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1、-毕业设计（论文）-定位磨齿专用工作台设计（全套图纸）-第 27 页单位代码 0 2 学 号 分 类 号 TH6 密 级 秘密 毕业设计说明书定位磨齿专用工作台设计 院（系）名 称 工学院机械系 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名 指导教师 2012年 5 月 15 日定位磨齿专用工作台设计摘 要定位磨齿专用工作台机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度，降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。开环控制能充分的利用微机的软件、硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大, 进一步提高机床的精度和可靠性。本文机械部分采用步进电动机通过同步齿形带带动滚珠
2、丝杠拖动工作台在直线滚动导轨副上运动，其中，步进电动机选用90BYG22602型号。工作台控制部分以S7-200 PLC为核心，作为主控器；选择步进电机配套驱动器MD-201驱动步进电动机实现加、 减速、急停等操作，从而实现对工作台的控制。关键词：步进电动机，S7-200 PLC，工作台全套图纸，加PositioningGrindingTeethDedicatedWorkbenchDesignAuthor:Zhou ZhuonanTutor: Xue DongbinAbstractSummary two-axis CNC Workbench is an open-loop control sy
3、stem for mechanical and electrical systems design, its structure is simple, easy and can guarantee a certain degree of accuracy, reduce costs, is the simplest application of microcomputer control technology. Open-loop control can make full use of computer software and hardware capabilities for contr
4、ol of the machine tool, machine tool machining range of expanded, further improve the accuracy and reliability of machine tools.Machinery section of this article adopts stepping motor by dragging the table in Timing beltdriven ball screw linear rolling guide on movement, of which, step motor selecti
5、on 90BYG22602 model. Table control section S7-200 PLC microcontroller as the core, select stepping motor drive MD-201-drive stepper motors for operations such as addition, deceleration and emergency stop, enabling control over the table.Key words: Stepper motors, S7-200 PLC, Workbench目录1 绪论1 1.1 前言1
6、 1.2 机电一体化系统综述11.2.1机电一体化系统的基本构成11.2.2 机电一体化系统的核心技术31.2.3机电一体化的发展趋势32 总体方案设计5 2.1 确定主要参数5 2.2 工作台的外形尺寸6 2.3 机械传动部件的选择72.3.1导轨副的选用72.3.2丝杠螺母副的选用72.3.3伺服电动机的选用72.3.4控制系统的选用7 2.4 控制系统的设计7 2.5系统总体框图83 机械设计部分9 3.1工作台重量初步估算9 3.2磨削力的计算9 3.3滚动导轨的选用103.1.1导轨工作负载计算103.3.2 块承受工作载荷的计算113.3.3 距离额定寿命L的计算11 3.4滚珠丝
7、杠的计算和选择113.4.1 最大工作载荷Fm的计算123.4.2最大动工作载荷FQ的计算12 3.5型号的选择与校核123.5.1规格型号的初选123.5.2 传动效率的计算133.5.3刚度的验算133.5.4 压杆稳定性校核14 3.6 步进电动机的计算与选型143.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq143.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq153.6.3 步进电动机最大静转矩的选定173.6.4 步进电动机的性能校核17 3.7步进电机同步齿形带的设计193.7.1给出传动要求及原始数据193.7.2选择带的节距193.7.3 确定带轮直径及带的节线长
