机械电子方向专业课程设计-机电传动单向数控平台设计

机械工程专业机械电子方向专业课程设计说明书全套图纸加扣 3346389411或3012250582设计题目： 机电传动单向数控平台设 计 者： 班 级： 学 号： 指导教师： 2018 年 12月目 录 1设计任务31.1 设计任务介绍及意义31.2 设计任务明细32总体方案设计52.1 设计的基本依据52.2 可行性方案的比较52.3 总体方案的确定73机械传动系统设计83.1装置示意图83.2主要部件的结构设计计算83.2.1工作台的设计83.2.2导轨的选择93.2.3螺旋丝杠的设计计算103.2.4轴承的设计与计算163.2.5步进电机的选型183.2.6联轴器选择与校核203.2.7键的选择与校核224电气控制系统设计234.1 控制系统实现的功能234.2 控制系统的基本组成234.3 硬件选型计算234.2.1 硬件环形分配器原理234.2.2功率放大器的简要介绍254.2.3驱动器的选择254.2.4轴编码器的选择274.2.5 PLC的选择284.4 电气控制电路的设计284.5 软件设计及说明294.5.1 程序设计说明294.5.2 主程序流程图设计344.5.3 子程序流程图设计365.设计小结386. 附录38参考文献411设计任务1.1 设计任务介绍及意义通过课程设计培养学生综合运用所学知识和技能、提高分析和解决实际问题能力的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础上的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的目的在于：1、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，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知识领域。2、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。3、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。4、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1、设计内容为机电控制系统（典型机电产品）设计，其主要内容包括：1）机械传动结构设计；2）电气测控系统；设计内容必须包括实现一路速度或位置控制，控制精度要求：位置精度0.05mm(仅限链传动), 0.005mm, 0.001mm，速度精度0.5%，0.05%。课程设计题目：机电传动单向数控平台设计（1）电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；（2）机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；（3）电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；（4）功能控制要求：速度控制、位置控制；（5）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；负载移动附加阻力100、500 N；移动速度控制6、9、18 m/min；设计加(减)速度23m/s22、课程设计的基本要求：（1）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。（2）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、装配图（A2一张）及主要部件图(A3一张)。（3）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或A3图一张）。（4）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，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为12000字以上，设计图纸不少于两张。（5）用计算机绘图，打印说明书。（6）设计选题分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成； 2总体方案设计2.1 设计的基本依据机电传动单向数控平台是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电动机及拖动控制、检测等技术为一体的自动化设备。