机电传动单向数控平台设计.docx
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机电传动单向数控平台设计
机电传动单向数控
平台设计
机械工程及自动化专业专业课程设计说明书
专业：
机械工程及其自动化
班级：
机自06-3班
学生姓名:
学号:
指导老师:
2010年01月22日
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
1.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、1200mm
移动负载质量一一100、50kg；
负载移动阻力——100、50N；
移动速度控制——3、6m/min；
1.3设计的基本要求
⑴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。
⑵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（A1一张）。
⑶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）。
⑷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，完成课程设计说明书一份，不少于30页，设计图纸不少于两张。
⑸绘图及说明书：
用计算机绘图，打印说明书。
2．总体方案设计
2.1设计基本依据
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。
步进电动机具有以下特点：
1、工作状态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；
2、步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”；
3、由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易；
4、控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；
5、不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；
6、缺点是能量效率较低。
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）。
可编程序控制器PLC可靠性高、抗干扰能力强，能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰，能抗1000V1%脉冲的干扰，能在高温、高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作，PLC能够承受电
网电压的变化，即使在电源瞬时断电的情况下，仍可以正常工作。
另外PLC是通过软件实现控制的，其控制程序编在软件中，实现程序软件化，因而对于不同的控制对象都可以采用相同的硬件配置。
PLC提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信。
而且PLC体积小、能耗低、便于机电一体化。
通过PLC可以实现对步进电动机的控制，实际上控制时电动机的转动受脉冲控制。
利用PLC产生高速脉冲串，调节脉冲频率，从而实现步进电动机启动加速、恒速运行、减速停止过程。
2.2总体方案确定，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：
PLC控制
⑷功能控制要求：
速度控制
⑸主要设计参数：
单向最大工作行程一一1200mm工作台重量70kg
移动负载质量100kg；
负载移动阻力一一100N；移动速度控制一一3m/min
选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数亠-0.15；
丝杠材料初选钢材为42crM。
，其HRC为58L60。
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
N
Fp=卩（口+m2）g=0.15x（100+70）x9.8
250
力
式中—工作台重量
m2—移动负载质量
4=0.15
2
轴向载荷
N
Fxmax=KFx+4（Fz+G）
365
和Fxmax和
K=1.15
等效轴向
Fx负载移动阻力
载荷Fm
FXmax—Fm
3
计算动载
N
C_Kh.KF.KHKF
2838
荷Ca'
Ca.Fm
Kn
式中Kh寿命系数
心=（蔦）1/3
500
Lh工作寿命
Lh=15000h
Kf载荷系数
心=1.2
Kh动载荷硬度影响系数
Kh=1.0
Ki——短行程系数
Kl=1.0
Kn转速系数
n
Kn=3.11
4
初选滚珠
根据动载荷查表15-26初选滚珠丝杠副
FFZD2505
丝杠
型号规格为FFZD2505
其基本参数为：
螺纹公称直径do=25mm
导程Ph=5mm
钢球直径Dw=3.5mm
圈数x列数jxk="3
1=0.52Dw=1.82（单圆弧）
d0=25mmph=5mm
Dw=3.5mmjxk=1汉3rs=1.82mm
5
螺旋的导程角人
。
九=arctan
兀d。
扎=3.64’
6
基本额定动载荷Ca校核
N
小・1.0.72/31.8
Ca=fc（j疋kcos。
）tanamDw
m—每圈中钢球的个数
兀dt
m=‘
Dwcos九
j――每列工作圈数j=1
k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45
Dw钢球直径
fc——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
查表15-26
Ca=11000N
j=1
k=3
a=45
Dw=3.5
Ca兰Ca
所以动载荷满
足条件
7
静载荷校
核
N
基本额疋静载何C°a=f°cjkmDwsince
查表15-26
Coa=45200N
系数foc:
当a—45,
D?
