单轴直线伺服移动机构 毕业论文.doc

i 摘 要 本论文是机电一体化技术课程的拓展学习和设计，内容涉及单片机知识，旨在让自 己熟练掌握机电一体化系统设计过程和方法，包括参数的选择，传动的设计，零件的计 算，结构的计算，培养系统分析及设计的能力。综合应用过去所学的理论知识，提高联 系实际和综合分析的能力，进一步巩固，加深和拓宽所学的知识。训练和提高设计的基 本技能，如计算，绘图，运用设计资料，标准和规范，编写技术文件（说明书）等。机 电一体化技术是微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术相结合的综合性高新技 术，是机械技术与微电子技术的有机结合。伺服驱动是本设计的核心，伺服驱动技术作 为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术之一，在国内外普遍受到关注。 在 20 世纪最后 10 年间，微处理器(特别是数字信号处理器dsp)技术、电力电子技术、 网络技术、控制技术的发展为伺服驱动技术的进一步发展奠定了良好的基础。 本设计的主要内容包括两大部分。第一部分是机械系统的设计，包括步进电机的选 择，计算和验算。其中有脉冲当量的确定，空载转矩的计算，各传动部件等效转动惯量， 等效转矩的折算。包括滚珠丝杠的选择，计算和验算和滚动直线导轨的选择，计算和验 算。设计中采用步进电机直接驱动滚珠丝杠来实现工作台的水平移动，所选的滚动直线 导轨具有摩擦系数小（0.00250.005)，动、静摩擦力相差甚微，运动轻便灵活，所需功率 小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好，低速运动平稳，移动精度和定位精度都较高 的优点。以上所选均能满足设计要求。控制部分是采用 mcs51 系列单片机来完成此控制 系统的设计，完成控制系统原理图和主要程序的设计清单。 单轴伺服移动机构是机电一体化技术一个重要组成部分，它充分利用了单片机的软 硬件功能以实现对机构的控制，使机构的加工范围扩大,加工精度得到了提高。 关键词 机电一体化，伺服驱动，单轴直线运动 ii abstract in this paper, is the integration of mechanical and electrical technology curriculum development 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 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 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. the 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 processor - 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, including 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 and 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 difference 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 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 录 中文摘要.i abstract.ii 1 引言. 1 1.1 课题研究背景.1 1.2 课题研究意义. 1 1.3 伺服驱动现状及发展趋势.2 1.3.1 国外现状及发展趋势2 1.3.2 国内现状及发展趋势3 2 单轴直线伺服移动机构单轴整体方案设计.5 2.1 整体设计方案分析.5 2.1.1 机械方案分析5 2.1.1 控制方案分析6 2.2 机构的整体结构设计.7 2.3 主要设计参数及其依据.7 3 单轴直线伺服移动机构机械系统设计.8 3.1 滚珠丝杠的选择、计算及验算.8 3.1.1 确定滚珠丝杆副导程 ph.8 3.1.2 滚珠丝杆副的载荷及转速计算8 3.1.3 滚珠丝杆的校核10 3.1.4 滚珠丝杆副的极限转速的校核10 3.1.5 dn 值的验证11 3.1.6 基本轴向额定静载荷的验算11 3.1.7 轴承选择11 3.2 步进电机的选择、计算及验算.14 3.3 滚动直线导轨的选择、计算及验算.16 4 单轴直线伺服移动机构控制系统设计. 