磁力微进给系统设计说明书

1 前言1.1 课题研究背景及意义随着制造技术及机械行业的不断迅速发展，为达到被加工工件的加工尺寸精度和表面质量，微进给装置被广泛应用于精密加工及超精密加工中。例如，在超精密车削中，氮化硼或金刚石刀具的切深要保证在微米级的精度；在轴类零件的非圆加工中，要保证工件的尺寸及形状要求；在超精密磨削中，砂轮的微进给量要求达到几微米甚至百分之微米；在超精密机床的误差补偿进给装置中，位移精度要求更高。因此，在精密加工，特别是超精密加工中，微进给装置起着至关重要的地位另外，为了满足高精度、高速度的加工要求，微进给装置必须具有三个方面的特性：较高的位移精度，相对较大的程程范围，较高的频率响应。1.2 微进给机构的发展现状目前，英国、美国、日本和德国等国家在高频响大行程微进给系统研究方面已经有了许多专利。在我国，一些高等院校和科研单位致力于研究大行程高频响的微进给机构，长沙国防科技大学在 1989 年研制了一种高频响进给伺服机构，它采用电容传感器作精密位移监测软件，并且在 C6250 车床上进行了初步试验，当机床转速为 700r/min、进给量为 0.2mm/r 时，加工误差为 10um，此时该装置的截止频率可以达到 150Hz。清华大学精仪系机制教研室从 1985 年就开始研究用于非圆截面加工的高频响伺服进给系统，在实验的基础上相继研发了 10N50N200N 的推力的高频响微进给机构及其控制系统。该机构的工作原理就是用电磁力直接驱动刀具运动，目前，在制造加工中的微进给机构装置有：弹性变形式微进给装置，机械微进给机构，流体膜变形式微进给装置及场致变形式微进给装置等。利用闭环控制系统使机构获得很高的微进给精度。弹性式微进给装置的工作原理是依靠机构装置的弹性变形来驱动执行部件实现微小位移的。这种装置若不受外界摩擦的影响，能实现微小的位移实现微进给。利用片弹簧的变形位移机构，可以实现最小为 0.2um 的微进给量，但这种装置的不足是运动刚度差。机械式微进给装置具有较大的运动范围，但是分辨率比较低，其运动刚度取决于设计参数。该类微进给装置的自动控制进给过程比较复杂麻烦，响应速度比较低，难以用于精密加工中。流体膜变形式微进给装置的工作原理主要是利用流体膜在供给压力或节流阻力在变化时所引起的变化来实现微进给位移的，其位移分辨率和重复可以达到0.05um，但是运动范围十分有限，而且当膜的厚度变化时，流体膜的特性也随之变化。场致变形式微进给装置是利用场（温度场、磁场、电场）的变化使参数或结构发生变化产生驱动力来驱动执行部件完成微进给的装置。现在市场上存在的有磁致伸缩微进给装置，热变形微进给装置等。这类微进给装置可以达到很高的分辨率和较高的频率响应，但是行程范围很小。上面几种装置都不能满足大行程、高频响、高精度三个方面的要求，但是结合各自的优缺点，我们可以利用电磁驱动机构，通过采取合理的设计及控制方法，使该机构达到频响、精度、行程三个方面的要求。2 机械部分设计2.1 磁力微进给设计的综述2.1.1 磁力微进给系统主要性能指标（1）位移精度：1um（2）行程范围：10mm（3）截止频率：250Hz（4）驱动力:2000N（5）刚度：kx150N/ um，ky60N/ um，kz150N/um2.1.2 进给结构方案设计磁力微进给机构的工作原理是：利用电磁推力来驱动执行部件产生直线位移，执行部件在驱动力的作用下只在轴线方向往复运动，而其他方向由运动导轨予以约束，并具有较高的支撑刚度，执行部件沿驱动轴线放行的承载能力将由电磁驱动装置来控制。要使微进给装置获得较大的行程，较高的频率响应以及较高的运动精度，必须使该装置满足以下方面的要求：结构刚性高，传动环节刚性好；传动链短；避免使用回转直线运动转换装置，最好由电磁驱动直接输出直线驱动；电磁转换能量大，转换率高；控制方便。对应这些要求，由此可以确定：微进给装置由四部分组成:第一部分是力和运动的发生装置（磁路部分） ，第二部分是刀架及支撑导轨结构，第三部分是力与运动的控制系统，第四部分是电路部分。