其基本组成包括机械传动系统、数控装置、伺服系统、反馈系统等。机械传动系统的主传动在数控平台上一般采用丝杆螺母机构。它是将旋转运动变换为直线运动，也可以将直线运动变换为螺旋运动。丝杆螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。滑动摩擦机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能，但其摩擦阻力打，传动效率低。滚珠丝杆机构虽然结构复杂，制造成本高，但最大优点是摩擦阻力小，传动效率高。数控装置是数控平台的核心。其功能是接受输入装置输入的数控程序中的加工信息，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，发出相应的脉冲送给伺服系统，使伺服系统带动机床的各个运动部件按数控程序预定要求动作。一般由输入输出装置、控制器、运算器、各种接口电路、CRT显示器等硬件以及相应的软件组成。数控装置作为数控机床“指挥系统”，能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。驱动机床执行机构运动的驱动部件，包括主轴驱动单元（主要是速度控制）、进给驱动单元（主要有速度控制和位置控制）、主轴电动机和进给电动机等。一般来说，数控平台的伺服驱动系统，要求有好的快速响应性能，以及能灵敏且准确地跟踪指令功能。数控机床的伺服系统有步进电动机伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统，现在常用的是后两者，都带有感应同步器、编码器等位置检测元件，而交流伺服系统正在取代直流伺服系统。反馈装置是闭环（半闭环）数控机床的检测环节，该装置可以包括在伺服系统中，它由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测数控机床坐标轴的实际移动速度和位移，并将信息反馈到数控装置或伺服驱动中，构成闭环控制系统。检测装置的安装、检测信号反馈的位置，决定于数控系统的结构形式。无测量反馈装置的系统称为开环系统。由于先进的伺服系统都采用了数字式伺服驱动技术（称为数字伺服），伺服驱动和数控装置间一般都采用总线进行连接。反馈信号在大多数场合都是与伺服驱动进行连接，并通过总线传送到数控装置，只有在少数场合或采用模拟量控制的伺服驱动（称为模拟伺服）时，反馈装置才需要直接和数控装置进行连接。伺服电动机内装式脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、测速机、光栅和磁尺2.2 可行性方案的比较采用闭环或半闭环方案的比较（精度、响应速度、可靠性、便捷性、经济性）（1） 电机驱动方式的选择。 伺服电机与步进电机在控制系统应用中均使用广泛，两者在驱动控制方式上也相似，均为脉冲与方向信号来控制，步进电机的控制方式为开环或半闭环控制，伺服驱动系统为闭环控制，控制精度更高，但系统结构也较步进电机复杂。步进电机完全可以满足本次设计所要求的控制精度以及响应速度，故选择步进电机较为合适。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。步进电机是一个可以进行数字角度转换的元件，也是一个实用能力很强的串行数模转换器。步进电机是一种过程控制的执行结构。通常也是仪表器件，数控车床中常用的运行控制元件。步进电机能够步进的最根本原因是应为步进电机特殊的机械结构错齿。通过错齿这一结构，能够让步进电机在各大领域的精确定位系统中广泛应用。步进电机主要性能特点：1)步进电机的位移的控制精度为其步进角的3%-5%，并且无累积误差；2)步进电机的工作温度较高，而其允许温度取决于磁性材料的退磁点；3)步进电机的力矩会随着电机转速的升高急速下降；4)在高速旋转的情况下，步进电机步进命令启动困难。（2）机械传动方式的选择有多种机械传动方式可供选择，包括滚珠丝杆、同步皮带、链传动等。每种方式各有其优缺点，本设计采用螺旋丝杠。螺旋丝杆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。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，效率低、速度低、精度也低，但刚性好、具有自锁功能，用于重载荷。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。由于本系统的负载阻力不是很高，同时考虑到经济的问题，选择螺旋丝杆。 导轨是机床的关键部件之一。