19 4.1 单片机简介.19 4.1.1 单片机的发展历史及趋势.19 4.1.2 单片机的优点.19 4.1.3 单片机的应用及发展方向.20 4.2 控制系统设计. 20 4.2.1 主控制器 cpu 的选择.21 4.2.2 存储器扩展电路设计.21 4.2.3 步进电机驱动电路设计.22 iv 4.2.4 其他辅助电路设计.22 结论 .25 致谢.26 参考文献.27 附录. a1.1 （小四字）. a1.2 （小四字）. - 1 - 1 引 言 1.1 课题研究背景 伺服驱动技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术之一，在 国内外普遍受到关注。在 20 世纪最后 10 年间，微处理器(特别是数字信号处理器 dsp)技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展为伺服驱动技术的进一步发展奠 定了良好的基础。如果说 20 世纪 80 年代是交流伺服驱动技术取代直流伺服驱动技术的 话，那么，20 世纪 90 年代则是伺服驱动系统实现全数字化、智能化、网络化的 10 年。 这一点在一些工业发达国家尤为明显。 发展我国伺服驱动产业的探讨作为数控机床的重要功能部件，伺服驱动装置的特性 一直是影响数控机床加工性能的重要指标。围绕伺服驱动装置的动态特性与静态特性的 提高，近年来国内外发展了多种伺服驱动技术。可以预见，随着高速切削、超精密加工、 网络制造等先进技术的发展，具有网络接口的全数字交流伺服驱动系统、直线伺服系统 及高速电主轴等成为机床行业的关注热点，并成为伺服驱动系统的发展方向。 1.2 课题研究意义 （1）掌握机电一体化系统设计过程和方法，包括参数的选择，传动的设计，零件的计算， 结构的计算，培养系统分析及设计的能力。 （2）综合应用过去所学的理论知识，提高联系实际和综合分析的能力，进一步巩固，加 深和拓宽所学的知识。 （3）训练和提高设计的基本技能，如计算，绘图，运用设计资料，标准和规范，编写技 术文件（说明书）等。 （4）通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型 和结构设计方法和步骤； （5）通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原 理，和软件编程思想； （6）通过毕业设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学 态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。 - 2 - 1.3 伺服驱动的现状与发展趋势 1.3.1 国 外 现 状 及 发 展 趋 势 无 人 化 、 规 模 化 生 产 对 加 工 设 备 提 出 了 高 速 度 、 高 精 度 、 高 效 率 的 要 求 ， 交 流 伺 服 系 统 具 有 高 响 应 、 免 维 护 (无 碳 刷 、 换 向 器 等 磨 损 元 部 件 )、 高 可 靠 性 等 特 点 ， 正 好 适 应 了 这 一 需 求 。 例 如 ， 日 本 fanuc 公 司 、 三 菱 电 机 公 司 、 安 川 电 机 公 司 、 德 国 siemens 公 司 、 aeg 公 司 、 力 士 乐 indramat 公 司 、 美 国 a.b 公 司 、 ge 公 司 等 均 先 后 在 1984 年 前 后 将 交 流 伺 服 系 统 付 诸 实 用 。 国 内 的 交 流 伺 服 驱 动 技 术 起 步 较 晚 ， 到 20 世 纪 80 年 代 末 才 有 产 品 问 世 。 如 冶 金 部 自 动 化 研 究 院 华 腾 公 司 的 acs 系 列 、 扬 州 5308 厂 引 进 siemens 公 司 的 610 系 列 ， 这 些 产 品 采 用 大 功 率 晶 体 管 模 块 (gtr)， 属 于 模 拟 伺 服 ， 但 从 技 术 上 填 补 了 国 内 空 白 。 进 入 20 世 纪 s“年 代 ， 微 电 子 制 造 工 艺 的 日 臻 完 善 ， 使 得 dsp 运 算 速 度 呈 几 何 数 上 升 ， 达 到 了 伺 服 环 路 高 速 实 时 控 制 的 要 求 ， 一 些 运 动 控 制 芯 片 制 造 商 还 将 电 机 控 制 所 必 需 的 外 围 电 路 (如 a/d 转 换 器 、 位 置 /速 度 检 测 倍 频 计 数 器 、 pwm 发 生 器 等 ) 与 dsp 内 核 集 成 于 一 体 ， 使 得 伺 服 控 制 回 路 采 样 时 间 达 到 100s 以 内 ， 由 单 一 芯 片 实 现 自 动 加 、 减 速 控 制 ， 电 子 齿 轮 同 步 控 制 ， 位 置 、 速 度 、 电 流 三 环 的 数 字 化 补 偿 控 制 。 