其中，直线型电磁装置来产生所需的驱动力和直线运动，在 X、Z 方向的切削力由刀架通过进给机构的径向支撑及导轨承受，进给位移的精度与驱动力的大小均由控制系统来调节。2.2 力与运动发生装置设计磁路设计磁力微进给系统的力与运动的发生装置，即磁路部分，的设计主要包括以下几个方面的内容:确定励磁方式选择磁性材料确定磁路结构形式计算确定电磁元件结构及尺寸。2.2.1 励磁方式的确定根据励磁方式来分，励磁方式可分为电磁式和永磁式两类。电磁式励磁方式需要配置相应的定子绕组和转子绕组，体积大，质量大，而且存在着大的铜耗。在直线型电磁机构中，为了防止定子和转子间的相互摩擦，电极和磁极之间间隙往往较大，为了保证有较大的气隙磁场必须增加绕组的匝数，响应的铜耗也就增加，导致性能下降，并且结构设计也有一定的困难。永磁式励磁方式的特点是没有直流励磁绕组和相应的铜耗，由于永磁材料特别是稀土材料具有很高的磁密度，因此进给装置可以采用永磁材料获取所需的磁场强度，同时可以减小此路的体积与重量。从电磁式和永磁式励磁方式的特点分析可知，对于 200N 的小驱动力的直线型进给系统，采用永磁式有利于减小体积，提高系统的可靠性。因此，在磁力微进给系统的设计中选用永磁励磁方式。2.2.2 磁性材料的选用目前，高性能的稀土永磁材料发展迅速，具有很高的性价比，用稀土材料构成所需回路可以提高驱动效率，有利于增加微进给装置的运行可靠性。此处选用铝镍钴（AlNiCo） ，它具有很好的温度稳定性，在工程中比较常用，在微进给机构中选用该材料。2.2.3 磁力微进给机构磁路的结构形式在磁力微进给机构的驱动力为 200N 的条件下，用永磁材料来设计磁路时，为了减小运动部件的质量，提高机构的频率响应，可以让磁路部分不参与往复直线运动，而将产生电磁力的线圈作为驱动动子来驱动刀架作直线运动，励磁磁路完全由永磁元件提供气隙磁场，无需外加励磁电流。磁路的主要部分由永磁体和软铁两部分组成。其中，永磁体也叫磁钢，软铁也叫轭铁。根据材料及具体的功能要求可设计成如图 2.1 所示。图 2.1 磁路结构示意图2.2.4 计算确定电磁元件结构及尺寸（1）导线长度的确定。微进给机构可以用作线圈导线的材料有铜和铝，其中，铜的比重为铝的 3 倍，电阻率为铝的 0.64 倍。当动圈绕线长度较短时，线圈本身质量就很轻，所以可以选择铜导线作为线圈材料。动圈在磁场中受的磁感应力 F 为：F=BIL动圈电阻消耗的电能为： 2()fWtIRt动圈克服摩擦阻力做的功为： F动圈的热损耗为： Tt()HtS运动部件的动能为： 21Vmv则磁力微进给系统空载时的能量平衡方程为：W(t)= + + +()VWtFt()ftHWt其中，m 运动部件的质量H 动圈在空气中的热传系数V t 时刻运动部件的速度T动圈温升当运动到目标位置时，速度为零，动能为零，而摩擦阻力很小可以忽略不计，因此当运动到目标位置时，能量平衡方程为：W(t)= ()HWt在此可设动圈平均直径为 D，导线工作长度为 ,实际长度为 ，导线厚度为 ，0l1lb动圈工作长度为 ，实际长度为 ，导线体积为 V，取工作长度内的质量为 ，运0e1e 1m动部件的质量为 。则有关系：m导线总电阻 ，线圈体积 ，线圈侧面积1lRs导 1bSb令 ， ， ，设行程目标为 ，运动部件最大加速度为 a，10ek120l124DeK0可由上述关系得磁路结构参数模型为：(2.1)20 12 T()mKaSBHbkqk对于铜导线，电阻率为 =1.6 m，比重为 q=8900kg/ ，式中令81 3m=10mm，B=0.8T， =1.5， =3，K=2.5，m=1kg，H=250 ，a=20 ，0S1k2 2/wc2/cT=100，将数值带入公式可得 D=74.8mm 取 75mm， 55mm，则1e= / =36.6mm，取 36mm。