步進驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)控圓弧插補三菱plc程序設計課程設計-

1、<p>　　JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY</p><p>　　課程設計題目: 步進驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)控順圓弧插補程序設計</p><p>　　綜合訓練題目: 連接電路和機床進給電機驅(qū)動器實現(xiàn)第三象限順圓弧插補加工</p><p>　　課程設計與綜合訓練任務書</p><p>　　課程設計題目:步

2、進驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)控圓弧</p><p><b>　　插補程序設計</b></p><p>　　綜合訓練題目:連接電路和機床進給電機驅(qū)動器</p><p>　　實現(xiàn)第三象限順圓弧插補加工</p><p>　　摘要：通過對微控制器-PLC的學習進行了為期三周的課程設計，本次課程設計是以第三象限順圓弧插補為例。PLC在工業(yè)控制應

3、用非常廣泛，主要是因為其穩(wěn)定可靠。本設計即根據(jù)自制的車數(shù)控平臺（雙軸平臺），通過插補運算， 利用FX3uPLC發(fā)出脈沖，從而控制步進電機的運行，按照插補程序畫出軌跡。從而初步掌握步進電機控制系統(tǒng)的設計方法，仿真數(shù)控車加工平臺加工零件的加工軌跡。</p><p>　　關鍵詞： FX3U-64M ; 步進電機; SR3插補;</p><p><b>　　目錄</b><

4、;/p><p>　　第一章 概 述5</p><p>　　1.1 本次課程設計綜合訓練對象及內(nèi)容5</p><p>　　1.2 課程設計綜合訓練任務書及要求5</p><p>　　第二章 機電伺服傳動系統(tǒng)設計及圖形繪制7</p><p>　　2.1 步進電機的選擇和齒輪傳動比的計算7</p>

5、<p>　　2.1.1 系統(tǒng)方案設計7</p><p>　　2.1.2 傳動比計算和步進電機的選擇9</p><p>　　2.2圓柱齒輪減速器的設計計算15</p><p>　　2.2.1 X向齒輪減速器的設計計算15</p><p>　　2.2.2 Z向齒輪減速器的設計計算17</p><p>

6、　　2.2.3絲杠的選擇...........................................................19</p><p>　　2.3聯(lián)軸器選擇24</p><p>　　2.4軸承選擇24</p><p><b>　　2.5 鍵25</b></p><p>　　2.6 齒輪結

7、構設計的選擇25</p><p>　　2.7傳動系統(tǒng)結構設計和圖形繪制25</p><p>　　第三章 機電伺服系統(tǒng)微控制器電器線路及程序設計27</p><p>　　3.1開環(huán)控制系統(tǒng)27</p><p>　　3.2 三菱 PLC驅(qū)動電路設計28</p><p>　　3.3 PLC插補程序設計概述…………

8、……………………………………… …….30</p><p>　　3.4 程序設計調(diào)試 ……………………………… ……… ………………………35</p><p><b>　　參考文獻43</b></p><p>　　第一章 概 述</p><p>　　機械電子工程專業(yè)的課程設計，是對前階段機電課程教學的一次設計性的

9、訓練過程，其后二周的綜合訓練則是將課程設計的設計成果進行物化的過程。整個過程應該能實現(xiàn)對理論教學內(nèi)容的綜合應用目的。所以，本次課程設計涉及了單片機原理及接口技術、機電一體化系統(tǒng)設計、電氣控制與PLC、數(shù)控機床與編程技術、機械工程測試技術基礎等多門機電課程知識，從機電系統(tǒng)及其電氣原理圖的設計與繪制，到動手制作控制電路及調(diào)試，對這些課程的諸多知識點在機電系統(tǒng)中的綜合應用進行了簡單的闡述。</p><p>　　1.1

10、本次課程設計綜合訓練對象及內(nèi)容</p><p>　　本次設計任務是根據(jù)自制的車數(shù)控平臺，進行伺服傳動系統(tǒng)設計及圖形繪制、微控制器（單片機、可編程序控制器PLC、微機插卡）的接口電路設計、控制程序的編寫、切削加工調(diào)試，初步掌握伺服控制系統(tǒng)的設計方法（可采用開環(huán)或閉環(huán)），完成數(shù)控車加工平臺伺服系統(tǒng)零件的加工。</p><p>　　本次設計和訓練的具體內(nèi)容如下：</p><p

11、>　　(1)根據(jù)指導老師給定的任務，使用AUTOCAD繪制數(shù)控系統(tǒng)傳動圖形，選擇系統(tǒng)所用步進電機、計算系統(tǒng)減速器傳動比； </p><p>　　(2)使用繪圖工具繪制微控制器接線圖；</p><p>　　(3)利用元氣件制作微控制器及其接口控制電路；</p><p>　　(4)編制和調(diào)試程序，加工出任務書中要求的零件類型；</p><p&g

12、t;<b>　?。?）編制說明書。</b></p><p>　　1.2 課程設計綜合訓練任務書及要求 </p><p>　　課程設計綜合訓練任務書及其格式見附錄，其主要內(nèi)容有：</p><p>　　設計訓練題：分別給出課程設計和綜合訓練的題目，如課程設計的題目為“步進驅(qū)動系統(tǒng)設計與數(shù)控直線插補單片機程序設計”，綜合訓練的題目為“連接自制電路和機

13、床進給電機驅(qū)動器實現(xiàn)第一象限直線插補加工”。</p><p>　　主要設計參數(shù)及要求：可以給出具體的設計參數(shù)，如絲杠導程p、步進電機步距角α、加工線型及走刀長度、脈沖當量δp、電機和折算到電機軸上等效轉動慣量（Jm+Je）、空載啟動時間Δt、最大進給速度Vmax、大小拖板質(zhì) Md、Mx）、主切削力Fz、吃刀抗力Fy、走刀抗力Fx等參數(shù)；要求如選擇電機型號、制作接口電路、編制程序，使其能進行兩方向伺服驅(qū)動加工出所需

