毕业论文终稿-钻床x-y工作台及其运动控制系统的设计（送全套CAD图纸 资料打包）

下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763南京理工大学毕业设计说明书论文作者王守刚学号020190500708学院系专业机电一体化题目钻孔用XY工作台及其运动控制系统的设计指导者姓名专业技术职务评阅者姓名专业技术职务2008年09月张雯下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763毕业设计说明书（论文）中文摘要随着机电一体化技术的迅速发展，新的机电一体化产品竞相出现。面对国际市场日益激烈的竞争，以及对知识产权的高度重视，单纯靠引进和仿制国外产品将使企业失去竞争力。只有通过产品创新，才能从根本上解决的生存和发展问题。机电一体化系统的设计理论、方法和应用，是适应技术新潮流的需要，是自主创新的需要，关系到我国能否开发更多的具有自主知识产权的产品，由机械制造大国转变为世界机械制造大国。本论文主要论述了由单片机控制的钻孔用XY工作台，首先在绪论中介绍了机电一体化的一些概念及特点，数控机床组特点成及其发展趋势；第二章介绍了机械系统传动件和支撑机构的设计与计算；第三章伺服系统的组成及步进电机的选型计算和驱动控制；第四章主要是控制系统硬件电路的设计；最后是对论文的总结。关键词XY工作台单片机步进电机下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763目次下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605论111机电一体化概述1111机电一体化基本概念1下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763112机电一体化的基本组成要素1113机电一体化产品的特点3114机电一体化技术的发展趋势412机床数控化的意义及特点5121数控机床的基本概念5122数控机床的组成5123数控机床的特点6124机床数控化的意义72机械系统设计721概述722滚珠丝杠螺母副8221滚珠丝杠副的特点8222滚珠丝杠副的结构类型9223滚珠丝杠的计算与选用1023导向支撑机构设计10231导轨10232滚动直线导轨的承载能力计算123进给伺服系统设计1431伺服系统概述14311伺服系统基本概念14312伺服系统基本类型14313伺服系统的基本组成14314伺服系统的基本要求1532伺服系统中的执行元件15321执行元件的种类及特点1533步进电机16331步进电机原理16332步进电机特性17333步进电机的选型计算1834步进电机的驱动控制20341脉冲分配器21342光电隔离电路21343功率放大电路224控制系统硬件电路设计2241概述2242MCS51单片机简介234218031管脚功能244228031芯片的存储器结构及地址分配26438031应用系统中存储器扩展下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或130413976327431程序存储器的扩展27432数据存储器的扩展27433地址锁存器28434译码电路29448031应用系统中I/O口扩展29441I/O口扩展性能29442I/O口扩展方法29443I/O口扩展用芯片294448155可编程并行接口3045键盘输入与LED显示31451行列式键盘31452LED显示电路3146辅助电路314618031时钟电路314628031复位电路324638031越界报警电路324648031掉电保护电路335零件图数控加工的编程33结论36致谢37参考文献38图1XY数控工作台总体方案39图2电气控制原理图40图3XY工作台装配图41买文档送全套图纸扣扣4149516051绪论11机电一体化概述111机电一体化基本概念机电一体化是微电子技术在向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是机械和微电子两种技术相互融合的产物，如图11所示。机电一体化打破了传统的机械工程、电子工程、信息工程、化学工程、建筑工程等旧模块的划分，形成了融机械技术、微电子技术、传感器技术、自动控制技术、电力电子技术、接口技术下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763及软件编程技术等群体技术为一体的一门新兴的交叉学科。图11机电一体化技术的形成“机电一体化”的英文是“MECHATRONICS”,它是机械（MECHANICS）和电子ELECTRONICS两个字的合成词，本词在20世纪70年代中期由日本首先开始使用，现在已得到很多国家的普遍认同，并得到广泛使用。从广义上可以概括为“机械工程与电子工程相结合的技术，以及应用这些技术的机械电子装置”。“机电一体化”具有“技术”与“产品”两方面的内容。机电一体化技术主要是指其技术原理和机电一体化系统得以实现、使用和发展的技术。机电一体化产品主要是指机械系统和微电子系统的有机结合，从而赋予了新功能和性能的新一代产品。