钻床x-y工作台及其运动控制系统的设计【优秀机械机电毕业设计论文】【A6193】
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钻床
工作台
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控制系统
设计
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优良
机械
机电
电机
毕业设计
论文
a6193
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-
文档包括:
说明书一份,38页,17200字左右.
开题报告一份。
图纸共3张,如下所示
A1-X-Y工作台装配图.dwg
A1-电器原理图.dwg
A2-X-Y数控工作台总体方案图.dwg
- 内容简介：
-
工作台重量 G=75N（本设计负载为 0） 导轨预紧力为 98N 工作行程 l=100载最大滚动体上的负载 南 京 理 工 大 学 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 王守刚 学 号： 020190500708 专 业 ： 机电一体化 设计 (论文 )题目 ： 钻孔用 及其运动控制系统的设计 指 导 教 师 : 张雯 2008 年 08 月 27 日 开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导 教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于 15篇（不包括辞典、手册）； 4 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 2005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表 示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2007 年 3 月 15 日”或“ 2007 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 现代科学技术的发展，极大的推动了不同学科的相互交叉与渗透导致了工程领域的技术与改造。 机电一体化是以电子技术特别是微电子技术为主导、多种新兴技术与机械技术交叉融合而形成的综合性高技术，是机械与电子技术有机结合的产物，其目的是不断提高劳动生产率，减轻人们的体力劳动 ，逐步代替部分脑力劳动，通过这种技术生产出来的是种类繁多的机电一体化产品，这些产品广泛应用到国民经济、科技活动、国防建设和人们生活的各个领域。 数控技术是综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控、机械制造学等科学领域最新成果而形成的一门交叉科学技术。数控技术已成为现代制造业的核心技术之一，是实现柔性制造、计算机集成制造、工厂自动化的重要基础技术之一。 数控技术，简称数控（ C）它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法，数控技术在 机床控制中的广泛应用，形成了数控技术发展主流 机床数控技术和机床数控系统。机床数控系统能够逻辑的处理使用号码，或者其它符号编码指令规定的程序，能够自动完成机床加工信息的输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。 应用数控技术或装有数控系统的机床称为数字控制机床（ 称数控机床。随着电子技术的发展，数控机床采用了计算机数控系统，因此也称为计算机数控机床或 数控机床产生于 20世纪 50年代，是集机、电、液、气、光于一体的新 型自动化机床，它综合了计算机技术、自动控制、精密检测和精密制造等方面的科技成果，是机电一体化的典型产品，要实现对产品的控制需要拥挤和信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数。例如进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开 /关等。这些信息按一定的格式形成加工文件（数控加工程序），存放在信息载体（如磁盘、磁带、穿孔纸带等）上，然后由机床上的数控系统读入或直接通过数控系统的键盘输入，或通过通信方式输入，通过对其译码，从而使 机床动作和加工零件。 数控机床是一种高 效、自动化机床，其之所以能在机械加工中得到广泛的应用，主要由于其它加工设备相比，数控机床具有以下特点： 1)适用范围广，易于加工形状复杂的零件，适应性强，由于数控机床具有多坐标轴联动功能，并可按照零件加工的要求变换加工程序，数控机床能完成很多普通机床难以胜任，或者不可能加工出来的复杂型面的零件。因此，数控机床首先在航空航天等领域获得应用。 2)加工精度高，产品质量稳定。现代数控机床按照预定的程序自动加工，不受人为因素的影响，其加工精度由机床来保证，并且具有较强的插补功能和自动编程功能，可方便的对复杂轮廓进行自动编程及加工处理，因此能够获得比机床本身精度还要高的加工精度及重复精度。 3)工件加工周期短，生产效率高。使用数控机床加工零件，对于模具、专业工装夹具、划线加工准备等要求大幅度降低；由于加工中有较高的重复精度，检验工作也得以简化；零件变更调整时间、刀具变更调整时间减少，加工中心合理选用切削用量，机加工时间短，这些方面的变化 使工件加工周期大为缩短，生产效率显著提高，数控机床的生产率比普通机床的生产率高 23倍。尤其是某些复杂零件的加工，生产率可提高十几倍甚至几十倍。 4)减少工人劳动强度，数控机床主要是自动加工，能自动换刀、起停切削液、自动变速等，其大部分操作不需人工完成，大幅度减轻了操作工人的劳动强度，同时减少了人为因素的影响，使产品加工质量比较稳定，一致性好，也降低了废品、次品率。 