《單軸直線伺服移動機構(gòu)畢業(yè)論文》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《單軸直線伺服移動機構(gòu)畢業(yè)論文（34頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 I 摘 要本論文是機電一體化技術(shù)課程的拓展學(xué)習(xí)和設(shè)計，內(nèi)容涉及單片機知識，旨在讓自己熟練掌握機電一體化系統(tǒng)設(shè)計過程和方法，包括參數(shù)的選擇，傳動的設(shè)計，零件的計算，結(jié)構(gòu)的計算，培養(yǎng)系統(tǒng)分析及設(shè)計的能力。綜合應(yīng)用過去所學(xué)的理論知識，提高聯(lián)系實際和綜合分析的能力，進一步鞏固，加深和拓寬所學(xué)的知識。訓(xùn)練和提高設(shè)計的基本技能，如計算，繪圖，運用設(shè)計資料，標(biāo)準和規(guī)范，編寫技術(shù)文件（說明書）等。機電一體化技術(shù)是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)與機械技術(shù)相結(jié)合的綜合性高新技術(shù)，是機械技術(shù)與微電子技術(shù)的有機結(jié)合。伺服驅(qū)動是本設(shè)計的核心，伺服驅(qū)動技術(shù)作為數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它產(chǎn)業(yè)機械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，在國

2、內(nèi)外普遍受到關(guān)注。在 20 世紀最后 10 年間，微處理器(特別是數(shù)字信號處理器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)動技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。本設(shè)計的主要內(nèi)容包括兩大部分。第一部分是機械系統(tǒng)的設(shè)計，包括步進電機的選擇，計算和驗算。其中有脈沖當(dāng)量的確定，空載轉(zhuǎn)矩的計算，各傳動部件等效轉(zhuǎn)動慣量，等效轉(zhuǎn)矩的折算。包括滾珠絲杠的選擇，計算和驗算和滾動直線導(dǎo)軌的選擇，計算和驗算。設(shè)計中采用步進電機直接驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)工作臺的水平移動，所選的滾動直線導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小（0.00250.005)，動、靜摩擦力相差甚微，運動輕便靈活，所需功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持

3、性好，低速運動平穩(wěn)，移動精度和定位精度都較高的優(yōu)點。以上所選均能滿足設(shè)計要求?？刂撇糠质遣捎?MCS51 系列單片機來完成此控制系統(tǒng)的設(shè)計，完成控制系統(tǒng)原理圖和主要程序的設(shè)計清單。單軸伺服移動機構(gòu)是機電一體化技術(shù)一個重要組成部分，它充分利用了單片機的軟硬件功能以實現(xiàn)對機構(gòu)的控制，使機構(gòu)的加工范圍擴大,加工精度得到了提高。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 機電一體化，伺服驅(qū)動，單軸直線運動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)動現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.2

13、1.3.1 國外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.21.3.2 國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.32 單軸直線伺服移動機構(gòu)單軸整體方案設(shè)計.52.1 整體設(shè)計方案分析.5 2.1.1 機械方案分析.5 2.1.1 控制方案分析.62.2 機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計.7 2.3 主要設(shè)計參數(shù)及其依據(jù).73 單軸直線伺服移動機構(gòu)機械系統(tǒng)設(shè)計.8 3.1 滾珠絲杠的選擇、計算及驗算.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 值的驗證.11 3.1.6 基本軸向額定靜載荷的驗算.11 3.1.7

