機械裝備設計伺服進給系統(tǒng)設計.

1、成績評定表學生姓名王冠班級學號1101012424專業(yè)機械設計制造及其自動化課程設計題目數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制設計（8）評語組長簽字：成績?nèi)掌?01 年 月曰課程設計任務書學院機械學院專業(yè)機械設計制造及其自動化學生姓名王冠班級學號1101012424課程設計題目數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制設計(8)實踐教學要求與任務：1、設計內(nèi)容(1) 運動設計：確疋取佳傳動比，計算選擇滾珠絲杠螺母副、伺服電動機、導軌 及絲杠的支承；(2) 結(jié)構(gòu)設計：完成進給系統(tǒng)裝配圖設計(0#圖1張);(3) 驗算：完成系統(tǒng)剛度計算，驗算定位誤差等；(4) 設計單片機控制交流電機變頻調(diào)速的原理圖(多速開關)；(5

2、) 按照加速-勻速1-減速-勻速2-減速停的速度曲線，設計單片機控制程序；(6) 撰寫設計計算說明書。2、主要技術參數(shù)：X軸：進給行程380 mm；進給速度3800mm/min快移速度13m/min,;最大進給 力：4800N 定位精度:0.012mm/300mm,定位精度:0.006mm,橫向滑板上刀架重量：88 Kg 。工作計劃與進度安排：(共2周)(1) 集中講授設計內(nèi)容、步驟及要求，下發(fā)設計題目及任務書，理解題目要求， 查閱資料，確定結(jié)構(gòu)設計方案(第16周的周一周二)(2) 指導學生進行設計計算及確定設計方案、 裝配圖結(jié)構(gòu)設計(第16周的周三 周五)(3) 結(jié)構(gòu)部分說明書撰寫及答辯驗收

3、(第 16周的周六第17周的周一上午)(4) 控制方案確定及原理圖設計、控制程序設計(第17周的周一下午周四)(5) 控制部分說明書撰寫及答辯驗收(第 17周的周四周五)指導教師：2014 年12月4日專業(yè)負責人：2014年12月 日學院教學副院長：2014年12月 日目錄一成績評定表 1二課程設計任務書 2-、八 、亠二刖言 1四滾珠絲杠螺母副的設計 2五電機選擇 7六校核部分 8六控制部分 13七設計總結(jié) 19八參考文獻 19刖言課程設計是在學完機床課后，進行一次學習設計的綜合性練習 通過設計，運用所學過的基礎課，技術基礎課和專業(yè)課的理論知識， 生產(chǎn)實習和實驗等實踐知識，達到鞏固加深和擴大

4、所學知識的目的。 通過設計，分析比較機床主傳動中某些典型機構(gòu)，進行選擇和改進， 學習構(gòu)造設計，進行設計計算和編寫技術文件。完成機床主傳動設計， 達到學習設計步驟和方法的目的。 通過機床課程設計，獲得設計工作 的基本技能的訓練，提高分析和解決工程技術問題的能力。 并未進行 一般機械的設計創(chuàng)造一定的條件。.滾珠絲杠螺母副的設計1. 確定滾珠絲杠副的導程Ph :滾珠絲杠副的導程mm可畫：工作臺最咼移動速度m/min嗣：電機最高轉(zhuǎn)速r/mm1 :傳動比因電機與絲杠直聯(lián)，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. 確定

5、當量轉(zhuǎn)速與當量載荷(1) 各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速_VAtlj = jPhi :絲杠轉(zhuǎn)速 r/nun i二12A衛(wèi) 込:進給速度 m/min i = 12,A tnnmax=VmaJP h=3800/10=380r/minn min=Vmin/p h=1/10 = 0.1r/min(2 )各種切削方式下，絲杠軸向載荷F max=4800+0.004*880=4803.52NF min=0.004*880=3.52N(3 )當量轉(zhuǎn)速n n=(n max+nmin)/2=(380+0.1)/2=190.05mm/min(2 )當量載荷F m=(2F ma+Fmin)/3=(2*4803.52+3.

6、52)/3=3203.52N3. 預期額定動載荷(1)按預期工作時間估算c皿二寸Jh 亦；預期額定動載荷N按表查得：輕微沖擊取 f w=1.3 fa=1可靠性90%取 fc=1已知：Lh=15000小時代入得 Cam=23117.5029(2 )擬采用預緊滾珠絲杠副，按最大負載Fmax計算：按表查得：中預載取Fe=4.5代入得 Gm=4.5x4803.52=2311.50294. 確定允許的最小螺紋底徑(1) 估算絲杠允許的最大軸向變形量 1 ( 1/31/4 )重復定位精度 沆Gm=23117, d 2=27.3mmdm=1.22mm6. 確定滾珠絲杠副預緊力其中 Fma=4803.52N