5)可实现精确的成本计算和科学管理，数控加工可正确计算出加工工时和生产进度计划等成本和管理信息，简化和减少了检验、工具准备、半 成品调度等管理工作，并可实现一机多用，多机看管具有广泛的适应性和较大的灵活性，数控机床具有的通信接口，可实现计算机之间的连接，组成工业局部网络（ 采用制造自动化协议（ 范，实行生产过程的计算机管理与控制，这些均为降低成本、提高管理水平创造了条件。 6)有利于实现优化控制和生产系统的集成、计算机数字控制标准代码编程等数控机床的基本控制形式，非常有利于多机之间或与计算机管理系统进行连接，实现生产系统的信息集成。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 本课题要研究或解决的问 题和拟采用的研究手段（途径）： 本课题要设计完成一个采用步进电动机控制的双坐标开环数控控制的工作台。 步进电动机又称脉冲电动机。在机电一体化系统中常用做开环运动控制系统的驱动 电动机，是一种能将电脉冲输入转化为模拟的输出轴运动。每输入一个脉冲，旋转式步 进电动机的输出轴转动一步，因此，当输入一串脉冲序列时，输出轴就以等增量的转角响应该输入序列，输出步数等于输入脉冲个数，转速与输入脉冲频率成正比。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以 通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机开环进给系统的脉冲当量一般取为 冲当量小，进给位移的分辨率和精度就高，但是由于进给速度 =60f mm/ =60同样的最高工作频率 越小，则最大进给速度之值也越小。 提高开环进给系统位置精度的方法有：开环进给系统中，步进电机的步距角精度，机械传动部件的精度，丝杠、支承的传动间隙及传动支承件的变形等 ，将直接影响进给精度，为提高系统的精度，应该适当提高系统组成环节的精度，此外，还可采取传动间隙补偿和螺距误差补偿等各种精度补偿措施。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 指导教师意见 ： 1对“文献综述”的评语： 2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日 所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 南 京 理 工 大 学 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 王守刚 学 号： 020190500708 学院 (系 ): 专 业 : 机电一体化 题 目 : 钻孔用 及其运动控制系统的设计 指导者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 2008 年 09 月 张雯 毕业设计说明书（论文）中文摘要 随着机电一体化技术的迅速发展，新的机电一体化产品竞相出现。面对国际市场日益激烈的竞争，以及对知识产权的高度重视，单纯靠引进和仿制国外产品将使企业失去竞争力。 只有通过产品创新，才能从根本上解决的生存和发展问题。机电一体化系统的设计理论、方法和应用，是适应技术新潮流的需要，是自主创新的需要，关系到我国能否开发更多的具有自主知识产权的产品，由机械制造大国转变为世界机械制造大国。 本论文主要论述了由 单片机控制 的 钻孔用 作台 ，首先在 绪论 中介绍了机电一体化的一些概念及特点，数控机床组特点成及其发展趋势；第二章介绍了机械系统传动件和支撑机构的设计与计算；第三章伺服系统的组成及步进电机的选型计算和驱动控制；第四章主要是控制系统硬件电路的设计；最后是对论文的总结 。 关键词 作台 单片机 步进电机 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 页 目 次 1 绪论 1 机电一体化概述 1 机电一体化基本概念 1 机电一体化的基本组成要素 1 机电一体化产品的特点 3 电一体化技术的发展趋势 4 机床数控化的意义及特点 5 数控机床的基本概念 5 数控机床的组成 5 数控机床的特点 6 机床数控化的意义 7 2 机械系统设计 7 述 7 珠丝杠螺母副 8 滚珠丝杠副的特点 8 珠丝杠副的结构类型 9 滚珠丝杠的计算与选用 10 向支撑机构设计 10 轨 10 动直线导轨的承载能力计算 12 3 进给伺服系统设计 14 伺服系统概述 14 服系统基本概念 14 服系统基本类型 14 服系统的基本组成 14 服系统的基本要求 15 伺服系统中的执行元件 15 行元件的种类及特点 15 步进电机 16 进电机原理 16 进电机特性 17 进电机的选型计算 18 进电机的驱动控制 20 冲分配器 21 电隔离电路 21 率放大电路 22 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 页 4 控制系统硬件电路设计 22 概述 22 23 031管脚功能 24 031芯片的存储器结构及地址分配 26 031 应用系统中存储器扩展 27 序存储器的扩展 27 据存储器的扩展 27 址锁存器 28 码电路 29 8031 应用系统中 I/O 口扩展 29 29 29 29 155 可编程并行接口 30 键盘输入与 示 31 列 式键盘 31 示电路 31 助电路 31 031时钟电路 31 031复位电路 32 031越界报警电路 32 031掉电保护电路 33 5 零件图数控加工的编程 33 结论 36 致谢 37 参考文献 38 图 1 控工作台总体方案 39 图 2 电气控制原理图 40 图 3 作台 装配图 41 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 1 绪论 机电一体化概述 机电一体化基本概念 机电一体化是微电子技术在向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是机械和微电子两种技术相互融合的产物，如图 1电一体化打破了传统的机械工程、电子工程、信息工程、化学工程、建筑工程等旧模块的划分，形成了融机械技术、微电子技术、传感器技术、自动控制技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术为一体的一门新兴的交叉学科。 