14、 軸承選擇.11 3.2 步進電機的選擇、計算及驗算.14 3.3 滾動直線導(dǎo)軌的選擇、計算及驗算.164 單軸直線伺服移動機構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計. 19 4.1 單片機簡介.19 4.1.1 單片機的發(fā)展歷史及趨勢.19 4.1.2 單片機的優(yōu)點.19 4.1.3 單片機的應(yīng)用及發(fā)展方向.20 4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計. 20 4.2.1 主控制器 CPU 的選擇.21 4.2.2 存儲器擴展電路設(shè)計.21 4.2.3 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計.22IV 4.2.4 其他輔助電路設(shè)計.22結(jié)論 .25致謝.26參考文獻.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)動技術(shù)作為數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它產(chǎn)業(yè)機械控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，在國內(nèi)外普遍受到關(guān)注。在 20 世紀最后 10 年間，微處理器(特別是數(shù)字信號處理器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)動技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。如果說 20 世紀 80 年代是交流伺服驅(qū)動技術(shù)取代直流伺服驅(qū)動技術(shù)的話，那么，20 世紀 90 年代則是伺服驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的 10 年。這一點在一些工業(yè)發(fā)達國家尤為明顯。發(fā)展我國伺服驅(qū)動產(chǎn)業(yè)的探討作為數(shù)控機床的重要功能部件，伺服驅(qū)動裝置的特性一直是影響數(shù)控機床加工性能的重要指標(biāo)。圍繞伺服驅(qū)動裝置的動態(tài)特性與靜

16、態(tài)特性的提高，近年來國內(nèi)外發(fā)展了多種伺服驅(qū)動技術(shù)?？梢灶A(yù)見，隨著高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、直線伺服系統(tǒng)及高速電主軸等成為機床行業(yè)的關(guān)注熱點，并成為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展方向。1.21.2課題研究意義課題研究意義（1）掌握機電一體化系統(tǒng)設(shè)計過程和方法，包括參數(shù)的選擇，傳動的設(shè)計，零件的計算，結(jié)構(gòu)的計算，培養(yǎng)系統(tǒng)分析及設(shè)計的能力。（2）綜合應(yīng)用過去所學(xué)的理論知識，提高聯(lián)系實際和綜合分析的能力，進一步鞏固，加深和拓寬所學(xué)的知識。（3）訓(xùn)練和提高設(shè)計的基本技能，如計算，繪圖，運用設(shè)計資料，標(biāo)準和規(guī)范，編寫技術(shù)文件（說明書）等。（4）通過機械部分設(shè)

17、計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和步驟；（5）通過測試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計，掌握機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；（6）通過畢業(yè)設(shè)計提高學(xué)生應(yīng)用手冊、標(biāo)準及編寫技術(shù)說明書的能力，促進學(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)動的現(xiàn)狀與發(fā)展伺服驅(qū)動的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢趨勢1.3.1 國國外外現(xiàn)現(xiàn)狀狀及及發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢無人化、規(guī)模化生產(chǎn)對加工設(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 (無碳刷、換向器等磨損元部件 )、高可靠性等特點，正好適應(yīng)了這一需求。例如，日本 F

18、ANUC 公司、三菱電機公司、安川電機公司、德國Siemens 公司、AEG 公司、力士樂 Indramat 公司、美國 A.B 公司、GE 公司等均先后在 1984 年前后將交流伺服系統(tǒng)付諸實用。國內(nèi)的交流伺服驅(qū)動技術(shù)起步較晚，到20世紀 80 年代末才有產(chǎn)品問世。如冶金部自動化研究院華騰公司的ACS 系列、揚州5308 廠引進 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)上填補了國內(nèi)空白。 進入 20 世紀 s年代，微電子制造工藝的日臻完善，使得DSP 運算速度呈幾何數(shù)上升，達到了伺服環(huán)路高速實時控制的要求，一些運動控制芯片制造商還

19、將電機控制所必需的外圍電路 (如 A/D 轉(zhuǎn)換器、位置 /速度檢測倍頻計數(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間達到100µs 以內(nèi)，由單一芯片實現(xiàn)自動加、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。以上兩個方面不僅是交流伺服實

