【正文】 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 減振蕩后，能迅速的穩(wěn)定在新的或原有的平衡狀態(tài)下。適當(dāng)?shù)倪x擇系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)（主要有阻尼、剛度、諧振頻率和失動量等）和電器參數(shù)，并使他們達(dá)到最佳匹配，是進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)之一。精度用誤差來表示，定位誤差是指工作臺由一點(diǎn)移動到另一點(diǎn)時，指令值與實際移動距離的最大誤差。采用數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)可以提到伺服驅(qū)動系統(tǒng)的精度。系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，則加工效率越高，軌跡跟隨精度也越高。對于開環(huán)及半閉環(huán)的控制型式，主要應(yīng)滿足定位精度的要求，而對于閉環(huán)控制型式，則主要是穩(wěn)定性問題。 （ 3） 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度。 在動態(tài)設(shè)計方面的要求有： （ 1） 具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩，以便快速完成啟動制動過程。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動控制單元、驅(qū)動元件、機(jī)械傳動裝置、執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組 成。 數(shù)控機(jī)床的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng) 數(shù)控機(jī)床的位置調(diào)節(jié)技術(shù)保證被加工零件的尺寸精度和輪廓精度。 閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置為感應(yīng)同步器。這類系統(tǒng)精度高，動態(tài)性 能好，可充分利用計算機(jī)的快速運(yùn)算功能和存儲功能，使進(jìn)給伺服系統(tǒng)始終處于最佳長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 工作狀態(tài)。由于系統(tǒng)包含一些儲能元件，所以當(dāng)輸入量作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)輸出不能立刻跟隨輸入量變化，而是在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定之前表現(xiàn)為瞬態(tài)響應(yīng)過程（ 或叫過渡過程）。尤其考慮到啟動、停車、正反向等控制情況，各坐標(biāo)軸速度信號的變化極為復(fù)雜。所謂頻率響應(yīng)特性 ,就是系統(tǒng)對正 弦 輸入信號的響應(yīng)，即它通過研究系統(tǒng)對正 弦 輸入信號的響應(yīng)規(guī)律來獲得啟動態(tài)特性。 分析系統(tǒng)快速性的方法很多，由直接求解法、間接評價法和計算機(jī)模擬法等。這種系統(tǒng)的通頻寬帶，對高頻信長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 號響應(yīng)速度快，所以從開環(huán)頻率特性圖看，提高系統(tǒng)的截止頻率，則可以提高閉環(huán)回路的響應(yīng)速度。 （ 4）伺服精度 伺服精度的高低用誤差來衡量，所謂伺服誤差就是伺服系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時指令位置和實際位置之差，它反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量。 5 進(jìn)給傳動的改造和計算 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動是數(shù)字控制的直接對象，不論是點(diǎn)位控制還是輪廓控制，工件的最后坐標(biāo)精度和輪廓精度都受進(jìn)給運(yùn)動的傳動精度靈敏度和穩(wěn)定性的影響。滾珠絲杠螺母副的特點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，傳動效率可達(dá) 90%以上，是普通螺母副的 3—4 倍，它能在低速微動情況下產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，并能實現(xiàn)你運(yùn)動。螺距的大小是根據(jù)長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 機(jī)床的加工精度要求來確定的。故應(yīng)取 1 級精度。 摩擦力 Ff =Fmin =500=17 N Fmax =1265+17=1282N Fm = N1 0 1 53 171 2 8 2232 m i nm a x ?? ??? FF nmax = r/ m in750215002 m i nm a x nn ??? 取絲杠的工作壽命為 T=15000h,fa =1,fw = 滾珠絲杠壽命為 (單位為 1106 轉(zhuǎn)次 ) L= ???6101500075060675106 r 代入a wm f fLFajC3? ,絲杠的當(dāng)量載荷 從 機(jī)電一體化技術(shù)手冊 P7－ 78,選擇 杠副。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮?？刂齐姍C(jī)是在一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的小功率電機(jī)。 步進(jìn) 電機(jī)是一種電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)位移量與輸入脈沖嚴(yán)格成比例，這就不會因其誤差的積累，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率和步距有關(guān)。 