14、要的零件等。</p><p>　　3、設計內(nèi)容及工作量：如課程設計內(nèi)容要求“根據(jù)給定的任務參數(shù)，計算齒輪箱傳動比，選擇驅(qū)動中使用的步進電機，使用AUTOCAD繪制數(shù)控系統(tǒng)傳動圖形；使用AUTOCAD繪圖工具繪制微控制器接線圖?！?；綜合訓練內(nèi)容要求“利用元氣件制作微控制器及其接口控制電路；編制和調(diào)試程序，加工出任務書中要求的零件類型；編制課程設計和綜合訓練說明書?！?lt;/p><p>　　設

15、計具體任務書由指導老師下達， 要求每個學生完成的內(nèi)容：</p><p>　　(1)根據(jù)給定的脈沖當量選擇傳動比、電機后，設計并繪制伺服傳動系統(tǒng)AutoCAD傳動圖一張；</p><p>　?。?）繪制微控制器電器接線圖一張；</p><p>　?。?）利用自制數(shù)控加工平臺，編程插補加工出零件一個；</p><p>　?。?）課程設計綜合訓練說

16、明書1份：6000～8000字。</p><p>　　機電伺服傳動系統(tǒng)設計及圖形繪制</p><p>　　2.1 步進電機的選擇和齒輪傳動比的計算</p><p>　　系統(tǒng)總體設計非常重要，是對一部機器的總體布局和全局的安排?？傮w設計是否合理將對后面幾步的設計產(chǎn)生重大影響，也將影響機器的尺寸大小、性能、功能和設計質(zhì)量。所以，在總體設計時應多花時間、考慮清楚，以減少

17、返工現(xiàn)象。</p><p>　　當伺服系統(tǒng)的負載不大、精度要求不高時，可采用開環(huán)控制。一般來講，開環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性不成問題，設計時主要考慮精度方面的要求，通過合理的結構參數(shù)設計，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應性能。</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)方案設計</p><p>　　在機電一體化產(chǎn)品中，典型的開環(huán)控制位置伺服系統(tǒng)是簡易數(shù)控機床（本實驗室自制數(shù)控平臺）及X-

18、Y數(shù)控工作臺等，其結構原理如圖2-1所示。各種開環(huán)伺服系統(tǒng)在結構原理上大同小異，其方案設計實質(zhì)上就是在圖2-1的基礎上選擇和確定各構成環(huán)節(jié)的具體實現(xiàn)方案。</p><p>　　圖2-1 開環(huán)伺服系統(tǒng)結構原理框圖</p><p>　　1、執(zhí)行元件的選擇 </p><p>　　選擇執(zhí)行元件時應綜合考慮負載能力、調(diào)速范圍、運行精度、可控性、可靠性及體積、成本等多方面要求

19、。開環(huán)系統(tǒng)中可采用步進電機、電液脈沖馬達等作為執(zhí)行元件，其中步進電機應用最為廣泛，一般情況下優(yōu)先選用步進電機，當其負載能力不夠時，再考慮選用電液脈沖馬達等。</p><p>　　2、傳動機構方案的選擇</p><p>　　傳動機構實質(zhì)上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構以輸出旋轉運動和轉矩為主，而執(zhí)行機構則多為直線運動。用于將旋轉運動轉換為直線運動的傳動機構主要有齒輪齒條和絲杠螺母等。前者可獲得較大的傳

20、動比和較高的傳動效率，所能傳遞的力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳動間隙而結構復雜，后者因結構簡單、制造容易而廣泛使用。在步進電機與絲杠之間運動的傳遞有多種方式，可將步進電機與絲杠通過聯(lián)軸器直接連接，其優(yōu)點是結構簡單，可獲得較高的速度，但對步進電機的負載能力要求較高；還可以通過減速器連接絲杠，通過減速比的選擇配湊脈沖當量、扭矩和慣量；當電動機與絲杠中心距較大時，可采用同步齒形帶傳動。</p><p>

21、;　　3、執(zhí)行機構方案的選擇</p><p>　　執(zhí)行機構是伺服系統(tǒng)中的被控對象，是實現(xiàn)實際操作的機構，應根據(jù)具體操作對象及其特點來選擇和設計。一般來講，執(zhí)行機構中都包含有導向機構，執(zhí)行機構的選擇主要是導向機構的選擇。</p><p>　　4、控制系統(tǒng)方案的選擇</p><p>　　控制系統(tǒng)方案的選擇包括微控制器、步進電機控制方式、驅(qū)動電路等的選擇。常用的微控制器有

22、單片機、PLC、微機插卡、微機并行口、串行口和下位機等，其中單片機由于在體積、成本、可靠性和控制指令功能等許多方面的優(yōu)越性，在伺服系統(tǒng)中得到廣泛的應用。步進電機控制方式有硬件環(huán)行分配器控制和軟件環(huán)行分配器控制之分，對多相電機還有X相單X拍、X相2×X拍、X相雙X拍和細分驅(qū)動等控制方式，如三相步進電機有3相單3拍、3相6拍、3相雙3拍和細分驅(qū)動等控制方式，對于控制電路有單一電壓控制、高低壓控制、恒流斬波控制、細分控制等電路。&l

23、t;/p><p>　　5、本次課程設計和綜合訓練方案的選擇</p><p>　　對于我們這次的課程設計和綜合訓練，各種選擇不一定與實際自制數(shù)控平臺完全一致，可以根據(jù)任務書中給定的設計要求進行選擇。</p><p>　　執(zhí)行元件選用功率步進電機，但步進電機的功率需要通過計算后選定電機的型號（其網(wǎng)址是：http：//www.step-servo.com）；傳動方案選擇帶有降

24、速齒輪箱的絲杠螺母傳動機構，但在已知絲杠導程和步進電機步距角的情況下，必須計算降速齒輪箱傳動比、查詢絲杠的型號，以滿足脈沖當量的要求；執(zhí)行機構選用拖板導軌；控制系統(tǒng)中微控制器采用PLC，步進電機控制方式采用帶有硬件環(huán)行分配器的驅(qū)動器，在共地的情況下，給該驅(qū)動器提供一路進給脈沖、另一路高（低）電平方向控制電位即可。</p><p>　　2.1.2 傳動比計算和步進電機的選擇</p><p>

