機電一體化系統(tǒng)進給伺服驅動系統(tǒng)設計

1、 目 錄1. 引言 1 1.1 進給伺服系統(tǒng)的組成1 1.2 進給伺服系統(tǒng)的分類1 1.2.1 根據(jù)進給伺服系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)方式的不同分類 1 1.2.2 按使用的驅動元件分類 2 1.2.3 按進給驅動和主軸驅動分類 2 1.3 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求2 1.3.1 工作精度 3 1.3.2 調(diào)速性能 3 1.3.3 負載能力 3 1.3.4 響應速度 3 1.3.5.穩(wěn)定性 3 1.4 常用的伺服電動機42. 機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算 4 2.1 系統(tǒng)脈沖當量及切削力的確定4 2.2 滾珠絲杠螺母副設計、計算和造型5 2.2.1計算進給牽引力Fm (N)5 2.2.2計算最大動負

2、載 C 5 2.2.3滾珠絲杠螺母副的選型 6 2.2.4傳動效率計算 6 2.2.5剛度驗算 6 2.2.6 穩(wěn)定性校核 72.3 進給伺服系統(tǒng)傳動計算 8 2.3.1 齒輪傳動比計算8 2.3.2 齒輪齒數(shù)及技術參數(shù) 83. 步進電動機及其選擇 9 3.1 步進電動機的特點9 3.2 步進電動機的分類9 3.2.1 反應式步進電動機 9 3.2.2 永磁式步進電動機 9 3.2.3 混合式步進電動機 9 3.3 初選步進電動機10 3.3.1 計算步進電機負載轉矩Tm 10 3.3.2 估算步進電機起動轉矩Tq 10 3.3.3 計算最大靜轉矩Tjmax 10 3.3.4 計算步進電機運行

3、頻率和最高啟動頻率10 3.3.5 初選步進電機型號 11 3.4 校核步進電動機轉矩11 3.4.1 等效轉動慣量計算 11 3.4.2 電機轉矩計算 124. 步進電動機的控制與驅動 11 4.1 步進電動機的速度控制 11 4.1.1 繪制系統(tǒng)電器控制的結構框圖 14 4.1.2 選擇中央處理器的類型 14 4.1.3 存儲器擴展電路設計 15 4.1.4 I/O口接口電路設計 15 4.2 步進電動機的脈沖分配 15 4.2.1 8031單片機的基本特性 15 4.2.2 8031芯片引腳及其功能 15 4.2.3 8031芯片內(nèi)部的存儲器結構及地址分配 17 4.3步進電動機的驅動電

4、源的選擇 19 4.3.1 程序存儲器的擴展 19 4.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 21 4.3.3譯碼電路設計 21 4.4 I/O接口電路及輔助電路設計22 4.4.1 8255可編程接口芯片22 4.4.2鍵盤顯示接口電路22 4.5微機控制系統(tǒng)電路原理圖22 4.5.1 控制系統(tǒng)的功能 23 4.5.2 CPU、存儲器及I/O接口235 . 結論 24 致謝 24 參考文獻 24 2009級機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）機電一體化系統(tǒng)進給伺服驅動系統(tǒng)設計 摘要：本文對經(jīng)濟型數(shù)控車床進給伺服系統(tǒng)進行了研究，提出了一種新的改造設計，主要內(nèi)容有：在機械部分設計中，確定系統(tǒng)脈沖當量及

5、切削力，滾珠絲杠螺母副的設計、計算及選型和進給伺服系統(tǒng)傳動部件的計算；對步進電動機進行初選并校核其轉矩；進行了數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設計。通過對系統(tǒng)進行調(diào)試運行表明：改造設計的進給伺服系統(tǒng)不僅有足夠高的精度，調(diào)速性能并具有較好的負載能力，響應速度及穩(wěn)定性，能夠加工出較高精度的零件，滿足現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的需要，具有廣泛的應用前景。關鍵詞：伺服驅動 脈沖當量 數(shù)控系統(tǒng) 響應速度 1 引言機電一體化設備的進給伺服系統(tǒng)，大多是以運動部件的位置和速度作為控制量。對于數(shù)控機床來說，進給伺服系統(tǒng)的主要任務是，接受插補裝置生成的進給脈沖指令，經(jīng)過一定的信號變換及功率放大，驅動執(zhí)行元件（伺服電動機，包括交、直流伺服電