图 1电一体化技术的形成 “机电一体化”的英文是“ ,它是机械（ 和电子(个字的合成词，本词在 20 世纪 70 年代中期由日本首先开始使用，现在已得到很多国家的普遍认同，并得到广泛使用。从广义上可以概括为“机械工程与电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置”。 “机电一体化”具有“技术”与“产品”两方面的内容。机电一体化技术主要是指其技术原理和机电一体化系统得以实现、使用和发展的技术。机电一体化产品主要 是指机械系统和微电子系统的有机结合，从而赋予了新功能和性能的新一代产品。 机电一体 化的基本组成要素 一个较完善的机电一体化系统由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算 机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）五个系统组成，如图 1组成要素和环节之间通过接口相联系。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 图 1（ 1） 机械系统 用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成一个有机整体。机械系统是机电一体化系统必要的组成部分，没有它，系统的各个部分就会支离破碎，无法构成具有特定功能的机电一体化产品或系统。例如，工业机器人和数控机床的本体就是机身和床身；指针式电子表的本体是表壳。 （ 2） 计算机信息处理和控制系统 机电一体化系统的基本特征是给“机械“添加了头脑，根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理与控制系统接收传感和检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对系统的 运行施以控制，实现预定的控制功能。机电一体 化产品中，信息处理与控制系统主要由计算机硬件和软件以及相应的接口电路组成。硬件一般包括输入输出设备、显示器、可编程控制器和数字控制。软件一般包括系统软件和应用软件。机电一体化产品要求信息处理速度快， A/，系统的抗干扰能力强。 （ 3） 动力系统 按照机电一体花系统的控制要求，为机电一体化产品或系统提供能量和动力，去驱动执行机构工作，以完成预定的功能。动力系统包括电、液、气等多种动力源。 传感器 执行机构 计算机 动力 机械结构 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 （ 4） 传感检测系统 机电一体化产品在运行过程中自 身和外界环境的各种参数及状态按一定精度要求转化成测定的物理量，为机电一体化产品的运行控制提供所需要的各种信息。传感与检测系统的功能一般由传感器或仪表来实现，对其要求是体积小、便于安装与连接、检测精度高、抗干扰能力强等。 （ 5）执行元件 在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行元件一般是运动部件，常采用电液、机械、气动等。执行机构因机电一体化产品的类型和作业对象不同而有较大差异。执行机构是实现产品木的功能的直接执行者，其性能好坏决定着整个产品的性能，因而是机电一体化产品中重要的组成部分。 机电一体化产品的特点 与传统的机械产品比较，具有以下特点： （ 1） 综合性与系统性 机电一体化是微电子技术、计算机技术、信息技术等群体技术与机械技术结合而成综合技术。各种技术的综合及多个部分的组合，使得机电一体化技术和产品更具有系统性、完整性和科学性。 （ 2） 多层次，覆盖面广 机电一体化技术不仅体现在一些单机产品中，而且贯穿于工程系统设计中。从单台的机电一体化产品，到现代工业中的柔性制造系统；从简单的单参数显示，到复杂的多参数、多级控制；从简单的零件自动加工生产线，到各种现代机械设备、交通工具的自动化生产线等 ，机电一体化技术都有其不同层次、覆盖面很广的应用领域。 （ 3） 结构简单，操作方便 机电一体化系统采用了新型器件和装置代替了笨重而复杂的机械或电子装置。微 处理器控制装置可以方便地完成过去靠机械传动链和机构实现的关联运动，使机械结 构简化，体积减少，重量减轻，不仅提高了自动化程度，而且大大提高产品质量。机 电一体化技术使得操作人员摆脱了以往必须按操作规程或节拍频率紧张地进行单调重复操作的工作方式，能方便地控制和改变生产操作程序，如数控机床、柔性制造系统。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 （ 4） 精度高，功能强 机电一体化技术使机械传动部件减少，因而使 机械磨损、配合间隙和受力变形等所引起的动作误差大大减少。由于采用了电子技术，反馈控制技术水平的提高，能进行高速处理，通过电子自动控制系统自动诊断、校正、补偿、从而达到工作要求。 （ 5） 高可靠性、高稳定性和高使用寿命 传统机械装置的运动一般都伴随着磨损及运动部件配合间隙所引起的动作误差、同时发出噪声、振动等，影响装置的寿命、稳定性和可靠性。而机电一体化技术的应用，使装置的运动部件减少，磨损也大为减少，例如集成化接近开关甚至无机械磨损。因此装置寿命提高，故障率降低，从而提高了产品的可靠性和稳定性。 机 电一体化技术的发展趋势 随着社会生产和科学技术的发展与进步，机电一体化技术正在不断地深入到各个领域并迅猛地向前推进，它已引起机械工业部门许多深刻变革。因此，了解其发展前景与发展趋势，对于掌握新技术产生与经济发展的关系与规律，对于跟踪世界科学技术发展的步伐是十分重要的。 虽然世界各先进工业国家发展机电一体化各有特点，发展的重点和具体做法也不尽相同。