機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 目 錄1. 引言 1 1.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成1 1.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分類1 1.2.1 根據(jù)進(jìn)給伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)方式的不同分類 1 1.2.2 按使用的驅(qū)動(dòng)元件分類 2 1.2.3 按進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)分類 2 1.3 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求2 1.3.1 工作精度 3 1.3.2 調(diào)速性能 3 1.3.3 負(fù)載能力 3 1.3.4 響應(yīng)速度 3 1.3.5.穩(wěn)定性 3 1.4 常用的伺服電動(dòng)機(jī)42. 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 4 2.1 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及切削力的確定4 2.2 滾珠絲杠螺母副設(shè)計(jì)、計(jì)算和造型5 2.2.1計(jì)算進(jìn)給牽引力fm (n)5 2.2.2計(jì)算最大動(dòng)負(fù)

2、載 c 5 2.2.3滾珠絲杠螺母副的選型 6 2.2.4傳動(dòng)效率計(jì)算 6 2.2.5剛度驗(yàn)算 6 2.2.6 穩(wěn)定性校核 72.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 8 2.3.1 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算8 2.3.2 齒輪齒數(shù)及技術(shù)參數(shù) 83. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其選擇 9 3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)9 3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類9 3.2.1 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 9 3.2.2 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 9 3.2.3 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 9 3.3 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)10 3.3.1 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩tm 10 3.3.2 估算步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩tq 10 3.3.3 計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩tjmax 10 3.3.4 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行

3、頻率和最高啟動(dòng)頻率10 3.3.5 初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào) 11 3.4 校核步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩11 3.4.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 11 3.4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 124. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng) 11 4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制 11 4.1.1 繪制系統(tǒng)電器控制的結(jié)構(gòu)框圖 14 4.1.2 選擇中央處理器的類型 14 4.1.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 15 4.1.4 i/o口接口電路設(shè)計(jì) 15 4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配 15 4.2.1 8031單片機(jī)的基本特性 15 4.2.2 8031芯片引腳及其功能 15 4.2.3 8031芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及地址分配 17 4.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電

4、源的選擇 19 4.3.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 19 4.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 21 4.3.3譯碼電路設(shè)計(jì) 21 4.4 i/o接口電路及輔助電路設(shè)計(jì)22 4.4.1 8255可編程接口芯片22 4.4.2鍵盤顯示接口電路22 4.5微機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖22 4.5.1 控制系統(tǒng)的功能 23 4.5.2 cpu、存儲(chǔ)器及i/o接口235 . 結(jié)論 24 致謝 24 參考文獻(xiàn) 24 2009級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要：本文對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了一種新的改造設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容有：在機(jī)械部分設(shè)計(jì)中，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及

5、切削力，滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選型和進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)部件的計(jì)算；對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行初選并校核其轉(zhuǎn)矩；進(jìn)行了數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行表明：改造設(shè)計(jì)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)不僅有足夠高的精度，調(diào)速性能并具有較好的負(fù)載能力，響應(yīng)速度及穩(wěn)定性，能夠加工出較高精度的零件，滿足現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的需要，具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動(dòng) 脈沖當(dāng)量 數(shù)控系統(tǒng) 響應(yīng)速度 1 引言機(jī)電一體化設(shè)備的進(jìn)給伺服系統(tǒng)，大多是以運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度作為控制量。對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是，接受插補(bǔ)裝置生成的進(jìn)給脈沖指令，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及功率放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件（伺服電動(dòng)機(jī)，包括交、直流伺服電

