目錄

一、設(shè)計(jì)任務(wù)........................................................1

1.1、設(shè)計(jì)任務(wù)及意義...............................................1

1.2、設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì).................................................2

二、總體方案設(shè)計(jì)....................................................3

2.1設(shè)計(jì)的基本依據(jù)...............................................3

2.2可行性方案的比較..............................................3

2.3總體方案的確定...............................................6

三、機(jī)械傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)..............................................7

3.1機(jī)械傳動裝置的組成及原理.....................................7

3.2主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算.......................................7

3.2.1導(dǎo)軌的選擇...............................................8

3.2.2同步皮帶的設(shè)計(jì)計(jì)算......................................8

323步進(jìn)電機(jī)選型...........................................10

3.2.4軸承的選擇與校核.......................................15

3.2.5鍵的選擇與校核.........................................17

四、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).................................................17

4.1、方案設(shè)計(jì)....................................................18

4.2、硬件選型....................................................19

4.2.1驅(qū)動器的選擇...........................................19

4.2.2編碼器的選擇...........................................21

4.2.3PLC選型................................................22

4.3、電機(jī)的控制..................................................22

4.4、速度精度要求................................................24

4.5、程序流程圖：................................................25

4.5.1主程序.................................................25

4.5.2子程序.................................................26

五、結(jié)束語...........................................................27

一、設(shè)計(jì)任務(wù)

1.1、設(shè)計(jì)任務(wù)及意義

通過課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和技能、提高分析和解決實(shí)際問題

能力的一個重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設(shè)計(jì)是建立在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)方向課的基礎(chǔ)上

的，是學(xué)生根據(jù)所學(xué)課程進(jìn)行的工程基本訓(xùn)練，課程設(shè)計(jì)的目的在于：

（1）培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，獨(dú)立進(jìn)行機(jī)電控制系

統(tǒng)（產(chǎn)品）的初步設(shè)計(jì)工作，并結(jié)合設(shè)計(jì)或試驗(yàn)研究課題進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)大知識領(lǐng)

域。

（2）培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍

以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計(jì)算、繪圖等基本技能。

（3）培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般程序和方法，進(jìn)行工程師基本素質(zhì)

的訓(xùn)練。

（4）樹立正確的設(shè)計(jì)思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。

1.2、設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)

1、設(shè)計(jì)內(nèi)容為機(jī)電控制系統(tǒng)（典型機(jī)電產(chǎn)品）設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容包括：1）

機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2）電氣測控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)內(nèi)容必須包括實(shí)現(xiàn)一路速度或位置

控制，控制精度要求：位置精度0.05mm（僅限鏈傳動）,0.005mm,0.001mm,速度

精度±0.5%,±0.05%。

課程設(shè)計(jì)題目：機(jī)電傳動單向數(shù)控平臺設(shè)計(jì)

（1）電機(jī)驅(qū)動方式：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)；

（2）機(jī)械傳動方式：螺旋絲桿、滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動等；

（3）電氣控制方式：單片微機(jī)控制、PLC控制；

（4）功能控制要求：速度控制、位置控制；

（5）主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

單向工作行程——1500.1200mm；

移動負(fù)載質(zhì)量——100.50kg；

負(fù)載移動附加阻力——100、500N；

移動速度控制---6、9、18m/min；

設(shè)計(jì)加（減）速度2?3m/s2

2、課程設(shè)計(jì)的基本要求：

（1）方案設(shè)計(jì)：根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，在搜集、歸納、分析資料的基

礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)的主要功能，確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的原理方案，并對各種方案

進(jìn)行分析和評價(jià)，進(jìn)行方案選優(yōu)。

（2）總體設(shè)計(jì)：針對具體的原理方案，通過對動力和總體參數(shù)的選擇和計(jì)

算，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，最后給出機(jī)械系統(tǒng)的控制原理圖、裝配圖（A2一張）及主

要部件圖（A3一張）。

（3）根據(jù)控制功能要求，完成電氣控制設(shè)計(jì)，給處電氣控制電路原理圖（A2

或A3圖一張）。

二、總體方案設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)的基本依據(jù)