0e1k设导线截面面积为 s=1 ，则导线长度为 =V/s=12.369m2m1l（2）确定气隙尺寸当 B=0.8T 时，气隙的平均直径为 75mm，气隙的有效工作长度为 36mm，因导线的厚度为 2mm，根据实际结构可以取气隙的宽度为 =5mm，设气隙面积为 ，则S气33320=D e3.14750618.4710S m气（3）确定磁钢尺寸设磁钢的磁感应强度为 ，磁场强度为 ，磁钢直径为 ，高度为 ，截面1B1H1D1L积为 ，漏磁系数为 ，磁阻系数为 f，则由磁路安培定律和磁通连续原理可得：1S=BS （2.2）1S（2.3）HLf空气磁导率 1，故 B=H，由（2.2） （2.3）式可得：0u（2.4）114BSD（2.5） 1fHL对于选定的铝镍钴材料，当工作在磁能积最大处时， =1.098T， =560KA/m,根1B1H据经验取漏磁系数 =2，磁阻系数 f=1.2。由式（2.4） （2.5）可得： =117.54mm， =68.7mm1D1L取 =118mm， =70mm，则磁钢的截面积1D1L,22 20=70m+e=3614m4BS软 软 行 程磁钢的体积 。1V65.8L磁 钢 磁 钢而在实际制造中，磁钢需要保持有大约 的锥度，并且考虑到因结构需要磁钢5中心要打 mm 的中心通孔，因此由计算可得磁钢的等效直径为 ，为18 =120mD等 效了保持磁钢原有尺寸不变，实际的磁钢尺寸可计算为：磁钢顶圆直径为 ，4磁钢底圆直径为 ，其结构如图 2.2 所示：12=6mD图 2.2 磁钢（4）软铁的设计软铁的材料必须使用磁导率很高的材料，而在软铁材料中，纯铁具有很高的磁导率，在此选择软铁 DT6，其具有很高的饱和磁感应值 ，漏磁系数2.158BT=1.5。则 ，进而 ，求得 。软铁的长度21BS2124BSD软 =70m软，取 50mm。其结构如图 2.3 所示。20L=+e36=4m行 程图 2.3 软铁2.3 运动部件及支撑部件的设计2.3.1 进给机构支撑结构形式的确定在微进给机构的实现过程中，磁路与电路综合作用的结果只是为微进给机构提供所需要的动力，而功能的实现以及所要求的运动精度需要有相适应的精密机械支撑机构来保证完成。对于直线进给机构来说，除了进给方向作直线运动外，其他各方向的自由度必须限制，另外支撑结构还要承受切削力的作用。因此进给系统的支撑结构的设计要满足以下要求：保证有较高的直线运动精度；必须有较大的支撑刚度；在进给方向有足够的运动行程范围；除在进给方向，其他方向应该有足够的抗弯抗扭能力；进给时摩擦力尽可能小，使进给稳定。在非圆截面的车削加工过程之中，微进给机构所承受的切削力不大，刀架的行程最大距离为 10mm，为使微进给装置的结构尽可能紧凑，可以将支撑装置设计成如图 2.4 所示。图 2.4 支撑结构如上图所示，该机构由弹簧支撑和滚动直线导轨组成，设计符合较高的支撑刚度与直线运动精度，并且能够自动复位，采用滚动直线导轨摩擦力小，无爬行现象，符合设计要求。2.3.2 支撑部件的确定（1）弹簧设计选择弹簧片组成弹性支承，弹簧片采用多片组合的形式，各弹簧片之间不存在相互作用力，并且使各弹簧的材料与几何参数完全相同，把弹簧支撑的变化简化为一片弹簧的变化，为了降低驱动装置的功率，磁力微进给装置的弹簧结构设计成如图 2.5 所示。图 2.5 弹簧支撑结构示意图如上图所示，弹簧支撑为对称结构，每一弹簧的受力情况相同，为使运动部件受推力下只作轴向移动，靠近驱动轴的弯曲角为零，而边缘仍为固定端与机座连接。对于弹簧的选材，用于制造弹簧的材料有铜基弹性合金、钴基弹性合金、弹簧钢，镍基高温弹性合金。在上述材料中，铜基弹性合金不仅具有高的弹性、强度、屈服极限、疲劳极限，还有良好的导电性导热性和抗蠕变抗腐蚀性，是机械性能抗腐蚀性和物理化学性能都很高的合金在进给机构中可以选择铍青铜作为弹簧材料，该材料的屈服极限 ，强度 ，拉伸弹性模量087MPa10sMPaE=129360MPa。