《單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)畢業(yè)論文》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)畢業(yè)論文（34頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 I 摘 要本論文是機(jī)電一體化技術(shù)課程的拓展學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，內(nèi)容涉及單片機(jī)知識(shí)，旨在讓自己熟練掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程和方法，包括參數(shù)的選擇，傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，零件的計(jì)算，結(jié)構(gòu)的計(jì)算，培養(yǎng)系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)的能力。綜合應(yīng)用過(guò)去所學(xué)的理論知識(shí)，提高聯(lián)系實(shí)際和綜合分析的能力，進(jìn)一步鞏固，加深和拓寬所學(xué)的知識(shí)。訓(xùn)練和提高設(shè)計(jì)的基本技能，如計(jì)算，繪圖，運(yùn)用設(shè)計(jì)資料，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，編寫技術(shù)文件（說(shuō)明書）等。機(jī)電一體化技術(shù)是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合的綜合性高新技術(shù)，是機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。伺服驅(qū)動(dòng)是本設(shè)計(jì)的核心，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及其它產(chǎn)業(yè)機(jī)械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，在國(guó)

2、內(nèi)外普遍受到關(guān)注。在 20 世紀(jì)最后 10 年間，微處理器(特別是數(shù)字信號(hào)處理器DSP)技術(shù)、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展為伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括兩大部分。第一部分是機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括步進(jìn)電機(jī)的選擇，計(jì)算和驗(yàn)算。其中有脈沖當(dāng)量的確定，空載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算，各傳動(dòng)部件等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，等效轉(zhuǎn)矩的折算。包括滾珠絲杠的選擇，計(jì)算和驗(yàn)算和滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選擇，計(jì)算和驗(yàn)算。設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的水平移動(dòng)，所選的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)?。?.00250.005)，動(dòng)、靜摩擦力相差甚微，運(yùn)動(dòng)輕便靈活，所需功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持

3、性好，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，移動(dòng)精度和定位精度都較高的優(yōu)點(diǎn)。以上所選均能滿足設(shè)計(jì)要求?？刂撇糠质遣捎?MCS51 系列單片機(jī)來(lái)完成此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成控制系統(tǒng)原理圖和主要程序的設(shè)計(jì)清單。單軸伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)電一體化技術(shù)一個(gè)重要組成部分，它充分利用了單片機(jī)的軟硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的控制，使機(jī)構(gòu)的加工范圍擴(kuò)大,加工精度得到了提高。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 機(jī)電一體化，伺服驅(qū)動(dòng)，單軸直線運(yùn)動(dòng)IIAbstractAbstract In this paper, is the integration of mechanical and electrical technology curriculum developmen

4、t learning and design, content involves the SCM knowledge, aiming to make himself master of mechatronics system design process and methods, including the choice of parameters, transmission parts design, calculation, structure calculation, the culture system analysis and design ability. Comprehensive

5、 application of the past to learn the theoretical knowledge, improve with practice and comprehensive analysis ability, consolidate further, deepen and broaden the knowledge. The training and improvement of the design of basic skills, such as calculation, drawing, using the design data, standards and

6、 norms, writing technical documents ( specifications ). Mechatronics is the microelectronics technology, computer technology, information technology and mechanical technology of combining a comprehensive high and new technology, mechanical technology and microelectronics technology organic union. Th

7、e servo drive is the core of this design, servo drive technology for CNC machine tools, industrial robots and other machinery industry one of the key technology, in the domestic and foreign general concern. In twentieth Century the last10 years, the microprocessor ( especially digital signal process

8、or - DSP ) technology, power electronics technology, network technology, control technology for the development of servo drive technology s further development has laid a good foundation.The main contents of this design includes two parts. The first part is the design of mechanical systems, includin

9、g the stepper motor selection, calculation and checking. Including pulse equivalent determination, load torque calculation, the transmission part of the equivalent moment of inertia, equivalent torque conversion. Including the choice of ball screw, linear rolling guide and the checking calculation a

10、nd selection, calculation and checking. Design of stepping motor is used for direct driving ball screw to realize work table of horizontal movement, the selected rolling linear guide rail has the advantages of small friction coefficient (0.00250.005), dynamic, static friction force is very little di

11、fference between movement, portable and flexible, the required power of small, friction and heating of small, small abrasion, good precision, low speed motion stability, moving accuracy and the positioning accuracy is high. The above selected can meet the design requirements. The control part adopts

12、 MCS51Series MCU to complete the design of control system, to complete the principle diagram of control system and main program design list.Key Words Mechanical and electrical integration，Servo drive，Single axis linear motion III目目 錄錄中文摘要.IAbstract.II1 引言. 11.1 課題研究背景.11.2 課題研究意義. 11.3 伺服驅(qū)動(dòng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).2

13、1.3.1 國(guó)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).21.3.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).32 單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)單軸整體方案設(shè)計(jì).52.1 整體設(shè)計(jì)方案分析.5 2.1.1 機(jī)械方案分析.5 2.1.1 控制方案分析.62.2 機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).7 2.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及其依據(jù).73 單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).8 3.1 滾珠絲杠的選擇、計(jì)算及驗(yàn)算.8 3.1.1 確定滾珠絲桿副導(dǎo)程 Ph.8 3.1.2 滾珠絲桿副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算.8 3.1.3 滾珠絲桿的校核.10 3.1.4 滾珠絲桿副的極限轉(zhuǎn)速的校核.10 3.1.5 Dn 值的驗(yàn)證.11 3.1.6 基本軸向額定靜載荷的驗(yàn)算.11 3.1.7

14、 軸承選擇.11 3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇、計(jì)算及驗(yàn)算.14 3.3 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選擇、計(jì)算及驗(yàn)算.164 單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 19 4.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介.19 4.1.1 單片機(jī)的發(fā)展歷史及趨勢(shì).19 4.1.2 單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn).19 4.1.3 單片機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展方向.20 4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 20 4.2.1 主控制器 CPU 的選擇.21 4.2.2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì).21 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).22IV 4.2.4 其他輔助電路設(shè)計(jì).22結(jié)論 .25致謝.26參考文獻(xiàn).27附錄.A1.1 （小四字）.A1.2 （小四字）. - 1 -1 1 引引 言言1