一 些 新 的 控 制 算 法 如 速 度 前 馈 、 加 速 度 前 馈 、 低 通 滤 波 、 凹 陷 滤 波 等 得 以 实 现 。 另 一 方 面 ， 电 力 电 子 技 术 的 发 展 ， 使 得 伺 服 系 统 主 电 路 功 率 元 件 的 开 关 频 率 由 2 5khz 提 升 到 15 20khz， igbt(绝 缘 栅 门 双 极 性 晶 体 管 )及 ipm(智 能 型 功 率 模 块 ) 均 是 这 一 时 代 的 产 物 ， 从 而 提 高 了 系 统 的 平 稳 性 ， 降 低 了 系 统 的 噪 音 。 以 上 两 个 方 面 不 仅 是 交 流 伺 服 实 现 数 字 化 的 基 础 ， 而 且 使 得 交 流 伺 服 趋 于 小 型 化 。 目 前 一 些 工 业 发 达 国 家 的 伺 服 系 统 生 产 厂 家 基 本 上 均 能 够 提 供 全 数 字 交 流 伺 服 系 统 或 者 可 以 与 自 己 的 cnc 系 统 相 配 套 ， 如 日 本 fanuc 公 司 、 三 菱 电 机 公 司 、 安 川 电 机 公 司 、 松 下 公 司 、 山 洋 电 机 公 司 、 德 国 siemens 公 司 、 力 士 乐 indramat 公 司 、 lenze 公 司 、 美 国 a.b 公 司 、 kollmorgen 公 司 、 relliance 公 司 、 baldor 公 司 、 pacificscientific 公 司 等 。 全 数 字 交 流 伺 服 技 术 的 飞 速 发 展 ， 使 得 用 户 根 据 负 载 状 况 (如 惯 量 、 间 隙 、 摩 擦 力 等 )调 整 参 数 更 为 方 便 ， 也 省 去 了 一 些 模 拟 回 路 所 产 生 的 漂 移 等 不 稳 定 因 素 ， 但 在 发 展 初 期 ， 伺 服 接 口 缺 乏 统 一 标 准 ， 各 个 厂 家 均 设 计 自 己 的 接 口 电 路 ， 相 互 之 间 无 可 互 换 性 ， 用 户 适 配 较 为 麻 烦 。 在 网 络 技 术 及 pc-basedcnc 技 术 快 速 发 展 的 情 况 下 ， 这 一 问 题 尤 为 突 出 。 在 1987 年 ， 由 德 国 机 床 协 会 和 德 国 电 力 电 子 协 会 联 合 提 出 数 字 驱 动 接 口 国 际 标 准 ， 即 sercos(serialreal-timecommunicationsystem 串 行 实 时 通 信 系 统 )接 口 作 为 高 性 能 运 动 控 制 系 统 闭 环 数 据 串 行 实 时 通 信 接 口 ， 这 两 个 协 会 将 电 机 、 驱 动 系 统 、 cnc 系 统 的 主 要 制 造 商 组 成 一 个 联 合 工 作 组 。 最 初 加 入 sercos 工 作 组 的 公 司 有 aec、 abb、 amk、 banmuller、 bosch、 indramat、 siemens、 pacificscientific 等 几 家 公 司 。 到 了 1994 年 ， sercos 成 为 控 制 器 与 数 字 伺 服 驱 动 系 统 接 口 的 国 际 标 准 并 - 3 - 作 为 iec61491 标 准 获 得 通 过 ， 因 此 具 有 开 放 性 ， 迄 今 成 员 已 增 加 到 70 多 个 公 司 。 与 此 同 时 ， 开 发 了 相 应 的 asic 芯 片 、 sercon816， 传 输 速 度 为 2/4/8/16mbit/s， sercos 与 其 它 串 行 现 场 总 线 相 比 ， 有 效 数 据 传 输 率 高 ， 例 如 ethement 以 100mbit/s 速 度 传 输 数 据 时 ， 有 效 数 据 传 输 率 为 5 10mbit/s； sercos 以 16mbit/s 速 度 传 输 数 据 时 ， 有 效 数 据 传 输 率 为 11mbit/s。 can(controllerareanetwork)用 于 运 动 控 制 时 ， 必 须 提 供 额 外 的 存 储 缓 冲 器 及 信 号 管 理 资 源 ， 其 成 本 大 约 是 sercos 接 口 的 2 倍 ， 另 一 个 特 点 是 它 的 光 纤 噪 声 抑 制 能 力 强 、 传 输 可 靠 性 高 。 