112机电一体化的基本组成要素一个较完善的机电一体化系统由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（如电动机）五个系统组成，如图12所示，各组成要素和环节之间通过接口相联系。传感器执行机构计算机动力下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图12机电一体化系统的五大要素（1）机械系统用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成一个有机整体。机械系统是机电一体化系统必要的组成部分，没有它，系统的各个部分就会支离破碎，无法构成具有特定功能的机电一体化产品或系统。例如，工业机器人和数控机床的本体就是机身和床身；指针式电子表的本体是表壳。（2）计算机信息处理和控制系统机电一体化系统的基本特征是给“机械“添加了头脑，根据机电一体化产品的功能和性能要求，信息处理与控制系统接收传感和检测系统反馈的信息，并对其进行相应的处理、运算和决策，以对系统的运行施以控制，实现预定的控制功能。机电一体化产品中，信息处理与控制系统主要由计算机硬件和软件以及相应的接口电路组成。硬件一般包括输入输出设备、显示器、可编程控制器和数字控制。软件一般包括系统软件和应用软件。机电一体化产品要求信息处理速度快，A/D和D/A转换及分时处理时的输入输出可靠，系统的抗干扰能力强。（3）动力系统按照机电一体花系统的控制要求，为机电一体化产品或系统提供能量和动力，去驱动执行机构工作，以完成预定的功能。动力系统包括电、液、气等多种动力源。（4）传感检测系统机电一体化产品在运行过程中自身和外界环境的各种参数及状态按一定精度要求转化成测定的物理量，为机电一体化产品的运行控制提供所需要的各种信息。传感与检测系统的功能一般由传感器或仪表来实现，对其要求是体积小、便于安装与机械结构下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763连接、检测精度高、抗干扰能力强等。（5）执行元件在控制信息的作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。执行元件一般是运动部件，常采用电液、机械、气动等。执行机构因机电一体化产品的类型和作业对象不同而有较大差异。执行机构是实现产品木的功能的直接执行者，其性能好坏决定着整个产品的性能，因而是机电一体化产品中重要的组成部分。113机电一体化产品的特点与传统的机械产品比较，具有以下特点（1）综合性与系统性机电一体化是微电子技术、计算机技术、信息技术等群体技术与机械技术结合而成综合技术。各种技术的综合及多个部分的组合，使得机电一体化技术和产品更具有系统性、完整性和科学性。（2）多层次，覆盖面广机电一体化技术不仅体现在一些单机产品中，而且贯穿于工程系统设计中。从单台的机电一体化产品，到现代工业中的柔性制造系统；从简单的单参数显示，到复杂的多参数、多级控制；从简单的零件自动加工生产线，到各种现代机械设备、交通工具的自动化生产线等，机电一体化技术都有其不同层次、覆盖面很广的应用领域。（3）结构简单，操作方便机电一体化系统采用了新型器件和装置代替了笨重而复杂的机械或电子装置。微处理器控制装置可以方便地完成过去靠机械传动链和机构实现的关联运动，使机械结构简化，体积减少，重量减轻，不仅提高了自动化程度，而且大大提高产品质量。机电一体化技术使得操作人员摆脱了以往必须按操作规程或节拍频率紧张地进行单调重复操作的工作方式，能方便地控制和改变生产操作程序，如数控机床、柔性制造系统。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763（4）精度高，功能强机电一体化技术使机械传动部件减少，因而使机械磨损、配合间隙和受力变形等所引起的动作误差大大减少。由于采用了电子技术，反馈控制技术水平的提高，能进行高速处理，通过电子自动控制系统自动诊断、校正、补偿、从而达到工作要求。（5）高可靠性、高稳定性和高使用寿命传统机械装置的运动一般都伴随着磨损及运动部件配合间隙所引起的动作误差、同时发出噪声、振动等，影响装置的寿命、稳定性和可靠性。而机电一体化技术的应用，使装置的运动部件减少，磨损也大为减少，例如集成化接近开关甚至无机械磨损。因此装置寿命提高，故障率降低，从而提高了产品的可靠性和稳定性。114机电一体化技术的发展趋势随着社会生产和科学技术的发展与进步，机电一体化技术正在不断地深入到各个领域并迅猛地向前推进，它已引起机械工业部门许多深刻变革。因此，了解其发展前景与发展趋势，对于掌握新技术产生与经济发展的关系与规律，对于跟踪世界科学技术发展的步伐是十分重要的。虽然世界各先进工业国家发展机电一体化各有特点，发展的重点和具体做法也不尽相同。但总的趋势则是趋于一致的，归纳起来有以下几个发展方向（1）复合化（2）微型化（3）高性能化（4）移动化（5）智能化（6）层次化（7）模块化（8）网络化下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或130413976312机床数控化的意义及特点121数控机床的基本概念数字控制机床NUMERICALCONTROLMACHINETOOLS简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。