11初选电机为BF反应式步进电机 型号为 90BF001。它的有关技术参数如下表 电机型号 Kgfcm 空载启动频 HZ运行频率 HZ 转子转动惯量 105 Kg m2 分式 质量 Kg 90BF001 922000 8000 17 64 A、传动系统等效转动惯量计算传动系统的转动惯量是一种

　　11初选电机为BF反应式步进电机 型号为 90BF001。它的有关技术参数如下表 电机型号 Kgfcm 空载启动频 HZ运行频率 HZ 转子转动惯量 105 Kg m2 分式 质量 Kg 90BF001 922000 8000 17 64 A、传动系统等效转动惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载 在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线 还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算的问题。后 要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量 即传动系统等效转动惯量。 、电机转子转动惯量DJ的折算由《机电综合设计指导》表2 18查出DJ 764•cm2 、联轴器转动惯量LJ的折算822cmKgDMJcL cM为圆柱质量Kg D为圆柱体直径 cm L为圆柱体长度。 对于钢材 材料密度为 108 733cmKg 把数据代入上式得 99 2822cmKgDMJcL 、手臂转动惯量GJ的折算工作台是移动部件 其移动质量折算到活塞轴上的转动惯量GJ可按下式进行计算 MLJG20 0L为活塞工作长度cm M为工作台质量 kg 所以222015 17114 328 cmkgMLJG12 、混合式步进电机系统等效转动惯量J计算 2294 615 139 099 2764 1cmkgJJJJJGSLD B、验算矩频特性 步进电机静转矩maxjM是指电机的定位转矩 从《机电综合设计指导》表2 21中查得mMj 92 3max。步进电机的名义启动转矩mqM与静转矩maxjM的关系为 maxjmqMM 见《机电综合设计指导》公式 29P32 查《机电综合设计指导》表2 12 P35得 707。所以mMmq 77 292 3707 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算0MMMMKfKaKq 见《机电综合设计指导》公式 30P32 KqM为空载启动力矩N•cm kaM为空载启动时运动部件由静止升速到快进速度 折算到电机轴上的加速力矩 N•cm KfM为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩 N•cm 有关KqM的各项力矩值计算如下 加速力矩36010602maxmax2maxpbKavntnJJM 见《机电综合设计指导》公式 33P32 J为传动系统等效转动惯量为电机角加速度 maxn为与运动部件快进速度对应的电机转速 t为运动部件从静止启动加速到快进速度所需的时间 maxv为运动部件快进速度 为脉冲当量。min 125036001 09 05000360maxmaxrvnpb 13 cmtnJMKa 17 41102 060125014 32294 61060222max 、空载摩擦力矩iLfGMkf 20 见《机电综合设计指导》公式 34P35 为导轨摩擦系数i齿轮传动降速比 为传动系数总效率 0L为活塞工作长度。cmMkf 55 018 014 328 0005 08 971 C、启动矩频特性校核 步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速 在零时刻 启动频率为零。在一段时间内 按一定的升速 规律升速。启动结束时 步进电机达到了运行速度。 查看《机电综合设计指导》图2 21 P36 从90BF001矩特性图中 可查得 纵向 空载启动力矩KqM cm 148 43对应的允许启动频率ZyqHf2100 。查《机电综合设计指导》表2 11 P34 步进电机150BF002启动频率yqZqfHf 2000 所以所选电机不会丢步。 D、运行矩频特性校核 步进电机的快进运行频率KJf可按下式计算 PKZvf 601000max 见《机电综合设计指导》公式 36P36 maxv为运动部件快进速度。算得ZKZHf338333 快进力矩KJM的计算公式0MMMKfKJ 见《机电综合设计指导》公式 37P37 0M为附加摩擦力矩 KfM 为快进时 折算到电机轴上的摩擦力矩。 算得 cmMMMKfKJ 97814280 550 14查看《机电综合设计指导》P36 从90BF001运行矩频特性图中 可知 快进力矩KJM mcm 019781978 对应的允许快进频率KJyKJff 所以 所用的电机都满足快速进给运行矩频特性要求。 综上所述 所选用的步进电机90BF001符合要求 可以使用。 