6、動機和步進電動機等），從而，控制機床工作臺或者切削刀具的運動。1.1 進給伺服系統(tǒng)的組成 進給伺服系統(tǒng)一般包括控制模塊、速度控制模塊、伺服電動機、被控對象、速度檢測裝置，以及位置檢測裝置等。1.2 進給伺服系統(tǒng)的分類1.2.1 根據(jù)進給伺服系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)方式的不同分類 （1）開環(huán)伺服系統(tǒng) 如圖1所示，這類系統(tǒng)的驅動元件主要是步進電動機或電液脈沖馬達。系統(tǒng)工作時，驅動元件將數(shù)字脈沖轉換成角度位移，轉過的角度正比于指令脈沖的個數(shù)，轉動的速度取決于指令脈沖的頻率。系統(tǒng)中無位置反饋，也沒有位置檢測元件。開環(huán)伺服系統(tǒng)的結構簡單，控制容易，穩(wěn)定性好，但精度較低，低速有振動，高速轉矩小。一般用于輕載或負載

7、變化不大的場合，比如經(jīng)濟型數(shù)控機床上。 圖1 開環(huán)伺服系統(tǒng)結構圖 （2）閉環(huán)伺服系統(tǒng) 如圖2所示，這類系統(tǒng)是誤差控制伺服系統(tǒng)，驅動元件為交流或直流伺服電動機，電動機帶有速度反饋裝置，被控對象裝有位移測量元件。由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)是反饋控制，測量元件精度很高，所以系統(tǒng)傳動鏈的誤差、環(huán)內(nèi)各元件的誤差，以及運動中造成的隨機誤差都可以得到補償，大大提高了跟隨精度和定位精度。 圖2 閉環(huán)伺服系統(tǒng)結構圖 （3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 如圖3所示，這類系統(tǒng)的位置檢測元件不是直接安裝在進給系統(tǒng)的最終運動部件上，而是經(jīng)過中間機械傳動部件的的位置轉換，稱為間接測量。半閉環(huán)系統(tǒng)的驅動元件既可以采用交流或直流伺服電動機，也可以采

8、用步進電動機。該類系統(tǒng)的傳動鏈有一部分處在位置環(huán)以外，環(huán)外的位置誤差不能得到系統(tǒng)的補償，因而半閉環(huán)系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)，但調(diào)試比閉環(huán)系統(tǒng)方便，所以仍有廣泛應用。 圖3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結構圖 1.2.2 按使用的驅動元件分類 （1）步進伺服系統(tǒng) 驅動元件為步進電動機。常用于開環(huán)/閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)，控制簡單，性能/價格比高，維修方便。缺點是低速時有振動，高速時輸出轉矩小，控制精度偏低。 （2）直流伺服系統(tǒng) 驅動元件為小慣量直流伺服電動機或永磁直流伺服電動機。小慣量直流伺服電動機最大限度地減低了電樞的轉動慣量，所以能獲得較好的快速性；永磁直流伺服電動機能在較大的負載轉矩下長時間工作，電動機的轉子慣

9、量大，可與絲杠直接相聯(lián)。伺服電動機能在較大的負載轉矩下長時間工作，電動機的轉子慣量大，可與絲杠直接相聯(lián)。 （3）交流伺服系統(tǒng) 驅動元件為交流異步伺服電動機或交流永磁同步伺服電動機?？梢詫崿F(xiàn)位置、速度、轉矩和加速度等的控制。1.2.3 按進給驅動和主軸驅動分類 （1）進給伺服系統(tǒng) 進給伺服系統(tǒng)是指一般概念的伺服系統(tǒng)，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進給伺服系統(tǒng)完成各坐標軸的進給運動，具有定位和輪廓跟蹤的功能，是機電一體化設備中要求較高的伺服控制系統(tǒng)。 （2）主軸伺服系統(tǒng) 嚴格來說，一般的主軸控制只是一個速度控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)主軸的旋轉運動，提供切削過程所需要的轉矩和功率，并且保證任意轉速的調(diào)節(jié)，完