122数控机床的组成数控机床的组成数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置（CNC）、伺服驱动装置、机床主体。（1）控制介质人和数控机床联系的媒介物。控制介质可以是穿孔带，也可以是穿孔卡、磁带、磁盘或其他可以储存代码的载体，有些直接集成在CAD/CAM中（2）数控装置数控装置是数控机床的中枢，在普通数控机床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。在计算机数控机床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的作用由一台计算机来完成。（2）伺服系统其作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动，包括信号放大和驱动元件。其性能好坏直接决定加工精度、表面质量和生产率。（3）机床早期采用通用车床，现在采用了新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的技术使其发生了很大的变化。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763123数控机床的特点数控加工就是数控机床在加工程序的驱动下将毛坯加工成合格零件的加工过程。数控机床控制系统具有普通机床所没有的计算机数据处理功能、智能识别功能以及自动控制能力。数控加工与常规加工相比有着明显的区别，其特点如下（1）自动化程度高，易实现计算机控制除了装夹工件还需要手工外，全部加工过程都在数控程序的控制下，由数控机床自动完成，不需要人工干预。因此加工质量主要由数控程序的编制质量来控制。（2）数控加工的连续性高工件在数控机床上只需装夹一次，就可以完成多个部位的加工，甚至完成工件的全部加工内容。配有刀具库的加工中心能装有几把甚至几十把备用刀具，具有自动换刀功能，可以实现数控程序控制的全自动换刀，不需要中断加工过程，生产效率高。（3）数控加工的一致性好数控加工基本消除了操作者的主观误差，精度高、产品质量稳定、互换性好（4）适合于复杂零件的加工数控加工不受工件形状复杂程度的影响，应用范围广。它很容易实现涡轮叶片、成型模具等带有复杂曲面、高精度零件的加工，并解决一些如装配要求较高，常规加工中难以解决的难题。（5）便于建立网络化系统例如建立直接数控系统（DNC），把编程、加工、生产管理连成一体，建立自动化车间，走向集成化制造。甚至于CAD系统集成，形成企业的数字化制造体系。数控程序由CAM软件编制，采用数字化和可视化技术，在计算机上用人机交互方式，能够迅速完成复杂零件的编程，从而缩短产品的研制周期。近年来，随着数控机床的模块化发展，使数控加工设备增加了柔性化的特点。先进的柔性加工不仅适合于多品种、小批量生产的需要，而且增加了自动变换工件的功能，能交替完成两种或更多种不同零件的加工，可实现夜间无人看管的生产操作。有数台数控机床（加工中心）组成的柔性制造系统（FMS）是一种具有更高柔性的自动化制造系统，具有将加工、装配和检验等制造过程的关键环节高度集成的自动化制造系统。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763124机床数控化的意义一般说来，数控机床比传统机床有以下突出的优越性。（1）可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。（2）可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。（3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要工人“修配“。（4）可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。（5）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。（6）降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。2机械系统设计21概述机电一体化产品中的机械系统包括传动机构、导向支撑机构和执行机构，其主要功能是完成一系列机械运动，起到传递机械力、运动、能量和支撑整个系统的作用，是机电一体化产品中不可缺少的组成部分。由于在机电一体化产品中广泛采用伺服技术和计算机控制技术，每一个机械运动可单独由控制电机、传动机构和执行机构组成子系统来完成，各个子系统之间的运动协调由计算机来完成，因此机械系统已经成为整个伺服系统的一部分，其性能对机电一体化产品有着重要影响。（1）机电一体化对机械系统的基本要求高精度精度直接影响产品的质量，机电一体化产品的技术性能、工艺水平和功能比普通机械产品都有很大的提高，因此机电一体化产品的机械系统的高精度要求是首要的。低惯量快速响应是控制系统的一相重要指标，这就要求作为伺服系统一部分的机械系统惯性要低，包括重量轻和转动惯量小、低阻尼等。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763稳定性即要求机械系统的工作性能不受外界环境影响，抗干扰能力强。