..機械專業課程設計指導設計者：__專業__設計題目：搬運機械手完成時間：201目錄一、設計任務11.1設計任務介紹1課程設計的目的11.1.2課程設計的內容11.1.3課程設計的要求11.1.4課程設計的具體任務21.1.5研究機械手的意義21.2設計任務明細31.2.1總體方案的設計3機械系統的設計3二、總體方案設計32.1驅動系統32.2執行機構42.3控制系統43.1機械傳動裝置的組成及原理5機械手的機械傳動裝置示意圖如下53.2滾珠絲杠簡介與特點63.3滾珠絲杠的設計及選型63.3.1螺旋類型及種類6初始條件73.3.3.滾珠絲杠副的組成及主要尺寸7計算過程73.3.5滾珠絲杠最小軸經校核93.4電機選型及聯軸器選型9電機選型93.4.2聯軸器的選擇93.5鍵的選擇與校核103.5軸承的選型與校核103.5.1軸承的選型103.5.2軸承的校核113.6主要聯接部位螺栓的校核123.7軸承座、機架、導向柱、底座等基本構件的結構設計13四、電氣控制系統設計154.1控制系統的基本組成154.2電氣元件的選型15可編程序控制器的選擇15步進電機驅動器的選擇16步進電機選擇與控制164.3電氣控制電路的設計184.4控制程序的設計18機械手搬運流程圖18輸入/輸出地址分配19機械手位移控制程序194.4.4搬運機械手搬運程序設計22五、課程設計總結30六、參考文獻30..設計任務1.1設計任務介紹課程設計的目的通過課程設計培養學生綜合運用所學知識和能力、提高分析和解決實際問題能力的一個重要環節,專業課程設計時建立的專業基礎課程和專業方向課的基礎上的,是學生根據所學課程進行的工程基本訓練,課程設計的目的在于：1、培養學生綜合運用所學的基礎理論和專業知識,獨立進行機電控制系統產品的初步設計工作,并結合設計或試驗研究課題進一步鞏固和擴大知識領域。2、培養學生搜索、閱讀和綜合分析參考資料,運用各種標準和工具書籍一集編寫技術文件的能力、提高計算、繪圖等基本能力。3、培養學生掌握機電產品設計的一半程序和方法,進行工程師基本素質的訓練。4、樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。課程設計的內容專業課程設計內容為機電控制系統〔典型機電產品設計,其內容包括機械傳動機構和其電氣控制系統設計,基本內容如下：1、總體方案設計：根據課程設計任務的要求,在搜集、歸納、分析材料的基礎上,明確系統的主要功能,確定實現系統主要功能的原理方案。針對具體的原理方案進行總體設計,給出機電系統的工作示意圖一張。2、機械傳動系統的設計：通過對動力和傳動參數的選擇計算,設計機械傳動系統,完成機械傳動系統裝配圖一張。3、電氣控制系統設計：根據控制功能要求,完成電氣控制設計,給出電氣控制電路原理圖一張。課程設計的要求課程設計的成果最后集中表現在課程設計說明書和所繪的設計圖紙上,量化要求如下：1、每位同學采用不同方案獨立完成；2、每位同學獨立完成課程設計說明書一份,A4紙30頁左右,計算機打印并提交電子稿；3、每位同學應完成設計圖紙不少于三張,計算機繪圖并提交電子稿。課程設計的具體任務1、題目：直角坐標系搬運機械手2、方案選擇：電機驅動方式：步進電機機械傳動方式：螺旋絲杠電氣控制方式：PLC控制功能控制要求：位置控制,速度控制3、主要設計參數：移動負載質量：100kg工作行程：第一段行程400mm,第二段行程100mm移動速度控制：第一段行程速度為0.2m/s,第二段行程速度為0.1m/s研究機械手的意義隨著現代工業技術的不斷發展,工業自動化技術也越來越高,生產工況也有趨于惡劣的態勢,這對一線工人的操作技能提出了更高的要求,同時操作工人的工作安全也受到了相應的威脅。工人工作環境和工作內容也要求理想化和簡單化,對于一些往復的工作由機械手遠程控制或自動完成顯得非常重要。這樣可以避免一些人不能接觸的物質對人體造成傷害,如冶金、化工、醫藥、航空航天等。在機械制造業中,機械手應用較多,發展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料以及焊接、噴漆等作業,它可以按照事先制定的作業程序完成規定的操作,有些還具備有傳感反饋能力,能應付外界的變化。