当弹簧片的截面为均匀矩形截面时，设弹簧的宽度为 b，厚度为 t，弹簧的受轴向力如图 2.6 所示。图 2.6 弹簧受力示意图设计弹簧时，令 b=5mm，t=2mm，则轴向位移为： ，2()fnkGss微进给机构的轴向位移为 y=10mm，则 ，取 45mm。41.57yEtRm（2）直线滚动导轨设计进给机构导轨的设计精度直接影响进给的装置的运动精度，进给机构对导轨的设计要求是：导向精度高，耐磨性好，稳定性好，刚度大，运动灵活性高，具有良好的结构工艺性，便于调整，其中导向精度是直线导轨的主要精度指标，综上所述，直线导轨可以设计成下图形式。图 2.7 直线导轨示意图上图为圆柱直线导轨，该导轨的特点是：微量移动灵活、准确、低速时没有蠕动现象；摩擦系数小，功率消耗小；移动快速精度高，能够满足大行程；具有自动调节能力，可以降低配件的加工精度。2.3.3 轴的设计及分析轴在微进给系统中起到驱动刀杆的作用，为了避免驱动系统的运动质量，在微进给高频响的要求下，选用硬质铝合金作为轴的材料。根据前面的设计可以将轴设计成以下结构，图 2.8 轴的结构形式下面确定轴的最小尺寸并对轴进行校核。按照实际结构需要，驱动轴的两个支撑点的距离可以取为 285mm，悬伸长度为 100mm，安装车刀时伸出的取为 20mm-30mm，则切削力作用点到支撑点距离为 120mm，轴和车刀安装示意图如下图所示，图 2.9 轴和车刀安装示意图根据微进给机构的工作环境，取 ， ，则 ，40xFN30y 2=304=50NF合根据图 2.8 取前支撑导轨面实际长度为 150mm，将支座看成刚性的，因此在支座处所受的最大弯矩 maxM50.12=6.mL对于硬铝合金的许用剪切强度=80Mpa,在 F 作用下，轴的最大剪切应力为，取最小轴颈为 24mm，剪切强度计算值为 =1.1Mpa ，则可以最214Fd 小轴颈取 24mm。另外，提高驱动轴的刚度措施有：选用高弹性模量的材料；增大轴截面直径，缩短悬伸长度；合理安装刀具；提高轴的连接刚度。3 磁力微进给机构闭环控制系统设计3.1 磁力微进给机构控制系统的理论模型建立磁力微进给系统的力学模型如图 3.1 所示图 3.1 磁力微进给系统力学模型在上图中， 、 分别为动圈和进给机构的质量， 、 分别为轴与动圈之间1m2 1kc的联接刚度与阻尼， 、 分别为进给机构的弹性支承刚度与运动阻尼， 、 分kc 1x2别为动圈与运动部件的位移。则由上图可得系统的运动方程式为：121121()()dxmckxFt（3.1）1222 122()()xdtdt（3.2）对公式 3.1、3.2 进行整合的进给系统的机械模型为：2dxmckFtt（3.3）对公式 3.3 进行拉式变换，得2()()sckxs（3.4）3.2 磁力微进给机构控制系统的动态特性分析及优化3.2.1 系统传递函数分析控制体统的理论模型建立后，对其控制系统进行动态特性分析，由公式 3.4 可得系统的传递函数为：2()fkGsmcs（3.5）在式 3.5 中令 ， ，则上式可以变为:nkm2ck(3.6)2()fnGss式中： n进 给 机 构 的 固 有 频 率进 给 机 构 的 阻 尼 比fk进 给 机 构 的 增 益对于铝镍钴为永磁材料的进给机构， 11N/A，k=9.26 N/m，则fk310。令 ， ，则 。31.20fk21()nGss3.2a1()()aGsks进行变形得：21()nGss21()()nnddGsjsj（3.7）其中， 。21dn由前面所述分析，确定机构的阻尼器损耗因子为 =0.2，对于微进给机构，忽略其他的运动阻尼的影响，则 =0.2，并且可以确定当 m=1.2 时， ，将 、 带入公式 3.7 可得：87.nkHzm2186dnHznd1708.