數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計

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1、成 績 評 定 表 學生姓名 班級學號 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 課程設(shè)計題目 數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計（8） 評 語 組長簽字： 成績 日期 201 年 月 日 課程設(shè)計任務(wù)書 學 院 機械學院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學生姓名 班級學號 1101012424 課程設(shè)計題目 數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計（8） 實踐教學要求與任務(wù): 1、設(shè)計內(nèi)容 （1）運動設(shè)計：確定

2、最佳傳動比，計算選擇滾珠絲杠螺母副、伺服電動機、導(dǎo)軌及絲杠的支承； （2）結(jié)構(gòu)設(shè)計：完成進給系統(tǒng)裝配圖設(shè)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(shè)計單片機控制交流電機變頻調(diào)速的原理圖（多速開關(guān)）； （5）按照加速-勻速1-減速-勻速2-減速停的速度曲線，設(shè)計單片機控制程序； （6）撰寫設(shè)計計算說明書。 2、主要技術(shù)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

3、作計劃與進度安排:（共2周） （1）集中講授設(shè)計內(nèi)容、步驟及要求，下發(fā)設(shè)計題目及任務(wù)書，理解題目要求，查閱資料，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案（第16周的周一～周二） （2）指導(dǎo)學生進行設(shè)計計算及確定設(shè)計方案、裝配圖結(jié)構(gòu)設(shè)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（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(shè)計、控制程序設(shè)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(dǎo)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

4、12月 日 目錄 一 成績評定表………………………………………………………………………1 二 課程設(shè)計任務(wù)書………………………………………………………………2 三 前言……………………………………………………………………………………1 四 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計……………………………………………………2 五 電機選擇……………………………………………………………………………7 六 校核部分……………………………………………………………………………8 六 控制部分………………………………………………………………………… 13 七 設(shè)計總結(jié)…………………………………………

5、……………………………… 19 八 參考文獻………………………………………………………………………… 19 前言 課程設(shè)計是在學完機床課后，進行一次學習設(shè)計的綜合性練習。通過設(shè)計，運用所學過的基礎(chǔ)課，技術(shù)基礎(chǔ)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所學知識的目的。通過設(shè)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(shè)計，進行設(shè)計計算和編寫技術(shù)文件。完成機床主傳動設(shè)計，達到學習設(shè)計步驟和方法的目的。通過機床課程設(shè)計，獲得設(shè)計工作的基本技能的訓練，提高分析和解決工程技術(shù)問題的能力。并未進行一般機械的設(shè)計創(chuàng)造一定

6、的條件。 一．滾珠絲杠螺母副的設(shè)計 1.確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 因電機與絲杠直聯(lián)，i=1 由表1查得 Vmax=13m/min n max= 1500r/min 代入得， Ph=8.66m 查表，取Ph=10mm 2.確定當量轉(zhuǎn)速與當量載荷 （1）?各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速 ? ?nmax=vmax/Ph=3800/10=380r/min nmin=vmin/ph=1/10=0.1r/min （2）各種切削方式下，絲杠軸向載荷 Fmax=4800+0.004*880=4803.52N Fm

7、in=0.004*880=3.52N （3）當量轉(zhuǎn)速 nm=(nmax+nmin)/2=(380+0.1)/2=190.05mm/min （2）當量載荷 Fm=(2Fmax+Fmin)/3=(2*4803.52+3.52)/3=3203.52N 3.預(yù)期額定動載荷 （1） 按預(yù)期工作時間估算 按表查得：輕微沖擊取 fw=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(yù)緊滾珠絲杠副，按最大負載Fmax計算： 按表查得： 中預(yù)載取 Fe=4

8、.5 代入得Cam=4.5x4803.52=2311.5029 取以上兩種結(jié)果的最大值 Cam=23117.5029 4.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 ≤（1/3～1/4）重復(fù)定位精度 ?② ≤（1/4～1/5）定位精度 ? : 最大軸向變形量μm 已知：重復(fù)定位精度 6μm, 定位精度12μm ① =2 δm=3 ② =3 取兩種結(jié)果的小值 =2μm (2）估算最小螺紋底徑 ? 絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式 ? (1.1～1.2)行程+（10～14） 已知：行程為380

9、mm, 代入得 L=1.1x380+14x10=558mm F0=3.52N d2m=1.22mm 5.確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 （1）選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒雙螺母型墊片預(yù)形式 （2）?由計算出的在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副 FFZD3210-3 Ph=10mm , Ca=25700>Cam=23117, d2=27.3mm>d2m=1.22mm 6. 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力 其中Fmax=4803.52N Fp=1601.17N 7.行程補償值與與拉伸力 （1） 行程補償值 ?? Lu=380+10x10=4

