机械装备设计伺服进给系统设计.

1、成绩评定表学生姓名王冠班级学号1101012424专业机械设计制造及其自动化课程设计题目数控车床伺服进给系统结构与控制设计（8）评语组长签字：成绩日期201 年 月曰课程设计任务书学院机械学院专业机械设计制造及其自动化学生姓名王冠班级学号1101012424课程设计题目数控车床伺服进给系统结构与控制设计(8)实践教学要求与任务：1、设计内容(1) 运动设计：确疋取佳传动比，计算选择滚珠丝杠螺母副、伺服电动机、导轨 及丝杠的支承；(2) 结构设计：完成进给系统装配图设计(0#图1张);(3) 验算：完成系统刚度计算，验算定位误差等；(4) 设计单片机控制交流电机变频调速的原理图(多速开关)；(5

2、) 按照加速-匀速1-减速-匀速2-减速停的速度曲线，设计单片机控制程序；(6) 撰写设计计算说明书。2、主要技术参数：X轴：进给行程380 mm；进给速度3800mm/min快移速度13m/min,;最大进给 力：4800N 定位精度:0.012mm/300mm,定位精度:0.006mm,横向滑板上刀架重量：88 Kg 。工作计划与进度安排：(共2周)(1) 集中讲授设计内容、步骤及要求，下发设计题目及任务书，理解题目要求， 查阅资料，确定结构设计方案(第16周的周一周二)(2) 指导学生进行设计计算及确定设计方案、 装配图结构设计(第16周的周三 周五)(3) 结构部分说明书撰写及答辩验收

3、(第 16周的周六第17周的周一上午)(4) 控制方案确定及原理图设计、控制程序设计(第17周的周一下午周四)(5) 控制部分说明书撰写及答辩验收(第 17周的周四周五)指导教师：2014 年12月4日专业负责人：2014年12月 日学院教学副院长：2014年12月 日目录一成绩评定表 1二课程设计任务书 2-、八 、亠二刖言 1四滚珠丝杠螺母副的设计 2五电机选择 7六校核部分 8六控制部分 13七设计总结 19八参考文献 19刖言课程设计是在学完机床课后，进行一次学习设计的综合性练习 通过设计，运用所学过的基础课，技术基础课和专业课的理论知识， 生产实习和实验等实践知识，达到巩固加深和扩大

4、所学知识的目的。 通过设计，分析比较机床主传动中某些典型机构，进行选择和改进， 学习构造设计，进行设计计算和编写技术文件。完成机床主传动设计， 达到学习设计步骤和方法的目的。 通过机床课程设计，获得设计工作 的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力。 并未进行 一般机械的设计创造一定的条件。.滚珠丝杠螺母副的设计1. 确定滚珠丝杠副的导程Ph :滚珠丝杠副的导程mm可画：工作台最咼移动速度m/min嗣：电机最高转速r/mm1 :传动比因电机与丝杠直联，i=1 由表1查得 Vmax=13m/min n ma)= 1500r/min代入得，Ph=8.66m查表，取Ph=10mm2. 确定

5、当量转速与当量载荷(1) 各种切削方式下，丝杠转速_VAtlj = jPhi :丝杠转速 r/nun i二12A卫 込:进给速度 m/min i = 12,A tnnmax=VmaJP h=3800/10=380r/minn min=Vmin/p h=1/10 = 0.1r/min(2 )各种切削方式下，丝杠轴向载荷F max=4800+0.004*880=4803.52NF min=0.004*880=3.52N(3 )当量转速n n=(n max+nmin)/2=(380+0.1)/2=190.05mm/min(2 )当量载荷F m=(2F ma+Fmin)/3=(2*4803.52+3.

6、52)/3=3203.52N3. 预期额定动载荷(1)按预期工作时间估算c皿二寸Jh 亦；预期额定动载荷N按表查得：轻微冲击取 f w=1.3 fa=1可靠性90%取 fc=1已知：Lh=15000小时代入得 Cam=23117.5029(2 )拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算：按表查得：中预载取Fe=4.5代入得 Gm=4.5x4803.52=2311.50294. 确定允许的最小螺纹底径(1) 估算丝杠允许的最大轴向变形量 1 ( 1/31/4 )重复定位精度 沆Gm=23117, d 2=27.3mmdm=1.22mm6. 确定滚珠丝杠副预紧力其中 Fma=4803.52N