應用機械手,有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度,從而可以提高勞動生產率,降低生產成本,加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。借助PLC強大的工業處理能力,很容易實現工業生產的自動化。基于此思路設計的機械手,在實現各種要求的工序前提下,大大提高了工業過程的質量,而且大大解放了生產力,改善了工作環境,減輕了勞動強度,節約了成本,提高了生產效率,具有十分重要的意義。綜上所述,本次專業課程設計本人選擇了設計直角坐標系搬運機械手,為明年的畢業設計打下基礎。由于時間倉促,本人僅設計了機械手的立柱、手臂,和控制部分。1.2設計任務明細1.2.1總體方案的設計通過比較氣壓、液壓、以及機械傳動機械手的優缺點,根據課程設計題目要求,最終選擇PLC控制兩臺步進電機,步進電機帶動滾珠絲杠,將圓周運動轉換成沿X-Y軸的直線運動。機械系統的設計傳動機構的設計與選型聯軸器選型,鍵的校核軸承的選型與校核主要連接部位螺栓的受力分析與校核軸承座,機架,導向柱,底座等基本構件的結構設計電氣控制系統的設計電機的選型步進電機驅動模塊的選型PLC接線原理圖設計二、總體方案設計一臺完整的機電設備主要包括動力源、傳動裝置、執行機構和控制系統。因此,在設計機械手時應分部分別設計。機械手主要由驅動機構〔動力源和傳動裝置、執行機構和控制系統構成。各部分的關系如下圖所示圖1、工業機械手組成框圖2.1驅動系統驅動系統是驅動工業機械手執行機構運動的動力裝置,通常由動力源、控制調節裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動四種形式。氣動式速度快,結構簡單,成本低。采用點位控制或機械擋塊定位時,有較高的重復定位精度,但臂力一般在300N以下。液動式的出力大,臂力可達1000N以上,且可用電液伺服機構,可實現連續控制,使工業機械手的用途和通用性更廣,定位精度一般在1mm范圍內。目前常用的是氣動和液動驅動方式。電動式用于小型,機械式只用于動作簡單的場合。結合專業課程設計的要求,為實現位置和速度控制,氣壓傳動很難實現速度控制,液壓傳動系統比較復雜,在短時間內不可能取得成果,因此本人選擇電力傳動和機械傳動相結合。2.2執行機構機械手的執行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。1手部即直接與工件接觸的部分。由于與物件接觸的形式不同,可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指<或手爪>和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件,常用的手指運動形式有回轉型和平移型。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多,常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。2手腕是連接手部和手臂的部件,并可用來調整被抓取物件的方位<即姿勢>。如圖1-3。它可以有上下擺動,左右擺動和繞自身軸線的回轉三個動作。如果有特殊要求〔將軸類零件放在頂尖上,將筒類、盤類零件卡在卡盤上等,手腕還可以有一個小距離的橫移。也有的工業機械手沒有腕部的自由度。3手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件,并按預定要求將其搬運到指定的位置。手臂在進行伸縮或升降運動時,為了防止繞其軸線的轉動,都需要有導向裝置,以保證手指按正確方向運動。導向裝置結構形式,常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式。4立柱立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回轉運動和升降<或俯仰>運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立往通常為固定不動的,但因工作需要,有時也可作橫向移動,即稱為可移式立柱。6機座機座是機械手的基礎部分,機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上,故起支撐和連接的作用。 本次專業課程設計,由于時間倉促,在機械手的執行機構方面,本人只設計了機械手的立柱、手臂和機座。2.3控制系統控制系統是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前控制系統可大體分為三類,工控機控制系統、單片機搭建的控制系統以及PLC控制系統。課程設計中本人采用PLC控制系統,因為與其它工控產品相比,有以下優點：1PLC控制器適應惡劣環境,抗電磁干擾能力強,能夠較好適應井下環境,系統穩定。2編程簡單、安裝簡便、調試方便,響應速度快結果簡單、組態方便。3造價比較便宜,系統擴展方便。