10、成在轉速范圍內(nèi)的無級變速。在數(shù)控機床中，具有C軸控制的主軸與進給伺服系統(tǒng)一樣，為一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。1.3 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求機電一體化設備對其進給伺服系統(tǒng)主要有以下基本要求：1.3.1 工作精度為了保證加工出高精度的零件，伺服系統(tǒng)必須具有足夠高的精度，包括定位精度和零件綜合加工精度。定位精度是指工作臺由某點移至另一點時，指令值與實際移動距離的最大誤碼率差值。綜合加工精度是指最后加工出來的工件尺寸與所要求尺寸之間的誤差值。在數(shù)控機床上，數(shù)控裝置的精度可以做得很高（比如選取很小的脈沖當量），完全可以滿足機床的精度要求。此時，機床本身的精度，尤其是伺服傳動鏈和伺服執(zhí)行機構的精度就成了

11、影響機床工作精度的主要因素。現(xiàn)代數(shù)控車床的位移精度一般為0.010.001mm，在速度控制中，則要求有高的調(diào)速精度、強的抗負載擾動的能力。1.3.2 調(diào)速性能調(diào)速范圍是指最高進給速度和最低進給速度之比。伺服系統(tǒng)在承擔全部工作負載的條件下，應具有寬的調(diào)速范圍，以適應各種工況的需要。目前數(shù)控機床的進給 速度范圍是：脈沖當量為1um時，進給速度在0240m/min時連續(xù)可調(diào)。以一般數(shù)控機床為例，要求進給控制系統(tǒng)在024m/min的進給速度下都能正常工作。在124000mm/min時，即1：24000的調(diào)速范圍內(nèi)，要求速度均勻、穩(wěn)定、無爬行、速度降低。在1mm/min以下時具有一定的瞬時速度。在零速時

12、，即工作臺停止運動時，要求電動機有電磁轉矩，以維持定位精度，使定位誤差不超過系統(tǒng)定位誤差允許范圍，也就是說伺服處于鎖住狀態(tài)。1.3.3 負載能力在足夠寬的調(diào)速范圍內(nèi)，承擔全部工作負載，這是對伺服系統(tǒng)的又一個要求。對于數(shù)控機床來說，工作負載主要有三個方面：加工條件下工作進給必須克服的切削負載；執(zhí)行件運動時需要克服的摩擦負載；加速過程中需要克服的慣性負載。需要注意的是，這些負載在整個調(diào)速范圍內(nèi)和工作過程中并不是恒定不變的，伺服系統(tǒng)必須適應外加負載的變化。 1.3.4 響應速度一方面，在伺服系統(tǒng)牌頻繁的起動、制動、加速、減速等過程中，為了提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，要求加、減速時間盡量短（一般電

13、動機由零件升到最高速，或從最高速降到零速，時間應控制在幾百毫秒以內(nèi)，甚至少于幾十毫秒）；另一方面，當負載突變時，過渡過程恢復時間也要短而且無振蕩，這樣才能獲得光滑的加工表面。1.3.5.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是伺服系統(tǒng)能否正常工作的前提，特別是在低速進給情況下不產(chǎn)生爬行，并能適應外加負載的變化而不發(fā)生共振。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、陰尼，以及增益等都有關系。適當選擇各項參數(shù)達到最佳的工作性能，是伺服系統(tǒng)設計的目標。1.4 常用的伺服電動機 伺服電動機是指能夠精確地控制轉速與轉角的一類電動機，它在機電一體化進給伺服系統(tǒng)中是執(zhí)行元件。常用的伺服電動機分為四大類：直流伺服電動機；交流伺服電動機；步進電動機；直

