步進驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)控圓弧插補三菱PLC程序設(shè)計課程設(shè)計-精品

1、江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練JIANGSU UNIVERSITOF TECHNOLOGY課程設(shè) 計與綜 合訓練說明書課程設(shè)計題目：步進驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)控順圓 弧插補程序設(shè)計綜合訓練題目：連接電路和機床進給電機驅(qū)動器實現(xiàn)第三象限順圓弧插補加工課程設(shè)計與綜合訓練任務(wù)書合訓練題目 課程設(shè)計綜菱知 一 器 目 目 題題 計練 設(shè)訓工加主要設(shè)計參數(shù)及要求6ax時 O日 o O 廠vm動1133 mm啟： 歯速空側(cè) 導 給 F 量 杠 進 4 力質(zhì) 絲大11抗板 Z 最 3 刀拖00吃向 9 9a : Z 4)02 O m肝1 M 3a : 站有尾 匚 F J /.k 工巨n+FF質(zhì) 絲 步 Q 力板 X

2、量削拖 。慣卅向 2效主0X :等66 55mmO7 : CPNN :mm333訶ff( 參度量 力 州長當> t抗 廊刀沖mm刀 主 走脈 間走設(shè)計內(nèi)容及工作量設(shè)M; , ; 電 。 號 張 y 字 型 一 空 O 機 加 十880 電；線 8 進張接 比、 O 步圖M 及600 比 S嚇 制 份 一 、空 1- 一 一 口王 44? 周 支統(tǒng)圖 周U卜H 一 】系繪兩 M Z/IX : - nV 一 一一 門 一 刃 -一一 /" /匚 量彳專)T社量 及希鄉(xiāng) 作定K服R0補作備編計 工給lp插工設(shè)所設(shè) 及據(jù) M 用制及用試程 容根皿使編容利調(diào)課 內(nèi)內(nèi)|7 仝 |7 |7

3、|7 |7 |7 計 1 并 23 練 12 3 犠計訓<<< 悄 合 韓 綜主要參考文獻一OX 2 3課程設(shè)計題目：步進驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)控圓弧插補程序設(shè)計綜合訓練題目：連接電路和機床進給電機驅(qū)動器實現(xiàn)第三象限順圓弧插補加工摘要：通過對微控制器-PLC的學習進行了為期三周的課程設(shè)計，本次課程設(shè)計 是以第三象限順圓弧插補為例。PLC在工業(yè)控制應(yīng)用非常廣泛，主要是因為其穩(wěn) 定可靠。本設(shè)計即根據(jù)自制的車數(shù)控平臺（雙軸平臺），通過插補運算，禾U用FX3uPLC發(fā)出脈沖，從而控制步進電機的運行，按照插補程序畫出軌跡。從而初 步掌握步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，仿真數(shù)控車加工平臺加工零件的加工

4、軌 跡。關(guān)鍵詞：FX3U-64M ;步進電機；SR3插補；第3頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練目錄第一章概 述 51.1本次課程設(shè)計綜合訓練對象及內(nèi)容 51.2課程設(shè)計綜合訓練任務(wù)書及要求 5第二章機電伺服傳動系統(tǒng)設(shè)計及圖形繪制 72.1 步進電機的選擇和齒輪傳動比的計算 72.1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計 72.1.2傳動比計算和步進電機的選擇 92.2圓柱齒輪減速器的設(shè)計計算 152.2.1 X 向齒輪減速器的設(shè)計計算 152.2.2 Z向齒輪減速器的設(shè)計計算 172.2.3絲杠的選擇192.3聯(lián)軸器選擇 242.4軸承選擇 242.5 鍵 252.6齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的選擇 252.7傳動系統(tǒng)

5、結(jié)構(gòu)設(shè)計和圖形繪制 25第三章 機電伺服系統(tǒng)微控制器電器線路及程序設(shè)計 273.1開環(huán)控制系統(tǒng) 273.2 三菱PLC驅(qū)動電路設(shè)計 283.3 PLC插補程序設(shè)計概述.303.4 程序設(shè)計調(diào)試 35參考文獻 43第一章概 述機械電子工程專業(yè)的課程設(shè)計，是對前階段機電課程教學的一 次設(shè)計性的訓練過程，其后二周的綜合訓練則是將課程設(shè)計的設(shè)計 成果進行物化的過程。整個過程應(yīng)該能實現(xiàn)對理論教學內(nèi)容的綜合 應(yīng)用目的。所以，本次課程設(shè)計涉及了單片機原理及接口技術(shù)、機 電一體化系統(tǒng)設(shè)計、電氣控制與PLC、數(shù)控機床與編程技術(shù)、機械 工程測試技術(shù)基礎(chǔ)等多門機電課程知識，從機電系統(tǒng)及其電氣原理 圖的設(shè)計與繪制，到

6、動手制作控制電路及調(diào)試，對這些課程的諸多 知識點在機電系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用進行了簡單的闡述。1.1本次課程設(shè)計綜合訓練對象及內(nèi)容本次設(shè)計任務(wù)是根據(jù)自制的車數(shù)控平臺，進行伺服傳動系統(tǒng)設(shè) 計及圖形繪制、微控制器（單片機、可編程序控制器PLC、微機插 卡）的接口電路設(shè)計、控制程序的編寫、切削加工調(diào)試，初步掌握 伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計方法（可采用開環(huán)或閉環(huán)），完成數(shù)控車加工 平臺伺服系統(tǒng)零件的加工。本次設(shè)計和訓練的具體內(nèi)容如下：（1）根據(jù)指導老師給定的任務(wù)，使用AUTOCAD繪制數(shù)控系統(tǒng)傳 動圖形，選擇系統(tǒng)所用步進電機、計算系統(tǒng)減速器傳動比；使用繪圖工具繪制微控制器接線圖；（3）利用元氣件制作微控制器及其接口

