螺母絲杠電動(dòng)滑臺(tái)設(shè)計(jì)

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1、設(shè)計(jì)內(nèi)容 計(jì)算說(shuō)明 結(jié)論 一．課題介紹 名稱(chēng)：螺母絲杠電動(dòng)滑臺(tái)設(shè)計(jì) 要求：設(shè)計(jì)一個(gè)絲杠螺母電動(dòng)滑臺(tái)，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，帶位置檢測(cè)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(jì)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)的軸鎖住）。 按下脫機(jī)按鈕，電機(jī)的軸松開(kāi)。 二．設(shè)計(jì)方案選擇 2.1 PLC的選擇 本設(shè)計(jì)可采用PLC與單片機(jī)來(lái)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(chǎng)合，配合外圍電路，可以用來(lái)設(shè)計(jì)所需要的各種功能，大都用匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言等來(lái)開(kāi)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(dòng)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(diǎn)是非?？煽俊? 在學(xué)習(xí)過(guò)程中，PLC與單片機(jī)相比，PLC更簡(jiǎn)便一些，所以在本次設(shè)計(jì)中選擇PLC來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，從而達(dá)到控制滑臺(tái)往復(fù)循環(huán)。 在本次設(shè)計(jì)中PLC需通過(guò)高速脈沖來(lái)控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行位置控制，在小型的PLC中脈沖信號(hào)的輸出可通過(guò)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(shù)木直接控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行位移。（其中因?yàn)楦咚倜}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(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(lì)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(diǎn)。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(jì)中使用混合式步進(jìn)電機(jī)，其步進(jìn)角為1.8度。又因?yàn)樵诒敬卧O(shè)計(jì)中四缸的行程只有300mm不算大，所以可以選擇常州寶來(lái)公司型號(hào)為28BYGH201的一款電動(dòng)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(chēng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它主要用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 按照摩擦性質(zhì)還有滑動(dòng)(摩擦)絲杠螺母機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)(摩擦)絲杠螺母機(jī)構(gòu)之分。 滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)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(wú)自鎖功能，但其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高(92％-98％)。 因此在本次設(shè)計(jì)中使用滾珠絲杠螺母。 絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)形式有： （1）螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)。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(dòng)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可

6、獲得較高的傳動(dòng)精度。但其剛性較差，因此只適用于行程較小的場(chǎng)合。 (2）絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)。需要限制螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，故需導(dǎo)向裝置。其特點(diǎn)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(dòng)、絲杠移動(dòng)。需要限制螺母移動(dòng)和絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)并移動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)中可以選擇絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)的傳動(dòng)形式。 當(dāng)絲杠作為主動(dòng)體時(shí)，螺母就會(huì)隨絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)角度按照對(duì)應(yīng)規(guī)格的導(dǎo)程轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，被動(dòng)工件可以通過(guò)螺母座和螺母連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的直線運(yùn)動(dòng)

7、。 滾珠絲杠螺母間因無(wú)間隙，直線運(yùn)動(dòng)時(shí)精度較高，尤其在頻繁換向時(shí)無(wú)需間隙補(bǔ)償。滾珠絲杠螺母間摩擦力很小，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)非常輕松。 滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)一周螺母移動(dòng)的距離為一個(gè)螺距距離,如果是絲杠每轉(zhuǎn)一周螺母移動(dòng)四個(gè)（或五個(gè)）螺旋線的距離，那么表示該絲杠是四線（或五線）絲杠，俗稱(chēng)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(zhǎng)度 在本次設(shè)計(jì)中只是設(shè)計(jì)一個(gè)小型的電動(dòng)滑臺(tái)，因此在本次設(shè)計(jì)中滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)一周螺母移動(dòng)的距離為一個(gè)螺距距離。在設(shè)計(jì)要求中指出螺母的最大行程為300mm,所以絲桿的長(zhǎng)度至少要大于300mm。 螺母的有效行程為300mm,由于

8、滑臺(tái)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(zhǎng)度和與聯(lián)軸器的連接長(zhǎng)度,取絲杠的長(zhǎng)度為450mm。 2.4聯(lián)軸器的選擇 滾珠絲杠與電機(jī)連接時(shí)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(lái)聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸(主動(dòng)軸和從動(dòng)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(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。 聯(lián)軸器種類(lèi)繁多，按照被連接兩軸的相對(duì)位置和位置的變動(dòng)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(shí)先應(yīng)根據(jù)工作要求選定合適的類(lèi)型，然后按照軸的直徑計(jì)算扭矩和轉(zhuǎn)速，再?gòu)挠嘘P(guān)手冊(cè)中查出適用的型號(hào)，最后對(duì)某些關(guān)鍵零件作必要的驗(yàn)

9、算。 在本次設(shè)計(jì)中要使用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，而步進(jìn)馬達(dá)能在低速區(qū)域時(shí)傳達(dá)高扭矩，適用于高精度的定位。 為了方便起見(jiàn)本次設(shè)計(jì)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(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)大體為電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠副、光桿、滑臺(tái)等組成。 電動(dòng)滑臺(tái)的所有機(jī)構(gòu)需要在一個(gè)底座上進(jìn)行安裝。 電動(dòng)機(jī)需安裝在一電機(jī)支撐上，使電動(dòng)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(dòng)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?yàn)槁?lián)軸器與螺母絲杠副懸空需用一墊塊來(lái)固定，墊塊與底座要用一內(nèi)六角圓柱螺釘來(lái)固定； 螺母絲杠上有一螺母，螺母稍小需套上一個(gè)螺母座，螺