（2）机械系统的组成及其设计要求传动机构机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是运动和力矩的变换，而且已经成为伺幅系统的一部分，它要根据伺服控制的要求进行设计以满足整个系统的良好伺服性能。传动机构的性能主要取决于传动类型及其传动方式、传动精度、动态特性即可靠性，在伺服系统中，还要考虑它们对伺服系统的精度、稳定性和快速性的影响。对于开环系统，其传动精度不仅取决于单个传动件的精度，还取决于整个传动系统的精度。此外，机电一体化系统中传动装置还要满足小型、轻量化、高速化、低振动、低噪声和高可靠性等方面的要求。导向支撑机构机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支撑，并能准确地完成其特定方向的运动，这个任务由导向支撑机构来完成。导向支撑机构的精度、刚度、抗震性、热稳定性等因素都会影响整个系统的精度、动态特性和可靠性。执行机构执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预定的操作，实现产品的功能。因此，要求执行机构能准确定位，具有较高的灵敏度、良好的可重复性和可靠性。22滚珠丝杠螺母副221滚珠丝杠副的特点（1）传动效率高，磨擦损失小式中螺旋线生角摩擦角TG滚珠丝杠副的传动效率09096，比常规丝杠副提高了34倍，因此功率消耗小。（2）予适当预紧，可消除丝杠和螺母之间的间隙滚珠丝杠副预紧后，可消除螺纹间隙，这样反向时就没有空程死区，反向定位精度高。与常规丝杠螺母副比较有较高的轴向刚度。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高滚珠丝杠副是滚动摩擦，阻力小，这样就可以保证运动的平稳性。由于滚珠丝杠副是滚动摩擦，没有爬行现象，故传动精度高。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763（4）可逆性滚珠丝杠副摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，丝杠和螺母都可以作为主动件或从动件。（5）摩损小，使用寿命常因为滚动摩擦的摩擦系数小，磨损也小，故使用寿命常。（6）制造工艺复杂，成本高滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，光洁度也高，故制造成本也高。（7）不能自锁特别是垂直丝杠（立向），由于自重惯性力的关系，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需要要添加制动装置。222滚珠丝杠副的结构类型（1）外循环插管式外循环插管式滚珠丝杠副的滚珠，在循环过程中有一段离开丝杠表面，通过弯管形成回路。它的结构简单，制造容易，但径向尺寸大，且弯管两端管舌耐磨性和抗冲击性差。如图21B所示（2）内循环反向器式内循环反向器式滚珠丝杠副的滚珠，在循环过程中始终与丝杠表面接触，通过反向器越过螺纹的外径进入相邻滚道，形成一个循环回路。内循环反向器式结构回路短，摩擦小，效率高，径向尺寸小，制造成本高。如图21A所示图21滚珠丝杠螺母副下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763223滚珠丝杠的计算与选用计算进给率引力FMFMGF15000575N计算最大动负载CL60NT1063WMLF01SVN式中L0滚珠丝杠导程，初选L06VS最大负载下的进给速度，可取最高进给速度的1/21/3，此处VS为0375M/MINFW运转系数FW1215L寿命、以106为一单位01103752/MINSVNRL60NT106606251500010656253356213753WMCLFFN滚珠丝杠副的选型DFU25423导向支撑结构231导轨导轨副用于引导运动部件的走向，保证执行件的正确运动轨迹，并通过摩擦和阻尼影响执行件的运动特性，如定位精度和低速均匀性。导轨副包括运动导轨和支撑导轨。支撑导轨用以支撑和约束运动导轨，使之按要求作正确的运动。导轨应满足的要求（1）导向精度导向精度指导轨副中运动件实际运动方向与给定运动方向之间的准确程度。（2）接触精度以导轨表面的实际接触面积占理论接触面积的百分比或下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或13041397632525面积上接触点的数目和分布状况来表示（3）精度保持性精度的保持性是指导轨在长期使用后，对导向精度的保持能力，主要由导轨的耐磨性决定的。提高导轨的精度保持性，必须对导轨进行正确的润滑和防护。（4）运动的灵活性和低速运动稳定性机电一体化产品要求较高的定位精度和速度精度，因此要求导轨具有较好的灵活性和稳定性，工作时应速度均匀，低速运动时不产生爬行现象。滚动直线导轨滚动直线导轨副是在划块之间放入适当的钢球，滚动导轨的配对导轨面间由钢珠隔开，导轨面不直接接触，运动时与钢珠产生滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，摩擦阻力可降到原来的1/40，使驱动功率大幅度下降，适应高速直线运动，其瞬时速度比比滑动导轨提高约10倍，能实现高定位精度和从复定位精度。