6、動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等），從而，控制機(jī)床工作臺(tái)或者切削刀具的運(yùn)動(dòng)。1.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成 進(jìn)給伺服系統(tǒng)一般包括控制模塊、速度控制模塊、伺服電動(dòng)機(jī)、被控對(duì)象、速度檢測(cè)裝置，以及位置檢測(cè)裝置等。1.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分類1.2.1 根據(jù)進(jìn)給伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)方式的不同分類 （1）開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng) 如圖1所示，這類系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件主要是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或電液脈沖馬達(dá)。系統(tǒng)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)元件將數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換成角度位移，轉(zhuǎn)過(guò)的角度正比于指令脈沖的個(gè)數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度取決于指令脈沖的頻率。系統(tǒng)中無(wú)位置反饋，也沒(méi)有位置檢測(cè)元件。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，穩(wěn)定性好，但精度較低，低速有振動(dòng)，高速轉(zhuǎn)矩小。一般用于輕載或負(fù)載

7、變化不大的場(chǎng)合，比如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。 圖1 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 （2）閉環(huán)伺服系統(tǒng) 如圖2所示，這類系統(tǒng)是誤差控制伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)元件為交流或直流伺服電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶有速度反饋裝置，被控對(duì)象裝有位移測(cè)量元件。由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)是反饋控制，測(cè)量元件精度很高，所以系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的誤差、環(huán)內(nèi)各元件的誤差，以及運(yùn)動(dòng)中造成的隨機(jī)誤差都可以得到補(bǔ)償，大大提高了跟隨精度和定位精度。 圖2 閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 （3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 如圖3所示，這類系統(tǒng)的位置檢測(cè)元件不是直接安裝在進(jìn)給系統(tǒng)的最終運(yùn)動(dòng)部件上，而是經(jīng)過(guò)中間機(jī)械傳動(dòng)部件的的位置轉(zhuǎn)換，稱為間接測(cè)量。半閉環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件既可以采用交流或直流伺服電動(dòng)機(jī)，也可以采

8、用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。該類系統(tǒng)的傳動(dòng)鏈有一部分處在位置環(huán)以外，環(huán)外的位置誤差不能得到系統(tǒng)的補(bǔ)償，因而半閉環(huán)系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)，但調(diào)試比閉環(huán)系統(tǒng)方便，所以仍有廣泛應(yīng)用。 圖3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1.2.2 按使用的驅(qū)動(dòng)元件分類 （1）步進(jìn)伺服系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)元件為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。常用于開(kāi)環(huán)/閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)，控制簡(jiǎn)單，性能/價(jià)格比高，維修方便。缺點(diǎn)是低速時(shí)有振動(dòng)，高速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩小，控制精度偏低。 （2）直流伺服系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)元件為小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)或永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)。小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)最大限度地減低了電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以能獲得較好的快速性；永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)能在較大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下長(zhǎng)時(shí)間工作，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣

9、量大，可與絲杠直接相聯(lián)。伺服電動(dòng)機(jī)能在較大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下長(zhǎng)時(shí)間工作，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量大，可與絲杠直接相聯(lián)。 （3）交流伺服系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)元件為交流異步伺服電動(dòng)機(jī)或交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)?？梢詫?shí)現(xiàn)位置、速度、轉(zhuǎn)矩和加速度等的控制。1.2.3 按進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)分類 （1）進(jìn)給伺服系統(tǒng) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是指一般概念的伺服系統(tǒng)，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)完成各坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，具有定位和輪廓跟蹤的功能，是機(jī)電一體化設(shè)備中要求較高的伺服控制系統(tǒng)。 （2）主軸伺服系統(tǒng) 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，一般的主軸控制只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提供切削過(guò)程所需要的轉(zhuǎn)矩和功率，并且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，完

10、成在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)變速。在數(shù)控機(jī)床中，具有c軸控制的主軸與進(jìn)給伺服系統(tǒng)一樣，為一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。1.3 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求機(jī)電一體化設(shè)備對(duì)其進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要有以下基本要求：1.3.1 工作精度為了保證加工出高精度的零件，伺服系統(tǒng)必須具有足夠高的精度，包括定位精度和零件綜合加工精度。定位精度是指工作臺(tái)由某點(diǎn)移至另一點(diǎn)時(shí)，指令值與實(shí)際移動(dòng)距離的最大誤碼率差值。綜合加工精度是指最后加工出來(lái)的工件尺寸與所要求尺寸之間的誤差值。在數(shù)控機(jī)床上，數(shù)控裝置的精度可以做得很高（比如選取很小的脈沖當(dāng)量），完全可以滿足機(jī)床的精度要求。此時(shí)，機(jī)床本身的精度，尤其是伺服傳動(dòng)鏈和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度就成了