15、.1課題研究背景伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及其它產(chǎn)業(yè)機(jī)械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，在國(guó)內(nèi)外普遍受到關(guān)注。在 20 世紀(jì)最后 10 年間，微處理器(特別是數(shù)字信號(hào)處理器DSP)技術(shù)、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展為伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。如果說(shuō) 20 世紀(jì) 80 年代是交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)取代直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的話，那么，20 世紀(jì) 90 年代則是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的 10 年。這一點(diǎn)在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家尤為明顯。發(fā)展我國(guó)伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)的探討作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，伺服驅(qū)動(dòng)裝置的特性一直是影響數(shù)控機(jī)床加工性能的重要指標(biāo)。圍繞伺服驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)特性與靜

16、態(tài)特性的提高，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展了多種伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直線伺服系統(tǒng)及高速電主軸等成為機(jī)床行業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)，并成為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。1.21.2課題研究意義課題研究意義（1）掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程和方法，包括參數(shù)的選擇，傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，零件的計(jì)算，結(jié)構(gòu)的計(jì)算，培養(yǎng)系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)的能力。（2）綜合應(yīng)用過(guò)去所學(xué)的理論知識(shí)，提高聯(lián)系實(shí)際和綜合分析的能力，進(jìn)一步鞏固，加深和拓寬所學(xué)的知識(shí)。（3）訓(xùn)練和提高設(shè)計(jì)的基本技能，如計(jì)算，繪圖，運(yùn)用設(shè)計(jì)資料，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，編寫技術(shù)文件（說(shuō)明書）等。（4）通過(guò)機(jī)械部分設(shè)

17、計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟；（5）通過(guò)測(cè)試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；（6）通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及編寫技術(shù)說(shuō)明書的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。- 2 -1.31.3伺服驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)狀與發(fā)展伺服驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)趨勢(shì)1.3.1 國(guó)國(guó)外外現(xiàn)現(xiàn)狀狀及及發(fā)發(fā)展展趨趨勢(shì)勢(shì)無(wú)人化、規(guī)?；a(chǎn)對(duì)加工設(shè)備提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺服系統(tǒng)具有高響應(yīng)、免維護(hù) (無(wú)碳刷、換向器等磨損元部件 )、高可靠性等特點(diǎn)，正好適應(yīng)了這一需求。例如，日本 F

18、ANUC 公司、三菱電機(jī)公司、安川電機(jī)公司、德國(guó)Siemens 公司、AEG 公司、力士樂(lè) Indramat 公司、美國(guó) A.B 公司、GE 公司等均先后在 1984 年前后將交流伺服系統(tǒng)付諸實(shí)用。國(guó)內(nèi)的交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)起步較晚，到20世紀(jì) 80 年代末才有產(chǎn)品問(wèn)世。如冶金部自動(dòng)化研究院華騰公司的ACS 系列、揚(yáng)州5308 廠引進(jìn) Siemens 公司的 610 系列，這些產(chǎn)品采用大功率晶體管模塊 (GTR)，屬于模擬伺服，但從技術(shù)上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。 進(jìn)入 20 世紀(jì) s年代，微電子制造工藝的日臻完善，使得DSP 運(yùn)算速度呈幾何數(shù)上升，達(dá)到了伺服環(huán)路高速實(shí)時(shí)控制的要求，一些運(yùn)動(dòng)控制芯片制造商還

19、將電機(jī)控制所必需的外圍電路 (如 A/D 轉(zhuǎn)換器、位置 /速度檢測(cè)倍頻計(jì)數(shù)器、 PWM 發(fā)生器等)與 DSP 內(nèi)核集成于一體，使得伺服控制回路采樣時(shí)間達(dá)到100µs 以內(nèi)，由單一芯片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加、減速控制，電子齒輪同步控制，位置、速度、電流三環(huán)的數(shù)字化補(bǔ)償控制。一些新的控制算法如速度前饋、加速度前饋、低通濾波、凹陷濾波等得以實(shí)現(xiàn)。另一方面，電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得伺服系統(tǒng)主電路功率元件的開(kāi)關(guān)頻率由25kHz 提升到 1520kHz，IGBT(絕緣柵門雙極性晶體管 )及 IPM(智能型功率模塊 )均是這一時(shí)代的產(chǎn)物，從而提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)性，降低了系統(tǒng)的噪音。以上兩個(gè)方面不僅是交流伺服實(shí)

20、現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)，而且使得交流伺服趨于小型化。目前一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的伺服系統(tǒng)生產(chǎn)廠家基本上均能夠提供全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)或者可以與自己的CNC 系統(tǒng)相配套，如日本 FANUC 公司、三菱電機(jī)公司、安川電機(jī)公司、松下公司、山洋電機(jī)公司、德國(guó) Siemens 公司、力士樂(lè) Indramat 公司、Lenze 公司、美國(guó) A.B公司、Kollmorgen 公司、Relliance 公司、Baldor 公司、PacificScientific 公司等。 全數(shù)字交流伺服技術(shù)的飛速發(fā)展，使得用戶根據(jù)負(fù)載狀況(如慣量、間隙、摩擦力等)調(diào)整參數(shù)更為方便，也省去了一些模擬回路所產(chǎn)生的漂移等不穩(wěn)定因素，但在發(fā)展初期，

21、伺服接口缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)廠家均設(shè)計(jì)自己的接口電路，相互之間無(wú)可互換性，用戶適配較為麻煩。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及PC-basedCNC 技術(shù)快速發(fā)展的情況下，這一問(wèn)題尤為突出。 在 1987 年，由德國(guó)機(jī)床協(xié)會(huì)和德國(guó)電力電子協(xié)會(huì)聯(lián)合提出數(shù)字驅(qū)動(dòng)接口國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即 SERCOS(SerialReal-timeCommunicationSystem 串行實(shí)時(shí)通信系統(tǒng) )接口作為高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)數(shù)據(jù)串行實(shí)時(shí)通信接口，這兩個(gè)協(xié)會(huì)將電機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、CNC 系統(tǒng)的主要制造商組成一個(gè)聯(lián)合工作組。最初加入SERCOS 工作組的公司有AEC、ABB、AMK、Banmuller、Bosch、Indramat、Sieme