0-52时，
foc=63.7;上=0.55,
Dw
foc=41.16
foc=63.7
Co^Kf.Kh.F
Coa=429N
Kh静载荷硬度影响系数
Kh=1.0
C°a=429兰C°a=27000
满足静载荷条件
Coa兰Coa
满足静载荷条件
8
螺旋传动
N.mm
T=Fdtan（丸+丸）/2
T=320Nmm
的转矩T
滚珠丝杠副的当量
摩擦系数：
fT=0.003L0.01,当
量摩擦角
*r=22'
=10’L34'
9
当量应力
Mp
+3（0竝）
1.05
d2丝杠的螺纹底径
d2=d+2e_2rs
d2=21.46
e――滚道圆弧偏心距
e=0.05
e=I-Dw/2
10
强度条件
▽fcr]丝杠材料的许用应力（Mp
b]=100U
150x
丝杠满足强度条
件
11
轴向载荷F
产生的轴向
变形量辛
mm
丝杠米用两端固定的方式
FLj（L_Lj）jj式中：
EAL
Lj丝杠两支撑间的距离（mr）i
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
E=2.07汇105（Mp
A丝杠的计算截面面积
2
A=n（d-Dw）/4（mm）
&F=8.33汇10」
Lj=1200mm
L=1600mm
5
E=2.07"0
（Mp
A=363mm2
12
转矩T产生
的轴向变形
量6T
mm
启_TLjPh
^T—
2兀Glp
Ph――丝杠的螺纹导程
Ip――丝杠计算截面的极惯性矩，
lp"（d：
-Dw）4/32
G——丝杠材料的切变模量，钢材的
4
G=8.3勺0
6t=1.74"0^
Ph=5
lp=2.1"04
G=8.3"04
12
轴向载荷F
使钢球与螺
Mm
r
因为二=0.52，而且有预紧，所以
Dw
旋滚道间产
生的轴向变
Kf
6a=0.3x10'xZ1/3式中
Z（DwFp）1/3
6a=2.73x10，
形量克
Dw――钢球直径
Dw=3.5
Z――工作螺母中的钢球总数
Z=69
Z=mjkm=nd/（DwCosh）
Fp预紧力，一般取Fp=Fmax/3
Fp=123
KZ——载荷分布不均匀系数，-
-般取
Kz=1.3
Kz=1.2L1.3
13
轴向总变形
mm
6=尊+
d=1.28"0*
量
14
丝杠的轴向
刚度
N/mm
K瑪
心=2.85勺05
15
刚度条件
「1/1厶^*〒A材存右左卅［［庄p
〔Kj=（18U20）
LK§」丝杠允许的轴向刚度
"04
【kJ讥
满足刚度条件
16
临界转速
r/min
哼（晦）1/2式中
•2兀1P
^=5516
P密度，对于钢性
丝杠
63
P=7.8"0Kg/mm
l螺杆两支承之间的距离1600mm
17
传动效率
卩一一支承系数取4.73
钢螺杆n=12.3幻0沁i2di/|2
d!
-（0.2L0.25）xDw
n兰0.8nc
由转动变为移动
口tan丸
tan（丸+如）
d1=24.3
n=600兰0.8n（
横向震动满足条
件
□=91*
=22*
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
Fr
R1
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Fr
N
Fr=（mi+m
（2）g
1666
2
轴向外载荷Fa
Fa=FXmax
365
3
轴承支反力
Fr
Ri=R2=R=—
2
833
4
轴承派生轴向
查表10.7（机械设计），得
583.1
力
S]=S2=S=0.7R
5
轴承所受的轴
因为SS2，则
向载何
A2=5+Fb2=3+Fa
948.1
A|
583.1
6
计算轴承所受
因为轴承工作时有中等冲击，查表载何
当里动载何P
系数fp=1.4
A/R=0.7>e=0.68
因为n且
A/R2=1.14>e=0.68
A2,所以Pr=巳=fp（XR2+yA1）
1632.92
查表10.5得x=0.41,y=0.87
7
基本额定动载荷C
CPr』60nLhfj106
式中Lh轴承预期计算寿命
®土二
13586.5
Lh=16000
e=3
名寿叩指数
ft――温度系数
ft=1.0
8
选用轴承
mm
根据基本额定动载荷C，查机械设计课程上机与设计书，表13-6初步选用7204AC型角接触轴承，
7204AC
d=20
其基本参数如下：
基本尺寸d=20,D=47,B=14,a=14.9
安装尺寸da=26,Da=41,名=1
D=47
B=14a=14.9
9
计算寿命Lh
h
L—PTC严h60n（pr）
17506
C额定动载荷
C=14000N
Lh=17506>L'h=16000
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
mm/p
根据设计位置精度要求
0.1
定柱
（±1mm），初取脉冲当量为
6=0.1mm
2
步距角%
0
初选电动机型号时步距角日b与传动比
日bL。
少c
i应满足360i，取步距角为1.5，
为了使结构简单，提高精度，这里取
_1.5^5-.丿-
A——AAQImm<合
满足
vp——U・U厶II1II11—v
i=1，p1x360
3
初选步进电机
110BF003
查机械设计手册，初选110BF003，
型号
步进电机轴的转动惯量