25、　　步進電動機是一種將脈沖信號變換成角位線（或線位移）的電磁裝置，步進電機的角位移量和角速度分別與指令脈沖的數(shù)量和頻率成正比，在時間上與輸入脈沖同步，而且旋轉方向決定于脈沖電流的通電順序。因此只需控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電順序，便可控制執(zhí)行部件位移、速度和運動方向。在無脈沖輸入時，在繞組電源激勵下機按其輸出扭矩的大小，可分為快速步進電動機與功率步進電動機；按其勵磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相；按其工作原理可以分為永磁式

26、（PM）、反應式（VR）和混合式（HB）。步進伺服結構簡單，符合系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移動速度越低。特別是步進伺服易于失步，使其主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床及舊設備改造。但近年發(fā)展起來PWM驅(qū)動、微步驅(qū)動、超微步驅(qū)動和混合伺服技術，使得步進伺服的性能提高到一個新的水平。</p><p>　　1、減速器的傳動比計算：</p><p>　　i=

27、αP/360δp</p><p>　　其中：表示步進電機步距角，兩個方向由任務書給出；</p><p>　　：表示絲杠的導程，兩個方向由任務書給出；</p><p>　?。罕硎久}沖當量，兩個方向由任務書給出。</p><p>　　根據(jù)上述公式可以得出減速器傳動比的大小。</p><p>　　X向： i1=αp/（36

28、0δp） =(0.9×4)/(360×0.005)=2</p><p>　　Z向： i2=αp/（360δp） =(0.9×6)/(360×0.005)=3</p><p>　　X方向脈沖個數(shù):n==</p><p>　　Z方向脈沖個數(shù):n==</p><p>　　2、步進電機所需力矩計算：</p

29、><p>　　選擇步進電機應按照電機額定輸出轉矩T≥電機所需的最大轉矩Tmax 的原則，首先計算電機所需的負載轉矩。</p><p>　　作用在步進電機軸上的總負載轉矩T可按下面簡化公式計算：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　式中， 為啟動加速引起的慣性力矩，</p>&

30、lt;p>　　為拖板重力和拖板上其它力折算到電機軸上的當量摩擦力矩，</p><p>　　為加工負載折算到電機軸上的負載力矩，</p><p>　　為因絲杠預緊引起的力折算到電機軸上的附加摩擦轉矩；</p><p><b>　　為電機轉動慣量；</b></p><p>　　為折算到電機軸上的等效轉動慣量；</

31、p><p>　　為啟動時的角加速度；</p><p><b>　　由任務書中給出，</b></p><p>　　由任務中的空載啟動時間和最大進給速度計算得到；</p><p>　　：為絲杠導程，由任務書中給出；</p><p>　　：為拖板重力和主切削力引起絲杠上的摩擦力， </p>&

32、lt;p>　　，拖板重量由任務書中給出，</p><p>　　注意：在計算縱向力時（選擇縱向電機），拖板重量為兩個拖板的重量之和，在計算橫向力（選擇橫向電機）時，為小拖板重量，鋼與鋼的摩擦系數(shù)可查資料，一般為0.05~0.2左右；</p><p>　?。涸谶x擇橫向電機時，為工作臺上的最大橫向載荷，通過給定吃刀抗力Fy得到；在選擇縱向電機時，為工作臺上的最大縱向載荷，通過給定吃刀抗力F

33、x得到；</p><p>　　：為絲杠螺母副的預緊力，設取的1/5 ~ 1/3 ；</p><p>　　：為伺服進給系統(tǒng)的總效率，取為0.8 ； </p><p><b>　?。簽闇p速器傳動比。</b></p><p>　　Jm+Je=0.09 N.m²</p><p><b&g

34、t;　　啟動時 ==</b></p><p>　　3)Fu: 橫向力 Fu=(mg+Fz)×u =(100+1300)×0.1=140N</p><p>　　縱向力 Fu =(mg+Fz)×u =(300+100+1300)×0.1=170N</p><p>　　4)Fw: 橫向力 Fw=(

35、mg+Fy)×u=(100+1000)×0.1=110N</p><p>　　縱向力 Fw=(mg+Fx)×u=(300+600)×0.1=90N</p><p>　　5)Fo: 橫向力 Fo=Fw（1/5~1/3）= 22~37N 取Fo=29N</p><p>　　縱向力 Fo=Fw（1/5~1/3）=18

36、~30N 取Fo=25N </p><p><b>　　由下式可得：</b></p><p><b>　　橫向： </b></p><p>　　=4.037+0.056+0.044+0.002</p><p><b>　　=4.139N.m</b></p>

37、<p><b>　　縱向： </b></p><p>　　=4.037+0.068+0.029+0.002</p><p>　　=4.136 N.m</p><p>　　一般啟動時為空載，于是空載啟動時電動機軸上的總負載轉矩為：</p><p>　　=++

38、 （2-2）</p><p><b>　　代入上式計算可得：</b></p><p>　　Tqx=4.095N.m</p><p>　　Tqz=4.107N.m</p><p>　　在最大外載荷下工作時，電動機軸上的總負載轉矩為：</p><p>　　=++

39、 （2-3）</p><p><b>　　代入上式計算可得：</b></p><p>　　Tgx=0.102N.m</p><p>　　Tgz=0.126N.m</p><p>　　計算出的總負載轉矩根據(jù)驅(qū)動方式，選擇電機時還需除以一系數(shù)，設為X相2×X拍驅(qū)動方式，則總負載轉矩取為：

40、 </p><p>　　Tx=max{4.095/0.8;0.102/(0.3～0.5)}</p><p>　　= max (5.119,0.34～0.2043) N.m=5.16N.m</p><p>　　Tz =max{4.107/0.8;0.126/(0.3～0.5)}</p><p>　　= max (5.134,0.4