其性能好坏将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。导轨设计应满足：导向精度、耐磨性、低速运动平稳性、刚度、结构简单、工艺性好、便于间隙调整、具有良好的润滑和防护等要求。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。导轨副的选用 决定选用矩形直线滑动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。（3）电气控制方式的选择电气控制方式PLC控制。特点：(1)可靠性高。由于PLC大都采用单片微型计算机，因而集成度高，再加上相应的保护电路及自诊断功能，提高了系统的可靠性。(2)编程容易。PLC的编程多采用继电器控制梯形图及命令语句，其数量比微型机指令要少得多。由于梯形图形象而简单，因此容易掌握、使用方便，甚至不需要计算机专业知识，就可进行编程。(3)组态灵活。由于PLC采用积木式结构，用户只需要简单地组合，便可灵活地改变控制系统的功能和规模，因此，可适用于任何控制系统。(4)输入/输出功能模块齐全。PLC的最大优点之一，是针对不同的现场信号(如直流或交流、开关量、数字量或模拟量、电压或电流等)，均有相应的模板可与工业现场的器件(如按钮、开关、传感电流变送器、电机启动器或控制阀等)直接连接，并通过总线与CPU主板连接。(5)安装方便。与计算机系统相比，PLC的安装既不需要专用机房，也不需要严格的屏蔽措施。使用时只需把检测器件与执行机构和PLC的I/O接口端子正确连接，便可正常工作。(6)运行速度快。由于PLC的控制是由程序控制执行的，因而不论其可靠性还是运行速度，都是继电器逻辑控制无法相比的。2.3 总体方案的确定综上所述，总体方案及参数初步设置如下：（1）电机驱动方式：步进电机（2）机械传动方式：螺旋丝杠（3）电气控制方式：PLC（4）功能控制要求：速度控制（5）主要设计参数：单向工作行程1800 mm；移动负载质量50kg；负载移动附加阻力100N；移动速度控制6 m/min；设计加(减)速度7/3m/s2系统工作原理：PLC控制步进电机的转速，步进电机驱动联轴器，从而驱动螺旋丝杠。数控平台固定在螺旋丝杠上，并通过导轨导向，随螺旋丝杠的运动而单向往返运动。控制原理图：3机械传动系统设计3.1装置示意图：螺旋丝杠 本机电传动单向数控平台组成参见上图，其具体主要包括由步进电机、螺旋丝杠传动装置、联轴器、滑动导轨以及工作台等部件构成。其对应的工作原理流程可以简化为下图所示。步进电机通过联轴器驱动螺旋丝杠往返运动，进而转换为工作台滑动导轨的单向移动。步进电机联轴器螺旋丝杠工作台3.2主要部件的结构设计计算计算及说明结果3.2.1 工作台的设计 选用矩形工作台，材料为HT200 设计工作台长宽高分别为260、230、64mm; 根据HT200密度为 7.4103 kg/m3则该工作台质量为 3.2.2 导轨的选择 采用两根直线滑动导轨副，每根导轨上有两个滑块每根导轨使用两个滑块，从机电一体化设计中表6-3-7可查得fc=0.81;工作温度低于100，由表6-3-5得fT=1;工作中有中等冲击但速度小于60m/min，由表6-3-8，可取fw=2;导轨副元件硬度在58HRC以上，取fH=1;代入式（6-3-8）可得 通过以上计算，我们查阅相关手册，最后选用米思米上银公司生产的HGH15CA型矩形直线滑动导轨副。3.2.3螺旋丝杠的设计计算 1、工作载荷通过查阅相关资料，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，因为选择的导轨为矩形截面，计算公式如下：矩形导轨 ： 其中， 分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷；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，取K=1.1 ， =0.15 2、计算螺旋丝杆的动载荷动载荷计算公式为 其中，L为丝杆的寿命系数，L=60nT/，单位为1106转，T为使用寿命时间，本设计中取与导轨相同寿命T=12000h 取丝杠导程s=6mm 得 为载荷系数，取=1.1，计算可得动载荷为 3、选择螺旋类型螺旋副的螺纹种类主要有梯形螺纹、锯齿形螺纹、圆螺纹、矩形螺纹、三角形螺纹。结合受力情况和使用场合等多种因素考虑，此处根据丝杠动载荷选用梯形螺纹。