7、控制電路；編制和調(diào)試程序，加工出任務(wù)書中要求的零件類型；（5）編制說明書。1.2課程設(shè)計綜合訓練任務(wù)書及要求課程設(shè)計綜合訓練任務(wù)書及其格式見附錄，其主要內(nèi)容有：設(shè)計訓練題：分別給出課程設(shè)計和綜合訓練的題目，如課程設(shè) 計的題目為“步進驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與數(shù)控直線插補單片機程序設(shè)計” 綜合訓練的題目為“連接自制電路和機床進給電機驅(qū)動器實現(xiàn)第一 象限直線插補加工”。主要設(shè)計參數(shù)及要求：可 以給出具體的設(shè)計參數(shù)，如絲杠導程 p、步進電機步距角a、加工線型及走刀長度、脈沖當量S p、電機 和折算到電機軸上等效轉(zhuǎn)動慣量(Jm+Je )、空載啟動時間 t、最 大進給速度Vmax、大小拖板質(zhì) Md、Mx)、主切削力

8、Fz、吃刀抗力 Fy、走刀抗力Fx等參數(shù)；要求如選擇電機型號、制作接口電路、 編制程序，使其能進行兩方向伺服驅(qū)動加工出所需要的零件等。3、設(shè)計內(nèi)容及工作量：如課程設(shè)計內(nèi)容要求“根據(jù)給定的任 務(wù)參數(shù)，計算齒輪箱傳動比，選擇驅(qū)動中使用的步進電機，使用 AUTOCAD繪制數(shù)控系統(tǒng)傳動圖形；使用AUTOCAD繪圖工具繪制微控 制器接線圖?！保痪C合訓練內(nèi)容要求“利用元氣件制作微控制器及 其接口控制電路；編制和調(diào)試程序，加工出任務(wù)書中要求的零件類 型；編制課程設(shè)計和綜合訓練說明書。”設(shè)計具體任務(wù)書由指導老師下達，要求每個學生完成的內(nèi)容：(1)根據(jù)給定的脈沖當量選擇傳動比、電機后，設(shè)計并繪制伺 服傳動系統(tǒng)A

9、utoCAD傳動圖一張；(2) 繪制微控制器電器接線圖一張；(3) 利用自制數(shù)控加工平臺，編程插補加工出零件一個；課程設(shè)計綜合訓練說明書1份：60008000字。第5頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練第二章機電伺服傳動系統(tǒng)設(shè)計及圖形繪制2.1步進電機的選擇和齒輪傳動比的計算系統(tǒng)總體設(shè)計非常重要，是對一部機器的總體布局和全局的安排?？傮w設(shè) 計是否合理將對后面幾步的設(shè)計產(chǎn)生重大影響， 也將影響機器的尺寸大小、性能、 功能和設(shè)計質(zhì)量。所以，在總體設(shè)計時應(yīng)多花時間、考慮清楚，以減少返工現(xiàn)象。 當伺服系統(tǒng)的負載不大、精度要求不高時，可采用開環(huán)控制。一般來講，開環(huán)伺 服系統(tǒng)的穩(wěn)定性不成問題，設(shè)計時主

10、要考慮精度方面的要求，通過合理的結(jié)構(gòu)參 數(shù)設(shè)計，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能。2.1.1系統(tǒng)方案設(shè)計在機電一體化產(chǎn)品中，典型的開環(huán)控制位置伺服系統(tǒng)是簡易數(shù)控機床（本 實驗室自制數(shù)控平臺）及X-Y數(shù)控工作臺等，其結(jié)構(gòu)原理如圖2-1所示。各種開 環(huán)伺服系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)原理上大同小異，其方案設(shè)計實質(zhì)上就是在圖2-1的基礎(chǔ)上選 擇和確定各構(gòu)成環(huán)節(jié)的具體實現(xiàn)方案。圖2-1開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖1、執(zhí)行元件的選擇選擇執(zhí)行元件時應(yīng)綜合考慮負載能力、調(diào)速范圍、運行精度、可控性、可靠 性及體積、成本等多方面要求。開環(huán)系統(tǒng)中可采用步進電機、電液脈沖馬達等作 為執(zhí)行元件，其中步進電機應(yīng)用最為廣泛，一般情況下優(yōu)先選用步進

11、電機，當其 負載能力不夠時，再考慮選用電液脈沖馬達等。2、傳動機構(gòu)方案的選擇傳動機構(gòu)實質(zhì)上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)以輸出旋轉(zhuǎn)運動和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機構(gòu)則多為直線運動。用于將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的傳動機構(gòu)主要有齒輪齒條和絲杠螺母等。前者可獲得較大的傳動比和較高的傳動效率，所能傳遞的力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳動間隙而結(jié)構(gòu)復雜，后者因結(jié) 構(gòu)簡單、制造容易而廣泛使用。在步進電機與絲杠之間運動的傳遞有多種方式， 可將步進電機與絲杠通過聯(lián)軸器直接連接， 其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可獲得較高的速 度，但對步進電機的負載能力要求較高； 還可以通過減速器連接絲杠，通過減速 比的選擇配湊脈沖當量、扭矩