機(jī)電傳動單向數(shù)控平臺是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計(jì)算機(jī)、電

動機(jī)及拖動控制、檢測等技術(shù)為一體的自動化設(shè)備。其基本組成包括機(jī)械傳動裝

置和電氣控制系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)主要就是圍繞這兩個方面進(jìn)行的。

2.2可行性方案的比較

采用閉環(huán)或半閉環(huán)方案的比較（精度、響應(yīng)速度、可靠性、便捷性、經(jīng)濟(jì)

性）

（1）電機(jī)驅(qū)動方式的選擇。

伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)在控制系統(tǒng)應(yīng)用中均使用廣泛，兩者在驅(qū)動控制方式上

也相似，均為脈沖與方向信號來控制，步進(jìn)電機(jī)的控制方式為開環(huán)或半閉環(huán)控制,

伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，控制精度更高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也較步進(jìn)電機(jī)復(fù)雜。步進(jìn)

電機(jī)完全可以滿足本次設(shè)計(jì)所要求的控制精度以及響應(yīng)速度，故選擇步進(jìn)電機(jī)較

為合適。

步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。

每當(dāng)輸入一個電脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)

速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步。只要控制

輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)

向。步進(jìn)電機(jī)是一個可以進(jìn)行數(shù)字一角度轉(zhuǎn)換的元件，也是一個實(shí)用能力很強(qiáng)的

串行數(shù)一模轉(zhuǎn)換器。步進(jìn)電機(jī)是一種過程控制的:丸行結(jié)構(gòu)。通常也是儀表器件，

數(shù)控車床中常用的運(yùn)行控制元件。步進(jìn)電機(jī)能夠步進(jìn)的最根本原因是應(yīng)為步進(jìn)電

機(jī)特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)一一錯齒。通過錯齒這一結(jié)構(gòu)，能夠讓步進(jìn)電機(jī)在各大領(lǐng)域的

精確定位系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)主要性能特點(diǎn)：

①步進(jìn)電機(jī)的位移的控制精度為其步進(jìn)角的3%-5%,并且無累積誤差；

②步進(jìn)電機(jī)的工作溫度較高，而其允許溫度取決于磁性材料的退磁點(diǎn)；

③步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高急速下降：

④在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)命令啟動困難。

步進(jìn)電機(jī)具有其自身的特色和優(yōu)點(diǎn)，歸納起來有：

①控制方便，步進(jìn)電機(jī)是以“步”為單位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，數(shù)字征較為明顯，伺服

控制器可以直接利用驅(qū)動脈沖信號的控制進(jìn)行開環(huán)控制；

②控制系統(tǒng)不必進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，可以直接接收數(shù)字信號，使用方便；

③位移量與輸入脈沖信號數(shù)成正比，且相對應(yīng)，誤差不長期積累，控制系統(tǒng)

組成靈活，可成為開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以組成閉環(huán)控制系統(tǒng)；

④無電刷，步進(jìn)電動機(jī)本體零件少，可靠性較高，并且電機(jī)的壽命僅取決于

軸承的壽命。

⑤電機(jī)易起停、正反轉(zhuǎn)及變速，響應(yīng)時(shí)間短；

⑥停止時(shí)，擁有自鎖功能；

⑦步距角選擇范圍寬，選擇范圍為幾I?角分至180度。般在小步距情況下，

可以在超低速的情況下以高轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，因而可不接減速器，從而直接驅(qū)動負(fù)載工

作；

⑧速度擁有較寬范圍的平滑調(diào)節(jié)。用一臺控制器可以同時(shí)控制幾臺步進(jìn)電

機(jī)，并可使它們完全同步運(yùn)行；

⑨整機(jī)結(jié)構(gòu)組成簡單，傳統(tǒng)電機(jī)的機(jī)械速度和位置控制器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，位

置調(diào)整困難。步進(jìn)電機(jī)能夠使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。使得整個控制系統(tǒng)

簡單廉價(jià)；

⑩步進(jìn)電機(jī)的過載性好，其轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響較小，所以步進(jìn)電機(jī)一般使用在