最大切削負(fù)載 從前面的計算，已知 ,N1 2 8 2m a x ??? ?m P F h。 （ 6）精度驗算 測量定位精度時 , 機(jī) 床 不 切 削 。絲杠的任意 300mm 行程內(nèi)的行程動量 V300 取為定位精度的1/3—1/2，即 —,由 [3]表 73,1 級精度的絲杠 V300 =。工作臺 ,X向絲杠 ,X 向電機(jī) ,導(dǎo) 軌的總重量為 800kg。一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。故BCS KKKK1111 ??? = ??? K=129N/μm[K]=620N/μm 滿足剛度符合要求。 (7)電磁離合器 滾珠絲杠沒有自鎖能力，垂直坐標(biāo)不能鎖住，通常用電磁離合器超越離合器或摩擦離合器及制動器，達(dá)到自鎖的效果。常用的電磁離合器有摩擦片式電磁離合器，電磁粉末離合器，電磁轉(zhuǎn)差離合器。與他配套的電刷，其作用就是將電流引入線圈，使離合器運(yùn)行可靠。數(shù)控系統(tǒng)的硬 件電路概括起來由以下四部分組成。 (3)存儲器。其作用是發(fā)布命令以協(xié)調(diào)各部分電路正常工作，存儲器用于存放系統(tǒng)軟件以及運(yùn)行過程中的各種數(shù)據(jù)， I/O 接口式系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁，三總線則是 CPU 與存儲器、接口以及其它各種轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是 CPU 于各部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。通常， CPU 通過 I/O 接口可連接的人機(jī)交換外設(shè)是鍵盤、打印機(jī)、磁帶紀(jì)錄儀等通訊接口；信號變換是 A/D 轉(zhuǎn)換、 D/A轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大等，是實現(xiàn)微機(jī)和控制對象之間的信號匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路。 (3)指令系統(tǒng)功能是否強(qiáng)（即編程的靈活性）。目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片由 808 808 8028 8038以及 809 8096 等 16 位機(jī)的 CPU，也有 8080、Z80 和 805 803 8751 等 8 位機(jī)的 CPU。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少許差異。 8031 單片機(jī)的基本特性： ① 具有 8 位中央處理單元（ CPU）片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（ 6MHz 或 12MHz），每執(zhí)行一條指令時間 為 2μs或 1μs。 ⑤ 具有兩個 16 位定時器 /計數(shù)器。 從上述特性可知，一塊 8031 的功能幾乎相當(dāng)于一塊 Z80CPU、一塊 RAM、一塊 Z80、兩塊Z80PIO 和一塊 Z80SIO 所組成的微型計算機(jī)系統(tǒng)。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計存儲器的容量。 2764中的低 8位地址線通過地址鎖存器 74LS373與 8031P0口相聯(lián)。 (2)數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 由于 8031內(nèi)部 RAM 只有 128 字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲器。 I/O 口電路的擴(kuò)展 (1)并行口的擴(kuò)展 8031 單片機(jī)共有四個 8 位并行 I/O 口，但可供用戶使用的只有 P1 口及部分 P3口線。 8155 與 8031 的聯(lián)接可歸結(jié)為三總線的聯(lián)接。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。在負(fù)載能力及 動態(tài)特性范圍內(nèi)，電動機(jī)的角位移僅與控制脈沖成正比。也可采用 8155 或 8255A等可編程并行輸入、輸出接口芯片設(shè)計擴(kuò)展接口電路，來控制步進(jìn)電機(jī)即其它外 部設(shè)備。在數(shù)控系統(tǒng)中使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的時光電 。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在 XTAL XTAL2引腳上外接定時元件，如圖 ()所示。一般數(shù)控系統(tǒng)都采用上電與按鈕復(fù)位組合。采用外部時鐘方式，可把 XTAL1直接接地， XTAL2接外部時鐘源。目前我國步進(jìn)電機(jī)的功率放大器已由生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出系列化產(chǎn)品，所以在設(shè)計控制系統(tǒng)的控制電路時不必考慮其內(nèi)部電 路結(jié)構(gòu)，只需根據(jù)選用的步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。 (3)隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的 勵磁繞組。 (2)脈沖分配器 脈沖分配器又叫做環(huán)形分配器，是驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)必不可少的環(huán)節(jié)。 (1)計算機(jī)接口 在控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的接口電路至關(guān)重要，沒有它將無法實現(xiàn)微機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制。