基于PLC控制步进电机的数控滑台课程设计1.docx

课程设计（学年论文）说明书课题名称： 基于PLC的单轴数控伺服滑台设计 专业班级： 10机械设计制造及其自动化 01 班 小组成员：刘佳（1003010116） 张威（1003010136） 张云霄（1003010137） 学生成绩：指导教师：胡 帮 友 课题工作时间：2013年12月30日 至 2014年1月10日武汉工程大学教务处 制目录摘要2一、滑台整体方案图2二、数控滑台的总体设计方案32.1滑台设计32.2运动设计32.3滚珠丝杆副的尺寸计算与参数选用42.3.1滚珠丝杆副简介42.3.2滚珠丝杆副的消除间隙和预加载荷52.3.3滚珠丝杆副的结构62.3.4滚珠丝杆副的尺寸计算6A.根据定位精度要求确定脉冲当量选择步距角6B.根据电机的最高运行频率及步距角，确定电机最高转速72.3.5滚珠丝杠计算、选择7i.导程的选择7ii.平均转速8iii.平均载荷Fm8iv.时间寿命与回转寿命8v.额定动载荷9vi.预紧载荷9vii.丝杆公称直径9viii.丝杆初选10ix.丝杆螺纹长度101)丝杆刚度102)螺母刚度113)支承刚度114)轴向总刚度112.6轴承的选定112.7联轴器的选择12三、电机的选定13(一)驱动转矩13(二)由预加载荷产生的转矩13(三)惯性加速转矩13(四)总转矩的计算14(五)驱动器的选择14(六)行程控制14(七)进给速度控制14(八)进给方向控制14四、直线导轨的选定15a)导轨的选择15b)光栅传感器的设计16五、PLC控制系统的设计17(I)控制系统的设计方案17设计任务和要求如下设计任务和要求如下：18I/O接口规格18接线图19PLC控制的安装接线图19梯形图19指令程序20(II)PLC控制系统的接地方法20参考文献20基于PLC的单轴数控伺服滑台设计摘要随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程PLC（可编程控制器）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,在工业上有着广泛的应用。论文介绍了步进电机的工作原理和控制原则,以及步进电机的驱动器工作方式。光栅尺传感器系统主要应用于直线移动导轨机构或精密位移量的测量，可实现移动量的高精确显示和自动控制，已广泛应用于机床加工和仪器的精密测量。本系统简单实用，成本低，完全满足系统的控制要求，具有很好的实用性,本文还将给出一些必要的系统设计资料，供参考之用关键词：PLC、步进电机、光栅尺一、滑台整体方案图二、数控滑台的总体设计方案2.1滑台设计1.滑台对数控滑台而言，主要是纵横方向两个坐标的传动，根据设计任务要求，决定采用点位控制，用伺服电机驱动的开环控制系统，这样可以使控制系统简单，成本低，调试维修容易，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚珠滚动导轨，为尽量消除齿侧间隙。1.交流伺服电机-交流电动机与直流伺服电机相比，交流电动机输出功率可比直流电动机提高1070，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。2.联轴器采用机械式结构的联轴器，这种联轴器的特点是大扭矩承载、高扭矩刚性和卓越灵敏度；免维护、超强抗油和耐腐蚀性；零回转间隙；体积小巧的联轴器，总长度短，结构简单。3.滚珠丝杠选用的滚珠丝杠精度高，并通过使用高纯净度的合金钢并采取特殊的表面热处理方式，使产品具有优异的耐久性。4.丝杠螺母座采用径向安装尺寸小，安装简便的丝杠螺母座。5.滑鞍采用田字格结构，彻底减轻滑鞍的重量。2.2运动设计数控机床半闭环进给系统如下在图a中，伺服电动机2经齿轮副3（或同步齿形带副），滚珠丝杆4拖动工作台5。反馈装置1与电动机轴相联，发出反馈信号。图b与图a基本相同，但反馈装置在丝杆的端部。在图c中，伺服电动机直接与丝杆联接。图a和图c的优点是可以把反馈装置（如旋转变压器、测速发电机、脉冲编码器）等装在伺服电动机内，成为一个部件。图b的优点是齿轮等传动副3处于半闭环之内，其传动误差可由反馈校正。2.3滚珠丝杆副的尺寸计算与参数选用2.3.1滚珠丝杆副简介数控机床为了提高进给系统的灵敏度,定位精度和防止爬行,必须降低摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杆副。滚珠丝杆副的传动效率高达85%98%,是普通滑动丝杆副的24倍。滚珠丝杆副的摩擦角小于1,因此本能自锁。