机电传动单向数控平台设计机械工程及自动化专业专业课程设计说明书专 业：机械工程及其自动化班级：机自 11-8 班学生：学 号：指导老师：2014 年 12 月 12 日目录1设计任务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 设计的基本依据2.2 总体方案确实定3机械传动系统设计机械传动装置的组成及原理主要部件的结构设计计算4电气控制系统设计控制系统的基本组成4.2 电器元件的选型 电气控制电路的设计 控制程序的设计及说明5 结束语6 参考文献机械部分CAD图纸下载：电控部分CAD图纸下载：1.设计任务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。1.2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或主要部件图A2 图一张。3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4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，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为 3000 字以上，设计图纸不少于两张。5绘图及说明书：用电脑绘图，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。同步带是一种综合了带、链传动优点的新型传动。如下图，它在带的工作 面及带轮外圆周上均制成齿形，通过带轮与带齿相啮合，作无滑移的啮合传动。 同时，带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使 主、从带轮作无滑差的同步运动。JI龜图 1 同步带与一般传动带相比，同步带传动具有以下特点：1工作时无滑动，有准确的传动比同步带传动是一种啮合传动，虽然同步带是弹性体，但由于其中承受负载的 承载绳具有在拉力作用下不伸长的特性，故能保持带节距不变，使带与轮齿槽能 正确啮合，实现无滑差的同步传动，获得精确的传动比。2传动效率高，节能效果好 由于同步带作无滑动的同步传动，故有较高的传动效率，一般可达0.98。它 与三角带传动相比，有明显的节能效果。3传动比范围大，结构紧凑同步带传动的传动比一般可到达 10 左右，而且在大传动比情况下，其结构 比三角带传动紧凑。因为同步带传动是啮合传动，其带轮直径比依靠摩擦力来传 递动力的三角带带轮要小得多，此外由于同步带不需要大的张紧力，使带轮轴和 轴承的尺寸都可减小。所以与三角带传动相比，在同样的传动比下，同步带传动 具有较紧凑的结构。4维护保养方便，运转费用低由于同步带中承载绳采用伸长率很小的玻璃纤维、钢丝等材料制成，故在运 转过程中带伸长很小，不需要像三角带、链传动等需经常调整张紧力。此外，同 步带在运转中也不需要任何润滑，所以维护保养很方便，运转费用比三角带、链、 齿轮要低得多。5恶劣环境条件下仍能正常工作 尽管同步带传动与其它传动相比有以上优点，但它对安装时的中心距要求等 方面极其严格，同时制造工艺复杂、制造成本高。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理 能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O 口和中 断系统、定时器/计数器等功能可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模 拟多路转换器、 A/D 转换器等电路集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微 型电脑系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪 80 年代，由当时的 4 位、 8 位单片机，发展到现在的 300M 的高速单片机。单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪 迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，电脑的网络通讯与数据传输，工 业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿 车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电 子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、 医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批电 脑应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的 智能化管理及过程控制等领域。硬件特性:1、主流单片机包括 CPU、4KB 容量的 RAM、128 KB 容量的 ROM 、2 个 16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、 I2C、 ISP、 IAP。2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；3、单片机可靠性高，可工作到10人610人7小时无故障；4、处理功能强，速度快。5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品6、控制功能强7、环境适应能力强。可行性方案比较 本平台主要用于小巧灵活且精度不高的场合，可以使用步进电机和伺服电 机，由于步进电机相对价格较低，且控制容易所以选步进电机。滚珠丝杠虽然精 度高，但价格贵，不如同步带合适。到达简单控制功能的前提下，PLC的价格比 单片微机高很多，所以选单片机。2.3 总体方案确实定 参数初设如下：(1)电机驱动方式：步进电机机械传动方式：同步皮带电气控制方式：单片机控制功能控制要求：位置控制、速度控制主要设计参数：单向最大工作行程1200mm；移动负载质量10kg； 负载移动阻力0N；移动速度控制6 m / min 选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数卩二0.15 ；本平台设计用于便携式火焰切割机，所以移动负载质量选择10kg,负载阻力为零3. 机械传动系统设计及核算组成：步进电机、同步带轮、同步皮带、滑动导轨主要采用同步皮带和同步轮的简单传动方式，同步带在带的工作面及带轮外圆周 上均制成齿形，通过带轮与带齿相啮合，作无滑移的啮合传动。同时，带内采用 了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主、从带轮作无 滑差的同步运动。3.2 主要部件的结构设计计算计算及说明结果3.2同步皮带的设计及核算3.2.1导轨动载荷的计算作用在滑块上的力FI=98NF：=(m1+m2)g=10*9.8=98NU滑动导轨上的摩擦阻力Ff=9.8NFf=uFE=0.1*98=9,8N3.2.2同步带传动设计计算P=0.98W1传递的功率：P=Ffv=9.8xO.1=8W2功率：Pd=KAPKaKA工况系数，查表B&C-6Pa=KAP=1-2x0-98=1-176WPd=1.176Wd3）按功率初选电机空载启动转速为225r/min的57BYG450E步进电机，电机直接连接皮带轮按运彳丁速度的要求，由表B&C初选带轮的参数为XL型Pb=选LZ=28Pb=d=mmz1=28da=mmd=mm应设计要求，主带轮直径等于从带轮直径z2=283）运行速度验算：d2=mm当步进电机频率为280Hz时v=2 n n*d/2*60=0.0996m/s所以能符合速度要求v=m/s4初定轴间距a 三L+d+L +2*L =1395.28mm0hy取 a =1395.28mm0a0=1395.28mm5求带长：L0=2a0+ n *(d1+d2)/2+(d2-d1)2/4a0=2932.8mmL0=29mm查表 B&C-3 得 Lp=3048mmLp=3048mm6)实际轴间距 a=a0+(LP-L0)/2=1453mma=1453mm7）基本额定功率查表 B&C-12 得 Ta=N, m=kg/mP0=(Ta-mv2)v/lOOO=O.OO5kW8)带宽bs = bsd =mmo1. F K P z 0取带宽为mm9) 作用在轴上的力Fr=1000Pd/V=16N10) 预紧力查表B&C-13取 F0=60N3.2.3步进电机选型计算已知参数：工作台与负载重量g=10=98N定位精度0.5毫米3.2.3.1脉冲当量的选择脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离a 00b =2 na *d/(2*360)=0.356mm符合定位精度要求3.2.3.2等效负载转矩的计算 空载时的摩擦转矩TLFT = uGl = 0.034N mLF1稳定运行时的转矩M1：M1=Ff*(d1/2)*10-3=9.8*(/2)*10-3=0.222N m2电机轴上的总转矩：带轮用塑料材质，带轮转动惯量Jd=*10-3kg m2折算到电机轴上的转动 惯量估算带轮质量为kgJ=2*Jd*(wm/w)2=2*Jd/i2=*10-3kg m2负载和工作台折算到电机轴上的转动惯量J2,取负载和工作台质量为 10kgJ2=m*(v/w)2=10*(d/2)2=*10-3kgm2同步带折算到电机轴上的转动惯量J3 估算同步带的单位长度密度为m0J3= m*(v/w)2=m0*L *(d/2)2=*10-3 kgm2折算到电机轴上的总转矩为JJ=J+J2+J3=*10-3kg m23233初选步进电动机型号根据稳定运行时转距M =Nm和电动机总转动惯量JL=*10-3kg