8、193.7.4 确定带宽204 控制系统硬件设计22 4.1硬件设计224.1.1主控制器CPU的选择224.1.2 系统结构224.1.3硬件配置22 4.2 PLC的输入信号与输出信号23 4.3 系统软件设计23 4.4 初始化24 4.5 设置和取消参考点24 4.6 定位控制25 4.7 停止电机255 程序和注释266 系统误差分析31 6.1误差的来源31 6.2控制系统误差316.2.1 步进电机失步原因和解决办法316.2.2 步进电机越步原因和解决办法326.2.3本设计中采用的方法32 6.3进给系统的误差32设计总结34致 谢35参考文献361 绪论 1.1 前言机电一
9、体化技术是指建立在机械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术基础上的一种综合性技术，通过对机械、电子与信息技术的有机结合，来实现工业产品和生产过程最优化。在机械领域，由于微电子技术和微机技术的迅速发展，发展形成的机电一体化技术，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。 在传统的机械设备通常需要采用比较复杂的机械传动系统来连接各个相关的执行构件，以保证各执行构件动作的同步性和协调性。机械传动部件之间的机械磨损、间隙配合等所引起的运动误差和传动链较长等常常影响设备传动精度和效率。而
10、且，由于人机的直接接触，事故发生率较高，后果较严重。采用机电一体化技术后，可以用电子器件、微型计算机来控制和实现各执行构件的动作及功能关系协调，实现机械产品操作的全部自动化。通过微机控制系统可以精确地按照预先给定量，同时可使相应的机械动作、各种干扰因素造成的误差，进行执行校正、补偿，从而可以达到单纯机械方法所实现不了的加工工艺精度。本文重点是二维工作台的机电系统控制的设计，即通过对小型机械设备的机械和机电控制相结合来加深自己对机电一体化系统的基本原理和简单设计过程的了解。1.2 机电一体化系统综述1.2.1机电一体化系统的基本构成1、机电一体化系统的基本构成要素一个机电一体化系统一般包括一下几
11、个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感与检测部分、信息处理与控制单元各要素和环节之间相联系接口。具体系统中，要素的构成不太一样，例如，开环控制系统当中，不需要检测元件。机电一体化系统组成如图1-1所示。图11机电一体化系统的组成从机电一体化系统的功能来看，与人体有着完美的相似性，如表1-1所示。表1.1机电一体化系统构成要素与人体构成要素的对应关系机电一体化系统要素功能人体构成要素 控制器（计算机等）控制（信息存储、处理、传送）头脑传感器检测（信息收集与变换）感官执行部件驱动（操作）四肢动力源提供动力（能量）内脏机械本体支撑与连接躯干2、 机电一体化系统的构成要素的连接机电一体化
12、系统的基本要素内部及各要素之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换，有机的融合，集成一个完整系统。各要素之间必须遵循接口耦合、物质流动、信息控制、能量转换的四大原则，完成以下内容： 变换。两个需要进行信息交换和传输的要素之间，由于信息的模式不同（数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等），无法直接实现信息或能量的交流，必须通过接口完成信息或能量的统一。涉及的接口包括传感器接口、计算机接口。放大。在两个信息强度相差悬殊的要素之间，经接口放大，达到能量的匹配。耦合。变换和放大后的信号在要素之间能可靠、快速、准确地交换，不需符合时序要求、信号格式和逻辑规范。接口应该具有
13、信息逻辑控制的功能，使信息按规定模式传递。能量转换。能量转换包括执行器、驱动器，各要素之间的不同类型能量的转换，应该满足最优转换方法与原理。信息控制。智能组成要素的系统控制单元，在软硬件的保证下，要完成数据采集、分析、判断、决策，已达到信息控制的目的。对于智能化程度高的系统，还包含了知识的获取、推理机制及知识学习等以知识驱动为主的信息控制。运动传递。运动传递是指各组成要素之间不同类型运动的变换与传输以及以运动控制为目的的优化。1.2.2 机电一体化系统的核心技术（1） 机械技术。在当代的机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一
14、代的机械制造技术。 （2） 计算机与信息技术。其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。 （3） 系统总体技术。系统总体技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，实现系统各部分有机连接的保证。 （4） 自动控制技术。其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。 （5） 传感检测技术。传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统
15、的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。 （6） 伺服传动技术。包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。1.2.3机电一体化的发展趋势机电一体化系统是具有机电一体化技术的新型机电系统。其发展依赖于机械、电子、传感器、接口技术、信息、计算机、自动控制等技术，它的发展主要体现在以下几个方面： 模块化。融合机械、电子和软件三大部分的机电一体化模块代表了未来产品的发展方向，具有高度自主性、良好的协调性和自组织性的特点。 微型化