如果滚珠丝杆副驱动升降运动(如主轴箱或升降台的升降),则必须有制动装置。滚珠丝杆可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。滚珠丝杆的特点主要有：（1）传动效率高在滚珠丝杆副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杆与螺母之间传递。这一传动方式取代了传统螺纹丝杆副的丝杆与螺母间直接作用方式，因而以极小滚动摩擦代替了传统丝杆的滑动摩擦。使滚珠丝杆副传动效率达到90%以上，为滑动丝杆副的24倍，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杆的1/3左右，发热率也因此得以大幅降低。（2）运动平稳滚珠丝杆副在工作中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。所以滚珠丝杆副运动平稳，启动时务颤动，低速时无爬行。（3）可以预紧通过对螺母施加预紧力能消除丝杆副的间隙，提高轴向接触刚度，而摩擦力矩的增量却不大。（4）定位精度和重复定位精度高由于前述的三个特点，滚珠丝杆副发热率低,温升以及在加工过程中对丝杆采取预紧拉伸并预紧消除轴向间隙等措施,因此采用精密滚珠丝杆副时可以获得较高的定（5）使用寿命长滚珠丝杆和螺母均用合金钢制造，螺纹滚道经热处理（硬度HRC5862）后磨至所需的精度和表面粗糙度，具有较高抗疲劳的能力。滚动摩擦磨损极微，因此具有较高的使用寿命和精度保持性。实践证明，使用寿命约为普通滑动丝杆副的410倍，甚至更高。（6）同步性好由于滚珠丝杆副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的部件或装置时，由于反应灵敏，无阻滞，无滑移，可以获得较好的同步运动。（7）使用可靠，润滑简单，维修方便与液压传动相比，滚珠丝杆副在正常使用条件下故障率低。维修保养也极为简单，通常只需进行一般的润滑和防尘。（8）不自锁由于滚珠丝杆副的摩擦角小，所以不能自锁。当用于竖直传动或需急停时，必须在传动系统中附加自锁机构或制动装置。（9）传动可逆性滚珠丝杆副没有滑动丝杆粘滞摩擦，消除了在传动过程中可能出现的爬行现象，滚珠丝杆副能够实现两种传动方式将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力。2.3.2滚珠丝杆副的消除间隙和预加载荷滚珠丝杆可以消除反向间隙。为了提高刚度，还可使它在过盈的条件下工作，即可以预加载荷，或称预紧。消除间隙和预加载荷有很多方法。在机床上常用的是双螺母法。把左、右螺母往两头撑开，左、右螺母接触方向相反。左、右螺母装在一个共同的螺母体内。这就可使螺母作为一个整体，与丝杆间处于无间隙或过盈状态以提高接触刚度。常见的消除间隙和预加载荷的方式有双螺母式和齿差式。本设计采用的是双螺母垫片预紧的方式。滚珠丝杆的预紧是根据下述原则确定的：如在预紧后的滚珠螺母体上受一个外载荷F，方向为向右，则右螺母4的接触变形（指螺母滚道-钢珠-丝杆滚道沿接触线的变形）加大，左螺母则减小。F大到某种程度，可使左螺母的接触变形减小到零。如果F再加大，则左螺母与丝杆间将出现间隙，影响定位精度。可以证明，使不受力侧的螺母接触变形降至零的外载荷F，约等于预加载荷0F的3倍，（准确值为2.83倍），F=30F。因此，滚珠丝杆的预加载荷的0F，应不低于丝杆最大轴向载荷的1/3。预紧后的刚度，可提高到为无预紧时的2倍。但是，预加载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大。通常，滚珠丝杆在出厂时，就已由制造厂调好预加载荷。预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷aC有一定的比例关系。2.3.3滚珠丝杆副的结构滚珠丝杆副的结构主要有内循环和外循环两种方式。本设计采用内循环（浮动反向器）方式。其主要特性有：（1）滚珠返回通道短，不受负荷的滚珠最少，滚珠间摩擦损失小，提高了传动的灵敏度；（2）螺母径向和轴向尺寸较小；（3）返回器刚性高，滚珠循环装置有较高的可靠性；（4）返回器在螺母返回孔内自由浮动，返回器回路与螺母螺纹滚道的对接可以自动调整，滚珠在返回循环过程中摩擦阻力小，传动平稳，定位精确；（5）返回器如用工程塑料制作，则吸振性能好，耐磨，噪声小，一次成型，工艺简单，成本低。本设计采用双螺母垫片预紧的方式。双螺母预紧的特点有：（1）修磨垫片来改变两个螺母间的轴向距离。分为拉伸预紧和压缩预紧两种。