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)達國家的伺服系統(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、三菱電機公司、安川電機公司、松下公司、山洋電機公司、德國 Siemens 公司、力士樂 Indramat 公司、Lenze 公司、美國 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，各個廠家均設(shè)計自己的接口電路，相互之間無可互換性，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，這一問題尤為突出。 在 1987 年，由德國機床協(xié)會和德國電力電子協(xié)會聯(lián)合提出數(shù)字驅(qū)動接口國際標(biāo)準，即 SERCOS(SerialReal-timeCommunicationSystem 串行實時通信系統(tǒng) )接口作為高性能運動控制系統(tǒng)閉環(huán)數(shù)據(jù)串行實時通信接口，這兩個協(xié)會將電機、驅(qū)動系統(tǒng)、CNC 系統(tǒng)的主要制造商組成一個聯(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)動系統(tǒng)接口的國際標(biāo)準并 - 3 -作為 IEC61491 標(biāo)準獲得通過，因此具有開放性，迄今成員已增加到70 多個公司。與此同時，開發(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，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，有效數(shù)據(jù)傳輸率為11Mbit/s。CAN(controllerAr

23、eaNetwork)用于運動控制時，必須提供額外的存儲緩沖器及信號管理資源，其成本大約是 SERCOS 接口的 2 倍，另一個特點是它的光纖噪聲抑制能力強、傳輸可靠性高。雖然SERCOS 接口初終是為 CNC 與數(shù)字伺服接口而開發(fā)，迄今已被廣泛應(yīng)用于通用運動控制器與數(shù)字伺服之間的接口。目前已能滿足在2ms 內(nèi)，使一臺控制器與多達 32 個伺服系統(tǒng)實現(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，在不遠的將來，帶有SERCOS 接口的伺服系統(tǒng)將會進入家庭、辦公室、工廠車間乃至各個與伺服應(yīng)用相關(guān)的領(lǐng)域。力士樂Indramat 公司在 1999 年之所以占據(jù)北美伺服驅(qū)動市場

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，另一個主要因素是承諾開放結(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)達國家相繼推出直線電機、高速主軸電機，而且付諸實用。對于直線電機而言，其控制技術(shù)與傳統(tǒng)的交流伺服電機 相差不多，但由于直線電機本身沒有轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動體，因而本身慣量小，所以具有高動態(tài)響應(yīng)性，而檢測元件直接安裝于機械一側(cè)，從而檢測工作臺的位移，也避免了旋轉(zhuǎn)電機在方向改變時所存在的換向間隙，滿足了高速、高精密加工對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求

25、。從 IMTS2000 展覽會來看，一些工業(yè)發(fā)達國家在高速加工技術(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 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 我國在 20 世紀 80 年代初期通過引進、消化、吸收國外先進技術(shù)，又在國家“七五”、

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

27、年開發(fā)成功 PDC系列直流伺服系統(tǒng)，扭矩從 1Nm 至 44.1Nm 共有七個規(guī)格的寬調(diào)速直流伺服電機，采用國際上最新一代的功率器件 IPM、PWM 控制，調(diào)制頻率達到 15kHz，有效地克服了以往 SCR 控制時電流斷續(xù)所產(chǎn)生的換向火花對于換向器的燒蝕，可使碳刷壽命延長 1 倍以上。1997 年底該公司又開發(fā)成功 PAC 系列交流伺服系統(tǒng)，與蘭州電機廠引進德國 Siemens 公司 1FT5 系列的 94 個規(guī)格的無刷交流伺服電機相配套。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)市場需求，開發(fā)出 PAC-P 系列數(shù)字化位置型交流伺服系統(tǒng)。這些產(chǎn)品推向市場后，取得了很好的社會效益及經(jīng)濟效益，得到北京第一機床廠、清華大學(xué)精密儀器廠、青海第一機床廠等廠家認可，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)合材料成型機械、汽車子午胎一段、二段成型及裁斷機械、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 臺應(yīng)用于國內(nèi)各大汽車子午胎生產(chǎn)線，每日24h 連續(xù)運行。除在國內(nèi)應(yīng)用