16、 。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活, 可进入一般机械无法进入的空间，并易于进行精细操作，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。 绿色化。21世纪，机电一体化技术的使命是要能提供一种高性能、高原料利用率、低能耗、低污染、环境舒适和可回收的智能化机械产品，即提供一种能满足可持续性发展的绿色产品。 智能化。目前, 专家系统、模糊系统、神经网络以及遗传算法, 是机电一体化产品(系统) 实现智能化的4种主要技术，随着制造自动化程度的不断提高, 将会出现智能制造系统控制器来模拟人类专家的智能制造活动, 并会
17、对制造中出现的问题进行分析、判断、推理、构思和决策。 网络化。现场总线和局域网技术使家用电器网络化已成大势, 利用家庭网络(homenet) 将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computer integrated appliancesystem, CIAS) ,因此机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。2 总体方案设计2.1 确定主要参数由于本文要求设计一种小型的定位磨齿专用工作台，这种工作台可以用在磨床上，计算取值偏大，所以在参考了众多资料书籍以后，决定选取以下设计参数：(1)X向行程250；(2)Y向行程100；(3)快速定位速度1000/min；进给速度50100
18、/min；(4)加速度0.2G；(5)切削力约100N；(6)工件夹具约25；加工材料为碳钢工作台台面尺寸230mm230mmX、Y方向定位精度0.01mmX-Y方向的脉冲当量均为0.005mm/脉冲2.2 工作台的外形尺寸根据工作台面尺寸和加工范围。磨齿工作台外观图大致如下： 图21 磨齿工作台外观图X方向工作台尺寸的确定：X向托板（上托板）的尺寸：长宽高 上导轨（X向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 Y方向工作台尺寸的确定：Y向托板（下托板）的尺寸：长宽高 600mm230mm30mm下导轨（Y向）取动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 2.3 机械传动部件的选择2.3.1导轨副的
19、选用要设计数控工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。2.3.2丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.005mm冲当量和mm的定位精度，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。2.3.3伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此1000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式
20、步进电动机。以降低成本，提高性价比。2.3.4控制系统的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。设计参数所给的精度对于步进电动机来说尚可以达到，决定采用开环控制，以降低成本。考虑到X、Y两个方向的加工范围不是很大，承受的工作载荷相差也不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机拟采用相同的型号与规格。2.4 控制系统的设计1）设计的X-Y工作台准备用在磨床上，其控制系统应该具有单坐标定位，所以控制系统设计成连续控制型。2）对于步进电动机的开环控制，选用S7-200PLC作为控制系统的CPU，能够满足相关指标。3）要设计一台完整的控
21、制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，便于存储编写程序。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。2.5系统总体框图图22 系统总体框图3 机械设计部分3.1工作台重量初步估算重量估计：W下=夹具及工件重量： X-Y工作台运动部分重量： 3.2磨削力的计算根据已知的数据可知，磨床使用碗形砂轮D=200mm，转速为1400r/min，磨床的额定功率为3KW,带传动的机械效率=0.8，计算砂轮的磨削力。砂轮转速n=14000.8=1152 r/min根据公式可知，代入数值V=由P=FV可知计算工作时砂轮对于工作台的纵向力，和横向力由图3-2可知 图31 受力分析图3.3滚动导轨的选用导
22、轨长度：在工作台外形尺寸初步估算中我们得到X方向导轨长度为480mm，Y方向导轨长度为350mm。考虑到工作行程应该留有一定余量，选取导轨的长度均为600mm此时工作台的重量如下：3.1.1导轨工作负载计算 导轨基本额定动负载的计算：根据以上数据，选择由济宁博特公司生产KL系列的JSA-LG15型导轨副，其参数如下：表31导轨副参数型号滑块尺寸额定载荷/KN额定静力矩/(N.m)C1C2L1L2L3M1CaC0aMAMBMCJSA-LG154.5386540.5306M57.949.5555588型号装配后组合尺寸导轨尺寸滑块尺寸HWBH1IFL0maxdDh1B1KTT1JSA-LG1524