14、接驅動電動機。直流伺服電動機、交流伺服電動機和直接驅動電動機均采用位置閉環(huán)控制，一般用于要求精度高、速度快的伺服系統(tǒng)；步進電動機主要用于開環(huán)控制，一般用于精度、速度要求不高，成本較低的伺服系統(tǒng)中。2. 機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算伺服系統(tǒng)機械部分設計計算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負載，確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣量計算，空載起動及切削力矩機計算，確定伺服電動機等。現(xiàn)分述如下：2.1系統(tǒng)脈沖當量及切削力的確定脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當量是0.010.005mm/脈沖,根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量,橫向:0.005mm/step 圖4 各切削

15、力圖示確定切削力主切削力按經(jīng)驗公式估算: (1) 由=500,由求得FZ =7491N；當橫切端面時主切削力 = 可取縱切的1/2，得： 此時走刀抗力為吃刀抗力按比例粗略計算： ； ； ； 2.2 滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選型滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。珠絲杠滾副的預緊方法有：雙螺母墊片式預緊，雙螺母螺紋式預緊，雙螺母齒差式預緊，單螺母變導程預緊以及過盈滾珠預緊等幾種。2.2.1計算進給牽引力Fm(N)作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切屑時的走刀抗力以及移動件的重量和切屑分力作用在導軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導軌的形式有關。橫向進給為燕尾形

16、導軌 (2) 式中:K 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù).燕尾形導軌取k=1.4 f 摩擦系數(shù):0.2 G 溜板及刀架重力,取80kg×9.8N/kg 求得：Fm=1.4×936.4+0.2×(3745.5+2×1498.2+80×9.8)=2816N2.2.2計算最大動負載 C選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉100萬（106）轉后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載 C，計算如下： （3） （4） （5） 式中： Lo 為滾珠絲杠導程,選絲杠名義直徑為25,查表,初選出

17、Lo=5； Vs 最大切削力下的進給速度,可取最高進給速度的1/21/3,此處為0.22m/min； T 使用壽命,按15000h； fw 運轉系數(shù),按一般運轉取1.21.5； L 壽命以轉106為1單位。 求得： n=(1000Vs)/Lo=(1000×0.22×0.5)/5=22.0r/min L=(60×n×T)/106=(60×22.0×15000)/106=19.8 表1 各運轉狀態(tài)下的運轉系數(shù)運轉狀態(tài)運轉系數(shù)無沖擊運轉1.01.2一般運轉1.21.5有沖擊運轉1.52.52.2.3滾珠絲杠螺母副的選型采用W1L2506 外

18、循環(huán)螺紋調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈,其額定動負載為13100N,精度等級選為3級(大致相當于老表準E級)2.2.4傳動效率計算 =tan/tan(+) (6)式中: 螺旋升角, W1L2506, =4°22 摩擦角取10滾動摩擦系數(shù)0.0030.004求得：=tan/tan(+) =tan4°22/tan(4°22+10)=0.9622.2.5剛度驗算 最大牽引力為2816N, 支承間距為350mm ,因絲杠長度較短不需欲緊.螺母及軸承欲緊.(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量1 由Fm=2816 D0=25mm 1=L /L×L （7） L/L=

19、5.4×105，可算出： 1=L /L×L=3.4×10-5×350=1.89×10-2 mm(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形2 由Q=14.5um因進行了預緊，所以 2 =Q/2 （8）求得2=1/2×14.5um=7.25 um采用8102推力球軸承，所以dQ=4.763，Z=12，d=15mm （9）求得：=0.012考慮到進行了預緊, 故: 3=c /2 （10）求得3= 0.006mm 綜合以上幾項變形量之和: =1+2+3=0.0322 mm顯然此變量已大于定位精度要求,應采取相應的措施修改設計.因橫向溜板空間限制,不宜再

20、加大滾珠絲杠直徑,故采用貼塑導軌減少牽引力.取f=0.04，代入式（2），重新計算如下： =1.4×936.4+0.04×(3745.5+2×1498.2+80×9.8)=1611.99N Fm =1611.99N 時 L/ L=1.5×105=（L/L）×1.5×105×350mm=0.0053mm由于采用貼塑導軌減少了最大牽引力Fm ，幫需重新計算或查圖表確定2 ，3 ，所以： Q=5.5 2 =Q /2=1/2×5.5um=2.75 um 3=c /2=0.0041mm由式（9）：推力球軸承 則：

