进给运动驱动系统课程设计说明书

课程设计与综合训练说明书课程设计：进给运动驱动系统设计综合训练：数控第三象限直线插补PLC设计和插补加工学院名称：专业：班级：姓名：指导教师姓名：2010 年 12 月课程设计与综合训练任务书课程设计题目：进给运动驱动系统设计综合训练题目：数控第三象限直线插补PLC设计和插补加工摘要：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。

首先，根据指导老师给定的设计参数,选择系统所用步进电机，计算传动机构相关参数；然后，画出基于三菱PLC的步进控制系统接线图，设计第三象限直线插补PLC程序，其次，将三菱PLC、步进电机驱动器和步进电机按照接线图要求完成接线；最后在GX-Developer中进行程序调试，模拟达到第三象限直线插补加工轨迹要求。

关键词：第三象限插补,plc程序,步进电机目录第一章进给运动驱动系统设计 (5)1.1 系统方案设计 (5)1.2传动比计算和步进电机的选择 (7)1.3齿轮的设计 (13)1.4丝杠的选择 (22)第二章连接电路和机床进给电机驱动器实现第三象限直线PLC插补程序设计和插补加工 (28)2.1 PLC控制步进电机时电器接线图设计 (29)2.2 数控插补PLC程序设计 (30)2.2.1逐点比较法直线插补实例 (30)2.2.2 PLC硬件组态及程序设计及调试 (31)参考文献 (40)第一章进给运动驱动系统设计系统总体设计非常重要，是对一部机器的总体布局和全局的安排。

总体设计是否合理将对后面几步的设计产生重大影响，也将影响机器的尺寸大小、性能、功能和设计质量。

所以，在总体设计时应多花时间、考虑清楚，以减少返工现象。

当伺服系统的负载不大、精度要求不高时，可采用开环控制。

一般来讲，开环伺服系统的稳定性不成问题，设计时主要考虑精度方面的要求，通过合理的结构参数设计，使系统具有良好的动态响应性能。

1.1 系统方案设计在机电一体化产品中，典型的开环控制位置伺服系统是简易数控机床（本实验室自制数控平台）及X-Y数控工作台等，其结构原理如图1-1所示。

各种开环伺服系统在结构原理上大同小异，其方案设计实质上就是在图1-1的基础上选择和确定各构成环节的具体实现方案。

图1-1 开环伺服系统结构原理框图1、执行元件的选择选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性及体积、成本等多方面要求。

开环系统中可采用步进电机、电液脉冲马达等作为执行元件，其中步进电机应用最为广泛，一般情况下优先选用步进电机，当其负载能力不够时，再考虑选用电液脉冲马达等。

2、传动机构方案的选择传动机构实质上是执行元件与执行机构以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。

用于将旋转运动转换为直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。

前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂，后者因结构简单、制造容易而广泛使用。

在步进电机与丝杠之间运动的传递有多种方式，可将步进电机与丝杠通过联轴器直接连接，其优点是结构简单，可获得较高的速度，但对步进电机的负载能力要求较高；还可以通过减速器连接丝杠，通过减速比的选择配凑脉冲当量、扭矩和惯量；当电动机与丝杠中心距较大时，可采用同步齿形带传动。

3、执行机构方案的选择执行机构是伺服系统中的被控对象，是实现实际操作的机构，应根据具体操作对象及其特点来选择和设计。

一般来讲，执行机构中都包含有导向机构，执行机构的选择主要是导向机构的选择。

4、控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括微控制器、步进电机控制方式、驱动电路等的选择。

常用的微控制器有单片机、PLC、微机插卡、微机并行口、串行口和下位机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统中得到广泛的应用。

步进电机控制方式有硬件环行分配器控制和软件环行分配器控制之分，对多相电机还有X相单X拍、X相2*X拍、X相双X拍和细分驱动等控制方式，如三相步进电机有3相单3拍、3相6拍、3相双3拍和细分驱动等控制方式，对于控制电路有单一电压控制、高低压控制、恒流斩波控制、细分控制等电路。

5、本次课程设计和综合训练方案的选择执行元件选用功率步进电机，传动方案选择带有降速齿轮箱的丝杠螺母传动机构，执行机构选用拖板导轨；控制系统中微控制器采用微机并行口，步进电机控制方式采用带有硬件环行分配器的现有步进电机驱动器，在共地的情况下，给该驱动器提供一路进给脉冲、另一路高（低）电平方向控制电位即可，另一路使能信号。

1.2 传动比计算和步进电机的选择一．X 轴（纵向）：1. 减速器传动比计算 0360pp i αδ= 其中α：表示步进电机步距角 p ：表示丝杠导程 p δ：表示脉冲当量0031.54 1.673601010i -⨯==⨯⨯ 2. 步进电机所需力矩计算选择步进电机应按照电机额定输出转矩T ≥电机所需的最大转矩max T 的原则，首先计算电机所需的负载转矩。

作用在步进电机轴上的总负载转矩T 可按下面简化公式计算：()222W J W m E PF PF PF T T T T T J J i i iμομοεπηπηπη=+++=++++ 式中：J T 为启动加速引起的惯性力矩，T μ为拖板重力和拖板上其它折算到电机轴上的当量摩擦力矩，W T 为加工负载折算到电机轴上的负载力矩，O T 为因丝杠预紧引起的力折算到电机轴上的附加摩擦转矩；m J 为电机转动惯量; e J 为折算到电机轴上的等效转动惯量；ε为启动时的角加速度; ()m E J J +有参数知；ε由空载启动时间和最大进给速度计算得到；p ：为丝杠导程。