23、15.51615206015004.57.55.34719.47113.3.2 块承受工作载荷的计算工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： （3-1）其中，移动部件重量869.94N，外加载荷，代上式，得最大工作载荷=389.3N=0.3893kN。3.3.3 距离额定寿命L的计算上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过C，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。分别取
24、硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数f=0.81，精度系数f=0.9，载荷系数f=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：L=()3 50 48965 Km大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。3.4滚珠丝杠的计算和选择滚珠丝杠的负荷包括钻削力和铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。3.4.1 最大工作载荷Fm的计算在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）=99.2N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）=171.8N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）=869.94N.已知移动部件总重量G=644N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K
25、=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.05。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷:3.4.2最大动工作载荷FQ的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=1000mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=100r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入公式 （3-2）得丝杠寿命系数LO=180（单位为：106r）。取载荷系数=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数=1.0,代入下式，求得最大动载荷：FQ= 1092.2 N3.5型号的选择与校核3.5.1规格型号的初选根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料，选择济宁博特精密
26、丝杠制造有限公司生产的GDM系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈2系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于最大计算动载荷最大动工作载荷FQ，满足要求。工作台在钻削加工时受载，滚珠接触面产生变形，即应该考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分超过了滚珠丝杠的最大工作载荷Fm，一般使Coa/Fm=23。所选丝杠的额定静载荷为21569远大于1779，杠满足要求。表32 滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位mm）名 称符号计算公式和结果丝杠滚道公称直径20螺距P5接触角钢球直径3.175螺纹滚道法面半径偏心距
27、螺纹升角丝杆丝杠外径19.3丝杠底径螺杆接触直径丝杠螺母螺母螺纹外径螺母内径（内循环）3.5.2 传动效率的计算将公称直径d0=20mm,导程Ph=5mm,代入 （3-3）得丝杠螺旋升角=433。将摩擦角=10，代入 （3-4）得传动效率=96.4% 。3.5.3刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式，丝杠的一端采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，另一端采用深沟球轴承，固游式配合，左、右支承的中心距约为a=500mm；钢的弹性模量E=2.1105Mpa;滚珠直径Dw=3.175mm，丝杠底径d2=16.2mm,丝杠截面积 。算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的
28、拉/压变形量如下：根据公式，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=53.7N。求得滚珠与螺纹滚间的接触变形量。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取=0.0013mm 将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm） =3.16m。本例中，丝杠的有效行程为330mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25um，可见丝杠刚度足够。3.5.4 压杆稳定性校核计算失稳时的临界载荷FK。，取支承系数=1；由丝杠底径d2=