但总的趋势则是趋于一致的，归纳起来有以下几个发展方向： （ 1） 复合化 （ 2） 微型化 （ 3） 高性能化 （ 4） 移动化 （ 5） 智能化 （ 6） 层次化 （ 7） 模块化 （ 8） 网络化 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 机床数控化的意义及特 点 数控机床的基本概念 数字控制机床 (称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。 数控机床的组成 数控机床的组成 : 数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置 （ 、伺服驱动装置、机床主体 。 （ 1） 控制介质 人和数控机床联系的媒介物。控制介质可以是穿孔带，也可以是穿孔卡、磁带、磁盘或其他可以储存代码的载体 ，有些直接集成在 （ 2） 数控装置 数控装置是数控机床的中枢，在普通数控机床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。在计算机数控 机床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的作用由一台计算机来完成 。 （ 2） 伺服系统 其作用是把来自数控装置的脉冲 信号转换成机床移动部件的运动，包括信号放大和驱动元件。其性能好坏直接决定加工精度、表面质量和生产率。 （ 3） 机床 早期采用通用车床，现在采用了新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的技术使其发生了很大的变化。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 数控机床的特点 数控加工就是数控机床在加工程序的驱动下将毛坯加工成合格零件的加工过程。数控机床控制系统具有普通机床所没有的计算机数据处理功能、智能识 别功能以及自动控制能力。数控加工与常规加工相比有着明显的区别，其特点如下： （ 1） 自动化程度高，易实现计算机控制 除了装夹工件还需要手工外，全部加工过程都在数控程序的控制下，由数控机床自动完成，不需要人工干预。因此加工质量主要由数控程序的编制质量来控制。 （ 2） 数控加工的连续性高 工件在数控机床上只需装夹一次，就可以完成多个部位的加工，甚至完成工件的全部加工内容。配有刀具库的加工中心能装有几把甚至几十把备用刀具，具有自动换刀功能，可以实现数控程序控制的全自动换刀，不需要中断加工过程，生产效率高。 （ 3） 数控 加工的一致性好 数控加工基本消除了操作者的主观误差，精度高、产品质量稳定、互换性好 （ 4） 适合于复杂零件的加工 数控加工不受工件形状复杂程度的影响，应用范围广。它很容易实现涡轮叶片、成型模具等带有复杂曲面、高精度零件的加工，并解决一些如装配要求较高，常规加工中难以解决的难题。 （ 5） 便于建立网络化系统 例如建立直接数控系统（ 把编程、加工、生产管理连成一体，建立自动化车间，走向集成化制造。甚至于 成企业的数字化制造体系。数控程序由 用数字化和可视化技术，在计算机上用人 机交互方式，能够迅速完成复杂零件的编程，从而缩短产品的研制周期。 近年来，随着数控机床的模块化发展，使数控加工设备增加了柔性化的特点。先进的柔性加工不仅适合于多品种、小批量生产的需要，而且增加了自动变换工件的功能，能交替完成两种或更多种不同零件的加工，可实现夜间无人看管的生产操作。有数台数控机床（加工中心）组成的柔性制造系统（ 一种具有更高柔性的自动化制造系统，具有将加工、装配和检验等制造过程的关键环节高度集成的自动化制造系统。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 机床数控化的意义 一般说来，数控机床比传统机床有以下 突出的优越性。 （ 1） 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 （ 2） 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 3 7 倍。 （ 3） 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要工人 修配 。 （ 4） 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 （ 5） 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 （ 6） 降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 2 机械系统设计 述 机电一体化产品中的机械系统包括传动机构、导向支撑机构和执行机构，其主要功能是完成一系列机械运动，起到传递机械力、运动、能量和支撑整个系统的作用，是机电一体化产品中不可缺少的组成部分。由于在机电一体化产品中广泛采用伺服技术和计算机控制技术，每一个机械运动可单独由控制电机、传动机构和执行机构组成子系统来完成，各个子系统之间的运动协调由计算机来完成，因此机械系统已经成为整个伺服系统的一部分，其性能对机电一体化产品有着重要影响。 （ 1） 机电一体化对机械系统的基本要求 高精度 精度直接影响产品的质量，机电一体 化产品的技术性能、工艺水平和功能比普通机械产品都有很大的提高，因此机电一体化产品的机械系统的高精度要求是首要的。 低惯量 快速响应是控制系统的一相重要指标，这就要求作为伺服系统一部分的机械系统惯性要低，包括重量轻和转动惯量小、低阻尼等。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 稳定性 即要求机械系统的工作性能不受外界环境影响，抗干扰能力强。 （ 2）机械系统的组成及其设计要求 传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是运动和力矩的变换，而且已经成为伺幅系统的一部分，它要根据伺服控制的要求进行设计以满足整个系统的良好伺服性 能。传动机构的性能主要取决于传动类型及其传动方式、传动精度、动态特性即可靠性，在伺服系统中，还要考虑它们对伺服系统的精度、稳定性和快速性的影响。