步进电动机通过一级齿轮减速驱动单轴直线伺服移动机构系统设计（我的数据是第九组）
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步进电动机通过一级齿轮减速驱动单轴直线伺服移动机构系统设计（我的数据是第九组）,步进,电动机,通过,一级,齿轮,减速,驱动,直线,伺服,移动,机构,系统,设计,数据,第九
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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。 关键词关键词 机电一体化，伺服驱动，单轴直线运动单轴直线伺服移动机构IIAbstractAbstract 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 motionIII目目 录录中文摘要.IAbstract.II1 引言. 11.1 课题研究背景.11.2 课题研究意义. 11.3 伺服驱动现状及发展趋势.21.3.1 国外现状及发展趋势.21.3.2 国内现状及发展趋势.32 单轴直线伺服移动机构单轴整体方案设计.52.1 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.62.2 机构的整体结构设计.7 2.3 主要设计参数及其依据.73 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.164 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单轴直线伺服移动机构IV 4.2.3 步进电机驱动电路设计.22 4.2.4 其他辅助电路设计.22 - 1 -1 1 引引 言言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。1.21.2课题研究意义课题研究意义（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。单轴直线伺服移动机构- 2 -1.31.3伺服驱动的现状与发展伺服驱动的现状与发展趋势趋势1.3.1 国国外外现现状状及及发发展展趋趋势势无人化、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25kHz 提升到 1520kHz，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- 3 -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510Mbit/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 0.125185kW，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%以上的故障出自伺单轴直线伺服移动机构- 4 -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 0.1590N；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。 2.1.12.1.1 机械方案设计机械方案设计 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,单轴直线伺服移动机构- 6 -移动精度和定位精度高的优点图 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2.32.3主要设计参数及其依据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）脉冲当量(mm)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200040000.31.50.0160022300020一端固定.一端游动单轴直线伺服移动机构- 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=10mm3.1.2 滚珠丝杆副的载荷及转速计算：滚珠丝杆副的载荷及转速计算：1）托板尺寸：长宽高=30mm 300mm 300mm2）托板重量：NN21110*8 . 730*300*300W233）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：400N5）工作台运动部分总重：211100400711GN=+=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4N0.005711NfGFmin7)最大载荷 Fmax采用矩形滚动导轨工作载荷等效公式：()mxzyFKFFFGm=+其中： 1.1K =0.005m= 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：Fm=1167N322112223113m1ntnFtnttnFm确定当量转速：min/r28n2211mtntn预期额定动载荷按预期工作时间计算：使用寿命 24000hLh=滚珠丝杠副寿命（）6060/10mhLn L=610 r最大动载荷：30QwHmFL f f F=N55160.005711)(25001 . 1*5000G)f(F2KF1Fmax- 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=58HRCN9091FQ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 =5000N3.4ef =1maxFF得Fmaxfe=17000NQF取以上结果最大值N17000Cm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 20mmmm=（1/41/3)重复定位精度=3mdmm=（1/51/4)定位精度=6mdmm取最小值=3mdmm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=0.090m02mmWLdamd=查实践表 3-26 a=0.039 L=1.1*行程+（1014）=900mmhP=11.48mm020.039mmWLdmd=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 FFZD3210-3hPmC2mdd2=26.5mm Ca=20600N Coa=43800N确定预紧力：NF166731Fmaxe单轴直线伺服移动机构- 10 -图 3.1 滚珠丝杆两端固定形式3.1.3 滚珠丝杆的校核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）max521422110fLdkkFcc（其中： f=21.9 ）311k42k730. 4NFFFNFC551610157. 1108003 .27431max5524摩总所以验证稳定性合格.3.1.4 滚珠丝杆副的极限转速滚珠丝杆副的极限转速 nc的校核的校核(避免高速运转时产生共振避免高速运转时产生共振)322222210260cccLdfAEILkn max372min/103.01010800.3279 .21nr验算合格.- 11 -3.1.5 Dn值的验证值的验证 7000069402007 .34.maxnDDnpw经验证合格3.1.6 基本轴向额定静载荷基本轴向额定静载荷 Cu的验算的验算 )2( N26200N1103255162.max取soaoaasfCCFfCu3.1.7 轴承选择轴承选择1.1.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。2.2. 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。3.3. 