4、 耐磨性考虑（1）螺纹中径（mm） 为轴向载荷，为螺纹副许用压强，丝杆材料取钢，螺母材料取耐磨铸铁，得=6MPa，为螺母长度L与螺杆螺纹中径的比值，选整体式螺母，故取=1.5（2）公称直径d和螺距P根据上式计算出的按螺纹的标准基本尺寸系列选取相应的d和P，经查表可以选出：公称直径：d=32mm；螺距：p=6mm，取材料选择：梯形丝杆材料选用45钢调质，传动螺母采用较软材料且耐磨，选用耐磨铸铁（3）导程S选取线数Z=1，因为螺距P=6mm，故导程S=ZP=6mm（4）螺母高度HH=1.529=43.5mm（5）旋合圈数mm=H / P=43.5/6=7.25（6）螺纹的工作高度 （7）工作压强m5、验算自锁 （1）螺旋升角 （2）当量摩擦角 通过查表，滑动摩擦系数（定期润滑）：=0.12梯形螺纹牙型角=30，故 6、螺杆强度（1）螺杆传动的转矩T （2）当量应力 其中故 （3）强度条件螺杆材料为：45钢调质，查表得：材料的屈服极限为，选300；故7、螺纹牙强度（1）螺纹牙底宽度因为是梯形螺纹，故（2）螺母的抗剪强度螺杆剪切应力为： 螺母剪切应力为：螺杆许用剪切应力 螺母许用剪切应力可见，校核通过。（3）螺杆和螺母的抗弯强度螺杆的弯曲应力： 螺母的弯曲应力： 螺杆许用弯曲应力螺母许用弯曲应力可见，校核通过。综上所述，螺纹牙强度足够。8、螺杆的稳定性（1）柔度，其中长度系数（两端固定），工作行程=1800mm， 故螺杆材料45钢的比例极限p = 280Mpa，弹性模量则，显然(2)临界载荷使用欧拉公式计算其临界应力 其中螺杆危险截面的轴惯性矩(3)稳定性判定 说明稳定性合格.9、螺杆的刚度（1）轴向载荷使导程产生的变形 mm/m（2）转矩使导程产生的变形G为螺杆材料的剪切模量：G=（3）导程的总变形量，轴向载荷与运动方向相反时取正号。则（4）单位长度变形量在本设计中，取精度等级为7级，故可知，螺杆刚度合格。10、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=1800mm为支承系数(两端固定)：=4.730为密度：钢的 (2) 工作转速n的校核由以上条件可知：工作转速n=1000r/min，则 11、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(Nmm)；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 =36%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 得： 12、螺旋丝杆选型通过螺纹外径和螺距选择30度梯形丝杠(两端台阶型)，型号为MTWK32；再根据螺纹的公称直径和螺距选择圆法兰型丝杠螺母（右旋），型号为MTSFR32。k=50fH=1fT=1fc=0.81fW=2型号HGH15CAd=32 mmp=6 mmd2=29 mm梯形丝杠材料45钢调质，丝杠螺母材料耐磨铸铁PmPp，说明校核合格，设计正确。，满足自锁条件T=632.53 Nmmd1=26 mm4,证明稳定性合格.，螺杆刚度合格，满足转速要求。0.342梯形丝杠型号MTWK32丝杠螺母型号MTSFR323.2.4 轴承的设计与计算初选轴承为角接触球轴承，其，采用面对面安装，其轴向载荷分析如下：1）轴承所承受的最大轴向外载荷（预紧力按最大轴向工作载荷的1/3） 2）轴承径向外载荷3） 轴承支反力 4） 轴承派生轴向力 5）轴承所受的轴向载荷6）轴承所受当量动载荷因为轴承工作时有中等冲击，查表得载荷系数fp=1.5查表有70000AC对应的系数e=0.68，7）基本额定动载荷 其中Lh轴承预期计算寿命,取Lh=15000h8）选用轴承型号根据额定动载荷C，查表，选用7204AC，内径d=20mm，外径D=47mm，宽度B=14mm，基本额定动载荷Cr=14.5KN ，基本额定静载荷C0=8.4KN9）计算寿命故轴承寿命符合要求派生轴向力S1=S2=266.5N当量动载荷P=1176 N基本额定动载荷C=11354N轴承型号7204AC34120符合寿命要求轴承合格3.2.5 步进电机的设计与计算1. 位置精度的考虑初选步距角=1.2根据设计位置精度要求（），初取脉冲当量为0.0025mm，初选电机型号时步距角与传动比i应满足（），该设计中电机与丝杠间无其他传动，故i=1，由于 ，不满足要求，故考虑步进电机的细分驱动；要满足 ，其中k是电机的每转的脉冲数2. 惯量匹配 折算到电机轴上的总当量负载转动惯量Je应与电机转子惯量Jm相匹配，二者的比值应在一个合适的范围，若相差太大，则系统的动态特性将主要取决于负载特性，综合性能变差，若比值太小，这说明设计不合理，经济性差。该合理的比值范围是 （）丝杠等传动件在忽略轴孔的情况下可按照圆柱体转动惯量计算： ，其中 则 丝杠进给的等效转动惯量为 J=故折算到电机轴上的当量负载 3. 