基于plc控制步进电机的数控滑台课程设计(编辑修改稿)

基于plc控制步进电机的数控滑台课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

须有制动装置。 滚珠丝杆可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。 滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。 这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。 滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于 各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。 尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。 滚珠丝杆的特点主要有： （ 1） 传动效率高 在滚珠丝杆副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杆与螺母之间传递。 这一传动方式取代了传统螺纹丝杆副的丝杆与螺母间直接作用方式，因而以极小滚动摩擦代替了传统丝杆的滑动摩擦。 使滚珠丝杆副传动效率达到 90%以上，为滑动丝杆副的 2～ 4 倍，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杆的 1/3 左右，发热率也因此得以大幅降低。 （ 2） 运动平稳 滚珠丝杆副在工作中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。 所以滚珠丝杆副运动平稳，启动时务颤动，低速时无爬行。 （ 3） 可以预紧 通过对螺母施加预紧力能消除丝杆副的间隙，提高轴向接触刚度，而摩擦力矩的增量却不大。 （ 4） 定位精度和 重复定位精度高 由于前述的三个特点，滚珠丝杆副发热率低 ,温升以及在加工过程中对丝杆采取预紧拉伸并预紧消除轴向间隙等措施 ,因此采用精 密滚珠丝杆副时可以获得较高的定 （ 5）使用寿命长 滚珠丝杆和螺母均用合金钢制造，螺纹滚道经热处理（硬度 HRC58～ 62）后 7 磨至所需的精度和表面粗糙度，具有较高抗疲劳的能力。 滚动摩擦磨损极微，因此具有较高的使用寿命和精度保持性。 实践证明，使用寿命约为普通滑动丝杆副的 4～ 10 倍，甚至更高。 （ 6） 同步性好 由于滚珠丝杆副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的部件或装置时，由于反应灵敏，无阻滞，无滑移，可以获得较好的同步运动。 （ 7）使用可靠，润滑简单，维 修方便 与液压传动相比，滚珠丝杆副在正常使用条件下故障率低。 维修保养也极为简单，通常只需进行一般的润滑和防尘。 （ 8）不自锁 由于滚珠丝杆副的 摩擦角小，所以不能自锁。 当用于竖直传动或需急停时，必须在传动系统中附加自锁机构或制动装置。 （ 9）传动可逆性 滚珠丝杆副没有滑动丝杆粘滞摩擦，消除了在传动过程中可能出现的爬行现象，滚珠丝杆副能够实现两种传动方式 —— 将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力。 滚珠丝杆副的消除间隙和预加载荷 滚珠丝杆可以消除反向间隙。 为了提高刚度，还可使它在过盈的条件下工作，即可以预加载荷，或称预紧。 消除间隙和预加载荷有很多方法。 在机床上常用的是双螺母法。 把左、右螺母往两头撑开，左、右螺母接触方向相反。 左、右螺母装在一个共同的螺母体内。 这就可使螺母作为一个整体，与丝杆间处于无间隙或过盈状态以提高接触刚度。 常见的消除间隙和预加载荷的方式有双螺母式和齿差式。 本设计采用的是双螺母垫片预紧的方式。 滚珠丝杆的预紧是根据下述原则确定的：如在预紧后的滚珠螺母体上受一个外载荷 F，方向为向右，则右螺母 4的接触变形（指螺母滚道 钢珠 丝杆滚道沿接触线的变形）加大，左螺母则减小。 