专业课程设计说明书--PLC控制的精密加载伺服机构设计

1、专业课程设计说明书学 院： 机电信息工程学院 （系）专 业：机械设计制造及其自动化目录1.主要参数选择计算1.1弹簧的计算与选择1.2丝杆的计算与选择1.3电机的说明与选择计算1.4齿轮的设计选择1.5其他零部件的参数2.PLC控制设计说明2.1 PLC的工作原理2.2 PLC的分类与选择2.3 PLC的地址分配3. 系统装配图4. 逻辑梯形图5. 接口电路图6. 系统传动简图7. 个人小结专 业 课 程 设 计 任 务 书系别： 姓名：设计时间：三周设计题目及设计参数： PLC控制的精密加载伺服机构设计伺服机构行程： 50mm执行机构的加载量：3000N设计要求： 伺服系统装配图A0一张 PLC控制步进电机驱动及接口电路图一张 系统软件梯形图一张说明书70008000字（包括语句表和简图）指导教师：1.1弹簧的计算与选择根据公式与所给数据F=kx,求得加载机构弹簧总刚度k=60N/mm结构设计为4个弹簧并联，每根弹簧刚度k=15N/mm。根据图片我们可知要求的弹簧的参数及其受力情况，现估取弹簧直径4.0mm，弹簧中径25mm，材料选择碳素弹簧钢丝，由于并无严格要求，故选择SH型。由表

2、16-3得B=1930MPa，则根据表16-2可知【】=0.5xB=965MPa。旋绕比C=D/d=25/4，则由式子K=4C-14C-4+0.615C1.24d1.6KFC3.9mm上值与原估计值相近，故估计值符合要求。由表16-2取G=82000MPa，则弹簧圈数n为n=Gd48D3K=11.19取n=12圈，所以弹簧最后取得参数为：工作高度自由高度钢丝直径旋绕比有效圈数总圈数螺旋角40mm90mm4mm25/410圈12圈5.51.2丝杆的计算与选择由于本次课设需要的是精密加载仪，所在选择丝杆上需要高精度等条件，而滚珠丝杆具有摩擦损失小、精度高、轴向刚度强、具有传动的可逆性等特点符合我们设计所需要求，故选择滚珠丝杆最佳。根据所给力的大小，查表选择滚珠丝杆FFZD2505-3，公称直径d0=25mm，导程p=5mm，导程角=arctanpd0=3.6丝杆的长度为压板的宽度加上弹簧的长度得为170mm1.3电机的说明与选择计算步进电机的说明：步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，它的运行需要专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。每一个脉冲信号可使

3、步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通电顺序可以改变电机旋转的方向。在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机。它在工业过程控制中得到广泛的应用，尤其在智能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛。根据要求我准备选择反应式步进电机，以下是反应式步进电机的原理：1、结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，

4、C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。3、力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力 F与（d/d）成正比 S 其磁通量=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L

5、*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=NI/R NI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。 力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态） 因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然步进电机的计算：当行程达到最大的50mm,允许有20%的过载，最大工作受力为F=3600N,由此可得丝杆所受的切向力Ft=F*tan=226N.进而得到丝杆最大转矩T0=Ft*d=5730Nmm。丝杆传动效率取0.9，1对角接触球轴承0.97，齿轮传动效率0.95.总效率为0.9*0.97*0.95=0.804。所以电机所需转矩T= T0/(0.9*0.97*0.95)=7.122 Nm.查表得采用三相反应式步进电机，选用型号110BF003，其各项参数为最大静距为7.84NM,步距角为=0.75，符合要求，外形如图。根据电机参数，电机平键轴直径14mm，电机轴主要传递转矩，选用紧定螺钉进行齿轮轴向定位，根据轴径选用开槽锥紧定螺钉，GB/T 71 M56.1.4齿轮的设计计算根据脉冲当量的要求，选取脉冲当量=0.005 由

6、公式d=a*p*Z1/(360*Z2)得，z1/z2=12/25.齿轮材料选择，小齿轮材料为40Cr，齿面硬度280HBS，大齿轮材料为45钢，齿面硬度240HBS。按齿面接触疲劳强度设计，试算小齿轮分度圆直径，即d1t32KHtTd.u+1u.（ZHZEZ【H】）2式中各参数均在机械设计书中可以计算或者查表找到，计算得d1t53.3试算齿轮模数，即mt32KFtTYdz12.(YFaYsaF)通过计算得mt1.91对此齿轮模数取整得m=2，即模数m=2,齿数比u=12/25，选取z1=36,z2=75ha=ha*m=2(按国际标准ha*=1)hf=ha*+c*m=2.5(c*=0.25)齿顶圆da=d+2ha,齿根圆df=d-2h+2.5经计算大齿轮齿顶圆为152mm，齿根圆为145mm；小齿轮齿顶圆为74mm，齿根圆为67mm，大齿轮分度圆为150mm，小齿轮分度圆为72mm则齿轮设计结果为：模数m=2,压力角=20，d1=m*z1=72,d2=150中心距a=（d1+d2）/2=111，齿轮按7级精度设计。1.5其他零部件的选择轴承的选择由于本次设计是加载仪的设计，在力的作用中既

7、有径向载荷也有轴向载荷，故对于轴承来说，决定选用角接触球轴承最为合适。因为角接触球轴承其承载能力较大，可以同时承受径向力和轴向力，而且伺服机构是正反两个方向进行直线运动，故用一对角接触球轴承，这样对于承载轴向力更为合适。根据滚珠丝杆公称直径d=25mm，选取轴承，查表选用角接触球轴承7205C，其基本额定载荷Cr=16.5KN,符合所需的要求，故选择此角接触球轴承，参数为d=25mm,D=52mm,B=15mm。传感器的选择在传感器的选择上，我选用M20x1.5 HCP-DS100压力传感器由于其有以下特点：1.标准螺纹引压测量方式 2.电缆或接插件引线方式 3.体积小巧，易于安装 4.高性能、全固态、耐腐蚀 5.抗干扰强、长期稳定性好 6.高精度、高稳定性 7.多种结构可选择 8.承接特殊定制产品键的计算选择根据丝杆的公称直径25mm可知，丝杆轴与大齿轮相配合的轴径应小于25mm，故选择普通平键连接,其尺寸为bhf=6620（GB/T 1096-2003）键的校核：p=2000Tkld【p】(式中T=5.730N/M,k=0.5h)【p】=100MPa经计算得所选的键符合普通平键强度

8、要求，故合适选此尺寸。轴承端选用六角螺母M12（GB/T 41-2000）固定板螺母均选用圆螺母均为M201.5（GB/T 812-1988）轴承套与固定板之间用六角头头部带槽螺栓（GB/T 29.1-1988）2. PLC控制设计说明2.1 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。输入采样在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。用户程序执行在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对

9、由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。输出刷新当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。2.2 PLC的分类与选择一般来说可以从三个角度对可编程序控制器进行分类。其一是从可编程序控制器的控制规模大小去分类，其二是从可编程序控制器的性能高低去分类，其三是从可编程序控

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