41、2～0.252 )N.m=5.18N.m</p><p>　　3.由啟動最大頻率，步距角選取電動機：</p><p>　　根據(jù)求出的負載轉矩，和給定的步距角，上網(wǎng)查詢步進電機型號。步進電機的步距角為0.9°，計算得出負載轉矩分別為5.16 N·m 5.18N·m查得靜轉矩為8.0N·m，步距角0.9°的步進電機型號為110BYG250B

42、。由網(wǎng)上查得參數(shù)見下圖和表：</p><p>　　表2-1 電機主要參數(shù)</p><p>　　圖2-2 110BYG250B系列型步進電機外形尺寸</p><p>　　圖2-3 110BYG250B系列型步進電機矩頻特性曲線圖</p><p>　　由上圖可知，當脈沖頻率在100～1300次/秒時，電機的輸出轉矩比較穩(wěn)定。 </p>

43、<p>　　4.確定齒輪傳動.(圓柱直齒齒輪減速器)</p><p>　　由于i<3,故采用一級圓柱齒輪減速器,聯(lián)軸器連接電機與減速器.</p><p>　　假設伺服進給系統(tǒng)的總效率η為0.8</p><p>　　由≤機械設計≥表12-8,取η1=0.99,η2=0.98,η3=0.97</p><p><b>

44、　　則絲杠傳動的效率</b></p><p>　?、賆向電機各軸輸入輸出轉矩</p><p>　　電動機輸出轉矩 Td1=5.16N.m</p><p>　　I軸輸入轉矩 TI=Td×η1=5.16×0.99=5.11N.m</p><p>　　II軸輸入轉矩 TII=TI

45、×η2×η3×i1=5.11×0.98×0.97×2=9.72N.m</p><p>　　I軸輸出轉矩 TI'=5.11×0.98=5.01N.m</p><p>　　II軸輸出轉矩 T II'=9.72×0.98=9.53N.m</p><

46、;p>　　由于i<3,故采用一級圓柱齒輪減速器,聯(lián)軸器連接電機與減速器.</p><p>　　假設伺服進給系統(tǒng)的總效率η為0.8</p><p>　　由≤機械設計≥表12-8,取η1=0.99,η2=0.98,η3=0.97</p><p><b>　　則絲杠傳動的效率</b></p><p>　　②Z向電機

47、各軸輸入輸出轉矩</p><p>　　電動機輸出轉矩 Td2=5.18N.m</p><p>　　I軸輸入轉矩 TI2=Td2×η1=5.18×0.99=5.13N.m</p><p>　　II軸輸入轉矩 T II2=TI2×η2×η3×i2=5.13×0.98×0.97&#

48、215;3=14.63N.m</p><p>　　I軸輸出轉矩 TI2'= 5.13×0.98=5.03N.m</p><p>　　II軸輸出轉矩 T II2'= 14.63×0.98=14.43 N.m</p><p><b>　　圖2-4各軸轉矩</b></p>&

49、lt;p>　　2.2圓柱齒輪減速器的設計計算</p><p>　　2.2.1 X向齒輪減速器的設計計算</p><p>　　1.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) </p><p>　?。?）選用直齒圓柱齒輪傳動。</p><p>　?。?）大、小齒輪都選用硬齒面。由表7.1選大、小齒輪的材料均為40cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)后表面淬火，齒面硬度為

50、HRC1=HRC2=50。</p><p>　?。?）選取精度等級，初選7級精度（GB/T 10095-1988）。</p><p>　　考慮到兩齒輪均為硬齒面齒輪傳動時，失效可能為點蝕，也可能為疲勞折斷，故分別按接觸強度和彎曲強度設計，分析對比再確定方案。</p><p>　　2. 按輪齒彎曲勞強度設計</p><p>　　按式（11-44

51、）計算齒輪的模數(shù)</p><p>　　確定公式內(nèi)的各計算值:</p><p>　　1）初步選定齒輪參數(shù)</p><p><b>　?。ū?1-13）</b></p><p>　　2）計算小齒輪名義轉矩T1=1.210N.mm；</p><p><b>　　3）計算載荷系數(shù)K</b&

52、gt;</p><p>　　K=1(表11-10)</p><p>　　K=1.2[圖11-28(a)]</p><p>　　=[1.88-3.2()]cos=1.68(或11-39)</p><p>　　K=1（圖11-29）</p><p>　　K=1.17（圖11-30）</p><p>

53、　　K=KA×Kv×Kα×Kβ=1×1.2×1×1.17=1.4</p><p>　　4）查取復合齒形系數(shù)Y</p><p>　　由圖11-32查得 Y=4.28 , Y=4.02</p><p>　　5) 計算大、小齒輪的并進行比較</p><p>　　==0.020

54、4>==0.0191(舍棄)</p><p>　　6）計算重合度系數(shù)Y</p><p>　　Y=0.25+=0.25+=0.6964[式（11-45）]</p><p><b>　　7）設計計算</b></p><p>　　將模數(shù)圓整為標準值取 m=2mm</p><p><b>

55、　　3.幾何尺寸計算</b></p><p>　?。?）計算分度圓直徑</p><p><b>　?。?）計算中心距</b></p><p><b>　?。?）計算齒輪寬度</b></p><p>　　b=b+(5～10)mm=45mm</p><p>　　4.極

56、核齒面接觸疲勞強度</p><p>　　按式（11-39）校核</p><p><b>　　=ZZZ</b></p><p>　　式中：Z=189.8(表11-11)</p><p>　　Z=2.5（圖11-31）</p><p>　　Z===0.88（式11-42）</p><

57、;p>　　=ZZZ=189.8=306.7MPa</p><p>　　<[]===640MPa</p><p><b>　　接觸疲勞強度足夠。</b></p><p>　　2.2.2 Z向齒輪減速器的設計計算</p><p>　　1.選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) </p><p>

58、;　　（1）選用直齒圓柱齒輪傳動。</p><p>　?。?）大、小齒輪都選用硬齒面。由表7.1選大、小齒輪的材料均為40cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)后表面淬火，齒面硬度為HRC1=HRC2=50。</p><p>　?。?）選取精度等級，初選7級精度（GB/T 10095-1988）。</p><p>　　2. 按輪齒彎曲勞強度設計</p><p>　　