滚动直线导轨副由导轨、滑块、钢球、反响器、保持架、密封端盖及挡板组成如图22所示。图22滚动直线导轨副滚动直线导轨的特点有如下几点（1）高刚性，四方向等负荷设计滑块的高刚性断面设计与4列钢珠45圆弧接触角的设计，除了提供径向、反径向及横方向四方向的相同额定负荷能力，并且能够施加足够的预压增强其刚性，适合各种安装方式的应用。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763（2）具自动调心能力正面组合（DF组合）的圆弧满槽设计，使其具有自动调整的能力，即使给于预压也能够吸收安装误差，并维持平滑稳定、高精度的直线运动。（3）行走顺畅度佳，低噪音简单圆滑的钢珠回流路径设计，并采用耐衡击的强化合成树脂之钢珠循环配件，运转顺畅度佳，噪音度低。（4）具互换之特性在严密的制造精度管理下，尺寸能够维持在稳定的公差内，所以对于互换型线性滑轨，组装时可将滑块任意配装在同型号的滑轨上，并且保持其相同的顺畅度、预压及精度，组装与维修最容易。（5）卓越的高速性，寿命长因通过保持器使球与球之间的相互摩擦消失，相对摩擦速度成为1/2，面压降低，发热减少，既能延长寿命又具有卓越的高速性。（6）长期无须维修保养因通过保持器使球与球之间的相互摩擦消失，球的磨损消失，增强了润滑脂的保持性，实现了长期无须维修保养。232滚动直线导轨的承载能力计算计算承载能力时，要求滚动体的最大载荷不得超过许用载荷（1）初选滚珠直径为D9MM,工作台重量G75N（本设计负载为0）导轨预紧力为F1198N工作行程L100MM滚动体数目最大值Z995GD27495受载最大滚动体上的负载FMAXG/Z274/930N（2）滚动体许用负载计算滚动体上的许用负载FKD2600921486N式中D为滚珠直径（CM）K作用在滚动体横断面上的假定应力（N/CM2）见表21考虑到导轨硬度的修正系数，见表22下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763表21滚动体横断面上的假定应力KK（N/CM2）导轨类型氮化导轨钢制高频淬火导轨钢制淬火导轨6062HRC铸铁导轨200HBS滚珠导轨4050602短滚柱导轨B/D1150018002000200长滚柱导轨B/D3100013001500150表22导轨硬度的修正系数HBS160180200220铸铁导轨0608117HRC50555760钢质淬火导轨05207081计算结果满足FMAXF即286486（3）滚动导轨的刚度验算滚动导轨应验算接触刚度，即接触变形的大小2P式中2滚珠的柔度系数如图23所示P每个滚珠所受的负载（N）图23滚动导轨柔度系数与负载的关系下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763输入输出3进给伺服系统设计31伺服系统概述311伺服系统基本概念伺服系统（SERVOSYSTEM）也叫随动系统，是一种能够跟踪输入指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统。伺服系统是根据输入指令与输出的物理量之间的偏差进行动作控制的因此伺服系统的工作过程是一个偏差不断产生,又不断消除的动态过渡过程许多机电一体化产品如数控机床、工业机器人等，需要对输出量进行跟踪控制，因而伺服系统是机电一体化产品的一个重要组成部分是实现某些产品目的功能的主体。伺服系统中离不开机械技术和电子技术，其功能是通过机电结合才得以实现的，因此，伺服系统本身就是一个典型的机电一体化系统。312伺服系统基本类型伺服系统种类很多，采用不同的分类方法，可以得到不同的伺服系统。按被控量不同可将伺服系统分为位置伺服系统、速度伺服系统、力伺服系统等。其中最常见的是位置伺服系统，例如数控机床的伺服进给系统等。按控制方式不同可将伺服系统分为开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。开环伺服系统中无检测反馈元件，结构简单，精度低；闭环伺服系统直接对工作台等移动部件进行检测和反馈，因而精度高，结构复杂、成本高。半闭环伺服系统的检测元件位于机械执行装置中间（如伺服电机轴、滚珠丝杠上），将大部分机械构件封闭在反馈环节之外，性能介于开环伺服系统和闭环伺服系统之间。313伺服系统的基本组成本设计中采用由步进电机控制的开环伺服系统，其功能组成如图31所示。图31伺服系统基本结构方框图脉冲分配光电隔离功率放大步进电机下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763314伺服系统的基本要求（1）输出位置精度要高静态上要求定位精度和重复定位精度要高，即定位误差和重复定位误差要小以保证尺寸精度。动态上要求跟随精度高，即跟随误差要小，这是动态性能指标以保证轮廓精度。另外，要求灵敏度高，有足够高的分辩率。（2）响应速度快执行部件的运动速度的建立时间TP应尽可能短。通常要求从0FMAX（FMAX0）,其时间应小200MS，否则对机械部件不利，有害于加工质量。（3）调速范围要宽且要有良好的稳定性在调速范围内稳定性是指输出速度的波动要少，尤其是在低速时的平稳性显得特别重要（4）负载特性要硬在系统负载范围内，当负载变化时，输出速度应基本不变。