转矩的匹配步进电机的转矩应满足负载转矩及惯量的加速转矩的要求电机轴上总的惯量为（此时Jm按电机最大转动惯量计算） 本设计中工作平台加（减）速度为7/3 m/s2，则电机的角加速度 工作台当量摩擦转矩 (其中m为工作台和物块总质量，为导轨摩擦系数)丝杠预紧后的附加摩擦转矩 其中F0为预紧力，取1/3最大轴向负载，0为丝杠预紧前的传动效率，取0.95则步进电机带负载启动时 连续运行时 所以 ，式中C为常数，与步进电机的相数和励磁规律有关 按照三相六拍步进电机，选择C为0.866 则 s4.选择步进电机型号 根据上述计算的电机转动惯量和转矩要求，选择忆星科技有限公司的三相130mm混合步进电机，型号为130BYG350A，具体参数如下：步距角1.2 与 设计过程所取一致转子惯量 1.05410-32.68710-3 Ts 满足要求，但设计时未考虑联轴器的转动惯量，因此之后还需对最大静转矩进行验算。速度匹配验算工进时，步进电机转速与丝杠转速达最快， 从上述矩频特性曲线可以看出，此时电机输出转矩T=9NmTs2，显然该电机满足运行速度的要求。3.2.6 联轴器的选择与校核所选130BYG350A型步进电机尺寸如下（单伸出轴式，轴径19/24mm可选，考虑到丝杠轴与联轴器连接部分轴径19mm,这里选择19mm型）根据所选步进电机的轴径19mm以及丝杠轴与联轴器连接部分轴19mm，参照GB/T 5843-2003，选择GY2型凸缘联轴器查表可得，所选GY2型凸缘联轴器联轴器转动惯量为1.510-3kgm2重新校核电机转动惯量 此时电机轴上等效转动惯量为 重新校核电机最大静转矩T ,显然在此条件下TsTs 显然联轴器强度满足要求。电机每转脉冲数K2400电机轴上当量负载Je=1.05410-3kgm2要求步进电机连续运行转矩Ts215.264N要求步进电机最大静转矩Ts15.264N选用三相混合步进电机电机型号130BYG350AT Ts2，满足速度匹配的要求选择GY2型凸缘联轴器0.25Je2/Jm1满足转动惯量要求TsTs 联轴器强度满足要求3.2.7键的选择与校核1.电机与联轴器上键的校核（1） 选择C型单圆头普通平键。根据轴径d=19mm,选择b=6mm,h=6mm,L=31mm。（2）键的强度校核验算其挤压强度，查表得2.联轴器与螺旋丝杆上键的校核根据轴径d=19mm,选择b=6mm,h=6mm,L=31mm。其挤压强度验算过程与一致，故同样符合强度要求。C型单圆头普通平键C型单圆头普通平键四 电气控制系统设计4.1控制系统实现的功能在本设计中要做的是数控单向平台的速度控制，由于工作台的移动速度已给定，根据丝杠螺距可算出工进时电机和丝杠的转速，由可编程控制器通过多段PTO包络表（包括加速和减速阶段），输出脉冲信号，结合方向控制信号控制工作台的前进和后退，达到工作台工作要求的控制。而且通过选择合适的轴编码器和在可编程控制器中把高速计数指令和PTO/PWM控制结合使用实现了半闭环控制。4.2控制系统的基本组成 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的工作，必须使用专门的驱动器。步进电动机转速的高低，启动或停止都完全取决于CP脉冲的有无和频率。环形分配器用来接收来自控制器的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的弱信号进行放大，产生电机脉冲信号工作所需的激励电流。控制系统框图如下： 4.3 电器元件的选型计算 4.3.1 硬件环形分配器的原理 步进电动机的脉冲分配可以由硬件和软件两种方法来实现。硬件环形分配器需要根据步进电动机的相数和要求的通电方式而设计专门的电路，下图所示为一个三相六拍的环形分配器。环形分配器的主体是三个J-K触发器。三个J-K触发器的Q输出端分别经各自的功放线路与步进电动机U、W、V三相绕组连接。当QA=1时，A相绕组通电；QB=1时，B相绕组通电；QC=1时，C相绕组通电。DR+和DR-是步进电机的正反转控制信号。正转时，各相通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA反转时，各相通电顺序：A-AC-C-CB-B-BA序号 控制信号状态 输出状态导电绕组CAJCBJCCJQAQBQC0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A 4.3.2 功率放大器的简要介绍 从环形分配器输出的电流很小，而步进电机的额定电流为几百毫安到几十安培，所以必须接功率放大器。