第四章 主要零部件结构设计及配件选型
4.1机架设计
4.1.1机架设计准则
底座、机架、箱体、基板等零件都属于机架零件。
机架零件可划分为四大类：即机座类、机架类、基板类和箱壳类，对机架零件一般可提出下列要求:
(1)工况要求：即任何机架的设计首先必须保证机器的特定工作要求。例如，保证机架上安装的零部件能顺利运转，机架的外形或内部结构不致有阻碍运动件通过的突起,设置执行某一工况所必需的平台；保证上下料的要求、人工操作的方便及安全等。
(2)刚度要求：在必须保证特定的外形条件下，对机架的主要要求是刚度。如果基础部件的刚性不足，则在工作的重力、夹紧力、摩擦力、惯性力和工作载荷等的作用下，就会产生变形，振动或爬行，而影响产品定位精度、加工精度及其它性能。例如机床的零部件中，床身的刚度则决定了机床的生产率和加工产品的精度。
(3)强度要求：对于一般设备的机架，刚度达到要求，同时也能满足强度的要求
(4)稳定性要求：对于细长的或薄壁的受压结构及受弯-压结构存在失稳问题，某些板壳结构也存在失稳问题或局部失稳问题。失稳对结构会产生很大的破坏，设计时必须校核。
(5)美观：目前对机器的要求不仅要能完成特定的工作，还要使外形美观。
(6)其它：如散热的要求，防腐蚀及特定环境的要求。
在满足机架设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处环境，考虑下列各项要求，并有所偏重。
(1)机架的重量轻，材料选择合适，成本低。
(2)结构合理，便于制造。
(3)结构应使机架上的零部件安装、调整、修理和更换都方便。
(4)结构设计合理，工艺性好，还应使机架本身的内应力小，由温度变化引起的变形应力小。
(5)抗振性能好。
(6)耐腐蚀，使机架结构在服务期限内尽量少修理。
(7)有导轨的机架要求机架导轨面受力合理，耐磨性良好。
4.1.2 机架主体设计
1）机座的结构及材料
进行机架结构形式的选择是一个较复杂的过程，对结构形式、构件截面和结点构造等均需要结合具体的情况进行仔细的分析。对结构方案要进行技术经济比较。由于各种设备有不同的规范和要求，制定统一的机架结构选择方法较困难。但是，可以利用结构力学的知识提出下列一般的规则。这些规则是为了节约材料在选择形式时应遵守的一般规律。
（1）结构的内力分布情况要与材料的性能相适应，以便发挥材料的优点。轴力较弯矩能更充分地利用材料。杆件受轴力作用时，截面上的材料分布是均匀的，所有材料都能得到充分利用。但在弯矩作用下截面的应力分布是不均匀的，所以材料的应力分布不够经济。
机械结构中许多构件所受的都是沿垂直于杆轴的方向作用的。弯矩沿杆变化很迅速。有垂直载荷处，弯矩曲线有曲率，且曲率与载荷集度成正比。最大的弯矩限于一小段内，在较长段内材料不能充分利用，这是弯曲构件不经济的另一原因。
（2）结构的作用在于把载荷由施力点传到基础。载荷传递的路程愈短，结构使用的材料愈省。
（3）结构的连续性可以降低内力，节省材料。
因该光栅栅距检测仪，结构尺寸较大，要求稳定性较高，精度要求较高，材料上，为减少成本，便于安装，选择HT150铸件作为基座。
2）机体部分结构尺寸的确定
(1)安装轴承基座螺栓直径的确定
，取M6。
(2)安装步进电机基座螺栓直径的确定，取M6。
(3)安装支架螺钉直径的确定，取M8。
4.2支架设计
支架如下图4-1所示，支柱材料为45#方管，壁厚2.5mm，升降台通过锁紧螺母紧箍在支柱上，拧松锁紧螺母可以调节升降台的高度，支柱通过螺钉及定位销联接在主体机架上。
图4-1 支架示意图
4.3 轴承基座设计
轴承基座材料为Q235，通过切削加工而成，其零件图如下图4-2：
图4-2 轴承基座
4.4轴承选择与校核
4.4.1 轴承校核的概念及方法
(一) 基本概念
(1)深沟球轴承寿命：轴承中任一元件出现疲劳剥落扩展迹象前运转的总转数或一定转速下的工作小时数。
批量生产的元件，由于材料的不均匀性，导致轴承的寿命有很大的离散性，最长和最短的寿命可达几十倍，必须采用统计的方法进行处理。
(2)基本额定寿命：是指90％可靠度、常用材料和加工质量、常规运转条件下的寿命，以符号L10（r）或L10h（h）表示。
(3)基本额定动载荷（C）：基本额定寿命为一百万转（106）时深沟球轴承所能承受的恒定载荷。即在基本额定动载荷作用下，轴承可以工作106 转而不发生点蚀失效，其可靠度为90％。基本额定动载荷大，轴承抗疲劳的承载能力相应较强。
(4)基本额定静载荷（径向C0r，轴向C0a）：是指轴承最大载荷滚动体与滚道接触中心处引起以下接触应力时所相当的假象径向载荷或中心轴向静载荷。
在设计中常用到深沟球轴承的三个基本参数：满足一定疲劳寿命要求的基本额定动载荷Cr（径向）或Ca（轴向），满足一定静强度要求的基本额定静强度C0r（径向）或C0a（轴向）和控制轴承磨损的极限转速N0。各种轴承性能指标值C、C0、N0等。
(二）寿命校核计算公式
深沟球轴承的寿命随载荷的增大而降低，其曲线方程为
PεL10=常数
其中 P-当量动载荷，N；L10-基本额定寿命，常以106r为单位（当寿命为一百万转时，L10=1）；ε-寿命指数，球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3。
由手册查得的基本额定动载荷C是以L10=1、可靠度为90％为依据的。由此可得当轴承的当量动载荷为P时以转速为单位的基本额定寿命L10为
Cε×1=Pε×L10
L10=(C/P)ε 106r
若轴承工作转速为n r/min，可求出以小时数为单位的基本额定寿命
应取L10≥Lh＇。 Lh ＇为轴承的预期使用寿命。通常参照机器大修期限的预期使用寿命。
（三）当量动载荷
在实际工况中，深沟球轴承常同时受径向和轴向联合载荷，为了计算轴承寿命时将基本额定动载荷与实际载荷在相同条件下比较，需将实际工作载荷转化为当量动载荷。在当量动载荷作用下，轴承的寿命与实际联合载荷下轴承的寿命相同。当量动载荷P的计算公式是
P=XFr+YFa
式中Fr-径向载荷，N；Fa-轴向载荷，N；X，Y-径向动载荷系数和轴向动载荷系数。
4.4.2丝杠处轴承校核
选择轴承6204，查得轴承性能参数
得, 
径向力
，
轴向力 
，
查[1]表15-3，得Y=2.3，e=0.19，
当量载荷
由于
，
，
所以
，
轴承寿命的校核
4.5 联轴器的选用
电机功率较小，螺杆驱动装置采用联轴器联接电机。
