机电传动单向数控平台设计.docx

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1、机电传动单向数控平台设计专 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日目录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：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。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。培养学生掌握机电产品设计的一

2、般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。L 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、1200 mm；移动负载质量100、50 kg；负载移动阻力100、50 N；移动速度控制3、6 m/min；1 . 3设计的基本要求方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上

3、，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。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）。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）。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。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

4、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

5、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

6、/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

7、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1000V、1小脉冲的干扰，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

8、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：(1)电机驱动方式：步进电机机械传动方式：滚珠丝杠(3)电气控制方式：PLC控制功能控制要求：速度控制主要设计参数：单向最大工作行程一一1200mm；工作台重量70kg移动负载质量一一100kg；负载移动阻力100N；移动速度控制3m/min选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数 =0.15；丝杠材料初选钢材为42G其HRC为5860。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

9、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导轨摩擦力NFlt = (叫 +，)g = 0.15x(100 + 70)x9.8式中叫一工作台重量m2 移动负载质量二0.152502轴向载荷和心力和等效轴向载荷就NFxmKFx+（Fz+G）K=1.15Fx负载移动阻力x max - Rn3653计算动载荷QN、瓦玛,右风。一kmA式中K.寿命系数&=森严Lh工作寿命kf载荷系数kh动载荷硬度影响系数g短行程系数K.一一转速系数Kn=(yin2838/t = 15000hKy.2K二1.0K=l. 0K二3.114初选滚珠丝杠根据动载荷查表15-26初选滚珠丝杠副型号规格为FF

10、ZD2505其基本参数为：FFZD2505螺纹公称直径d0= 25加加导程Ph = 5 mm钢球直径= 3.5mm圈数x列数Jx= 1 x34=0.52。0 = 1.82 (单圆弧)d() = 25 mmph = 5 mmD、 = 3.5mm= 1x3r = l.S2mm5螺旋的导程角4O2 = arctan叫2 = 3.646基本额定动载荷ca校核NCa = fc(jxk cos a)Q1 tan am2/3DHL8m每圈中钢球的个数7rdm =Dwcos 2j每列工作圈数j=lk每个螺母的循环列数a 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45D”钢球直径f

11、c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15-26C,二uooonJ=1k=3a =45Q =3. 5所以动载荷满足条件7静载荷校核N基本额定静载荷Coa = fjkmD： sin a系数几：当a = 45 ,工= 0.52时，63.7；含= 0.55,九二41. 16Coa = KF.KH.Fkh静载荷硬度影响系数coa= 429 Coa= 27000满足静载荷条件查表15-26C =45200NUT = 229当量应力Mpb = j（冬）2+3（二）2乃（V0.2d23d,丝杠的螺纹底径d, =d +2e-2r4J3e滚道圆弧偏心距1.055=21.46e = 0. 05

12、10强度条件b4b = 100150a丝杠材料的许用应力(Mp司=100150 t丝杠满足强度条件11轴向载荷F产生的轴向变形量当mm丝杠采用两端固定的方式F“L - Lj)盘二叩式中：EALL.丝杠两支撑间的距离(nun)L丝杠的计算长度，指尸和丁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 = 227x1()5(Mp)A丝杠的计算截面面积A = -(d - )u,)2 / 4(mm)=8.33xl0-4L j =1200n)niL=1600mmE = 2.07xl05(Mp)A =363 mm212转矩T产生的轴向变形量多mmT 27rGIpph丝杠的螺纹导程/ 一一丝杠计算截面

13、的极惯性矩，人=0 -2)4/32G丝杠材料的切变模量，钢材的G = 8.3x104多=L74xK)yPh =5=2.1x104G = 8.3xl0412轴向载荷F使钢球与螺旋滚道间产生的轴向变形量aMm因为一乙=0.52,而且有预紧，所以%=0.3x10-3x2式中Z(&)3钢球直径z一一工作螺母中的钢球总数Z = mjk m = /rd /(Dw cos A)耳预紧力，一般取4Kz载荷分布不均匀系数，一般取s=1.2 1.3=2.73x10-4展工5Z=69口23/ 二1.313轴向总变形量mm8 = Sf. + Sr + 8a5 = 1.28乂10-314丝杠的轴向刚度N/mmk _FS =2.85x10515刚度条件K/一一丝杠允许的轴向刚度%= (18 20)xlO4讣颔满足刚度条件16临界转速r/mi n -2式中2/pp密度，对于钢性丝杠p = 7.8xlO6Kg/?z/z3/螺杆两