1、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)題目:數(shù)控銑床工作臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào) 班 級(jí) 指導(dǎo)教師 成 績(jī) 2010年6月目 錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)11.1機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)題目11.2數(shù)控銑床工作臺(tái)等相關(guān)部件的基本參數(shù)1二、系統(tǒng)總體方案框圖及分析說(shuō)明12.1總體方案設(shè)計(jì)12.2繪制總體方案圖2三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算、各部件類(lèi)型選擇說(shuō)明及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的示意圖與說(shuō)明23.1移動(dòng)部件的重量估算23.2負(fù)載的分析計(jì)算23.3導(dǎo)軌副的分析計(jì)算，選型，效核43.4絲杠螺母副的計(jì)算，選型，效核53.5繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖83.6直流伺服電動(dòng)機(jī)的計(jì)算，選型，效核83.7減速器的選用93.

2、8驗(yàn)算系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量10四、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)114.1微機(jī)的選用114.2存儲(chǔ)器的選用與擴(kuò)展124.3譯碼電路設(shè)計(jì)154.4接口電路設(shè)計(jì)等164.5驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)174.6繪制控制系統(tǒng)原理框圖18五、傳感器的選擇與設(shè)計(jì)說(shuō)明195.1選擇傳感器195.2傳感器與微機(jī)的接口電路20六、課程設(shè)計(jì)總結(jié)與心得體會(huì)21七、參考資料22一、設(shè)計(jì)任務(wù)1.1機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)題目數(shù)控銑床工作臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.2數(shù)控銑床工作臺(tái)等相關(guān)部件的基本參數(shù)能用鍵盤(pán)輸入命令控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向；能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置；具有越程指示報(bào)警及停止功能；能有位置檢測(cè)裝置，能進(jìn)行調(diào)節(jié)并反饋給控制系統(tǒng)；工作臺(tái)尺寸：7

3、00×800×50mm工作臺(tái)T型槽：5×18mm工作臺(tái)最大承重：800kgXYZ軸行程：600×800×350mm電主軸輸出功率：15kw變頻主軸轉(zhuǎn)速：15000r/min最高位移速度：15m/min最大加工速度：8m/minXYZ軸最小分辨率（即脈沖當(dāng)量）：0.001mm定位精度：±0.005/300mm重復(fù)定位精度：0.005mm二、系統(tǒng)總體方案框圖及分析說(shuō)明2.1總體方案設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)為了使銑床的性能滿(mǎn)足基本要求，選x、z軸坐標(biāo)快進(jìn)為15m/min，水平拖力Fx=30kN，則要求電動(dòng)機(jī)功率P=Fv=（30&#

4、215;15/60）kW=7.5 ，最高空載運(yùn)行頻率為11000 step/s，步距角為=0.16°/step，若取最高工作頻率下的工作轉(zhuǎn)矩為最大靜轉(zhuǎn)矩的1/4，則高速運(yùn)行工作狀態(tài)下所需功率為PH=1/4×14.7×11000×0.16×（2/360）W=0.1129kW，如果選用步進(jìn)電機(jī)，則會(huì)降低快速性要求。但交流電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，技術(shù)難度高，而且價(jià)格高，故選擇直流伺服電機(jī)。選擇半閉環(huán)系統(tǒng)比閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低，且能滿(mǎn)足機(jī)床精度和加工精度基本的要求。綜上所述采用直流伺服電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)XYZ工作臺(tái)。（2）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用了與M

5、CS-51系列兼容的AT89S51單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性?xún)r(jià)比。控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)、LED、I/O接口、光電耦合電路、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)。LED顯示數(shù)控銑床工作臺(tái)的狀態(tài)。（3）XYZ工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用精密滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙V形滾珠導(dǎo)軌。采用精密直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌可減少兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)?？紤]直

