1、 設計容計算說明結論一課題介紹名稱：螺母絲杠電動滑臺設計要求：設計一個絲杠螺母電動滑臺，由步進電機帶動，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。2. 螺母最大行程300mm。3. 電機采用端面安裝形式，用聯軸器連接電機輸出軸絲杠。設計要求：螺母前進到盡頭后，停5秒鐘；然后電機反轉（可由脈沖方向實現），到盡頭后，停2秒鐘；然后電機正轉。如此循環下去。按下停止按鈕，電機馬上停止（電機的軸鎖住）。按下脫機按鈕，電機的軸松開。二設計方案選擇2.1 PLC的選擇本設計可采用PLC與單片機來控制滑的往復循環，而單片機是一種芯片，在一定場合，配合外圍電路，可以用來設計

2、所需要的各種功能，大都用匯編語言、C語言等來開發嵌入式軟件，可應用于各種領域。 PLC是一種可編程的控制器，相當于一種控制設備，主要用于工業自動化等領域，大都采用梯形圖編程，也可以用組態軟件。其特點是非常可靠。在學習過程中，PLC與單片機相比，PLC更簡便一些，所以在本次設計中選擇PLC來控制步進電機，從而達到控制滑臺往復循環。在本次設計中PLC需通過高速脈沖來控制步進驅動器進行位置控制，在小型的PLC中脈沖信號的輸出可通過PLC置的高速脈沖輸出口輸出，其中三菱的FXPLC的FX2N系列就規定了Y0，Y1位高速脈沖輸出口，脈沖的頻率和脈沖樹木直接控制電動機進行位移。（其中因為高速脈沖的的頻率都

3、比較高，所以必須選擇晶體管性輸出的PLC）。22步進電機的選擇步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。現在比較常用的步進電機包括多段反應式步進電機、永磁式步進電機和混合式步進電機等。反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁

4、繞組，利用磁導的變化產生轉矩。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。因此在本次設計中使用混合式步進電機，其步進角為1.8度。又因為在本次設計中四缸的行程只有300mm不算大，所以可以選擇寶來公司型號為28BYGH201的一款電動機。如下圖所示：圖一 步進電機其具體參數為表一表二2.3螺母絲杠的選擇絲杠螺母機構又稱螺旋傳動機構，它主要用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。按照摩擦性質還有滑動(摩擦)絲杠螺母機構和滾動(摩擦

5、)絲杠螺母機構之分。滑動絲杠螺母機構：結構簡單、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)。滾珠絲杠螺母機構：結構復雜、制造成本高，無自鎖功能，但其最大優點是摩擦阻力矩小、傳動效率高(92-98)。因此在本次設計中使用滾珠絲杠螺母。絲杠螺母機構的傳動形式有：（1）螺母固定、絲杠轉動并移動。因螺母本身起著支承作用，消除了絲杠軸承可能產生的附加軸向竄動，結構較簡單，可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）絲杠轉動、螺母移動。需要限制螺母的轉動，故需導向裝置。其特點是結構緊湊、絲杠剛性較好，工作行程大，在機電一體化系統中應用較廣泛。(

6、3)螺母轉動、絲杠移動。需要限制螺母移動和絲杠的轉動，由于結構較復雜且占用軸向空間較大，很少應用。(4)絲杠固定、螺母轉動并移動。結構簡單、緊湊，但在多數情況下，使用極不方便，很少應用。 因此在本次設計中可以選擇絲杠轉動、螺母移動的傳動形式。當絲杠作為主動體時，螺母就會隨絲杠的轉動角度按照對應規格的導程轉化成直線運動，被動工件可以通過螺母座和螺母連接，從而實現對應的直線運動。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償。滾珠絲杠螺母間摩擦力很小，轉動時非常輕松。滾珠絲桿轉動一周螺母移動的距離為一個螺距距離,如果是絲杠每轉一周螺母移動四個（或五個）螺旋線的距離，那么表

7、示該絲杠是四線（或五線）絲杠，俗稱四頭（或五頭）絲杠。一般小導程滾珠絲杠都采用單線，中，大或超大導程采用兩線或多線。 2.3.1螺母絲杠的長度在本次設計中只是設計一個小型的電動滑臺，因此在本次設計中滾珠絲桿轉動一周螺母移動的距離為一個螺距距離。在設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,由于滑臺采用軸承進行兩端固定，可取軸承之間的距離為400mm.加上軸承安裝長度和與聯軸器的連接長度,取絲杠的長度為450mm。2.4聯軸器的選擇滾珠絲杠與電機連接時中間必須加裝聯軸器以達到柔性連接。聯軸器是用來聯接不同機構中的兩根軸(主動軸和從動軸

8、)使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械零件。聯軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯接。聯軸器種類繁多，按照被連接兩軸的相對位置和位置的變動情況，可以分為：固定式聯軸器；可移式聯軸器。聯軸器有些已經標準化。選擇時先應根據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速，再從有關手冊中查出適用的型號，最后對某些關鍵零件作必要的驗算。在本次設計中要使用步進電機作為驅動裝置，而步進馬達能在低速區域時傳達高扭矩，適用于高精度的定位。為了方便起見本次設計中選用一款撓性聯軸器如下圖所示圖二 聯軸器三機械部分設計機械結構大體為電動機、聯軸器、滾珠絲杠副、光桿、滑臺等組成。電動滑臺的所有機構需要在一個底座上