59、1）初步選定齒輪參數(shù)</p><p><b>　?。ū?1-13）</b></p><p>　　2）計算小齒輪名義轉矩T1=1.210N.mm；</p><p><b>　　3）計算載荷系數(shù)K</b></p><p>　　K=1(表11-10)</p><p>　　K=1.2

60、[圖11-28(a)]</p><p>　　=[1.88-3.2()]cos=1.7(或11-39)</p><p>　　K=1（圖11-29）</p><p>　　K=1.17（圖11-30）</p><p>　　K=KA×Kv×Kα×Kβ=1×1.2×1×1.17=1.68<

61、;/p><p>　　4）查取復合齒形系數(shù)Y</p><p>　　由圖11-32查得 Y=4.28 , Y=4.02</p><p>　　5) 計算大、小齒輪的并進行比較</p><p>　　==0.0204>==0.0191(舍棄)</p><p>　　6）計算重合度系數(shù)Y</p><

62、;p>　　Y=0.25+=0.25+=0.6912[式（11-45）]</p><p><b>　　7）設計計算</b></p><p>　　將模數(shù)圓整為標準值取 m=1.25mm</p><p><b>　　3.幾何尺寸計算</b></p><p>　　（1）計算分度圓直徑</p>

63、;<p><b>　?。?）計算中心距</b></p><p><b>　?。?）計算齒輪寬度</b></p><p>　　b=b+(5～10)mm=35mm</p><p>　　4.極核齒面接觸疲勞強度</p><p>　　按式（11-39）校核</p><p&g

64、t;<b>　　=ZZZ</b></p><p>　　式中：Z=189.8(表11-11)</p><p>　　Z=2.5（圖11-31）</p><p>　　Z===0.88（式11-42）</p><p>　　=ZZZ=189.8</p><p>　　=424.06MPa</p>

65、<p>　　<[]===640MPa</p><p>　　2.2.3絲杠的選擇</p><p>　　一．設計X方向的滾珠絲杠螺母機構：</p><p>　　1、X方向絲杠受力分析：</p><p>　　X、Z方向的工作臺滑板及其組件重量（W1、W2）以及Z方向的軸向工作載荷主要由導軌承擔，而X方向絲杠主要承受X方向的軸向力F

66、 。X方向絲杠所受的總軸向力F由兩部分組成：一是刀具所受的X方向軸向工作載荷；二是工作臺滑板及其組件重量（W1、W2）和Z方向的軸向載荷在導軌上產(chǎn)生的合成摩擦力兩部分組成：</p><p><b>　　F＝＋</b></p><p><b>　　F=u54 N</b></p><p>　　式中 F――絲杠所受的總軸向力 N

67、 ；</p><p>　　――導軌與工作臺滑板之間的摩擦力 N ；</p><p>　　――X方向的軸向工作載荷 N ；</p><p>　　――Y方向軸向工作載荷 N ；</p><p>　　μ――導軌與工作臺滑板之間的摩擦系數(shù)，由于導軌與工作臺滑板處于邊界潤滑狀態(tài)（脂潤滑或油潤滑），可取μ＝0.05～0.2 ；</p>&l

68、t;p>　　W1――X方向工作臺滑板及其組件重量 N；</p><p>　　W2――y方向工作臺滑板及組件重量 N ；</p><p>　　將有關參數(shù)代入上述公式可得X方向絲杠所受的總軸向力F為：</p><p>　　F＝＋=600+54=654N</p><p>　　2、絲杠設計計算及選擇</p><p>　　

69、當滾珠絲杠副承受軸向載荷時，滾珠和滾道型面間便會產(chǎn)生接觸應力。對滾道型面上某一點而言，其應力狀態(tài)是交變應力。這種交變接觸應力作用下，經(jīng)過一定的應力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠和滾道型面產(chǎn)生疲勞點蝕現(xiàn)象，隨著麻點的擴大滾珠絲杠副就會出現(xiàn)振動和噪音，而使它失效，這是滾珠絲杠副的主要破壞形式。在設計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向工作載荷下，在回轉一百萬轉時，在它的滾道上由于受滾道的壓力而不至于出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象，此時所能承受的軸向載荷，稱為這種滾珠絲

70、杠副的最大（基本）額定動載荷Ca。</p><p>　　設計在較高速度下長時間工作的滾珠絲杠副時，因疲勞點蝕是其主要的破壞形式， 故應按疲勞壽命選用，并采用與滾動軸承同樣的計算方法，首先從工作載荷F推算最大</p><p>　　動載荷Ca，由《機械設計》可知</p><p>

71、;<b>　　或 </b></p><p>　　式中 Ca—最大（基本）額定動載荷（N），其值查附表5</p><p><b>　　――計算額定動載荷</b></p><p>　　F—絲杠所受總的軸向工作載荷（N）</p><p>　　L10—基本額定壽命（以一百萬轉為一個單位）<

72、/p><p>　　L’――預期使用壽命（以一百萬轉為一個單位）</p><p>　　（1）、按額定靜載荷選擇：按≧F 的原則選擇絲杠：d0＝16mm</p><p>　　（2）、按疲勞壽命選擇</p><p>　　=60×n×T/1000000＝60×888.9×15000/1000000=800（百萬轉）

73、</p><p><b>　　(3) </b></p><p>　?。ㄓ捕认禂?shù)）由2表取1.0，（運轉系數(shù)）由表3取1.2，</p><p>　　T 使用壽命由表4取為15000h</p><p>　　由已知條件（1）、(2)、(3)，查滾珠絲杠副的表5，根據(jù)導程L0＝4mm 和＞的原則，并參考同類型設備的實際情況，得出

74、設計選用：外循環(huán)滾珠絲杠，公稱直徑d0＝16，2.5圈×1列，Ca=6300N，鋼球直徑Dw（d b）=2.381mm,ψ=4°33′，精度等級為E，基本導程極限偏差為±6μm，絲杠大徑表面粗糙度為Ra0.8 。</p><p>　　由上述計算可知，應選d0＝16、基本導程L0＝4mm、基本長度為40cm的滾珠絲杠。</p><p>　　二．設計Z方向的滾珠絲