6、流電機(jī)和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。2.2繪制總體方案圖開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖1為本開(kāi)環(huán)控制數(shù)控銑床工作臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案圖。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通常采用單板機(jī)、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)及專(zhuān)用控制程序組成的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。對(duì)機(jī)床的控制過(guò)程是由單片機(jī)或者單板機(jī)，按照輸入的加工程序進(jìn)行查補(bǔ)運(yùn)算，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖、經(jīng)功率放大驅(qū)動(dòng)XYZ三個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算、各部件類(lèi)型選擇說(shuō)明及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的示意圖與說(shuō)明3.1移動(dòng)部件的重量估算工作臺(tái)重量估算：=218.4 kG220 kG工

7、作臺(tái)最大承載m2=800kG，總的重量估算如下：M=m1+m2=1020kGG=Mg=10200N=10.2kN。3.2負(fù)載的分析計(jì)算（機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)P498）直流伺服電機(jī)的負(fù)載有外力負(fù)載、摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載，所選直流伺服電機(jī)必須克服這些負(fù)載才能作正常的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。這里我們以Z軸計(jì)算為主，X、Y軸的相關(guān)計(jì)算略。（1）切削負(fù)載：根據(jù)切削原理近似公式計(jì)算，有，。（2）摩擦阻力：本數(shù)控銑床工作臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)采用滾動(dòng)導(dǎo)軌副，滾動(dòng)導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)一般=0.0030.005之間，這里我們?nèi)∑渲虚g值=0.004，摩擦阻力如下：=240.8N注：這里取g=10m/s2，其他的摩擦阻力這里沒(méi)有計(jì)算。（3）等

8、效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：式子中采用最不利于機(jī)床啟動(dòng)時(shí)的速度，這里選用快速進(jìn)給速度=15m/min；（電動(dòng)機(jī)）=2000r/min；=1020kg（全部直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量）。旋轉(zhuǎn)的部件暫時(shí)沒(méi)有計(jì)算考慮（因?yàn)榇藭r(shí)不知道減速器中齒輪的相關(guān)尺寸）。（4）滾珠絲杠摩擦阻力矩（Tsm）的計(jì)算：由于絲杠承受軸向載荷，又由于采取了一定的預(yù)緊措施，故滾珠絲杠會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力矩，但由于滾珠絲杠的傳動(dòng)效率很高，其摩擦阻力矩相對(duì)于其他負(fù)載力矩小得多，故一般不予考慮。（5）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩：= （6）啟動(dòng)慣性阻力矩（）的計(jì)算：這里以最不利于啟動(dòng)的快進(jìn)速度進(jìn)行計(jì)算，設(shè)啟動(dòng)加速（或制動(dòng)減速）時(shí)間為（一般在0.31s之間選?。?，由于電動(dòng)

9、機(jī)轉(zhuǎn)速：取加（減）速曲線(xiàn)為等加（減）速梯形曲線(xiàn)，故角加速度為：則：（7）直流伺服電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩：3.3導(dǎo)軌副的分析計(jì)算，選型，效核（機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)P1109 、P1118）執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對(duì)象，是進(jìn)行實(shí)際操作的機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中一般含有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇主要是指導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇，即導(dǎo)軌的選擇：這里我們選擇直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌。它的主要特點(diǎn)是：承載能力大，剛度高。直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副中，滾珠與圓弧溝槽相接觸，因?yàn)樵S用載荷和剛度與點(diǎn)接觸相比有較大幅度的提高。采用直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、制造和裝配工作。導(dǎo)軌副的安裝基面精度和質(zhì)量要求不高，只要求精銑或精刨。本系統(tǒng)中工作臺(tái)負(fù)載G=Mg=10

10、200N=10.2kN，F(xiàn)Z=50kN，有效行程LZ=350mm，每分鐘往復(fù)次數(shù)為N=4，移動(dòng)速度V15m/min，運(yùn)動(dòng)條件為：常溫，平穩(wěn)無(wú)沖擊和振動(dòng)。（1）直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上負(fù)荷的計(jì)算：（P1106P1118）計(jì)算條件：水平安裝，臥式導(dǎo)軌，滑塊座移動(dòng)，工作臺(tái)質(zhì)量均勻分布，垂心在中間，外力F的作用點(diǎn)偏離中心，不與中心重合。計(jì)算負(fù)荷如下：在這里，我們選取最大值P4=15.7833kN代入計(jì)算。（2）額定壽命計(jì)算：在這里我們選用使用鋼珠的直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌，其額定壽命計(jì)算公式如下：式中L：額定壽命km；C：基本額定動(dòng)負(fù)荷，kN；K：額定壽命單位，滾珠時(shí)，K=50km，滾珠時(shí)，K=100km。 PC：計(jì)算負(fù)荷