12、和慣量；當電動機與絲杠中心距較大時， 可采用同 步齒形帶傳動。3、執(zhí)行機構(gòu)方案的選擇執(zhí)行機構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對象，是實現(xiàn)實際操作的機構(gòu)，應(yīng)根據(jù)具體操 作對象及其特點來選擇和設(shè)計。一般來講，執(zhí)行機構(gòu)中都包含有導向機構(gòu)，執(zhí)行 機構(gòu)的選擇主要是導向機構(gòu)的選擇。4、控制系統(tǒng)方案的選擇控制系統(tǒng)方案的選擇包括微控制器、步進電機控制方式、驅(qū)動電路等的選擇。 常用的微控制器有單片機、PLG微機插卡、微機并行口、串行口和下位機等， 其中單片機由于在體積、成本、可靠性和控制指令功能等許多方面的優(yōu)越性，在 伺服系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。步進電機控制方式有硬件環(huán)行分配器控制和軟件環(huán) 行分配器控制之分，對多相電機還有X相

13、單X拍、X相23 X拍、X相雙X拍和細 分驅(qū)動等控制方式，如三相步進電機有 3相單3拍、3相6拍、3相雙3拍和細 分驅(qū)動等控制方式，對于控制電路有單一電壓控制、高低壓控制、恒流斬波控制、 細分控制等電路。5、本次課程設(shè)計和綜合訓練方案的選擇對于我們這次的課程設(shè)計和綜合訓練，各種選擇不一定與實際自制數(shù)控平臺 完全一致，可以根據(jù)任務(wù)書中給定的設(shè)計要求進行選擇。執(zhí)行元件選用功率步進電機，但步進電機的功率需要通過計算后選定電機的 型號（其網(wǎng)址是：http : /www.step- ）；傳動方案選擇帶有降速齒輪 箱的絲杠螺母傳動機構(gòu)，但在已知絲杠導程和步進電機步距角的情況下，必須計算降速齒輪箱傳動比、查

14、詢絲杠的型號，以滿足脈沖當量的要求；執(zhí)行機構(gòu)選用 拖板導軌；控制系統(tǒng)中微控制器采用 PLC步進電機控制方式采用帶有硬件環(huán)行分配器的驅(qū)動器，在共地的情況下，給該驅(qū)動器提供一路進給脈沖、另一路高（低） 電平方向控制電位即可。2.1.2傳動比計算和步進電機的選擇步進電動機是一種將脈沖信號變換成角位線 （或線位移）的電磁裝置，步進電機的角位移量和角速度分別與指令脈沖的數(shù)量和頻率成正比，在時間上與輸入脈沖同步，而且旋轉(zhuǎn)方向決定于脈沖電流的通電順序。因此只需控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電順序，便可控制執(zhí)行部件位移、速度和運動方向。 在無脈沖輸入時，在繞組電源激勵下機按其輸出扭矩的大小， 可分為快

15、速步進電 動機與功率步進電動機；按其勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相；按其工 作原理可以分為永磁式（PM、反應(yīng)式（VR和混合式（HB。步進伺服結(jié)構(gòu)簡單， 符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動速度 越低。特別是步進伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù) 控機床及舊設(shè)備改造。但近年發(fā)展起來PW驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動和混合 伺服技術(shù)，使得步進伺服的性能提高到一個新的水平。1、減速器的傳動比計算：i= a P/360 S p其中：表示步進電機步距角，兩個方向由任務(wù)書給出;p :表示絲杠的導程，兩個方向由任務(wù)書給出；:表示脈沖當量，兩個方向由任務(wù)書給

16、出。根據(jù)上述公式可以得出減速器傳動比的大小。X 向：i i = a p/ (360 S p) =(0.9 3 4)/(360 3 0.005)=2Z 向：i 2= a p/ (360 S p) =(0.9 3 6)/(360 3 0.005)=3X方向脈沖個數(shù):n=360走刀長度導程步距角360i =50 1.3二104000.9Z方向脈沖個數(shù):n=走刀長度360 導程步距角3602.1i =50.9=100802、步進電機所需力矩計算：選擇步進電機應(yīng)按照電機額定輸出轉(zhuǎn)矩 T電機所需的最 大轉(zhuǎn)矩Tmax的原則，首先計算電機所需的負載轉(zhuǎn)矩。作用在步進電機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩 T可按下面簡化公式計算：

17、T =Tj，|. ' T w，T0 = (JmJe)；PFl2 二 ipFw 0.2 pF。2 ' i 2 ： * i(2-1 )式中， Tj為啟動加速引起的慣性力矩，T 為拖板重力和拖板上其它力折算到電機軸上的當量摩擦力矩，Tw為加工負載折算到電機軸上的負載力矩，%為因絲杠預緊引起的力折算到電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩；Jm為電機轉(zhuǎn)動慣量；J e為折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量；為啟動時的角加速度；Jm ' Je由任務(wù)書中給出，；由任務(wù)中的空載啟動時間和最大進給速度計算得到；P :為絲杠導程，由任務(wù)書中給出；F. I：為拖板重力和主切削力引起絲杠上的摩擦力，F(xiàn)a - （mg