22、ns、PacificScientific 等幾家公司。到了 1994 年，SERCOS 成為控制器與數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接口的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并 - 3 -作為 IEC61491 標(biāo)準(zhǔn)獲得通過(guò)，因此具有開(kāi)放性，迄今成員已增加到70 多個(gè)公司。與此同時(shí)，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的 ASIC 芯片、SERCON816，傳輸速度為2/4/8/16Mbit/s，SERCOS 與其它串行現(xiàn)場(chǎng)總線相比，有效數(shù)據(jù)傳輸率高，例如Ethement 以 100Mbit/s 速度傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，有效數(shù)據(jù)傳輸率為510Mbit/s；SERCOS以 16Mbit/s 速度傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，有效數(shù)據(jù)傳輸率為11Mbit/s。CAN(controllerAr

23、eaNetwork)用于運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，必須提供額外的存儲(chǔ)緩沖器及信號(hào)管理資源，其成本大約是 SERCOS 接口的 2 倍，另一個(gè)特點(diǎn)是它的光纖噪聲抑制能力強(qiáng)、傳輸可靠性高。雖然SERCOS 接口初終是為 CNC 與數(shù)字伺服接口而開(kāi)發(fā)，迄今已被廣泛應(yīng)用于通用運(yùn)動(dòng)控制器與數(shù)字伺服之間的接口。目前已能滿足在2ms 內(nèi)，使一臺(tái)控制器與多達(dá) 32 個(gè)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。 SERCOS 為數(shù)字伺服網(wǎng)絡(luò)化鋪就了一條寬闊大道，可以預(yù)見(jiàn)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，帶有SERCOS 接口的伺服系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入家庭、辦公室、工廠車間乃至各個(gè)與伺服應(yīng)用相關(guān)的領(lǐng)域。力士樂(lè)Indramat 公司在 1999 年之所以占據(jù)北美伺服驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)

24、 10.5%的份額、位居第一位，一方面是該公司在應(yīng)用工程、銷售、服務(wù)及用戶支持方面的加強(qiáng)，另一個(gè)主要因素是承諾開(kāi)放結(jié)構(gòu) SERCOS。 輕質(zhì)(如銅、木材、鋁合金等 )、復(fù)合材料在汽車、家電、 AF 業(yè)中的大量使用，對(duì)高速、高效加工提出了新的要求。為了適應(yīng)這一需求，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼推出直線電機(jī)、高速主軸電機(jī)，而且付諸實(shí)用。對(duì)于直線電機(jī)而言，其控制技術(shù)與傳統(tǒng)的交流伺服電機(jī) 相差不多，但由于直線電機(jī)本身沒(méi)有轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動(dòng)體，因而本身慣量小，所以具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，而檢測(cè)元件直接安裝于機(jī)械一側(cè)，從而檢測(cè)工作臺(tái)的位移，也避免了旋轉(zhuǎn)電機(jī)在方向改變時(shí)所存在的換向間隙，滿足了高速、高精密加工對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求

25、。從 IMTS2000 展覽會(huì)來(lái)看，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在高速加工技術(shù)方面處于領(lǐng)先水平， IBAG 公司已向業(yè)界提供 0.125185kW，最高轉(zhuǎn)速為 14,000r/min 的系列化高速內(nèi)裝式主軸系統(tǒng)，徑向、軸向重復(fù)精度小于1µm，電機(jī)軸承有混合陶瓷軸承、液靜壓軸承、磁浮軸承三種，采用水管冷卻，且內(nèi)置位置傳感器供加工中心 ATC 之用。主軸驅(qū)動(dòng)采用矢量變頻技術(shù)，已在模具加工、高精密電極加工、鋁質(zhì)零件加工、高精度磨削加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用， Fisher 公司也有類似產(chǎn)品。1.3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 我國(guó)在 20 世紀(jì) 80 年代初期通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，又在國(guó)家“七五”、

26、 “八五”、 “九五”期間對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行重大科技項(xiàng)目攻關(guān)取得了很大成果。但由于產(chǎn)品可靠性等方面的原因，制約著我國(guó)數(shù)控機(jī)床的配套及應(yīng)用，從而影響我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展。一些機(jī)床廠家也不得不選用國(guó)外的伺服系統(tǒng)，使得國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在價(jià)格、交貨期、可靠性等方面均不占優(yōu)勢(shì)，更無(wú)心力開(kāi)發(fā)市場(chǎng)需求的新品種，從而失去巨大的市場(chǎng)份額。從公開(kāi)的統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看， CNC 系統(tǒng)中 75%以上的故障出自伺服部分。然而，近年來(lái)在國(guó)家不斷組織科技攻關(guān)的同時(shí)，一些民營(yíng)高科技公司也為發(fā)展我國(guó)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)注入了新的活力。例如北京中寶倫自動(dòng)化技術(shù)有限公司在國(guó)家沒(méi)- 4 -有投入一分錢的情況下，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，不斷開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，1994

27、年開(kāi)發(fā)成功 PDC系列直流伺服系統(tǒng)，扭矩從 1Nm 至 44.1Nm 共有七個(gè)規(guī)格的寬調(diào)速直流伺服電機(jī)，采用國(guó)際上最新一代的功率器件 IPM、PWM 控制，調(diào)制頻率達(dá)到 15kHz，有效地克服了以往 SCR 控制時(shí)電流斷續(xù)所產(chǎn)生的換向火花對(duì)于換向器的燒蝕，可使碳刷壽命延長(zhǎng) 1 倍以上。1997 年底該公司又開(kāi)發(fā)成功 PAC 系列交流伺服系統(tǒng)，與蘭州電機(jī)廠引進(jìn)德國(guó) Siemens 公司 1FT5 系列的 94 個(gè)規(guī)格的無(wú)刷交流伺服電機(jī)相配套。轉(zhuǎn)速系列有 1,200r/min、2,000r/min、3,000r/min、4,000r/min、4,500r/min、6,000r/min，扭矩范圍 0