29、16.2mm求得截面惯性矩3380.88；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式 得临界载荷等于9343N，远大于工作载荷161.2N故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。3.6 步进电动机的计算与选型3.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长l=554mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-3kg/;移动部件总重力G=869.94N；传动比i=1。机械系统各部件的转动惯量可以根据相关公式计算，对于某些传动件（齿轮、丝杠）不容易精确计算，可以用圆柱体公
30、式进行相似计算。滚珠丝杠的转动惯量Js=0.688kgcm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.408kgcm2; 初选步进电动机的型号为90YBG2602,为两相混合式，由常州宝马前杨电机有限公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75，查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=4 kgcm2。步进电动机的驱动器选择的是常州伟通机电制造有限公司生产的MD-21型驱动器，满足设计需要。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=5.096kgcm2 验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般比值控
31、制在1/41之间， 由此可见:,符合惯量匹配要求。3.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩，包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高， 相对于和很小，可以忽略不计。则有：考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：= （3-5） 其中： =416.7r/min 式中空载最快移动速度，本设计为1000mm/mi
32、n；步进电动机步距角，预选电动机为0.75；脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率。移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： 式中导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.05垂直方向的磨削力，空载时取0传动链效率，取0.8最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： =+=0.1134Nm 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有： 其中折算到
33、电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式计算。有：再计算垂直方向承受最大工作负载=869.94N情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：=+=0.2149N.m 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：3.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足： 初选步进电动机的型号为90BYG2602，查得该型号电动机的最大静转矩=6N
34、m。可见，满足要求。3.6.4 步进电动机的性能校核 最快工进速度时电动机的输出转矩校核 设计中工作台最快工进速度=100mm/min，脉冲当量/脉冲，由公式求出电动机对应的运行频率。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线可以看出在此频率下，电动机的输出转矩6.0Nm，远大于最大工作负载转矩=0.8816N.m，满足要求。图3.2 90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线 最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=1000mm/min，求出其对应运行频率。由步进电机运行矩频特性图查得，在此频率下，电动机的输出转矩=4.2 Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0
35、.1710N.m满足要求。 最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=1000mm/min对应的电动机运行频率为。可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。 起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。由公式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1564.1HZ。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。3.7