().56)(156)Gsjsj（3.8）3.2.2 系统动态参数计算分析分析系统的动态特性可得系统的上升时间 、峰值时间 、超调量 以及调rtptpM整时间 :st, , %,1(arcos)0.26rdt s0.365pdts215.9pe。3.7snt磁力微进给系统的单位阶跃响应曲线如下图所示，图 3.2 单位阶跃响应曲线由式（3.8）可得微进给机构的幅频特性曲线和相频特性曲线如图 3.3，图 3.3 幅频特性曲线和相频特性曲线从图 3.3 中可得，该机构的截止频率为 120Hz根据上述计算结果和图可以总结出该系统的动态特性：由于微进给机构的固有频率很低，且阻尼小，导致单位阶跃响应速度慢，峰值时间及调整时间过长，超调量过大；截止频率偏低。以上都不能满足微进给机构对非圆零件的加工要求，因此，必须采取调整措施来对微进给机构优化，调整微进给装置的特性参数来获得微进给机构所要求的动态特性。根据理论知识，提高磁力微进给系统动态特性的途径主要有以下两条：改变进给机构的的机械结构参数，例如增大弹簧刚度，增大机械运动阻尼，减小进给装置的质量等；通过引入反馈系统，并且确定合理的参数来获得所满足要求的动态特性参数。第一条途径与结构的尺寸参数有关，而且材料的机械性能指标和它的阻尼系数、弹性刚度的设计计算值与实际的机构的弹性刚度和阻尼系数总存在一定的误差，有事后改变很大的结构尺寸却使弹性刚度和阻尼系数得到很小的改变，反而加大了质量，所以通过第一条途径很难获得精确的动态特性。因此，我们可以通过合理的利用上述两条途径来获得良好的系统动态特性，有保证微进给机构的紧凑性。3.2.3 传递函数的优化通过前一节的分析，我们可以先通过途径一假设改变进给机构的的机械结构参数得到一个传递函数，然后对这个传递函数进行动态特性分析，符合微进给机构的要求后再通过途径二对控制系统进行设计，确定相应的参数，进而获得优化后的控制系统。首先获得系统的优化传递函数。现在假设微进给机构的弹性刚度为 ，m=0.5kg，=0.6，则3601/kNm234,7ndnHzHzm则系统的闭环传递函数为：22346()15.97yhGss（3.9）此时系统的上升时间 、峰值时间 、超调量 以及调整时间 分别为：rtptpMst， ，1(arcos)0.79rdt s0.1pdts219.4%pe。3.4snt此时微进给机构优化后的单位阶跃瞬态响应过程如图 3.4 所示，图 3.4 优化后的单位阶跃响应曲线微进给机构优化后的幅频特性曲线和相频特性曲线如图 3.5，图 3.5 优化后的幅频特性曲线和相频特性曲线从图 3.5 中可得，该机构的截止频率为 262Hz由计算结果和图可得：优化后的控制系统与优化前相比，闭环控制系统的瞬态响应过程的上升时间 为原来的 0.3 倍，峰值时间 为原来的 0.3 倍，超调量 为rt pt pM原来的 0.175 倍，调整时间 为原来的 0.08 倍，而截止频率为 262Hz，与原来进给st机构相比，截止频率为原来的 2.2 倍，此时，控制系统满足进给机构的高频响的设计要求。3.3 磁力微进给机构控制系统的设计3.3.1 微进给装置控制系统的基本组成微进给机构本身为一欠阻尼的二阶系统，其控制系统可以确定为带位置反馈和速度反馈的控制系统，控制系统的基本组成结构示意图如下图所示，图 3.6 控制系统示意图由上图可得，磁力微进给系统的控制系统由单片机、调节器、驱动电源、微进给装置、传感器等组成，并由速度反馈和位置反馈构成闭环系统。3.3.2 各基本组成部分传递函数的确定对于微进给机构，它的控制系统的主要任务是控制进给机构克服切削力，使运动部分带动刀具完成所要求的往复运动，并保证在进给机构运行的整个过程的行程误差达到最小。设系统增益放大器的放大系数为 ，不考虑位置反馈和速度反馈，此时的1.2zk传递函数为：22950.6()3178.znaGsss（3.10）假设各个反馈环节和调节环节均为反馈补偿，由公式 3.9 和公式 3.10 可得补偿环节的传递函数为：222 3()950.63463178.15.97.610.96.yhbGsss s（3.11）由上式可以确定反馈环节中速度反馈系数为 = ，位置反馈系数为1k3.60=0.966，取为 1。