即F尽可能小；当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即T尽可能短；另外应有足够的过载能力。这是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。（5）能可逆运行和频繁灵活启停。（6）系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。32伺服系统中的执行元件执行元件亦称为驱动元件，是各类工业机器人、CNC机床、各种自动化机械、计算机外设、车辆电子设备等一系列机电一体化产品必不可少的驱动部件。该元件是处于机电一体化系统的机械运行机构和微电子控制装置的接点部位的能量转换元件，能在微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能。321执行元件的种类及特点（1）电气执行元件电气执行冤元件包括控制电机（步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机），静电电动机，磁致伸缩器件、电磁铁、超声波电机等。对控制电机的性能要求除稳速运转之外，还要求有良好的加速、减速性能以及频繁使用的适用性和便于维修性能。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763（2）液压执行器件在同样输出功率下，液压驱动装置具有重量轻、惯量小、快速性好等优点。它通常不用减速器便可以直接驱动机构得到平滑运动，且无死区。适用于驱动大规模机器。（3）气压执行元件气压执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压执行元件无区别。气压执行元件具有结构简单，可靠性高，价格低廉等优点。气动驱动装置控制特性不好，只用在点到点的简单固定动作。气压驱动虽可获得较大驱动力、行程和速度，由于空气的可压缩性，只能用在定位精度不高的场合。33步进电机331步进电机原理步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差精度为100的特点，广泛应用于各种开环控制。如图32所示下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图32步进电机的工作原理图332步进电机特性1步进电机是用脉冲控制的，步距角和转速大小不受电压波动和负载变化的影响，而仅仅与输入脉冲频率成正比，电机的速度与每秒输入脉冲数目脉冲速率PULSERATE成比例。通常不需要反馈就能够对速度和位置进行控制；2精度高，运行可靠。3旋转角只有周期性误差，误差不会逐步累积。4与数组设备兼容，能够直接接收数字信号。5可以快速起动，制动，反转，而且具有自锁的能力。6工作环境不受各种环境条件诸如温度，压力，振动，冲击等影响。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763333步进电机的选型计算（1）等效转动惯量计算计算简图见图33。传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J（KGCM2）由下式计算0M2GLG2JJS式中JM步进电机转子转动惯量（KGCM2）；JS滚珠丝杠转动惯量（KGCM2）；G工作台重量（N）；L0滚珠丝杠导程（CM）初选反应式步进电机90BF，其转子转动惯量JM2KGCM2JS07810325436511KGCM2代入上式0M222G756LGGJJS14KGCM对于步进电机而言为了获得良好的启动能力和较快的响应速度，需满足转动惯量匹配条件满足要求。JM242KGCM图33传动系统简图下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763（2）电机力矩计算快速启动所需力矩M起起AMXF0M2MAX2106NTAMXJAXMAX30BPVN代入数据MAXAX1207520/MIN36036BPVNR22MAX21140508NNCTAMXMJ折算到电机轴上的摩擦力矩FM0022FLFGLF代入数据00576382209FLFGNCMFM附加摩擦转矩0122375109542PFLC0综合上述三项M起AMXF03817NM快速移动时所需力矩M快M快MFM0380442NCM下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763从上面计算可以看出，M起、M快两种情况下，M起最大，所以以此项作为初选步进电机的依据。当步进电机为五相十拍时0951MAXQJ因为电机要满足，所以MAXJ起A147509JNCM起按此最大静转矩选型，90BF002最大静转矩为392NM。计算步进电机空载起动频率和工作频率MAX1010216065KPVFHZ3702SPFE90BF002允许的最高空载起动频率为3800HZ，运行频率为16000HZ，起动矩频特性曲线如图34，完全可以满足要求。图3490BF002型起动矩频特性34步进电机的驱动控制本设计中采用步进电机开环控制，驱动步进电机的脉冲按控制要求发给电机各相。