28、.1590N；2000 年 11 月又根據(jù)市場(chǎng)需求，開(kāi)發(fā)出 PAC-P 系列數(shù)字化位置型交流伺服系統(tǒng)。這些產(chǎn)品推向市場(chǎng)后，取得了很好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益，得到北京第一機(jī)床廠、清華大學(xué)精密儀器廠、青海第一機(jī)床廠等廠家認(rèn)可，與XA5750 滑枕銑床、XA718 立式銑床、XA2412/2410 龍門銑床和 XKA5032 數(shù)控立式銑床、數(shù)控異型螺桿銑床、 XKA8132/8140 數(shù)控銑床等配套。除此之外，也應(yīng)用于復(fù)合材料成型機(jī)械、汽車子午胎一段、二段成型及裁斷機(jī)械、衛(wèi)星風(fēng)洞群控制、電子元件材料切割、編帶等領(lǐng)域。目前，近 200 臺(tái)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各大汽車子午胎生產(chǎn)線，每日24h 連續(xù)運(yùn)行。除在國(guó)內(nèi)應(yīng)用

29、外，從 1997 年開(kāi)始，該公司部分產(chǎn)品由北京第一機(jī)床廠配套出口到德國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)家。從1994 年至今售出將近 1000 臺(tái)套交/直流伺服系統(tǒng)，幾年來(lái)無(wú)一臺(tái)返修，根據(jù)該公司記錄數(shù)字來(lái)看，只有8 臺(tái)均由于用戶接線錯(cuò)誤而導(dǎo)致保險(xiǎn)電阻、電源回路及接口元器件燒壞。使用中寶倫產(chǎn)品的用戶改變了對(duì)于國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)可靠性不好的看法。華中 數(shù)控系統(tǒng)有限公司、珠峰數(shù)控公司、航天數(shù)控公司、中科院電工所等單位通過(guò)實(shí)施國(guó)家科技項(xiàng)目攻關(guān)，已能夠向各機(jī)床制造廠配套自身數(shù)控系統(tǒng)所需要的伺服系統(tǒng)，還應(yīng)用于一些老設(shè)備技術(shù)改造。洛陽(yáng)軸承研究所自主研發(fā)高速電主軸，已應(yīng)用于軸承磨床、印刷電路板銑、鉆等方面。 - 5 -2單軸

30、直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)整體方案設(shè)計(jì)2.1整體設(shè)計(jì)方案分析數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。主要按照以下四個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算：（1）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。（2）伺服系統(tǒng)的選擇開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī).開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由于沒(méi)有檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用?？紤]到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用

31、步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。（3）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇采用 MCS-51 系列中的 8031 單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51 單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價(jià)比高?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O 接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。（4）機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

32、考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。 2.1.12.1.1 機(jī)械方案設(shè)計(jì)機(jī)械方案設(shè)計(jì) 機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的水平移動(dòng)，因其無(wú)位置反饋，其精度主要取決于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度，精度不高。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。導(dǎo)軌采用的是滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小,動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差很小，因此,運(yùn)動(dòng)輕便靈活,運(yùn)動(dòng)所需功率小,摩擦發(fā)熱少，磨損小，精度保持性好,低

33、速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好,移動(dòng)精度和定位精度高的優(yōu)點(diǎn)- 6 -圖 2.1 單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.1.2 控制方案設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)部分采用 MCS-51 系列單片機(jī)來(lái)完成此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),完成控制系統(tǒng)原理圖等.主要包括鍵盤,LED 顯示,電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、單進(jìn)控制、聯(lián)動(dòng)控制等的控制.同時(shí)還要有一些自動(dòng)錯(cuò)誤處理功能.如限位控制,驅(qū)動(dòng)出錯(cuò)處理,這就需要在程序設(shè)計(jì)時(shí)提供相應(yīng)的中斷處理程序。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能：（1） 接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制 LED 顯示（2） 接受操作面板的開(kāi)關(guān)與按鈕信息；（3） 接受車床限位開(kāi)關(guān)信號(hào)；（4） 接受電動(dòng)卡盤夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)；（5） 控制主軸的正轉(zhuǎn)

34、，反轉(zhuǎn)與停止；（6） 控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級(jí)變速；（7） 控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無(wú)級(jí)變速；（8） 控制切削液泵啟動(dòng)/停止；（9） 控制電動(dòng)卡盤的夾緊與松開(kāi)；（10）控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀 - 7 -2.2機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖所示：圖 2.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖2.32.3主要設(shè)計(jì)參數(shù)及其依據(jù)主要設(shè)計(jì)參數(shù)及其依據(jù)表 2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及依據(jù)負(fù)載F1(N)F2(N)工進(jìn)速度（m/min） 快進(jìn)速度（m/min）重復(fù)定位精度(mm)定位精度(mm/300mm)行程(mm)加減速度時(shí)間(s)要求壽命(h)絲桿直徑初定(mm)絲桿支撐形式2000150020.40.010.02

35、50022200016兩端固定- 8 -3 單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1滾珠絲杠的選擇、計(jì)算及驗(yàn)算滾珠絲杠的選擇、計(jì)算及驗(yàn)算 3.1.1 確定滾珠絲桿副的導(dǎo)程確定滾珠絲桿副的導(dǎo)程 Ph：根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系圖及傳動(dòng)條件選擇滾珠絲桿副的導(dǎo)程 Ph=10mm3.1.2 滾珠絲桿副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算：滾珠絲桿副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算：1）托板尺寸：長(zhǎng)寬高=30mm 300mm 300mm2）托板重量：NN21110*8 . 730*300*300W233）導(dǎo)軌副與托板連接部分重量估算為：100N（雙導(dǎo)軌）4）夾具及工件重量約為：400N5）工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重：211100400711GN=+=6）最小載荷