本设计采用拉伸预紧的方式。（2）结构简单，调整片做成两半，修磨时不需拧下螺母。调整后不易松动，刚度高。2.3.4滚珠丝杆副的尺寸计算A. 根据定位精度要求确定脉冲当量选择步距角根据经验，初步选择导程为5mm的丝杆；本系统中的定位精度均为0.025mm，因此脉冲当量均取=0.025mm/Hz，为脉冲当量为0.025mm/hz；i为传动比a=360iP因为本滑台的滚珠丝杠和电机是用联轴器直接相连，故i=1，可得步进电机步距角=0.9根据快速进给速度，确定电机的最高运行频率vmax=60fmax1000vmax为工作台运行最高速度（m/min）；fmax为步进电机最高运行频率（Hz）。代入工作台最快进给速度60m/min，脉冲当量0.025mm/Hz计算得maxf=40000HZB. 根据电机的最高运行频率及步距角，确定电机最高转速nmax=fmax360计算可得nmax=2400r/min2.3.5滚珠丝杠计算、选择i. 导程的选择丝杆的导程必须满足下式Ph0为导程（mm）Vmax为工作台运行最高速度（mm/s）；nmax为电机最高转速（r/min）;I为传动比;代入数据得导程Pho5mm，故取PB=5（mm）ii. 平均转速由于我们要选择的丝杆的运转方式为无切削方式，由上表可知取丝杆平均转速nm=1400r/min由于我们要选择的丝杆的运转方式为无切削方式，由上表可知取丝杆平均转速nm=1400r/miniii. 平均载荷Fm轴向载荷Fa=Fw+FFw为摩擦阻力，Fw=mg其中m=10kg，取0.2;F为切削阻力，为0;计算可得Fa=19.6N;故平均载荷Fm=Fa=19.6Niv. 时间寿命与回转寿命工作寿命为5年，一年工作300天，每天工作6小时，因此工作寿命Lh=5*300*6=9000（小时）回转寿命L=Lh*nmax*60*I=6480000000rv. 额定动载荷Fw为载荷系数，此处为普通运动，由下表取Fw=1.4计算可得Ca=4240.21N故选丝杆时，丝杆的额定动载荷Ca应该大于等于4240.21Nvi. 预紧载荷Fao=Fa/3=19.6N/3=6.53N其中Fa为轴向载荷vii. 丝杆公称直径丝杆临界转速nk=2400*50.8=3000r/minln为临界长度，取350mmfnk为支承系数，当支承方式为固定-支承时，取18.9计算可得d2=1.97mm故所选的丝杆的底径d2应大于等于1.97mmviii. 丝杆初选综上可知，我们要选的丝杆应满足：导程Pho5mm底径d29.7mm额定动载荷Ca2420.21N又根据所设计的二维滑台的精度等设计要求，我们初步选取的丝杆型号如下NFSG2053.53P2l2*l1ix. 丝杆螺纹长度l1=lu+2lelu为有效行程，为350mmle为余程，根据导程PB=5mm和下表可知le=20mm计算可得l1=390mm故丝杆螺纹的长度不得小于390mm加上丝杆螺母总成的一半21.5mm（螺母总长为43mm）得丝杆螺纹长度411.5mm，在此取丝杆螺母长度为l1=430mm。则轴承之间的距离la=430mm。加上轴承安装长度和与联轴器的连接长度，取丝杆长度为500mm故丝杆编号为：NFSG2053.53P25004302.3.6滚珠丝杆传动系统刚度1) 丝杆刚度当ls1=lk时，Rs为最小值，一般情况下计算最小刚度值Ra=165*（d0-0.707Dw）2Lst可得Ra=144.8N/min此时计算轴向弹性变形量s=FaRs计算可得s=0.14m2) 螺母刚度Rnu=0.8*R*（Fs0Ca）1/3Ca=10033NFs0=1/3Fa=6.5N刚度计算系数取0.1（垫片预紧）计算可得Rnu=45.8N/mnu=FaRnu计算可得nu=0.43m3) 支承刚度查表可得RaL=1020N/mal=FaRal计算可得aL=0.019m4) 轴向总刚度1Rtot=1Rs+1Rnu+1Ral计算可得Rtot=33.65N/mtot=s+nu+al计算可得tot=0.589m2.6轴承的选定轴承跟丝杆的配合方式是过盈配合，根据丝杆内径（20mm），选取内径为20mm的轴承。支承方式选用“固定游动”型。在固定端固定端采用一对深沟球轴承，型号如下：新标准6203 ，尺寸为：轴承系列：深沟球轴承内径d：17mm外径D：40mm厚度B：12mm材质：轴承钢载荷方向：向心或径向或二者皆可 内外径尺寸：17*402.7联轴器的选择联轴器的结构原理及型号选择一般机械都是由原动机、传动机和工作机构组成，这三部分必须联接起来才能工作，而联轴器就是把它们联接起来的一种重要装置。联轴器主要用于两轴之间的联接，它也可用于轴和其它零件（卷筒、齿轮、带轮等）之间的联接。