11、影響機(jī)床工作精度的主要因素。現(xiàn)代數(shù)控車床的位移精度一般為0.010.001mm，在速度控制中，則要求有高的調(diào)速精度、強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)的能力。1.3.2 調(diào)速性能調(diào)速范圍是指最高進(jìn)給速度和最低進(jìn)給速度之比。伺服系統(tǒng)在承擔(dān)全部工作負(fù)載的條件下，應(yīng)具有寬的調(diào)速范圍，以適應(yīng)各種工況的需要。目前數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給 速度范圍是：脈沖當(dāng)量為1um時(shí)，進(jìn)給速度在0240m/min時(shí)連續(xù)可調(diào)。以一般數(shù)控機(jī)床為例，要求進(jìn)給控制系統(tǒng)在024m/min的進(jìn)給速度下都能正常工作。在124000mm/min時(shí)，即1：24000的調(diào)速范圍內(nèi)，要求速度均勻、穩(wěn)定、無(wú)爬行、速度降低。在1mm/min以下時(shí)具有一定的瞬時(shí)速度。在零速時(shí)

12、，即工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)有電磁轉(zhuǎn)矩，以維持定位精度，使定位誤差不超過(guò)系統(tǒng)定位誤差允許范圍，也就是說(shuō)伺服處于鎖住狀態(tài)。1.3.3 負(fù)載能力在足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍內(nèi)，承擔(dān)全部工作負(fù)載，這是對(duì)伺服系統(tǒng)的又一個(gè)要求。對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，工作負(fù)載主要有三個(gè)方面：加工條件下工作進(jìn)給必須克服的切削負(fù)載；執(zhí)行件運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服的摩擦負(fù)載；加速過(guò)程中需要克服的慣性負(fù)載。需要注意的是，這些負(fù)載在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)和工作過(guò)程中并不是恒定不變的，伺服系統(tǒng)必須適應(yīng)外加負(fù)載的變化。 1.3.4 響應(yīng)速度一方面，在伺服系統(tǒng)牌頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，要求加、減速時(shí)間盡量短（一般電

13、動(dòng)機(jī)由零件升到最高速，或從最高速降到零速，時(shí)間應(yīng)控制在幾百毫秒以內(nèi)，甚至少于幾十毫秒）；另一方面，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，過(guò)渡過(guò)程恢復(fù)時(shí)間也要短而且無(wú)振蕩，這樣才能獲得光滑的加工表面。1.3.5.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是伺服系統(tǒng)能否正常工作的前提，特別是在低速進(jìn)給情況下不產(chǎn)生爬行，并能適應(yīng)外加負(fù)載的變化而不發(fā)生共振。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、陰尼，以及增益等都有關(guān)系。適當(dāng)選擇各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到最佳的工作性能，是伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。1.4 常用的伺服電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī)是指能夠精確地控制轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的一類電動(dòng)機(jī)，它在機(jī)電一體化進(jìn)給伺服系統(tǒng)中是執(zhí)行元件。常用的伺服電動(dòng)機(jī)分為四大類：直流伺服電動(dòng)機(jī)；交流伺服電動(dòng)機(jī)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；直

14、接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均采用位置閉環(huán)控制，一般用于要求精度高、速度快的伺服系統(tǒng)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于開(kāi)環(huán)控制，一般用于精度、速度要求不高，成本較低的伺服系統(tǒng)中。2. 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載，確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力矩機(jī)計(jì)算，確定伺服電動(dòng)機(jī)等?，F(xiàn)分述如下：2.1系統(tǒng)脈沖當(dāng)量及切削力的確定脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.010.005mm/脈沖,根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量,橫向:0.005mm/step 圖4 各切削