21、=1+2+3 （11） 求得=0.0122 mm要求定位精度為，±0.0075 ，則變形量滿足定位精度的要求。2.2.6 穩(wěn)定性校核 計算臨界負載Fk(N)絲杠內(nèi)徑： d1=d0+2e-2R （12）求得d1=20.98 （13）式中：E 材料彈性模量，鋼為,20.6×106N/ I 截面慣性距（2）對于絲杠為（d1為絲杠內(nèi)徑）； L 絲杠兩支承端距離（cm）； 絲杠支承方式參數(shù)，為2.00。 因為 所以求得 （14） 求得： ， 所以此滾珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。2.3 進給伺服系統(tǒng)傳動計算2.3.1 齒輪傳動比計算 (橫向進給齒輪箱傳動比計算) 橫向進給脈沖當量p=0.005

22、,滾珠絲杠導程Lo=5,初選步進電機步距角0.75°,可計算出傳動比i， i= (360p) / (bLo) （15） 求得i=(360×0.01)/(0.75×5)=0.48考慮到結構上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程。故此處可采用兩級齒輪降速： （16） 求得： 因橫向進給運動齒輪受力不大,模數(shù)m取2 。2.3.2 齒輪齒數(shù)及技術參數(shù) 計算出傳動比i后,降速級數(shù)決定采用兩對齒輪降速,因為橫向進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大,一般取=12,數(shù)控車床、銑床取=2,此作業(yè)中取=2。 為了消除齒輪側隙，此作業(yè)中采用雙片齒輪。 3. 步進電動機及其選擇3

23、.1 步進電動機的特點步進電動機也叫脈沖電動機，它是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移（或線位移）的執(zhí)行元件。步進電動機輸出的角位移（或線位移）與輸入的脈沖個數(shù)成正比，在時間上與輸入脈沖同步。因此，只要控制輸入脈沖，的數(shù)量、頻率和電動機繞組的通電順序，便可獲得所需的轉角、轉速以及轉動方向。當無脈沖輸入時，在繞組電流的激勵下，步進電動機可以鎖相。步進電動機結構簡單、制造容易、價格低廉。它的轉子轉動慣量小、動態(tài)響應快、易于、起停、正反轉和無級變速也容易實現(xiàn)。其缺點主要表現(xiàn)在：低頻時有振蕩、不夠均勻，在高速時輸出轉矩小。步進電動機作為中、小功率的伺服電動機，目前在機電一體化傳動系統(tǒng)中的應用非常廣泛。3

24、.2 步進電動機的分類步進電動機的種類很多，按其運動的方式可分為旋轉式步進電動機和直線式步進電動機；按其輸出轉矩的大小可分為快速步進電動機（小轉矩）和功率步進電動機（低轉矩）；按其勵磁繞組的相數(shù)可分為兩相、三相、四相、五相和六相步進電動機；按其工作原理可分為反應式（磁阻式）、永磁式和混合式（永磁感應式）步進電動機。3.2.1 反應式步進電動機反應式（磁阻式）步進電動機的定子和轉子不含永久磁鐵，定子上繞有一定數(shù)量的繞組線圈，線圈輪流通電時，但產(chǎn)生一個旋轉的磁場，吸引轉子一步一步地轉動。繞組線圈一旦斷電，磁場即消失，所以反應式步進電動機掉電后不自鎖。此類電動機結構簡單、材料成本低、驅動容易，定子和