虽 然 sercos 接 口 初 终 是 为 cnc 与 数 字 伺 服 接 口 而 开 发 ， 迄 今 已 被 广 泛 应 用 于 通 用 运 动 控 制 器 与 数 字 伺 服 之 间 的 接 口 。 目 前 已 能 满 足 在 2ms 内 ， 使 一 台 控 制 器 与 多 达 32 个 伺 服 系 统 实 现 数 据 通 信 。 sercos 为 数 字 伺 服 网 络 化 铺 就 了 一 条 宽 阔 大 道 ， 可 以 预 见 ， 在 不 远 的 将 来 ， 带 有 sercos 接 口 的 伺 服 系 统 将 会 进 入 家 庭 、 办 公 室 、 工 厂 车 间 乃 至 各 个 与 伺 服 应 用 相 关 的 领 域 。 力 士 乐 indramat 公 司 在 1999 年 之 所 以 占 据 北 美 伺 服 驱 动 市 场 10.5%的 份 额 、 位 居 第 一 位 ， 一 方 面 是 该 公 司 在 应 用 工 程 、 销 售 、 服 务 及 用 户 支 持 方 面 的 加 强 ， 另 一 个 主 要 因 素 是 承 诺 开 放 结 构 sercos。 轻 质 (如 铜 、 木 材 、 铝 合 金 等 )、 复 合 材 料 在 汽 车 、 家 电 、 af 业 中 的 大 量 使 用 ， 对 高 速 、 高 效 加 工 提 出 了 新 的 要 求 。 为 了 适 应 这 一 需 求 ， 一 些 工 业 发 达 国 家 相 继 推 出 直 线 电 机 、 高 速 主 轴 电 机 ， 而 且 付 诸 实 用 。 对 于 直 线 电 机 而 言 ， 其 控 制 技 术 与 传 统 的 交 流 伺 服 电 机 相 差 不 多 ， 但 由 于 直 线 电 机 本 身 没 有 转 子 等 转 动 体 ， 因 而 本 身 惯 量 小 ， 所 以 具 有 高 动 态 响 应 性 ， 而 检 测 元 件 直 接 安 装 于 机 械 一 侧 ， 从 而 检 测 工 作 台 的 位 移 ， 也 避 免 了 旋 转 电 机 在 方 向 改 变 时 所 存 在 的 换 向 间 隙 ， 满 足 了 高 速 、 高 精 密 加 工 对 伺 服 驱 动 系 统 的 要 求 。 从 imts2000 展 览 会 来 看 ， 一 些 工 业 发 达 国 家 在 高 速 加 工 技 术 方 面 处 于 领 先 水 平 ， ibag 公 司 已 向 业 界 提 供 0.125 185kw， 最 高 转 速 为 14,000r/min 的 系 列 化 高 速 内 装 式 主 轴 系 统 ， 径 向 、 轴 向 重 复 精 度 小 于 1m， 电 机 轴 承 有 混 合 陶 瓷 轴 承 、 液 静 压 轴 承 、 磁 浮 轴 承 三 种 ， 采 用 水 管 冷 却 ， 且 内 置 位 置 传 感 器 供 加 工 中 心 atc 之 用 。 主 轴 驱 动 采 用 矢 量 变 频 技 术 ， 已 在 模 具 加 工 、 高 精 密 电 极 加 工 、 铝 质 零 件 加 工 、 高 精 度 磨 削 加 工 等 领 域 广 泛 应 用 ， fisher 公 司 也 有 类 似 产 品 。 1.3.2 国内发展现状及趋势 我 国 在 20 世 纪 80 年 代 初 期 通 过 引 进 、 消 化 、 吸 收 国 外 先 进 技 术 ， 又 在 国 家 “七 五 ”、 “八 五 ”、 “九 五 ”期 间 对 伺 服 驱 动 技 术 进 行 重 大 科 技 项 目 攻 关 取 得 了 很 大 成 果 。 但 由 于 产 品 可 靠 性 等 方 面 的 原 因 ， 制 约 着 我 国 数 控 机 床 的 配 套 及 应 用 ， 从 而 影 响 我 国 装 备 制 造 业 的 发 展 。 一 些 机 床 厂 家 也 不 得 不 选 用 国 外 的 伺 服 系 统 ， 使 得 国 产 数 控 机 床 在 价 格 、 交 货 期 、 可 靠 性 等 方 面 均 不 占 优 势 ， 更 无 心 力 开 发 市 场 需 求 的 新 品 种 ， 从 而 失 去 巨 大 的 市 场 份 额 。 从 公 开 的 统 计 资 料 来 看 ， cnc 系 统 中 75%以 上 的 故 障 出 自 伺 服 部 分 。 然 而 ， 近 年 来 在 国 家 不 断 组 织 科 技 攻 关 的 同 时 ， 一 些 民 营 高 科 技 公 司 也 为 发 展 我 国 伺 服 驱 动 技 术 注 入 了 新 的 活 力 。 