它的主要任务是传递扭矩。根据被联接两轴的相对位置关系，联轴器可分为刚性、弹性和液力三种。刚性联轴器用在两轴能严格对中，并在工作时不发生相对位移的地方；弹性联轴器用在两轴有偏斜或工作中有相对位移的地方；液力联轴器是用液体动能来传递功率，用在需要保护原动机不遭过载损坏而又可空载起动的地方。几种常用的联轴器：一、刚性联轴器刚性联轴器不具有补偿被联接两轴轴线的相对偏移的能力，也不具备缓冲减震性能；但刚性联轴器的结构简单、价格便宜。适用于载荷平稳、转速稳定、轴的刚性较大、且能保证被联接两轴轴线相对偏移极小的情况下。凸缘式联轴器套筒联轴器夹壳式联轴器联轴器型号的计算及其选则：公式：TC=KTT1.名义转矩T（Nm）名义转矩T=9550pn=9550*0.42400=1.592Nm2.计算转矩TC考虑机器启动时的弹性力和过载等影响，应将名义转矩修正为计算转矩。联轴器的计算转矩TC（Nm）可按下式计算：TC=KT式中K的工作情况系数为1.251.5则Tc=1.25*1.592=1.99Nm据机械设计课程设计表17-2选择凸缘联轴器（GB5843-86），所以联轴器选择的型号为：YL3-YLD3型 确定联轴器的型号需满足TcT T为了联轴器的额定转矩Tc=1.99NmT=25Nm满足要求校核联轴器最大转速：联轴器工作时的转速应满足nmaxnn为联轴器的额定转速nmax=24004时，因此大型生产线应对此予以充分考虑采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数。在PLC对步进电机的控制中,需要根据下面计算出3个参数:脉冲当量=(步进电机步距角螺距)/(360传动速比)脉冲频率上限=(移动速度步进电机细分数)/脉冲当量最大脉冲数量=(移动距离步进电机细分数)/脉冲当量根据这3个参数,才能计算出相应的控制数据。步进电机的控制以开环控制居多。如果用光栅尺做速度或位置反馈,结合PLC的高速脉冲计数功能,就可实现半闭环控制本系统由欧姆龙CPM1A控制器、和森创60CB040C-010000型交流伺服电机、和MS0040C型号的驱动器、欧姆龙区域传感器 F3W-D052A光栅尺、西门子TP170人机界面组成。系统框图如图所示 设计任务和要求如下设计任务和要求如下：1、任务：工作台来回往复运动由伺服电动机带动蜗轮驱动工作台，工作台速度和方向由限位开关SQ1SQ4控制。工作台循环工作过程为：工作台起动向右移动工进减速至换向左移快速返回减速至换向进入正向工作状态。2、要求：（1）电气原理图设计，工作方式设置为自动循环、点动二种。（2）PLC梯形图设计，工作方式设置为自动循环、点动、单周循环和步进四种。（3）有必要的电气保护和联锁。（4）自动循环时应按上述顺序动作。I/O接口规格 接线图 PLC控制的安装接线图 梯形图 指令程序(II) PLC控制系统的接地方法1.由于PLC机柜和操作台、配电柜等用电设备的金属外壳及控制设备正常不带电的金属部分，由于各种原因（如腐蚀、绝缘破损等）而有可能带危险电压，所以应该进行保护接地，低于36V供电的设备，无特殊要求可不做接地保护。2.PLC控制系统中的基准电位是各回路工作的参考电位，基准电位的连接线称为系统地，通常是控制回路直流电源的零伏导线，系统接地的方式有浮地方式、直接接地方式和电容接地方式。3.为防止静电感应和磁场感应而设置的屏蔽接地端子应做屏蔽接地。其中信号回路接地和屏蔽接地又通称为工作接地参考文献1. 孙波主编.毕业设计宝典.西安电子科技大学出版社，20082. 蒋秀珍主编.精密机械结构设计.清华大学出版社.20103. 冯浩 王建新 赵书尚主编.机电一体化系统设计.华中科技大学出版社.20094. 王昆 何小柏 汪信远主编.机械设计课程设计.高等教育出版社.19965. 濮良贵 纪名刚主编.机械设计.高等教育出版社.20056. 李雪梅主编.数控机床.北京电子工业出版社，20047. 冯辛安主编.机械制造装备设计.机械工业出版社.20058. 冯清秀 邓星钟编著.机电传动控制.华中科技大学出版社.20119. 电机及驱动产品规格型号一览表（森创）10. 上银直线导轨技术手册成绩评定： 指导教师评语： 指导教师签字： 2014年 1 月 10 日项 目比重评价项目比重评价开题报告10工作量、工作态度20实践能力20分析、解决问题能力20质 量20创 新10得分答辩记录：八、答辩意见及答辩成绩 答辩小组教师（签字）： 2014年 1 月 10 日九、总评成绩： （教师评分75% + 答辩成绩25%） 75% + 25% =24