对于开环系统，其传动精度不仅取决于单个传动件的精度，还取决于整个传动系统的精度。此外，机电一体化系统中传动装置还要满足小型、轻量化、高速化、低振动、低噪声和高可靠性等方面的要求。 导向支撑机构 机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支撑，并能准确地完成其特定方向的运动，这个任务由导向支撑机构来完成。导向支撑机构的精度、刚度、抗震性、热稳定性等因 素都会影响整个系统的精度、动态特性和可靠性。 执行机构 执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预定的操作，实现产品的功能。因此，要求执行机构能准确定位，具有较高的灵敏度、良好的可重复性和可靠性。 滚珠丝杠螺母副 珠丝杠副的特点 （ 1）传动效率高，磨擦损失小 = tg ) 式中 滚珠丝杠副的传动效率 =常规丝杠副提 高了 34 倍，因此功率消耗小。 （ 2） 予适当预紧，可消除丝杠和螺母之间的间隙 滚珠丝杠副预紧后，可消除螺纹间隙，这样反向时就没有空程死区，反向定位精度高。与常规丝杠螺母副比较有较高的轴向刚度。 （ 3） 运动平稳，无爬行现象，传动精度高 滚珠丝杠副是滚动摩擦，阻力小，这样就可以保证运动的平稳性。由于滚珠丝杠副是滚动摩擦，没有爬行现象，故传动精度高。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 （ 4） 可逆性 滚珠丝杠副摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，丝杠和螺母都可以作为主动件或从动件。 （ 5） 摩损小，使用寿命常 因为滚动摩擦的摩擦系数小 ，磨损也小，故使用寿命常。 （ 6） 制造工艺复杂，成本高 滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，光洁度也高，故制造成本也高。 （ 7） 不能自锁 特别是垂直丝杠（立向），由于自重惯性力的关系，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需要要添加制动装置。 滚珠丝杠副的结构类型 （ 1）外循环插管式 外循环插管式滚珠丝杠副的滚珠，在循环过程中有一段离开丝杠表面，通过弯管形成回路。它的结构简单，制造容易，但径向尺寸大，且弯管两端管舌耐磨性和抗冲击性差。如图 2-1(b)所示 （ 2）内循环反向器式 内循环反向器式滚珠丝 杠副的滚珠，在循环过程中始终与丝杠表面接触，通 过反向器越过螺纹的外径进入相邻滚道，形成一个循环回路。内循环反向器式结构回路短，摩擦小，效率高，径向尺寸小，制造成本高。如图 2-1(a)所示 图 2珠丝杠螺母副 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 滚珠丝杠的计算与选用 计算进给率引力 M=150 算最大动负载 C 3 f F L=60 n T 101000 式中 滚珠丝杠导程，初选 最大负载下的进给速度，可取最高进给速度的 1/2 1/3，此处 运转系数 寿命、以 106为一单位 01000 1 0 0 0 0 . 3 7 5 6 2 . 5 / m i L=60 n T 100 62. 5 15000 10 3 5 6 . 2 5 1 . 3 7 . 5 3 7 . 3 5 f F N 滚珠丝杠副的选型： 导向支撑结构 轨 导轨副用于引导运动部件的走向，保证执行件的正确运动轨迹，并通过摩擦和阻尼影响执行件的运动特性，如定位精度和低速均匀性。导轨副包括运动导轨和支撑导轨。支撑导轨用以支撑和约束运动导轨，使之按要求作正确的运动。 导轨应满足的要求 （ 1）导向精度 导向精度指导轨副中运动件实际运动方向与给定运动方向之间的准确程度。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 （ 2）接触精度 以导轨表面的实际接触面积占理论接触面积的百分比或 25 25面积上接触点的数目和分布状况来表示 （ 3）精度保持性 精度的保持性是指导轨在长 期使用后，对导向精度的保持能力，主要由导轨的耐磨性决定的。提高导轨的精度保持性，必须对导轨进行正确的润滑和防护。 （ 4）运动的灵活性和低速运动稳定性 机电一体化产品要求较高的定位精度和速度精度，因此要求导轨具有较好的灵活性和稳定性，工作时应速度均匀，低速运动时不产生爬行现象。 滚动直线导轨 滚动直线导轨副是在划块之间放入适当的钢球，滚动导轨的配对导轨面间由钢珠隔开，导轨面不直接接触，运动时与钢珠产生滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，摩擦阻力可降到原来的 1/40，使驱动功率大幅度下降，适应高速直线 运动，其瞬时速度比比滑动导轨提高约 10 倍，能实现高定位精度和从复定位精度。滚动直线导轨副由导轨、滑块、钢球、反响器、保持架、密封端盖及挡板组成如图 2 图 2动直线导轨副 滚动直线导轨的特点有如下几点： （ 1） 高刚性，四方向等负荷设计 滑块的高刚性断面设计与 4 列钢珠 45 圆弧接触角的设计，除了提供径向、反径向及横方向四方向的相同额定负荷能力，并且能够施加足够的预压增强其刚性，适合各种安装方式的应用。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 （ 2） 具自动调心能力 正面组合（ 合）的圆弧满槽设计，使其具有自动调整的能力，即使给于预压也能够吸收安装误差，并维持平滑稳定、高精度的直线运动。 （ 3） 行走顺畅度佳，低噪音 简单圆滑的钢珠回流路径设计，并采用耐衡击的强化合成树脂之钢珠循环配件，运转顺畅度佳，噪音度低 。 （ 4） 具互换之特性 在严密的制造精度管理下，尺寸能够维持在稳定的公差内，所以对于互换型线性 滑轨，组装时可将滑块任意配装在同型号的滑轨上，并且保持其相同的顺畅度、预压及精度，组装与维修最容易。 （ 5）卓越的高速性，寿命长 因通过保持器使球与球之间的相互摩擦消失，相对摩擦速度成为 1/2，面压降低，发热减少，既能延长寿命又具有卓越的高速性。 （ 6）长期无须维修保养 因通过保持器使球与球之间的相互摩擦消失，球的磨损消失，增强了润滑脂的保持性，实现了长期无须维修保养。 滚动直线导轨的承载能力计算 计算承载能力时，要求滚动体的最大载荷不得超过许用载荷： （ 1）初选滚珠直径为 d=9 作台重量 G=75N（本设计负载为 0） 导轨预紧力为 98N 工作行程 l=100 滚动体数目最大值： Z d= =9 受载最大滚动体上的负载 （ 2）滚动体许用负载计算 滚动体上的许用负载 F=60 1=中 d 为滚珠直径（ K 作用在滚动体横断面上的假定应力（ N/ 表 2 考虑到导轨硬度的修正系数，见表 2 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 表 2 滚动体横断面上的假定应力 K 导轨类型 K（ N/ 氮化导轨 钢制高频淬火导轨 钢制淬火导轨 6062铁导轨 200珠导轨 40 50 60 2 短滚柱导轨b/d=1 1500 1800 2000 200 长滚柱导轨 b/d 3 1000 1300 1500 150 表 2 导轨硬度的修正系数 铸铁导轨 60 180 200 220 质淬火导轨 0 55 57 60 计算结果满足 F 即 3）滚动导轨的刚度验算 滚动导轨应验算接触刚度，即接触变形的大小 = 2P 式中 2 滚珠的柔度系数 如图 2P 每个滚珠所受的负载（ N） 图 2滚动导轨柔度系数与负载的关系 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 输入 输出 3 进给伺服系统设计 服系统概述 伺服系统基本概念 伺服系统（ 也叫随动系统，是一种能够跟踪输入指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。 伺服系统是根据输入指令与输出的物理量 之间的偏差进行动作控制的 又不断消除的动态过渡过程 . 许多机电一体化产品 (如数控机床、工业机器人等 )，需要对输出量进行跟踪控制，因而伺服系统是机电一体化产品的一个重要组成部分是实现某些产品目的功能的主体。伺服系统中离不开机械技术和电子技术，其功能是通过机电结合才得以实现的，因此，伺服系统本身就是一个典型的机电一体化系统。 伺服系统基本类型 伺服系统种类很多，采用不同的分类方法，可以得到不同的伺服系统。 按被控量不同可将伺服系统分为：位置伺服系统、速度 伺服系统、力伺服系统等。其中最常见的是位置伺服系统，例如数控机床的伺服进给系统等。 按控制方式不同可将伺服系统分为：开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。开环伺服系统中无检测反馈元件，结构简单，精度低；闭环伺服系统直接对工作台等移动部件进行检测和反馈，因而精度高，结构复杂、成本高。半闭环伺服系统的检测元件位于机械执行装置中间（如伺服电机轴、滚珠丝杠上），将大部分机械构件封闭在反馈环节之外，性能介于开环伺服系统和闭环伺服系统之间。 伺服系统的基本组成 本设计中采用由步进电机控制的开环伺服 系统，其功能组成如图 3 图 3服系统基本结构方框图 脉冲分配 光电隔离 功率放大 步进电机 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 服系统的基本要求 （ 1） 输出位置精度要高 静态上要求定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小 (以保证尺寸精度 ) 。动态上要求跟随精度高，即跟随误差要小，这是动态性能指标 (以保证轮廓精度 ) 。另外，要求灵敏度高，有足够高的分辩率。 （ 2） 响应速度快 执行部件的 运动速度的建立时间 尽可能短。通常要求从 0 0 ） , 其时间应小 200则对机械部件不利，有害于加工质量。 （ 3） 调速范围要宽且要有良好的稳定性 (在调速范围内 ) 稳定性是指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要 （ 4） 负载特性要硬 在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。即 F 尽可能小；当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即 t 尽可能短；另外应有足够的过载能力。这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。 （ 5） 能可逆运行和频繁灵活启停。 （ 6） 系统的可靠性 高，维护使用方便，成本低。 服系统中的执行元件 执行元件亦称为驱动元件，是各类工业机器人、 床、各种自动化机械、计算机外设、车辆电子设备等一系列机电一体化产品必不可少的驱动部件。该元件是处于机电一体化系统的机械运行机构和微电子控制装置的接点部位的能量转换元件，能在微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能。 行元件的种类及特点 （ 1） 电气执行元件 电气执行冤元件包括控制电机（步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机），静电电动机，磁致伸缩器件、电磁铁、超声波电机等。对控制 电机的性能要求除稳速运转之外，还要求有良好的加速、减速性能以及频繁使用的适用性和便于维修性能。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 （ 2） 液压执行器件 在同样输出功率下，液压驱动装置具有重量轻、惯量小、快速性好等优点。它通常不用减速器便可以直接驱动机构得到平滑运动，且无死区。适用于驱动大规模机器。 （ 3） 气压执行元件 气压执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压执行元件无区别。