36、 Fmin選機(jī)器空載時(shí)滾珠絲桿副的傳動(dòng)力。由滾動(dòng)導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù) f=0.005 得4N0.005711NfGFmin7)最大載荷 Fmax采用矩形滾動(dòng)導(dǎo)軌工作載荷等效公式：()mxzyFKFFFGm=+其中： 1.1K =0.005m= 8)滾珠絲桿副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速 nm及當(dāng)量載荷 Fm:按工進(jìn)時(shí)間占總時(shí)間的 90%，快進(jìn)時(shí)間占總時(shí)間的 10%計(jì)算：確定當(dāng)量載荷：Fm=1167N322112223113m1ntnFtnttnFm確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速：min/r28n2211mtntn預(yù)期額定動(dòng)載荷按預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算：使用壽命 24000hLh=滾珠絲杠副壽命（）6060/10mhLn L=610 r最大

37、動(dòng)載荷：30QwHmFL f f F=N55160.005711)(25001 . 1*5000G)f(F2KF1Fmax - 9 -查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書以下簡(jiǎn)稱指導(dǎo)書表 3-30 取載荷系數(shù)，硬度系數(shù)（）代入上式得1.2wf =1.0Hf=58HRCN9091FQ擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負(fù)載計(jì)算maxF查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)踐表 3-25 以下簡(jiǎn)稱實(shí)踐重載荷取 =5000N3.4ef =1maxFF得Fmaxfe=17000NQF取以上結(jié)果最大值N17000Cm確定允許的最小螺紋小徑估算絲杠允許的最大軸向變形量已知：重復(fù)定位精度 10，定位精度 20mmmm=（1/41/

38、3)重復(fù)定位精度=3mdmm=（1/51/4)定位精度=6mdmm取最小值=3mdmm估算最小螺紋底徑絲桿要求預(yù)拉伸，采用兩端固定的支承形式，已知行程為 700mm，W=2500+711=3211N 靜摩擦系數(shù)=0.090m02mmWLdamd=查實(shí)踐表 3-26 a=0.039 L=1.1*行程+（1014）=900mmhP=11.48mm020.039mmWLdmd=確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)：選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒雙螺母型墊片預(yù)緊形式。由、選擇相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副 FFZD3210-3hPmC2mdd2=26.5mm Ca=20600N Coa=43800N確定預(yù)緊力：NF166731F

39、maxe- 10 -圖 3.1 滾珠絲桿兩端固定形式3.1.3 滾珠絲桿的校核滾珠絲桿的校核在選擇滾珠絲桿時(shí)，可根據(jù)原絲桿直徑的大小，按類比法選擇其名義直徑，因此，就需要對(duì)其負(fù)載能力進(jìn)行必要的校核，如果是根據(jù)承載能力選出的則應(yīng)對(duì)壓桿穩(wěn)定及其剛度進(jìn)行必要的校核。下面進(jìn)行滾珠絲桿副臨界壓縮載荷 Fc的核算（即驗(yàn)算壓桿穩(wěn)定性）max521422110fLdkkFcc（其中： f=21.9 ）311k42k730. 4NFFFNFC551610157. 1108003 .27431max5524摩總所以驗(yàn)證穩(wěn)定性合格.3.1.4 滾珠絲桿副的極限轉(zhuǎn)速滾珠絲桿副的極限轉(zhuǎn)速 nc的校核的校核(避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)

40、時(shí)產(chǎn)生共振避免高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生共振)322222210260cccLdfAEILkn max372min/103.01010800.3279 .21nr驗(yàn)算合格. - 11 -3.1.5 Dn值的驗(yàn)證值的驗(yàn)證 7000069402007 .34.maxnDDnpw經(jīng)驗(yàn)證合格3.1.6 基本軸向額定靜載荷基本軸向額定靜載荷 Cu的驗(yàn)算的驗(yàn)算 )2( N26200N1103255162.max取soaoaasfCCFfCu3.1.7 軸承選擇軸承選擇1.1.載荷是選擇軸承最主要的依據(jù)，通常應(yīng)根據(jù)載荷的大小、方向和性質(zhì)選擇軸承。載荷大小 一般情況下，滾子軸承由于是線接觸，承載能力大，適于承受較大載荷；

41、球軸承由于是點(diǎn)接觸，承載能力小，適用于輕、中等載荷。各種軸承載荷能力一般以額定載荷比表示。載荷方向 純徑向力作用，宜選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承，也可考慮選用調(diào)心軸承。純軸向載荷作用，選用推力球軸承或推力滾子軸承。徑向載荷和軸向載荷聯(lián)合作用時(shí)，一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，這兩種軸承隨接觸角。增大承受軸向載荷能力提高。若徑向載荷較大而軸向載荷較小時(shí)，也可選用深溝球軸承和內(nèi)、外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承。若軸向載荷較大而徑向載荷較小時(shí)，可選用推力角接觸球軸承、推力圓錐滾子軸承。 載荷性質(zhì) 有沖擊載荷時(shí)，宜選用滾子軸承。2.2. 高速性能 一般摩擦力矩小、發(fā)熱量小的軸承高速性能好。球

42、軸承比滾子軸承有較高的極限轉(zhuǎn)速，故高速時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮選用球軸承。徑向載荷小時(shí)，選用深溝球軸承:徑向載荷大時(shí)，選用圓柱滾子軸承。對(duì)聯(lián)合載荷，載荷小時(shí)，選用角接觸球軸承；載荷大時(shí)，選用圓錐滾子軸承或圓柱滾子軸承與角接觸球軸承組合。在相同內(nèi)徑時(shí)，外徑越小，滾動(dòng)體越輕越小，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體作用在外圈上的離心力也越小，因此更適于較高轉(zhuǎn)速下工作。在一定條件下，工作轉(zhuǎn)速較高時(shí)，宜選用直徑系列為 8，9，0，1 的軸承。保持架的材料與結(jié)構(gòu)對(duì)軸承轉(zhuǎn)速影響很大。實(shí)體保持架比沖壓保持架允許的轉(zhuǎn)速高。高速重載的軸承需驗(yàn)算其極限轉(zhuǎn)速。3.3. 軸向游動(dòng)性能 一般機(jī)械工作時(shí)，因機(jī)械摩擦或工作介質(zhì)的關(guān)系而使軸發(fā)熱，從而有熱脹冷縮

