步进驱动系统与数控圆弧插补程序的设计说明

JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

课程设计题目: 步进驱动系统与数控圆弧插补程序设计

综合训练题目: 连接电路和机床进给电机驱动器实现第二象限逆圆弧插补加工

学院名称：

机械学院

专 业：

班 级：

姓 名：

学 号：

指导教师：

课程设计与综合训练

说明书

2016年1月

课程设计与综合训练任务书

课程设计题目:步进驱动系统与数控圆弧

插补程序设计

综合训练题目:连接电路和机床进给电机驱动器

实现第二象限逆圆弧插补加工

摘要：通过对微控制器-PLC的学习进行了为期三周的课程设计，本次课程设计是以第二象限逆圆弧插补为例。PLC在工业控制应用非常广泛，主要是因为

其稳定可靠。本设计即根据自制的车数控平台（双轴平台），通过插补运算，利用FX3uPLC发出脉冲，从而控制步进电机的运行，按照插补程序画出轨迹。从而初步掌握步进电机控制系统的设计方法，仿真数控车加工平台加工零件的加工轨迹。

关键词：FX3U-64M ; 步进电机; NR2插补;

目录

第一章概述 (5)

1.1 本次课程设计综合训练对象及容 (5)

1.2 课程设计综合训练任务书及要求 (5)

第二章机电伺服传动系统设计及图形绘制 (7)

2.1 步进电机的选择和齿轮传动比的计算 (7)

2.1.1 系统方案设计 (7)

2.1.2 传动比计算和步进电机的选择 (9)

2.2 圆柱齿轮减速器的设计计算 (15)

2.2.1 X向齿轮减速器的设计计算 (15)

2.2.2 Z向齿轮减速器的设计计算 (17)

2.2.3 丝杠的选择 (19)

2.3 联轴器选择 (24)

2.4 轴承选择 (24)

2.5 键 (25)

2.6 齿轮结构设计的选择 (25)

2.7 传动系统结构设计和图形绘制 (25)

第三章机电伺服系统微控制器电器线路及程序设计 (27)

3.1开环控制系统 (27)

3.2 三菱PLC驱动电路设计 (28)

3.3 PLC插补程序设计概述 (30)

3.4 程序设计调试 (35)

参考文献 (43)

第一章概述

机械电子工程专业的课程设计，是对前阶段机电课程教学的一次设计性的训练过程，其后二周的综合训练则是将课程设计的设计成果进行物化的过程。整个过程应该能实现对理论教学容的综合应用目的。所以，本次课程设计涉及了单片机原理及接口技术、机电一体化系统设计、电气控制与PLC、数控机床与编程技术、机械工程测试技术基础等多门机电课程知识，从机电系统及其电气原理图的设计与绘制，到动手制作控制电路及调试，对这些课程的诸多知识点在机电系统中的综合应用进行了简单的阐述。

1.1 本次课程设计综合训练对象及容

本次设计任务是根据自制的车数控平台，进行伺服传动系统设计及图形绘制、微控制器（单片机、可编程序控制器PLC、微机插卡）的接口电路设计、控制程序的编写、切削加工调试，初步掌握伺服控制系统的设计方法（可采用开环或闭环），完成数控车加工平台伺服系统零件的加工。

本次设计和训练的具体容如下：

(1)根据指导老师给定的任务，使用AUTOCAD绘制数控系统传动图形，选择系统所用步进电机、计算系统减速器传动比；

(2)使用绘图工具绘制微控制器接线图；

(3)利用元气件制作微控制器及其接口控制电路；

(4)编制和调试程序，加工出任务书中要求的零件类型；

（5）编制说明书。

1.2 课程设计综合训练任务书及要求

课程设计综合训练任务书及其格式见附录，其主要容有：

设计训练题：分别给出课程设计和综合训练的题目，如课程设计的题目为“步进驱动系统设计与数控直线插补单片机程序设计”，综合训练的题目为“连接自制电路和机床进给电机驱动器实现第一象限直线插补加工”。

主要设计参数及要求：可以给出具体的设计参数，如丝杠导程p、步进电机步距角α、加工线型及走刀长度、脉冲当量δp、电机和折算到电机轴上等效转动惯量（Jm+Je）、空载启动时间Δt、最大进给速度Vmax、大小拖板质Md、Mx）、主切削力Fz、吃刀抗力Fy、走刀抗力Fx等参数；要求如选择电机型号、制作接口电路、编制程序，使其能进行两方向伺服驱动加工出所需要的零件等。

3、设计容及工作量：如课程设计容要求“根据给定的任务参数，计算齿轮箱传动比，选择驱动中使用的步进电机，使用AUTOCAD绘制数控系统传动图形；使用AUTOCAD绘图工具绘制微控制器接线图。”；综合训练容要求“利用元气件制作微控制器及其接口控制电路；编制和调试程序，加工出任务书中要求的零件类型；编制课程设计和综合训练说明书。”

设计具体任务书由指导老师下达，要求每个学生完成的容：

(1)根据给定的脉冲当量选择传动比、电机后，设计并绘制伺服传动系统AutoCAD传动图一；

（2）绘制微控制器电器接线图一；

（3）利用自制数控加工平台，编程插补加工出零件一个；

（4）课程设计综合训练说明书1份：6000～8000字。

第二章机电伺服传动系统设计及图形绘制

2.1 步进电机的选择和齿轮传动比的计算

系统总体设计非常重要，是对一部机器的总体布局和全局的安排。总体设计是否合理将对后面几步的设计产生重大影响，也将影响机器的尺寸大小、性能、功能和设计质量。所以，在总体设计时应多花时间、考虑清楚，以减少返工现象。当伺服系统的负载不大、精度要求不高时，可采用开环控制。一般来讲，开环伺服系统的稳定性不成问题，设计时主要考虑精度方面的要求，通过合理的结构参数设计，使系统具有良好的动态响应性能。

2.1.1 系统方案设计

在机电一体化产品中，典型的开环控制位置伺服系统是简易数控机床（本实验室自制数控平台）及X-Y数控工作台等，其结构原理如图2-1所示。各种开环伺服系统在结构原理上小异，其方案设计实质上就是在图2-1的基础上选择和确定各构成环节的具体实现方案。

图2-1 开环伺服系统结构原理框图

1、执行元件的选择