功率放大器由前置放大和大功率驱动两部分组成，前者用于推动大功率器件而设置，一般反相器、射极跟随器等构成；后者都为大功率器件，按电路主要划分为单电压电路、双电压电路、恒流斩波电路、调频调压电路、细分电路等，是步进电机驱动电路中最重要的部分。 4.3.3 驱动器的选择 步进电机驱动器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，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，从而达到调速和定位的目的。步进电机驱动器主要结构有环形分配器、功率放大器、保护电路等组成，因此选用合适的步进电机驱动器就可以代替分配器和功率放大器完成对步进电机的控制。根据所选择的130BYG350A型三相混合式步进电机选择与之适应的数字式三相步进电机驱动器 3ND2283-DSP。（1）其性能指标如下：（2）电流匹配： 本驱动器最大输出电流值为10A/相（有效值），通过驱动器侧板第5,6,7三位开关的不同组合可以方便的选择8种电流值，从2A10A（详见电流选择表）。电流Sw5Sw6Sw72.8AOffOffOff3.5AOnOffOff4.2AOffOnOff6.4AOnOnOff7.7AOffOffOn8.3AOnOffOn9.0AOffOnOn10.0AOnOnOn所选择的130BYG350A型三相混合式步进电机输入的额定电流为6.8A，故Sw5,Sw6,Sw7以On,On,Off这一模式下能较好满足该步进电机的工作要求。（3）细分选择：细分驱动可以减小步进电机在低频运行时的振动和噪声，使运行更加平稳，提高分辨率，实现精确定位。细分的原理是在换相时，不降绕组全部电流通入或关断，只改变其中的一部分，使绕组电流不是方波而是阶梯波。在本驱动器中可以通过驱动器面板上的第1,2,3,4四位拨码开关选择共16位细分模式，用电机每转的步数标识，可根据需要自行选择细分。 从位置精度方面考虑要满足 ，其中k是电机的每转的脉冲数，选择该驱动器3200细分步数能初步满足步进电机位置精度要求。（4）典型接线图如下： 4.3.4 轴编码器的选择 （1）分辨率要求由于位置精度要求选择步进电机3200细分步数，即步进电机每转脉冲数达3200个脉冲，由于轴编码器可以通过A相、B相四倍频输出，因此要求所选轴编码器线数m800，初选无锡嘉德光电公司型号为EKT80-20-001G-1000的空心增量式轴编码器，其孔径为20mm，线数1000，电缆侧出线，工作电压5-24V DC , TTL型输出。 （2）启动转矩要求 所选空心增量式轴编码器启动转矩，故满足起动转矩要求。（3）最大转速要求 本设计中丝杠轴转速最高为1000r/min,该轴编码器最大转速6000r/min,满足要求。（4）接线表4.3.5 PLC的选择我们在PLC课程学习时学的是西门子S7200系列的PLC，故我们对西门子PLC的性能、特点及使用等比较熟悉，所以我们从西门子PLC着手选起.根据已选硬件初步估计输入输出口：输入：启动、停止、复位按钮、两个行程开关、旋转编码器A、B相输出：PLC脉冲输出、电机方向控制、脉冲控制使能、蜂鸣器共计7个输入、4个输出，因此选用CPU224XP-CN型PLC，它能提供I0.0I0.7,I1.0I1.5共14个输入，Q0.0Q1.1共10个输出，满足设计要求。4.4 电器控制电路的设计（1）PLC I/O口分配 连续运行启动按钮SB1I0.0单行程运行启动按钮SB2I0.1正常停止按钮SB3I0.2初始位置行程开关S1I0.3终点位置行程开关S2I0.4增量式旋转式编码器A相I0.6增量式旋转式编码器B相I0.7紧急停止按钮SB4I1.1复位按钮SB5I1.2PLC脉冲输出口Q0.0电机转动方向输出控制Q0.1脉冲控制电机使能端Q0.2连续运行绿灯Q0.3单行程运行黄灯Q0.4紧急停止红灯Q0.5蜂鸣器Q0.6（2）电路接线图4.5 软件设计及说明4.5.1 程序设计说明 (1) PTO控制寄存器CPU224 有两台PTO 发生器，建立高速脉冲串。一台发生器指定给数字输出点Q0.0，另一台发生器指定给数字输出点Q0.1。脉冲串（PTO）功能提供50%占空比的方波输出或指定的脉冲数及指定的周期。每台PTO发生器有一个8 位的控制字节，一个不带符号的16位的周期值、一个不带符号的16位的脉宽值和一个不带符号的32位脉冲个数值。这些值全部存储在特殊内存区域SM的指定位置，一旦设置这些特殊的内存位，选择所需的操作后，执行脉冲输出指令（PLS）即启动操作。因此，在执行高速脉冲输出指令之前，必须设置好控制寄存器。