7、F p=1601.17N7. 行程补偿值与与拉伸力(1)行程补偿值C 二 1L8A1LM1 尸L u=380+10x10=480mmAt温差取2亍CC=11.8x2.5x480x10A-6=14.16卩 m(2)预拉伸力& 二 1.95删代入得 Ft=1.95x2.5x27.3A2=5033N8. 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格(1)轴承所承受的最大轴向载荷代入得 FBmax=9836N(2 )轴承类型两端固定的支承形式，选背对背60角接触推力球轴承(3) 轴承内径d 略小于 d2=27.3mm FBP=1/3 fbma=3279N取 d=25mm(4) 轴承预紧力预加负荷3300NA

8、：丈=3279N(5 )按样本选轴承型号规格当 d=25mm 预加负荷为：3300 Fbp=3279所以选760305TNI轴承d=25mm D=62mm B=17mm9. 滚珠丝杠副工作图设计(1)丝杠螺纹长度Ls:L s=Lu+2Le由表查得余程Le=30(2 )两固定支承距离 Li按样本查出螺母安装联接尺寸丝杠全长L(3)行程起点离固定支承距离Lo由工作图得Ls=480+2x30=540mmL i=163+540=703mmL=703+75+45=853mmL 0=30mm10 .电机选择总的转动惯量J 总=11.3Kg*cm2总得力矩Tmf0.09N*M根据转动惯量和力矩选择电机选择型

9、号为 120MB150B-001000联轴器 LK11-68K-222011 .传动系统刚度(1)丝杠抗压刚度1 )丝杠最小抗压刚度Ksmin=6.6X 10厶 ”Ksmin :最小抗压刚度 N/ / md2:丝杠底径L!:固定支承距离Ksmin=699N/m2)丝杠最大抗压刚度心max=6.6X10Ksmax :最大抗压刚度 N/mKsmax=4281 N/m(2) 支承轴承组合刚度1) 一对预紧轴承的组合刚度讷门Z% max &沪Kbo=2X 2.34 Kb。： 一对预紧轴承的组合刚度d q:滚珠直径 mmZ :滚珠数Famax :最大轴向工作载荷N”：轴承接触角由样本查出7602030T

10、UP轴承是Famax预加载荷的3倍dQ=7.144,Z=17,=60.Kamax=4800*3=14400 N/mKbo=1145 N/Pm2）支承轴承组合刚度由两端固定支承Kb=2KBoKb=2290N/川 mKb:支承轴承组合刚度 N/m3）滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度Kc ：滚珠和滚道的接触刚度N/mKc :查样本上的刚度N/门mFp:滚珠丝杠副预紧力NCa:额定动载荷N由样本查得：Kc =772 N/ m 325700N;Fp=1601N得 Kc=659N/1 m12.刚度验算及精度选择(1)= 2.19*10 -3 N/；m已知 W=880N， =0.004 , F o=3.52N

11、Fo:静摩擦力Nn):静摩擦系数W :正压力N(2)验算传动系统刚度1阴in -T-nKmin :传动系统刚度N已知反向差值或重复定位精度为6Kmin=0.939296(3) 传动系统刚度变化引起的定位误差=4.19*10 -3 产:m(4 )确定精度V300P:任意300mm内的行程变动量对半闭环系统言,VsoopW 0.8 X定位精度-丝杠精度取为2级V 3oop=8 m nmax=150015.验算:n maxD pw:滚珠丝杠副的节圆直径 mmn max :滚珠丝杠副最高转速r/mi nD pw 34.4mmn max=1500r/min7000051666二.控制部分1. PWM基本

12、原理及设计方案1.1.PWM基本原理PW是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PW可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PW驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PW又被称为“开关驱动装置”。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改 变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。 设电机始终接通电源时， 电机转速最大为 V

13、max, 设占空比为D=tT，则电机的平均速度为：(1-2)Vd =Vmax * D式中，Vd电机的平均速度Vmax 电机全通电时的速度（最大）；D =t1/ T 占空比。由公式（1-2 ）可见，当我们改变占空比时 D=t1/T ,就可以得到不同的电机平均速度 , 从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度V与占空比D =t1/ T并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。1.2.设计方案本文主要介绍利用单片机对 PW信号的软件实现方法。MC一51系列典型产品AT89S52具 有两个定时器 T0和T1。通过控制定时器初值 T0和T,从而可以实现从S52的任意输出口 输出不同

14、占空比的脉冲波形。由于PW信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为f，定时器/计数器为 N位，则定时器初值与定时时间的关系为：t1=（2n-T.）学飞（1-3）f 汇 10式中，T 定时器定时初值；N 一个机器周期的时钟数。N随着机型的不同而不同。在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。这样，我们可以通过设定不同的定时初值，从而改变占空比D =t1/ T，进而达到控制电机转速的目的

