数控车床伺服进给系统结构与控制设计

成 绩 评 定 表学生姓名班级学号专 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 日 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：确定最佳传动比，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）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（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2三 前言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前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。一滚珠丝杠螺母副的设计1.确定滚珠丝杠副的导程因电机与丝杠直联，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.确定当量转速与当量载荷（1）各种切削方式下，丝杠转速nmax=vmax/Ph=3800/10=380r/min nmin=vmin/ph=1/10=0.1r/min（2）各种切削方式下，丝杠轴向载荷 Fmax=4800+0.004*880=4803.52N Fmin=0.004*880=3.52N（3）当量转速 nm=(nmax+nmin)/2=(380+0.1)/2=190.05mm/min（2）当量载荷 Fm=(2Fmax+Fmin)/3=(2*4803.52+3.52)/3=3203.52N3.预期额定动载荷（1） 按预期工作时间估算 按表查得：轻微冲击取 fw=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Cam=4.5x4803.52=2311.5029 取以上两种结果的最大值 Cam=23117.50294.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 （1/31/4）重复定位精度 （1/41/5）定位精度 : 最大轴向变形量m 已知：重复定位精度 6m, 定位精度12m =2 m=3 =3 取两种结果的小值 =2m(2）估算最小螺纹底径 丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式 (1.11.2)行程+（1014） 已知：行程为380mm, 代入得 L=1.1x380+14x10=558mm F0=3.52N d2m=1.22mm5.确定滚珠丝杠副的规格代号（1）选内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预形式（2）由计算出的在样本中取相应规格的滚珠丝杠副FFZD3210-3 Ph=10mm , Ca=25700Cam=23117, d2=27.3mmd2m=1.22mm6. 确定滚珠丝杠副预紧力 其中Fmax=4803.52N Fp=1601.17N7.行程补偿值与与拉伸力（1） 行程补偿值 Lu=380+10x10=480mm C=11.8x2.5x480x10-6=14.16m(2) 预拉伸力 代入得 Ft=1.95x2.5x27.32=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=1/3FBMAX=3279N 取 d=25mm（4）轴承预紧力 预加负荷3300N=3279N（5）按样本选轴承型号规格 当d=25mm 预加负荷为：3300FBP=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： Ls=Lu+2Le 由表查得余程Le=30（2）两固定支承距离L1 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L0 由工作图得 Ls=480+2x30=540mm L1=163+540=703mm L=703+75+45=853mm L0=30mm10 . 电机选择总的转动惯量J总=11.3Kg*cm2总得力矩TM=0.09N*M根据转动惯量和力矩选择电机选择型号为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=6.610Ksmin ：最小抗压刚度 N/md2 ：丝杠底径L1 ：固定支承距离Ksmin=699N/m2）丝杠最大抗压刚度Ksmax=6.610 Ksmax ：最大抗压刚度 N/m Ksmax=4281 N/m(2)支承轴承组合刚度 1)一对预紧轴承的组合刚度 KBO=22.34 KBO：一对预紧轴承的组合刚度 N/m dQ ：滚珠直径mm Z ：滚珠数 Famax ：最大轴向工作载荷N ：轴承接触角 由样本查出7602030TUP轴承是Famax预加载荷的3倍 dQ=7.144, Z=17, =60 Kamax=4800*3=14400 N/m KBO=1145 N/m2）支承轴承组合刚度 由两端固定支承 Kb=2KBO Kb=2290N/m Kb ：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= KC( KC ：滚珠和滚道的接触刚度N/m KC：查样本上的刚度 N/m FP ：滚珠丝杠副预紧力 N Ca ：额定动载荷 N 由样本查得：KC=772 N/m；Ca=25700N； FP=1601N 得KC=659N/m12. 刚度验算及精度选择（1）=3.4*10-3N/m=2.19*10-3N/mF0=已知W1=880N ， =0.004 , F0=3.52NF0 ： 静摩擦力 N：静摩擦系数W1 ：正压力N（2）验算传动系统刚度KminKmin ：传动系统刚度N已知反向差值或重复定位精度为6Kmin=0.939516662 控制部分1. PWM基本原理及设计方案1.1.PWM基本原理PWM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。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM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，PWM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,设占空比为=/，则电机的平均速度为: =* （1-2）式中， 电机的平均速度;电机全通电时的速度(最大);=/占空比。由公式（1-2）可见，当我们改变占空比时=/，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，平均速度与占空比=/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PWM信号的软件实现方法。MCS一51系列典型产品AT89S52具有两个定时器 和 。通过控制定时器初值和 ，从而可以实现从S52的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。由于PWM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，定时器计数器为位，则定时器初值与定时时间的关系为： (1-3)式中， 定时器定时初值； 一个机器周期的时钟数。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=/，进而达到控制电机转速的目的。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PWM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。 系统硬件电路图2.2 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PWM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PWM实现电机调整的基本方法，电机调速的相关知识，及PWM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PWM信号的途径，并介绍了一种独特的通过软件定时中断实现PWM信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 信号，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 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP TT0 ； 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 1000H MAIN:SETB P3.0 ； 脉冲的高电平 MOV R0,21H；(21H) 初始值为Y，存入R0中，延时T1 MOV TMOD, #01H MOV TL0,22H ；时间基数T0的定时参数 MOV TH0,23H SETB TR0 ； 定时中断设置 SETB ET0SETB EA KEY: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, #0FFH, A1 :加速 CPL P3.0 MOV A,20H SUBB A,21H MOV 21H,A MOV R0,ALJMP TTOSJMP $ENDA1: MOV A,R0 ADD A,#5MOV R0,AAJMP A0A2:CJNE R0, #0FFH, A3 ：匀速CPL P3.0 ; MOV A,20H SUBB A,21H MOV 21H,A MOV R0,A LJMP TTOSJMP $ENDA3:AJMP L1A4:CJNE R0, #07FH, A5 ：减速CPL P3.0 MOV A,20H SUBB A,21H MOV 21H,A MOV R0,A LJMP TTOSJMP $ENDA5: MOV A,R0 SUBB A,#2.5MOV R0,AAJMP A4A6:CJNE R0, #07FH, A7 ：匀速CPL P3.0 MOV A,20H SUBB A,21H MOV 21H,A MOV R0,ALJMP TTOSJMP $ENDA7: AJMP L1A8:CJNE R0, #00H, A9 ：减速CPL P3.0 MOV A,20H SUBB A,21H MOV 21H,A MOV R0,A LJMP TTOSJMP $ENDA9: MOV A,R0 SUBB A,#2.5MOV R0,AAJMP A9 TT0:MOV TL0, 22H ；T0 定时中断 MOV TH0, 23H DEC R0 ; R0-1 RETI设计总结在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养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。在设计过程中，与同学分工设计，课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练。 通过这次课程设计，我的学习能力和解决问题的信心都得到了提高。在课程设计的过程中，我遇到了很多困难，但在查阅了很多有关书籍、还有向老师和同学请教后终于得到了解决。通过这次课程设计，我不仅对理论有了更深一步的认识，还培养了自学能力和解决问题的能力，更重要的是，培养了克服困难的勇气和信心。我们的课程设计之所以能基本完成，要深深地感谢我的指导老师的悉心指导和帮助。 参考文献1 濮良贵. 机械设计A2. 北京：高等教育出版社，20122 李育锡. 机械设计课程设计 北京：高等教育出版社，20083 刘复华. 单片机及其应用系统. 北京：清华大学出版社，19924 马淑华. 单片机原理与接口技术. 北京：北京邮电大学出版社，2005