4維修工作量小、維護方便,且體積小、能耗低。課程設計中的控制要求位置控制、速度控制。本人采用步進電機進行開環控制。因為步進電機的最顯著的優勢是不需要位置反饋信號就能夠進行精確的位置控制和速度控制。這種開環控制形式省去了昂貴的位置傳感器件,和速度傳感器。只需對輸入指令脈沖信號計數、控制脈沖信號的頻率,就能進行電機的位置控制和速度控制。綜上所述,本次課程設計動力源選擇電機,傳動裝置選擇滾珠絲杠,執行原件選擇夾手,控制系統選擇PLC控制系統。機械手控制系統原理圖如下所示： 圖2、機械手控制系統原理圖三、機械傳動系統設計3.1機械傳動裝置的組成及原理機械手的機械傳動裝置示意圖如下圖3、機械手傳動裝置示意圖3.2滾珠絲杠簡介與特點滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動,或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動,這是滾珠螺絲的進一步延伸和發展,這項發展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力,滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業設備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件,其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動,或將扭矩轉換成軸向反覆作用力,同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。1>與滑動絲杠副相比驅動力矩為1/3由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。2>高精度的保證滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設備連貫生產出來的,特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環境方面,對溫度·濕度進行了嚴格的控制,由于完善的品質管理體制使精度得以充分保證。3>微進給可能滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現滑動運動那樣的爬行現象,能保證實現精確的微進給。4>無側隙、剛性高滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性<滾珠絲杠內通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強>。5>高速進給可能滾珠絲杠由于運動效率高、發熱小、所以可實現高速進給<運動>。3.3滾珠絲杠的設計及選型3.3.1螺旋傳動類型：滾動螺旋傳動滾動螺旋副接觸形式：內循環3.3.2初始條件精密螺桿,材料42CrMo熱處理：高、中頻加熱,表面淬火螺母材料：ZCuSn10Zn2熱處理：滲氮、淬火返向器材料：60Mn熱處理：高、中頻加熱,表面淬火螺紋滾道法向截面形狀：半圓弧軸向載荷與運動方向反3.3.3.滾珠絲杠副的組成及主要尺寸圖4、滾珠絲杠的組成和主要尺寸3.3.4計算過程序號計算項目計算依據計算結果1絲杠載荷：導向柱摩擦力工作載荷2020N2電機轉速絲杠最大轉速初步設電機與絲杠之間沒有減速器,轉速不變3絲杠導程工作臺最大速度：6mm4當量轉速當量負荷500N2020N5初選滾珠絲杠<1>計算動負荷<2>計算靜載荷<3>要求壽命<4>滾珠絲杠副型號按照機械設計手冊公式,求得滾珠絲杠動負荷查表2.8-65,得機械手的滾珠絲杠的推薦壽命為8000h在企業網站查的,選用CBM2505-5,額定動載荷為11300N2020N8000CBM2505-5〔5滾珠絲杠副的主要尺寸采用CBM2505-5型外循環滾珠絲杠副。