专业课程设计单向数控平台

编号课程设计（论文）题目机电传动单向数控平台二级学院机械工程学院专业机械设计制造及其自动化班级112040205学生姓名蒋青松学号11204020512指导教师甘彬职称教授时间2015.061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2.1设计的基本依据2.2总体方案的确定3机械传动系统设计3.1机械传动装置的组成及原理3.2主要部件的结构设计计算4电气控制系统设计4.1电气控制系统设计的基本原则4.2电器元件的选型计算4.3PLC控制电路具体设计4.4控制程序的设计及说明5结束语6参考文献21.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、900mm；移动负载质量——100、75、50kg；负载移动阻力——150、100、50N；空载最快移动速度——6000、3000mm/min；进给最快移动速度——1200、600mm/min；1.3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3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，绘制工作台进给传动机构装配图一张（A2一张）；（3）根据控制功能要求，完成电气控制设计，给出电气控制电路原理图（A2图一张）；（4）根据电气控制原理图编写相关的控制程序；（5）每个学生应独立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；（6）用计算机绘图或手工绘图，打印说明书；（7）设计选题分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成；2．总体方案设计2.1设计基本依据（1）直流伺服电机是用直流电信号控制的伺服电动机，它在机电一体化设备中作为执行元件，其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上的角位移或角速度输出。直流伺服电动机具有以下特点：1、稳定性好。直流伺服电动机具有线性下垂的机械性，能在较宽的速度范围内稳定运行。2、可控性好。直流伺服电动机具有线性的调节特性，能使转速正比于控制电压的大小；转向取决于控制电压的极性；控制电压为零时，转子无惯性，能立即停转。3、响应迅速。直流伺服电动机具有较大的起动转矩和较小的转动惯量，在控制信号增加、减小或消失的瞬间，直流伺服电动机能快速起动增速、快速减速和快速减速。4、控制功率低，损耗小。5、堵转转矩大。（2）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4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)。（3）PLC的优点PLC是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。1.可靠性高，抗干扰能力强为了限制故障的发生或者在发生故障时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，各PC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PC具有了很强的抗干扰能力。2.通用性强，控制程序可变，使用方便PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC5除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。3.功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。4.编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。5.减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等.6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。等，使维修也极为方便。2.2总体方案的确定参数初设如下：（1）电机驱动方式：直流伺服电机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：位置控制⑸主要设计参数：单向最大工作行程——900mm；6移动负载质量——75kg；负载移动阻力——50N；空载最快移动速度——3000mm/min;进给最快移动速度——600mm/min;选用矩形导轨，工作台滑动摩擦系数μ=0.15；丝杠材料初选钢材为42CrMo，其HRC为58～60。丝杠两端为固定支撑（F-F），每个支座安装两个25°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计算及说明计算结果3.1导轨的选择3.1.1已知条件本设计选择滚珠丝杆，已知：单向工作行程900mm移动速度3m/min负载质量：75kg采用2根导轨、4个滑座数，工作平台和滑块的质量假设为45kg.寿命要求：每天开机8h，一年按300个工作日，寿命5年以上3.1.2动载荷的计算作用在滑座上的力NgmmF11768.9)4575()(21则单个滑座受力NNFF294411764导轨寿命hTh1200053008行程长度寿命：3102nlTTshsls=900mmv=3m/minm1=75kgm2=45kgNF1176F=294NTh=12000h7其中n为每分钟运行的次数67.19.0232slvn32.2164100067.1609.012000210002nlTTshsh设计平台上共有滑块4个，每根导轨2个滑块。有3)(FcffffkTsawcthK寿命系数取K=50Hf硬度系数取Hf=1Tf温度系数取Hf=1Cf接触系数取Cf=0.81Wf负荷系数取Hf=1.5则动载荷有：332164.322941.5501911.630.8111swahtcTFfKCfffN已知动载荷Ca=1911.63N查机电一体化设计手册导轨选择型号：HSR15A滚动导轨基本额定载荷为8330N每个滑块的质量为0.2kgn=1.672164.32sThK=50Hf=1Hf=1Cf=0.81Hf=1.5Ca=1911.63N型号HSR15A3.2滚珠丝杆的选择及校核3.2.1根据机器的工作条件及完成的功能，滚珠螺母的循环方式和预紧方式滚珠螺母的循环方式为内循环预紧方式为双螺母垫片预紧导轨的摩擦力为：8gmmF)(211m移动负载的质量取1m=75kgm2工作台的质量m2=45kg导轨的摩擦系数取=0.1512()0.15(7545)9.8176.4FmmgNN3.2.2初选丝杆导程根据公称直径范围选择Ph=5mm3.2.3计算滚珠丝杆的动载荷动载荷公式为：'m....FhFHlanKKKKCK式中hK——寿命系数1/3()500hhLK=2.88hL——工作寿命,Lh=12000hFK——载荷系数HK——动载荷硬度影响系数lK——短行程系数nK——转速系数,1/333.3()nKn3600/min0.005hvnrPFm——滚珠丝杆等效轴向载荷FKFFxmK=1.15Fx——负载移动阻力，Fx=50N1.1550176.4233.9mFN计算得'2.881.21.01.0233.92127.260.38aCN3.2.4初选滚珠丝杠副的型号和有关参数m1=75kgm2=45kg=0.15F=176.4NPh=5mmKh=2.88KF=1.2KH=1.0Kl=1.0Kn=0.38Fm=233.9NC'a=2127.26N9根据上面所计算的数据，选取的滚珠丝杆的基本额定动载荷要大于计算出来的动载荷。初选型号为FFZD2005型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杆副。其主要参数：额定动载荷为aC=11KN额定静载荷为oa22CKN公称直径020dmm导程Ph=5mm钢球直径3.5WDmm预紧力计算100010100001000CFNaC=11KN22oaCKN020dmmPh=5mm3.5WDmmF0=1000N丝杆螺纹部分长度ullu=工作台最大行程+螺母长度+两端余程=900+86+36=1022mm轴承的支撑距离l应大于螺纹部分的长度取支撑距离l=1500mm3.2.5丝杆稳定性验算根据工作环境选择两端采用角接触轴承固定的工作方式，则丝杆不发生失稳的最大工作载荷为：22skkKlEIfF式中：E材料的拉压弹性模量钢取1122.110/ENm；lu=1022mml=1500mm1122.110/ENm10I丝杆轴最小截面惯性矩64/42dI；0d为滚珠丝杆的公称直径020dmm；2d丝杠小径20203.516.5wddDmm；kF实际承受载荷的能力；kf压杆稳定的支撑系数（双推—双推时为4，单推—单推时为1，双推—简支时为2，双推自由式时为0、25），此时取1kf；K压杆稳定安全系数（一般去