43、產(chǎn)生。在選擇軸承結(jié)構(gòu)類型時(shí)，應(yīng)使其軸有鈾向游動(dòng)的可能性。因此，常在軸的某一端選用一內(nèi)圈或一外圈無(wú)擋邊的圓柱滾子軸承或滾針軸承，以適應(yīng)由于熱脹冷縮而引起軸的伸長(zhǎng)或縮短。- 12 -4.4. 調(diào)心性能 當(dāng)軸兩端軸承孔同軸性差（制造誤差或安裝誤差所致）或軸的剛度小，變形較大，以及多支點(diǎn)軸，均要求軸承調(diào)心性好，這時(shí)應(yīng)選用調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子 軸承。5.5. 允許的空間 在機(jī)械設(shè)計(jì)中，一般都是先確定軸的尺寸，然后根據(jù)軸的尺寸來(lái)確定軸承的尺寸。小軸選用球軸承，大軸選用滾子軸承；在內(nèi)徑尺寸（即軸尺寸）已確定，若徑向尺寸受限，可選用滾針軸承或直徑系列為 8，9，0，回的軸承；若寬度尺寸受限，可選用寬度系列為

44、8，0 的軸承。6.6. 安裝與拆卸方便 對(duì)于軸承使用壽命一般都難以等同主機(jī)使用壽命，在實(shí)際使用中軸承作為易損件要經(jīng)常裝拆。因此，在選用軸承結(jié)構(gòu)類型時(shí)應(yīng)要求裝拆方便。可分離型的接觸球軸承、圓柱滾子軸承。圓錐滾子軸承、推力軸承和內(nèi)圈為錐孔、帶緊定套或退卸套的調(diào)心滾子軸承、調(diào)心球軸承等均具有裝拆方便性能。按照滾珠絲杠副相關(guān)要求初步選定滾動(dòng)角接觸球軸承 B 型背對(duì)背安裝，受力如下圖： 1 F2 2 1dF2dF 1F1rF2rF圖 3.2 角接觸球軸承徑向力：N12502/25002/FFF22rr1派生軸向力：N17632/41. 1FF22d1Fd N6763FFF2d1a1N1763FF2d2

45、a取載荷系數(shù)1.2pf = 11/5.411.14arFF =徑向當(dāng)量動(dòng)載荷：N4893F7.50F35. 0fP1a1rp1）（3.41F/F2d2r徑向當(dāng)量動(dòng)載荷：P1=4893N求軸承具有的基本額定動(dòng)載荷： - 13 -NLh1677810n60PC36m1根據(jù)所選滾珠絲杠副及軸承壽命要求選擇 滾動(dòng)軸承 7305 B GB/T292NNCr1677826200 所選軸承滿足設(shè)計(jì)要求。 圖 3.3 滾珠絲杠副參數(shù)- 14 -3.23.2步進(jìn)電機(jī)的選擇、計(jì)算及驗(yàn)算步進(jìn)電機(jī)的選擇、計(jì)算及驗(yàn)算圖 3.4 步進(jìn)電機(jī)1）作用在滾珠絲桿副上各種轉(zhuǎn)矩計(jì)算外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 TF（N.m）空載時(shí):mN

46、mFPThF.0071. 0.N9 . 014. 3201. 0420外加徑向載荷時(shí)的摩擦力矩:mNmPFThLFL.75. 9.N9 . 014. 3201. 055162滾珠絲桿副預(yù)加載荷 Fb 產(chǎn)生的預(yù)緊力矩:NmmPFThb62. 0.N9 . 09 . 01.14. 3201. 016671.2222202）負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JL（Kg.m2）及傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J（Kg.m）的計(jì)算：滾動(dòng)絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：2443.105 . 62572. 0033. 0108 . 7mkgJs移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jb=(Ph/2)2m=0.63*10-4kg.m-33）空載時(shí)最大加速轉(zhuǎn)矩 Tam根據(jù)

47、負(fù)載情況初選南京南數(shù)數(shù)控設(shè)備有限公司步進(jìn)電機(jī) 130BYG3503 為三相混合式，采 - 15 -用單-雙 6 拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角為，查其參數(shù)得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:=30kg. 00.6 2取脈沖當(dāng)量 d=0.01mm/脈沖，則加到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：333333beq.10*3.137.10*30.kg107 .10JmkgmkgmJJJLMnm=vmax/360。d=1000*0.6/360*0.01=167r/minTam1=Jeq=2Jeqnm/60ta=0.394N.m4)快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq1Teq1= Tam1+Tf0+T0=1.021N.m5) 快速負(fù)

48、載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq1Teq2=TfL+Tf0+T0=10.377N.m由上可知，加在步進(jìn)電機(jī)上的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Teq=max Teq1 ,Teq2=10.377N.m6）電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成失步，甚至堵轉(zhuǎn)。并采用開(kāi)環(huán)控制，需考慮安全系數(shù)。取 K=3.5，則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：mNTeqj.13.313Tmax查初選電機(jī) 130BYG3503 的最大靜轉(zhuǎn)矩為。所選電機(jī)滿足要求mN.367）聯(lián)軸器的選擇傳動(dòng)軸上的公稱轉(zhuǎn)矩=10.1N.m = 9550=9550 2(60 103