11、，kN； fH：硬度系數(shù)，取fH =1； fT：溫度系數(shù)； fC：接觸系數(shù)， fW：載荷系數(shù)。這里我們先試選型號(hào)為GGB65AA2L12×350×D直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副。查表得：這種導(dǎo)軌的額定動(dòng)、靜載荷分別為C=115kN，Ca=163kN，fH =1，fT =1，fC =0.66，fW =1.2。計(jì)算得Pc=15.7833kN。代入公式有：其中壽命時(shí)間的計(jì)算公式為：注：Lh壽命時(shí)間，h，L額定壽命，kM，La行程長(zhǎng)度，m，Nc每分鐘往復(fù)次數(shù)。根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算有：，按照每年工作日為300天，二班工作制，每班8h，開(kāi)機(jī)率為80%，則預(yù)計(jì)壽命年限為：年故選用型號(hào)為GGB65AA2L1

12、2×350×D直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副能滿(mǎn)足要求。（3）滾動(dòng)導(dǎo)軌預(yù)緊及調(diào)整：當(dāng)工作臺(tái)往復(fù)移動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)壓在兩端滾動(dòng)體上的壓力會(huì)發(fā)生變化，受力大的滾動(dòng)體變形大，受力小的滾動(dòng)體變形小。當(dāng)導(dǎo)軌在位置時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力相等，工作臺(tái)保持水平；當(dāng)導(dǎo)軌移動(dòng)到位置或時(shí)，兩端滾動(dòng)體受力不相等，變形不一致，使工作臺(tái)傾斜角，由此造成誤差。此外，滾動(dòng)體支承工作臺(tái)，若工作臺(tái)剛度差，則在自重和載荷作用下產(chǎn)生彈性變形，會(huì)使工作臺(tái)下凹（有時(shí)還可能出現(xiàn)波浪形），影響導(dǎo)軌的精度。（4）結(jié)構(gòu)形式如下：3.4絲杠螺母副的計(jì)算，選型，效核（機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)P730P753）假設(shè)工作時(shí)候平均載荷Fm=5000N；絲杠的使用壽命Lh

13、 =20000h；絲杠的工作長(zhǎng)度L=0.35m；絲杠的轉(zhuǎn)速n=600r/min，絲杠材料為CrWMn鋼，滾道硬度為5862HRC，傳動(dòng)精度要求。（1）求出計(jì)算載荷：計(jì)算公式為：式中：載荷系數(shù)，硬度系數(shù)，精度系數(shù)，工作載荷，這些都是按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)查取。計(jì)算載荷為如下，（2）根據(jù)壽命計(jì)算出額定動(dòng)載荷：（3）查滾珠絲杠副系列中的額定動(dòng)載荷，使，初選幾個(gè)規(guī)格（或型號(hào)），列出其主要參數(shù)如下表所示：規(guī)格型號(hào)D0公稱(chēng)導(dǎo)程p絲杠外徑d鋼球直徑d0絲杠內(nèi)徑d1循環(huán)圈數(shù)動(dòng)載荷Ca(kN)FFZD63106310617.14455458FFZD80108010787.14472465FFZD63126312917.