對速度和位置較為嚴(yán)格要求的場合。

（2）機(jī)械傳動方式的選擇。

有多種機(jī)械傳動方式可供選擇，包括滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動等。每種

方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用同步帶傳動。

同步帶傳動是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的

輪所組成。

它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動時(shí)，通過帶齒與輪的

齒槽相嚙合來傳遞動力。傳輸用同步帶傳動具有準(zhǔn)確的傳動比，無滑差，可獲

得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大，一般可達(dá)1:10。

允許線速度可達(dá)50M/S,傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，一般可達(dá)

98%,結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染

和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。

傳輸產(chǎn)品廣泛用于紡織、機(jī)床、煙草、通訊電纜、輕工、化工、冶金、儀表

儀器、食品、礦山、石油、汽車等各行業(yè)各種類型的機(jī)械傳動中。

特點(diǎn)：

①傳動準(zhǔn)確，工作時(shí)無滑動，具有恒定的傳動比；

②傳動平穩(wěn)，具有緩沖、減振能力，噪聲低；

③傳動效率高，可達(dá)0.98,節(jié)能效果明顯；

④維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護(hù)費(fèi)用低；

⑤速比范圍大，-?般可達(dá)10,線速度可達(dá)50m/s,具有較大的功率傳遞范圍,

可達(dá)兒瓦到幾百千瓦；

⑥可用于長距離傳動，中心距可達(dá)10m以上。

⑦相對于V型帶傳送，預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受載荷??；

導(dǎo)軌是機(jī)床的關(guān)鍵部件之一。其性能好壞將直接影響機(jī)床的加工精度、承載

能力和使用壽命。導(dǎo)軌設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：導(dǎo)向精度、耐磨性、低速運(yùn)動平穩(wěn)性、剛度、

結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、便于間隙調(diào)整、具有良好的潤滑和防護(hù)等要求。由于工作

臺的運(yùn)動部件重量和工作載荷不大，故選用直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺的摩擦

系數(shù)，提高運(yùn)動平穩(wěn)性。

導(dǎo)軌副的選用決定選用矩形直線滑動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬

行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。

(3)電氣控制方式的選擇。

電氣控制方式PLC控制。

特點(diǎn)：

①可靠性高。由干PLC大都采用單片微型干算機(jī)，因而集成度高，再加上

相應(yīng)的保護(hù)電路及自診斷功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

②編程容易。PLC的編程多采用繼電器控制梯形圖及命令語句，其數(shù)量比微

型機(jī)指令要少得多。由于梯形圖形象而簡單，因此容易掌握、使用方便，甚至不

需要計(jì)算機(jī)專業(yè)知識，就可進(jìn)行編程。

③組態(tài)靈活。由于PLC采用積木式結(jié)構(gòu)，用戶只需要簡單地組合，便可靈

活地改變控制系統(tǒng)的功能和規(guī)模，因此，可適用于任何控制系統(tǒng)。

④輸入/輸出功能模塊齊全。PLC的最大優(yōu)點(diǎn)之一，是針對不同的現(xiàn)場信號

(如直流或交流、開關(guān)量、數(shù)字量或模擬量、電壓或電流等)，均有相應(yīng)的模板可

與工業(yè)現(xiàn)場的器件(如按鈕、開關(guān)、傳感電流變送器、電機(jī)啟動器或控制閥等)

直接連接，并通過總線與CPU主板連接。

⑤安裝方便。與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，PLC的安裝既不需要專用機(jī)房，也不需要

嚴(yán)格的屏蔽措施。使用時(shí)只需把檢測器件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PLC的I/O接口端子正確

連接，便可正常工作。

⑥運(yùn)行速度快。由于PLC的控制是由程序挖制執(zhí)行的，因而不論其可靠性

還是運(yùn)行速度，都是繼電器邏輯控制無法相比的。

2.3總體方案的確定

綜上所述，總體方案及參數(shù)初步設(shè)置如下：

(1)電機(jī)驅(qū)動方式：步進(jìn)電機(jī)