29、外，從 1997 年開始，該公司部分產(chǎn)品由北京第一機床廠配套出口到德國、加拿大、澳大利亞等國家。從1994 年至今售出將近 1000 臺套交/直流伺服系統(tǒng)，幾年來無一臺返修，根據(jù)該公司記錄數(shù)字來看，只有8 臺均由于用戶接線錯誤而導(dǎo)致保險電阻、電源回路及接口元器件燒壞。使用中寶倫產(chǎn)品的用戶改變了對于國產(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實施國家科技項目攻關(guān)，已能夠向各機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、直線伺服移動機構(gòu)整體方案設(shè)計2.1整體設(shè)計方案分析數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構(gòu)及傳動方案的確定，伺服電機類型及調(diào)速方案確定，計算機控制系統(tǒng)的選擇。進行方案的分析、比較和論證。主要按照以下四個方面進行設(shè)計和計算：（1）系統(tǒng)運動方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺沿坐標(biāo)軸的運動有精確的運動關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。（2）伺服系統(tǒng)的選擇開環(huán)伺服系統(tǒng)在負載不大時多采用功率步進電機作為伺服電機.開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應(yīng)用?？紤]到運動精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用

31、步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。（3）計算機系統(tǒng)的選擇采用 MCS-51 系列中的 8031 單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51 單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O 接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實現(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）機構(gòu)的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。

32、考慮電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準選取，為達到分辨率的要求，以及考慮步進電機負載匹配，采用齒輪減速傳動。 2.1.12.1.1 機械方案設(shè)計機械方案設(shè)計 機械部分設(shè)計內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運動部件慣性的計算，選擇步進電機，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。設(shè)計中采用步進電機直接驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)工作臺的水平移動，因其無位置反饋，其精度主要取決于驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度，精度不高。一般以功率步進電機作為伺服驅(qū)動元件。導(dǎo)軌采用的是滾動直線導(dǎo)軌,其最大優(yōu)點是摩擦系數(shù)小,動、靜摩擦系數(shù)差很小，因此,運動輕便靈活,運動所需功率小,摩擦發(fā)熱少，磨損小，精度保持性好,低

33、速運動平穩(wěn)性好,移動精度和定位精度高的優(yōu)點- 6 -圖 2.1 單軸直線伺服移動機構(gòu)簡圖2.1.2 控制方案設(shè)計在控制系統(tǒng)部分采用 MCS-51 系列單片機來完成此控制系統(tǒng)的設(shè)計,完成控制系統(tǒng)原理圖等.主要包括鍵盤,LED 顯示,電動機的啟動、停止、單進控制、聯(lián)動控制等的控制.同時還要有一些自動錯誤處理功能.如限位控制,驅(qū)動出錯處理,這就需要在程序設(shè)計時提供相應(yīng)的中斷處理程序。設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：（1） 接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制 LED 顯示（2） 接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；（3） 接受車床限位開關(guān)信號；（4） 接受電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；（5） 控制主軸的正轉(zhuǎn)

34、，反轉(zhuǎn)與停止；（6） 控制多速電動機，實現(xiàn)主軸有級變速；（7） 控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速；（8） 控制切削液泵啟動/停止；（9） 控制電動卡盤的夾緊與松開；（10）控制電動刀架的自動選刀 - 7 -2.2機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計進給傳動系統(tǒng)示意圖如圖所示：圖 2.2 進給傳動系統(tǒng)示意圖2.32.3主要設(shè)計參數(shù)及其依據(jù)主要設(shè)計參數(shù)及其依據(jù)表 2.1 設(shè)計參數(shù)及依據(jù)負載F1(N)F2(N)工進速度（m/min） 快進速度（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 單軸直線伺服移動機構(gòu)機械系統(tǒng)設(shè)計3.1滾珠絲杠的選擇、計算及驗算滾珠絲杠的選擇、計算及驗算 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)傳動關(guān)系圖及傳動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)速計算：滾珠絲桿副的載荷及轉(zhuǎn)速計算：1）托板尺寸：長寬高=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）工作臺運動部分總重：211100400711GN=+=6）最小載荷