F μ：为拖板重力和主切削力引起丝杠上的摩擦力，()Z F mg F μμ=+，拖板重量由参数给定，在计算纵向力时（选择纵向电机），拖板重量为两个拖板的重量之和，在计算横向力（选择横向电机）时，为小拖板重量，刚与刚的摩擦系数可查资料，一般为0.05~0.2； W F ：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y F 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x F 得到；O F ：为丝杠螺母副的预紧力，设取W F 的1/3~1/5；η ：为伺服进给系统的总效率，取为0.8； i ：为减速器传动比。

()222W O J W m E PF PF PF T T T T T J J i i iμμοεπηπηπη=+++=++++ 2max 3221.8/6012010n rad s πε-==⨯⨯ max max 025/min 360p v n r αδ== 22()0.0721.8/ 1.527J m E T J J N m rad s N m ε=+=•⨯=•η取0.8 μ取0.05 ()(1500400)0.0595Z F mg F N μμ=+=+=4950.045322 3.140.8 1.67PF T N m i μμπη⨯===⨯⨯⨯ 800W x F F N==48000.381222 3.140.8 1.67W W PF T N m i πη⨯===⨯⨯⨯ 12004W F F N ο=⨯= 0.20.242000.019122 3.140.8 1.67PF T N m i οοπη⨯⨯===⨯⨯⨯ 1.9726J W T T T T T N m μο=+++=一般启动是为空载，于是空载启动时电机轴上的总负载转矩为：1.5914N m q J T T T T μο=++=在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为：=0.4456N m g w T T T T μο=++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2*X 拍驱动方式，则总负载转矩取为：max{/0.8;/(0.3~0.5)}max{1.98925;1.4853}q g T T T ==T 取1.98925N m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。

图1-2 步进电机外形及技术特点图1-3 矩频特性曲线图1-4 外形尺寸二．同理Z 轴（横向）：00031.562.53603601010p p i αδ-⨯===⨯⨯ ()222W OJ W O m E PF PF PF T T T T T J J ii iμμεπηπηπη=+++=++++ 2max 3221.8/6012010n rad s πε-==⨯⨯ max max 025/min 360pv n r αδ== 22()0.0721.8/ 1.527J m E T J J N m rad s N m ε=+=•⨯=•η取0.8 μ取0.05 ()(1500100)0.0580Z F mg F Nμμ=+=+=6800.038222 3.140.8 2.5PF T N m iμμπη⨯===⨯⨯⨯1200W y F F N ==612000.57322 3.140.8 2.5W W PF T N m i πη⨯===⨯⨯⨯ 13004W F F N ο=⨯= 0.20.263000.028622 3.140.8 2.5PF T N m i οοπη⨯⨯===⨯⨯⨯ 2.1668J W T T T T T N m μο=+++=一般启动是为空载，于是空载启动时电机轴上的总负载转矩为：1.5938N m q J T T T T μο=++=在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为：0.6398N m q w T T T T μο=++=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2*X 拍驱动方式，则总负载转矩取为：max{/0.8;/(0.3~0.5)}max{1.99225;2.1327}q g T T T ==T 取2.1327N m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。

图1-5 步进电机外形及技术特点图1-6 矩频特性曲线图1-7 外形尺寸图1-81．3齿轮的设计一．X 方向的齿轮传动件设计计算： 1.选精度等级、材料及齿数 1） 材料及热处理；选择小齿轮材料为40Cr （调质），硬度为280HBS ，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS ，二者材料硬度差为40HBS 。

2） 精度等级选用7级精度；3） 试选小齿轮齿数z1＝20，大齿轮齿数z2＝35的；传动比为1.67. 2.按齿面接触强度设计 按公式计算，即dt ≥[]2321·t H Ed H K T Z Z u u ⎛⎫+⎪ ⎪⎝⎭φσa ）确定公式内的各计算数值 （4） 试选t K ＝1.3（4） 由机械设计书表10－7选取尺宽系数φd ＝1（4） 由机械设计书表10－6查得材料的弹性影响系数E Z ＝189.8Mpa（4） 由机械设计书图10－21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1＝600MPa；大齿轮的解除疲劳强度极限σHlim2＝550MPa ；（4） 由公式计算应力循环次数911N =60n jLh=6015001(2830015)=6.4810⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯ 921/1.67 3.8810N N ==⨯（6）由机械设计书图10－19查得接触疲劳寿命系数1HN K ＝0.90；2HN K ＝0.95 （7）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1％，安全系数S ＝1，由式（10－12）得 [σH]1＝＝0.90×600MPa ＝540MPa [σH]2＝＝0.95×550MPa ＝522.5MPa b ）计算试算小齿轮分度圆直径d1td1t ≥=计算圆周速度v=11601000t d n ⨯π=23.91500601000⨯⨯⨯π=1.88m/s计算齿宽b 及模数t mb=φd1t=1×23.9mm=23.9mmt m =11t d z =23.920=1.195 h=2.25t m =2.25×1.195mm=2.69mmb/h=23.9/2.69=8.88计算载荷系数K已知载荷平稳，所以取KA=1；根据v=1.88m/s,7级精度，由机械设计书图10—8查得动载系数V K =1.07； 直齿轮由机械设计书表10—3查得H K α= F K α=1；由机械设计书表10—4用插值法查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，H K β=1.413。