75、杠螺母機構：</p><p>　　1、Z方向絲杠受力分析：</p><p>　　X、Z方向的工作臺滑板及其組件重量（W1、W2）以及X方向的軸向工作載荷主要由導軌承擔，而Z方向絲杠主要承受Z方向的軸向力F 。Z方向絲杠所受的總軸向力F由兩部分組成：一是刀具所受的Z方向軸向工作載荷；二是工作臺滑板及其組件重量（W1、W2）和X方向的軸向載荷在導軌上產(chǎn)生的合成摩擦力兩部分組成：</p&g

76、t;<p><b>　　F＝＋</b></p><p><b>　　F=u36 N</b></p><p>　　式中 F――絲杠所受的總軸向力 N ；</p><p>　　――導軌與工作臺滑板之間的摩擦力 N ；</p><p>　　――X方向的軸向工作載荷 N ；</p>

77、<p>　　――Y方向軸向工作載荷 N ；</p><p>　　μ――導軌與工作臺滑板之間的摩擦系數(shù)，由于導軌與工作臺滑板處于邊界潤滑狀態(tài)（脂潤滑或油潤滑），可取μ＝0.05～0.2 ；</p><p>　　W1――X方向工作臺滑板及其組件重量 N；</p><p>　　W2――y方向工作臺滑板及組件重量 N ；</p><p>

78、;　　將有關參數(shù)代入上述公式可得X方向絲杠所受的總軸向力F為：</p><p>　　F＝＋=1000+36=1036N</p><p>　　2、絲杠設計計算及選擇</p><p>　　當滾珠絲杠副承受軸向載荷時，滾珠和滾道型面間便會產(chǎn)生接觸應力。對滾道型面上某一點而言，其應力狀態(tài)是交變應力。這種交變接觸應力作用下，經(jīng)過一定的應力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠和滾道型面產(chǎn)生疲

79、勞點蝕現(xiàn)象，隨著麻點的擴大滾珠絲杠副就會出現(xiàn)振動和噪音，而使它失效，這是滾珠絲杠副的主要破壞形式。在設計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向工作載荷下，在回轉一百萬轉時，在它的滾道上由于受滾道的壓力而不至于出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象，此時所能承受的軸向載荷，稱為這種滾珠絲杠副的最大（基本）額定動載荷Ca。</p><p>　　設計在較高速度下長時間工作的滾珠絲杠副時，因疲勞點蝕是其主要的破壞形式，

80、 故應按疲勞壽命選用，并采用與滾動軸承同樣的計算方法，首先從工作載荷F推算最大</p><p>　　動載荷Ca，由《機械設計》可知</p><p><b>　　或 </b></p><p>　　式中 Ca—最大（基本）額定動載荷（N），其值查附表5</p>

81、<p><b>　　――計算額定動載荷</b></p><p>　　F—絲杠所受總的軸向工作載荷（N）</p><p>　　L10—基本額定壽命（以一百萬轉為一個單位）</p><p>　　L’――預期使用壽命（以一百萬轉為一個單位）</p><p>　　（1）、按額定靜載荷選擇：按≧F 的原則選擇絲杠：d0＝

82、16mm</p><p>　　（2）、按疲勞壽命選擇</p><p>　　=60×n×T/1000000＝60×600×15000/1000000=540（百萬轉）</p><p><b>　　(3) </b></p><p>　?。ㄓ捕认禂?shù)）由2表取1.0，（運轉系數(shù)）由表3取1

83、.2，</p><p>　　T 使用壽命由表4取為15000h</p><p>　　由已知條件（1）、(2)、(3)，查滾珠絲杠副的表5，根據(jù)導程L0＝6mm 和＞的原則，并參考同類型設備的實際情況，得出設計選用：外循環(huán)滾珠絲杠，公稱直徑d0＝20，2.5圈×1列，Ca=13100N，鋼球直徑Dw（d b）=3.969mm,ψ=5°24′，精度等級為E，基本導程極限偏差

84、為±6μm，絲杠大徑表面粗糙度為Ra0.8 。</p><p>　　由上述計算可知，應選d0＝20、基本導程L0＝6mm、基本長度為40cm的滾珠絲杠。</p><p><b>　　2.3 聯(lián)軸器選擇</b></p><p>　　根據(jù)電機尺寸選擇聯(lián)軸器為彈性套柱銷聯(lián)軸器HTC1-40S，聯(lián)軸器尺寸如下表所示：</p>&

85、lt;p><b>　　表2-2聯(lián)軸器</b></p><p><b>　　2.4軸承選擇</b></p><p><b>　　假定軸承的壽命</b></p><p><b>　　X軸方向：</b></p><p>　　=（2×5385

86、15;tan20）/48</p><p>　　=81.67 N </p><p>　　試選擇角接觸球軸承7003C型軸承</p><p>　　d=17mm, D=35mm , B=10mm</p><p>　　C=6.6KN ， </p><p><b>　　∴ </b><

87、;/p><p>　　所以所選軸承符合要求 。</p><p>　　Z 軸方向：同上選擇角接觸球軸承7003C型軸承</p><p><b>　　2.5 鍵的選擇</b></p><p><b>　?。?）X軸方向: </b></p><p>　　1）高速軸：連軸器處：半圓鍵GB

88、/T1099-1979, bhL=47.519</p><p>　　2）低速軸：齒輪連接處：圓頭平鍵A型GB1096-79, bhL=8728</p><p><b>　?。?）Z軸方向：</b></p><p>　　1）高速軸：連軸器處：半圓鍵GB/T1099-1979, bhL=47.519</p><p>

89、　　2）低速軸：齒輪連接處：圓頭平鍵A型GB1096-79, bhL=8728</p><p>　　2.6 齒輪結構設計</p><p><b>　　X方向：</b></p><p>　　d1≤160mm，所以小齒輪做成實心的。雖然d2≤160mm，但是大齒輪與絲杠連接，因此不能做成實心的，應根據(jù)絲杠來定。</p><p