49、)取工作情況系數(shù)1.5AK =計(jì)算轉(zhuǎn)矩= = 1.5 10.1 = 15.15.根據(jù)所選電機(jī)輸出軸、絲杠大小及計(jì)算轉(zhuǎn)矩選擇：YL2 聯(lián)軸器,所選聯(lián)軸器滿足要求。15.15 = 22000 導(dǎo)軌的工作壽命足夠,所以滿足壽命的要求，合格 - 19 -4 4 單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單軸直線伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.14.1 單片機(jī)單片機(jī)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)

50、換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì) 80 年代，由當(dāng)時(shí)的 4 位、8 為單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的 32 位 300M 的高速單片機(jī)。4.1.14.1.1 單片機(jī)的發(fā)展歷史及趨勢(shì)單片機(jī)的發(fā)展歷史及趨勢(shì) 單片機(jī)誕生于 1971 年，經(jīng)歷了 SCM、MCU、SoC 三大階段，早期的 SCM 單片機(jī)都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，此后在 8031 上發(fā)展出了MCS51 系列 MCU 系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開(kāi)始出現(xiàn)了16 位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并

51、未得到很廣泛的應(yīng)用。 90 年代后隨著 消費(fèi)電子產(chǎn)品 大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高。隨著 INTEL i960 系列特別是后來(lái)的 ARM 系列的廣泛應(yīng)用， 32 位單片機(jī)迅速取代 16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。 而傳統(tǒng)的 8 位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80 年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的 32 位 Soc 單片機(jī)主頻已經(jīng)超過(guò) 300MHz，性能直追 90 年代中期的專用處理器，而普通的型號(hào)出廠價(jià)格跌落至1 美元，最高端的型號(hào)也只有 10 美元。 當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開(kāi)發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電

52、腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的 Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域。4.1.24.1.2 單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)1、主流單片機(jī)包括 CPU、4KB 容量的 ROM、128 B 容量的 RAM、 2 個(gè) 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器、4 個(gè) 8 位并行口、全雙工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。 2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化； 3、單片機(jī)可靠性高，可工作到 106 107 小時(shí)無(wú)故障； - 20 -4、處理功能強(qiáng)，速度快。 5、低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)

53、便攜式產(chǎn)品 6、控制功能強(qiáng) 7、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。 圖 4.1 單片機(jī)芯片4.1.34.1.3 單片機(jī)的應(yīng)用發(fā)展方向單片機(jī)的應(yīng)用發(fā)展方向 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC 卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)， 錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。更不用說(shuō)自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師

54、。 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域4.24.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖如下：電機(jī)電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件機(jī)械執(zhí)行部件A相、相、B相相C相、相、f、n脈沖頻率脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)n換算換算脈沖環(huán)脈沖環(huán)形分配形分配變換變換功率功率放大放大 - 21 -圖 4.2 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：1、主控制器。即中央處理單元 CPU2、總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。3、存儲(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。4、接口。即 I/O 輸入輸出接口。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示

55、：圖 4.3 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 4.2.1 主控制器的選擇主控制器的選擇系列單片機(jī)是集中，端口及部分等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開(kāi)發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用芯片作為主控芯片。4.2.2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)1）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用芯片。其型號(hào)有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時(shí)要考慮與時(shí)序的匹配。所能讀取的時(shí)間必須大于所要求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度

56、，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。于 8031 芯片的oP口是分時(shí)傳送低 8 位地址線和數(shù)據(jù)線的，故 8031 擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是 742S373。2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展- 22 -由于 8031 芯片內(nèi)部 RAM 只有 128 字節(jié)供用戶使用，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM） 。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有 6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，這里我選用 6264(8Kx8)。3）譯碼電路由于這里擴(kuò)展的容量較大，擴(kuò)展

57、多個(gè)外圍芯片。因此，這里使用譯碼法來(lái)進(jìn)行編址。譯碼電路可使用現(xiàn)有的譯碼芯片，這里我們選用 3-8 譯碼器（74LS138） 。這種芯片，輸入端占用 3 根最高位地址線，剩余的 13 根低位地址線可作為片內(nèi)地址線，74LS138 譯碼器的 8 根輸出線分別對(duì)應(yīng) 8 個(gè) 8K 字節(jié)的地址空間。4）擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)(a).通用可編程接口芯片單片機(jī)共有個(gè)位并行接口，但供用戶使用的只有1 口及部分3 口線。因此要進(jìn)行口的擴(kuò)展。與微機(jī)接口較簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。4.2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)1）脈沖分配器步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令

58、脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器YB013。2）光電隔離電路在步進(jìn)待年紀(jì)驅(qū)動(dòng)電路中，一般在接口電路與功率放大器之間家上光電隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電偶合器作為光電隔離電路。3）功率放大器環(huán)型分配器的輸出脈沖很小，還遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，不許將它放大，以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這里采用的功率放大電路如下圖所示： - 23 -圖 4.4 功率放大器4.2.4 其它輔助電路設(shè)計(jì)其它輔助電路設(shè)計(jì)）的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘可由內(nèi)部方式產(chǎn)生，內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路

59、，在XTAL1，XTAL2、引腳上外接定時(shí)元件。如下圖所示圖 4.5 時(shí)鐘電路）復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要在引腳上出現(xiàn) 10ms 以上高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從 0000單元開(kāi)始執(zhí)行程序- 24 - 圖 4.6 復(fù)位電路表 4.1 芯片列表 序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量1CPUMCS-803112數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器626413程序存儲(chǔ)器276414鎖存器74LS37315譯碼器74LS13816接口芯片815517鍵盤4x4 鍵盤18顯示器LED 七段數(shù)碼顯示器69光電耦合器光電耦合器310電阻若干11晶振20KHZ112電容若干 控制系統(tǒng)原理圖詳見(jiàn) 2

60、號(hào)圖紙 - 25 - 26 -結(jié) 論在本設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的水平移動(dòng)，因其無(wú)位置反饋，其精度主要取決于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度，精度不高。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。但是其有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是因其無(wú)減速裝置，多用在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合。同時(shí)由傳動(dòng)比公式易知可以通過(guò)增大傳動(dòng)比 i 來(lái)提高定位精度，但是因本設(shè)計(jì)采用的是步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，所以定位精度是由步距角 來(lái)確定的。而這就要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有較小的步距角，而較小的步距角就需要較大的轉(zhuǎn)子齒數(shù)，從而大大的增加了成本。在設(shè)計(jì)中所選的是滾動(dòng)直線