轴承的选取圆锥滚子轴承作为机座的支承原件 是机器人研制的专用轴承 具有宽度小、直径大、精度高、刚度大、承载能力高 可承受径向力、轴向力和倾覆力矩 、装置方便等特点。该种轴承主要承受以径向为主的径、轴向联合载荷。轴承承载能力取决于外圈的滚道角度 角度越大承载能力越大。该类轴承属分离型轴承 根据轴承中滚动体的列数分为单列、双列和四列圆锥滚子轴承。 轴承参数轴承代号 尺寸 32926130 180 32 30 26 齿轮的选取齿轮的参数如下表所示 名称代号 小齿轮 大齿轮 分度圆直径 80152 2038 大端模数 27759o 62 241o 85882 1256 15 工作齿高 518o齿顶角 515o顶圆锥角 30 777o 63 756o 跟圆锥角 25742o 58 723o 齿顶圆直径 88014 154 116 kA73 891 37 989 大端分度圆弧齿厚 nj46 齿轮材料为20Cr且经渗碳淬火 接触材料系数 KHC 86弯曲材料系数 KFC PLC的基本概念可编程控制器 简称PLC Programmable Logic Controller 是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。1987年国际电工委员会 International Electrical Committee 颁布的 PLC标准草案中对 PLC做了如下定义 “PLC是 16 一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设都应该按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 10。 PLC产生和发展过程现代社会要求生产家对市场的需求做出迅速的反应 生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求 迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。 1968年 美国通用汽车 GM 为适应汽车型号的不断翻新 想寻找一种能减少重新设计控制系统和接线、降低成本、缩短时间的措施 并设想把计算机功能的完、灵活通用和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来 制成一种通用控制装置 并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化 用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程 使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1969年美国数字设 DEC 研制出了世界上台PLC 并在GM的汽车自动装配线上首次使用 获得成功。从此 这项新技术便迅速发展起来。 1971年日本从美国引进了该项新技术 很快就研制出了日本台PLC。1973—1974年 西德和法国也相继研制出了自己的台PLC。中国从1974年开始研制 1977年应用于工业生产。 限于当时的元器件条件和计算技术的发展水平 早期的PLC主要由分立元件和小规模集成电路组成。 1969—1973年是PLC的初创时期。在这个时期 PLC从有触点不可编程的硬接线顺序控制器发展成为小型机的无触点可编程逻辑控制器 可靠性比以往的继电器控制系统有较大提高 灵活性也有所增强。其主要功能限于逻辑运算、计时、计数和顺序控制 CPU由中小规模集成电路组成 存储器为磁芯存储器。 1974—1977年是PLC的发展中期。在这个时期 由于8位单片CPU和集成存储器芯片的出现 PLC得到了迅速发展和完善 并逐步趋向系列化和实用化 普遍应用于工业生产过程控制。PLC除了原有功能外 又增加了数值运算、数据的传递和比较、模拟量的处理和控制等功能 可靠性进一步提高 开始具自诊断功能。 1978 1983年 PLC进入成熟阶段。这个时期 微型计算机行业已出现了16位CPU MCS一51系列单片机也由Intel推出 使PLC也开始朝着大规模、高速 17 度和高性能方向发展 PLC的生产量在国际上每年以30 的递增量迅速增长。在结构上 PLC除了采用微处理器及EPROM EEP—ROM CMCS RAM 等LSI电路外 还向多微处理器发展 使PLC的功能和处理速度大大提高 PLC的功能又增加了浮点运算、平方、混合式步进电机三角函数、相关数、查表、列表、脉宽调制变换等 初步形成了分布式可编程控制器的网络系统 具有通讯功能和远程I O处理能力 编程语言较规范和标准化。此外自诊断功能及容错技术发展迅速 使PLC系统的可靠性得到了进一步提高。 1984年后 PLC的规模更大 存储器的容量又提高了1个数量级 可达896 有的PLC已采用了32位微处理器多台PLC可与大系统一起连成整体的分布式控制系统 在软件方面有的已与通用计算机系统兼容。编程语言除了传统的梯形图、流程图语句表外 还有用于算术的BASIC语言、用于机床控制的数控语言等。