90、><b>　　Z方向：</b></p><p>　　同理：d1≤160mm，所以小齒輪做成實心的雖然d2≤160mm，但是大齒輪與絲杠連接，因此不能做成實心的，應根據(jù)絲杠來定。</p><p>　　2.7傳動系統(tǒng)結構設計和圖形繪制</p><p><b>　　X方向Z方向</b></p><p&

91、gt;　　圖2-5 傳動系統(tǒng)結構示意圖</p><p>　　由前面計算得到的傳動比確定減速箱的傳動級數(shù)，一般在≥3，且總轉動</p><p>　　量與電機軸上的主動齒輪轉動慣量之比≥5時，考慮采用兩級傳動減速箱，即,采用等效轉動慣量最小原則,傳動比應該“前小后大”，也就是的布置方式，最后確定各齒輪模數(shù)、齒數(shù)、厚度及電機軸和絲杠的連接。</p><p>　　第三章

92、 機電伺服系統(tǒng)微控制器電器線路及程序設計</p><p><b>　　3.1開環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　圖3-1為開環(huán)機電伺服系統(tǒng)微控制器信號流動原理框圖。開環(huán)系統(tǒng)是最簡單的進給系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機、電液脈沖馬達等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，驅(qū)動步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅(qū)動執(zhí)行部件。這

93、種系統(tǒng)不需要對實際位移和速度進行測量，更無需將所測得的實際位置和速度反饋到系統(tǒng)的輸入端，與輸入的指令位置和速度進行比較，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度、齒輪絲杠等傳動元件的導程或節(jié)距精度以及系統(tǒng)的摩擦阻尼特性。此類系統(tǒng)的位移精度較低，其定位精度一般可達±0.02 mm。如果采取螺距誤差補償和傳動間隙補償?shù)却胧?，定位精度可提高?#177;0. 0l mm。此外，由于步進電機性能的限制，開環(huán)進給系

94、統(tǒng)的進給速度也受到限制，在脈沖當量為0.0lmm時，一般不超過5m／min。開環(huán)進給系統(tǒng)的結構較簡單，調(diào)試、維修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。在一般要求精度不太高的機床上曾得到廣泛應用。20世紀60年代，日本生產(chǎn)的數(shù)控機床幾乎全部采用功率步進電機和電液脈沖馬達的開環(huán)進給系統(tǒng)。20世紀70年代初我國也曾仿造過這種開環(huán)進給系</p><p>　　三菱PLC驅(qū)動電路設計</p><p>　

95、　表3-1 I／O地址分配表</p><p>　　圖3-1 PLC驅(qū)動步進電機接線圖</p><p>　　與單片機要求相同，本電路應該能實現(xiàn)兩個方向步進電機的插補進給，和進刀退刀的動作，由于使用晶體管輸出使該快速發(fā)出脈沖的驅(qū)動設計成為可能。電路接線如圖3-1所示，該驅(qū)動裝置由PLC系統(tǒng)（包括：機價、電源、CPU、輸入模塊、輸出模塊等）、步進電機驅(qū)動器、開關電源、步進電機等組成。圖中所

96、示是驅(qū)動器中含有硬件環(huán)型分配器的驅(qū)動方式，其中使用Y0(Y1)口線接PUL-，提供一定頻率的脈沖信號，驅(qū)動步進電機按與給定頻率對應的轉速運行，改變脈沖信號的頻率便可以改變步進電機的轉速；Y2(Y3)口線接DIR-，通過高低電平轉換改變步進電機的運行方向，如設Y2(Y3)高電平為正轉，則低電平為反轉；PUL+、DIR+、ENA+、開關電源+24v都連接在一起，其余接線如圖3-1所示。接通電源后，PLC上的LED指示步進電機得電情況，兩個輸

97、入按鈕分別控制兩個方向的反轉后退，點擊輸入按鈕使步進電機反轉后退，若需要兩個方向都能反轉后退和前進進給，需再加上兩個向前按鈕。</p><p>　　3.3 PLC插補程序設計概述</p><p>　　PLC控制步進電機程序的主要任務：（1）控制旋轉方向（2）按順序傳送控制脈沖（3）判斷步數(shù)是否走完。</p><p>　　本課程設計和綜合訓練可根據(jù)給定數(shù)控平臺X方向與

98、Z方向的絲杠的導程Lx和Lz、步進電機步距角αx、αz和脈沖當量δx、δz，若要讓工作臺向前行進amm，則步進電機需要運行a / δx（δz）的步數(shù)。本次設計由于指標中有最大進給速度，設步進電機步距角為0.9度，例如要求運行角速度為30r/min, 即180度/秒（140步/秒），則運行一步為7143us ，所以輸出高低電平脈沖后各延時3572us即可達到上述目的。步進電機剛啟動時的響應頻率比較低（100～250步/秒）,而電機啟動后進

99、入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。所以必須采取啟動時以低于響應頻率的速度運行，然后慢慢加速，加速到響應頻率后，就以此速率恒速運行。當快到達終點時，又使其慢慢減速，在低于響應頻率的速率下運行，直到走完規(guī)定的步數(shù)后停機。因此，在啟動或停機的過程中，可以均勻減少或增加延時時間（此次設計的延時可采用軟件循環(huán)延時，也可以采用定時器延時）。</p><p>　　3.3.1逐點比較法順圓弧插補</p><

100、p>　　根據(jù)以前學過的知識可知，偏差計算是逐點比較法關鍵的一步，下面以第二象限圓弧為例導出偏差的計算公式。 </p><p>　　如圖所示，假定順圓弧SR3的起點為S(XS,YS)，終點E的坐標為（xe, ye）。當動點在圓弧上或在圓弧外側區(qū)域時， 應+X方向進給一步；</p><p>　　圖3-2第三象限順圓弧插補</p><p>　　當動

101、點在圓弧內(nèi)側區(qū)域時，應+Y方向進給一步；</p><p>　　當時向（+y）軸進給一部，則新的動點坐標為：</p><p>　　新動點偏差函數(shù)為 </p><p>　　當時，向（-X）方向進給一步，則新的動點坐標為</p><p><b>　　新的動點偏差函數(shù)為</b></p><p>　　圖3

