55机电传动单向数控平台设计

机电传动单向数控平台设计专业：机械电子班级：理工11-1学生姓名：张茂乐学号：221116142014年07月10日2目录1设计任务1.1设计任务介绍及意义1.2设计任务及要求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控制系统的基本组成4.2电器元件的选型计算4.3电气控制电路的设计4.4控制程序的设计及说明5结束语31.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主要设计内容机械传动结构设计和电气控制系统①电机驱动方式②机械传动方式③电气控制方式PLC控制④功能控制要求⑤主要设计参数单向工作行程——1800、1500、1200mm移动负载质量——100、50kg负载移动阻力——100、50N移动速度控制——3、6m/min课程设计意义：培养综合运用所学知识和能力，提高分析和解决实际问题的能力。专业课程设计是建立在专业基础课程和专业方向课的基础之上，根据所学课程进行工程基本训练。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。树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。1.2设计任务及要求（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图一张）。（3）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）。（4）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，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为43000字以上，设计图纸不少于两张。（5）绘图及说明书：用计算机绘图，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）独立完成。2．总体方案设计2.1设计基本依据机电传动单向数控平台是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电动机及拖动控制、检测等技术为一体的自动化设备。其基本组成包括机械传动系统、数控装置、伺服系统、反馈系统等。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，可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易，而且控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”。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，、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、的特点，同时可以实现微进给和高速进给，此外，滚珠丝杠副可以加予压,进而得到较高的刚性。单片机是一种可编程的集成芯片，系统设计要从底层开发，设计较繁琐。应用系统广泛，开发成本低，开发周期短，可靠性高。2.2总体方案的确定参数初设如下：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：单片机控制5⑷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0.15；丝杠材料初选钢材为42roCM，其HRC为5860。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3.1滚珠丝杠副的选用及核算序号计算项目单位计算公式、参数选择说明结果1导轨摩擦力N12()0.15(10070)9.8Fmmg式中1m—工作台重量2m—移动负载质量=0.152502轴向载荷和maxXF和等效轴向载荷mFＮmax()XXZFKFFGK=1.15XF——负载移动阻力maxXmFF36563计算动载荷aCＮ'm....FhFHlanKKKKCK式中hK——寿命系数1/3()500hhLKhL——工作寿命FK——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2838hL=15000hFK=1.2HK=1.0lK=1.0nK=3.114初选滚珠丝杠根据动载荷初选滚珠丝杠副型号规格为FFZD2505其基本参数为：螺纹公称直径0d25mm导程5hpmm钢球直径3.5wDmm圈数列数13jk0.52swrD=1.82（单圆弧）FFZD25050d25mm5hpmm3.5wDmm13jk1.82srmm5螺旋的导程角。arctandhop3.6476基本额定动载荷aC校核N0.72/31.8(cos)tanacwCfjkmDm——每圈中钢球的个数dcoswmDj——每列工作圈数j=1k——每个螺母的循环列数——钢球与滚道便面在接触点处的公法线与螺纹轴线的垂直线间的夹角，理想接触角为45wD——钢球直径cf——与滚珠丝杠副滚道的几何形状，制造精度和材料有关的系数11000Nk=3=45wD=3.587静载荷校核N基本额定静载荷2oasinocwCfjkmD系数ocf：当45，0.52swrD时，ocf=63.7；0.55swrD，ocf=41.16''oa..FHCKKF'HK——静载荷硬度影响系数'oaoa42927000CC满足静载荷条件45200N63.7ocf'oaC=429N'HK=1.0８螺旋传动的转矩ＴN．