例 如 北 京 中 宝 伦 自 动 化 技 术 有 限 公 司 在 国 家 没 - 4 - 有 投 入 一 分 钱 的 情 况 下 ， 以 市 场 为 导 向 ， 不 断 开 发 新 产 品 ， 1994 年 开 发 成 功 pdc 系 列 直 流 伺 服 系 统 ， 扭 矩 从 1nm 至 44.1nm 共 有 七 个 规 格 的 宽 调 速 直 流 伺 服 电 机 ， 采 用 国 际 上 最 新 一 代 的 功 率 器 件 ipm、 pwm 控 制 ， 调 制 频 率 达 到 15khz， 有 效 地 克 服 了 以 往 scr 控 制 时 电 流 断 续 所 产 生 的 换 向 火 花 对 于 换 向 器 的 烧 蚀 ， 可 使 碳 刷 寿 命 延 长 1 倍 以 上 。 1997 年 底 该 公 司 又 开 发 成 功 pac 系 列 交 流 伺 服 系 统 ， 与 兰 州 电 机 厂 引 进 德 国 siemens 公 司 1ft5 系 列 的 94 个 规 格 的 无 刷 交 流 伺 服 电 机 相 配 套 。 转 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 围 0.15 90n； 2000 年 11 月 又 根 据 市 场 需 求 ， 开 发 出 pac-p 系 列 数 字 化 位 置 型 交 流 伺 服 系 统 。 这 些 产 品 推 向 市 场 后 ， 取 得 了 很 好 的 社 会 效 益 及 经 济 效 益 ， 得 到 北 京 第 一 机 床 厂 、 清 华 大 学 精 密 仪 器 厂 、 青 海 第 一 机 床 厂 等 厂 家 认 可 ， 与 xa5750 滑 枕 铣 床 、 xa718 立 式 铣 床 、 xa2412/2410 龙 门 铣 床 和 xka5032 数 控 立 式 铣 床 、 数 控 异 型 螺 杆 铣 床 、 xka8132/8140 数 控 铣 床 等 配 套 。 除 此 之 外 ， 也 应 用 于 复 合 材 料 成 型 机 械 、 汽 车 子 午 胎 一 段 、 二 段 成 型 及 裁 断 机 械 、 卫 星 风 洞 群 控 制 、 电 子 元 件 材 料 切 割 、 编 带 等 领 域 。 目 前 ， 近 200 台 应 用 于 国 内 各 大 汽 车 子 午 胎 生 产 线 ， 每 日 24h 连 续 运 行 。 除 在 国 内 应 用 外 ， 从 1997 年 开 始 ， 该 公 司 部 分 产 品 由 北 京 第 一 机 床 厂 配 套 出 口 到 德 国 、 加 拿 大 、 澳 大 利 亚 等 国 家 。 从 1994 年 至 今 售 出 将 近 1000 台 套 交 /直 流 伺 服 系 统 ， 几 年 来 无 一 台 返 修 ， 根 据 该 公 司 记 录 数 字 来 看 ， 只 有 8 台 均 由 于 用 户 接 线 错 误 而 导 致 保 险 电 阻 、 电 源 回 路 及 接 口 元 器 件 烧 坏 。 使 用 中 宝 伦 产 品 的 用 户 改 变 了 对 于 国 产 伺 服 系 统 可 靠 性 不 好 的 看 法 。 华 中 数 控 系 统 有 限 公 司 、 珠 峰 数 控 公 司 、 航 天 数 控 公 司 、 中 科 院 电 工 所 等 单 位 通 过 实 施 国 家 科 技 项 目 攻 关 ， 已 能 够 向 各 机 床 制 造 厂 配 套 自 身 数 控 系 统 所 需 要 的 伺 服 系 统 ， 还 应 用 于 一 些 老 设 备 技 术 改 造 。 洛 阳 轴 承 研 究 所 自 主 研 发 高 速 电 主 轴 ， 已 应 用 于 轴 承 磨 床 、 印 刷 电 路 板 铣 、 钻 等 方 面 。 - 5 - 2 单轴直线伺服移动机构整体方案设计 2.1 整体设计方案分析 数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的 确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较 和论证。主要按照以下四个方面进行设计和计算： （1）系统运动方式的确定 该系统要求工作台沿坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。 （2）伺服系统的选择 开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没 有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易， 在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。 考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。 （3）计算机系统的选择 采用 mcs-51 系列中的 8031 单片机扩展控制系统。mcs-51 单片机的主要特点是集成 度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、 i/o 接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键 盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。 （4）机构的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提 高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。 由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工 作台的摩擦系数，提高运动平稳性。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达 到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。 2.1.1 机械方案设计 机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机， 传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。设计中采用步进电机直 接驱动滚珠丝杠来实现工作台的水平移动，因其无位置反馈，其精度主要取决于驱动系 统和机械传动机构的性能和精度，精度不高。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 导轨采用的是滚动直线导轨,其最大优点是摩擦系数小,动、静摩擦系数差很小，因此,运 动轻便灵活,运动所需功率小,摩擦发热少，磨损小，精度保持性好,低速运动平稳性好, 移动精度和定位精度高的优点 - 6 - 图 2.1 单轴直线伺服移动机构简图 2.1.2 控制方案设计 在控制系统部分采用 mcs-51 系列单片机来完成此控制系统的设计,完成控制系统原 理图等.主要包括键盘,led 显示,电动机的启动、停止、单进控制、联动控制等的控制.同 时还要有一些自动错误处理功能.如限位控制,驱动出错处理,这就需要在程序设计时提供相 应的中断处理程序。 设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能： （1） 接收键盘数据，控制 led 显示 （2） 接受操作面板的开关与按钮信息； （3） 接受车床限位开关信号； （4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号； （5） 控制主轴的正转，反转与停止； （6） 控制多速电动机，实现主轴有级变速； （7） 控制交流变频器，实现主轴无级变速； （8） 控制切削液泵启动/停止； （9） 控制电动卡盘的夹紧与松开； （10）控制电动刀架的自动选刀 - 7 - 2.2 机构的整体结构设计 进给传动系统示意图如图所示： 图 2.2 进给传动系统示意图 2.3 主要设计参数及其依据 表 2.1 设计参数及依据 负载 f1 (n) f2 (n) 工进速度 （m/min） 快进速度 （m/min） 重复定 位精度 (mm) 定位精度 (mm/300mm) 行程 (mm) 加 减 速 度 时 间 (s) 要求 寿命 (h) 丝杆 直径 初定 (mm) 丝 杆 支 撑 形 式 2000 1500 2 0.4 0.01 0.02 500 2 22000 16 两 端 固 定 - 8 - 3 单轴直线伺服移动机构机械系统设计 3.1 滚珠丝杠的选择、计算及验算 3.1.1 确定滚珠丝杆副的导程 ph： 根据传动关系图及传动条件选择滚珠丝杆副的导程 ph=10mm 3.1.2 滚珠丝杆副的载荷及转速计算： 1） 托板尺寸：长 宽 高= 30m 30 2） 托板重量： n21*8.7*w 3） 导轨副与托板连接部分重量估算为：100n（双导轨） 4） 夹具及工件重量约为：400n 5） 工作台运动部分总重： 21047g+= 6）最小载荷 fmin 选机器空载时滚珠丝杆副的传动力。由滚动导轨副的摩擦系数 f=0.005 得n0.571fmin 7)最大载荷 fmax 采用矩形滚动导轨工作载荷等效公式： ()mxzyfkfg=+ 其中： .k=. 