102、-3四個象限圓弧插補偏差計算與進給方向</p><p>　　（1）SR1 → NR2 （X軸反向）；</p><p>　　SR1 → NR4 （Y軸反向）；</p><p>　　SR1 → SR3 （X軸、Y軸同時反向）；</p><p>　　SR1、 NR2、 SR3和NR4這四種線型的偏差計算公式都相同。</p><p

103、>　　NR1 → SR2 （X軸反向）；</p><p>　　SR1 → SR4 （Y軸反向）；</p><p>　　SR1 → NR3 （X軸、Y軸同時反向）；</p><p>　　NR1、 SR2、 NR3和SR4這四種線型的偏差計算公式也都相同。</p><p>　?。?） SR1 → NR1 （ X、Y對調(diào)）；</p>

104、;<p>　　NR1 → SR1 （ X、Y對調(diào)）；</p><p>　　可見，通過對調(diào)X、Y信號和改變進給方向，各個象限不同走向的圓弧插補運動都可以通過進行第一象限順圓弧的插補計算或第一象限逆圓弧的插補計算來完成。</p><p>　　如圖所示，設要加工圓弧SE，圓弧的圓心在坐標原點，圓弧的起點S（XS,YS）、終點E（XE,YE）,圓弧半徑為R。令瞬時加工點為i（xi,y

105、i）,它與圓心的距離為Ri。比較Ri和R，可以比較他們的平方值。</p><p>　　Ri2=Xi2+yi2</p><p>　　R2=x02+y02</p><p>　　因此可得圓弧偏差判別式如下：</p><p>　　Fi=Ri2-R2=xi2+yi2-R2 </p><p>　　若Fi=0,表

106、明加工點i在圓弧上；</p><p>　　Fi>0, 表明加工點i在圓弧外；</p><p>　　Fi<0,表明加工點i在圓弧內(nèi)。</p><p>　　若Fi≥0,為逼近圓弧，下一步向+Y軸向進給一步，并算出新的偏差；</p><p>　　Fi<0，為逼近圓弧，下一步向-X軸向進給一步，并算出新的偏差.</p>

107、<p>　　如此一步步計算和一步步進給，在到達終點后停止運算，就可插補出如圖所示第三象限順圓弧。 </p><p>　　為簡化計算，下面進一步推導偏差計算的遞推公式。</p><p>　　設加工點正處于i(xi,yi)點，其判別式為</p><p>　　Fi=xi2+yi2-R2</p><p>　　若Fi≥0，應沿+Y軸向進給

108、一步，到i+1點，其坐標值為</p><p><b>　　Xi+1=Xi </b></p><p>　　Yi+1=Yi+1 </p><p><b>　　新加工點的偏差為：</b></p><p>　　Fm=Xi+12+Yi+12-R2=xi2+(y-1)-R2=Fi-2Yi+1

109、 (3-1)</p><p>　　若Fi<0，應沿-X軸向進給一步，到i+1點，其坐標值為</p><p><b>　　Xi+1=Xi-1</b></p><p>　　Yi+1=Yi </p><p><b>　　新加工點的偏差為：</b></p><p

110、>　　Fi=Xi+12+Yi+12-R2=(x-1)+yi2-R2=Fi+2Xi+1 (3-2)</p><p>　　根據(jù)式（3-1） 和（3-2）可以看出，只要知道前一點偏差和坐標，就可以求出新的一點的偏差。公式中只有乘2運算，計算大為簡化了。由于加工是從圓弧的起點開始的，起點的偏差為0，坐標為（x0,y0），所以新的加工點的偏差完全可以用前一加工點的偏差遞推出來。</p

111、><p>　　綜上所述，逐點比較的逆圓弧插補過程為每走一步要進行以下四個步驟，即判別、進給、運算、比較。</p><p>　?。?）判別。根據(jù)偏差值確定刀具的位置是在直線的上方（或線上），還是在直線的下方。</p><p>　　（2）進給。根據(jù)判別的結果，決定控制哪個坐標（x或y）移動一步。</p><p>　?。?）運算。計算刀具移動后的新偏差

112、，提供給下一個判別依據(jù)。根據(jù)式 （3-1） 及式 （3-2）來算新加工點的偏差，使運算大大簡化，但是每一新加工點的偏差是由前一點偏差Fi,i推算出來的，并且一直推算下去，這樣就要知道開始加工時的那一點的偏差是多少。當開始加工時，我們是以人工方式將刀具移到加工起點，既所謂的“對刀”，這一點當然沒有偏差，所以開始加工點的Fi,i=0。</p><p>　?。?）比較。在計算運算偏差的同時，還要進行一次終點比較，以確定

113、是否到達終點。若已經(jīng)到達，就不要再進行計算，并發(fā)出停機或轉換新程序的信號。</p><p>　　逐點比較法第三象限順圓弧插補程序流程圖如下： </p><p>　　圖3-4第三象限順圓弧插補流程圖</p><p>　　使用MOV、ADD_I、SUB_I等編程模塊，和一些控制指令進行，注意到了規(guī)定的進給總步數(shù)后應跳過進給段。</p><p>　

114、　3.4 程序設計調(diào)試</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 楊龍興編.機電一體化系統(tǒng)設計實驗指導書. 校印版.2006.</p><p>　　[2] 鐘肇新，彭侃編.可編程控制器原理及應用. 廣州:華南理工大學出版社,1999.</p><p>　　[3] 黃平、朱文堅編.機械設

115、計教程. 北京: 清華大學出版社.</p><p>　　[4] 許杏根編.簡明機械設計手冊. 北京:機械工業(yè)出版社,1997.</p><p>　　[5] 鄭文緯,吳克堅編.機械原理.7版. 北京:高等教育出版社,1997.</p><p>　　[6] 汪木蘭編.數(shù)控原理與系統(tǒng). 北京:機械工業(yè)出版社,2004.</p><p>　　[