mmdtan()/2TTF滚珠丝杠副的当量摩擦系数：0.0030.01Tf，当量摩擦角''1034T，取'22T320N．mm９当量应力Mp2223224()3()d0.2dFT2d——丝杠的螺纹底径2dd22sere——滚道圆弧偏心距/2swerD1.0521.460.05910强度条件100150丝杠满足强度条件11轴向载荷F产生的轴向变形量Fmm丝杠采用两端固定的方式()jjFFLLLEAL式中：jL——丝杠两支撑间的距离（mm）L——丝杠的计算长度，指F和T作用处到固定支承端的距离E——丝杠材料的弹性模量，钢材的52.0710E（Mp）A——丝杠的计算截面面积2(d)/4()wADmm48.3310FjL=1200mmL=1600mm3632mm12转矩T产生的轴向变形量Tmm2jhTpTLpGIhp——丝杠的螺纹导程pI——丝杠计算截面的极惯性矩，4(d)/32pwIDG——丝杠材料的切变模量，钢材的48.310G41.7410Thp=542.110pI1012轴向载荷F使钢球与螺旋滚道间产生的轴向变形量aMm因为0.52swrD，而且有预紧，所以31/3p0.310()ZawKFZDF式中wD——钢球直径Z——工作螺母中的钢球总数Zmjkd/(cos)wmDpF——预紧力，一般取pmax/3FFZK——载荷分布不均匀系数，一般取1.21.3ZK，取ZK=1.342.7310aZ=69pF=12313轴向总变形量mmFTa31.281014丝杠的轴向刚度KN/mmFK52.8510K15刚度条件K——丝杠允许的轴向刚度(1820)K410KK满足刚度条件16临界转速r/min21/212601000()2iEnl式中——密度，对于钢性丝杠67.810Kg/3mml——螺杆两支承之间的距离1600mm——支承系数取4.73n=55161117传动效率钢螺杆6221112.310d/nl1dd(0.20.25)wD0.8nn由转动变为移动tantan()T1d=24.3600n0.8n横向震动满足条件913.2滚动轴承选用、校核初选轴承为25的角接触球轴承，采用面对面安装，其轴向载荷分析如下图：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rFN12()rFmmg16662轴向外载荷aFmaxaXFF3653轴承支反力122rFRRR8334轴承派生轴向力查表10.7（机械设计），得120.7SSSR583.15轴承所受的轴向载荷因为12aSFS，则2221baASFSF11AS948.1583.16计算轴承所受因为轴承工作时有中等冲击，查表载荷12当量动载荷rP系数1.4pf因为1122/0.70.68/1.140.68AReARe且21AA，所以221()rpPPfxRyA查表10.5得x=0.41，y=0.871632.927基本额定动载荷C,66010hrtnLPCf式中,hL——轴承预期计算寿命——寿命指数tf——温度系数13586.5,hL=1600031.0tf8选用轴承mm根据基本额定动载荷C，初步选用7204AC型角接触轴承，其基本参数如下：基本尺寸d=20,D=47,B=14,a=14.99计算寿命hLh610()60thrfCLnpC——额定动载荷,hhL=17506L1600017506C=14000N轴承合格3.3步进电动机的选择与校核序号计算名称单位计算公式及参数说明结果1脉冲当量的确定/mmp根据设计位置精度要求（1mm），初取脉冲当量为0.1mm0.1132步距角b初选电动机型号时步距角b与传动比i应满足0360bLi，取步距角为1.5，为了使结构简单，提高精度，这里取1i，1.550.0211360pmm满足3初选步进电机型号查机械设计手册，初选110BF003，步进电机轴的转动惯量5246.0610DJkgm，最大精度转矩max7.84jMNm。启动频率1500HZ，运行频率7000HZ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20.0018LJkgm110BF003YL1式凸缘联轴器4矩频特性步进电机所需空载启动力矩应小于步进电机的名义启动转矩，即maxkqmqjMMM步进电机所需空载启动力矩0kqkakfMMMM其中：kaM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；kfM为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；0M为由于丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。14（1）加速力矩kaM2max21060kanMJJt式中maxmax(/)360bpvnrm；J——为传动系统各部件惯量折算到电机轴上总等效转动惯量2()kgcmsLgmJJJJJ；sJ——丝杠的转动惯量4032sLdJ式中01.1(1014)hLLP0d——丝杠公称直径——材料密度LJ——联轴器的转动惯量gJ——工作台折算到丝杠上的转动惯量2()2hgiPJm式中im——工作台总质量mJ——电动机转子的转动惯量——电机最大加速度2(/)radst——静止部件从启动到最快速度的加速度时间（s）；'02KfGfLMi（Ncm）式中G——运动部件总重力（N）'f——导轨摩擦系数35.1kaMNcmmaxn=