18、Fz?1，拖板重量由任務(wù)書中給出，注意：在計算縱向力時（選擇縱向電機），拖板重量為兩個拖板的重量之和,在計算橫向力（選擇橫向電機）時，為小拖板重量，鋼與鋼的摩擦系數(shù)可查資料，一般為0.050.2左右；Fw :在選擇橫向電機時，為工作臺上的最大橫向載荷，通過給定吃刀抗力Fy得到；在選擇縱向電機時，為工作臺上的最大縱向載荷，通過給定 吃刀抗力Fx得到；Fo :為絲杠螺母副的預緊力，設(shè)取 Fw的1/5 1/3；:為伺服進給系統(tǒng)的總效率，取為0.8 ；i :為減速器傳動比。Jm+Je=0.09 N.m 2啟動時.2二 n 2 3.1430 "60=-44.86rad / mt70 103)F

19、u:橫向力 F u=(mg+Fz)3 u =(100+1300) 3 0.1=140N縱向力 F u =(mg+Fz) 3 u =(300+100+1300) 3 0.1=170N4)Fw:橫向力 F w=(mg+Fy)3 u=(100+1000)3 0.1=110N縱向力 F w=(mg+Fx)3 u=(300+600) 3 0.仁90N5)Fo:橫向力 F o=Fw( 1/51/3)= 2237N取 Fo=29N縱向力 f o=Fw( 1/51/3)=1830N 取 Fo=25N由下式可得:橫向：90041404110029T90044 86 ( 4 14040.2 4 29)/10001

20、00002冗0.822冗0.822冗0.82T =TjTwTom2二 i 2- i2二 i=4.037+0.056+0.044+0.002=4.139N.m縱向：T 二 90044.86 ( 6 1706 90°2 6 25)/1000100002冗 0.8 3 2n 0.8 3 2冗 0.8 3=4.037+0.068+0.029+0.002=4.136 N.m(2-2)般啟動時為空載，于是空載啟動時電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩為:Tq =Tj +T.I + T0代入上式計算可得：Tqx=4.095N.mTqz=4.107N.m在最大外載荷下工作時，電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩為：Tg=Tw+

21、T+To( 2-3)代入上式計算可得：Tgx=0.102N.mTgz=0.126N.m計算出的總負載轉(zhuǎn)矩根據(jù)驅(qū)動方式，選擇電機時還需除以一系數(shù)，設(shè)為X相23 X拍驅(qū)動方式，則總負載轉(zhuǎn)矩取為：T 二 maxTq /0.8; Tg /(0.3 0.5)T；=max4.095/0.8;0.102/(0.30.5)=max (5.119,0.340.2043) N.m=5.16N.mTz =max4.107/0.8;0.126/(0.30.5)=max (5.134,0.420.252 )N.m=5.18N.m3. 由啟動最大頻率，步距角選取電動機:根據(jù)求出的負載轉(zhuǎn)矩，和給定的步距角，上網(wǎng)查詢步進電機

22、型號。步進電機的步距角為0.9。，計算得出負載轉(zhuǎn)矩分別為 5.16 N2 m 5.18N 2 m查得靜轉(zhuǎn)矩為8.0N2 m步距角0.9。的步進電機型號為110BYG250B由網(wǎng)上查得參數(shù)見 下圖和表：表2-1電機主要參數(shù)規(guī)林型號相數(shù)歩距軸28BYG250C-00710.9/1.8也0.7保持轉(zhuǎn)矩(N + m)0.09甘動韻垣(g ” cm')12£Kg)0.15肺形尺q-(mm)28x2Bx402345e70.8ol14101112131415?6110.9/1.8a6BYG250BN-040120.9/1.84.04.06.04 t 小口址門 runn nuricn ch

23、oT O0.9/1.80.9/1.80.9/1 .S0.9/1.8諭0.9/1.8221WBYG250B-0602110BYG250C-04021WBYG250C-0602221212222223535x343*3320陽日藥曲-麗? 麗T5BYG250D-024156BYG2SQE-D601&G BY G2 50AN-03612.42.4 TaG T?20.110.M5091 一8 D.&M.80.9/1.80.9/1.80.18DJ25.0?00.485656x450.656*56x5415656*761.556*56*1111.563«&3«6

24、32.68383x913.6目4陰胡2664112-112x156r b.7112112*1908.4112*112*194in 7規(guī)格型號相數(shù)步距角（。相電流（A）保持轉(zhuǎn)矩（N *m）轉(zhuǎn)動慣量2（gcm）重量（kg）外形尺寸（mm）110BY2091.86.0897006.4112*112*156G250B-0602第15頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練圖2-2 110BYG250B系列型步進電機外形尺寸第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練脈沖頻率（KHz）1-515.0150.01500

25、.0轉(zhuǎn)速 （rpm）圖2-3 110BYG250B系列型步進電機矩頻特性曲線圖由上圖可知，當脈沖頻率在1001300次/秒時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩比較穩(wěn)定4. 確定齒輪傳動.（圓柱直齒齒輪減速器）由于i<3,故采用一級圓柱齒輪減速器，聯(lián)軸器連接電機與減速器 假設(shè)伺服進給系統(tǒng)的總效率n為0.8由w機械設(shè)計表 12-8,取 n 1=0.99, n 2=0.98, n 3=0.97則絲杠傳動的效率口 =“=°8=0.87仲2 J 0.90.980.971 2 3X向電機各軸輸入輸出轉(zhuǎn)矩電動機輸出轉(zhuǎn)矩Td1=5.16N.mI 軸輸入轉(zhuǎn)矩Ti=Td3 n 1=5.163 0.99=5.11N.