(2)機(jī)械傳動方式：同步帶

(3)電氣控制方式：PLC

(4)功能控制要求：速度控制

(5)主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

單向工作行程——Is=1800m/?z；

移動負(fù)載質(zhì)量----負(fù)載加=5()依；

負(fù)載移動附加阻力一一100N；

移動速度控制----v=9〃?/min；

工作臺重量---〃?2=30kg

三、機(jī)械傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1機(jī)械傳動裝置的組成及原理

1一一步進(jìn)電機(jī)；2一一行星減速器；3一—聯(lián)軸器；4,7一一滾子軸承；5,10一一同步帶

輪

6---直線滑動導(dǎo)軌；8----工作平臺；9----同步皮帶；11----光電軸編碼器

PLC通過驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動聯(lián)軸器，從而驅(qū)動同步

帶輪。數(shù)控平臺固定在同步帶上，并通過導(dǎo)軌導(dǎo)向，隨滾同步帶的運(yùn)動而單向往

返運(yùn)動。

3.2主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

計(jì)算及說明結(jié)果

3.2.1導(dǎo)軌的選擇

作用在滑塊上的力

A=784N

F'L=(m\+m2)xg=784NIRg=9.8/z?/s2

單個滑塊受力

F=196/V

F=—=—=196/V

44

導(dǎo)軌壽命

7；=8x300x8=1920(*

T=19200h

每分鐘往返次數(shù)

/?=—=—^—=2.5

2/.v2x1.877=2.5

行程長度壽命為:

2Thl$n2x19200x60x1800x2”，…八八

Ts=-----=-----------------------=8294400〃=8294.4.T、=8294.4km

10001000

則

加予G)3

Ts=k(

加F

則動載荷k=50

/H=1

網(wǎng)前人」96xU8249.4/50xL5_1994347N

Ca/T=1

1x1x0.81

九=0.81

查手冊可選用HGH20CA導(dǎo)軌。/w=1.5

Ca=1994.347N

4-Mxl

型號HGH20CA

3.2.2同步皮帶的設(shè)計(jì)計(jì)算

(1)傳遞的功率為

取工作臺與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)為f=0.15

電機(jī)頻繁正反轉(zhuǎn)，Kt應(yīng)增加10%

.加2W

Pm=Fv=(f+(〃0+，m)gx/z)xv=(100+(50+30)x9.8x0.15)x9/60=32

=1.IxK,xF〃=l.1x1.7x32.64=61.04W

Pd=0.06104Z:VV

(2)選定帶型和節(jié)距：

主動輪轉(zhuǎn)速〃]:初選電機(jī)轉(zhuǎn)速為150r7min

從動輪轉(zhuǎn)速&：從帶輪直徑等于主帶輪直徑，故其轉(zhuǎn)速為

150r/mino

根據(jù)《和々，查圖3-27選取L型同步帶。查表3-7得節(jié)距凡

=9.525mmo

Pb=9.525mm

(3)小帶輪齒數(shù)：查表3?8可得Zmm=12.因?yàn)楣嗜]

=19

(4)小帶輪節(jié)圓直徑4Zj=19

d1=zi/n=9.525x18/冗=57.29〃〃〃

(5)大帶輪齒數(shù)Z?=57.29mm

z2=izx=1x19=19

(6)大帶輪節(jié)圓直徑4Z2=19

di=phzi/兀=9.525x18/n=57.29mm

(7)驗(yàn)算帶速

d2=57.29mm

v=nJmi/(60xl000)=Jix57.29x150/60000=0.4%?/5

0.45m/s<40m/s,合格

(8)初定軸間距a：由于工作臺單向形成為1200mm,故取

a=l900mmo

(9)同步帶節(jié)線長度a=1400mm

LP=2a+n(Ji+J2)/2=2xl900+nx57.29x2/2=3980〃〃〃

查國標(biāo)GB11616-89,選取長度代號為1600的L型同步帶，其節(jié)線長

L=4064mmL=4064mm

(10)實(shí)際軸間距長度代號1600

4。=\2L+2L-九(小+J2)]/8=[2x4046+2x4046-n(57.29x2)]/8

小)=1978m

=1978即

(ID校驗(yàn)小帶輪嚙合齒數(shù)