气压执行元件具有结构简单，可靠性高，价格低廉等优点。气动驱动装置控制特性不好，只用在点到点的简单固定动作。气压驱动虽可获得较大驱动力、行程和速度，由于空气的可压缩性，只能用在 定位精度不高的场合。 进电机 进电机原理 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一 , 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (称为 “ 步距角 ”) ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机 转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差 (精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 如图 3 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 图 3步进电机的工作原理图 进电机特性 (1)步进电机是用脉冲控制的，步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，而仅仅与输入脉冲频率成正比，电机的速度与每秒输入脉冲数目 (脉冲速率 :比例。通常不需要反馈就能够对速度和位置进行控制； (2)精度高，运行可靠。 (3) 旋转角只有周期性误差，误差不会逐步累积。 (4)与数组设备兼容，能够直接接收数字信号。 (5)可以快速起动，制动，反转，而且具有自锁的能力。 (6)工作环境不受各种环境条件诸如温度，压力，振动，冲击等影响。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 步进电机的选型计算 （ 1） 等效转动惯量计算 计算简图见图 3动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J （ 下式计算： 0M 2G + J s + ( ) 式中 步进电机转子转动惯量（ 滚珠丝杠转动惯量（ G 工作台重量（ N）； 滚珠丝杠导程（ 初选反应式步进电机 90转子转动惯量 S=10入上式 0M 2 2 2G 7 . 5 6 g 2J J + J s + ( ) 2 1 . 1 ( ) 4 K g . c m 对于步进电机而言为了获得良好的启动能力和较快的响应速度，需满足转动惯量匹配条件： K g . c m 满足要求。 图 3动系统简图 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 （ 2） 电机力矩计算 快速启动所需力矩 M 起 M 起 a m a x f 0= M + M + M 2m a 060 J Jm a xm a x 360 代入数据： m a xm a 0 0 0 . 7 5 2 0 0 / m i 0 0 . 0 1 2 5 3 6 0 22m a 2 0 0 1 010 4 1 0 . 5 6 0 0 . 0 8 c J J 折算到电机轴上的摩擦力矩 0 0 022F L f G L 代入数据： 0 0 0 0 . 0 5 7 5 6 3 . 8 2 0 . 9 5F L f G L N c m 附加摩擦转矩 0M ： 122300 75( 1 ) ( 1 0 . 9 5 ) 0 . 4 0 . 9 5 c m 0M =综合上述三项： M 起 a m a x f 0= M + M + M = 1 0 . 5 + 3 . 8 + 0 . 4 = 1 4 . 7 N . c m 快速移动时所需力矩 M 快： M 快 = 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 从上面计算可以看出， M 起 、 M 快 两种情况下， M 起 最大，所以以此项作为初选步进电机的依据。 当步进电机为五相十拍时 = =为电机要满足m 起 ，所以m a . 7 1 5 . 4 9 5 1 c m 起 按此最大静转矩选型， 90。 计算步进电机空载起动频率和工作频率： m a 0 0 0 1 . 2 16006 0 6 0 0 . 0 1 2 5 z1000 1 0 0 0 0 . 3 7 5 5006 0 6 0 0 . 0 1 2 5 90许的最高空载起动频率为 3800行频率为 16000动矩频特性曲线如图 3全可以满足要求。 图 390起动矩频特性 进电机的驱动控制 本设计中采用步进电机开环控制，驱动步进电机的脉冲按控制要求发给电机各相。 90进电机为五相十拍，其通电顺序为 转）； 转）脉冲分配器就是实现步进电机各相通 电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有足够的功率提供给电机，因此需要功率放大环节。脉冲分配器及微机和接 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 口，工作电平为 +5V，而电动机电源需符合步进电机的额定电压。为避免强电干扰，在他们之间加隔离电路。 冲分配器 又叫环行分配器，有硬件环行分配器和软件环行分配器，硬件环行分配器需要的I/执行速度快，需要专用芯片。 硬件环行分配器： 是由门电路极其逻辑电路组成，目前已经大量采用可靠性高、外形尺寸小、使用方便的集成脉冲分配器。选用国产 性能参数数见表 3 3冲分配器主要性能参数 输出高电平（ V） 输出低电平（ V） 输入低电平（ V） 输入电高平（ V） 吸收电流（ 工作频率(电源电压（ V） 环境温度( ) 160 5 +70 各引脚功能如下： 选通输出控制。 R 清零 励磁方式控制。对于五相脉冲分配器： 选通输入控制 时钟输入端 正反转控制端 S 出错报警输出。 电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机励磁绕组，在接口处将会引起强电干扰，损坏系统正常运行，在接口电路与功率放大器之间加隔离电路，通常使用光电耦合。