Jd=46.06勺o'kgLm2，最大精度转
矩Mjmax=7.84N|_m。
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
YL1式凸缘联轴器
选联轴器，这里初选用YL1式凸缘联
轴器，其转动惯量JL=0.0018kgLm2
4
矩频特性
（1）加速力矩
Mka
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
Mkq兰Mmq=jmax
步进电机所需空载启动力矩
Mkq=Mka*Mkf*M0
其中：
Mka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；Mkf为空载时折
算到电机轴上的摩擦力矩；M0为由于
丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。
Mka==J亍空巴竺X10，
亘邑60t
式中nmax=眷空（r/m）；
%360
――为传动系统各部件惯量折算到电机轴上总等效转动惯量（kgLcm2）
七-Js+Jl+Jg+Jm；
Js――丝杠的转动惯量
兀LPd。
4
Js-
32
式中L=1•仔L0+（10L14）Ph
d0丝杠公称直径
P――材料密度
Jl――联轴器的转动惯量
Jg工作台折算到丝杠上的转动
Mka=35.1N|_cm
nmax=600
2
七=27.95kg/cm
Js=4.17kg/cm2
L=1390mm
JL=18kgLcm2
2
Jg=1.08kg/cm
（2）空载摩擦
力矩MKf
（3）附加摩擦
力矩M0
空载启动力矩
Mkq
名义启动转矩
惯量Jg-（J）务
2兀
式中mi工作台总质量
Jm电动机转子的转动惯量
2
名电机最大加速度（rad/s）
t——静止部件从启动到最快速度的
加速度时间（S）；
Gf'l
MKf=—（NLcm）2叭
式中G运动部件总重力（N）
f导轨摩擦系数
n=0.7――系统传动总效率
L。
一一滚珠丝杠的基本导程
i齿轮传动降速比
皿0=警（—2）（NLcm）2眄
1
式中Fyj预紧力FYjFm
3M
n0丝杠未预紧时的传动效率
Mkq=Mka+Mkf+M0（NLcm）
Mmq—AnMjmax
m=170kg
查表得
2
Jm=4.7kg/cm
t=0.5
MKf=28.42N[cm
G=1666N
f'=0.15
n=0.7
L°=0.5
i=1
M0=2.38NLcm
FYj=121.7N
S=0.91
Mkq=65.9Nl_cm
Mjmax=392N「cm‘
Mmq
Mmq=784N|_cm2
九=0.5
Mkq兰Mmq=^Mjmax
合格
5
启动矩频特性
校核
上面的计算仅仅是检查电机的最大静转矩是否满足要求，但不能保证电机在快速启动时不失步，需要对启动矩频特性进行校核。
由于突跳启动过程极短，加速度力矩很大，启动时丢步是不可避免的。
因此，突跳启动很少使用。
这里我们使用升速启动方式。
如图所示：
根据空载启动力矩Mkq查手册，找到对应的允许启动频率约fkj=1500H最大频率：
fmax=^00严
606p
为了使fkj每个阶段的启动频率仅为最高启动频
率的1/2,即1190Hz
fmax=2380HZ
6
运行矩频特性校核
（1）快速进给运行矩频特性校核
快进时的最高运行频率：
1000vmax
fmax=—=2380HZ
60&p
（2）工进运行
矩频特性校核
快速进给时已经不存在加速力矩项
Mka，并且一般快速进给时处于空载状态，快速进给时步进电机运行所需力矩：
Mkj=Mo+Mkf
其中：
Mo、Mkf分别与上面的M。
、Mkf相
同。
查运行矩频特性曲线，得fkjCfykj，
MkJ£Mykj
工进时，步进电机的运行频率：
1000vG
GJ606P
工进时步进电机运行所需力矩：
MGj=M0+Mf+Mt
其中：
Mo、Mf分别与上面的Mo、Mkf相
同。
Mt=（NLem）
t2曲/
查运行矩频特性曲线，得
MgJVMyGJ,运行矩频特性满足。
故
选用110BF003满足要求。
MKJ=54.4NLemfGj=2380Hz
MGJ=95.89NLem
Mt=41.5NLem
合格
3.4联轴器的校核
序号
计算名称
单位
计算公式及说明
结果
初选用YL1式凸缘联轴器，其公称转矩T=lON[m，由上面的计算易得
1
YL1联轴器
出：
MgjVT，故联轴器满足设计要
求。
合格
3.5键的选用与校核
序号
计算名称
单位
计算公式及说明
结果
1
平键的选择
平键在轴端选C型键
2
键的型号
电机输出轴上的键,
型号
C375
C375
丝杠输入端上的键，
型号
C6x52
C6x52
3
键的校核
4T
=
型号C3汇25键上
pdhl
的
式中T=Mgj
tip=4.5N|_mm
,b
l=L—-
2
型号C6><52键上
满足条件CTp兰[O'
p]
的erp=1.2N|_mm
满足条件
合格
3.6增量式旋转编码器的选用
序号
计算项目
单位
计算依据
计算结果
1
ZLK-A-60-05
V0-8-H型编
ZTJ叭码器
编码器把角位移或直线位移转换成电信号。
所选步进电机米用半闭环控制，可在电动机尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转速。
增量式旋转编码
升级会员 