36、 Fmin選機器空載時滾珠絲桿副的傳動力。由滾動導(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:按工進時間占總時間的 90%，快進時間占總時間的 10%計算：確定當(dāng)量載荷：Fm=1167N322112223113m1ntnFtnttnFm確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速：min/r28n2211mtntn預(yù)期額定動載荷按預(yù)期工作時間計算：使用壽命 24000hLh=滾珠絲杠副壽命（）6060/10mhLn L=610 r最大

37、動載荷：30QwHmFL f f F=N55160.005711)(25001 . 1*5000G)f(F2KF1Fmax - 9 -查機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書以下簡稱指導(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，按最大負載計算maxF查機電一體化系統(tǒng)設(shè)計及實踐表 3-25 以下簡稱實踐重載荷取 =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：選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，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，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，就需要對其負載能力進行必要的校核，如果是根據(jù)承載能力選出的則應(yīng)對壓桿穩(wěn)定及其剛度進行必要的校核。下面進行滾珠絲桿副臨界壓縮載荷 Fc的核算（即驗算壓桿穩(wěn)定性）max521422110fLdkkFcc（其中： f=21.9 ）311k42k730. 4NFFFNFC551610157. 1108003 .27431max5524摩總所以驗證穩(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(避免高速運轉(zhuǎn)

40、時產(chǎn)生共振避免高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生共振)322222210260cccLdfAEILkn max372min/103.01010800.3279 .21nr驗算合格. - 11 -3.1.5 Dn值的驗證值的驗證 7000069402007 .34.maxnDDnpw經(jīng)驗證合格3.1.6 基本軸向額定靜載荷基本軸向額定靜載荷 Cu的驗算的驗算 )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，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，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，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，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，故高速時應(yīng)優(yōu)先考慮選用球軸承。徑向載荷小時，選用深溝球軸承:徑向載荷大時，選用圓柱滾子軸承。對聯(lián)合載荷，載荷小時，選用角接觸球軸承；載荷大時，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，外徑越小，滾動體越輕越小，運轉(zhuǎn)時滾動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，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)對軸承轉(zhuǎn)速影響很大。實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算其極限轉(zhuǎn)速。3.3. 軸向游動性能 一般機械工作時，因機械摩擦或工作介質(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，應(yīng)使其軸有鈾向游動的可能性。因此，常在軸的某一端選用一內(nèi)圈或一外圈無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，以及多支點軸，均要求軸承調(diào)心性好，這時應(yīng)選用調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子 軸承。5.5. 允許的空間 在機械設(shè)計中，一般都是先確定軸的尺寸，然后根據(jù)軸的尺寸來確定軸承的尺寸。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 對于軸承使用壽命一般都難以等同主機使用壽命，在實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)要求初步選定滾動角接觸球軸承 B 型背對背安裝，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)量動載荷：N4893F7.50F35. 0fP1a1rp1）（3.41F/F2d2r徑向當(dāng)量動載荷：P1=4893N求軸承具有的基本額定動載荷： - 13 -NLh1677810n60PC36m1根據(jù)所選滾珠絲杠副及軸承壽命要求選擇 滾動軸承 7305 B GB/T292NNCr1677826200 所選軸承滿足設(shè)計要求。 圖 3.3 滾珠絲杠副參數(shù)- 14 -3.23.2步進電機的選擇、計算及驗算步進電機的選擇、計算及驗算圖 3.4 步進電機1）作用在滾珠絲桿副上各種轉(zhuǎn)矩計算外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩 TF（N.m）空載時:mN

46、mFPThF.0071. 0.N9 . 014. 3201. 0420外加徑向載荷時的摩擦力矩: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）負荷轉(zhuǎn)動慣量 JL（Kg.m2）及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量 J（Kg.m）的計算：滾動絲桿的轉(zhuǎn)動慣量：2443.105 . 62572. 0033. 0108 . 7mkgJs移動平臺轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)動慣量；Jb=(Ph/2)2m=0.63*10-4kg.m-33）空載時最大加速轉(zhuǎn)矩 Tam根據(jù)

