（强烈推荐）步进驱动系统与数控圆弧插补三菱PLC程序设计毕业论文 - 图文

JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

课程设计题目: 步进驱动系统与数控顺圆弧插补程序设计

综合训练题目: 连接电路和机床进给电机驱动器实现第三象限顺圆弧插补加工

学院名称： 机械学院 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师：

2013年12月

课程设计与综合训练任务书

设计综合设计题目：步进驱动系统与数控圆弧插补三菱PLC程序训练设计 题目训练题目：连接电路和机床进给电机驱动器实现第三象课程限顺圆弧插补加工 主要设计参数及要求主要设计参数： 走刀长度(mm)：50 X丝杠导程(mm)：4 Z丝杠导程(mm)：6 脉冲当量δp (um)：20 步距角α（o）：0.9 最大进给速度Vmax (rmin)：30 等效惯量(Jm+Je) (Nm2)：900310-4 空启动时间Δt (ms)：70 主切削力Fz(N)：1300 吃刀抗力Fy(N)：1000

课程设计内容及工作量（一周）： （1）根据给定任务参数选择传动比、步进电机型号，设计并绘制伺服传动系统AutoCAD传动图一张； 设计内容及工作量（2）使用PROTEL绘图工具绘制微控制器接线图一张； （3）编制插补程序。 综合训练内容及工作量（两周）： （1）利用设备及元气件制作微控制器及其接口控制电路； （2）调试所编制插补程序； （3）课程设计综合训练说明书1份：6000～8000字。 主要参考文献1． PLC编程控制方面的参考书； 2．步进电机驱动方面的参考书； 3．Solidworks绘图方面的参考书。

课程设计题目:步进驱动系统与数控圆弧

插补程序设计

综合训练题目:连接电路和机床进给电机驱动器

实现第三象限顺圆弧插补加工

摘要：通过对微控制器-PLC的学习进行了为期三周的课程设计，本次课

程设计是以第三象限顺圆弧插补为例。PLC在工业控制应用非常广泛，主要是因为其稳定可靠。本设计即根据自制的车数控平台（双轴平台），通过插补运算， 利用FX3uPLC发出脉冲，从而控制步进电机的运行，按照插补程序画出轨迹。从而初步掌握步进电机控制系统的设计方法，仿真数控车加工平台加工零件的加工轨迹。

关键词： FX3U-64M ; 步进电机; SR3插补;

目录

第一章 概 述 ..................................... 5

1.1 本次课程设计综合训练对象及内容 ................................. 5 1.2 课程设计综合训练任务书及要求 ................................... 5

第二章 机电伺服传动系统设计及图形绘制 .................. 7

2.1 步进电机的选择和齿轮传动比的计算 .............................. 7 2.1.1 系统方案设计................................................. 7 2.1.2 传动比计算和步进电机的选择 ................................... 9 2.2圆柱齿轮减速器的设计计算 ...................................... 15 2.2.1 X向齿轮减速器的设计计算 .................................... 15 2.2.2 Z向齿轮减速器的设计计算 .................................... 17 2.2.3

丝

杠

的

选

择...........................................................19

2.3联轴器选择 .................................................... 24 2.4轴承选择 ...................................................... 24 2.5 键 ........................................................... 25 2.6 齿轮结构设计的选择 ............................................ 25 2.7传动系统结构设计和图形绘制 .................................... 25

第三章 机电伺服系统微控制器电器线路及程序设计 .......... 27

3.1开环控制系统 .................................................. 27 3.2 三菱 PLC驱动电路设计 ........................................ 28 3.3