90BF002步进电机为五相十拍，其通电顺序为ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB（正转）；BABAEAEAEDEDEDCDCDCBCBCBA（反转）脉冲分配器就是实现步进电机各相通电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有足够的功率提供给电机，因此需要功率放大环节。脉冲分配器及下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763微机和接口，工作电平为5V，而电动机电源需符合步进电机的额定电压。为避免强电干扰，在他们之间加隔离电路。341脉冲分配器又叫环行分配器，有硬件环行分配器和软件环行分配器，硬件环行分配器需要的I/O口接线少，且执行速度快，需要专用芯片。硬件环行分配器是由门电路极其逻辑电路组成，目前已经大量采用可靠性高、外形尺寸小、使用方便的集成脉冲分配器。选用国产TTL集成脉冲分配器YB015。其性能参数数见表31表31TTL脉冲分配器主要性能参数输出高电平（V）输出低电平（V）输入低电平（V）输入电高平（V）吸收电流（MA）工作频率HZ电源电压（V）环境温度24040824160160505070各引脚功能如下E0选通输出控制。R清零A1、A0励磁方式控制。对于五相脉冲分配器A0为高电平使步进电机以五相十拍通电方式工作。E1、E2选通输入控制CP时钟输入端正反转控制端S出错报警输出。342光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机励磁绕组，在接口处将会引起强电干扰，损坏系统正常运行，在接口电路与功率放大器之间加隔离电路，通常使用光电耦合。光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763光电藕荷器的基本类型共集电极输出型、共射集输出型、达林顿管、晶闸管输出型。343功率放大电路脉冲分配器的输出功率很小，不能满足步进电机的要求，必须将它放大产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。从步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性可以看出，随着运行频率的增高，电机输出转矩下降，主要原因是步进电机是感性负载，改变通电状态时，通电绕组中的电流逐渐增大，绕组中感应电动势使电流指数规律上升，并将电源一部分能量存储在绕组中，致使电机各相绕组中电流几乎同时存在，电机负载能力下降，严重时会出现失步。电流的时间常数为LM/RLM相绕组平均电感R通电回路电阻为了改善电机动态特性，必须改善电流波形，使前后沿更陡些，可采取以下方法（1）电阻法在电机绕组回路串联一电阻R0，减小电流时间常数。缺点是功耗大，效率低，使用于小功率电机。（2）双电源法4控制系统硬件电路设计41概述控制系统是机电一体化产品中最重要的组成部分，它主要实现控制及信息处理功能，此外机电一体化的其他内部功能也要在控制系统的控制和协调下才能得以实现。机床数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。机床数控系统的硬件系统的组成（1）主控制器，即中央处理器CPU；（2）总线，包括数据总线、地址总线、控制总线；（3）存储器，包括程序存储器和数据存储器；下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763、I/O、CPUROMRAM、图41机床数控系统硬件框图（开环系统）42MCS51单片机简介MCS51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，MCS51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。MCS51系列单片机8031基本特性（1）4KBYTES程序存储器ROM（2）128BYTES的数据存储器RAM（3）32条I/O口线（4）111条指令，大部分为单字节指令（5）21个专用寄存器（6）2个可编程定时/计数器（7）5个中断源，2个优先级（8）一个全双工串行通信口（9）外部数据存储器寻址空间为64KB（10）外部程序存储器寻址空间为64KB（11）逻辑操作位寻址功能（12）双列直插40PINDIP封装（13）单一5V电源供电下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763图428031单片机管脚图4218031管脚功能40根引脚按其功能分为四类1电源线2根VCC编程和正常操作时的电源电压,接5VVSS地电平2晶振2根XTAL1振荡器的反向放大器输入使用外部振荡器时必须接地XTAL2振荡器的反向放大器输出和内部时钟发生器的输入使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号3I/O口共有P0、P1、P2、P3四个8位口，32根I/O线功能如下P00P07（AD0AD7）在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位地址线和8位双向的数据端口。