在人机接口方面 采用了现实信息等更多直观的CRT 完全代替了原来的仪表盘 使用户的编程和操作更加方便灵活。PLC的I O模块一方面发展自带微处理器的智能I O模块 另一方面也注意增大I O点数 以适应控制范围的增大和在系统中使用A A通讯及其他特殊功能模件的需要。同时各PLC生产家还注意提高I O的密集度 生产高密度的I O模块 以节省空间 降低系统的成本 10。 PLC的应用领域目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业 使用情况大致可归纳为如下几类 开关量逻辑控制 这是PLC基本、广泛的应用领域 他取代传统的继电器电路 可实现逻辑控制、顺序控制 既可用于单台设的控制 也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线和电镀流水线等。 模拟量控制 在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度、压力、流量、液位和速度等。为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量和数字量之间的A D转换和D A转换。PLC家都生产配套了A A转换模块使可编程控制器用于模拟量控制。 运动控制 PLC可以用于圆周运动和直线运动的控制。从控制机构配置来说 早期直接用于开关量I 0模块连接位置传感器和执行机构 现在一般使用专用的运动控制模块 可驱动液压缸或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC 18 家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械、机床、机器人和电梯等场合。 闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I O模块实现模拟量与数字量之间的A A转换并对模拟量进行闭环PID控制 可用PID子程序来实现 也可使用专用的PID模块。当控制过程中任一个变量出现偏差时 PLC就按PID的算法计算出正确的输出去控制生产过程 使变量保持在定值上。PLC的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设 还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力和建材等行业。  能保证控制系统所要求的定时和延时以及记数 它可提供十个甚至几百个计时器和计数器 其计时的时间、计数值可以由用户在编写程序时设定 也可由操作员在工业现场通过编程器进行设定。 顺序控制 实现顺序控制 可以用移位寄存器和步进指令编写程序 也可采用规定的用于顺序控制的标准化语言——顺序功能图编写程序 使得PLC实现按事件或输入状态的顺序控制。 数据处理 现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能 可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存贮在存储器中的参考值比较 也可以用通讯功能传送到别的智能装置 或将其打印制表。数据处理一般用在大、中型控制系统 如柔性制造系统、过程控制系统等。 通信和联网 PLC具有通信功能 因此PLC可单机控制 也可多机控制 可对远程I O进行控制 又能实现PLC与PLC PLC与计算机之间的通信 可实现“集中管理 分散控制” 是实现工自动化的理想控制器。目前PLC与PLC的通讯网络是各家专用的。PLC与计算机之间的通讯 一些PLC生产家采用工业标准总线 并向标准通讯协议靠拢 PLC的发展趋势随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的不断发展 PLC的结构和功能不断改进 生产家不断推出功能更强的PLC新产品 平均3 a更新换代1次。PLC的发展有2个重要趋势向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微型化发展 以适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求 实现机电 19 一体化 向大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式工全自动网络化方向发展。例如 美国GE推出的Genettwo工全自动化网络系统 不仅具有逻辑运算、计时、计数等功能 还具有数值运算、模拟量控制、监控、计算机接口、数据传递等功能 而且还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等。该系统配置了GE BASIC语言 向上能与上位计算机进行数据通讯 向下不仅能直接控制CNC数控机床、机器人 还可通过下级PLC去控制执行机构。