14、14455459FFZD80128012787.14472465注：FFZD型為內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)反相器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副。最后考慮各種因素，選絲杠型號(hào)為FFZD6310，其中： 公稱(chēng)直徑：D0=63mm 導(dǎo)程：p=10mm 螺旋角：=arctan(10/(63)=2°54 鋼球滾珠直徑：d0=7.144mm 絲杠內(nèi)徑：d1=55mm（4）穩(wěn)定性驗(yàn)算：由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能發(fā)生失穩(wěn),所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于許用安全系數(shù)S。絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱(chēng)為臨界載荷：式中：E絲杠的彈性模量，對(duì)鋼來(lái)說(shuō)E=206GPa 絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩，長(zhǎng)度系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支

15、時(shí)，=2/3安全系數(shù)S= 2.53.3故絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。支承方式有關(guān)系數(shù)雙推自由FO雙推簡(jiǎn)支FS雙推雙推FFS342.53.322/3fc1.8753.9274.730 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠最高轉(zhuǎn)速，臨界轉(zhuǎn)速可按公式計(jì)算：=10000。（5）剛度驗(yàn)算：滾珠絲杠在工作負(fù)載F（N）和轉(zhuǎn)矩T（N.m）共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量（m）為：式中：A絲杠的截面積，絲杠的極慣性矩，G絲杠切變模量，對(duì)于鋼G=83.3GPa；T轉(zhuǎn)矩（N.m）按最不利的情況，即取F=Fm，則：（p為基本導(dǎo)程）=通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其傳動(dòng)精度的1/2，即：故該滾珠絲

16、杠剛度滿(mǎn)足要求。（6）效率驗(yàn)算：滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為：通常要求在90%95%之間，所以該絲杠副能滿(mǎn)足使用要求。最后，經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證，F(xiàn)FZD6310各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合題目要求，可選用。3.5繪制進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)原理圖雙推簡(jiǎn)支式進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖3.6直流伺服電動(dòng)機(jī)的計(jì)算，選型，效核（機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)P1323）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于在前面的總體設(shè)計(jì)中已經(jīng)說(shuō)明了步進(jìn)電機(jī)不能滿(mǎn)足其性能要求，故選擇直流伺服電機(jī)，并且是在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中使用。寬調(diào)速直流伺服電機(jī)應(yīng)根據(jù)負(fù)載條件來(lái)選擇。加在電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載有兩種，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。當(dāng)選用電動(dòng)機(jī)的時(shí)，必須正確的計(jì)算負(fù)載，即必須確認(rèn)電動(dòng)機(jī)能滿(mǎn)足

17、下列條件：在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電動(dòng)機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍以?xún)?nèi)；工作負(fù)載與過(guò)載時(shí)間應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)；應(yīng)使加速度與希望的時(shí)間常數(shù)一致。一般講，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩起減速作用，如果可能，加減速應(yīng)選取相同的時(shí)間常數(shù)。我們?cè)谶@里首先初選大慣量系列（H系列）型號(hào)為60H的直流伺服發(fā)電機(jī)。其性能參數(shù)如下：輸出功率15kW，額定轉(zhuǎn)矩98N.m，最大轉(zhuǎn)矩為784 N.m，最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.0027kg.m2，機(jī)械時(shí)間常數(shù)12ms，熱時(shí)間常數(shù)120min，重量為160kg。（1）過(guò)熱驗(yàn)算：當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為變量時(shí)，應(yīng)用等效法求其等效轉(zhuǎn)矩：由前述計(jì)算直流伺服電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩式中：，時(shí)間間

18、隔，在此時(shí)間間隔內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為、。所選電動(dòng)機(jī)過(guò)熱的條件為式中：電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，N.m；電動(dòng)機(jī)的額定功率，W；由等效轉(zhuǎn)矩?fù)Q算的電動(dòng)機(jī)功率，W，。其中為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。由本題可知：（2）過(guò)載驗(yàn)算：即應(yīng)使瞬時(shí)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩的比值不大于某一系數(shù)，即：式中：電動(dòng)機(jī)過(guò)載系數(shù)，取。由題知： 故該電動(dòng)機(jī)有較好的過(guò)載保護(hù)能力。3.7減速器的選用直流伺服電機(jī)與絲杠螺母間的運(yùn)動(dòng)傳遞可能有多種形式，我們這里選擇通過(guò)減速器傳動(dòng)絲杠。從上述的分析可知電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，機(jī)床絲杠轉(zhuǎn)速知，傳動(dòng)比。根據(jù)傳動(dòng)級(jí)數(shù)選擇曲線(xiàn)，將其分為兩節(jié)傳動(dòng)。又根據(jù)傳動(dòng)比分配曲線(xiàn)我們這里選擇=1.5，=2.22。這里，我們選取圓柱