P10P17是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，专供用户使用。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763P20P27（A8A15）是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位的地址A8A15。P30P37是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立定义第一I/O口功能或I/O口第二功能。作为第一功能时口的结构与操作和P1完全相同，第二功能如下示引脚第二功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输入口）P32INT0（外部中断）低电平有效P33INT1（外部中断）低电平有效P34T0（定时器0外部输入）P35T1（定时器0外部输入）P36WR（外部数据存储器写选通）低电平有效P37RD（外部数据存储器读选通）低电平有效（4）控制线PSEN；程序存储器的使能脚，是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效；从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。EA/VPPEA为高电平时，CPU执行内部程序存储器指令；EA为低电平时，CPU执行外部程序存储器指令。8031无内部程序存储器，EA必须接地。ALE/PROGALE是地址锁存使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效，而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。RESET/VPD复位信号复用脚，当8031通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0R7）的状态。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或13041397634228031芯片的存储器结构及地址分配8031内部无程序存储器,只有256个单元RAM，这256个单元共分为两部分。其一是地址从00H7FH单元（共128个字节）为用户数据RAM。从80HFFH地址单元（也是128个字节）为特殊寄存器（SFR）单元。从图43中可清楚地看出它们的结构分布。图438031芯片存储器结构在00H1FH共32个单元中被均匀地分为四块，每块包含八个8位寄存器，均以R0R7来命名，我们常称这些寄存器为通用寄存器内部RAM的20H2FH单元为位寻址区，既可作为一般单元用字节寻址，也可对它们的位进行寻址。从30H3FH是可以按字节寻址的数据缓冲区,在此区域中可以设置堆栈由于8031复位后堆栈指针SP指向工作寄存器区SP07H,用户必须在初始化程序中对SP设置30H以后的地址区间为初值8031芯片内部无程序存储器,仅有128字节的数据存储器,在组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器由于地址线是16位的,最多能扩展64K程序存储器和64K的数据存储器,其地址为0000HFFFFH，均可独立编址。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763438031应用系统中存储器扩展431程序存储器的扩展8031的程序存储器的寻址空间为64K,内部不带ROM,用作程序存储器的器件是EPROM外部程序存储器的读时序,如图44所示图44外部程序存储器读时序作为MCS51单片机的外部程序存储器，其典型产品有2716（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）27512（64K8）等。在选择程序存储器芯片时，首先满足程序容量，其次在价格合理情况下尽量选用容量大的芯片。芯片少，接线简单，芯片储存容量大程序调整余量大。本设计中程序大小一般不会超过8K，故选择一片存储器2764（8K8）。8031与2764的连接（1）地址线的连接2764低8位地址线A0A7经地址锁存器与8031P0口相连，2764高8位地址线A8A13直接与8031的P2口（P20P24）相连，由于8031的P0口是分时输出低8位地址和数据，故需地址锁存器，并由地址锁存允许信号ALE的下降沿将地址信息锁存入地址锁存器。（2）数据线的连接存储器的8位数据线D0D7与8031的P0口直连。（3）控制线的连接8031的PSEN与2764的OE端相连接8031的EA端直接接地，执行外部程序存储器指令。432数据存储器的扩展，8031芯片内部有128字节的数据存储器，需要作为工作寄存器、堆栈和数据缓冲器使用，当控制系统需要暂存的数据量较大时，片内RAM往往不够用，因此需要进行片外数据存储器的扩展。MCS51系列单片机数据存储器的扩展能力最大可达64KB。下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨询414951605或1304139763下载论文就送你全套CAD图纸，Q咨