公稱直徑基本導程鋼球直徑絲杠大徑絲杠小徑符合要求6絲杠螺紋部分長度由企業產品參數可知7支撐距離支撐跨距應大于8臨界轉速校核支撐方式系數計算所得驅動力矩由查表2.8-66查得支撐方式系數〔兩端固定54384.739壓桿穩定校核一端固定支撐,一端鉸接,絲杠不受壓縮,不必校核穩定性同理,選擇手臂〔X軸滾珠絲杠型號為CBM2505-5,工作行程選,采取一端固定支撐,一端鉸接的安裝方式,經機械設計2008軟件校核通過。3.3.5滾珠絲杠最小軸經校核由于選擇的是企業系列產品,為了使用安全。選用者對滾珠絲杠與電機連接軸段進行校核。 最細軸段直徑為16,校核通過。3.4電機選型及聯軸器選型傳動裝置各傳動零件的機械傳動效率查〔東南大學出版社《機械設計課程上機與設計》表9-1取得：滾動軸承聯軸器：總傳動效率：3.4.1電機選型步進電機選型根據保持轉矩,步進電機保持轉矩,轉矩儲備系數K=1.1~1.5,取K=1.1在全球電機網上查得：XX開元電機廠生產的磁阻式三相六拍步進電機,型號為160BC380該電機主要參數：相數3；步距角0.75/1.5；電壓80-300V；電流13A；保持22N/m；最高空載啟動頻率1000,運行頻率12000。3.4.2聯軸器的選擇聯軸器選擇原則：1根據被聯接軸兩端軸經〔聯接兩端直徑相差不得大于最小直徑的1/32所選聯軸器公稱轉矩應大于電機的最大轉矩。3所選聯軸器盡可能的經濟實用。 通過查機械設計手冊,推薦絲杠軸與電機直接連接,采用無間隙的彈性聯軸器。選擇彈性套柱銷聯軸器,型號TL3,。3.5鍵的選擇與校核鍵選擇45號鋼,其許用應力為對于聯軸器與滾珠絲杠之間的鍵選擇鍵為普通A型平鍵,〔合格對于聯軸器與電機軸之間的鍵選擇鍵為普通A型平鍵,〔合格3.5軸承的選型與校核 機械手立柱和手臂的滾珠絲杠采用一端固定一端簡支承的結構方式。采取此方案的原因為： 1此種支承結構方式適用于中等轉速,且具有較高精度定位。2絲杠有熱漲的余地3壓桿的穩定性和臨界轉速比同長度的F-O型高3.5.1軸承的選型Y軸方向滾珠絲杠豎立放置,軸承承受的力里主要在底部,故立柱底端采用止推球軸承和圓錐滾子軸承組合使用。止推球軸承主要承受Y軸方向軸向力,圓錐滾子軸承主要承受徑向力〔由傾覆力矩產生,其次還可以起到徑向固定作用。電機端采用成對安裝的角接觸球軸承,能承受雙軸向載荷,有較大的抗彎剛度支承。X軸方向滾珠絲杠水平放置,電機端采用成對安裝的角接觸球軸承,能承受雙軸向載荷,有較大的抗彎剛度支承,適合于懸臂軸的支承,夾持端采用圓錐滾子軸承。根據軸經進行軸承的選型Y軸方向軸承選型：底座--止推球軸承51204型,圓錐滾子軸承32004型,電機端成對安裝的角接觸球軸承7204AC/DB,安裝固定如下圖所示：底座 電機端X軸方向軸承選型：電機端成對安裝的角接觸球軸承7204AC/DB,夾持端圓錐滾子軸承32004型安裝固定如下圖所示：電機端 夾持端軸承的校核1、止推球軸承校核1設計參數徑向力Fr=100<N>,軸向力Fa=2500<N>,軸頸直徑d1=20<mm>,轉速n=500<r/min>,要求壽命Lh'=10000<h>,溫度系數ft=1,潤滑方式Grease=脂潤滑。2被選軸承信息通過查機械設計手冊,可得軸承類型BType=推力球軸承,軸承型號BCode=51204,軸承內徑d=20<mm>,軸承外徑D=40<mm>,軸承高度B<T>=14<mm>,基本額定動載荷C=22200<N>,基本額定靜載荷Co=37500<N>,極限轉速<脂>nlimz=3800<r/min>3當量動載荷接觸角a=45<度>,負荷系數fp=1,判斷系數e=1.25,徑向載荷系數X=0.66軸向載荷系數Y=1,當量動載荷,額定動載荷計算值C'=17177.649<N>4校核軸承壽命軸承壽命,校核合格2、圓錐滾子球軸承 因設計時選用了兩個同型號的圓錐滾子球軸承,為節約設計時間,選受力較大的圓錐滾子球軸承進行校核。 