10、80mm C=11.8x2.5x480x10^-6=14.16μm (2) 預(yù)拉伸力 代入得 Ft=1.95x2.5x27.3^2=5033N 8.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=1/3FBMAX=3279N 取 d=25mm （4）軸承預(yù)緊力 預(yù)加負荷3300N≥=3279N （5）按樣本選軸承型號規(guī)格

11、 ? 當d=25mm? 預(yù)加負荷為：3300≥FBP=3279 ?所以選760305TNI軸承 ?d=25mm D=62mm B=17mm 9.滾珠絲杠副工作圖設(shè)計 (1) 絲杠螺紋長度Ls： Ls=Lu+2Le? 由表查得余程Le=30 （2）兩固定支承距離L1 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L0 由工作圖得 Ls=480+2x30=540mm L1=163+540=703mm L=703+75+45=853mm L0=30mm 10 . 電機選擇 總的轉(zhuǎn)動慣量 J總=11.3K

12、g*cm2 總得力矩 TM=0.09N*M 根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量和力矩選擇電機 選擇型號為120MB150B-001000 聯(lián)軸器LK11-68K-2220 11 . 傳動系統(tǒng)剛度 （1）絲杠抗壓剛度 ?? 1）絲杠最小抗壓剛度 Ksmin= 6.6 ×10 Ksmin ：最小抗壓剛度 N/m d2? ：絲杠底徑 L1?? ：固定支承距離 Ksmin=699N/m 2）絲杠最大抗壓剛度 Ksmax=6.6 ?×10 Ksmax ：最大抗壓剛度? N/m Ksmax=4281 N/m (2)?支承軸承組合剛度 1)一對預(yù)緊軸承的組合剛度

13、 KBO=2×2.34 KBO：一對預(yù)緊軸承的組合剛度? N/m dQ? ：滾珠直徑mm Z?? ：滾珠數(shù) Famax ：最大軸向工作載荷?N ??? ：軸承接觸角 由樣本查出7602030TUP軸承是Famax預(yù)加載荷的3倍 dQ=7.144?,?? Z=17??,? =60 Kamax=4800*3=14400 N/m KBO=1145 N/m 2）支承軸承組合剛度 由兩端固定支承 Kb=2KBO Kb=2290N/m Kb? ?：支承軸承組合剛度N/m 3）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度 KC= KC( KC ：滾珠和滾

14、道的接觸剛度N/m KC?：查樣本上的剛度 N/m FP? ：滾珠絲杠副預(yù)緊力 N Ca? ：額定動載荷 N 由樣本查得：KC=772 N/m；Ca=25700N； FP=1601N 得KC=659N/m 12.? 剛度驗算及精度選擇 （1） = = 3.4*10-3 N/m = 2.19*10-3 ?N/m F0 = 已知W1=880N ， =0.004 , F0=3.52N F0?? ：? 靜摩擦力 N ?：靜摩擦系數(shù) W1? ：正壓力N （2）驗算傳動系統(tǒng)剛度 Kmin Kmi

15、n ：傳動系統(tǒng)剛度?N 已知反向差值或重復(fù)定位精度為6 Kmin=0.939<296 （3）傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差 =4.19*10-3m （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， ? V300p≤0.8×定位精度- 絲杠精度取為2級 V300p=8m＜9.6m (5)?確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 已確定的型號：FFZD 公稱直徑：32?? 導(dǎo)程：10 螺紋長度：540 絲杠全長：853 P類2級精度 FFZD3210-3-P3? /853×540 13.? 驗算臨界壓縮載荷?

16、? Fc ：4803.52N 絲杠所受最大軸向載荷Fmax小于絲杠預(yù)拉伸力F不用驗算。 14 . 驗算臨界轉(zhuǎn)速 nc=f×10 nc? :?? 臨界轉(zhuǎn)速 r/min f??：與支承形式有關(guān)的系數(shù) ?：絲杠底徑 mm ：臨界轉(zhuǎn)速計算長度 mm 由表得f=21.9 由樣本得d2=27.3 由工作圖及表14得：Lc2= L1- L0 13200＞nmax=1500 15. 驗算： Dn=Dpw nmax D?pw ：? 滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑 mm nmax :? 滾珠絲杠副最高轉(zhuǎn)速 r/min

17、 Dpw≈34.4mm nmax=1500r/min 70000>51666 2． 控制部分 1. PWM基本原理及設(shè)計方案 1.1.PWM基本原理 PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)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。PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM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，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。在脈沖作用下，當電

18、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(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為,設(shè)占空比為=/，則電機的平均速度為: =* （1-2） 式中， —— 電機的平均速度; －－電機全通電時的速度(最大); =/－－占空比。 由公式（1-2）可見，當我們改變占空比時=/，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，平均速度與占空比=/并不是嚴格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。 1.2. 設(shè)計方案 本文主要介