15、力圖示確定切削力主切削力按經(jīng)驗(yàn)公式估算: (1) 由=500,由求得fz =7491n；當(dāng)橫切端面時(shí)主切削力 = 可取縱切的1/2，得： 此時(shí)走刀抗力為吃刀抗力按比例粗略計(jì)算： ； ； ； 2.2 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。珠絲杠滾副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊，雙螺母螺紋式預(yù)緊，雙螺母齒差式預(yù)緊，單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過(guò)盈滾珠預(yù)緊等幾種。2.2.1計(jì)算進(jìn)給牽引力fm(n)作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切屑時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切屑分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的形式有關(guān)。橫向進(jìn)給為燕尾形

16、導(dǎo)軌 (2) 式中:k 考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù).燕尾形導(dǎo)軌取k=1.4 f 摩擦系數(shù):0.2 g 溜板及刀架重力,取80kg×9.8n/kg 求得：fm=1.4×936.4+0.2×(3745.5+2×1498.2+80×9.8)=2816n2.2.2計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 c選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)（106）轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載 c，計(jì)算如下： （3） （4） （5） 式中： lo 為滾珠絲杠導(dǎo)程,選絲杠名義直徑為25,查表,初選出

17、lo=5； vs 最大切削力下的進(jìn)給速度,可取最高進(jìn)給速度的1/21/3,此處為0.22m/min； t 使用壽命,按15000h； fw 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取1.21.5； l 壽命以轉(zhuǎn)106為1單位。 求得： n=(1000vs)/lo=(1000×0.22×0.5)/5=22.0r/min l=(60×n×t)/106=(60×22.0×15000)/106=19.8 表1 各運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)無(wú)沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)1.01.2一般運(yùn)轉(zhuǎn)1.21.5有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)1.52.52.2.3滾珠絲杠螺母副的選型采用w1l2506 外

18、循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈,其額定動(dòng)負(fù)載為13100n,精度等級(jí)選為3級(jí)(大致相當(dāng)于老表準(zhǔn)e級(jí))2.2.4傳動(dòng)效率計(jì)算 =tan/tan(+) (6)式中: 螺旋升角, w1l2506, =4°22 摩擦角取10滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.0030.004求得：=tan/tan(+) =tan4°22/tan(4°22+10)=0.9622.2.5剛度驗(yàn)算 最大牽引力為2816n, 支承間距為350mm ,因絲杠長(zhǎng)度較短不需欲緊.螺母及軸承欲緊.(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量1 由fm=2816 d0=25mm 1=l /l×l （7） l/l=

19、5.4×105，可算出： 1=l /l×l=3.4×10-5×350=1.89×10-2 mm(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形2 由q=14.5um因進(jìn)行了預(yù)緊，所以 2 =q/2 （8）求得2=1/2×14.5um=7.25 um采用8102推力球軸承，所以dq=4.763，z=12，d=15mm （9）求得：=0.012考慮到進(jìn)行了預(yù)緊, 故: 3=c /2 （10）求得3= 0.006mm 綜合以上幾項(xiàng)變形量之和: =1+2+3=0.0322 mm顯然此變量已大于定位精度要求,應(yīng)采取相應(yīng)的措施修改設(shè)計(jì).因橫向溜板空間限制,不宜再

20、加大滾珠絲杠直徑,故采用貼塑導(dǎo)軌減少牽引力.取f=0.04，代入式（2），重新計(jì)算如下： =1.4×936.4+0.04×(3745.5+2×1498.2+80×9.8)=1611.99n fm =1611.99n 時(shí) l/ l=1.5×105=（l/l）×1.5×105×350mm=0.0053mm由于采用貼塑導(dǎo)軌減少了最大牽引力fm ，幫需重新計(jì)算或查圖表確定2 ，3 ，所以： q=5.5 2 =q /2=1/2×5.5um=2.75 um 3=c /2=0.0041mm由式（9）：推力球軸承 則：