1設計參數徑向力Fr=2500<N>,軸向力Fa=1000<N>,軸頸直徑d1=20<mm>,轉速n=500<r/min>,要求壽命Lh'=10000<h>,溫度系數ft=1,潤滑方式Grease=脂潤滑2被選軸承信息通過查機械設計手冊,選軸承類型BType=圓錐滾子軸承,軸承型號BCode=32004,軸承內徑d=20<mm>,軸承外徑D=42<mm>,基本額定動載荷C=25000<N>,基本額定靜載荷Co=28200<N>,極限轉速<脂>nlimz=8500<r/min>3當量動載荷接觸角a=10<度>,負荷系數fp=1.2,判斷系數e=0.973,徑向載荷系數X=1,軸向載荷系數Y=0,當量動載荷P=3000<N>,額定動載荷計算值C'=13070.292<N>4校核軸承壽命軸承壽命校核合格3、角接觸球軸承校核1設計參數徑向力Fr=1500<N>,軸向力Fa=700<N>,軸頸直徑d1=20<mm>,轉速n=500<r/min>,要求壽命Lh'=10000<h>,溫度系數ft=1,潤滑方式Grease=脂潤滑2被選軸承信息軸承類型BType=角接觸球軸承,軸承型號BCode=7204AC/DB,軸承內徑d=20<mm>,軸承外徑D=47<mm>,軸承寬度B=28<mm>,基本額定動載荷C=14000<N>,基本額定靜載荷Co=7820<N>,極限轉速<脂>nlimz=13000<r/min>3>當量動載荷接觸角a=25<度>,負荷系數fp=1.5,判斷系數e=0.68,徑向載荷系數X=0.41,軸向載荷系數Y=0.87,當量動載荷P=1528.5<N>,軸承所需基本額定動載荷C'=11867.176<N>4>校核軸承壽命軸承壽命校核合格3.6主要聯接部位螺栓的校核 當機械手搬運工件運動到右極限位置是所受傾覆力矩最大,故以此狀態下校核聯接部位螺栓。 聯接部位主要有兩部分組成：立柱聯接支架〔一端與滾珠絲杠上的滾珠螺母聯接,另一端與立柱聯接支架聯接,手臂聯接支架〔一端與滾珠絲杠上的滾珠螺母聯接,另一端與手臂聯接支架聯接,如下圖所示圖6、立柱與手臂聯接圖經過受力分析可知：螺栓桿主要承受橫向載荷,用配合螺栓聯接承受橫向載荷大,其次手臂在安裝時需要精確定位,及要求安裝精度高,而用配合螺栓聯接比普通螺栓聯接定位精度高。 由圖分析可知,螺栓組承受旋轉力矩T的作用,單邊聯接支架所受力矩對單邊列靜力平衡方程; 〔1有變形協調原則〔2聯立〔1〔2式得：其中,,所以因為螺栓材料為45號鋼,6.6級,查機械設計書表7.6可得查表2.8選取許用安全系數,所以單個螺栓所受剪切力,即其中帶入數值得。在設計時,為提高其安全系數,設計者選用M16螺栓聯接。3.7軸承座、機架、導向柱、底座等基本構件的結構設計 軸承座的設計要根據軸承外經、受力大小來確定軸承座的尺度和厚度。本次課程設計中所有非標準件都是根據查閱技術標準后,獨立設計的。圖7、立柱底座零件圖 在設計時,機械手中增加導向柱有兩個重要作用；起導向作用,能夠較精確的定位,較少系統定位誤差能承擔一部分傾覆力矩,減少滾珠絲杠的變形圖8、導向柱零件圖四、電氣控制系統設計4.1控制系統的基本組成 此次課程設計本人在機械結構設計方面花的時間較多,留給電氣控制系統設計時間就相應的少了,為能按時完成題目設計要求,本人不設計復雜的電氣硬件控制系統,而采取外購相應的模塊,來組建電氣控制系統,然后編寫控制程序,達到目的要求。 機械手的控制系統包括：計算機,PLC可編程控制器,轉換器,步進電機驅動器,步進電機,開關直流電源。控制系統示意圖如下圖9、控制系統示意圖4.2電氣元件的選型可編程序控制器的選擇PLC發展這么多年,技術成熟,各種型號的也很多,各個廠家生產的也有一定區別,各個重點發展方向也不同,所以我們必須根據自己設計需要,考慮如何選擇。西門子的中國業務是其亞太地區業務的主要支柱,活躍在中國的信息與通訊、自動化與控制、電力、交通、醫療、照明以及家用電器等各個行業中,其核心業務領域是基礎設施建設和工業解決方案,我們在本科方面學習時主要的教材都是基于西門子PLC編寫的,所以對于西門子PLC比較熟悉。采用PLC系統與采用其它形式的控制系統相比較,具有較好的性價比,使用和維修方便；選用的PLC主機和配置、控制功能等必須能滿足被控對象的各種控制要求；必須是功能較強的PLC機型。同時還應當考慮將來工藝的變化和擴展,在滿足確定的要求外,留有一定的余量；確保整個控制系統可靠。還要考慮大家對產品的熟悉程度,以及編程指令的易懂性。