25、轉子加工方便，步距角可以做得較小，但動態(tài)性能差一些，容易出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，電動機溫升較高。3.2.2 永磁式步進電動機永磁式步進電動機的轉子由永久磁鋼制成，定子上的繞組線圈在換相通電時，不需要太大的電流，繞組斷電時具有自鎖能力。這種電動機的特點是動態(tài)性能好、輸出轉矩大、驅動電流小、電動機不易發(fā)熱，但制造成本較高。由于轉子受磁鋼加工的限制，因而步距角較大，與之配套的驅動電源一般要求具有細分功能。3.2.3 混合式步進電動機 混合式（永磁感應式）步進電動機的轉子上嵌有永久磁鋼，可以說是永磁型，但是從定子和轉子的導磁體來看，又和反應式相似，所以是永磁式和反應式相結合的一種形式，故稱為混合式。 該類電

26、動機的特點是輸出轉矩大、動態(tài)性能好、步距角小、驅動電源電流小、功耗低，但結構復雜，成本相對較高。因為混合式步進電動機的性能/價格比較高，所以目前得到了廣泛的應用。3.3初選步進電動機3.3.1計算步進電機負載轉矩Tm Tm=(360pFm)/(2b) (17)式中: p 脈沖當量 (mm/step) ； Fm 進給牽引力 (N) ； b 步距角,初選雙拍制為0.75°； 電機-絲杠的傳動效率為齒輪,軸承,絲杠效率之積，分別為0.98, 0.98,0.99,0.99;0.94。求得Tm=(360×0.005×2816)/(2×3.14×0.75&

27、#215;0.98×0.98×0.99×0.99×0.94)N·mm =121.63N·cm。3.3.2 估算步進電機起動轉矩Tq Tq=Tm/(0.40.5) =121.63/0.4Ncm=304.1N·cm3.3.3 計算最大靜轉矩Tjmax =Tq/Tjmax （18） 表2 步進電動機部分參數(shù) 步 進電 機相數(shù)三相四相五相六相拍數(shù)3648510612=Tq/Tjmax0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866查表（2），如取五相10拍,由式（18）則 Tjmax= Tq / 0.95

28、1= 304.1 / 0.951N·cm = 319.8N·cm3.3.4 計算步進電機運行頻率和最高啟動頻率 （19） 式中： 最大切削進給速度（m/min）； 最大快移速度（m/min）； 脈沖當量。 求得： 3.3.5初選步進電機型號根據(jù)估算出的最大靜轉矩Tjmax可得出110BF003最大靜轉矩為784N·cm>Tjmax可以滿足要求。考慮到此經(jīng)濟型數(shù)控車床有可能使用較大的切削用量，應該選稍大轉矩的步進電機以留有一定的余量。另一方面,與國內(nèi)同類型機床進行類比,決定采用130BF001步進電機。3.4校核步進電動機轉矩 前面所述初選步進電機的轉矩計算,

29、均為估算;初選之后應該進行校核計算.3.4.1 等效轉動慣量計算 圖5 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 （1）根據(jù)圖5，經(jīng)二對齒輪降速時傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量J可由下式計算: J=J1+(Z1/Z2)2 (J2+J3)+ G(Lo/2)2/g （20）式中 J1,J2, J3, J4齒輪Z1,Z2, Z3, Z4的轉動慣量 (kg·cm2) Js 滾珠絲杠轉動慣量 (kg·cm2) L0 絲杠導程 G 工件及工作臺重量 求得： J1=0.78×10-3×d14·L1=(0.78×10-3×4.84×2)kg&

30、#183;cm2=0.83kg·cm2 J2=0.78×10-3×d24·L2=(0.78×10-3×8.04×2)kg·cm2=6.39kg·cm2 J3=0.78×10-3×d34·L2=(0.78×10-3×4.04×2)kg·cm2=0.40kg·cm2 J4=0.78×10-3×d44·L2=(0.78×10-3×5.04×2)kg·cm2=0.9

31、8kg·cm2 Js=(0.78×10-3×2.54×35)kg·cm2=1.066kg·cm2G=784N（2）齒輪慣量計算：對于鋼材： J=0.78D4L×10-3 （21）鋼材的密度為7.8×10-3kg/ cm3式中 D圓柱體直徑(cm); L 圓柱體長度 (cm); 剛材的密度為7.8×10-3kg/ cm3代入（20）式:，求得 J=J1+(Z1/Z2)2 (J2+J3)+ G(Lo/2)2/g =3.93kg·cm2 J電機=N×J （22） N為(14)，本作業(yè)此處N取