另外，若要输出多个脉冲串，PTO功能允许脉冲串的排队，形成管线，当激活的脉冲串输出完成后，立即开始输出新的脉冲串，该情况下PTO发生器有单段管线和多段管线两种模式。本设计采用PTO多段管线模式，下面是有关多段PTO包络表的计算： 因为丝杠的导程为6mm，所以丝杠转动一圈是前进6mm，本设计中工作台的工作行程是1800mm，故可得出丝杠走完全程需要1800/6=300转； 由电机步距角为1.2，根据由此可算出电机转动一圈需要的脉冲数为360/1.2=300个脉冲，所以完成工作台的行动共需300300=90000个脉冲； 因为工作台速度要求6m/min即0.1m/s，又有电机转动一圈需要的脉冲数为300个，根据由于工作台工作速度为0.1m/s,加（减）速度为m/s2,根据t=v/a可得步进电机的加减速阶段时间均为s。选择启动和结束频率为2kHz，则加速阶段的脉冲数为 同理减速阶段的脉冲数 则稳定运行阶段的脉冲数下面给出电机脉冲频率时间关系图 包络表参数的计算由以上脉冲频率时间关系图可知，步进电机的运动控制分成3段，起动、运行和停止，共需要90000个脉冲。起动和结束时的频率是2KHz，最大脉冲频率是5KHz。由于包络表中的值需要用周期表示，而不是用频率，因此需要把给定的频率值转换成周期值：n 起动和结束时的周期是：500sn 最大频率对应的周期是：200s要求加速部分在150个脉冲内达到最大脉冲频率（10KHz），减速部分在150个脉冲内完成。PTO发生器用来调整给定段脉冲周期的周期增量为：周期增量（ECTICT）/Q其中，ECT该段结束周期； ICT该段初始周期； Q该段脉冲数。故可计算得出：加速部分（第一段）的周期增量是2；恒速部分（第二段）周期增量是0；减速部分（第三段）的周期增量是2。假定包络表存放在从VB500开始的V存储区，相应的包络表参数如下表所示：包络表值V存储器地址参数值VB5003（总段数）VW501500（1段初始周期）VW5032（1段周期增量）VD505150（1段脉冲数）VW509200（2段初始周期）VW5110（2段周期增量）VD51389700（2段脉冲数）VW517200（3段初始周期）VW5192（3段周期增量）VD521150（3段脉冲数）(2) 高速计数器CPU224 XP-CN 支持6 台高速计数器 (HSC0 至HSC5)，可配置为十二种不同的操作模式。每台计数器对支持此类功能的时钟、方向控制、复原和起始均有专用输入。对于双相计数器，两个时钟均可按最高速度运行。在正交模式中，选择一倍或四倍的最高计数速率。所有的计数器按最高速率运行，而不会相互干扰。由于轴编码器返回A、B 两相正交编码信号，在程序中，使用高速计数器HSC1，工作在模式9，使用内部启动和清零功能，A 相和B 相计数脉冲通过I0.6、I0.7 输入。内存单元中SMD48、SMD52 分别为HSC1 的初始值和预置值，SMB47为HSC0 的控制字节，计数实时值使用地址HSC1，当计数实时值等于预置值时，产生13号中断，可在对应的中断程序中实现特定的功能。(3) 位置精度考虑 如前述，在位置精度方面，步进电机驱动器采用细分技术，将电机的步距角进一步缩小，使得单个脉冲当量引起的位置误差在0.005mm之内；此外，采用多段PTO包络表输出脉冲进行对步进电机的控制，即增加了电机加速和减速阶段，很好的保证了电机不丢步、不冲步，大大提高了工作台定位的位置精度。当然，由于未能对工作台位置进行闭环控制，仅能保证实际的位置误差在一定范围内，要满足0.005mm的位置精度还具有相当高的难度。(4) 速度精度考虑 本设计着重考虑对电机速度的控制，即希望尽可能的满足速度精度要求。因此，初步设计利用轴编码器来反馈实际脉冲，通过实际脉冲与理想脉冲的差值进行PID控制，进而调节步进电机输入的脉冲频率。但由于已经利用PLC多段PTO包络表输出脉冲，包络表执行阶段无法改变脉冲频率，因此也就无法利用轴编码器的反馈对电机速度进行PID闭环调节。经综合考虑之后，决定采用一种半闭环的方式来控制电机的速度，即利用轴编码器来反馈实际脉冲，使理想脉冲与实际脉冲的差值维持在一定范围内，一旦超过该范围，电机停转、蜂鸣器报警，此后通过人工检修来排除影响电机速度精度的故障，从而达到半闭环控制的效果。 下面进行有关速度精度的计算： 要求速度精度为0.5%，丝杠工进时速度为6m/min,则对应电机转速为1000r/min， 由于高速计数器采用四倍频工作，编码器线数为1000，则编码器转一圈对应脉冲数为4000个， 程序设计中暂定每100ms比较PTO所发脉冲和轴编码器实际脉冲，对于1800mm单向行程，多段PTO包络表总脉冲个数为90000个，而轴编码器总脉冲个数为1200000个，因此每次需用PTO所发脉冲数40/3与轴编码器实际脉冲比较。