47、負載情況初選南京南數(shù)數(shù)控設(shè)備有限公司步進電機 130BYG3503 為三相混合式，采 - 15 -用單-雙 6 拍驅(qū)動時步距角為，查其參數(shù)得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量:=30kg. 00.6 2取脈沖當(dāng)量 d=0.01mm/脈沖，則加到電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：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)快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 Teq1Teq1= Tam1+Tf0+T0=1.021N.m5) 快速負

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

49、)取工作情況系數(shù)1.5AK =計算轉(zhuǎn)矩= = 1.5 10.1 = 15.15.根據(jù)所選電機輸出軸、絲杠大小及計算轉(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 單軸直線伺服移動機構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計單軸直線伺服移動機構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計4.14.1 單片機單片機簡介簡介 單片機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 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、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)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。從上世紀 80 年代，由當(dāng)時的 4 位、8 為單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的 32 位 300M 的高速單片機。4.1.14.1.1 單片機的發(fā)展歷史及趨勢單片機的發(fā)展歷史及趨勢 單片機誕生于 1971 年，經(jīng)歷了 SCM、MCU、SoC 三大階段，早期的 SCM 單片機都是 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，開始出現(xiàn)了16 位單片機，但因為性價比不理想并

51、未得到很廣泛的應(yīng)用。 90 年代后隨著 消費電子產(chǎn)品 大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大提高。隨著 INTEL i960 系列特別是后來的 ARM 系列的廣泛應(yīng)用， 32 位單片機迅速取代 16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。 而傳統(tǒng)的 8 位單片機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 單片機主頻已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90 年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1 美元，最高端的型號也只有 10 美元。 當(dāng)代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(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上。而在作為掌上電

52、腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的 Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)。單片機廣泛應(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程控制等領(lǐng)域。4.1.24.1.2 單片機的優(yōu)點單片機的優(yōu)點1、主流單片機包括 CPU、4KB 容量的 ROM、128 B 容量的 RAM、 2 個 16 位定時計數(shù)器、4 個 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)簡單，使用方便，實現(xiàn)模塊化； 3、單片機可靠性高，可工作到 106 107 小時無故障； - 20 -4、處理功能強，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 7、環(huán)境適應(yīng)能力強。 圖 4.1 單片機芯片4.1.34.1.3 單片機的應(yīng)用發(fā)展方向單片機的應(yīng)用發(fā)展方向 目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(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、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機械了。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師

54、。 單片機廣泛應(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程控制等領(lǐng)域4.24.2 控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計采用開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見圖如下：電機電機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件A相、相、B相相C相、相、f、n脈沖頻率脈沖頻率f脈沖個數(shù)脈沖個數(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、存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。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是集中，端口及部分等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計選用芯片作為主控芯片。4.2.2 存儲器擴展電路設(shè)計存儲器擴展電路設(shè)計1）程序存儲器的擴展單片機應(yīng)用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用芯片。其型號有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時要考慮與時序的匹配。所能讀取的時間必須大于所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度

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

57、多個外圍芯片。因此，這里使用譯碼法來進行編址。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 根輸出線分別對應(yīng) 8 個 8K 字節(jié)的地址空間。4）擴展電路設(shè)計(a).通用可編程接口芯片單片機共有個位并行接口，但供用戶使用的只有1 口及部分3 口線。因此要進行口的擴展。與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。4.2.3 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計步進電機驅(qū)動電路設(shè)計1）脈沖分配器步進電機的控制方式由脈沖分配器實現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令

58、脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各相繞組，實現(xiàn)電機正反轉(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)計采用集成脈沖分配器YB013。2）光電隔離電路在步進待年紀驅(qū)動電路中，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，還遠不能滿足步進電機的要求，不許將它放大，以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動步進電機正常運轉(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)計其它輔助電路設(shè)計）的時鐘電路單片機的時鐘可由內(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、引腳上外接定時元件。如下圖所示圖 4.5 時鐘電路）復(fù)位電路單片機的復(fù)位電路都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要在引腳上出現(xiàn) 10ms 以上高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機便從 0000單元開始執(zhí)行程序- 24 - 圖 4.6 復(fù)位電路表 4.1 芯片列表 序號名稱型號數(shù)量1CPUMCS-803112數(shù)據(jù)存儲器626413程序存儲器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 2

