机械电子课程设计单向数控平台设计Word格式.doc
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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（A0一张）。
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（A1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，与微机接口相接比较容易；
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。
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：
螺旋丝杠
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——500mm；
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——6
选用矩形导轨；
工作台滑动摩擦系数；
螺旋丝杠材料初选钢材为，其HRC为。
丝杠两端为固定支撑（F-F），每个支座安装两个的接触角推力球轴承，面对面安装，进行预拉伸。
总体结构图如下图所示：
3.机械传动系统设计及核算
3.1滑动导轨的简易选择
1、已知条件
单向行程长度：
ls＝500mm＝0.5m
移动速度：
6m/min
负载质量：
100kg
寿命要求：
每天开机8h，一年按300个工作日，寿命5年以上
2、动载荷计算
寿命：
行程长度寿命：
其中，n为每分钟往返次数：
次/min
所以：
h
所设计的平台上共有滑块数M=4，所以每根导轨上使用2个滑块。
故：
查表=0.81，=1，=1，=2，k为寿命系数，一般取k=50km。
因为，可得：
动载荷
通过以上计算，我们查阅相关手册，最后选用海宁金贸金属制品有限公司生产的HGH20CA型矩形直线滑动导轨副，其摩擦系数f=0.15。
3.2螺旋丝杠的计算
1、工作载荷F的计算
通过查阅相关资料，工作载荷Fm是指丝杠副在驱动工作台时承受的轴向力，也叫做进给牵引力，它包括丝杠的走刀方式及与移动体重力作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力，计算公式如下：
矩形导轨：
燕尾槽导轨;
三角形或综合导轨：
其中，分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N）；
G为移动部件的重力；
k和分别为考虑颠覆力矩影响的试验参数和导轨上的摩擦系数，因导轨形式不同而不同
对于矩形导轨：
K=1.1=0.15
对于燕尾导轨：
K=1.4=0.2
对于三角形或综合导轨：
K=1.15=0.15—0.18
选取梯形导轨所以：
=1.15*100+0.15*（100*9.8+70*9.8）
=232.6N
2、动载荷Q计算
动载荷的计算公式为：
其中，L为丝杠的寿命系数，单位为1×
转,;
为载荷系数，无冲击取1—1.2一般情况取1.2—1.5
本设计中受轻度冲击，故取=1.1；
T为使用寿命时间,数控机床，一般取T=15000h;
n为丝杠转速：
；
s为导程；
取s=6mm，v=6m/min，故n=1000r/min；
得
根据Q值对丝杠进行选择，并进行行管计算。
3、滑动螺旋计算
滑动螺旋副工作时主要承受转矩、轴向拉压力，设计时应根据具体工作情况，判定其失效形式，确定相应的计算准则。
滑动螺旋副的主要失效形式是磨损，故螺杆的直径和螺母的高度通常是按耐磨性计算确定的。
传力较大或受冲击载荷的传力螺旋，应校核螺杆危险截面的强度及螺母螺纹牙的剪切和弯曲强度。
对精度要求较高的受压螺杆，因其易产生侧向弯曲，需校核其稳定性。
长径比较大，转速又较高的螺杆，可能发生横向振动，应校核其临界转。
对有自锁要求的螺旋传动，要验算其能否满足自锁条件。
在进行滑动螺旋计算之前，要先选择螺纹，螺纹有梯形、锯齿形、圆形、矩形、三角形等，各有各的特点，在这里选用比较常用的梯形螺纹，其特点为：
牙型角为30度，内外螺纹以锥面贴紧不易松动，与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好；
如用剖分螺母，还可以调整间隙。
下面开始计算：
一、耐磨性
（1）螺杆中径（mm）
其中，为螺纹形式系数（梯形螺纹），取=0.8；
为轴向力，即为Q；
为螺母长度L与螺杆中径之比，选整体式螺母，故=1.5；
为许用压强，通过查表选择：
螺杆螺母材料为钢—耐磨铸铁，得=8MPa
故
（2）公称直径d和螺距P
根据上式算出的按螺纹的标准基本尺寸系列选取相应的d和P，经查表可选出：
公称直径：
d=16mm，螺距：
p=4mm，取=d-0.5*P=14mm
材料选择：
丝杠材料45钢（不淬火）加工性能好。
轴颈处可局部热处理淬硬至40—50HRC,于一般传动螺母采用耐磨铸铁。
（3）导程S
选取线数Z=1，因为螺距P=4mm，故导程S=Z×
P=4mm。
（4）螺母旋合长度L
螺母旋合长度L==1.5×
14=21mm。
（5）旋合圈数m
=21/4=5.25
（6）螺纹工作高度
因为是梯形螺纹，所以=0.5P=2mm
（7）螺纹相关参数：
=2.25=11.5Z=0.25P=/2=1=0.5=0.125==0.25=16.5=12--牙顶间隙
牙顶间隙P=1.5,=0.15;
P=2—5,=0.25;
