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1、設(shè)計內(nèi)容 計算說明 結(jié)論 一．課題介紹 名稱：螺母絲杠電動滑臺設(shè)計 要求：設(shè)計一個絲杠螺母電動滑臺，由步進(jìn)電機(jī)帶動，帶位置檢測功能。 具體要求： 1. 螺母的平移速度10mm/s-100mm/s可調(diào)。 2. 螺母最大行程300mm。 3. 電機(jī)采用端面安裝形式，用聯(lián)軸器連接電機(jī)輸出軸絲杠。 設(shè)計要求： 螺母前進(jìn)到盡頭后，停5秒鐘；然后電機(jī)反轉(zhuǎn)（可由脈沖方向?qū)崿F(xiàn)），到盡頭后，停2秒鐘；然后電機(jī)正轉(zhuǎn)。如此循環(huán)下去。 按下停止按鈕，電機(jī)馬上停止（電機(jī)的軸鎖?。?。 按下脫機(jī)按鈕，電機(jī)的軸松開。 二．設(shè)計方案選擇 2.1 PLC的選擇 本設(shè)計可采用PLC與單片機(jī)來控制

2、滑的往復(fù)循環(huán)，而單片機(jī)是一種芯片，在一定場合，配合外圍電路，可以用來設(shè)計所需要的各種功能，大都用匯編語言、C語言等來開發(fā)嵌入式軟件，可應(yīng)用于各種領(lǐng)域。 PLC是一種可編程的控制器，相當(dāng)于一種控制設(shè)備，主要用于工業(yè)自動化等領(lǐng)域，大都采用梯形圖編程，也可以用組態(tài)軟件。其特點是非?？煽?。 在學(xué)習(xí)過程中，PLC與單片機(jī)相比，PLC更簡便一些，所以在本次設(shè)計中選擇PLC來控制步進(jìn)電機(jī)，從而達(dá)到控制滑臺往復(fù)循環(huán)。 在本次設(shè)計中PLC需通過高速脈沖來控制步進(jìn)驅(qū)動器進(jìn)行位置控制，在小型的PLC中脈沖信號的輸出可通過PLC內(nèi)置的高速脈沖輸出口輸出，其中三菱的FXPLC的FX2N系列就規(guī)定了Y0，Y1位高

3、速脈沖輸出口，脈沖的頻率和脈沖樹木直接控制電動機(jī)進(jìn)行位移。（其中因為高速脈沖的的頻率都比較高，所以必須選擇晶體管性輸出的PLC）。 2．2步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)等。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩

4、輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度。 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。 因此在本次設(shè)計中使用混合式步進(jìn)電機(jī)，其步進(jìn)角為1.8度。又因為在本次設(shè)計中四缸的行程只有300mm不算大，所以可以選擇常州寶來公司型號為28BYGH201的一款電動機(jī)。如下圖所示： 圖一 步進(jìn)電機(jī) 其具體參數(shù)為 表一 表二 2

5、.3螺母絲杠的選擇 絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱螺旋傳動機(jī)構(gòu)，它主要用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。 按照摩擦性質(zhì)還有滑動(摩擦)絲杠螺母機(jī)構(gòu)和滾動(摩擦)絲杠螺母機(jī)構(gòu)之分。 滑動絲杠螺母機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動效率低(30％-40％)。 滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，無自鎖功能，但其最大優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效率高(92％-98％)。 因此在本次設(shè)計中使用滾珠絲杠螺母。 絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動形式有： （1）螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動并移動。因螺母本身起著支承作用，消除了絲杠軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動，結(jié)構(gòu)較簡單，可