60、號圖紙 - 25 - 26 -結(jié) 論在本設(shè)計中采用步進電機直接驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)工作臺的水平移動，因其無位置反饋，其精度主要取決于驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度，精度不高。一般以功率步進電機作為伺服驅(qū)動元件。但是其有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，但是因其無減速裝置，多用在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合。同時由傳動比公式易知可以通過增大傳動比 i 來提高定位精度，但是因本設(shè)計采用的是步進電機直接驅(qū)動滾珠絲杠，所以定位精度是由步距角 來確定的。而這就要求步進電動機有較小的步距角，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)計中所選的是滾動直線

61、導(dǎo)軌因其具有摩擦系數(shù)?。?.00250.005)，動、靜摩擦力相差甚微；運動輕便靈活，所需功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好，低速運動平穩(wěn)，移動精度和定位精度都較高的優(yōu)點，所以其可以消除在低速度移動時的爬行現(xiàn)象。但是其滾動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，抗震性差。設(shè)計中傳動部件用的是滾珠絲杠螺母機構(gòu)，其具有摩擦損失小，傳動效率高，可達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，但是同時也有不能自鎖，運動有可逆性，即旋轉(zhuǎn)運動直線運動；直線運動旋轉(zhuǎn)運動等缺點。雖然滾珠絲杠螺母副傳動效率很高，但不能自鎖，用在垂直傳動或水平放置的高速大慣量傳動中，必須裝有制動裝置。滾珠

62、絲杠必須采用潤滑油或鋰基油脂進行潤滑，同時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)計采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，但是其精度較低。在步進電機驅(qū)動和控制方面，設(shè)計中采用的是專用的與步進電機相匹配的驅(qū)動控制器。完全可以實現(xiàn)控制的要求。 綜上所述，雖然設(shè)計中存在一些缺點，但是這些都不會影響控制的精度，并且都可以達到設(shè)計任務(wù)中的要求，所以上述設(shè)計是滿足

63、設(shè)計要求的，完全可以實現(xiàn)對工作臺控制。 - 27 -致致 謝謝經(jīng)過為期幾個月的學(xué)習(xí)和設(shè)計，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)計是我在大學(xué)里的最后一門課程。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我學(xué)會了如何查閱現(xiàn)有的技術(shù)資料、如何舉一反三、如何通過改進并加入自己的想法與觀點，使之成為自己的東西。并且結(jié)合生產(chǎn)知識，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際以及分析和解決工程實際問題的才能，并使大學(xué)三年所學(xué)的知識得到進一步鞏固、深化和擴展。機電一體化的機械系統(tǒng)要求精度高、運動平穩(wěn)、工作可靠，這不僅是靜態(tài)設(shè)計所能解決的問題，還需對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行分析，調(diào)節(jié)相關(guān)的機械性能參數(shù)，達到優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的。在設(shè)計過后對其體會頗深，

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)準件要選取慣量盡量小的；在條件允許的情況下對已有設(shè)計做局部調(diào)整；對系統(tǒng)影響最大的是滾珠絲杠副、聯(lián)軸器、電機，對其選擇要綜合考慮主要考慮減小慣量。機電一體化設(shè)計是訓(xùn)練我們學(xué)習(xí)能力，以及對我們專業(yè)素質(zhì)的一次充分的檢驗，設(shè)計中既按部就班的計算又有一般性的推導(dǎo)和分析選擇的過程，它為我們即將進行的畢業(yè)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，提供了方法。我相信有了今天的踏實勤奮才會有今后的發(fā)展成就。在此特別感謝指導(dǎo)老師谷艷豐在課設(shè)期間對我們孜孜不倦的教導(dǎo)和啟發(fā)，讓我們發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，讓我們更仔細，考慮問題更全面，對一些問題有了全新的認識，再次感謝老師的幫助！- 28 -參考文

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

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