P=6--12=0.5;
P=14—40,=1
=2588.11/（3.14×
14×
2×
5.25）=5.6Mp
（8）压强校核：
因为=8，即校核合格，所以说设计正确。
二、验算是否自锁
（1）螺纹升角
（2）当量摩擦角
通过查表，可得
滑动摩擦系数（定期润滑）：
=0.10
牙型半角
故
（3）反行程自锁条件
通过以上计算可知：
，满足自锁条件，故此设计可自锁。
三、螺杆强度
（1）螺杆传动的转矩T（N·
mm）
（2）当量应力（MPa）
因=11.5
（3）强度条件
因为螺杆材料：
45钢调质，故可查表得：
材料屈服极限=340~360MPa，选360MPa；
[]=0.2~0.33，则[]=0.3×
360=108MPa；
所以，[]=108，校核通过，说明设计正确。
四、螺纹牙强度
（1）螺纹牙底宽度b（mm）
因为是梯形螺纹，故b=0.65p=0.65×
4=2.6mm
（2）剪切：
剪切应力（MPa）
螺杆：
=2528.11/（3.14×
11.5×
2.6×
5.25）
=5.13MPa
螺母：
=2977.57/（3.14×
=4.2131MPa
强度条件为：
螺杆为钢，许用剪切应力=0.6=64.8MPa
螺母为耐磨铸铁，许用剪切应力=40MPa
5.13<
64.8，4.2131<
40Mpa
故校核通过，说明设计正确。
（3）弯曲：
弯曲应力（MPa）
=3×
2528.11×
2/（3.14×
=11.836MPa
16×
=8.51MPa
为许用弯曲应力；
螺杆为钢，许用弯曲应力=108MPa
螺母为耐磨铸铁，许用弯曲应力=50MPa
满足，说明螺纹牙强度足够，设计正确。
五、螺杆的稳定性
（1）柔度
其中，为长度系数：
=0.5（两端固定）；
L为螺杆的最大工作长度：
L=800mm；
故=4×
0.5×
800/11.5
=139.13
（2）因螺杆采用非淬火钢所以
当>
90时
故
（3）稳定性合格条件
证明稳定性合格，设计正确。
六、螺杆的刚度
（1）轴向载荷F使每个螺纹导程产生的变形量为（mm/m）
其中，E为螺杆材料的弹性模量，查表得：
E=2.07MPa
故/m
（2）转矩T使每个螺纹导程产生的变形量（mm/m）
其中，G为螺杆材料的剪切模量：
G=
故
（3）每个螺纹的总变形量
因为本设计中轴向载荷F与运动方向相反，故取“+”，则
（4）单位长度变形量
在本设计中，取精度等级为七级，，故可知
螺杆刚度合格，说明设计正确。
七、螺杆的横向振动
（1）临界转速（r/min）
其中，L为螺杆两支承间距离mm，取L=1200mm
为支承系数（两端固定）：
=4.730
为密度：
钢的
故
（2）工作转速n的校核
由以上条件可知：
工作转速n=1000r/min，则
满足要求，合格。
八、动力计算
（1）驱动功率P（KW）
其中，T：
螺纹传动中主动件上的转矩（N·
mm）；
n：
螺纹传动中主动件上的转速（r/min）；
F：
螺纹传动中移动件的轴向力（N）；
V：
螺纹传动中移动物件的线速度（mm/s）；
：
从动力源到螺旋传动主动件的机械效率；
螺旋传动的正行程效率；
而
=46.34%
从动力源到螺旋传动主动件之间只有一对轴承和一个联轴器，故
×
0.98
得：
3.3滚动轴承选用、校核
初选轴承为的角接触球轴承，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
N
1666
2
轴向外载荷
365
3
轴承支反力
833
4
轴承派生轴向力
查表10.7（机械设计），得
583.1
5
轴承所受的轴向载荷
因为，则
948.1
6
计算轴承所受当量动载荷
因为轴承工作时有中等冲击，查表载荷系数
因为且，所以
查表10.5得x=0.41，y=0.87
1632.92
7
基本额定动载荷
式中——轴承预期计算寿命
——寿命指数
——温度系数
13586.5
=16000
8
选用轴承
根据基本额定动载荷，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，其基本参数如下：
基本尺寸d=20,D=47,B=14,a=14.9
安装尺寸，，
7204AC
d=20
D=47
B=14
a=14.9
9
计算寿命
——额定动载荷
17506
=14000N
轴承合格
3.4步进电动机的选择与校核
计算公式及参数说明
脉冲当量的确定
根据设计位置精度要求（），初取脉冲当量为
0.1
步距角
初选电动机型号时步距角与传动比i应满足，取步距角为，为了使结构简单，提高精度，这里取，
满足
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，最大精度转矩。
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
110BF003
YL1式凸缘联轴器
矩频特性
（1）加速力矩
（2）空载摩擦力矩
（3）附加摩擦力矩
空载启动力矩
名义启动转矩
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
步进电机所需空载启动力矩
其中：
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；
为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；
为由于丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。
式中；