36、步进电机同步齿形带的设计3.7.1给出传动要求及原始数据由上可知同步到的名义功率/min,得，由于根据要求设计的传动比i=1，所以主从带轮的尺寸相同。本次设计的工作台是配合磨床使用的，每天的工作时间在10小时以上。3.7.2选择带的节距带的节距是反应带工作能力的特征参数，因此带的型号是以节距来区分的，而设计功率由以下公尺计算：，K为的工作情况系数，根据表3确定K=1.3。代入计算得根据设计功率和小带轮转速n可从图2中查找交点所在区域，得到选定的带型为XL型。3.7.3 确定带轮直径及带的节线长（1）从结构紧凑角度分析，小带轮直径应尽可能小，但是直径过于小，带与轮的啮合齿数减小，带齿上的载荷增大
37、，从而产生弯曲变形，因此要对带轮的最小直径进行限制（即对带轮的最小齿数进行限制）。带轮的最少齿数由表4得由表1查的节距，最小节径（mm），小带轮的节径可根据，选择带轮的齿数为，按表5带轮节径系列选定带轮的节径mm。（2） 确定带的节线长由下公式计算带的初定节线长： 式中为初选中心距100mm，代入数据可得，根据从表2中选择最接近的标准节线长，带的齿数，带长代号为130。（3）确定传动中心距因为的数值不等，故需对初定的中心距进行修正。ISO规定中心距计算公式如下：，代入数据得，取a=105mm。3.7.4 确定带宽1、确定带的基准额定功率同步带在正常工作条件下，其主要失效形式是带在变拉力的作用下
38、疲劳断裂，因此以带的抗拉强度来确定其承载能力。其中带宽为时带的许用拉力（见表1） m带宽为时带的单位长度质量（见表1） 带的圆周速度（）代入上式得，啮合齿数计算公式得2、确定带的额定功率 可由以下公式求的：为啮合齿数系数，当时，。为宽度系数，计算公式如下代入中得，3、确定带的标准宽度由于则满足设计的带宽为：,代入数据得：应按照表1取标准带宽为6.4mm，带宽代号为019.4、确定带轮的宽度带轮的宽度取决于带的宽度和带轮设置的挡圈形式。为了防止带从带轮上沿轴向滑动，通常在带轮的轮缘外加设挡圈。本次设计选择单边挡圈，但是在两轮的位置是左右错开，带轮的最小宽度查表6可知5、结果整理带的节线长，带宽，
39、带型号为130XL019带轮,mm传动中心距a=105mm4 控制系统硬件设计4.1硬件设计4.1.1主控制器CPU的选择 PLC输出的集成脉冲可通过步进电机进行定位控制。关于定位控制，调节和控制操作之间存在一些区别。步进电机不需要连续的位置控制，而在控制操作中得到应用。在以下的程序例子中，借助于CPU214所产生的集成脉冲输出，通过步进电机来实现相对的位置控制。虽然这种类型的定位控制不需要参考点，本例还是粗略地描述了确定参考点的简单步骤。因为实际上它总是相对一根轴确定一个固定的参考点，因此，用户借助于一个输入字节的对偶码(Dual coding)给CPU指定定位角度。用户程序根据该码计算出所
40、需的定位步数，再由CPU输出相关个数的控制脉冲。4.1.2 系统结构如图4-1所示。图41 系统结构4.1.3硬件配置如表41所示。表41 硬件配置数量设备制造厂/订货号1SIMATIC S7-200 CPU-214SIEMENS 6ES7 214-1AC00-0XB01PC/PPI 电缆SIEMENS 6ES7 901-3BF00-0XB01编程器或PC1标准的功率驱动器1相关联电缆的步进电机1用于传输控制信号到功率驱动器的电缆9开关3按钮4.2 PLC的输入信号与输出信号 PLC的部分输入信号与输出信号，以及标志位如表2所示。表42 的部分输入信号和输出信号I输入对象0 输出对象M 标志位
41、I0.0-I0.7定位角（以度为单位）Q0.0 脉冲输出M0.1电机运转标志位I1.0“START”(启动)按钮Q0.2 旋转方向M0.2 连锁标志位I1.1“STOP”(停止)按钮Q1.0 操作模式M0.3 参考点标志位I1.4“设置/取消参考点”按钮MD8，MD12 辅助标志位I1.5选择选准方向的开关4.3 系统软件设计 PLC的程序框图如图2所示。图.PLC的程序框图4.4 初始化在程序的第一个扫描周期(SM0.1=1)，初始化重要参数。选择旋转方向和解除联锁。4.5 设置和取消参考点如果还没有确定参考点，那么参考点曲线应从按“START”按扭(I1.0)开始。CPU有可能输出最大数量
42、的控制脉冲。在所需的参考点，按“设置/取消参考点”开关(I1.4)后，首先调用停止电机的子程序。然后，将参考点标志位M0.3置成1，再把新的操作模式“定位控制激活”显示在输出端Q1.0。如果I1.4的开关已激活，而且“定位控制”也被激活(M0.3=1)，则切换到“参考点曲线”参考点曲线。在子程序1中，将M0.3置成0，并取消“定位控制激活”的显示(Q1.0=0)。此外，控制还为输出最大数量的控制脉冲做准备。当再次激活I1.4开关，便在两个模式之间切换。如果此信号产生，同时电机在运转，那么电机就自动停止。实际上，一个与驱动器连接的参考点开关将代替手动操作切换开关的使用，所以，参考点标志能解决模式
43、切换。4.6 定位控制如果确定了一个参考点(M0.3=1)而且没有联锁，那么就执行相对的定位控制。在子程序2中，控制器从输入字节IBO读出对偶码方式的定位角度后，再存入字节MB11。与此角度有关的脉冲数，根据下面的公式计算:N=/360S式中:N-控制脉冲数-旋转角度S-每转所需的步数该程序所使用的步进电机采用半步操作方式(S=1000)。在子程序3中循环计算步数，如果现在按“START”按钮(I1.0)，CPU将从输出端Q0.0输出所计算的控制脉冲个数，而且电机将根据相应的步数来转动，并在内部将“电机转动”的标志位M0.1置成1。在完整的脉冲输出之后，执行中断程序0，此程序将M0.1置成0，以便能够再次起动电机。4.7 停止电机按“STOP”(停止)按扭(I1.1)，可在任何时候停止电机。执行子程序0中与此有关的指令。5 程序和注释程序注释如下：/标题:用脉冲输出