zm=^/(zi/2)=19/2=10>6合格

(12)確定同步帶寬

查表3-10,Fn=244.46/V,=0.095攵g/加，Ao=25.4m〃z

基準(zhǔn)額定功率為：

”(Fn-mv2)v(244.46-0.095x0.432)x0.43

--------------------=-0-.-1-0-5--A-W---------

1000-1000

則bs=Ao(—=25.4x(°，—嚴(yán)工15.78nvn取K：=1

K：P。0.105

查國標(biāo)GB11616-89,選取寬度代號為075的L型同步帶，其帶寬

/?=19.\mm

Fb=81N

(13)驗(yàn)算工作能力

2-3

P=KzK.Tlt--mvvxlO

bso_

其中Kw=(bs/Z?vo)L,4,故

P=[1x(19.1/25.4)'14x244.46-(19.1/25.4)x0.095X0.432]X0.43X10-3

=0.076ZW

所設(shè)計(jì)同步帶符合要求B=26mm

選擇A型帶輪寬度為B=26mm。

3.2.3步進(jìn)電機(jī)選型

(1)初選驅(qū)動器

根據(jù)位置精度要求為0.005mm,則3=0.0(后即

其中步距角。取1.2°

則求得傳動比

.、ecd\1.2c57.29…八

I>---x2nx——=----x2冗x-------=120

3602b3602x0.005

由于步進(jìn)電機(jī)配套的驅(qū)動器具有細(xì)分功能，因此即使在電機(jī)與主

動帶輪之間選用減速器，其減速比可以適當(dāng)?shù)妮^小一些，同時(shí)為了折

算到電機(jī)主軸上的轉(zhuǎn)動慣量小一些，減速比又不能過小，因此，驅(qū)動

器初步選取的細(xì)分?jǐn)?shù)為10,而減速器的減速比為20,既總共的減速減速器

比為ZCE85

z=200

(2)初選減速器

其中減速器選擇單極的精密行星減速器ZCE85,減速比為20,轉(zhuǎn)

動慣量為0.45xlO.〃/

ZCE85精密行星減速機(jī)參數(shù)

sRSJt單級雙級

減送比0345710121620252835405070

短走燧出力走T

60.088.095066.040.098.098.098.0105.098.0105.098.0105.075.0

2N(Nm)

量也出力回

120.0176.0190.0132.080.0196.0196.0196.0210.0196.0210.0196.0210.0150.0

2NOT(NM)

動怪星J1

0.720.520.450.410.350.720.520.450.450.410.410.350.350.35

(Kgctr^)

(2)初選聯(lián)軸器

由于減速器的輸入端只需步進(jìn)電機(jī)的伸出軸直接配合，故只有減速器

的輸出軸和主動帶輪軸之間需要聯(lián)軸器

減速器的伸出軸直徑為中16mm,根據(jù)國標(biāo)GB/T5843-2003,初步選取

剛性凸緣聯(lián)軸器GY2,其轉(zhuǎn)動慣量為L5xl0"g.加

聯(lián)軸器

GY2

EB3(；YH0有對中環(huán)。爆聯(lián)輸器

豪1單位為啜東

■孔長度/?

公林1?建許用R建第孔K役里.ts

*號0D,6s

T,/(V??)4、4YSJl方(kg-ml*kg

12

3227

GY114

GYS!261200)168c30264260.00081.16

GYHI

184230

19

18

18?230

GYU19

GYS?631000)20904。Z8446Q.VO!S\.n

GYH2

225238

24

256244—j

20

5238

GY322

J

GYS3112950C24loo,,0.82S2.38

GYH3

6244

十_______

圖1GY型凸緣聯(lián)軸器

(4)等效轉(zhuǎn)動慣量的折算

取主動帶輪的質(zhì)量加=2&g,折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：

1.dy1r,57.29x10-3

-xwx(―)--x2x(---------------------)-

Ji=2xZ——產(chǎn)—=2xZ--------翼------=().4]X](尸砥加2

工作平臺和負(fù)載折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：

12242

Ji=mr/i=80x(57.2,1。3/2o=1.64x10^.m

減速器輸入軸端折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：

人=0.45x10%.〃/

聯(lián)軸器折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：

JJ1.5x10ifk-5?2

JA=—=-----——=0.38xlOks-m

i22()2

因此，折算到電動機(jī)主動軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：

Je

5-4-4-5

J.=JI+j2+J3+j4=0.41xl(r+1.64xl0+0.45xl0+0.38xl0=2.17xlOVg”?