26、mII 軸輸入轉(zhuǎn)矩T ii=T3 n 23 n 33 i 1=5.113 0.98 3 0.97 3 2=9.72N.mI 軸輸出轉(zhuǎn)矩TI' =5.11 3 0.98=5.01N.mII軸輸出轉(zhuǎn)矩T II' =9.723 0.98=9.53N.m由于i<3,故采用一級圓柱齒輪減速器，聯(lián)軸器連接電機與減速器假設(shè)伺服進給系統(tǒng)的總效率n為0.8由w機械設(shè)計表 12-8,取 n 1=0.99, n 2=0.98, n 3=0.97則絲杠傳動的效率.=2 =°82=0.87耳廠2"0.99 漢 0.982 漢 0.971 2 3Z向電機各軸輸入輸出轉(zhuǎn)矩電動機輸出

27、轉(zhuǎn)矩T d2=5.18N.mI 軸輸入轉(zhuǎn)矩Ti2=Td23 n 1=5.183 0.99=5.13N.mII 軸輸入轉(zhuǎn)矩 T ii2=T23 n 23 n 33 i 2=5.133 0.983 0.973 3=14.63N.mI 軸輸出轉(zhuǎn)矩 T I2' = 5.13 3 0.98=5.03N.mII 軸輸出轉(zhuǎn)矩 T II2' = 14.63 3 0.98=14.43 N.m軸號X向Z向轉(zhuǎn)矩T (N.m)轉(zhuǎn)矩T (N.m)輸入輸出輸入輸出電動機軸5.165.18I5.115.015.135.03II9.729.5314.6314.43傳動比i23圖2-4各軸轉(zhuǎn)矩2.2圓柱齒輪減速

28、器的設(shè)計計算2.2.1 X 向齒輪減速器的設(shè)計計算1. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)(1) 選用直齒圓柱齒輪傳動。(2) 大、小齒輪都選用硬齒面。由表 7.1選大、小齒輪的材料均為40cr, 并經(jīng)調(diào)質(zhì)后表面淬火，齒面硬度為 HRC仁HRC2=50(3) 選取精度等級，初選 7級精度(GB/T 10095-1988 )?？紤]到兩齒輪均為硬齒面齒輪傳動時，失效可能為點蝕，也可能為疲勞折斷， 故分別按接觸強度和彎曲強度設(shè)計，分析對比再確定方案。2. 按輪齒彎曲勞強度設(shè)計按式(11-44 )計算齒輪的模數(shù)第17頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練第19頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練

29、心2K一*屮 d ZifYfsY；第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練確定公式內(nèi)的各計算值1）初步選定齒輪參數(shù)z<i = 24, z2 = uZr = 48,d =0.7 （表 11-13）2） 計算小齒輪名義轉(zhuǎn)矩 T1=1.2 104 N.mm3）計算載荷系數(shù)KKA=1（表 11-10）KV =1.2圖 11-28（a）1 1；：=1.88-3.2（）cos - =1.68（或 11-39）Z1Z2K.=1 （圖 11-29）K-.=1.17 （圖 11-30）K=K3 Kz3 K« 3 Kb =13 1.2 3 13 1.

30、17=1.44）查取復合齒形系數(shù)YfsFS2 =4.02由圖 11-32 查得 Y FS1 =4.28 , Y5）計算大、小齒輪的豈并進行比較YfS1p1=428=0.0204> Yfs2210p2二402 =0.0191（舍棄）2106）計算重合度系數(shù)丫 ；0 750 75Y =0.25+=0.25+=0.6964式（11-45）電1.687）設(shè)計計算2 1.4 5160 m _320.0204 0.6964 二 0.798mmV 0.7 漢 242將模數(shù)圓整為標準值取m=2mm3. 幾何尺寸計算(1計算分度圓直徑d z1m1 = 48mmd2 = Z2m2 = 96mm(2) 計算中

31、心距m(zi Z2)2(48 96) 一，a -144mm2 2(3) 計算齒輪寬度b2 - ：jdd1 =0.7 48 = 35mmb 1 =b2 +（5 10）mm=45mm4. 極核齒面接觸疲勞強度按式(11-39)校核Z Z2KT1 u 16=ZeZhZ；- bd1 u式中：Ze =189.8 . mpa（表 11-11）Z h=2.5 （圖 11-31）Z =、4 一 ： =. 4一匸68 =0.88 （式 11-42）£ 3 X 3第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練-H=189.8 2.5 0.88-H <二 H

32、 =2 1.4 5160 2 135 4822=306.7MPaHJim = 640 =640MPaSh1第21頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練接觸疲勞強度足夠。222 Z 向齒輪減速器的設(shè)計計算1. 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)(1) 選用直齒圓柱齒輪傳動。40cr,（2）大、小齒輪都選用硬齒面。由表 7.1選大、小齒輪的材料均為 并經(jīng)調(diào)質(zhì)后表面淬火，齒面硬度為 HRC=HR2=50。（3）選取精度等級，初選 7級精度（GB/T 10095-1988 ）。2. 按輪齒彎曲勞強度設(shè)計1）初步選定齒輪參數(shù)乙=24, z2 "乙=

33、72, '- d =0.7 （表 11-13）2）計算小齒輪名義轉(zhuǎn)矩 T1=1.2 104 N.mm3）計算載荷系數(shù)KKA=1（表 11-10）KV =1.2圖 11-28（a）1 1；.=1.88-3.2（）cos - =1.7（或 11-39）Z1Z2K.=1 （圖 11-29）K=1.17 （圖 11-30）K=K3 Kz3 K« 3 Kb =13 1.2 3 13 1.17=1.684）查取復合齒形系數(shù)Yfs由圖 11-32 查得 Y FS1 =4.28 , Y FS2 =4.02Y5）計算大、小齒輪的 亙 并進行比較SYFS14.28YFS24.02叱二 =0.02