9、進行安裝。電動機需安裝在一電機支撐上，使電動機固定；電機支撐需要用六角圓柱螺釘與底座連接；電動機的軸與聯軸器的左端連接，聯軸器的右端直接與絲杠連接；因為聯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，與光桿上的螺母進行連接，方便導向，螺母座與滑臺的連接固定也需六角圓柱螺釘；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 機械結構四

10、控制部分設計 4.1 驅動器的連接圖四圖中控制器為發出位置控制命令的裝置，其主要作用是通過編制程序下達控制指令，是步進電機按照控制要求完成位移和定位，在本次設計中控制器選擇了PLC；驅動器又稱放大器，作用是把控制器送來的信號進行功率放大，用于驅動電機運轉，可以說驅動器是集功率放大和位置控制為一體的智能裝置，其中驅動器又與電源連接來為整個系統供電。因此可大概知曉滑臺的控制系統實物圖連接如下所示圖五 控制系統在本次設計中使用的驅動器為MSST5/10-Q驅動器，其實物如下圖所示圖六 驅動器4.1.1驅動器的與電源的連接（1）MSST5/10-Q驅動器適用24V-80V電源，在本次設計中考慮到PLC

11、使用24V電源；（2）將電源“+”端連接至驅動器上標有“V+”的端口上，電源“-”連接至驅動器上標有“V-”的端口上，底座上的姐弟螺釘應與相連。如下圖所示：圖七 4.1.2 驅動器與步進電機的連接注：當步進電機連接到驅動器時，先確認電機電源已關閉；確認為使用的電機引線未與其他物體發生短路；在驅動器通電期間，不能斷開電機；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，其與電機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 驅動器與PLC的連接圖十4.2行程控制滑臺的行程正比步進電機的總轉角，因此只要控制步進電機的總轉角即可。由步進電機的工作原理和特性

12、可知步進電機的總轉角正比于所輸入的控制脈沖個數；因此可以根據伺服機構的位移量確定PLC輸出的脈沖個數：n=L/d。式中L伺服機構的位移量（mm），d伺服機構的脈沖當量（mm/脈沖）4.3進給速度控制伺服機構的進給速度取決于步進電機的轉速，而步進電機的轉速取決輸入的脈沖頻率;因此可以根據該工序要求的進給速度,其PLC輸出的脈沖頻率:f=V/60d(Hz)。式中V伺服機構的進給速度(mm/min)，d伺服機構的脈沖當量（mm/脈沖）。4.4進給方向控制進給方向控制即步進電機的轉向控制。步進電機的轉向可以通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉向，因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環行分

13、配器的輸出順序來實現，或經編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序實現。由題目要求可知：螺母的平移速度為10mm/s100mm/s,且在設計中使用的是滾珠絲桿轉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/s100mm/s。在此次設計中選擇絲桿的導程為5mm,所以絲杠每秒需轉2圈20圈；又因步進電機與絲桿使用聯軸器連接的，所以他們的傳動比i為1，所以步進電機也需要每秒轉720度7200度。在本次設計中，選用的是兩相混合式步進電機，兩相步進角一般為1.8度即步進電機一個脈沖轉1.8度，也就是說步進電機每秒轉720度-7200度分別需要400個4000個脈沖，

14、即給200個脈沖可使步進電機轉動一圈，由此可算出步進電機的脈沖當量為5/200=0.025mm/脈沖。本設計選擇滑臺的平移速度為50mm/s,由于螺母最大行程為300mm,則前進一次需要6秒。已知導程為5mm,則絲杠每秒需要轉動10圈(50mm/s/5)，所以需要給步進電機每秒2000個脈沖（即頻率），所以滑臺向前移動至限位開關處需要給步進電機2000*6=12000個脈沖。（或用n=L/d)根據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

15、 因采用PLC控制，需分配其I/O口，它決定著系統如何工作，該系統的I/O口分配如下表所示。表三輸入地址號信號名稱執行器X0 電機正轉常開按鈕1X1電機停止常開按鈕2X2電機脫機常開按鈕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4.5.2 I/O口接線圖該系統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控制步進驅動器進行位置控制有下列4種方式：通過I/O方式進行控制；通過模擬量輸出方式進行控制；通過通信方式進行控制和通過高速脈沖方式進行控制。通過高速脈沖進行位置控制，是比較常用的方式。 在小型PLC中，脈沖

16、信號的輸出也有兩種方式。一種是通過 PLC置的高速脈沖輸出口輸出口輸出。三菱FX PLC的FX2N系列規定了Y0，Y1為高速脈沖輸出口，脈沖的頻率和脈沖數目直接控制驅動器進而控制電動機進行位置控制，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的定位控制模塊（1PG）輸出高速脈沖，位置控制模塊為擴展模塊，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 通過本次課程設計，我清楚地認識到理論與實際的差別，加深了我們對本課程設計的理解和認識。在本次課程設計中我們遇到很多問題，需要找回以前學到的多門專業課上的知識，遇到許多不懂得，沒見識的容，都需要翻閱各種資料。在設計時首先要明白自己設計的物品大概是什么，它大致上是有哪幾部分組成的，一個一個的細分下去，一個一個的小部件去設計然后再組裝起來。有的時候真的很難，明明知道它就應該是那樣可就是