=2.17x10-4依?加2

(5)初選步進(jìn)電機(jī)型號

根據(jù)步距角和轉(zhuǎn)動慣量，初步選擇雷賽公司的86mm系列的三相

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其型號為863S42,其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為

Jm=2.5x\0'4kg-m2其伸出軸直徑為014mm

j。］f~\一，

且1/4<7=”m-4=887V1,經(jīng)濟(jì)且初步滿足要求三相步進(jìn)電機(jī)

Jm2.5xlO

863S42

機(jī)身快娓藪定電淡99

工號電&唱(0)電星侑(mH)

l(n*n)(NN)⑷(卬<自(珀)費(fèi)動■

863s22732050092813203DM580

863S421054.05.01354525323DM580

防3368H1276835452033403DM2283

W3S12OE156123234183345230Mz283

(6)步進(jìn)電機(jī)校核檢驗(yàn)

步進(jìn)電機(jī)的空載啟動轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于步進(jìn)電動機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)矩,

即：

Mkq?Mmq=AMjmax

步進(jìn)電動機(jī)需要的啟動轉(zhuǎn)矩：

Mkq=Mka+77+Mo

欣，=0.825淅

其中，為空載啟動運(yùn)動部件由靜止升速到最大速度所需轉(zhuǎn)矩,

乃為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩，加。為同步帶預(yù)緊折算到電

機(jī)軸上的附加摩擦力矩。

①加速轉(zhuǎn)矩：

其中，，為各部件折算到電機(jī)軸上轉(zhuǎn)動慣量，

44

J=Je+Jm=2x10+2.5x10~=4.5x,取加速度

71=0.064M/7

a=2.5m/s2,則原式：

25

Mk=4.5x10-4x…二----x20=0.825M“

空Zxi(尸

2

②摩擦力矩

T小

27

其中，〃為未預(yù)緊前系統(tǒng)的總效率，取同步皮帶傳動效率為0.98,

減速器的傳動效率為0.95,則總的效率V=S93

原式為

5457x1(尸

TL=--------x30x9.8x0.15=0.064Nm

2x0.93x20

③附加摩擦力矩“0=0.28x103”〃

Mo=—FO(I-77O2)

2加

其中，R)為同步皮帶的預(yù)緊力，為87N,為加入預(yù)緊力后的

系統(tǒng)的效率，取為0.9

則原式為：

Mo=""xK)'87x(1-OB)=0.28x1(尸Nm

2x0.93x20

則總轉(zhuǎn)矩為：

欣尸().89麗

Mkq=Mka4-7/.+Mo=0.825+0.064+0.28xlO'3?0.89Nm

Mkc<Mmq

名義轉(zhuǎn)矩

Mmq=A.Mjmax=0.5X8=4N/TI

Mkq=0.89M"<Mmq

故最大靜轉(zhuǎn)矩符合啟動要求

（7）校核正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩是否符合要求

因?yàn)殡S著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，其力矩會下降，因此需要校核穩(wěn)定運(yùn)

行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否足夠。以下是863s42電機(jī)的矩頻特性曲線

當(dāng)系統(tǒng)以9m/min運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為:

609x20

X——=------------------X---—-------=----1000/7min

2?！?7.29x1032n

60--60x

2

當(dāng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的負(fù)載力矩約為O.1AE,從圖中可以看出當(dāng)

電機(jī)轉(zhuǎn)速在1000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩為因此符合要求。

（8）聯(lián)軸器的校核

聯(lián)軸器與減速器的輸出端和主動帶輪相連接，將工作平臺和負(fù)載

折算到主動軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：

,（父八（54.57'10-3丫

Ji=wl—I=80x1---------I=0.06kgm

兩個皮帶輪折算到主動軸上的轉(zhuǎn)動慣量為:

J2=2xgxmx(?)2=2xgx2x(54.5；10_]4QXjg'kgrn?