61、導(dǎo)軌因其具有摩擦系數(shù)小（0.00250.005)，動(dòng)、靜摩擦力相差甚微；運(yùn)動(dòng)輕便靈活，所需功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，移動(dòng)精度和定位精度都較高的優(yōu)點(diǎn)，所以其可以消除在低速度移動(dòng)時(shí)的爬行現(xiàn)象。但是其滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，抗震性差。設(shè)計(jì)中傳動(dòng)部件用的是滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)，其具有摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，可達(dá)85%98%，絲桿螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，剛度，摩擦阻力小等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也有不能自鎖，運(yùn)動(dòng)有可逆性，即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)；直線運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等缺點(diǎn)。雖然滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)效率很高，但不能自鎖，用在垂直傳動(dòng)或水平放置的高速大慣量傳動(dòng)中，必須裝有制動(dòng)裝置。滾珠

62、絲杠必須采用潤(rùn)滑油或鋰基油脂進(jìn)行潤(rùn)滑，同時(shí)要采用防塵密封裝置。如用接觸式或非接觸密封圈，螺旋式彈簧鋼帶，或折疊式塑性人造革防護(hù)罩等。并且滾珠絲杠采用內(nèi)循環(huán)的方式，這種方式具有其結(jié)構(gòu)緊湊，定位可靠，剛性好，且不易磨損，返回滾道短，不易發(fā)生滾珠堵塞，摩擦損失也小。在系統(tǒng)的控制方面，本設(shè)計(jì)采用的是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是其精度較低。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制方面，設(shè)計(jì)中采用的是專用的與步進(jìn)電機(jī)相匹配的驅(qū)動(dòng)控制器。完全可以實(shí)現(xiàn)控制的要求。 綜上所述，雖然設(shè)計(jì)中存在一些缺點(diǎn)，但是這些都不會(huì)影響控制的精度，并且都可以達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)中的要求，所以上述設(shè)計(jì)是滿足

63、設(shè)計(jì)要求的，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)控制。 - 27 -致致 謝謝經(jīng)過(guò)為期幾個(gè)月的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)，終于完成了本課題的任務(wù)，期間收獲甚大，獲益匪淺。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是我在大學(xué)里的最后一門課程。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何查閱現(xiàn)有的技術(shù)資料、如何舉一反三、如何通過(guò)改進(jìn)并加入自己的想法與觀點(diǎn)，使之成為自己的東西。并且結(jié)合生產(chǎn)知識(shí)，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際以及分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的才能，并使大學(xué)三年所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展。機(jī)電一體化的機(jī)械系統(tǒng)要求精度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、工作可靠，這不僅是靜態(tài)設(shè)計(jì)所能解決的問(wèn)題，還需對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析，調(diào)節(jié)相關(guān)的機(jī)械性能參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的。在設(shè)計(jì)過(guò)后對(duì)其體會(huì)頗深，

64、主要如下：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要盡量緊湊；各部件要盡量輕便，標(biāo)準(zhǔn)件要選取慣量盡量小的；在條件允許的情況下對(duì)已有設(shè)計(jì)做局部調(diào)整；對(duì)系統(tǒng)影響最大的是滾珠絲杠副、聯(lián)軸器、電機(jī)，對(duì)其選擇要綜合考慮主要考慮減小慣量。機(jī)電一體化設(shè)計(jì)是訓(xùn)練我們學(xué)習(xí)能力，以及對(duì)我們專業(yè)素質(zhì)的一次充分的檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)中既按部就班的計(jì)算又有一般性的推導(dǎo)和分析選擇的過(guò)程，它為我們即將進(jìn)行的畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，提供了方法。我相信有了今天的踏實(shí)勤奮才會(huì)有今后的發(fā)展成就。在此特別感謝指導(dǎo)老師谷艷豐在課設(shè)期間對(duì)我們孜孜不倦的教導(dǎo)和啟發(fā)，讓我們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，讓我們更仔細(xì)，考慮問(wèn)題更全面，對(duì)一些問(wèn)題有了全新的認(rèn)識(shí)，再次感謝老師的幫助！- 28 -參考文

65、獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1于金， 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)踐.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.2張建民， 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第二版）.北京：高等教育出版社，2001.3尹志強(qiáng)， 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.4洪家姊， 機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo).江西：江西高校出版社，20015洛陽(yáng)軸承研究，滾動(dòng)軸承產(chǎn)品樣本.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.6鄭阿奇， MATLAB 實(shí)用教程.北京：電子工業(yè)出版社，2007.7楊叔子， 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)（第五版）.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.8張毅坤， 單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.9 鄭學(xué)堅(jiān), 周斌.微型計(jì)

66、算機(jī)原理及應(yīng)用.清華大學(xué)出版社,200310 李廣弟, 朱月秀，王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ).北京航空航天大學(xué)出版社,200111 房小翠，單片微型計(jì)算機(jī)與機(jī)電接口技術(shù).國(guó)防工業(yè)出版社,200212 王小明，電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制. 北京航空航天大學(xué)出版社,200213 李建勇，機(jī)電一體化技術(shù).科學(xué)出版社.200414 王愛(ài)玲，白恩遠(yuǎn)，趙學(xué)良.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.國(guó)防工業(yè)出版社,200115 徐灝， 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（3）.機(jī)械工業(yè)出版社,200316 張建民，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京理工出版社,200417 徐灝等，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,200018 濮良貴 ,記名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京:高等教育出版社,200319 吳振彪，機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)M.湛江:湛江海洋大學(xué),199920.楊入清，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)M.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,200021.張立勛,孟慶鑫,機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,200022 Yalcin & Bocuher, Industrial and information Systems, 2001.23 Machine-tool repor