在操作台上如果配该的Factory Master数据采集和分析系统 Viewaster彩色图像系统 则管理、控制整个工十分方便。 智能I O模块是以微处理器为基础的功能部件。它们的CPU 与PLC的主CPU 并行工作 占用主机CPU 的时间很少 有利于提高PLC的扫描速度。智能模块主要有模拟量I O、PID回路控制、通信控制、机械运动控制等 高速计数、中断输入、BASIC和C语言组件等。智能I O的应用 使过程控制功能增强。某些PLC的过程控制还具有自适应、参数自整定功能 使调试时间减少 控制精度提高。 目前 个人计算机主要用作PLC的编程器、操作站或人机接口终端 其发展是使PLC具计算机的功能。大型PLC采用功能很强的微处理器和大容量存贮器 将逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通讯功能紧密结合在一起。这样 PLC与个人计算机、工业控制计算机、集散控制系统在功能和应用方面相互渗透 使控制系统的性能价格比不断提高。 PLC的通讯联网功能使PLC与PLC之间 PLC与计算机之间交换信息 形成一个统一的整体 实现分散集中控制 形成分布控制系统。 改善和发展新的编程语言、高性能的外部设和图形监控技术构成的人机对话技术 除梯形图、流程图、专用语言指令外 还增加了BASIC语言的编程功能和容错功能。如 双机热、自动切换I O、双机表决 当输入状态与PLC逻辑状态比较出错时 自动断开该输出 O状态进行软硬件表决取2台相同的 以满足极高可靠性要求。家在对硬件与编程工具不断升级的同时 日益向制造自动化协议 MAP 靠拢 并使PLC的基本部件 In输入输出模块、接线端子、通讯协议、编程语言和编程工具等 的技术规范化、标准化 使不同产品互相兼容、易于组网 以真正方。 PLC的特点通用性强 控制程序可变 具有很好的柔性 由于PLC产品的系列化和模块化 PLC配有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。当控制对象的硬件配置确定以后 就可通过修改用户程序 方便快速地 20 适应工艺条件的变化。在生产工艺流程改变或生产设更新时 不必改变PLC的硬设 只需改变程序就可满足要求。因此 除单机控制外 PLC在柔性制造单元 FMC 、柔性制造系统 FMS 、以至工自动 FA中被大量采用。 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设的关键性能。大多数用户都将可靠性作为选择PLC的首要条件。针对PLC是专为在工业环境下应用而设计的 故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。硬件方面 隔离是抗干扰的主要措施之一。PLC的输入、输出电路一般用光电耦合器来传递信号 使外部路与CPU之间无电路联系 有效地抑制了外部干扰源PLC的影响 同时 还可以防止外部高电压窜入CPU模 块。滤波是抗干扰的另一主要措施 在PLC的电源电路和I O模块中 设置了多种滤波电路 对高频干扰信号有良好的抑制作用。故障时可及时发出警报信息。软件方面 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序 使系统中除PLC以外的电路及设也获得故障自诊断保护。采用以上抗干扰措施后 整个系统将具有极高的可靠性一般PLC平均无故障时间高达4 5万小时。 功能性强 适应面广 现代PLC不仅具有逻辑运算、混合式步进电机计时、计数 、顺序控制等功能 而且还具有 A转换、数值运算、数据处理等功能。因此它既可对开关量进行控制 也可对模拟量进行控制 既可控制1台生产机械、1条生产线个生产过程 。PLC还具有通讯联络功能 可与上位计算机构成分布式控制系统 实现遥控功能。 编程方法简单 容易掌握 PLC配有易于接受和掌握的梯形图语言。该语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。这样 懂得继电器和计算机的人就易于编程 同时也为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 控制系统的设计、安装、调试和维修方便 PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件 控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大都可以在实验室模拟调试 调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场 进行联机统调。在维修方面 PLC的故障率很低 且有完善的诊断和实现功能 一旦PLC外部的输入装置和执行机构发生故障 就可根据 PLC上发光二极管或编程器上提供的信息 迅速查明原因。若是PLC本身问题 则可更换模块 迅速排除故障 维修极为方便。 体积小 、质量小、功耗低
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