对应图 3.6，速度反馈和位置反馈确定之后，只剩下调节器的传2k递函数需要进一步确定，设为 。在图 3.6 中，调节器处于顺馈回路，由此表示()tGs出各个组成部分传递函数之间的关系：12()()()tyh tGsxsks（3.12）将各个环节的传递函数带入，可得：（3.13212()131() 130.(0.2)(.yut Gsskss ）因此调节器的总的传递函数为：1()()13.2(0.2)(.zttGskss总（3.14）由上述计算和分析，我们可以最终得到磁力微进给机构的优化控制系统，如下图所示，图 3.7 优化后的控制系统3.4 控制系统的稳态精度分析前面得到微进给机构控制系统优化后的传递函数 ，22346()15.97yhGss对系统进行等效简化可以得到微进给机构控制系统的另一等效结构，如下图所示：图 3.8 控制系统等效结构由上图可得微进给机构的闭环控制系统的开环传递函数为：(3.15)2346()15.GsHs该控制系统的开环传递函数为 I 型。当给定输入为阶跃输入时，系统的稳态误差为 0，即位置误差为 e=0，当给定为等速输入时， ，可求得稳态速读误差为：002limlim0.351976()4.s se s该控制系统的位置误差为 0，速度误差为 0.0035，加速度误差为 。而对于微进给机构，位置跟随精度是主要的设计指标，而对速度和加速的的跟随精度没有要求。另外，由图 3.5 分析可得， 的频段内， ，闭环控制系统()L()-j总 大 于稳定，综上所述，此控制系统满足设计要求4 电路部分设计4.1 基本组成部分的电路选择及设计4.1.1 驱动电源的分析选择用于微进给装置的驱动电源是直流放大驱动电源，它的作用是为大行程高频响的微进给机构提供所需要的功率，下面对微进给机构的驱动电源进行分析。驱动电源提供给微进给机构的电流为 I，则驱动力为 F=BIL，其中导线长度L=12.369m，磁感应强度 B=0.7T，当要求驱动力为 200N 时，驱动电源提供的电流为：I=F/BL=20A求出电源提供的电流后，再确定电源的输出功率和电压。电路中电阻 R 由两部分组成，一部分是动圈的电阻 ,另一部分是线圈和电源之间的连接线所形成的电阻 ，1R 2由此可以确定电源的输出电功率和电压：，12()UI212()PIR由经验得电路的总电阻 R2，则电源的电压和输出电功率分别为U=40V，P=0.8kw。由于微进给机构的往复运动的方向的改变是通过改变电流的方向来实现的，所以驱动电源的电压采用双极性供电方式，电源输出范围为 ，考虑电路的电压降，U供电电压应大于 U。4.1.2 传感器的选择微进给机构的位移精度取决于检测装置的检测精度，一般情况下，要求机构检测装置的检测精度比要求的进给精度要高 0.5-1 个数量级，设计的微进给机构所要求的的位移精度为 1um， ，因此用于微进给机构位移测量的传感器的测量精度至少为0.1um-1um。涡电流传感器的测量范围及特点符合微进给机构的位移测量，因此机构的位移测量选用涡电流传感器。涡电流传感器用于动态的非接触测量，测量范围随传感器的结构、尺寸、线圈匝数以及激励频率有关，测量范围从 um 到 um，最高分辨率可以达到 0.5um。10此外，涡电流传感器机构简单，易于安装，不受外界油液等介质的影响。综上所述，磁力微进给系统的位移测量装置选用涡电流传感器。4.1.3 调节器的设计微进给系统中，调节器用于控制调节控制系统的放大、截止频率和相频裕度，使微进给系统有好的稳定性和较高的进给精度以及好的动态特性。