19、齒輪傳動(dòng)第一級(jí)傳動(dòng)參數(shù)如下：、（模數(shù)），（齒寬），；第二級(jí)齒輪參數(shù)：、（模數(shù)），（齒寬），。3.8驗(yàn)算系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量驗(yàn)算慣量匹配，電機(jī)軸上的總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd與電機(jī)軸自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm應(yīng)控制在：比值太大，系統(tǒng)動(dòng)特性受負(fù)載變化干擾；比值太小，不經(jīng)濟(jì)，大馬拉小車(chē)。如果驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)Jd/Jm不滿(mǎn)足上式要求，應(yīng)返回修改原設(shè)計(jì)。通過(guò)減速傳動(dòng)比i和絲杠導(dǎo)程PH的合理搭配，使慣量匹配趨于合理。若不計(jì)摩擦,即TLF0, 則：或上式表明：得到傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比i的最佳值的時(shí)刻就是JL換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL/i2正好等于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm的時(shí)刻，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一半用于加速負(fù)載，一半用于加速

20、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，達(dá)到了慣性負(fù)載和轉(zhuǎn)矩的最佳匹配。根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有：齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為（齒輪為鍛鋼，并將齒輪近似看做圓柱體）： 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量近似為：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：則等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：故，所以慣性匹配比較符合要求。四、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1微機(jī)的選用由于MCS-51單片機(jī)具有較高性?xún)r(jià)比，因此用8031作為系統(tǒng)控制器，采用8155和2764、6264芯片作為I/O和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。2764用作程序存儲(chǔ)器，存放監(jiān)控程序；6264用來(lái)擴(kuò)展8031的RAM存儲(chǔ)器，存放調(diào)試和運(yùn)行的加工程序；8155用作鍵盤(pán)和LED顯示器接口；鍵盤(pán)主要是輸入工作臺(tái)方向，有+x、-x、+y、-y四個(gè)方向；LED顯

21、示器顯示當(dāng)前工作臺(tái)坐標(biāo)值; 系統(tǒng)具有超程報(bào)警功能，并有越位開(kāi)關(guān)和報(bào)警燈；其他的輔助電路有復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、越位報(bào)警指示電路。1) 限位報(bào)警顯示電路為限制工作臺(tái)在規(guī)定的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在x、y、z向?qū)к壍乃膫€(gè)邊界處設(shè)有限位開(kāi)關(guān)，每一邊界有一限位開(kāi)關(guān)。當(dāng)工作臺(tái)碰撞到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，通過(guò)電路向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)INT0，單片機(jī)接收到信號(hào)后快速響應(yīng)，接通報(bào)警顯示電路，紅燈報(bào)警，同時(shí)控制電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。其8031控制限位開(kāi)關(guān)原理圖如下所示：2) 鍵盤(pán)顯示電路系統(tǒng)顯示接口用8155擴(kuò)展口控制5位8段LED數(shù)碼顯示塊實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，系統(tǒng)鍵盤(pán)用8155擴(kuò)展口組成了4×8行列式鍵盤(pán)。能實(shí)時(shí)顯示工作臺(tái)的當(dāng)

