机电传动单向数控平台设计

中国矿业大学机械工程及自动化专业机械电子方向专业课程设计说明书设计题目：机电传动单向数控平台设计设计者：Afan班级：学号：指导教师：中国矿业大学机电工程学院2014年11月目录中国矿业大学1.设计任务.................................................................11.1设计任务介绍及意义...........................................11.2设计任务明细....................................................22.总体方案设计...........................................................32.1设计的基本依据.................................................32.2可行性方案的比较..............................................32.3总体方案的确定.................................................43.机械传动系统设计......................................................53.1机械传动装置的组成及原理........................53.2主要部件的结构设计计算..........................54.电气控制系统设计......................................................144.1控制系统的基本组成...........................................144.2电气元件的选型计算...........................................154.3电气控制电路的设计...........................................174.4控制程序的设计及说明........................................185.总结......................................................................25参考文献...................................................................26中国矿业大学11.设计任务1.1设计任务介绍及意义（1）任务介绍设计内容为机电控制系统（典型机电产品）设计，其主要内容包括：①机械传动结构设计；②电气测控系统。设计内容必须包括一个模拟量控制。课程设计题目：机电传动单向数控平台设计①电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；②机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；③电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；④功能控制要求：速度控制、位置控制；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；（2）课程设计意义此次专业课程设计是培养我们综合运用所学知识和技能、提高分析和解决实际问题能力的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础上的，是根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的意义在于：①培养我们综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制中国矿业大学2系统(产品)的初步设计工作的能力，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。②培养我们搜集、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。③培养我们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。④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（A2一张）。③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3000字以上，设计图纸不少于两张。⑤用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。⑥
设计选题分组进行，每位同学应采用不同的方案（或参数）独立完成；中国矿业大学32.总体方案设计2.1设计的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装置和电气控制系统，本次设计主要就是围绕这两个方面进行的。2.2可行性方案的比较（1）电机驱动方式的选择。伺服电机与步进电机在控制系统应用中均使用广泛，两者在驱动控制方式上也相似，均为脉冲与方向信号来控制，步进电机的控制方式为开环控制，伺服驱动系统为闭环控制，控制精度更高，但系统结构也较步进电机复杂。步进电机完全可以满足本次设计所要求的控制精度以及响应速度，故选择步进电机较为合适。步进电机具有以下特点：①工作状态不易受各种因素的影响，只要在它们的大小未引起步进电机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作；②转动一转后，累积误差变为零，不会长期累积；③控制性能好，在启动、停止、反转时不易丢步。