10、母座上裝滑臺(tái)，同時(shí)滑臺(tái)的長(zhǎng)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(tái)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(lái)使其懸空，其與墊塊的連接要用內(nèi)六角圓柱螺釘來(lái)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(lái)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(jì) 4.1 驅(qū)動(dòng)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(guò)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(jì)中控制器選擇了PLC；驅(qū)動(dòng)器又稱(chēng)放大器，作用是把控制器送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行功率放

11、大，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以說(shuō)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器又與電源連接來(lái)為整個(gè)系統(tǒng)供電。 因此可大概知曉滑臺(tái)的控制系統(tǒng)實(shí)物圖連接如下所示 圖五 控制系統(tǒng) 在本次設(shè)計(jì)中使用的驅(qū)動(dòng)器為MSST5/10-Q驅(qū)動(dòng)器，其實(shí)物如下圖所示 圖六 驅(qū)動(dòng)器 4.1.1驅(qū)動(dòng)器的與電源的連接 （1）MSST5/10-Q驅(qū)動(dòng)器適用24V-80V電源，在本次設(shè)計(jì)中考慮到PLC使用24V電源； （2）將電源“+”端連接至驅(qū)動(dòng)器上標(biāo)有“V+”的端口上，電源“-”連接至驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器時(shí)，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(dòng)器通電期間，不能斷開(kāi)電機(jī)；不要將引線接到地上或電源上。 本次使用型號(hào)為28BYGH201的一款電動(dòng)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(dòng)器與PLC的連接 圖十 4.2行程控制 滑臺(tái)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(gè)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(gè)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(guò)改變步進(jìn) 電機(jī)各繞組的通電順序來(lái)改變其轉(zhuǎn)向，因此可以通過(guò)PLC輸出的方向控制信號(hào)改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來(lái)實(shí)現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來(lái)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(jì)中使用的是滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)一周螺母移動(dòng)的距離為一個(gè)螺距距離，所以可知滑臺(tái)的平移速度也為10mmm/s—100mm/s。 在此次設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)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(gè)脈沖轉(zhuǎn)1.8度，也就是說(shuō)步進(jìn)電機(jī)每秒轉(zhuǎn)720度-7200度分別需要400個(gè)—4000個(gè)脈沖，即給200個(gè)脈沖可使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)選擇滑臺(tái)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(dòng)10圈(50mm/s/5)，所以需要給步進(jìn)電機(jī)每秒2000個(gè)脈沖（即頻率），所以滑臺(tái)向前移動(dòng)至限位開(kāi)關(guān)處需要給步進(jìn)電機(jī)2000*6=12000個(gè)脈沖。（或用n=L/d)根據(jù)輸入脈沖的多少可以計(jì)算出在這一次直線運(yùn)動(dòng)中螺母的具體位置，實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)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(hào) 信號(hào)名稱(chēng) 執(zhí)行器 X0 電機(jī)正轉(zhuǎn) 常開(kāi)按鈕1 X1 電機(jī)停止 常開(kāi)按鈕2 X2 電機(jī)脫機(jī) 常開(kāi)按鈕3 表四 輸出地址號(hào) 信號(hào)名稱(chēng) 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(dòng)器進(jìn)行位置控制有下列4種方式：

17、通過(guò)I/O方式進(jìn)行控制；通過(guò)模擬量輸出方式進(jìn)行控制；通過(guò)通信方式進(jìn)行控制和通過(guò)高速脈沖方式進(jìn)行控制。通過(guò)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(hào)的輸出也有兩種方式。一種是通過(guò) 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(dòng)器進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行位置控制，PLC的這些脈沖輸出點(diǎn)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(guò)所開(kāi)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(dú)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(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我清楚地認(rèn)識(shí)到理論與實(shí)際的差別，加深了我們對(duì)本課程設(shè)計(jì)的理解和認(rèn)識(shí)。在本次課程設(shè)計(jì)中我們遇到很多問(wèn)題，需要找回以前學(xué)到的多門(mén)專(zhuān)業(yè)課上的知識(shí)，遇到許多不懂得，沒(méi)見(jiàn)識(shí)的內(nèi)容，都需要翻閱各種資料。 在設(shè)計(jì)時(shí)首先要明白自己設(shè)計(jì)的物品大概是什么，它大致上是有哪幾部分組成的，一個(gè)一個(gè)的細(xì)分下去，一個(gè)一個(gè)的小部件去設(shè)計(jì)然后再組裝起來(lái)。 有的時(shí)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(xiě)或者寫(xiě)的不全，這個(gè)時(shí)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(xiàng)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(jì).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(shí).機(jī)床電氣控制 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009 [7]俞國(guó)亮.PLC原理與應(yīng)用(三菱FX系列).清華大學(xué)出版社.2005.