21、=1+2+3 （11） 求得=0.0122 mm要求定位精度為，±0.0075 ，則變形量滿足定位精度的要求。2.2.6 穩(wěn)定性校核 計(jì)算臨界負(fù)載fk(n)絲杠內(nèi)徑： d1=d0+2e-2r （12）求得d1=20.98 （13）式中：e 材料彈性模量，鋼為,20.6×106n/ i 截面慣性距（2）對(duì)于絲杠為（d1為絲杠內(nèi)徑）； l 絲杠兩支承端距離（cm）； 絲杠支承方式參數(shù)，為2.00。 因?yàn)?所以求得 （14） 求得： ， 所以此滾珠絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。2.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算2.3.1 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 (橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算) 橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量p=0.005

22、,滾珠絲杠導(dǎo)程lo=5,初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75°,可計(jì)算出傳動(dòng)比i， i= (360p) / (blo) （15） 求得i=(360×0.01)/(0.75×5)=0.48考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程。故此處可采用兩級(jí)齒輪降速： （16） 求得： 因橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大,模數(shù)m取2 。2.3.2 齒輪齒數(shù)及技術(shù)參數(shù) 計(jì)算出傳動(dòng)比i后,降速級(jí)數(shù)決定采用兩對(duì)齒輪降速,因?yàn)闄M向進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大,一般取=12,數(shù)控車床、銑床取=2,此作業(yè)中取=2。 為了消除齒輪側(cè)隙，此作業(yè)中采用雙片齒輪。 3. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其選擇3

23、.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也叫脈沖電動(dòng)機(jī)，它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移（或線位移）的執(zhí)行元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出的角位移（或線位移）與輸入的脈沖個(gè)數(shù)成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步。因此，只要控制輸入脈沖，的數(shù)量、頻率和電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。當(dāng)無(wú)脈沖輸入時(shí)，在繞組電流的激勵(lì)下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以鎖相。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低廉。它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于、起停、正反轉(zhuǎn)和無(wú)級(jí)變速也容易實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：低頻時(shí)有振蕩、不夠均勻，在高速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩小。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為中、小功率的伺服電動(dòng)機(jī)，目前在機(jī)電一體化傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。3

24、.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，按其運(yùn)動(dòng)的方式可分為旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；按其輸出轉(zhuǎn)矩的大小可分為快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（小轉(zhuǎn)矩）和功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（低轉(zhuǎn)矩）；按其勵(lì)磁繞組的相數(shù)可分為兩相、三相、四相、五相和六相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；按其工作原理可分為反應(yīng)式（磁阻式）、永磁式和混合式（永磁感應(yīng)式）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。3.2.1 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式（磁阻式）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子不含永久磁鐵，定子上繞有一定數(shù)量的繞組線圈，線圈輪流通電時(shí)，但產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。繞組線圈一旦斷電，磁場(chǎng)即消失，所以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)掉電后不自鎖。此類電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料成本低、驅(qū)動(dòng)容易，定子和

25、轉(zhuǎn)子加工方便，步距角可以做得較小，但動(dòng)態(tài)性能差一些，容易出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)溫升較高。3.2.2 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由永久磁鋼制成，定子上的繞組線圈在換相通電時(shí)，不需要太大的電流，繞組斷電時(shí)具有自鎖能力。這種電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動(dòng)電流小、電動(dòng)機(jī)不易發(fā)熱，但制造成本較高。由于轉(zhuǎn)子受磁鋼加工的限制，因而步距角較大，與之配套的驅(qū)動(dòng)電源一般要求具有細(xì)分功能。3.2.3 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 混合式（永磁感應(yīng)式）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鋼，可以說(shuō)是永磁型，但是從定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來(lái)看，又和反應(yīng)式相似，所以是永磁式和反應(yīng)式相結(jié)合的一種形式，故稱為混合式。 該類電

