螺母丝杠电动滑台设计.docx
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螺母丝杠电动滑台设计
设计内容
计算说明
结论
一．课题介绍
名称：
螺母丝杠电动滑台设计
要求：
设计一个丝杠螺母电动滑台，由步进电机带动，带位置检测功能。
具体要求：
1.螺母的平移速度10mm/s-100mm/s可调。
2.螺母最大行程300mm。
3.电机采用端面安装形式，用联轴器连接电机输出轴丝杠。
设计要求：
螺母前进到尽头后，停5秒钟；然后电机反转（可由脉冲方向实现），到尽头后，停2秒钟；然后电机正转。
如此循环下去。
按下停止按钮，电机马上停止（电机的轴锁住）。
按下脱机按钮，电机的轴松开。
二．设计方案选择
2.1PLC的选择
本设计可采用PLC与单片机来控制滑的往复循环，而单片机是一种芯片，在一定场合，配合外围电路，可以用来设计所需要的各种功能，大都用汇编语言、C语言等来开发嵌入式软件，可应用于各种领域。
PLC是一种可编程的控制器，相当于一种控制设备，主要用于工业自动化等领域，大都采用梯形图编程，也可以用组态软件。
其特点是非常可靠。
在学习过程中，PLC与单片机相比，PLC更简便一些，所以在本次设计中选择PLC来控制步进电机，从而达到控制滑台往复循环。
在本次设计中PLC需通过高速脉冲来控制步进驱动器进行位置控制，在小型的PLC中脉冲信号的输出可通过PLC内置的高速脉冲输出口输出，其中三菱的FXPLC的FX2N系列就规定了Y0，Y1位高速脉冲输出口，脉冲的频率和脉冲树木直接控制电动机进行位移。
（其中因为高速脉冲的的频率都比较高，所以必须选择晶体管性输出的PLC）。
2．2步进电机的选择
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
现在比较常用的步进电机包括多段反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机等。
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
因此在本次设计中使用混合式步进电机，其步进角为1.8度。
又因为在本次设计中四缸的行程只有300mm不算大，所以可以选择常州宝来公司型号为28BYGH201的一款电动机。
如下图所示：
图一步进电机
其具体参数为
表一
表二
2.3螺母丝杠的选择
丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。
按照摩擦性质还有滑动（摩擦）丝杠螺母机构和滚动（摩擦）丝杠螺母机构之分。
滑动丝杠螺母机构：
结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30％-40％）。
滚珠丝杠螺母机构：
结构复杂、制造成本高，无自锁功能，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92％-98％）。
因此在本次设计中使用滚珠丝杠螺母。
丝杠螺母机构的传动形式有：
（1）螺母固定、丝杠转动并移动。
因螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。
但其刚性较差，因此只适用于行程较小的场合。
（2）丝杠转动、螺母移动。
需要限制螺母的转动，故需导向装置。
其特点是结构紧凑、丝杠刚性较好，工作行程大，在机电一体化系统中应用较广泛。
（3）螺母转动、丝杠移动。
需要限制螺母移动和丝杠的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，很少应用。
（4）丝杠固定、螺母转动并移动。
结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，很少应用。
因此在本次设计中可以选择丝杠转动、螺母移动的传动形式。
当丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杠的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。
滚珠丝杠螺母间因无间隙，直线运动时精度较高，尤其在频繁换向时无需间隙补偿。
滚珠丝杠螺母间摩擦力很小，转动时非常轻松。
滚珠丝杆转动一周螺母移动的距离为一个螺距距离,如果是丝杠每转一周螺母移动四个（或五个）螺旋线的距离，那么表示该丝杠是四线（或五线）丝杠，俗称四头（或五头）丝杠。