6、獲得較高的傳動精度。但其剛性較差，因此只適用于行程較小的場合。 (2）絲杠轉(zhuǎn)動、螺母移動。需要限制螺母的轉(zhuǎn)動，故需導(dǎo)向裝置。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、絲杠剛性較好，工作行程大，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。 (3)螺母轉(zhuǎn)動、絲杠移動。需要限制螺母移動和絲杠的轉(zhuǎn)動，由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且占用軸向空間較大，很少應(yīng)用。 (4)絲杠固定、螺母轉(zhuǎn)動并移動。結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便，很少應(yīng)用。 因此在本次設(shè)計中可以選擇絲杠轉(zhuǎn)動、螺母移動的傳動形式。 當(dāng)絲杠作為主動體時，螺母就會隨絲杠的轉(zhuǎn)動角度按照對應(yīng)規(guī)格的導(dǎo)程轉(zhuǎn)化成直線運動，被動工件可以通過螺母座和螺母連接，從而實現(xiàn)對應(yīng)的直線運動

7、。 滾珠絲杠螺母間因無間隙，直線運動時精度較高，尤其在頻繁換向時無需間隙補(bǔ)償。滾珠絲杠螺母間摩擦力很小，轉(zhuǎn)動時非常輕松。 滾珠絲桿轉(zhuǎn)動一周螺母移動的距離為一個螺距距離,如果是絲杠每轉(zhuǎn)一周螺母移動四個（或五個）螺旋線的距離，那么表示該絲杠是四線（或五線）絲杠，俗稱四頭（或五頭）絲杠。一般小導(dǎo)程滾珠絲杠都采用單線，中，大或超大導(dǎo)程采用兩線或多線。 2.3.1螺母絲杠的長度 在本次設(shè)計中只是設(shè)計一個小型的電動滑臺，因此在本次設(shè)計中滾珠絲桿轉(zhuǎn)動一周螺母移動的距離為一個螺距距離。在設(shè)計要求中指出螺母的最大行程為300mm,所以絲桿的長度至少要大于300mm。 螺母的有效行程為300mm,由于

8、滑臺采用軸承進(jìn)行兩端固定，可取軸承之間的距離為400mm.加上軸承安裝長度和與聯(lián)軸器的連接長度,取絲杠的長度為450mm。 2.4聯(lián)軸器的選擇 滾珠絲杠與電機(jī)連接時中間必須加裝聯(lián)軸器以達(dá)到柔性連接。 聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸(主動軸和從動軸)使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。 聯(lián)軸器種類繁多，按照被連接兩軸的相對位置和位置的變動情況，可以分為：①固定式聯(lián)軸器；②可移式聯(lián)軸器。 聯(lián)軸器有些已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。選擇時先應(yīng)根據(jù)工作要求選定合適的類型，然后按照軸的直徑計算扭矩和轉(zhuǎn)速，再從有關(guān)手冊中查出適用的型號，最后對某些關(guān)鍵零件作必要的驗

9、算。 在本次設(shè)計中要使用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動裝置，而步進(jìn)馬達(dá)能在低速區(qū)域時傳達(dá)高扭矩，適用于高精度的定位。 為了方便起見本次設(shè)計中選用一款撓性聯(lián)軸器如下圖所示 圖二 聯(lián)軸器 三．機(jī)械部分設(shè)計 機(jī)械結(jié)構(gòu)大體為電動機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠副、光桿、滑臺等組成。 電動滑臺的所有機(jī)構(gòu)需要在一個底座上進(jìn)行安裝。 電動機(jī)需安裝在一電機(jī)支撐上，使電動機(jī)固定； 電機(jī)支撐需要用內(nèi)六角圓柱螺釘與底座連接； 電動機(jī)的軸與聯(lián)軸器的左端連接，聯(lián)軸器的右端直接與絲杠連接； 因為聯(lián)軸器與螺母絲杠副懸空需用一墊塊來固定，墊塊與底座要用一內(nèi)六角圓柱螺釘來固定； 螺母絲杠上有一螺母，螺母稍小需套上一個螺母座，螺

10、母座上裝滑臺，同時滑臺的長度也需要能夠覆蓋在光桿上，與光桿上的螺母進(jìn)行連接，方便導(dǎo)向，螺母座與滑臺的連接固定也需內(nèi)六角圓柱螺釘； 同理在螺母絲杠副的右端也需要一固定端墊塊來使其懸空，其與墊塊的連接要用內(nèi)六角圓柱螺釘來連接； 光桿的安裝需與螺母絲杠副的絲杠平行，用支撐單元安裝在固定端墊塊上來使其與絲杠在同一水平面上。 圖三 機(jī)械結(jié)構(gòu) 四．控制部分設(shè)計 4.1 驅(qū)動器的連接 圖四 圖中控制器為發(fā)出位置控制命令的裝置，其主要作用是通過編制程序下達(dá)控制指令，是步進(jìn)電機(jī)按照控制要求完成位移和定位，在本次設(shè)計中控制器選擇了PLC；驅(qū)動器又稱放大器，作用是把控制器送來的信號進(jìn)行功率放