8)滚珠丝杆副的当量转速 nm 及当量载荷 fm: 按工进时间占总时间的 90%，快进时间占总时间的 10%计算： 确定当量载荷：f m= =1167n321 3tftn 确定当量转速： i/r8nt 预期额定动载荷 按预期工作时间计算：使用寿命 240hl= 滚珠丝杠副寿命 （ ）606/1mln=r 最大动载荷： 30qwhfff n5160.71)(251.*50g)f(21ax - 9 - 查机电一体化系统设计课程设计指导书以下简称指导书表 3-30 取载荷系数 ，硬度系数 （ ）代入上式得1.2wf=1.0hf=58rc n901fq 拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载 计算maxf 查机电一体化系统设计及实践表 3-25 以下简称实践 重载荷取 =5000n3.4ef1maxf 得 fmaxfe=17000nq 取以上结果最大值 n70c 确定允许的最小螺纹小径 估算丝杠允许的最大轴向变形量 已知：重复定位精度 10 ，定位精度 20mm =（1/4 1/3)重复定位精度=3md: =（1/5 1/4)定位精度=6 取最小值 =3 估算最小螺纹底径 丝杆要求预拉伸，采用两端固定的支承形式，已知行程为 700mm， w=2500+711=3211n 静摩擦系数 =0.090m02mmwldad= 查实践表 3-26 a=0.039 l=1.1*行程+（10 14） =900mm:hp =11.48mm02.39mmldd= 确定滚珠丝杠副的规格代号： 选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预紧形式。 由 、 、 选择相应规格的滚珠丝杠副 ffzd3210-3hpmc2 d2=26.5mm ca=20600n coa=43800n 确定预紧力： nf1673maxe - 10 - 图 3.1 滚珠丝杆两端固定形式 3.1.3 滚珠丝杆的校核 在选择滚珠丝杆时，可根据原丝杆直径的大小，按类比法选择其名义直径，因此，就需要对其负 载能力进行必要的校核，如果是根据承载能力选出的则应对压杆稳定及其刚度进行必要的校核。 下面进行滚珠丝杆副临界压缩载荷 fc 的核算（即验算压杆稳定性）max521410fldkfcc （其中： f=21.9 ）342k730.nfnfc 51615.08.274 max54 摩总 所以验证稳定性合格. 3.1.4 滚珠丝杆副的极限转速 nc 的校核( 避免高速运转时产生共振) 322 1060ccc ldfaeilkn max372 in/.0180 .39.1r 验算合格. - 11 - 3.1.5 dn 值的验证 70694207.34.max pw 经验证合格 3.1.6 基本轴向额定静载荷 cu 的验算 )2( n260n1032562.max 取soaoas fffcu 3.1.7 轴承选择 1.载荷是选择轴承最主要的依据，通常应根据载荷的大小、方向和性质选择轴承。 载荷大小 一般情况下，滚子轴承由于是线接触，承载能力大，适于承受较大载 荷；球轴承由于是点接触，承载能力小，适用于轻、中等载荷。各种轴承载荷能力一 般以额定载荷比表示。 载荷方向 纯径向力作用，宜选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承，也可 考虑选用调心轴承。纯轴向载荷作用，选用推力球轴承或推力滚子轴承。径向载荷和 轴向载荷联合作用时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，这两种轴承随接触角。 增大承受轴向载荷能力提高。若径向载荷较大而轴向载荷较小时，也可选用深沟球轴 承和内、外圈都有挡边的圆柱滚子轴承。若轴向载荷较大而径向载荷较小时，可选用 推力角接触球轴承、推力圆锥滚子轴承。 载荷性质 有冲击载荷时，宜选用滚子轴承。 2. 高速性能 一般摩擦力矩小、发热量小的轴承高速性能好。球轴承比滚子轴承有 较高的极限转速，故高速时应优先考虑选用球轴承。径向载荷小时，选用深沟球轴承: 径向载荷大时，选用圆柱滚子轴承。对联合载荷，载荷小时，选用角接触球轴承；载 荷大时，选用圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承与角接触球轴承组合。在相同内径时，外 径越小，滚动体越轻越小，运转时滚动体作用在外圈上的离心力也越小，因此更适于 较高转速下工作。在一定条件下，工作转速较高时，宜选用直径系列为 8，9，0，1 的 轴承。保持架的材料与结构对轴承转速影响很大。实体保持架比冲压保持架允许的转 速高。高速重载的轴承需验算其极限转速。 3. 轴向游动性能 一般机械工作时，因机械摩擦或工作介质的关系而使轴发热，从 而有热胀冷缩产生。