一般小导程滚珠丝杠都采用单线，中，大或超大导程采用两线或多线。
2.3.1螺母丝杠的长度
在本次设计中只是设计一个小型的电动滑台，因此在本次设计中滚珠丝杆转动一周螺母移动的距离为一个螺距距离。
在设计要求中指出螺母的最大行程为300mm,所以丝杆的长度至少要大于300mm。
螺母的有效行程为300mm,由于滑台采用轴承进行两端固定，可取轴承之间的距离为400mm.加上轴承安装长度和与联轴器的连接长度,取丝杠的长度为450mm。
2.4联轴器的选择
滚珠丝杠与电机连接时中间必须加装联轴器以达到柔性连接。
联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。
联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。
联轴器种类繁多，按照被连接两轴的相对位置和位置的变动情况，可以分为：
①固定式联轴器；②可移式联轴器。
联轴器有些已经标准化。
选择时先应根据工作要求选定合适的类型，然后按照轴的直径计算扭矩和转速，再从有关手册中查出适用的型号，最后对某些关键零件作必要的验算。
在本次设计中要使用步进电机作为驱动装置，而步进马达能在低速区域时传达高扭矩，适用于高精度的定位。
为了方便起见本次设计中选用一款挠性联轴器如下图所示
图二联轴器
三．机械部分设计
机械结构大体为电动机、联轴器、滚珠丝杠副、光杆、滑台等组成。
电动滑台的所有机构需要在一个底座上进行安装。
电动机需安装在一电机支撑上，使电动机固定；
电机支撑需要用内六角圆柱螺钉与底座连接；
电动机的轴与联轴器的左端连接，联轴器的右端直接与丝杠连接；
因为联轴器与螺母丝杠副悬空需用一垫块来固定，垫块与底座要用一内六角圆柱螺钉来固定；
螺母丝杠上有一螺母，螺母稍小需套上一个螺母座，螺母座上装滑台，同时滑台的长度也需要能够覆盖在光杆上，与光杆上的螺母进行连接，方便导向，螺母座与滑台的连接固定也需内六角圆柱螺钉；
同理在螺母丝杠副的右端也需要一固定端垫块来使其悬空，其与垫块的连接要用内六角圆柱螺钉来连接；
光杆的安装需与螺母丝杠副的丝杠平行，用支撑单元安装在固定端垫块上来使其与丝杠在同一水平面上。
图三机械结构
四．控制部分设计
4.1驱动器的连接
图四
图中控制器为发出位置控制命令的装置，其主要作用是通过编制程序下达控制指令，是步进电机按照控制要求完成位移和定位，在本次设计中控制器选择了PLC；驱动器又称放大器，作用是把控制器送来的信号进行功率放大，用于驱动电机运转，可以说驱动器是集功率放大和位置控制为一体的智能装置，其中驱动器又与电源连接来为整个系统供电。
因此可大概知晓滑台的控制系统实物图连接如下所示
图五控制系统
在本次设计中使用的驱动器为MSST5/10-Q驱动器，其实物如下图所示
图六驱动器
4.1.1驱动器的与电源的连接
（1）MSST5/10-Q驱动器适用24V-80V电源，在本次设计中考虑到PLC使用24V电源；
（2）将电源“+”端连接至驱动器上标有“V+”的端口上，电源“-”连接至驱动器上标有“V-”的端口上，底座上的姐弟螺钉应与大地相连。
如下图所示：
图七
4.1.2驱动器与步进电机的连接
注：
当步进电机连接到驱动器时，先确认电机电源已关闭；确认为使用的电机引线未与其他物体发生短路；在驱动器通电期间，不能断开电机；不要将引线接到地上或电源上。
本次使用型号为28BYGH201的一款电动机，其与电机的连接部分如下图所示：
图八
其具体接线图如下图所示：
图九
4.1.3驱动器与PLC的连接
图十
4.2行程控制
滑台的行程正比步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。
由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：
n=L/d。
式中L——伺服机构的位移量（mm），d——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）
4.3进给速度控制
伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,其PLC输出的脉冲频率:
f=V/60d（Hz）。
式中V——伺服机构的进给速度（mm/min），d——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）。