為了簡化電路，鍵盤的列線及 LED顯示器的段碼共用一個口，即 8155 的 PB口，鍵盤的行線由 8155 的 PA 口提供， LED 的字位控制則由 PC口經(jīng) 74154 后提供。 8155 的地址與 8031 統(tǒng)一編址。通用可編程接口芯片 8155 具有 2k 位的靜態(tài) RAM、 2 個 8 位和一個 6 位的可編程并行 I/O口、一個 14 位的計數(shù)器。本系統(tǒng)擬采用 6264 芯片作為數(shù)據(jù)存儲器的外擴(kuò)芯片。 8 位數(shù)據(jù)線直接與 8031 P0口相聯(lián)；高 5 位地址線分別與 ～ ， OE 引腳直接同 8031PSEN 引腳相聯(lián)，片選信號 CE接地，以便總能選中。在本系統(tǒng)中，我們擬采用 2764 作為擴(kuò)展芯片。在選擇芯片時，要考慮 CPU 與 EPROM 時序的匹配。 ⑦ 具有一個全雙功串行接口。可尋址 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。目前，工業(yè)控制中應(yīng)用最多的是 8031 單片機(jī)。改系列產(chǎn)品是集中 CPU、 I/O 端口及部分 RAM 等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 (5)開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。 主控制器 CPU 的選擇 微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中， CPU 的選擇應(yīng)考慮以下要素： (1)時鐘頻率與字長（控制數(shù)據(jù)處理的速度）。如圖 41所示為數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。 (4)接口。即中央處理單元 CPU。硬件式組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件軟件才能有效地運(yùn)行。電磁粉末離合器雖然動作靈敏，但工作不穩(wěn)定，我們也不會把它作為首選。電磁離合器是利用表面摩擦或電磁感應(yīng)來傳遞兩個轉(zhuǎn)動體間的轉(zhuǎn)距的執(zhí)行電器。故載荷僅為摩擦力，系統(tǒng)彈性總變形 a x ???? BCS ???? 300mm長的定位誤差等于絲杠的誤差 30V ，即 6+=，能滿足 12μm/300的要求。 (4)電機(jī)的選取 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 從前面的設(shè)計已知 ,1 2 9 2m a x ??? ?mPNF h 滾珠絲杠預(yù)緊轉(zhuǎn)矩0PT值可用下式計算。直徑 40mm，導(dǎo)程 10mm，額定動負(fù)荷 KNKNC a 1330 ?? ，預(yù)緊力 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 NFNCF a 31m a x310 ?????? 符合要求。 （ 2）疲勞強(qiáng)度 絲杠的最大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力，最小載荷即摩擦力。精度符合要求。 90 0300 ???? ? T hP PFP 最大切削轉(zhuǎn)矩 uTT PPF h )(0m ax2 ?? ?? = )( 2 8 2 ?????? ? 初選步進(jìn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于此值 . （ 5）精度驗算 系統(tǒng)綜合剛度 hcs KKKK 1111 ??? 1) 絲杠在拉壓載荷下的剛度及彈性位移 長春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 螺母固定端游動端 圖 1 絲杠在拉壓載荷作用圖 a=l時 ,位移最大 ,剛度最小 ,這時 μm 10 6m ax ?? AElF as? =6112 ????? ???=6 μm 6112 ?? ?????? ??lAEKsN/m 2)絲杠副內(nèi)滾珠與滾珠的接觸剛度 KC 由機(jī)電一體化設(shè)計手冊 787?P 查的： KC =1128N/μm KF CC ???? 3）支撐軸承滾動體與滾道的接觸剛度 BK 由機(jī)電一體化設(shè)計手冊 P 7 標(biāo) 查的 二列組合 DF BK =1080N/μm KF BB ???? 螺母座的剛度可以忽略不記。尤其是與各種數(shù)字系統(tǒng)配套時，泰將顯示出更大的優(yōu)越性，因而，廣泛用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。這個角度稱為步距角 β，簡稱為步距。 交流伺服電機(jī)，它的最大特點(diǎn)是可控。我們選擇進(jìn)給系電動機(jī) 控制電機(jī)。 （ 3）絲杠支撐 根據(jù) 產(chǎn)品 樣本或標(biāo)準(zhǔn) JB/《滾珠絲杠副絲杠軸端型式尺寸》這種絲杠軸徑為 30mm，故采用內(nèi)徑為 30mm 的軸承及下圖所示的支撐方式。最大進(jìn)給力為 1265N。 （ 1）精度 要求定位精度為 。其缺點(diǎn)是制造成本高，不 能實現(xiàn)自鎖。 （ 1） 摩擦阻力小 （ 2） 傳動精度和剛度高 （ 3） 運(yùn)動部件慣量小 X 向滾珠絲杠副 滾珠絲杠螺母副是一種新的傳動機(jī)構(gòu)，它具有和角接觸球軸承相似的傳動副。造 成不同步原因很多，系統(tǒng)本身動態(tài)特性，外加負(fù)載和內(nèi)部擾動等都會造成實際位置偏離指令位置。有的文獻(xiàn)認(rèn)為：在電氣伺服系統(tǒng)中，可控硅電源以及直流馬達(dá)特性引起的諧振時對伺服系統(tǒng)性能起限制作用的因素。間接評 價 法，方法簡單，又能明顯的看出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)對瞬態(tài)質(zhì)量的影響，故在系統(tǒng)分析和設(shè)計中被廣泛的采用?？捎深l率響應(yīng)數(shù)據(jù)擬合成傳遞函數(shù)而建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。然而在很多情況下 ，傳遞函數(shù)不清楚，所以只能由試驗的方法來求取動態(tài)特