7、F p=1601.17N7. 行程補償值與與拉伸力(1)行程補償值C 二 1L8A1LM1 尸L u=380+10x10=480mmAt溫差取2亍CC=11.8x2.5x480x10A-6=14.16卩 m(2)預拉伸力& 二 1.95刪代入得 Ft=1.95x2.5x27.3A2=5033N8. 確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號、規(guī)格(1)軸承所承受的最大軸向載荷代入得 FBmax=9836N(2 )軸承類型兩端固定的支承形式，選背對背60角接觸推力球軸承(3) 軸承內(nèi)徑d 略小于 d2=27.3mm FBP=1/3 fbma=3279N取 d=25mm(4) 軸承預緊力預加負荷3300NA

8、：丈=3279N(5 )按樣本選軸承型號規(guī)格當 d=25mm 預加負荷為：3300 Fbp=3279所以選760305TNI軸承d=25mm D=62mm B=17mm9. 滾珠絲杠副工作圖設計(1)絲杠螺紋長度Ls:L s=Lu+2Le由表查得余程Le=30(2 )兩固定支承距離 Li按樣本查出螺母安裝聯(lián)接尺寸絲杠全長L(3)行程起點離固定支承距離Lo由工作圖得Ls=480+2x30=540mmL i=163+540=703mmL=703+75+45=853mmL 0=30mm10 .電機選擇總的轉(zhuǎn)動慣量J 總=11.3Kg*cm2總得力矩Tmf0.09N*M根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量和力矩選擇電機選擇型

9、號為 120MB150B-001000聯(lián)軸器 LK11-68K-222011 .傳動系統(tǒng)剛度(1)絲杠抗壓剛度1 )絲杠最小抗壓剛度Ksmin=6.6X 10厶 ”Ksmin :最小抗壓剛度 N/ / md2:絲杠底徑L!:固定支承距離Ksmin=699N/m2)絲杠最大抗壓剛度心max=6.6X10Ksmax :最大抗壓剛度 N/mKsmax=4281 N/m(2) 支承軸承組合剛度1) 一對預緊軸承的組合剛度訥門Z% max &滬Kbo=2X 2.34 Kb。： 一對預緊軸承的組合剛度d q:滾珠直徑 mmZ :滾珠數(shù)Famax :最大軸向工作載荷N”：軸承接觸角由樣本查出7602030T

10、UP軸承是Famax預加載荷的3倍dQ=7.144,Z=17,=60.Kamax=4800*3=14400 N/mKbo=1145 N/Pm2）支承軸承組合剛度由兩端固定支承Kb=2KBoKb=2290N/川 mKb:支承軸承組合剛度 N/m3）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度Kc ：滾珠和滾道的接觸剛度N/mKc :查樣本上的剛度N/門mFp:滾珠絲杠副預緊力NCa:額定動載荷N由樣本查得：Kc =772 N/ m 325700N;Fp=1601N得 Kc=659N/1 m12.剛度驗算及精度選擇(1)= 2.19*10 -3 N/；m已知 W=880N， =0.004 , F o=3.52N

11、Fo:靜摩擦力Nn):靜摩擦系數(shù)W :正壓力N(2)驗算傳動系統(tǒng)剛度1陰in -T-nKmin :傳動系統(tǒng)剛度N已知反向差值或重復定位精度為6Kmin=0.939296(3) 傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差=4.19*10 -3 產(chǎn):m(4 )確定精度V300P:任意300mm內(nèi)的行程變動量對半閉環(huán)系統(tǒng)言,VsoopW 0.8 X定位精度-絲杠精度取為2級V 3oop=8 m nmax=150015.驗算:n maxD pw:滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑 mmn max :滾珠絲杠副最高轉(zhuǎn)速r/mi nD pw 34.4mmn max=1500r/min7000051666二.控制部分1. PWM基本

12、原理及設計方案1.1.PWM基本原理PW是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PW可以應用在許多方面，如電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PW驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此，PW又被稱為“開關驅(qū)動裝置”。在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改 變通、斷電的時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。 設電機始終接通電源時， 電機轉(zhuǎn)速最大為 V

13、max, 設占空比為D=tT，則電機的平均速度為：(1-2)Vd =Vmax * D式中，Vd電機的平均速度Vmax 電機全通電時的速度（最大）；D =t1/ T 占空比。由公式（1-2 ）可見，當我們改變占空比時 D=t1/T ,就可以得到不同的電機平均速度 , 從而達到調(diào)速的目的。嚴格地講，平均速度V與占空比D =t1/ T并不是嚴格的線性關系，在一般的應用中，可以將其近似地看成線性關系。1.2.設計方案本文主要介紹利用單片機對 PW信號的軟件實現(xiàn)方法。MC一51系列典型產(chǎn)品AT89S52具 有兩個定時器 T0和T1。通過控制定時器初值 T0和T,從而可以實現(xiàn)從S52的任意輸出口 輸出不同

14、占空比的脈沖波形。由于PW信號軟件實現(xiàn)的核心是單片機內(nèi)部的定時器，而不同單片機的定時器具有不同的特點，即使是同一臺單片機由于選用的晶振不同，選擇的定時器工作方式不同，其定時器的定時初值與定時時間的關系也不同。因此，首先必須明確定時器的定時初值與定時時間的關系。如果單片機的時鐘頻率為f，定時器/計數(shù)器為 N位，則定時器初值與定時時間的關系為：t1=（2n-T.）學飛（1-3）f 匯 10式中，T 定時器定時初值；N 一個機器周期的時鐘數(shù)。N隨著機型的不同而不同。在應用中，應根據(jù)具體的機型給出相應的值。這樣，我們可以通過設定不同的定時初值，從而改變占空比D =t1/ T，進而達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的