11、大，用于驅(qū)動電機(jī)運轉(zhuǎn)，可以說驅(qū)動器是集功率放大和位置控制為一體的智能裝置，其中驅(qū)動器又與電源連接來為整個系統(tǒng)供電。 因此可大概知曉滑臺的控制系統(tǒng)實物圖連接如下所示 圖五 控制系統(tǒng) 在本次設(shè)計中使用的驅(qū)動器為MSST5/10-Q驅(qū)動器，其實物如下圖所示 圖六 驅(qū)動器 4.1.1驅(qū)動器的與電源的連接 （1）MSST5/10-Q驅(qū)動器適用24V-80V電源，在本次設(shè)計中考慮到PLC使用24V電源； （2）將電源“+”端連接至驅(qū)動器上標(biāo)有“V+”的端口上，電源“-”連接至驅(qū)動器上標(biāo)有“V-”的端口上，底座上的姐弟螺釘應(yīng)與大地相連。如下圖所示： 圖七 4.1.2

12、驅(qū)動器與步進(jìn)電機(jī)的連接 注：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)連接到驅(qū)動器時，先確認(rèn)電機(jī)電源已關(guān)閉；確認(rèn)為使用的電機(jī)引線未與其他物體發(fā)生短路；在驅(qū)動器通電期間，不能斷開電機(jī)；不要將引線接到地上或電源上。 本次使用型號為28BYGH201的一款電動機(jī)，其與電機(jī)的連接部分如下圖所示： 圖八 其具體接線圖如下圖所示： 圖九 4.1.3 驅(qū)動器與PLC的連接 圖十 4.2行程控制 滑臺的行程正比步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角即可。由步進(jìn)電機(jī)的工作原理和特性可知步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個數(shù)；因此可以根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)：n=L/d。式中

13、L——伺服機(jī)構(gòu)的位移量（mm），d——伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖） 4.3進(jìn)給速度控制 伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度取決于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決輸入的脈沖頻率;因此可以根據(jù)該工序要求的進(jìn)給速度,其PLC輸出的脈沖頻率:f=V/60d(Hz)。式中V——伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度(mm/min)，d——伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）。 4.4進(jìn)給方向控制 進(jìn)給方向控制即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過改變步進(jìn) 電機(jī)各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向，因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來實現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。

14、 由題目要求可知：螺母的平移速度為10mm/s—100mm/s,且在設(shè)計中使用的是滾珠絲桿轉(zhuǎn)動一周螺母移動的距離為一個螺距距離，所以可知滑臺的平移速度也為10mmm/s—100mm/s。 在此次設(shè)計中選擇絲桿的導(dǎo)程為5mm,所以絲杠每秒需轉(zhuǎn)2圈—20圈；又因步進(jìn)電機(jī)與絲桿使用聯(lián)軸器連接的，所以他們的傳動比i為1，所以步進(jìn)電機(jī)也需要每秒轉(zhuǎn)720度—7200度。 在本次設(shè)計中，選用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，兩相步進(jìn)角一般為1.8度即步進(jìn)電機(jī)一個脈沖轉(zhuǎn)1.8度，也就是說步進(jìn)電機(jī)每秒轉(zhuǎn)720度-7200度分別需要400個—4000個脈沖，即給200個脈沖可使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈，由此可算出步進(jìn)電機(jī)的脈