——为传动系统各部件惯量折算到电机轴上总等效转动惯量
——丝杠的转动惯量
式中
——丝杠公称直径
——材料密度
——联轴器的转动惯量
——工作台折算到丝杠上的转动
惯量
式中——工作台总质量
——电动机转子的转动惯量
——电机最大加速度
——静止部件从启动到最快速度的加速度时间（s）；
（）
式中G——运动部件总重力（N）
——导轨摩擦系数
——系统传动总效率
——滚珠丝杠的基本导程
——齿轮传动降速比
式中——预紧力
——丝杠未预紧时的传动效率
=0.5
=600
查表得
G=1666N
合格
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：
根据空载启动力矩查手册，找到对应的允许启动频率约
最大频率：
为了使，所以启动矩频特性满足要求，我们将分二个阶段启动，每个阶段的启动频率仅为最高启动频率的1/2,即1190Hz
运行矩频特性校核
（1）快速进给运行矩频特性校核
（2）工进运行矩频特性校核
快进时的最高运行频率：
快速进给时已经不存在加速力矩项，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：
、分别与上面的、相同。
查运行矩频特性曲线，得，
工进时，步进电机的运行频率：
工进时步进电机运行所需力矩：
查运行矩频特性曲线，得,运行矩频特性满足。
故选用110BF003满足要求。
3.5联轴器的校核
计算公式及说明
YL1联轴器
初选用YL1式凸缘联轴器，其公称转矩T=10，由上面的计算易得出：
，故联轴器满足设计要求。
3.6键的选用与校核
平键的选择
平键在轴端选C型键
键的型号
电机输出轴上的键，型号
丝杠输入端上的键，型号
键的校核
式中
满足条件
型号键上的
3.7增量式旋转编码器的选用
计算项目
计算依据
计算结果
ZLK-A-60-05
VO-8-H型编码器
编码器把角位移或直线位移转换成电信号。
所选步进电机采用半闭环控制，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。
增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。
由于步距角为，可知电机转动一转时需要控制系统发出
=240个步进脉冲，考虑到增量式选择编码器输出A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此分辨力选用60线。
这样控制系统每发出一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。
这里我们选择ZLK-A-60-05VO-8-H型编码器。
4.电气控制系统设计
步进电机是一种特殊的机电元件,不能直接接到交直流电源上工作,必须使用专用的驱动器。
步进电动机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率。
环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲信号，并按步进电动机工作方式要求的各相脉冲信号状态顺序产生各相导通或截止的信号，但是环形分配器的输出电流很小，不能直接驱动步进电动机，因此需要功率放大器实现对脉冲分配回路输出的弱信号进行放大，产生电机脉冲信号工作所需的激磁电流。
其控制流程如下图所示：
4．1环形脉冲分配器CH250
由于用软件环形分配器需要编写复杂的程序，而且占用计算机运行时间，故一般使用硬件或软硬件结合来实现。
硬件环形分配器的种类很多，有专用的集成电路，可以用JK触发器或D触发器构成，还可以用通用的可编程逻辑器件组成。
在这里，通常我们采用集成电路CH250。
CH250是国产的三相反应式步进电机环形分配器的专用集成电路芯片，通过其控制端的不同接法可以组成三相双三拍和三相六拍的不同工作方式。
⑴CH250管脚图如下所示:
⑵CH250主要管脚的作用：
J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端，三相双三拍工作时，若J3r＝“1”，而J3L＝“0”，则电机正转；
若J3r＝“0”，J3L＝“1”，则电机反转；
三相六拍供电时，若J6r＝“1”，J6L＝“0”，则电机正转；
若J6r＝“0”，J6L＝“1”，电机反转。
R2是双三拍的复位端，R1是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。
CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。
当脉冲CP由CL端输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。
CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降沿才起作用。
A0、B0、C0为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。
⑶CH250的三相双三拍接线原理图如下所示：
4.2功率放大器
单电压恒流源放大电路：
单电压恒流源放大电路如图所示，这个电路最大的特点是用晶体管的恒流源代替了外接电阻Rc，其中图中的恒流源连接在电源端，它的作用是给步进电机的绕组提供恒定电源。
图中晶体管v1，v2和L、Rl、D
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