34、04> 空=0.0191（舍棄）6】1210“2106）計算重合度系數(shù)丫 ；0 750 75=0.25+=0.25+=0.6912式（11-45）電77）設(shè)計計算m_3 2 1.68 5?8° 0.0204 0.6964 = 0.8475mm0.7 漢242將模數(shù)圓整為標準值取m=1.25mm3. 幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑d z1m1 = 30mm d z2m2 = 90mm二何3090）= 75mm（2）計算中心距m（Z1 Z2）a =2（3）計算齒輪寬度b2 =：dd1 = 0.7 30 = 25mmb 1 =b2 +（5 10）mm=35mm4. 極核齒面接觸疲勞

35、強度按式（11-39）校核=ZeZh2KT1 u 1bdf u第23頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練式中：Ze =189.8 . mpa（表 11-11）Z h=2.5 （圖 11-31）z4 3, =r;.7=0.88 （式11-42）j=zeZhZ； bd22KU 化189.8 2.5 0.88 2 倔摯 31 u25 3023=424.06MPa第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練J <J=HJim = 640 =640MPaSh1第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練第#

36、頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練2.2.3絲杠的選擇一.設(shè)計X方向的滾珠絲杠螺母機構(gòu)：1、X方向絲杠受力分析：X、Z方向的工作臺滑板及其組件重量（W、以及Z方向的軸向工作載荷 Fa2主要由導軌承擔，而X方向絲杠主要承受X方向的軸向力F。X方向絲杠所 受的總軸向力F由兩部分組成：一是刀具所受的 X方向軸向工作載荷Fai ；二是 工作臺滑板及其組件重量（W、W2）和Z方向的軸向載荷在導軌上產(chǎn)生的合成摩 擦力Fn兩部分組成：F= Fai + FnFN=u .Fa： W1 W2 0.05 .10002 100 300 2 =54 N式中F絲杠所受的總軸向力N ;Fn 導軌與工作臺滑板之間的摩擦

37、力 N ；Fa1 X方向的軸向工作載荷N ;Fa2 丫方向軸向工作載荷N ；卩一一導軌與工作臺滑板之間的摩擦系數(shù)，由于導軌與工作臺滑板處于邊界潤滑狀態(tài)（脂潤滑或油潤滑），可取卩二0.050.2 ;W 1X方向工作臺滑板及其組件重量 N ;W 2y方向工作臺滑板及組件重量 N ;將有關(guān)參數(shù)代入上述公式可得 X方向絲杠所受的總軸向力F為：F= Fa1 + Fn =600+54=654N2、絲杠設(shè)計計算及選擇當滾珠絲杠副承受軸向載荷時，滾珠和滾道型面間便會產(chǎn)生接觸應(yīng)力。 對滾 道型面上某一點而言，其應(yīng)力狀態(tài)是交變應(yīng)力。這種交變接觸應(yīng)力作用下，經(jīng)過 一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠和滾道型面產(chǎn)生疲勞點

38、蝕現(xiàn)象，隨著麻點的擴大滾珠絲杠副就會出現(xiàn)振動和噪音， 而使它失效，這是滾珠絲杠副的主要破壞 形式。在設(shè)計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向工作載荷下， 在回轉(zhuǎn)一百萬 轉(zhuǎn)時，在它的滾道上由于受滾道的壓力而不至于出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象，此時所能承受的軸向載荷，稱為這種滾珠絲杠副的最大（基本）額定動載荷C&設(shè)計在較高速度下長時間工作的滾珠絲杠副時， 因疲勞點蝕是其主要的破壞形式，故應(yīng)按疲勞壽命選用，并采用與滾動軸承同樣的計算方法，首先從工作載荷F推算最大動載荷Ca,由機械設(shè)計可知或 Ca-C 廠 F3 L式中Ca 最大（基本）額定動載荷（N）,其值查附表5計算額定動載荷F絲杠所受總的軸向工作載荷（N）

39、Lio基本額定壽命（以一百萬轉(zhuǎn)為一個單位）L'預期使用壽命（以一百萬轉(zhuǎn)為一個單位）（1）、按額定靜載荷選擇：按Coa = F的原則選擇絲杠：do= 16mm(2) 、按疲勞壽命選擇L =60 3 n3 T/1000000 = 603 888.93 15000/1000000=800 (百萬 轉(zhuǎn))rh z1n2-二 888.9rpmZ2(3) cc a=仁站 F 忙=1.2 江 452.74N x800 = 5043.44NfH （硬度系數(shù)）由2表取1.0 , fW （運轉(zhuǎn)系數(shù)）由表3取1.2 ,T使用壽命由表4取為15000h由已知條件（1）、（2）、（3），查滾珠絲杠副的表5,根據(jù)導