22、前運(yùn)動(dòng)位置，共5位，其中整數(shù)部分3位，小數(shù)部分2位。8155擴(kuò)展I/O口組成的行列式鍵盤(pán)4.2存儲(chǔ)器的選用與擴(kuò)展（1）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展：8031最小應(yīng)用系統(tǒng)（程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展）8031是片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)芯片，因此，其最小應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)在片外擴(kuò)展存放程序的ROM。下圖為用8031外接程序存儲(chǔ)器構(gòu)成的最小系統(tǒng)。程序存儲(chǔ)器的作用：存放程序代碼或常數(shù)表格；擴(kuò)展時(shí)所用芯片：一般用只讀型存儲(chǔ)器芯片（可以是EPROM、E2PROM、FLASH芯片等）；擴(kuò)展電路連接：三總線(xiàn)的連接；存儲(chǔ)器地址分析：分析存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)空間中占據(jù)的地址范圍，實(shí)際上就是根據(jù)連接情況確定其最低地址和最高地址。 2764芯片擴(kuò)展電路連

23、接圖8031 P2.4 .P2.0 P0.7. P0.02764 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 地址值 單元 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 （0000H） 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 （0001H） 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 （0002H） 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 （0003H） 30 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 （0003H） 4. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1（1FFFH） 8K-1可見(jiàn)，

24、當(dāng)單片機(jī)輸出地址0000H1FFFH時(shí)（無(wú)關(guān)位都取“0”），選中2764的08K-1號(hào)單元，即按照上面電路擴(kuò)展的8K存儲(chǔ)器的基本地址范圍是0000H1FFFH（共8K字節(jié)）。 （2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的作用：存放數(shù)據(jù)，可改寫(xiě)；擴(kuò)展時(shí)所用芯片：一般用靜態(tài)讀寫(xiě)型存儲(chǔ)器芯片SRAM；擴(kuò)展電路連接：三總線(xiàn)的連接；存儲(chǔ)器地址分析：分析存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)空間中占據(jù)的地址范圍，實(shí)際上就是根據(jù)連接情況確定其最低地址和最高地址。擴(kuò)展時(shí)所用芯片：61162K SRAM擴(kuò)展電路連接圖如下所示存儲(chǔ)器地址分析：分析存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)空間中占據(jù)的地址范圍，實(shí)際上就是根據(jù)連接情況確定其最低地址和最高地址。 8031 P2.7

25、.P2.2 P2.1 P2.0 P0.7 .P0.0 選中單元（6116 CE A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0) 0 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0（0000H） 0 0 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1（0001H） 1 0 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0（0002H） 2 0 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1（0003H） 3 0 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0（0004H） 4. 0 X X X X 1 1 1 1 1

26、 1 1 1 1 1 1（07FFH）2K-1可見(jiàn)，當(dāng)單片機(jī)輸出地址0000H07FFH時(shí)（假設(shè)無(wú)關(guān)位都取0） ，選中6116的02K-1號(hào)單元，即按照上面電路擴(kuò)展的2K存儲(chǔ)器的基本地址范圍是0000H07FFH（共2K字節(jié)）。 擴(kuò)展6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的電路4.3譯碼電路設(shè)計(jì)譯碼法：當(dāng)擴(kuò)展芯片需要的片選信號(hào)要比可提供的地址線(xiàn)多時(shí)，就無(wú)法使用片選法來(lái)擴(kuò)展外圍芯片了。這時(shí)，常常采用譯碼法來(lái)進(jìn)行。所謂譯碼法，是將低位地址線(xiàn)作為擴(kuò)展芯片的片內(nèi)地址線(xiàn)（取外圍芯片中最大的地址線(xiàn)位數(shù)），而用譯碼電路對(duì)可利用的高位地址線(xiàn)進(jìn)行譯碼，以得到較多的片選信號(hào)。下圖為地址譯碼法連接原理圖。特點(diǎn)：在單片機(jī)只剩余3根高位地