PLC

插

补

程

序

设

计

概

述………………………………………………… …….30 3.4

程

序

设

计

调

试 ……………………………… ……… ………………………35

参考文献 .......................................... 43

第一章 概 述

机械电子工程专业的课程设计，是对前阶段机电课程教学的一次设计性的训练过程，其后二周的综合训练则是将课程设计的设计成果进行物化的过程。整个过程应该能实现对理论教学内容的综合应用目的。所以，本次课程设计涉及了单片机原理及接口技术、机电一体化系统设计、电气控制与PLC、数控机床与编程技术、机械工程测试技术基础等多门机电课程知识，从机电系统及其电气原理图的设计与绘制，到动手制作控制电路及调试，对这些课程的诸多知识点在机电系统中的综合应用进行了简单的阐述。

1.1 本次课程设计综合训练对象及内容

本次设计任务是根据自制的车数控平台，进行伺服传动系统设计及图形绘制、微控制器（单片机、可编程序控制器PLC、微机插卡）的接口电路设计、控制程序的编写、切削加工调试，初步掌握伺服控制系统的设计方法（可采用开环或闭环），完成数控车加工平台伺服系统零件的加工。

：在选择横向电机时，为工作台上的最大横向载荷，通过给定吃刀抗力Fy得到；在选择纵向电机时，为工作台上的最大纵向载荷，通过给定吃刀抗力Fx得到；

：为丝杠螺母副的预紧力，设取的15 ~ 13 ； ：为伺服进给系统的总效率，取为0.8 ； ：为减速器传动比。 Jm+Je=0.09 N.m2 启动时 ==

2?3.14?30?60?44.86rad/m ?370?103)Fu: 横向力 Fu=(mg+Fz)3u =(100+1300)30.1=140N 纵向力 Fu =(mg+Fz)3u =(300+100+1300)30.1=170N 4)Fw: 横向力 Fw=(mg+Fy)3u=(100+1000)30.1=110N

纵向力 Fw=(mg+Fx)3u=(300+600)30.1=90N

5)Fo: 横向力 Fo=Fw（15~13）= 22~37N 取Fo=29N

纵向力 Fo=Fw（15~13）=18~30N 取Fo=25N 由下式可得：

T?TJ?T??TW?T0?(Jm?Je)?? 横

T? pF?2?? i?pFW0.2pF0 ?2?? i2?? i：

向

9004?1404?1100.2?4?29?44.86?(??)/1000 100002π?0.8?22π?0.8?22π?0.8?2=4.037+0.056+0.044+0.002 =4.139N.m

纵

T?向：

9006?1706?900.2?6?25?44.86?(??）/1000 100002π?0.8?32π?0.8?32π?0.8?3 =4.037+0.068+0.029+0.002

=4.136 N.m

一般启动时为空载，于是空载启动时电动机轴上的总负载转矩为：

=++ （2-2）

代入上式计算可得： Tqx=4.095N.m

Tqz=4.107N.m

在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为：

=++ （2-3） 代入上式计算可得：

Tgx=0.102N.m Tgz=0.126N.m

计算出的总负载转矩根据驱动方式，选择电机时还需除以一系数，设为X相23X拍驱动方式，则总负载转矩取为：

T?max{Tq/0.8; Tg/(0.3~0.5)}

Tx=max{4.0950.8;0.102(0.3～0.5)}

= max (5.119,0.34～0.2043) N.m=5.16N.m Tz =max{4.1070.8;0.126(0.3～0.5)}

= max (5.134,0.42～0.252 )N.m=5.18N.m

3.由启动最大频率，步距角选取电动机：

根据求出的负载转矩，和给定的步距角，上网查询步进电机型号。步进电机的步距角为0.9°，计算得出负载转矩分别为5.16 N2m 5.18N2m查得静转矩为8.0N2m，步距角0.9°的步进电机型号为110BYG250B。由网上查得参数见下图和表：

表2-1 电机主要参数

规格2-2 110BYG250B系列型步进电机外形尺寸

110BYG250B-0602 2 图相步距角 相（。） 电流 （A） 0.91.8 6.0 8 9700 6.4 112*112*156 保持转转动惯重量 外形尺寸 矩 （） 量 （） （kg） (mm) 型号 数