40、程L0 = 4mm和Ca>C a的原則，并參考同類型設(shè)備的實際情況，得出設(shè)計選用：外循環(huán)滾珠絲杠， 公稱直徑 d°= 16, 2.5 圈3 1 列，Ca=6300N 鋼球直徑 Dw（d b） =2.381mmQ =4° 33'，精度等級為E,基本導程極限偏差為土 6卩m絲杠大徑表面粗糙度為 Ra0.8。由上述計算可知，應(yīng)選d°= 16、基本導程L°= 4mm基本長度為40cm的滾珠絲杠。二.設(shè)計Z方向的滾珠絲杠螺母機構(gòu)：1、Z方向絲杠受力分析：X、Z方向的工作臺滑板及其組件重量（WW 以及X方向的軸向工作載荷 Fai主要由導軌承擔，而Z方向

41、絲杠主要承受Z方向的軸向力F。Z方向絲杠所 受的總軸向力F由兩部分組成：一是刀具所受的 Z方向軸向工作載荷Fa2 ；二是 工作臺滑板及其組件重量（WW対和X方向的軸向載荷在導軌上產(chǎn)生的合成摩 擦力Fn兩部分組成：F= F a2 + F NFN= VFa2 +（WW2 了 =0.05 漢6OO2+（100 + 300 f =36 N式中F絲杠所受的總軸向力N ;Fn 導軌與工作臺滑板之間的摩擦力N ；Fai X方向的軸向工作載荷N ;Fa2 丫方向軸向工作載荷N ；卩一一導軌與工作臺滑板之間的摩擦系數(shù)，由于導軌與工作臺滑板處于邊界潤滑狀態(tài)（脂潤滑或油潤滑），可取卩二0.050.2 ;W 1X方向

42、工作臺滑板及其組件重量 N ;W 2y方向工作臺滑板及組件重量 N ;將有關(guān)參數(shù)代入上述公式可得 X方向絲杠所受的總軸向力F為：F= Fa2 + Fn=1000+36=1036N2、絲杠設(shè)計計算及選擇當滾珠絲杠副承受軸向載荷時，滾珠和滾道型面間便會產(chǎn)生接觸應(yīng)力。對滾道型面上某一點而言，其應(yīng)力狀態(tài)是交變應(yīng)力。這種交變接觸應(yīng)力作用下，經(jīng)過 一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠和滾道型面產(chǎn)生疲勞點蝕現(xiàn)象，隨著麻點的擴大滾珠絲杠副就會出現(xiàn)振動和噪音， 而使它失效，這是滾珠絲杠副的主要破壞 形式。在設(shè)計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向工作載荷下，在回轉(zhuǎn)一百萬轉(zhuǎn)時，在它的滾道上由于受滾道的壓力而不至于出現(xiàn)點

43、蝕現(xiàn)象，此時所能承受的軸向載荷，稱為這種滾珠絲杠副的最大（基本）額定動載荷Ca。設(shè)計在較高速度下長時間工作的滾珠絲杠副時， 因疲勞點蝕是其主要的破壞 形式，故應(yīng)按疲勞壽命選用，并采用與滾動軸承同樣的計算方法，首先從工作載荷F推算最大動載荷Ca,由機械設(shè)計可知I - Ca > LHL10 _ F蘭lF丿或 Ca-C尸 F3 L式中Ca 最大（基本）額定動載荷（N），其值查附表5計算額定動載荷F絲杠所受總的軸向工作載荷（N）Lio基本額定壽命（以一百萬轉(zhuǎn)為一個單位）L'預期使用壽命（以一百萬轉(zhuǎn)為一個單位）（1）、按額定靜載荷選擇：按Coa = F的原則選擇絲杠：do= 16mm(2)

44、、按疲勞壽命選擇L =603 n3 T/1000000= 603 6003 15000/1000000=540 (百萬轉(zhuǎn))n2 = n1_Z1 = 600rpmZ2 Ca_C a= fw fH F 3 L -1.2 934N3540 =9126.96NfH （硬度系數(shù)）由2表取1.0，fW （運轉(zhuǎn)系數(shù)）由表3取1.2，T使用壽命由表4取為15000h由已知條件（1）、（2）、（3），查滾珠絲杠副的表5,根據(jù)導程L0 = 6mm和Ca>Ca的原則，并參考同類型設(shè)備的實際情況，得出設(shè)計選用：外循環(huán)滾珠絲杠，公稱直徑 d°= 20，2.5 圈3 1 列，Ca=13100N 鋼球直徑

45、Dw（d b） =3.969mmQ=5° 24',精度等級為E,基本導程極限偏差為土 6卩m絲杠大徑表面粗糙度為Ra0.8第29頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練由上述計算可知，應(yīng)選d°= 20、基本導程L°= 6mm基本長度為40cm的滾珠 絲杠。2.3聯(lián)軸器選擇根據(jù)電機尺寸選擇聯(lián)軸器為彈性套柱銷聯(lián)軸器HTC1-40S，聯(lián)軸器尺寸如下表所示：表2-2聯(lián)軸器型號額定轉(zhuǎn)矩Tn(N.m)許用轉(zhuǎn)速n(r/min)軸孔直徑d/mm軸孔長度D/mmD2*/mmA/mm轉(zhuǎn)動慣量/kgm2質(zhì)量/kgHTC1-40S8550017664030180.0011.642

46、.4軸承選擇假定軸承的壽命Lh =5000hX軸方向：2久Fr = Ft * tan - * tan ： di=(23 53853 tan20)/48=81.67 N試選擇角接觸球軸承7003C型軸承d=17mm, D=35mm , B=10mmC=6.6KN ， C0 =3.85KNC00FtFr106106第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練106106第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練P 二 fp *(XFt YF0) =1.0 (0.56 1200 1.5 800) = 1872N106106第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練106106第#頁共44頁江蘇理