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，以适应由于单轴直线伺服移动机构- 12 -热胀冷缩而引起轴的伸长或缩短。4.4. 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。5.5. 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。6.6. 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 1dF2dF 1F1rF2rF图 3.2 角接触球轴承径向力：N12502/25002/FFF22rr1派生轴向力：N17632/41. 1FF22d1Fd N6763FFF2d1a1N1763FF2d2a取载荷系数1.2pf = 11/5.411.14arFF =径向当量动载荷：N4893F7.50F35. 0fP1a1rp1）（3.41F/F2d2r径向当量动载荷：P1=4893N求轴承具有的基本额定动载荷：- 13 -NLh1677810n60PC36m1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/T292NNCr1677826200 所选轴承满足设计要求。 图 3.3 滚珠丝杠副参数单轴直线伺服移动机构- 14 -3.23.2步进电机的选择、计算及验算步进电机的选择、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:mNmFPThF.0071. 0.N9 . 014. 3201. 0420外加径向载荷时的摩擦力矩:mNmPFThLFL.75. 9.N9 . 014. 3201. 055162滚珠丝杆副预加载荷 Fb 产生的预紧力矩:NmmPFThb62. 0.N9 . 09 . 01.14. 3201. 016671.2222202）负荷转动惯量 JL（Kg.m2）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 . 62572. 0033. 0108 . 7mkgJs移动平台转换的转动惯量；Jb=(Ph/2)2m=0.63*10-4kg.m-33）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. 00.6 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：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)快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 Teq1Teq1= Tam1+Tf0+T0=1.021N.m5) 快速负载启动时电动机转轴所承受的负载转矩 Teq1Teq2=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.m6）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.13.313Tmax查初选电机 130BYG3503 的最大静转矩为。所选电机满足要求mN.367）联轴器的选择传动轴上的公称转矩=10.1N.m = 9550=9550 2(60 103)取工作情况系数1.5AK =计算转矩= = 1.5 10.1 = 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 4 单轴直线伺服移动机构控制系统设计单轴直线伺服移动机构控制系统设计4.14.1 单片机单片机简介简介 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 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪 80 年代，由当时的 4 位、8 为单片机，发展到现在的 32 位 300M 的高速单片机。4.1.14.1.1 单片机的发展历史及趋势单片机的发展历史及趋势 单片机诞生于 1971 年，经历了 SCM、MCU、SoC 三大阶段，早期的 SCM 单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，此后在 8031 上发展出了MCS51 系列 MCU 系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。 90 年代后随着 消费电子产品 大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用， 32 位单片机迅速取代 16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。 而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80 年代提高了数百倍。目前，高端的 32 位 Soc 单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1 美元，最高端的型号也只有 10 美元。 当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的 Windows 和 Linux 操作系统。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。4.1.24.1.2 单片机的优点单片机的优点1、主流单片机包括 CPU、4KB 容量的 ROM、128 B 容量的 RAM、 2 个 16 位定时计数器、4 个 8 位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。 2、系统结构简单，使用方便，实现模块化； 3、单片机可靠性高，可工作到 106 107 小时无故障； 单轴直线伺服移动机构- 20 -4、处理功能强，速度快。 5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品 6、控制功能强 7、环境适应能力强。 图 4.1 单片机芯片4.1.34.1.3 单片机的应用发展方向单片机的应用发展方向 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统， 录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域4.24.2 控制系统设计控制系统设计设计采用开环控制系统，其结构见图如下：电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、n脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大- 21 -图 4.2 开环控制系统数控系统的硬件电路由以下几部分组成：1、主控制器。即中央处理单元 CPU2、总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。3、存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4、接口。即 I/O 输入输出接口。数控系统的硬件框图如下所示：图 4.3 数控系统硬件框图 4.2.1 主控制器的选择主控制器的选择系列单片机是集中，端口及部分等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用芯片作为主控芯片。4.2.2 存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计1）程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用芯片。其型号有：2716
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