4.4进给方向控制
进给方向控制即步进电机的转向控制。
步进电机的转向可以通过改变步进
电机各绕组的通电顺序来改变其转向，因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。
由题目要求可知：
螺母的平移速度为10mm/s—100mm/s,且在设计中使用的是滚珠丝杆转动一周螺母移动的距离为一个螺距距离，所以可知滑台的平移速度也为10mmm/s—100mm/s。
在此次设计中选择丝杆的导程为5mm,所以丝杠每秒需转2圈—20圈；又因步进电机与丝杆使用联轴器连接的，所以他们的传动比i为1，所以步进电机也需要每秒转720度—7200度。
在本次设计中，选用的是两相混合式步进电机，两相步进角一般为1.8度即步进电机一个脉冲转1.8度，也就是说步进电机每秒转720度-7200度分别需要400个—4000个脉冲，即给200个脉冲可使步进电机转动一圈，由此可算出步进电机的脉冲当量为5/200=0.025mm/脉冲。
本设计选择滑台的平移速度为50mm/s,由于螺母最大行程为300mm,则前进一次需要6秒。
已知导程为5mm,则丝杠每秒需要转动10圈（50mm/s/5），所以需要给步进电机每秒2000个脉冲（即频率），所以滑台向前移动至限位开关处需要给步进电机2000*6=12000个脉冲。
（或用n=L/d）根据输入脉冲的多少可以计算出在这一次直线运动中螺母的具体位置，实现位置检测功能。
PLC输出脉冲频率：
f=V/60d,即f=50/（60*0.025）=2000Hz。
4.5PLC控制
4.5.1I/O分配
因采用PLC控制，需分配其I/O口，它决定着系统如何工作，该系统的I/O口分配如下表所示。
表三
输入地址号
信号名称
执行器
X0
电机正转
常开按钮1
X1
电机停止
常开按钮2
X2
电机脱机
常开按钮3
表四
输出地址号
信号名称
Y0
脉冲输出
Y1
控制方向
Y2
脱机
4.5.2I/O口接线图
该系统PLC的I/O口接线图如下图所示。
图十一
4.5.3程序流程图
图十二
4.5.4梯形图
图十三
4.5.5脉冲输出
PLC控制步进驱动器进行位置控制有下列4种方式：
通过I/O方式进行控制；通过模拟量输出方式进行控制；通过通信方式进行控制和通过高速脉冲方式进行控制。
通过高速脉冲进行位置控制，是比较常用的方式。
在小型PLC中，脉冲信号的输出也有两种方式。
一种是通过PLC内置的高速脉冲输出口输出口输出。
三菱FXPLC的FX2N系列规定了Y0，Y1为高速脉冲输出口，脉冲的频率和脉冲数目直接控制驱动器进而控制电动机进行位置控制，PLC的这些脉冲输出点一旦被指定为高速脉冲输出口，就不能再作他用。
由于高速脉冲的频率都比较高，所以，必须选用晶体管型输出的PLC，否则将不能正常工作。
另外一种，脉冲输出方式是通过所开发的定位控制模块（1PG）输出高速脉冲，位置控制模块为扩展模块，本身不具有单独控制功能，必须配合控制器（三菱FXPLC）才能使用。
五.总结
通过本次课程设计，我清楚地认识到理论与实际的差别，加深了我们对本课程设计的理解和认识。
在本次课程设计中我们遇到很多问题，需要找回以前学到的多门专业课上的知识，遇到许多不懂得，没见识的内容，都需要翻阅各种资料。
在设计时首先要明白自己设计的物品大概是什么，它大致上是有哪几部分组成的，一个一个的细分下去，一个一个的小部件去设计然后再组装起来。
有的时候真的很难，明明知道它就应该是那样可就是不知道该如何去写或者写的不全，这个时候就得与人讨论一下，思路一下子就得到了解放。
六．参考文献
[1]任胜杰.电气控制与PLC系统.机械工业出版社，2012.
[2]史宜巧,孙业明,景邵学.PLC技术及应用项目教程.机械工业出版社，2009.1.
[3]刘艳梅.三菱PLC基础与系统设计.机械工业出版社，2009.
[4]王永华.现代电气控制及PLC应用[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2003
[5]陈立定.电气控制与可编程控制器[M].广州:
华南理工大学出版社,2006
[6]王炳实.机床电气控制[M].北京:
机械工业出版社，2009
[7]俞国亮.PLC原理与应用（三菱FX系列）.清华大学出版社.2005.
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