47、工學院課程設(shè)計與綜合訓練.c = PH3? 60 500°=4906N <11.2KN nLh =1872七106106第#頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練106106第31頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練所以所選軸承符合要求。Z軸方向：同上選擇角接觸球軸承 7003C型軸承2.5 鍵的選擇（1）X軸方向：1）高速軸：連軸器處：半圓鍵 GB/T1099-1979, b h L=4 7.5 192）低速軸：齒輪連接處：圓頭平鍵 A型GB1096-79, b h L=8 7 28（2）Z軸方向：1）高速軸：連軸器處：半圓鍵 GB/T1099-1979, b h L=

48、4 7.5 192）低速軸：齒輪連接處：圓頭平鍵 A型GB1096-79, b h L=8 7 282.6齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計X方向：d1< 160mm所以小齒輪做成實心的。雖然 d2< 160mm但是大齒輪與絲杠連 接，因此不能做成實心的，應(yīng)根據(jù)絲杠來定。Z方向：同理：d1 < 160mm所以小齒輪做成實心的雖然 d2< 160mm但是大齒輪與絲 杠連接，因此不能做成實心的，應(yīng)根據(jù)絲杠來定。2.7傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和圖形繪制X方向z方向圖2-5傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖由前面計算得到的傳動比確定減速箱的傳動級數(shù)，一般在i >3,且總轉(zhuǎn)動量與電機軸上的主動齒輪轉(zhuǎn)動慣量之比 5時，考

49、慮采用兩級傳動減速箱，即i =帀2,采用等效轉(zhuǎn)動慣量最小原則，傳動比應(yīng)該“前小后大”，也就是h門2的布置方式，最后確定各齒輪模數(shù)、齒數(shù)、厚度及電機軸和絲杠的連接。第33頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練第三章 機電伺服系統(tǒng)微控制器電器線路及程序設(shè)計3.1開環(huán)控制系統(tǒng)圖3-1為開環(huán)機電伺服系統(tǒng)微控制器信號流動原理框圖。開環(huán)系統(tǒng)是最簡單 的進給系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機、電液脈沖馬達等。由數(shù) 控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動， 通過齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅(qū)動執(zhí)行部件。這種系統(tǒng)不需要對實際位移和速度 進行測量，更無需將所測得的實際位置和速度

50、反饋到系統(tǒng)的輸入端，與輸入的指令位置和速度進行比較，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電 機的角位移精度、齒輪絲杠等傳動元件的導程或節(jié)距精度以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特 性。此類系統(tǒng)的位移精度較低，其定位精度一般可達土0.02 mm。如果采取螺距誤差補償和傳動間隙補償?shù)却胧ㄎ痪瓤商岣叩酵?. 0l mm此外，由于步進電機性能的限制，開環(huán)進給系統(tǒng)的進給速度也受到限制， 在脈沖當量為0.01mm 時，一般不超過5m/min。開環(huán)進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較簡單，調(diào)試、維修、使用都很 方便，工作可靠，成本低廉。在一般要求精度不太高的機床上曾得到廣泛應(yīng)用。 20世紀60年代，日本生產(chǎn)的數(shù)控機床幾乎全部采

51、用功率步進電機和電液脈沖馬 達的開環(huán)進給系統(tǒng)。20世紀70年代初我國也曾仿造過這種開環(huán)進給系統(tǒng)的數(shù)控 機床，但是歐美等國卻很少采用開環(huán)進給系統(tǒng)。 進入20世紀70年代中期，日本 生產(chǎn)的數(shù)控機床也改用了直流或交流伺服電機的半閉環(huán)和閉環(huán)進給系統(tǒng)。3.2 三菱PLC馬驅(qū)動電路設(shè)計表3-1 I / O地址分配表輸入點輸出點地址功能地址功能X0啟動Y0M脈沖X1停止Y1M2脈沖X2復位Y2M仿向X5搖柄X+Y3M防向X6搖柄X -Y4M使能X7搖柄Y+Y5M2使能X10搖柄Y+Y6啟動指示X11緊停Y7停止指示X12Y10復位指示X13Y11X14X軸左限位Y12X15X軸右限位Y13X16Y軸前限位Y

52、14X17Y軸后限位Y15X20第37頁共44頁江蘇理工學院課程設(shè)計與綜合訓練檸止1Y 開 關(guān)220v/V/S / S0VX0Y0XIXIIY1X12Y2X13Y3X14Y4X15Y5X16X17CQK124VFX-3U1-L .SWT-204MPUIA PUL-DIR+DIR-ENA十 ENA-+24v4NIC-DG1204-ENA+ENA-A+ A- 時 B-夢電SffT-204N時B-DIR+DIK-AC1AC2AC1AC2PUL+ PUL-；軸電機圖3-1 PLC驅(qū)動步進電機接線圖與單片機要求相同，本電路應(yīng)該能實現(xiàn)兩個方向步進電機的插補進給，和進刀退刀的動作，由于使用晶體管輸出使該快速發(fā)出脈沖的驅(qū)動設(shè)計成為可能。電路接線如圖3-1所示，該驅(qū)動裝置由PLC系統(tǒng)（包括：機價、電源、CPU輸入 模塊、輸出模塊等）、步進電機驅(qū)動器、開關(guān)電源、步進電機等組成。圖中所示 是驅(qū)動器中含有硬件環(huán)型分配器的驅(qū)動方式，其中使用丫0（丫1） 口線接PUL-，提供一定