15、。2. 硬件電路的設計本設計以AT89S52單片機為核心，以5個彈跳按鈕作為輸入達到控制電機的加速、減速， 以四位共陽數(shù)碼管顯示電機速度大小。在設計中，采用PW技術對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調(diào)速的目的。2.1系統(tǒng)分析與硬件設計模塊鍵盤向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過P3.0 口輸出與轉(zhuǎn)速相應的 PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、驅(qū)動電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制， 電動機加速，減速、勻速。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系統(tǒng)硬件電路圖2

16、2設計該系統(tǒng)所需部分器件AT89S51單片機、交流伺服電機、L298N、12MHZ晶振、電容、彈跳開關等。2.3交流伺服電機的功能簡介交流伺服電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、停止和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系 統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。電動機調(diào)速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)自動控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。采用微機控制后，整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)自動化，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作維護 方便，電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平，靜動態(tài)各項指標均能較好地滿足工業(yè)生 產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。由于單片機性能優(yōu)越，具有較佳的性能價格

17、比，所以單片機在 工業(yè)過程及設備控制中得到日益廣泛的應用。2.4交流伺服電機調(diào)速控制系統(tǒng)模塊采用單片機構(gòu)成的交流伺服電動機數(shù)字PWM調(diào)速系統(tǒng)，其控制核心主要由單片機的最小系統(tǒng)、電機驅(qū)動電路、按鍵（加速、減速、勻速）、交流伺服電機組成。系統(tǒng)采用L298N芯片作為PWM驅(qū)動電動機的供電主回路。單片機通過軟件處理輸出PW信號,實現(xiàn)了電動機的速度控制，在運行中獲得了良好的動靜態(tài)性能。由于系統(tǒng)性價比高，結(jié)構(gòu)簡單，具有實用價值和推廣價值。在介紹了基于單片機用 PW實現(xiàn)電機調(diào)整的基本方法，電機調(diào)速的相關知識， 及PW調(diào)整的基本原理和實現(xiàn)方法。重點介紹了基于AT89S52單片機的用軟件產(chǎn)生 PW信號的途徑，并

18、介紹了一種獨特的通過軟件定時中斷實現(xiàn)PWB號占空比調(diào)節(jié)的方法。對于直流電機速度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種有效的途徑。（1）通過對單片機程序燒錄實現(xiàn)對直流電機的加速、減速、勻速控制。（2）由于單片機的驅(qū)動能力不強，驅(qū)動電機需要很強的電流所以必須有外圍的驅(qū)動電 路，因此本設計采用L298芯片放大單片機微弱的電流?？刂圃恚?9S52單片機為核心的電機控制系統(tǒng)控制，由軟件轉(zhuǎn)換成PWM言號，并由P3.0輸出，經(jīng)驅(qū)動電路輸出給電機， 從而控制電機得電與失電。軟件采用定時中斷進行設計。單 片機上電后，系統(tǒng)進入準備狀態(tài)。當按動啟動按鈕后，根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整P3.0/輸出高低電平時的預定值，從而可以控制

19、P3.0輸出高低電平時的占空比，進而控制電壓的大 小。3. 系統(tǒng)軟件的設計利用P3口，編制程序輸出一串脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動電機，改變輸出脈沖的電平的持續(xù)時間，達到使電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停轉(zhuǎn)等目的。由軟件編程從P3.0管腳產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)驅(qū)動電路輸出給電機， 從而控制電機得電與失電。軟件采用延時法進行設計。單片機上電后，系統(tǒng)進入準備狀態(tài)。當按動啟動按鈕后，根據(jù) P3.0為高電平時實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整P3.0輸出高低電平時的占空比，從而可以控制P3.0輸出高低電平時的有效值，進而控制電機的加減速。附程序清單ORG 0000HLJMP MAINORG 000BHLJMP

20、TTO ;跳轉(zhuǎn)到定時器0中斷程序ORG 0013HLJMP KEY ;跳轉(zhuǎn)到外中斷1中斷程序ORG 1000HMAIN:SETB P3.0 ; 脈沖的高電平MOV R0,21H ； (21H)初始值為Y，存入R0中，延時T1MOV TMOD, #01HMOV TL0,22H ;時間基數(shù)T0的定時參數(shù)MOV TH0,23HSETB TR0 ； 定時中斷設置SETB ET0SETB EAKEY:MOV P1，#0FFH ;置輸入狀態(tài)JNB P1.0,A0 ； P1.0 為 0 時轉(zhuǎn) 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 :勻速CPL P3.0 ;MOV A,20HSUBB A,21HMOV 21H,AMOV R0,ALJMP TTOSJMP $ENDA3: AJMP L1A4: CJNE RO, #07FH, A5 :減速CPL P3.0MOV A,20HSUBB A,21HMOV 21H,AMOV R0,ALJMP TTOSJMP $ENDA5: MOV A,R0SUBB