F大到某种程度，可使左螺母的接触变形减小到零。 如果 F再加大，则左螺母与丝杆间将出现间隙，影响定位精度。 可以证明，使不受力侧 的螺母接触变形降至零的外载荷 F，约等于预加载荷 0F 的 3倍，（准确值为 倍）， F=30F。 因此，滚珠丝杆的预加载荷的 0F，应不低于丝杆最大轴向载荷的 1/3。 预紧后的刚度，可提高到为无预紧时的 2倍。 但是，预加载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大。 通常，滚珠丝杆在出厂时，就已由制造厂调好预加载荷。 预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷 aC 有一定的比例关系。 滚珠丝杆副的结构 滚珠丝杆副的结构主要有内循环和外循环两种方式。 本设计采用内循环（浮动反向器）方式。 其主要特性有： （ 1） 滚珠返回通道短，不受负荷的滚珠最少，滚珠间摩擦损失小，提高了传动的灵敏度； 8 （ 2） 螺母径向和轴向尺寸较小； （ 3） 返回器刚性高，滚珠循环装置有较高的可靠性； （ 4） 返回器在螺母返回孔内自由浮动，返回器回路与螺母螺纹滚道的对接可以自动调整，滚珠在返回循环过程中摩擦阻力小，传动平稳，定位精确； （ 5） 返回器如用工程塑料制作，则吸振性能好，耐磨，噪声小，一次成型，工艺简单，成本低。 本设计采用双螺母垫片预紧的方式。 双螺母预紧的特点有： （ 1） 修磨垫片来改变两个螺母间的轴向距离。 分为拉伸预紧和压缩预紧两种。 本设计采用拉伸预紧的方式。 （ 2） 结构简单，调整片做成两半，修磨时不需拧下螺母。 调整后不易松动，刚度高。 滚珠丝杆副的尺寸计算 A. 根据定位精度要求确定脉冲当量选择步距角 根据经验，初步选择导程为 5mm 的丝杆；本系统中的定位精度均为177。 ，因此脉冲当量均取 =， 为脉冲当量为 ； i 为传动比 因为本滑台的滚珠丝杠和电机是用联轴器直接相连，故 i=1， 可得步进电机步距角 根据快速进给速度，确定电机的最高运行频率 vmax 为工作台运行最高速度（ m/min）； fmax 为步进电机最高运行频率（ Hz）。 代入工作台最快进给速度 60m/min，脉冲当量 B. 根据电机的最高运行频率及步距角，确定电机最高转速 计算可得 nmax=2400r/min 9 滚珠丝杠计算、选择 i. 导程的选择 丝杆的导程必须满足下式 Ph0 为导程（ mm） Vmax 为工作台运行最高速度（ mm/s）； nmax 为电机最高转速（ r/min）。 I为传动比。 代入数据得导程 Pho≥ 5mm，故取 PB=5（ mm） ii. 平均转速由于我们要选择的丝杆的运转方式为无切削方式，由上表可知 取丝杆平均转速 nm=1400r/min 由于我们要选择的丝杆的运转方式为无切削方式，由上表可知 取丝杆平均转速nm=1400r/min 10 iii. 平均载荷 Fm 轴向载荷 Fa=Fw+F Fw为摩擦阻力， Fw=μ mg 其中 m=10kg，μ取。 F为切削阻力，为 0。 计算可得 Fa=。 故平均载荷 Fm=Fa= iv. 时间寿命与回转寿命 工作寿命为 5年，一年工作 300 天，每天工作 6 小时，因此工作寿命Lh=5*300*6=9000（小时） 回转寿命 L=Lh*nmax*60*I=6480000000r v. 额定动载荷 𝐂𝐚 Fw为载荷系数，此处为普通运动，由下表取 Fw= 计算可得 Ca= 故选丝杆时，丝杆的额定动载荷 Ca 应该大于等于 vi. 预紧载荷 𝐅𝐚𝐨 Fao=Fa/3=vii. 丝杆公称直径 𝐝𝟎 丝杆临界转速 nk=2400*5247。 =3000r/min 11 ln为临界长度，取 350mm fnk为支承系数，当支承方式为固定 支承时，取 计算可得 d2= 故所选的丝杆的底径 d2 应大于等于 viii. 丝杆初选 综上可知 ，我们要选的丝杆应满足： 导程 Pho≥ 5mm 底径 d2≥ 额定动载荷 Ca≥ 又根据所设计的二维滑台的精度等设计要求，我们初步选取的丝杆型号如下 N F S G 20 179。 5 179。 3。