27、址線(xiàn)時(shí)，可外擴(kuò)8片外圍接口電路及芯片。既充分的利用了存儲(chǔ)空間，又避免了空間分散。采用譯碼法的外擴(kuò)展器件地址分配表4.4接口電路設(shè)計(jì)輸入/輸出接口控制對(duì)硬件電路的要求是：能可靠的傳遞控制信息，并能夠輸入有關(guān)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息；能夠進(jìn)行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換，以滿(mǎn)足微機(jī)對(duì)輸入/輸出信息的轉(zhuǎn)換要求，如D/A、A/D轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行數(shù)字量轉(zhuǎn)換成串行電脈沖、電平的轉(zhuǎn)換與匹配，電量與非電量之間的轉(zhuǎn)換，弱電與強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換以及功率的匹配等；應(yīng)具有較強(qiáng)的阻斷干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)控制系統(tǒng)的能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。（1）光電隔離電路設(shè)計(jì)：為了防止強(qiáng)電干擾以及其他干擾信號(hào)通過(guò)I/O口控制電路進(jìn)入計(jì)算機(jī)，影響其工作，通常的辦法是首先

28、采用濾波吸收，抑制干擾信號(hào)的產(chǎn)生，然后采用光電隔離的辦法，使微機(jī)與強(qiáng)電部件不共地，阻斷干擾信號(hào)的傳導(dǎo)。晶閘管輸出型光電耦合電路圖這種電路的輸出部分為光控晶閘管，光控晶閘管由單向和雙向兩種形式，這種光電耦合器常用在大功率的隔離驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，本系統(tǒng)功率較大，故采用此種光電耦合電路。（2）信息轉(zhuǎn)換電路：微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的微機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)一般要經(jīng)過(guò)功率放大后，才能驅(qū)動(dòng)各類(lèi)執(zhí)行元件。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是晶體管調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)半閉環(huán)控制系統(tǒng)。微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)I/O控制回路中，還常用到D/A、A/D轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)所采用的直流伺服電機(jī)控制回路中，就增加了D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。輸出控制時(shí)，微機(jī)每次都將運(yùn)算后得到的以

29、數(shù)字形式的控制參數(shù)輸入到數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號(hào)仍為弱電信號(hào)，還需要經(jīng)過(guò)功率放大電路放大，然后控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。機(jī)械系統(tǒng)中的位置反饋信號(hào)可以是數(shù)字量信號(hào)，也可以是模擬量信號(hào)，視被測(cè)傳感元件不同而異。若位置反饋量是模擬量，則在位置反饋回路中應(yīng)設(shè)置模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置。在位置信號(hào)進(jìn)入微機(jī)前，完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換工作。直流伺服電機(jī)的控制回路4.5驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)日本法拉克（FANUC）公司生產(chǎn)的直流伺服電機(jī)，其中H系列屬于大慣量系列，是大慣量控制用電動(dòng)機(jī)，它有較大的功率輸出，本系統(tǒng)中采用的是型號(hào)為60H的直流伺服電機(jī)采用晶閘管脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)（PWM）。晶閘管脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)原理：利

30、用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)作用，將直流電源電壓（）轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，施加于直流電動(dòng)機(jī)電樞，通過(guò)對(duì)方波脈沖寬度的控制（），改變電樞平均電壓，從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速得到調(diào)節(jié)。PWM直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)原理圖PWM系統(tǒng)的主回路電氣原理圖4.6繪制控制系統(tǒng)原理框圖控制系統(tǒng)原理框圖五、傳感器的選擇與設(shè)計(jì)說(shuō)明通常選擇傳感器的步驟：（1）借助于傳感器分類(lèi)表按照被測(cè)量的性質(zhì)從經(jīng)典應(yīng)用中可以初步確定幾種可供選擇的傳感器類(lèi)別；（2）借助于幾種常用傳感器比較表，按被測(cè)量的檢測(cè)范圍，精度要求，環(huán)境要求等確定傳感器的結(jié)構(gòu)形式和傳感器最后的類(lèi)別；（3）借助于傳感器的產(chǎn)品目錄選擇樣本最后查出傳感器的規(guī)格型號(hào)。5.1選擇傳感器本數(shù)控銑