19、紹利用單片機對PWM信號的軟件實現(xiàn)方法。MCS一51系列典型產(chǎn)品AT89S52具有兩個定時器 和 。通過控制定時器初值和 ，從而可以實現(xiàn)從S52的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM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(guān)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(guān)系。如果單片機的時鐘頻率為，定時器／計數(shù)器為位，則定時器初值與定時時間的關(guān)系為： (1-3) 式中

20、，—— 定時器定時初值； —— 一個機器周期的時鐘數(shù)。隨著機型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過設(shè)定不同的定時初值 ，從而改變占空比=/，進而達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。 2.硬件電路的設(shè)計 本設(shè)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(shè)計中，采用PWM技術(shù)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(shè)計模塊 鍵盤向單片機輸入相應(yīng)控制指令，由單片機通過P3.0口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)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

21、現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制，電動機加速，減速、勻速。 系統(tǒng)硬件電路圖 2.2 設(shè)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(guān)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

22、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比，所以單片機在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)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PWM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P

23、WM實現(xiàn)電機調(diào)整的基本方法，電機調(diào)速的相關(guān)知識，及PWM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PWM信號的途徑，并介紹了一種獨特的通過軟件定時中斷實現(xiàn)PWM信號占空比調(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(shè)計采用L298芯片放大單片機微弱的電流。 控制原理：89S52單片機為核心的電機控制系統(tǒng)控制，由軟件轉(zhuǎn)換成PWM 信號，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

24、電與失電。軟件采用定時中斷進行設(shè)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(yù)定值，從而可以控制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(shè)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(shè)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

25、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 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP TT0 ； 跳轉(zhuǎn)到定時器0中斷程序 ORG 0013H LJMP KEY；跳轉(zhuǎn)到外中斷1中斷程序 ORG 1000H MAIN: SETB P3.0 ； 脈沖的高電平 MOV R0,21H；(21H) 初始值為Y，存入R0中，延時T1 MOV TMOD, #01H MOV TL0,22H ；時間基數(shù)T0的定時參數(shù) MOV TH0,23H

26、 SETB TR0 ； 定時中斷設(shè)置 SETB ET0 SETB EA KEY:MOV P1，#0FFH；置輸入狀態(tài) JNB P1.0,A0；P1.0為0時轉(zhuǎn)A0 JNB P1.1,A2 JNB P1.2,A4 JNB P1.3,A6 JNB P1.4,A8 A0: CJNE R0, #0FFH, A1 :加速 CPL P3.0 MOV A,20H SUBB A,21H MOV 21H,A MOV R0,A LJMP TTO SJMP

27、$ END A1: MOV A,R0 ADD A,#5 MOV R0,A AJMP A0 A2: CJNE R0, #0FFH, A3 ：勻速 CPL P3.0 ; MOV A,20H SUBB A,21H MOV 21H,A MOV R0,A LJMP TTO SJMP $ END A3: AJMP L1 A4: CJNE R0, #07FH, A5 ：減速 CPL P3.0 MOV A,20H

28、 SUBB A,21H MOV 21H,A MOV R0,A LJMP TTO SJMP $ END A5: MOV A,R0 SUBB A,#2.5 MOV R0,A AJMP A4 A6: CJNE R0, #07FH, A7 ：勻速 CPL P3.0 MOV A,20H SUBB A,21H MOV 21H,A MOV R0,A LJMP TTO SJMP $ END A7: AJMP L1

29、 A8: CJNE R0, #00H, A9 ：減速 CPL P3.0 MOV A,20H SUBB A,21H MOV 21H,A MOV R0,A LJMP TTO SJMP $ END A9: MOV A,R0 SUBB A,#2.5 MOV R0,A AJMP A9 TT0: MOV TL0, 22H ；T0 定時中斷 MOV TH0, 23H DEC R0 ; R0-1 RETI

30、 設(shè)計總結(jié) 在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中，與同學分工設(shè)計，課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓練。 通過這次課程設(shè)計，我的學習能力和解決問題的信心都得到了提高。在課程設(shè)計的過程中，我遇到了很多困難，但在查閱了很多有關(guān)書籍、還有向老師和同學請教后終于得到了解決。通過這次課程設(shè)計，我不僅對理論有了更深一步的認識，還培養(yǎng)了自學能力和解決問題的能力，更重要的是，培養(yǎng)了克服困難的勇氣和信心。我們的課程設(shè)計之所以能基本完成，要深深地感謝我的指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)和幫助。 參考文獻 [1] 濮良貴. 機械設(shè)計A2. 北京：高等教育出版社，2012 [2] 李育錫. 機械設(shè)計課程設(shè)計 北京：高等教育出版社，2008 [3] 劉復(fù)華. 單片機及其應(yīng)用系統(tǒng). 北京：清華大學出版社，1992 [4] 馬淑華. 單片機原理與接口技術(shù). 北京：北京郵電大學出版社，2005