图2-3 110BYG250B系列型步进电机矩频特性曲线图

由上图可知，当脉冲频率在100～1300次秒时，电机的输出转矩比较稳定。

4.确定齿轮传动.(圆柱直齿齿轮减速器)

由于i<3,故采用一级圆柱齿轮减速器,联轴器连接电机与减速器. 假设伺服进给系统的总效率η为0.8

由≤机械设计≥表12-8,取η1=0.99,η2=0.98,η3=0.97

?0.8则丝杠传动的效率????0.87

?22???0.99?0.98?0.97123①X向电机各轴输入输出转矩

电动机输出转矩 Td1=5.16N.m

I轴输入转矩 TI=Td3η1=5.1630.99=5.11N.m

II轴输入转矩 TII=TI3η23η33i1=5.1130.9830.9732=9.72N.m

I轴输出转矩 TI'=5.1130.98=5.01N.m II轴输出转矩 T II'=9.7230.98=9.53N.m

由于i<3,故采用一级圆柱齿轮减速器,联轴器连接电机与减速器. 假设伺服进给系统的总效率η为0.8

由≤机械设计≥表12-8,取η1=0.99,η2=0.98,η3=0.97

?0.8则丝杠传动的效率????0.87 ?22???0.99?0.98?0.97123②Z向电机各轴输入输出转矩

电动机输出转矩 Td2=5.18N.m

I轴输入转矩 TI2=Td23η1=5.1830.99=5.13N.m II轴输入转矩 T II2=TI23η23η33i2=5.1330.9830.9733=14.63N.m

I轴输出转矩 TI2'= 5.1330.98=5.03N.m II轴输出转矩 T II2'= 14.6330.98=14.43 N.m

轴号 X向 转矩T（N.m） 输入 电动机轴 I II 传动比i 5.11 9.72 2 图2-4各轴转矩

输出 5.16 5.01 9.53 输入 5.13 14.63 3 Z向 转矩T（N.m） 输出 5.18 5.03 14.43

2.2圆柱齿轮减速器的设计计算

2.2.1 X向齿轮减速器的设计计算

1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （1）选用直齿圆柱齿轮传动。

（2）大、小齿轮都选用硬齿面。由表7.1选大、小齿轮的材料均为40cr，并经调质后表面淬火，齿面硬度为HRC1=HRC2=50。

考虑到两齿轮均为硬齿面齿轮传动时，失效可能为点蚀，也可能为疲劳折断，故分别按接触强度和弯曲强度设计，分析对比再确定方案。

2. 按轮齿弯曲劳强度设计 按式（11-44）计算齿轮的模数

确定公式内的各计算值: 1）初步选定齿轮参数

z1?24，z2?uz1?48，?d?0.7（表11-13） 2）计算小齿轮名义转矩T1=1.210N.mm； 3）计算载荷系数K

K=1(表11-10) K=1.2[图11-28(a)] =[1.88-3.2()]cos=1.68(或11-39) K=1（图11-29） K=1.17（图11-30）

K=KA3Kv3Kα3Kβ=131.23131.17=1.4

4）查取复合齿形系数Y

由图11-32查得 Y=4.28 , Y=4.02

5) 计算大、小齿轮的并进行比较 ==0.0204>==0.0191(舍弃)

6）计算重合度系数Y

Y=0.25+=0.25+=0.6964[式（11-45）] 7）设计计算

m?32?1.4?5160?0.0204?0.6964?0.798mm 20.7?24 将模数圆整为标准值取 m=2mm 3.几何尺寸计算 （1）计算分度圆直径

（2）计算中心距 a?m(z1?z2)2(48?96)??144mm 22 （3）计算齿轮宽度

b2??dd1?0.7?48?35mm b=b+(5～10)mm=45mm 4.极核齿面接触疲劳强度 按式（11-39）校核 =ZZZ

式中：Z=189.8 (表11-11) Z=2.5（图11-31） Z===0.88（式11-42） =ZZZ=189.8?2.5?0.882?1.4?51602?1?=306.7MPa 2235?48