32、1.5；電機慣量: J電機=1.5×J=1.5×3.93=5.895kg·cm2總慣量: J=J電機+J=5.895+3.93=9.825kg·cm23.4.2 電機轉矩計算 機床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計算:（1） 快速空載起動慣性矩 T慣=J=J×(2nmax×10-2) / (60×t a) （23） nmax=(max/p)×(b/360) （24） 式（24）代入數(shù)據(jù)，求得nmax =(1200/0.005)×(0.75/360)=500r/min起動加速時間ta=150ms 式（2

33、3）代入婁數(shù)據(jù)求得， T慣=J×(2nmax×10-2)/(60×ta) =88.8×(2×500×10-2)/(60×0.15)N·cm=30.12N·cm（2） 快速空載起動 T負1=Tf+To+T慣 （25）折算到電機軸上的摩擦轉矩Tf， Tf = FoLo/2i （26） 由式（26）得 ， Tf =f(FY+G)×Lo/2(Z2/Z1) ×(Z4/Z3) （27） 求得：Tf=0.04×(3745.5+784)×0.5/2×0.8×2.

34、08N·cm =8.66N·cm附加摩擦轉矩To To= FpoLo(1 -o2) i / (2) = (1/3) Fm×Lo(1-o2) i /(2) （28） 求得： To =(1/3)×2816×0.5×(1-0.92)×0.48/(2×0.8)N·cm =8.52N·cm式中， 傳動鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8； i 傳動比； Fpo 滾珠絲杠預加負荷,一般取1/3Fm,Fm為進給牽引力(N)； o 滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,一般取0.9；由式（25）求得：T負1 =8

35、.66+8.52+30.12=47.29N·cm。（3） 快速移動時所需轉矩 T負2 ， T負2=T摩=Tf+To （29）求得：T負2=8.66+8.52N·cm=17.18N·cm（4）最大(直線,勻速)切削負載時所需轉矩T負3 T切=(FZLoi)/(2) （30） 求得： T切=(936.4×0.5×0.48)/(2×0.8)=44.732N·cm T負3=T切+T摩=44.732+17.18N·cm=61.912N·cm（5）加速切削 T負4=T切+T摩+T慣 （31） 求得T負4 =44.73

36、+17.18+30.12N·cm=92.03N·cm從上面計算可以看出T負1 ,T負2,T負3和T負4四種工況下,以加速切削所需轉矩最大,即以此項作為校核步進電機轉矩的依據(jù)。 T電機靜轉矩=(25)T負4 （32） 取2倍 則:T電機靜轉矩=2×92.03N·cm=184.06N·cm。 110BF003型步進電機最大轉矩為784Ncm,大于所需最大靜轉矩,以滿足此項要求。（6）校核步進電機啟動矩頻特性和運行矩頻特性由式（19）的計算得步進電機允許的最高空載啟動頻率為 ；運行頻率為 。當電機啟動時，能夠滿足啟動轉矩47.29N.cm當快速運動和

37、切削時完全可以滿足要求。4. 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計4.1單片機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計內(nèi)容4.1.1 繪制系統(tǒng)電器控制的結構框圖 數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎，有了硬件，軟件才能有效地運行。硬件電路可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標。CPUI/O接口RAMROM 光隔離功率放大器步進電 動機外設 鍵盤、顯示器及其他 圖6 系統(tǒng)電器控制的結構框圖 機床硬件電路由以下五部分組成： (1)主控制器，即中央處理單元（CPU）； (2)總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線； (3)存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器； (4)接口，即I/O輸入/輸出接口電路； (5)外圍設備，如