在选择轴承结构类型时，应使其轴有铀向游动的可能性。因此， 常在轴的某一端选用一内圈或一外圈无挡边的圆柱滚子轴承或滚针轴承，以适应由于 热胀冷缩而引起轴的伸长或缩短。 - 12 - 4. 调心性能 当轴两端轴承孔同轴性差（制造误差或安装误差所致）或轴的刚度小， 变形较大，以及多支点轴，均要求轴承调心性好，这时应选用调心球轴承或调心滚子 轴承。 5. 允许的空间 在机械设计中，一般都是先确定轴的尺寸，然后根据轴的尺寸来确 定轴承的尺寸。小轴选用球轴承，大轴选用滚子轴承；在内径尺寸（即轴尺寸）已确 定，若径向尺寸受限，可选用滚针轴承或直径系列为 8，9，0，回的轴承；若宽度尺 寸受限，可选用宽度系列为 8，0 的轴承。 6. 安装与拆卸方便 对于轴承使用寿命一般都难以等同主机使用寿命，在实际使用 中轴承作为易损件要经常装拆。因此，在选用轴承结构类型时应要求装拆方便。可分 离型的接触球轴承、圆柱滚子轴承。圆锥滚子轴承、推力轴承和内圈为锥孔、带紧定 套或退卸套的调心滚子轴承、调心球轴承等均具有装拆方便性能。 按照滚珠丝杠副相关要求初步选定滚动角接触球轴承 b 型背对背安装，受力如下图： 1 f2 2 df 2df 11rf2r 图 3.2 角接触球轴承 径向力： n1250/250/f2rr1 派生轴向力： 7634.1d n673f2d1af2da 取载荷系数 .pf= 1/5.41.ar 径向当量动载荷： n4893f7.503fp1a1rp）（3.f/2dr 径向当量动载荷：p 1=4893n 求轴承具有的基本额定动载荷： - 13 - nlh16780n6pc3m1 根据所选滚珠丝杠副及轴承寿命要求选择 滚动轴承 7305 b gb/t292r2 所选轴承满足设计要求。 图 3.3 滚珠丝杠副参数 - 14 - 3.2步进电机的选择、计算及验算 图 3.4 步进电机 1）作用在滚珠丝杆副上各种转矩计算 外加载荷产生的摩擦力矩 tf（n.m） 空载时: mnfpth .0719014.320 外加径向载荷时的摩擦力矩: hlf .75.9014.3256 滚珠丝杆副预加载荷 fb 产生的预紧力矩: nmpthb 62.09.014.3267.2220 2）负荷转动惯量 jl（kg.m 2）及传动系统转动惯量 j（kg.m）的计算： 滚动丝杆的转动惯量： 2443 .105.6257.0.108.7 kgjs 移动平台转换的转动惯量； jb=(ph/2) 2m=0.63*10-4kg.m-3 3）空载时最大加速转矩 tam 根据负载情况初选南京南数数控设备有限公司步进电机 130byg3503 为三相混合式，采 - 15 - 用单-双 6 拍驱动时步距角为 ，查其参数得转子的转动惯量: =30kg. 0.6 2 取脉冲当量 d=0.01mm/脉冲，则加到电机转轴上的总转动惯量为： 333beq .10*.7.10*.kg17.j mkgmkgmjlm nm=vmax/360 。 d=1000*0.6/360*0.01=167r/min tam1=jeq=2j eqnm/60ta=0.394n.m 4)快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 teq1 teq1= tam1+tf0+t0=1.021n.m 5) 快速负载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 teq1 teq2=tfl+tf0+t0=10.377n.m 由上可知，加在步进电机上的最大负载转矩为： teq=max teq1 ,teq2=10.377n.m 6）电机最大静转矩的选定 考虑到步进电机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下 降，可能造成失步，甚至堵转。并采用开环控制，需考虑安全系数。取 k=3.5，则步进 电机的最大静转矩应满足： mnteqj .13.3max 查初选电机 130byg3503 的最大静转矩为 。所选电机满足要求n.6 7）联轴器的选择 传动轴上的公称转矩 =10.1n.m =9550=95502(60103) 取工作情况系数 1.5ak 计算转矩 =1.510.1=15.15. 根据所选电机输出轴、丝杠大小及计算转矩选择：yl2 联轴器 ,所选联轴器满足要求。15.15=22000 导轨的工作寿命足够,所以满足寿命的要求，合格 - 19 - 4 单轴直线伺服移动机构控制系统设计 4.1 单片机简介 单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的 中央处理器 cpu 随机存储器 ram、 只读存储器 r