<[]===640MPa 接触疲劳强度足够。

2.2.2 Z向齿轮减速器的设计计算

1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （1）选用直齿圆柱齿轮传动。

（2）大、小齿轮都选用硬齿面。由表7.1选大、小齿轮的材料均为40cr，并经调质后表面淬火，齿面硬度为HRC1=HRC2=50。

2. 按轮齿弯曲劳强度设计 1）初步选定齿轮参数

z1?24，z2?uz1?72，?d?0.7（表11-13） 2）计算小齿轮名义转矩T1=1.210N.mm； 3）计算载荷系数K

K=1(表11-10) K=1.2[图11-28(a)] =[1.88-3.2()]cos=1.7(或11-39) K=1（图11-29） K=1.17（图11-30）

K=KA3Kv3Kα3Kβ=131.23131.17=1.68

4）查取复合齿形系数Y

由图11-32查得 Y=4.28 , Y=4.02 5) 计算大、小齿轮的并进行比较 ==0.0204>==0.0191(舍弃)

6）计算重合度系数Y

Y=0.25+=0.25+=0.6912[式（11-45）] 7）设计计算

m?32?1.68?5180?0.0204?0.6964?0.8475mm 20.7?24 将模数圆整为标准值取 m=1.25mm 3.几何尺寸计算 （1）计算分度圆直径

（2）计算中心距 a?m(z1?z2)1.25(30?90)??75mm 22 （3）计算齿轮宽度

b2??dd1?0.7?30?25mm b=b+(5～10)mm=35mm 4.极核齿面接触疲劳强度 按式（11-39）校核 =ZZZ

式中：Z=189.8 (表11-11) Z=2.5（图11-31） Z===0.88（式11-42） =ZZZ=189.8?2.5?0.88=424.06MPa <[]===640MPa 2.2.3丝杠的选择

一．设计X方向的滚珠丝杠螺母机构：

1、X方向丝杠受力分析：

2?1.68?51803?1 ?2325?30

X、Z方向的工作台滑板及其组件重量（W1、W2）以及Z方向的轴向工作载荷主要由导轨承担，而X方向丝杠主要承受X方向的轴向力F 。X方向丝杠所受的总轴向力F由两部分组成：一是刀具所受的X方向轴向工作载荷；二是工作台滑板及其组件重量（W1、W2）和Z方向的轴向载荷在导轨上产生的合成摩擦力两部分组成：

F＝＋

F=u?Fa22??W1?W2??0.05?10002??100?300??54 N

22式中 F――丝杠所受的总轴向力 N ；

――导轨与工作台滑板之间的摩擦力 N ； ――X方向的轴向工作载荷 N ；

――Y方向轴向工作载荷 N ；

μ――导轨与工作台滑板之间的摩擦系数，由于导轨与工作台滑板处于边界润滑状态（脂润滑或油润滑），可取μ＝0.05～0.2 ；

W1――X方向工作台滑板及其组件重量 N； W2――y方向工作台滑板及组件重量 N ；

将有关参数代入上述公式可得X方向丝杠所受的总轴向力F为：

F＝＋=600+54=654N

2、丝杠设计计算及选择

当滚珠丝杠副承受轴向载荷时，滚珠和滚道型面间便会产生接触应力。对滚道型面上某一点而言，其应力状态是交变应力。这种交变接触应力作用下，经过一定的应力循环次数后，就要使滚珠和滚道型面产生疲劳点蚀现象，随着麻点的扩大滚珠丝杠副就会出现振动和噪音，而使它失效，这是滚珠丝杠副的主要破坏形式。在设计滚珠丝杠副时，必须保证在一定的轴向工作载荷下，在回转一百万转时，在它的滚道上由于受滚道的压力而不至于出现点蚀现象，此时所能承受的轴向载荷，称为这种滚珠丝杠副的

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