26、動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、步距角小、驅(qū)動(dòng)電源電流小、功耗低，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)較高。因?yàn)榛旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能/價(jià)格比較高，所以目前得到了廣泛的應(yīng)用。3.3初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3.3.1計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩tm tm=(360pfm)/(2b) (17)式中: p 脈沖當(dāng)量 (mm/step) ； fm 進(jìn)給牽引力 (n) ； b 步距角,初選雙拍制為0.75°； 電機(jī)-絲杠的傳動(dòng)效率為齒輪,軸承,絲杠效率之積，分別為0.98, 0.98,0.99,0.99;0.94。求得tm=(360×0.005×2816)/(2×3.14×0.75&

27、#215;0.98×0.98×0.99×0.99×0.94)n·mm =121.63n·cm。3.3.2 估算步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩tq tq=tm/(0.40.5) =121.63/0.4ncm=304.1n·cm3.3.3 計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩tjmax =tq/tjmax （18） 表2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)部分參數(shù) 步 進(jìn)電 機(jī)相數(shù)三相四相五相六相拍數(shù)3648510612=tq/tjmax0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866查表（2），如取五相10拍,由式（18）則 tjmax= tq / 0.95

28、1= 304.1 / 0.951n·cm = 319.8n·cm3.3.4 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率和最高啟動(dòng)頻率 （19） 式中： 最大切削進(jìn)給速度（m/min）； 最大快移速度（m/min）； 脈沖當(dāng)量。 求得： 3.3.5初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩tjmax可得出110bf003最大靜轉(zhuǎn)矩為784n·cm>tjmax可以滿足要求。考慮到此經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床有可能使用較大的切削用量，應(yīng)該選稍大轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)以留有一定的余量。另一方面,與國(guó)內(nèi)同類型機(jī)床進(jìn)行類比,決定采用130bf001步進(jìn)電機(jī)。3.4校核步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 前面所述初選步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算,

29、均為估算;初選之后應(yīng)該進(jìn)行校核計(jì)算.3.4.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 圖5 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 （1）根據(jù)圖5，經(jīng)二對(duì)齒輪降速時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j可由下式計(jì)算: j=j1+(z1/z2)2 (j2+j3)+ g(lo/2)2/g （20）式中 j1,j2, j3, j4齒輪z1,z2, z3, z4的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg·cm2) js 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg·cm2) l0 絲杠導(dǎo)程 g 工件及工作臺(tái)重量 求得： j1=0.78×10-3×d14·l1=(0.78×10-3×4.84×2)kg&

30、#183;cm2=0.83kg·cm2 j2=0.78×10-3×d24·l2=(0.78×10-3×8.04×2)kg·cm2=6.39kg·cm2 j3=0.78×10-3×d34·l2=(0.78×10-3×4.04×2)kg·cm2=0.40kg·cm2 j4=0.78×10-3×d44·l2=(0.78×10-3×5.04×2)kg·cm2=0.9

31、8kg·cm2 js=(0.78×10-3×2.54×35)kg·cm2=1.066kg·cm2g=784n（2）齒輪慣量計(jì)算：對(duì)于鋼材： j=0.78d4l×10-3 （21）鋼材的密度為7.8×10-3kg/ cm3式中 d圓柱體直徑(cm); l 圓柱體長(zhǎng)度 (cm); 剛材的密度為7.8×10-3kg/ cm3代入（20）式:，求得 j=j1+(z1/z2)2 (j2+j3)+ g(lo/2)2/g =3.93kg·cm2 j電機(jī)=n×j （22） n為(14)，本作業(yè)此處n取