15、沖當(dāng)量為5/200=0.025mm/脈沖。 本設(shè)計選擇滑臺的平移速度為50mm/s,由于螺母最大行程為300mm,則前進(jìn)一次需要6秒。已知導(dǎo)程為5mm,則絲杠每秒需要轉(zhuǎn)動10圈(50mm/s/5)，所以需要給步進(jìn)電機(jī)每秒2000個脈沖（即頻率），所以滑臺向前移動至限位開關(guān)處需要給步進(jìn)電機(jī)2000*6=12000個脈沖。（或用n=L/d)根據(jù)輸入脈沖的多少可以計算出在這一次直線運動中螺母的具體位置，實現(xiàn)位置檢測功能。PLC輸出脈沖頻率：f=V/60d,即f=50/(60*0.025)=2000Hz。 4.5 PLC控制 4.5.1 I/O分配 因采用PLC控制，需分配其I/O口

16、，它決定著系統(tǒng)如何工作，該系統(tǒng)的I/O口分配如下表所示。 表三 輸入地址號 信號名稱 執(zhí)行器 X0 電機(jī)正轉(zhuǎn) 常開按鈕1 X1 電機(jī)停止 常開按鈕2 X2 電機(jī)脫機(jī) 常開按鈕3 表四 輸出地址號 信號名稱 Y0 脈沖輸出 Y1 控制方向 Y2 脫機(jī) 4.5.2 I/O口接線圖 該系統(tǒng)PLC的I/O口接線圖如下圖所示。 圖十一 4.5.3程序流程圖 圖十二 4.5.4梯形圖 圖十三 4.5.5脈沖輸出 PLC控制步進(jìn)驅(qū)動器進(jìn)行位置控制有下列4種方式：

17、通過I/O方式進(jìn)行控制；通過模擬量輸出方式進(jìn)行控制；通過通信方式進(jìn)行控制和通過高速脈沖方式進(jìn)行控制。通過高速脈沖進(jìn)行位置控制，是比較常用的方式。 在小型PLC中，脈沖信號的輸出也有兩種方式。一種是通過 PLC內(nèi)置的高速脈沖輸出口輸出口輸出。三菱FX PLC的FX2N系列規(guī)定了Y0，Y1為高速脈沖輸出口，脈沖的頻率和脈沖數(shù)目直接控制驅(qū)動器進(jìn)而控制電動機(jī)進(jìn)行位置控制，PLC的這些脈沖輸出點一旦被指定為高速脈沖輸出口，就不能再作他用。由于高速脈沖的頻率都比較高，所以，必須選用晶體管型輸出的PLC，否則將不能正常工作。另外一種，脈沖輸出方式是通過所開發(fā)的定位控制模塊（1PG）輸出高速脈沖，位置控

18、制模塊為擴(kuò)展模塊，本身不具有單獨控制功能，必須配合控制器（三菱 FX PLC）才能使用。 五.總結(jié) 通過本次課程設(shè)計，我清楚地認(rèn)識到理論與實際的差別，加深了我們對本課程設(shè)計的理解和認(rèn)識。在本次課程設(shè)計中我們遇到很多問題，需要找回以前學(xué)到的多門專業(yè)課上的知識，遇到許多不懂得，沒見識的內(nèi)容，都需要翻閱各種資料。 在設(shè)計時首先要明白自己設(shè)計的物品大概是什么，它大致上是有哪幾部分組成的，一個一個的細(xì)分下去，一個一個的小部件去設(shè)計然后再組裝起來。 有的時候真的很難，明明知道它就應(yīng)該是那樣可就是不知道該如何去寫或者寫的不全，這個時候就得與人討論一下，思路一下子就得到了解放。 六．參考文獻(xiàn) [1]任勝杰.電氣控制與PLC系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社，2012. [2]史宜巧,孫業(yè)明,景邵學(xué).PLC技術(shù)及應(yīng)用項目教程.機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1. [3]劉艷梅.三菱PLC基礎(chǔ)與系統(tǒng)設(shè)計.機(jī)械工業(yè)出版社，2009. [4]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2003 [5]陳立定.電氣控制與可編程控制器[M].廣州: 華南理工大學(xué)出版社,2006 [6]王炳實.機(jī)床電氣控制 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009 [7]俞國亮.PLC原理與應(yīng)用(三菱FX系列).清華大學(xué)出版社.2005.