由公式 3.14 得调节器的总传递函数为：1()13.2(0.2)(.tGss总（4.1）由传递函数可以设计调节器的结构形式如下图所示，图 4.1 调节器电路原理图由图 4.1 可以将公式 4.1 变形为：5211324() ()(1)t RRGsCss总（4.2）为了满足调节器的传递函数的要求，由图 4.1 和公式 4.2 可以确定：， ， ，213R10.2320.1R54.2现在取 ， ， ， ， ，12CuFk26k3k51Rk，此时可以满足调节器的传递函数和电路的设计要求。40Rk4.1.4 反馈电路的设计反馈环节包括速度反馈和位置反馈，速度反馈环节可以设计速度拾取器，电路原理图如图 4.2 所示，图 4.2 速度反馈原理图由图 4.2 可以得：1032()()idutRutC（4.3）由公式 3.11 得速度反馈系数为 ，令 = ，现在取3.61132R3.610，此时可以满足速度反馈的传递函数和电路3123,.60,0CuFRRk设计的要求。对于位置反馈，微进给机构的位置反馈环节单位反馈环节，系数为 1，在电路中可以直接用导线连接构成反馈回路。4.2 电路系统芯片选择 （1）微进给机构的电路系统选用 MCS-51 系列单片机 8031。（2）D/A 转换器芯片 DAC0832DAC0832 是一个 8 位 D/A 转换器芯片，由单电源供电，从+5V 到-15V 均可正常工作。基准电压的范围为 ；电流的建立时间为 1us，CMOS 工艺，低功耗10V20mW，度在整个温度范围内线性为 8、9 或 10 位，增益温度系数为 0.0002%FS/摄氏度。（3）A/D 转换器芯片 ADC0809A/D 转换器时间模拟量转换成数字量的器件。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是声、光、压力、温度等随时间连续变化的非电量的物理量。非电量的模拟量可以通过合适的传感器转换成电信号。ADC0809 是逐次逼近式的 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。 ADC0809 是 8位逐次逼近型的 A/D 转换器，所有引脚的逻辑电平与 TTL 兼容。分辨率为 8 位，转换时间为 100um，不可调误差为 ，功耗为 15mW，工作电压为1LSB（ 最 低 有 效 位 ）+5V，参考电压标准值为+5V。片内无时钟，一般需要外加 640Hz 以下且不低于100Hz 的时钟信号。（4）程序存储器扩展芯片 27642764 是单片机程序存储扩展的 8K 字节的典型芯片，它有五种工作状态，由各种信号的状态组合来确定，其各种工作方式的基本情况cpCEVOPGM、 、 、 以 及如下表；控制输入操作方式 CEOPGMpVc功能编程写入 0 1 0 25V 5V D0-D7 内容存入相应单元格读出数据 0 0 1 5V 5V A0-A12 对应单元格输出低功能维持 1 5V 5V D0-D7 高阻状态编程校验 0 0 1 25V 5V 数据读出编程禁止 1 25V 5V D0-D7 高阻状态（5）数据存储器扩展芯片 6264在微进给控制系统的电路中，最常用的静态数据存储器芯片为 6264。6264 为容量为 8K8 位 RAM，它是 CMOS 工艺制作，单一+5V 供电。它由 作CE1W、 2 、 和 O为控制信号，决定 6264 的工作方式，如下表，控制信号 CE12OW数据线读 L H L H 输出写 L H L 输入非选 H 高阻态非选 L 高阻态输出禁止 L H H H 高阻态（6）地址锁存器 74LS373除程序存储器扩展外，还必须有存储器芯片。微进给机构电路控制系统选用锁存器 74LS373。（7）74LS139 译码器74LS139 是双 2-4 译码器，即对 2 对输入信号进行译码，得到 8 个输出状态，74LS139 译码器的真值表如下图所示，输入端 输出端使能端 选择端 Y0 Y1 Y2 Y3GB A100000011010110111110111110111110（8）运算放大器芯