”型。在固定端

20、固定端采用一對深溝球軸承，型號如下：新標準6203 ，尺寸為：軸承系列：深溝球軸承內(nèi)徑d：17mm外徑D：40mm厚度B：12mm材質(zhì)：軸承鋼載荷方向：向心或徑向或二者皆可 內(nèi)外徑尺寸：17*402.7聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器的結構原理及型號選擇一般機械都是由原動機、傳動機和工作機構組成，這三部分必須聯(lián)接起來才能工作，而聯(lián)軸器就是把它們聯(lián)接起來的一種重要裝置。聯(lián)軸器主要用于兩軸之間的聯(lián)接，它也可用于軸和其它零件（卷筒、齒輪、帶輪等）之間的聯(lián)接。它的主要任務是傳遞扭矩。根據(jù)被聯(lián)接兩軸的相對位置關系，聯(lián)軸器可分為剛性、彈性和液力三種。剛性聯(lián)軸器用在兩軸能嚴格對中，并在工作時不發(fā)生相對位移的地方；彈性聯(lián)軸

21、器用在兩軸有偏斜或工作中有相對位移的地方；液力聯(lián)軸器是用液體動能來傳遞功率，用在需要保護原動機不遭過載損壞而又可空載起動的地方。幾種常用的聯(lián)軸器：一、剛性聯(lián)軸器剛性聯(lián)軸器不具有補償被聯(lián)接兩軸軸線的相對偏移的能力，也不具備緩沖減震性能；但剛性聯(lián)軸器的結構簡單、價格便宜。適用于載荷平穩(wěn)、轉速穩(wěn)定、軸的剛性較大、且能保證被聯(lián)接兩軸軸線相對偏移極小的情況下。凸緣式聯(lián)軸器套筒聯(lián)軸器夾殼式聯(lián)軸器聯(lián)軸器型號的計算及其選則：公式：TC=KTT1.名義轉矩T（Nm）名義轉矩T=9550pn=9550*0.42400=1.592Nm2.計算轉矩TC考慮機器啟動時的彈性力和過載等影響，應將名義轉矩修正為計算轉矩。聯(lián)

22、軸器的計算轉矩TC（Nm）可按下式計算：TC=KT式中K的工作情況系數(shù)為1.251.5則Tc=1.25*1.592=1.99Nm據(jù)機械設計課程設計表17-2選擇凸緣聯(lián)軸器（GB5843-86），所以聯(lián)軸器選擇的型號為：YL3-YLD3型 確定聯(lián)軸器的型號需滿足TcT T為了聯(lián)軸器的額定轉矩Tc=1.99NmT=25Nm滿足要求校核聯(lián)軸器最大轉速：聯(lián)軸器工作時的轉速應滿足nmaxnn為聯(lián)軸器的額定轉速nmax=24004時，因此大型生產(chǎn)線應對此予以充分考慮采用硬件環(huán)行分配器，雖然硬件結構稍微復雜些，但可以節(jié)省占用PLC的I/O口點數(shù)。在PLC對步進電機的控制中,需要根據(jù)下面計算出3個參數(shù):脈沖當

23、量=(步進電機步距角螺距)/(360傳動速比)脈沖頻率上限=(移動速度步進電機細分數(shù))/脈沖當量最大脈沖數(shù)量=(移動距離步進電機細分數(shù))/脈沖當量根據(jù)這3個參數(shù),才能計算出相應的控制數(shù)據(jù)。步進電機的控制以開環(huán)控制居多。如果用光柵尺做速度或位置反饋,結合PLC的高速脈沖計數(shù)功能,就可實現(xiàn)半閉環(huán)控制本系統(tǒng)由歐姆龍CPM1A控制器、和森創(chuàng)60CB040C-010000型交流伺服電機、和MS0040C型號的驅動器、歐姆龍區(qū)域傳感器 F3W-D052A光柵尺、西門子TP170人機界面組成。系統(tǒng)框圖如圖所示 設計任務和要求如下設計任務和要求如下：1、任務：工作臺來回往復運動由伺服電動機帶動蝸輪驅動工作臺，

24、工作臺速度和方向由限位開關SQ1SQ4控制。工作臺循環(huán)工作過程為：工作臺起動向右移動工進減速至換向左移快速返回減速至換向進入正向工作狀態(tài)。2、要求：（1）電氣原理圖設計，工作方式設置為自動循環(huán)、點動二種。（2）PLC梯形圖設計，工作方式設置為自動循環(huán)、點動、單周循環(huán)和步進四種。（3）有必要的電氣保護和聯(lián)鎖。（4）自動循環(huán)時應按上述順序動作。I/O接口規(guī)格 接線圖 PLC控制的安裝接線圖 梯形圖 指令程序(II) PLC控制系統(tǒng)的接地方法1.由于PLC機柜和操作臺、配電柜等用電設備的金屬外殼及控制設備正常不帶電的金屬部分，由于各種原因（如腐蝕、絕緣破損等）而有可能帶危險電壓，所以應該進行保護接地

25、，低于36V供電的設備，無特殊要求可不做接地保護。2.PLC控制系統(tǒng)中的基準電位是各回路工作的參考電位，基準電位的連接線稱為系統(tǒng)地，通常是控制回路直流電源的零伏導線，系統(tǒng)接地的方式有浮地方式、直接接地方式和電容接地方式。3.為防止靜電感應和磁場感應而設置的屏蔽接地端子應做屏蔽接地。其中信號回路接地和屏蔽接地又通稱為工作接地參考文獻1. 孫波主編.畢業(yè)設計寶典.西安電子科技大學出版社，20082. 蔣秀珍主編.精密機械結構設計.清華大學出版社.20103. 馮浩 王建新 趙書尚主編.機電一體化系統(tǒng)設計.華中科技大學出版社.20094. 王昆 何小柏 汪信遠主編.機械設計課程設計.高等教育出版社.

26、19965. 濮良貴 紀名剛主編.機械設計.高等教育出版社.20056. 李雪梅主編.數(shù)控機床.北京電子工業(yè)出版社，20047. 馮辛安主編.機械制造裝備設計.機械工業(yè)出版社.20058. 馮清秀 鄧星鐘編著.機電傳動控制.華中科技大學出版社.20119. 電機及驅動產(chǎn)品規(guī)格型號一覽表（森創(chuàng)）10. 上銀直線導軌技術手冊成績評定： 指導教師評語： 指導教師簽字： 2014年 1 月 10 日項 目比重評價項目比重評價開題報告10工作量、工作態(tài)度20實踐能力20分析、解決問題能力20質(zhì) 量20創(chuàng) 新10得分答辯記錄：八、答辯意見及答辯成績 答辯小組教師（簽字）： 2014年 1 月 10 日九、總評成績： （教師評分75% + 答辯成績25%） 75% + 25% =24