取Q偏差下限33个/ms，则可得到速度控制的程序判断标准（每100ms）： 4.5.2 主程序设计流程图运行模式停止模式 复位模式 4.5.3 子程序设计流程图PTO控制框图：高速计数程序框图：速度控制过程框图五 设计小结本次课程设计虽然时间短暂，但是给我的感受很深刻。课程设计题目下来之后，在前期方面，我主要进行了资料整理，包括从网络、图书馆、教材、请教同学等方面，进行了初步的方案设定，同时复习以前相关专业知识；中期主要进行说明书的编写等工作；后期方面，主要进行机械图和电气图的绘制，在此期间，机械方面通过应用了CAD、机电一体化设计手册等各种参考书进行设计。PLC编程则主要通过拟定工作台能满足的功能要求，根据要求画出程序流程图，再根据流程图编写程序。应用编码器简单的实现错误判断，通过脉冲输出与接收数量的比较判定步进电机的丢步是否在误差允许范围内，从而保证数控平台的运行更为可靠。能够顺利完成这次课程设计，在此由衷的感谢给与我指导的老师和在课设过程中一起探讨学习的同学们。另外，由于时间较短暂，设计过程中不免会出现一些错误，恳请老师和同学们加以指正。六 附录主程序TITLE=程序注释Network 1 / 网络标题/ 上电调用高速计数器计脉冲LD SM0.1R Q0.0, 7CALL SBR2Network 2 / 连续运行灯LDN Q0.4A I0.0LD M0.2AN I0.2OLD= Q0.3= M0.2Network 3 / 单行程运行灯LDN Q0.3A I0.1LD M0.3AN I0.2OLD= Q0.4= M0.3Network 4 / 连续运行正行程LD I0.3AN I0.2AN Q0.4A Q0.3LD M0.0AN T37OLD= M0.0Network 5 / 单行程运行正行程LD I0.3A Q0.4AN I0.2AN Q0.3A I0.1LD M0.0AN T37OLD= M0.0Network 6 / 连续运行反行程LD I0.4AN I0.2AN Q0.4A Q0.3LD M0.1AN T37OLD= M0.1Network 7 / 单行程运行反行程LD I0.4A Q0.4AN I0.2AN Q0.3A I0.1LD M0.1AN T37OLD= M0.1Network 8 / 急停程序段LD I1.1LD I0.3EUOLD= SM67.7PLS 0Network 9 / 急停灯LD I1.1AN I0.3O Q0.5= Q0.5Network 10 / 急停后调用复位子程序1LD I1.2A Q0.5EUCALL SBR1Network 11 / 调用多段PTO，电机运行LD M0.0O M0.1LPSTON T37, 20A T37CALL SBR0LPPS Q0.2, 1Network 12 / 控制电机正反转LD M0.0O M0.1LPSAN M0.1S Q0.1, 1LPPAN M0.0R Q0.1, 1Network 13 / 每100ms进入中断，进行速度控制判断LD I0.0O I0.1MOVB 100, SMB34ATCH INT0, 10ENI子程序和中断程序TITLE=SBR_0Network 1 /多段PTO包络表参数设置LD SM0.0MOVB 16#A0, SMB67MOVW +500, SMW168MOVB 3, VB500MOVW +500, VW501MOVW -2, VW503MOVD +150, VD505MOVW +200, VW509MOVW 0, VW511MOVD 89700, VD513MOVW +200, VW517MOVW +2, VW519MOVD +150, VD521PLS 0TITLE=SBR_1Network 1 / PWM低频波复位/ 网络注释LD SM0.0R Q0.1, 1MOVB 16#D0, SMB67MOVW 500, SMW68MOVW 250, SMW70PLS 0TITLE=SBR_2Network 1 / 高速计数器计实际脉冲/ 网络注释LD SM0.0MOVB 16#F8, SMB47HDEF 1, 9MOVD 0, SMD48MOVD +2000000, SMD52HSC 1TITLE=INT_0Network 1 / 速度控制要求判断/ 网络注释LD SM0.0AD SMD48, 600000MOVD SMD72, VD200*D +40, VD200/D +3, VD200MOVD SMD48, VD204MOVD +1200000, VD208-D VD204, VD208-D VD208, VD200