（2）机械传动方式的选择有多种机械传动方式可供选择，包括滚珠丝杆、同步皮带、链传动等。每种方式各有其优缺点。由于本次设计要求每人参数不一样，故选择同步皮带传动。同步皮带传动原理如下图所示，其有以下优点：传动比准确，传动效率高（可达0.98）、能吸振、噪音低、传动平稳、能高速传动、维护保养中国矿业大学4方便。同步带结构及类型如下图所示。图1（3）电气控制方式的选择电气控制方式可选择单片微机控制或PLC控制。单片机体积小，价格低，但编程复杂，程序设计繁琐，抗干扰能力不如PLC,可靠性较低。可编程序控制器PLC可靠性高、抗干扰能力强，为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行直接控制，大大减少了系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。同时PLC编程简单，调试方便，维护量小，更适合工业控制。综上所述，本次设计选择PLC控制。2.3总体方案的确定电机驱动方式为步进电机驱动，机械传动方式选择同步皮带，电气控制方式选择PLC控制，功能控制要求为速度控制。系统工作原理：PLC控制步进电机的转速，步进电机驱动带轮，从而驱动同步皮带。数控平台固定在同步皮带上，并通过导轨导向，随同步带的运动而单向往返运动。中国矿业大学5主要设计参数为：数控平台每天开机8h,一年工作300个工作日，寿命8年以上。单向工作行程ls=1500mm，移动负载质量m1=100kg，负载移动阻力F=100N，移动速度控制v=6m/min。3.机械传动系统设计3.1机械传动装置的组成及原理本机电传动单向数控平台由步进电机、同步皮带传动装置、导轨以及工作台等部件构成。步进电机驱动同步带轮带动同步带运动，进而转换为工作台的单向移动。3.2主要部件的结构设计计算计算及说明结果3.2.1导轨的选择工作平台的质量m2假设为50kg。初选矩形滑动导轨。作用在滑块上的力121500NFmmg单个滑块受力1500375N44FF导轨寿命h8300819200hT行程长度寿命hss3210TlnT=1500NF375NFh19200hT中国矿业大学6其中n为每分钟运行的次数s62221.5vnls21920060150026912000m=6912km1000T又有3HTcawsfffCTkfF其中，k为寿命系数，fH为硬度系数，fT为温度系数，fc为接触系数，fW为负荷系数。取k=50，fH=1，fT=1，fc=0.81，fW=1.5则动载荷33swaHTc/3756912/501.53590.72N110.81FTkfCfff查机电一体化设计手册，选择HGH20CA型矩形直线滑动导轨副。3.2.2同步皮带的设计计算（1）传递的功率为1000.110WPFv由[1]表B＆C-10查得KA=1.7.由于电机反复启动，正反转频繁，故KA应增加10%。设计功率Pd为dA1.11.11.71018.7WPKP（2）主动轮转速1n：电机直接驱动主动轮，初选电机转速为1500r/min。2ns6912kmTk=50fH=1fT=1fc=0.81fW=1.5a3590.72NC型号HGH20CAP10Wd18.7WP中国矿业大学7从动轮转速2n：从带轮直径等于主带轮直径，故其转速为1500r/min。（3）选定带型和节距：根据dP和1n，查[1]图B＆C-6选取H型同步带。查[1]表B＆C-2得节距bP=12.7mm。（4）小带轮齿数：查表[1]B＆C-5可得minz=18.因为1z≥minz，故取1z=60（5）小带轮节圆直径1d1b16012.7242.55mmzpd（6）大带轮齿数2z2116060ziz（7）大带轮节圆直径2d2b26012.7242.55mmzpd（8）带速v11max242.551500==19.05m/s40m/s601000601000dnvv＜（9）初定轴间距：由于工作台单向形成为1500mm，故取=1600mm。（10）同步带长度210012012()3962mm24ddladda查[1]表B&C-3选取带长代号为1700的H型同步带。其节线长pL=4318mm，节线上的齿数为bz=340。1n=1500r/min2n=1500r/minbP=12.7mm1z=601d=242.55mm2z=602d=242.55mmv=19.05m/s=1600mm03962mml中国矿业大学8（11）实际轴间距p004318396216001778mm22Llaa（12）小带轮啮合齿数21m1(0.5)3066ddzza（13）基本额定功率201000aTmvvP其中，为宽度为的带的许用工作拉力，m为宽度为的带单位长度的质量。查[1]表B&C-11得=76.2mm，=2100N，m=0.448kg/m。2021000.44819.0519.0536.91kW1000P（14）带宽01.104dsszPbbKP其中，1zK，故1.1476.241.97mm13618.7.91sb查[1]表B&C-4，选择带宽代号为200的H型带，其带宽50.8sbmm。（15）作用在轴上的力rF为d18.7187N0.1rPFv带长代号1700H型同步带1778mmam30z0P36.91kW41.97mmsb带宽代号为200的H型带50.8sbmm中国矿业大学9（16）查[1]表B&C-13可得，预紧力0668NF。3.2.3步进电动机的选择与校核已知参数如下：工作台重量G=m1g=500N工作台与导轨间摩擦系数μ=0.15定位精度0.1毫米（1）脉冲当量的确定根据设计位置精度要求，初取脉冲当量为0.1mm（2）步距角b初选电动机型号时步距角b与传动比i应满足b12360di，取步距角为0.75。p0.75242.550.25mm23601（3）稳定运行时的转矩33