联轴器是机械传动中常用的部件。它用来把两轴联接在一起，机器运转时两轴不能分离：只有在机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离。
联轴器所联接的两轴，由于制造及安装误差、承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移。这就要求设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的性能。
根据对各种相对位移有无补偿能力（即能否在发生相对位移条件下保持联接的功能），联轴器可分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两大类。挠性联轴器又可按是否具有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两个类别。
十字滑块联轴器又称滑块联轴器，由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙的中间盘组成。因凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移。这种联轴器零件的材料可用45钢，工作表面需要进行热处理，以提高其硬度；要求较低时也可用Q275钢，不进行热处理。为了减少摩擦及磨损，使用时应从中间盘的油孔中注油进行润滑。
因为半联轴器与中间盘组成移动副，不能发生相对转动，故主动轴与从动轴的角速度应相等。但在两轴间有相对位移的情况下工作时，中间盘就会产生很大的离心力，从而增大动载荷及磨损。因此选用时应注意其工作转速不得大于规定值。
弹性柱销联轴器能传递转矩的能力很大，结构更为简单，安装、制造方便，耐久性好，也有一定的缓冲和吸振能力，允许被联接两轴有一定的轴向位移以及少量的径向位移和角位移，适用于轴向窜动较大、正反转变化较多和起动频繁的场合。
本次设计中，由凌斯联轴器公司样本资料，查得电动机与减速器轴之间联接选用十字滑块联轴器LS3-C32。
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型号
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额定转矩(n.m)
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最高转速(rpm)
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径向偏差mm
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LS3-C32
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5.5
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4700
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1.9
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第五章 PLC控制选型
5.1 PLC的发展概述
可编程控制器(简称 PLC) 是种数字运算操作的电子系统，是在20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC 自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。产生和发展过程现代社会要求生产厂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。
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同:
1）中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器[7]。
5.2 PLC技术在步进电机控制中的应用
随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性。向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些[8]。
目前利用可编程序控制器（即PLC技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。
用PLC对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，现对步进电机的控制[9]。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向[10]。PLC直接控制步进电机系统由PLC和步进电机组成，PLC具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。并且，PLC有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的驱动要求[11]。
有以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：
控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求[12]。如下图所示：
图5-1 步进电机的PLC直接控制
5.3 常见的步进电机的工作方式
常见的步进电机的工作方式有以下三种：
1.三相单三拍：A-> B-> C-> A
图3-1 三相单三拍工作方式时序图
2.三相双三拍：AB -> BC -> CA -> AB
图3-2 三相双三拍工作方式时序图
3.三相六拍：A -> AB -> B -> BC -> C -> CA -> A
图3-3 三相六拍工作方式时序图
5.4 西门子PLC控制步进电机
由以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：
控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。
对输入电机的相关脉冲控制，从而达到对步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。