啟動加速力矩為：

M=(Ji+./2)x-=(0.06+1.49X10-3)x---------―=5.625N?m剛性聯(lián)軸器

rK)54.57x10-3/2GY2

其值小于GY2的公稱轉(zhuǎn)矩，故聯(lián)軸器選用合格

3.2.4軸承的選擇與校核

(1)主動軸軸承

第一對軸承安裝在主動帶輪兩端

由于所受軸向力很小，根據(jù)減速器輸出軸徑，故可以初步選用深

溝球軸承6204,其尺寸為25x47x14mm,C=8.42A7V,Cor=5A5KN

P=XE+YFa

X,Y分別為徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)

其中軸向力很小,取Y=0

徑向力由功率平衡可得：

/>=/>；/v=61.04/0.15=406.67N

支反力為

F八=Fr2=—=406.67/2=203.3N

2

取動載荷系數(shù)4=1.1,則原式：

P=fdFr\=l.lx203.3=223.67N

校核壽命

小史咨丫

60〃1P)

取溫度系數(shù)力=1,轉(zhuǎn)速〃=5(h7min,￡=3,帶入可得：

心=1778245的

深溝球軸承

Lh=1Q6x(1x842。]=]778245汕〉19200/z6204

60x50I223.67)

25x47x14

故軸承壽命符合要求

(2)從動輪軸承

同理第二對軸承安裝在從動帶輪軸上，其軸承符合要求

3.2.5鍵的選擇與校核

軸徑迷鍵特

寬度b極限信看深度

較緊半徑r

較松連接一般連接軸52tl

dbxhL布檢t

釉和轂公圣極限公小極限

轂D10軸N9轂JS9最小最大

P9尺寸倒差尺寸偏差

6?82X26-20-0.025-0.060-0.001-0.0061.21

±0.0125

>8-103X36-360?0.020-0.029-0.0311.81.40.080.16

>10-124X48-452.51.S

-0.030*0.0780-0.012-0.1-0.1

>12?175X510?56±0.0153.02.3

0-0.030-0.030-0.0420

>17?226X614?703.52.80.160.25

>22-308X718-90-0.036-0.09S0-0.0154.03.3

±0.018

>30-3810X822-1100+0.040-0.036-0.0515.03.3

（1）聯(lián)軸器和小帶輪之間的鍵

根據(jù)軸徑d=①16mm，選用5x5x25

應(yīng)滿足強(qiáng)度條件?：

40007'rn

G-=<[crp]

Phid

其中7為轉(zhuǎn)矩，T=4.5Nm；〃為鍵高，h=5mm；/為鍵的工作A型平鍵

長度，/=￡-6=25-5=20mm；d為軸徑，d=16mm5x5x25

帶入可得：

5=--------=H.25MPa<[o}>]=lOOMPa,故滿足要求

5x20x16

（2）主動帶輪和主動軸之間的鍵

根據(jù)軸徑和帶輪寬度8=26mm,選用5x5x21nun

應(yīng)滿足強(qiáng)度條件：

4003〃】

oi>=<[oi>]

hidA型平鍵

其中7為轉(zhuǎn)矩，7=4.5M〃；〃為鍵高，h=5mni；/為鍵的工作5x5x21

長度，I=L-b=21-5=\6mm；d為軸徑，d=16mm

帶入可得：

4000x4.5

5二-------------------\4MPa<[oi，]=\00MPa故滿足要求

5x16x16f

（3）從動輪和軸之間的鍵

從動帶輪和從動軸之間的鍵，同理選用5x5x21〃w?,校核如上,

滿足要求

四、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1、方案設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)主要由PLC完成。主要過程為PLC為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器發(fā)送

PTO,即為占空比為50%的、周期可變的一系列肽沖，再去控制步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)