32、1.5；電機(jī)慣量: j電機(jī)=1.5×j=1.5×3.93=5.895kg·cm2總慣量: j=j電機(jī)+j=5.895+3.93=9.825kg·cm23.4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計(jì)算:（1） 快速空載起動(dòng)慣性矩 t慣=j=j×(2nmax×10-2) / (60×t a) （23） nmax=(max/p)×(b/360) （24） 式（24）代入數(shù)據(jù)，求得nmax =(1200/0.005)×(0.75/360)=500r/min起動(dòng)加速時(shí)間ta=150ms 式（2

33、3）代入婁數(shù)據(jù)求得， t慣=j×(2nmax×10-2)/(60×ta) =88.8×(2×500×10-2)/(60×0.15)n·cm=30.12n·cm（2） 快速空載起動(dòng) t負(fù)1=tf+to+t慣 （25）折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩tf， tf = folo/2i （26） 由式（26）得 ， tf =f(fy+g)×lo/2(z2/z1) ×(z4/z3) （27） 求得：tf=0.04×(3745.5+784)×0.5/2×0.8×2.

34、08n·cm =8.66n·cm附加摩擦轉(zhuǎn)矩to to= fpolo(1 -o2) i / (2) = (1/3) fm×lo(1-o2) i /(2) （28） 求得： to =(1/3)×2816×0.5×(1-0.92)×0.48/(2×0.8)n·cm =8.52n·cm式中， 傳動(dòng)鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8； i 傳動(dòng)比； fpo 滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷,一般取1/3fm,fm為進(jìn)給牽引力(n)； o 滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,一般取0.9；由式（25）求得：t負(fù)1 =8

35、.66+8.52+30.12=47.29n·cm。（3） 快速移動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 t負(fù)2 ， t負(fù)2=t摩=tf+to （29）求得：t負(fù)2=8.66+8.52n·cm=17.18n·cm（4）最大(直線,勻速)切削負(fù)載時(shí)所需轉(zhuǎn)矩t負(fù)3 t切=(fzloi)/(2) （30） 求得： t切=(936.4×0.5×0.48)/(2×0.8)=44.732n·cm t負(fù)3=t切+t摩=44.732+17.18n·cm=61.912n·cm（5）加速切削 t負(fù)4=t切+t摩+t慣 （31） 求得t負(fù)4 =44.73

36、+17.18+30.12n·cm=92.03n·cm從上面計(jì)算可以看出t負(fù)1 ,t負(fù)2,t負(fù)3和t負(fù)4四種工況下,以加速切削所需轉(zhuǎn)矩最大,即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。 t電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩=(25)t負(fù)4 （32） 取2倍 則:t電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩=2×92.03n·cm=184.06n·cm。 110bf003型步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為784ncm,大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩,以滿足此項(xiàng)要求。（6）校核步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性由式（19）的計(jì)算得步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為 ；運(yùn)行頻率為 。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，能夠滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩47.29n.cm當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和

37、切削時(shí)完全可以滿足要求。4. 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容4.1.1 繪制系統(tǒng)電器控制的結(jié)構(gòu)框圖 數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。cpui/o接口ramrom 光隔離功率放大器步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)外設(shè) 鍵盤、顯示器及其他 圖6 系統(tǒng)電器控制的結(jié)構(gòu)框圖 機(jī)床硬件電路由以下五部分組成： (1)主控制器，即中央處理單元（cpu）； (2)總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線； (3)存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； (4)接口，即i/o輸入/輸出接口電路； (5)外圍設(shè)備，如

38、鍵盤、顯示器及光電輸入機(jī)等，見(jiàn)圖6。4.1.2 選擇中央處理器的類型在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，cpu的選擇應(yīng)考慮以下因素： （1）時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)，這個(gè)指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的度； （2）可擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量； （3）指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性； （4）i/o口擴(kuò)展的能力，即對(duì)外設(shè)控制的能力； （5）開(kāi)發(fā)手段，包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件電路。此外還要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合、控制對(duì)象對(duì)各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價(jià)格比等經(jīng)濟(jì)的要求。 目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，一般選用mcs51系列單片機(jī)作為主控制器。4.1.3 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)應(yīng)該包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。 在選擇程序存儲(chǔ)器芯片時(shí)，要考慮c