綜合比較,我選用西門子S7-200CPU224來做控制邏輯單元。S7-200系列PLC是由西門子公司推出的高性能小型可編程控制器,適用于各行各業,各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中,或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。S7-200CPU224的主要特點：集成14輸入/10輸出共24個數字量I/O點。可連接7個擴展模塊,最大擴展至232路數字量I/O點或35路模擬量I/O點。13K字節程序和數據存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數器,2路獨立的20kHz高速脈沖輸出,具有PID控制器。1個RS485通訊/編程口,具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。可完全適應于一些復雜的中小型控制系統因此,本次課程設計中PLC可編程控制器選S7-200CPU224。4.2.2步進電機驅動器的選擇驅動器原理 步進電機必須有驅動器和控制器才能正常工作。驅動器的作用是對控制脈沖進行環形分配、功率放大,使步進電機繞組按一定順序通電,控制電機轉動。圖10、控制系統示意圖以兩相步進電機為例,當給驅動器一個脈沖信號和一個正方向信號時,驅動器經過環形分配器和功率放大后,給電機繞組通電的順序為,其四個狀態周而復始進行變化,電機順時針轉動；若方向信號變為負時,通電時序就變為,電機就逆時針轉動。本次所選步進電機驅動器是XX雙杰電子生產的,型號為SJ-380BF。步進電機選擇與控制 在機械系統設計中,電機選型已經選好,步進電機的型號為160BC380,XX開元電機廠生產的反應式三相六拍步進電機。 步進電機是一種將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的常用電氣執行元件,具有步進數可控、運行平穩、價格便宜等優點。步進電機轉子的位移與脈沖數成正比,因而其轉速與脈沖頻率成正比,而不受電源電壓、負載大小及環境條件等影響。每一個脈沖信號可使步進電機旋轉一個固定的角度前進一步,這個角度即為步距角。脈沖的數量決定了旋轉的總角度,脈沖的頻率決定了旋轉的速度,方向信號決定了旋轉的方向。 步進電機的工作方式與電動機的結構和種類密切相關,從結構上看,步進電機分為三相、四相、五相等類型,常用的是三相步進電機。三相步進電機的工作方式有三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種。系統采用三相六拍工作方式,在三相六拍工作方式中,控制電流切換6次,磁場旋轉1周,轉子移動1個齒距,各相的通電順序為:A2AB2B2BC2C2CA2A。六拍工作方式時的電壓及電流波形如圖1所示。其中細線表示磁極繞組中的電流波形,可見磁極的驅動電壓是方波,而電流不是方波,這主要是由于步進電機的每相繞組存在一定的充電和放電時間。圖11、步進電機六拍工作方式時的電壓及電流波形 常用的步進電機分為反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等類型,不同的步進電機在控制方式上基本一樣。在實際應用中,反應式步進電機較常用。步進電機直接由數字信號控制,其基本控制包括轉向控制和速度控制。步進電機換向,一定要在電機降速停止或降到突跳頻率范圍之內時,以免產生較大的沖擊而損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的最后一個脈沖結束后以及下一個方向的第1個脈沖前發出。在某一高速下的正、反向切換實質包含了降速→換向→加速3個過程。調整送給步進電機的脈沖頻率,就可以對步進電機進行調速。用PLC實現步進電機的加減速控制,實際上就是控制發送脈沖的頻率。加速時,使脈沖頻率增高,減速時降低。理想的加速曲線一般為指數曲線,步進電機整個降速過程的頻率變化規律是整個加速過程頻率變化規律的逆過程。若選定的曲線比較符合步進電機升降過程的運行規律,則能充分利用步進電機的有效轉矩,快速響應性好,縮短了升降速的時間,并可防止失步和過沖現象。步進電機有以下特點： 1運行角度正比于輸入脈沖,便于開環運行,花費少；2定位精度高,并且沒有累積誤