光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成。 光电藕荷器的基本类型：共集电极输出型、共射集输出型、达林顿管、晶闸管输出型。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 率放大电路 脉冲分配器的输出功率很小，不能满足步进电机的要求，必须将它放大产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。 从步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性可以看出 ，随着运行频率的增高，电机输出转矩下降，主要原因是步进电机是感性负载，改变通电状态时，通电绕组中的电流逐渐增大，绕组中感应电动势使电流指数规律上升，并将电源一部分能量存储在绕组中，致使电机各相绕组中电流几乎同时存在，电机负载能力下降，严重时会出现失步。电流的时间常数为 = 相绕组平均电感 R 通电回路电阻 为了改善电机动态特性，必须改善电流波形，使前后沿更陡些，可采取以下方法： （ 1）电阻法 在电机绕组回路串联一电阻 小电流时间常数。缺点是功耗大，效率低，使用于小功率 电机。 （ 2）双电源法 4 控制系统硬件电路设计 述 控制系统是机电一体化产品中最重要的组成部分，它主要实现控制及信息处理功能，此外机电一体化的其他内部功能也要在控制系统的控制和协调下才能得以实现。 机床数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能 有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。 机床数控系统的硬件系统的组成： （ 1） 主控制器，即中央处理器 （ 2） 总线，包括数据总线、地址总线、控制总线； （ 3） 存储器，包括程序存储器和数据存储器； 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 键 盘 、 显 示 及 其 他外 设I / 光 电隔 离功 率放 大C P 电 机图 4床数控系统硬件框图（开环系统） 片机简介 片机是美国 司于 1980 年推出的产品，与 片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令 ,指令数达 111 条， 片机可以算是相当成功的产品，一直到现在， 列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品 。 031基本特性 ： （ 1） 4序存储器 (（ 2） 128数据存储器 (（ 3） 32条 I/（ 4） 111条指令，大部分为单字节指令 （ 5） 21个专用寄存器 （ 6） 2个可编程定时 /计数器 （ 7） 5个中断源， 2个优先级 （ 8） 一个全双工串行通信口 （ 9） 外部数据存储器寻址空间为 64 10） 外部程序存储器寻址空间为 64 11） 逻辑操作位寻址功能 （ 12） 双列直插 40（ 13） 单一 +5V 电源供电 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 图 4031 单片机管脚 图 8031 管脚功能 40根引脚按其功能分为四类 : (1)电源线 2 根 编程和正常操作时的电源电压 ,接 +5V; 地电平 . (2)晶振 : 2根 荡器的反向放大器输入 荡器的反向放大器输出和内部时钟发生器的输入 . 使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号 . (3) I/0、 位口， 32根 I/ 在存取外部存储器时，该端口分时地用作低 8 位地址线和 8位双向的数据端口。 是一个带内部上拉电阻的 8位双向 I/供用户使用。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 （ 15） 是一个带内部上拉电阻的 8位双向 I/访问外部存储器时，它输出高 8位的地址 15。 是一个带内部上拉电阻的 8位双向 I/口的每一位均可独立定义第一 I/O 口功能或 I/O 口第二功能。作为第一功能时口的结构与操作和 全相同，第二功能如下示： 引脚 第二功能 行输入口） 行输入口） 外部中断）低电平有效 外部中断）低电平有效 定时器 0外部输入） 定时器 0外部输入） 部数据存储器写选通）低电平有效 部数据存储器读选通）低电平有效 （ 4） 控制线 ；程序存储器的使能脚，是外 部程序存储器的读选通信号，低电平有效；从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。 高电平时， 行内部程序存储器指令； 低电平时， 8031无内部程序存储器， 地址锁存使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效， 而访问内部程序存储器时， 将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器， 跳过一个脉冲。 如果单片机是 编程其间， 将用于输入编程脉冲。 位信号复用脚 ， 当 8031 通电，时钟电路开始工作，在 脚上出现 24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位 。 统即从 0000H 地址开始执行程序。然而，初始复位不改变 括工作寄存器 状态 。 本科 设计说明书（论文） 第 页 共 38 页 031 芯片的存储器结构及地址分配 8031内部无程序存储器 , 只有 256个单元 256个单元共分为两部分。其一是地址从 00H 7元（共 128 个字节）为用户数据 80H 址单元（也是 128 个字节）为特殊寄存器（ 元。从图 4可清楚地看出它们的结构分布。 图 4031 芯片存储器结构 在 00H 1 32个单元中被
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