39、pu和eprom時(shí)序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲(chǔ)器的容量等問(wèn)題。 在存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計(jì)。4.1.4 i/o口接口電路設(shè)計(jì)應(yīng)包括接口芯片的選用，步進(jìn)電機(jī)控制電路、鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計(jì)。4.2 mcs51系列單片機(jī)的選用mcs51系列單片機(jī)主要有三種型號(hào)的產(chǎn)品：8031、8051和8751。三種型號(hào)的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8031片內(nèi)無(wú)rom，適用于需擴(kuò)展rom，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場(chǎng)合，其價(jià)格低，使用靈活，非常適合在我國(guó)使用。此次作業(yè)使用的是8031芯片。4.2.1 8031單片機(jī)的基本特性803

40、1單片機(jī)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1） 具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（cpu）；（2） 片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路（6mh或12mh）、每執(zhí)行一條指令時(shí)間為或；（3）片內(nèi)具有128字節(jié)的ram；（4）具有21個(gè)特殊寄存器。（5）可擴(kuò)展64k字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64k字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器；（6）具有4個(gè)i/o口，32根i/o線；（7）具有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；（8）具有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；（9）具有一個(gè)全雙功串行接口；（10）具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。 從上述特性可以看出這種8031芯片集成度高、功能強(qiáng)，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)系統(tǒng)。4.2.2 8031芯片引腳及其

41、功能8031芯片具有40根引腳，其引腳圖如7(b)。 圖7 管腳和引腳功能圖 40根引腳按其功能可以分為四類： （1）電源線 2根。vcc：編程和正常操作時(shí)的電源電壓，接+5v。vss：地電平。 （2）晶體振蕩器 2根。xtal1：振蕩器的反向放大器輸入。使用外部振蕩器時(shí)必須接地。xtal2：振蕩器的反向放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部震蕩信號(hào)。 （3）i/o口 共有p0、p1、p2、p3四個(gè)8位口，32根i/o線，其功能如下： (a) p0.0p0.7（ad0ad7） 是i/o端口0的引腳。端口0是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向i/o端口。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端口分

42、時(shí)地用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口（在此時(shí)內(nèi)部上拉電阻有效）。 (b) p1.0p1.7 端口1的引腳，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o通道，專供用戶使用。 (c) p2.0p2.7（a8a15）端口2的引腳。端口2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址a8a15。 (d) p3.0p3.7 端口3的引腳。端口3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，該口的每一位均可獨(dú)立地第一i/o口功能或第二i/o口功能。作為第一功能使用時(shí)，口的結(jié)構(gòu)與p1操作與口完全相同，第二功能如下所示：口引腳 第二功能p3.0 rxd (串行輸入口)p3.1 txd (

43、串行輸出口)p3.2 (外部中斷)p3.3 (外部中斷)p3.4 t0 (定時(shí)器0外部輸入)p3.5 t1 (定時(shí)器1外部輸入)p3.6 (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)p3.7 (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)由上看出，8031單片機(jī)不是將地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線分開(kāi)，而是地址線、數(shù)據(jù)線和部分控制均由i/o口完成。（4）控制線 （a）：程序存儲(chǔ)器的使能引腳，是外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，低電平有效。從外部程序存儲(chǔ)器取數(shù)時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)二次有效。 （b）/vpp：ea為高電平時(shí)，cpu執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。ea為低電平時(shí)，cpu僅執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令。因?yàn)?031芯片沒(méi)有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以ea必須接地。 （c）/prog：ale是地址鎖存器使能信號(hào)。作為地址鎖存允許時(shí)高電平有效。因?yàn)閜1端口是分時(shí)傳送數(shù)據(jù)和低8位地址。所以訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ale信號(hào)鎖存低8位地址。即使在不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，也以1/6振蕩頻