15、。2. 硬件电路的设计本设计以AT89S52单片机为核心，以5个弹跳按钮作为输入达到控制电机的加速、减速， 以四位共阳数码管显示电机速度大小。在设计中，采用PW技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。2.1系统分析与硬件设计模块键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P3.0 口输出与转速相应的 PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、驱动电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制， 电动机加速，减速、匀速。CLJ 二肖J-Lm =n眄旳=7=2C咗PZ1A1l.A-J5-3J1RXE P? J TXE 吩竺 Pll LP3J-TC科u=3VHF TSE系统硬件电路图2

16、2设计该系统所需部分器件AT89S51单片机、交流伺服电机、L298N、12MHZ晶振、电容、弹跳开关等。2.3交流伺服电机的功能简介交流伺服电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、停止和反转；能满足生产过程自动化系 统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现自动化，结构简单，可靠性高，操作维护 方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生 产中高性能电气传动的要求。由于单片机性能优越，具有较佳的性能价格

17、比，所以单片机在 工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。2.4交流伺服电机调速控制系统模块采用单片机构成的交流伺服电动机数字PWM调速系统，其控制核心主要由单片机的最小系统、电机驱动电路、按键（加速、减速、匀速）、交流伺服电机组成。系统采用L298N芯片作为PWM驱动电动机的供电主回路。单片机通过软件处理输出PW信号,实现了电动机的速度控制，在运行中获得了良好的动静态性能。由于系统性价比高，结构简单，具有实用价值和推广价值。在介绍了基于单片机用 PW实现电机调整的基本方法，电机调速的相关知识， 及PW调整的基本原理和实现方法。重点介绍了基于AT89S52单片机的用软件产生 PW信号的途径，并

18、介绍了一种独特的通过软件定时中断实现PWB号占空比调节的方法。对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。（1）通过对单片机程序烧录实现对直流电机的加速、减速、匀速控制。（2）由于单片机的驱动能力不强，驱动电机需要很强的电流所以必须有外围的驱动电 路，因此本设计采用L298芯片放大单片机微弱的电流。控制原理：89S52单片机为核心的电机控制系统控制，由软件转换成PWM言号，并由P3.0输出，经驱动电路输出给电机， 从而控制电机得电与失电。软件采用定时中断进行设计。单 片机上电后，系统进入准备状态。当按动启动按钮后，根据不同的加减速按钮，调整P3.0/输出高低电平时的预定值，从而可以控制

19、P3.0输出高低电平时的占空比，进而控制电压的大 小。3. 系统软件的设计利用P3口，编制程序输出一串脉冲，经放大后驱动电机，改变输出脉冲的电平的持续时间，达到使电机正转、反转、加速、减速、停转等目的。由软件编程从P3.0管脚产生PWM信号，经驱动电路输出给电机， 从而控制电机得电与失电。软件采用延时法进行设计。单片机上电后，系统进入准备状态。当按动启动按钮后，根据 P3.0为高电平时实现电机正转。根据不同的加减速按钮，调整P3.0输出高低电平时的占空比，从而可以控制P3.0输出高低电平时的有效值，进而控制电机的加减速。附程序清单ORG 0000HLJMP MAINORG 000BHLJMP

20、TTO ;跳转到定时器0中断程序ORG 0013HLJMP KEY ;跳转到外中断1中断程序ORG 1000HMAIN:SETB P3.0 ; 脉冲的高电平MOV R0,21H ； (21H)初始值为Y，存入R0中，延时T1MOV TMOD, #01HMOV TL0,22H ;时间基数T0的定时参数MOV TH0,23HSETB TR0 ； 定时中断设置SETB ET0SETB EAKEY:MOV P1，#0FFH ;置输入状态JNB P1.0,A0 ； P1.0 为 0 时转 A0JNB P1.1,A2JNB P1.2,A4JNB P1.3,A6JNB P1.4,A8A0: CJNE R0,

21、 #0FFH, A1 :加速CPL P3.0MOV A,20HSUBB A,21HMOV 21H,AMOV R0,ALJMP TTOSJMP $ENDA1: MOV A,R0ADD A,#5MOV R0,AAJMP A0A2: CJNE R0, #0FFH, A3 :匀速CPL P3.0 ;MOV A,20HSUBB A,21HMOV 21H,AMOV R0,ALJMP TTOSJMP $ENDA3: AJMP L1A4: CJNE RO, #07FH, A5 :减速CPL P3.0MOV A,20HSUBB A,21HMOV 21H,AMOV R0,ALJMP TTOSJMP $ENDA5: MOV A,R0SUBB