38、鍵盤、顯示器及光電輸入機等，見圖6。4.1.2 選擇中央處理器的類型在微機應用系統(tǒng)中，CPU的選擇應考慮以下因素： （1）時鐘頻率和字長，這個指標將控制數(shù)據(jù)處理的度； （2）可擴展存儲器的容量； （3）指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性； （4）I/O口擴展的能力，即對外設控制的能力； （5）開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。此外還要考慮到系統(tǒng)應用場合、控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟的要求。 目前在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，一般選用MCS51系列單片機作為主控制器。4.1.3 存儲器擴展電路設計 存儲器擴展電路設計應該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。 在選擇程序存儲器芯片時，要考慮C

39、PU和EPROM時序的匹配，還應考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。 在存儲器擴展電路的設計中還應包括地址鎖存器和譯碼電路的設計。4.1.4 I/O口接口電路設計應包括接口芯片的選用，步進電機控制電路、鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設計。4.2 MCS51系列單片機的選用MCS51系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品：8031、8051和8751。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結構上有少數(shù)差異。8031片內(nèi)無ROM，適用于需擴展ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。此次作業(yè)使用的是8031芯片。4.2.1 8031單片機的基本特性803

40、1單片機具有以下幾個特點：（1） 具有功能很強的8位中央處理單元（CPU）；（2） 片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MH或12MH）、每執(zhí)行一條指令時間為或；（3）片內(nèi)具有128字節(jié)的RAM；（4）具有21個特殊寄存器。（5）可擴展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器；（6）具有4個I/O口，32根I/O線；（7）具有2個16位定時器/計數(shù)器；（8）具有5個中斷源，配備2個中斷優(yōu)先級；（9）具有一個全雙功串行接口；（10）具有位尋址能力，適用邏輯運算。 從上述特性可以看出這種8031芯片集成度高、功能強，只需增加少量外圍器件就可以構成一個完整的微機系統(tǒng)。4.2.2 8031芯片引腳及其

41、功能8031芯片具有40根引腳，其引腳圖如7(b)。 圖7 管腳和引腳功能圖 40根引腳按其功能可以分為四類： （1）電源線 2根。Vcc：編程和正常操作時的電源電壓，接+5V。Vss：地電平。 （2）晶體振蕩器 2根。XTAL1：振蕩器的反向放大器輸入。使用外部振蕩器時必須接地。XTAL2：振蕩器的反向放大器輸出和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。當使用外部振蕩器時用于輸入外部震蕩信號。 （3）I/O口 共有P0、P1、P2、P3四個8位口，32根I/O線，其功能如下： (a) P0.0P0.7（AD0AD7） 是I/O端口0的引腳。端口0是一個8位漏極開路的雙向I/O端口。在存取外部存儲器時，該端口分

42、時地用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口（在此時內(nèi)部上拉電阻有效）。 (b) P1.0P1.7 端口1的引腳，是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O通道，專供用戶使用。 (c) P2.0P2.7（A8A15）端口2的引腳。端口2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址A8A15。 (d) P3.0P3.7 端口3的引腳。端口3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，該口的每一位均可獨立地第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時，口的結構與P1操作與口完全相同，第二功能如下所示：口引腳 第二功能P3.0 RXD (串行輸入口)P3.1 TXD (

43、串行輸出口)P3.2 (外部中斷)P3.3 (外部中斷)P3.4 T0 (定時器0外部輸入)P3.5 T1 (定時器1外部輸入)P3.6 (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7 (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)由上看出，8031單片機不是將地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線分開，而是地址線、數(shù)據(jù)線和部分控制均由I/O口完成。（4）控制線 （a）：程序存儲器的使能引腳，是外部程序存儲器的選通信號，低電平有效。從外部程序存儲器取數(shù)時，在每個機器周期內(nèi)二次有效。 （b）/VPP：EA為高電平時，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。EA為低電平時，CPU僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令。因為8031芯片沒有內(nèi)部程序存儲器，所以EA必須接地。 （c）/PROG：ALE是地址鎖存器使能信號。作為地址鎖存允許時高電平有效。因為P1端口是分時傳送數(shù)據(jù)和低8位地址。所以訪問外部存儲器時，ALE信號鎖存低8位地址。即使在不訪問外部存儲器時，也以1/6振蕩頻