電機(jī)在驅(qū)動器的控制之下，實(shí)現(xiàn)加速、勻速、減速的過程，在工作行程的兩端不

斷往返運(yùn)動。另外，在控制系統(tǒng)中有速度的監(jiān)控，其主要通過安裝在主動軸上的

增量式軸編碼器實(shí)現(xiàn)。軸編碼器通過記錄帶輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速即工作臺的實(shí)際運(yùn)動速

度，反饋給PLC,PLC內(nèi)部程序通過換算與電機(jī)的速度對比，檢測其速度精度是

否滿足要求，設(shè)置有報(bào)警裝置。

電氣控制原理圖：

驅(qū)動器

環(huán)形分配器

步進(jìn)電機(jī)必須按照一定的勵磁方式才能正常工作，環(huán)形分配器正是用于確定

電機(jī)的勵磁方式的，即把數(shù)控裝置送來的指令脈汨按照一定的順序和分配方式分

配給各相繞組，使其按著耍求的時(shí)間和順序通、斷電，因此它也被稱作脈沖分配

器。

步進(jìn)電動機(jī)的脈沖分配可以由硬件和軟件兩種方法來實(shí)現(xiàn)。硬件環(huán)形分配器

需要根據(jù)步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)和要求的通電方式而沒計(jì)專門的電路。

功率放大器

從環(huán)形分配器輸出的電流很小，而步進(jìn)電機(jī)的額定電流為幾百毫安到幾十安

培，所以必須接功率放大器。功率放大器由前置放大和大功率驅(qū)動兩部分組成，

前者用于推動大功率器件而設(shè)置，一般反相器、射極跟隨器等構(gòu)成；后者都為大

功率器件，按電路主要劃分為單電壓電路、雙電壓電路、恒流斬波電路、調(diào)頻調(diào)

壓電路、細(xì)分電路等，是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中最重要的部分。

驅(qū)動器

驅(qū)動器簡單來說就是環(huán)形分配器和功率放大器的結(jié)合，將控制器發(fā)來的冰沖

分配并放大送到步進(jìn)電機(jī)里控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)驅(qū)動器一般帶有細(xì)分驅(qū)動

的功能。細(xì)分驅(qū)動可以減小步進(jìn)電機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)的振動和噪聲，使運(yùn)行更加平

穩(wěn)，提高分辨率，實(shí)現(xiàn)精確定位。細(xì)分的原理是在換相時(shí)，不將繞組全部電流通

入或關(guān)斷，只改變其中的一部分，使繞組電流不是方波而是階梯波，從而可以實(shí)

現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在走一個步距角的時(shí)候按照細(xì)分的階梯波走一個個小的角度。

4.2、硬件選型

4.2.1、驅(qū)動器的選擇

選擇與雷賽863S42步進(jìn)電機(jī)相匹配的三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，其型號為

ZH3522M，驅(qū)動電流5A以下可調(diào)，需要AC110-AC220交流電供電。

細(xì)

分30050060()8001(X)0120020003000100050006000100001200020000300006()：X)0

數(shù)

D10N0NONONONONONONOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFF

D2ONONONONOFFOFFOFFOFFONONONONOFFOFFOFFOFF

D3ONONOFFOFFONONOFFOFFONONOFFOFFONONOFFOFF

D4ON0I-1-ONOFFONOFFONOFFONOFFONOFFONon-ONOFF

ON,雙脈沖：PU為正向步進(jìn)脈沖信號,DR為反向步進(jìn)脈沖信號

D5

OFF,單脈沖：PU為步進(jìn)脈沖信號，DR為方向控制信號

D6自動檢測開關(guān)（OFF時(shí)接收外部脈沖，0、時(shí)膽動器內(nèi)部以30轉(zhuǎn)/分的速度運(yùn)行）

如上述，選擇10細(xì)分?jǐn)?shù)，則每一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)0.18。

如下為部分端口的功能與用法

引腳功能說明

端”定義計(jì)腳號標(biāo)記符號功能注界

1CM)地找接上位機(jī)中口地（功能保

RS-2327TX