31、床工作臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)采用的是直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，需連接傳感器，半閉環(huán)系統(tǒng)中通過(guò)傳感器檢測(cè)位于目標(biāo)之前的中間環(huán)節(jié)部位的運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行反饋，我們這里需要檢測(cè)的是速度和位置，故需要選擇速度傳感器和位置檢測(cè)傳感器。檢測(cè)的是模擬信號(hào)，在傳給微機(jī)控制系統(tǒng)之前還需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字量的信號(hào)，所以還需要設(shè)計(jì)一個(gè)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路。速度傳感器分類(lèi)表類(lèi)型精度線(xiàn)性度分辨力或靈敏度特點(diǎn)磁電感應(yīng)式5%10%0.02%0.1%600mV.s/cm靈敏度高，性能穩(wěn)定，使用方便，但是頻率下限受限制，體積較大，重量較重電容式±1個(gè)脈沖非接觸測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，靈敏度、分辨力高

32、，可測(cè)量轉(zhuǎn)速。需要采取屏蔽措施測(cè)速發(fā)電機(jī)0.2%1%0.45(mV.min/r)線(xiàn)性度好，靈敏度高，輸出信號(hào)大，性能穩(wěn)定轉(zhuǎn)子陀螺±2%(°)/s0.2%（滿(mǎn)度值）（0.62）(°)/s它是一種慣性傳感器，安裝簡(jiǎn)單，使用方便，但較重，成本高，壽命短從這幾個(gè)類(lèi)別中，我們選擇速度傳感器類(lèi)別為測(cè)速發(fā)電機(jī)。 它是一種能把機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的傳感器。它與一般的發(fā)電機(jī)相比有如下兩個(gè)特點(diǎn)：(1) 輸出電壓與轉(zhuǎn)速?lài)?yán)格地成線(xiàn)性關(guān)系；(2) 輸出電勢(shì)與轉(zhuǎn)速比的斜率大。查取相關(guān)資料我們選擇型號(hào)為：ROTEXBS70電機(jī)。位置檢測(cè)傳感器分類(lèi)表類(lèi)型測(cè)量范圍/mm線(xiàn)性度/%分辨力/

33、m優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電阻應(yīng)變式0500.10.51精度較高動(dòng)態(tài)范圍窄電渦流式15130.055結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并能防水和油污靈敏度隨檢測(cè)對(duì)象的材料而變感應(yīng)同步式2004×104精度2.5m/m0.1在機(jī)床加工和自動(dòng)控制中應(yīng)用較廣、動(dòng)態(tài)范圍寬、精度高安裝不便光柵式303000精度可達(dá)0.53m/m0.110從這幾個(gè)類(lèi)別中，我們選擇位置傳感器類(lèi)別為光柵式。光柵測(cè)量裝置是數(shù)控機(jī)床和數(shù)顯系統(tǒng)常用的檢測(cè)元件。它具有精度高，響應(yīng)速度較快等優(yōu)點(diǎn)，光柵測(cè)量是一種非接觸式測(cè)量。查取相關(guān)資料我們選擇型號(hào)為：CSY2001B型傳感器。傳感器包括：（基本型2001型含24種傳感器，序號(hào)2.1-2.24。增強(qiáng)型CSY2001B

34、型含28種傳感器，序號(hào)2.1-2.28）。光柵位置傳感器5.2傳感器與微機(jī)的接口電路傳感器與微機(jī)接口連接（見(jiàn)上頁(yè)圖）六、課程設(shè)計(jì)總結(jié)與心得體會(huì)1、設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須嚴(yán)肅認(rèn)真，刻苦專(zhuān)研，一絲不茍，精益求精，才能在設(shè)計(jì)思想，方法和技能各方面獲得較好的鍛煉與提高。2、機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)是在老師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的。我們必須發(fā)揮設(shè)計(jì)的主動(dòng)性，主動(dòng)思考問(wèn)題分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。3、設(shè)計(jì)中要正確處理參考已有資料和創(chuàng)新的關(guān)系。熟悉和利用已有的資料，既可避免許多重復(fù)的工作，加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，同時(shí)也是提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要保證。善于掌握和使用各種資料，如參考和分析已有的結(jié)構(gòu)方案，合理選用已有的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，也是設(shè)計(jì)工作能力的重要方面。4、在老師的指導(dǎo)下訂好設(shè)計(jì)進(jìn)程