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本科設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 ３９ 頁 共 39 頁
1 緒論
1.1 機(jī)電一體化概述
1.1.1 機(jī)電一體化基本概念
機(jī)電一體化是微電子技術(shù)在向傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)滲透過程中逐漸形成的一個(gè)新概念，是機(jī)械和微電子兩種技術(shù)相互融合的產(chǎn)物，如圖1-1所示。機(jī)電一體化打破了傳統(tǒng)的機(jī)械工程、電子工程、信息工程、化學(xué)工程、建筑工程等舊模塊的劃分，形成了融機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)為一體的一門新興的交叉學(xué)科。
圖1-1 機(jī)電一體化技術(shù)的形成
“機(jī)電一體化”的英文是“mechatronics”,它是機(jī)械（mechanics）和電子(electronics)兩個(gè)字的合成詞，本詞在20世紀(jì)70年代中期由日本首先開始使用，現(xiàn)在已得到很多國(guó)家的普遍認(rèn)同，并得到廣泛使用。從廣義上可以概括為“機(jī)械工程與電子工程相結(jié)合的技術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機(jī)械電子裝置”。
“機(jī)電一體化”具有“技術(shù)”與“產(chǎn)品”兩方面的內(nèi)容。機(jī)電一體化技術(shù)主要是指其技術(shù)原理和機(jī)電一體化系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)。機(jī)電一體化產(chǎn)品主要
是指機(jī)械系統(tǒng)和微電子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，從而賦予了新功能和性能的新一代產(chǎn)品。
1.1.2 機(jī)電一體化的基本組成要素
一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)（機(jī)構(gòu)）、電子信息處理系統(tǒng)（計(jì)算
機(jī)）、動(dòng)力系統(tǒng)（動(dòng)力源）、傳感檢測(cè)系統(tǒng)（傳感器）、執(zhí)行元件系統(tǒng)（如電動(dòng)機(jī)）五個(gè)系統(tǒng)組成，如圖1-2所示，各組成要素和環(huán)節(jié)之間通過接口相聯(lián)系。
動(dòng)力
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
計(jì)算機(jī)
傳感器
機(jī)械結(jié)構(gòu)
圖1-2機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大要素
（1） 機(jī)械系統(tǒng)
用于支撐和連接其他要素，并把這些要素合理地結(jié)合起來，形成一個(gè)有機(jī)整體。機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)必要的組成部分，沒有它，系統(tǒng)的各個(gè)部分就會(huì)支離破碎，無法構(gòu)成具有特定功能的機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)。例如，工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的本體就是機(jī)身和床身；指針式電子表的本體是表殼。
（2） 計(jì)算機(jī)信息處理和控制系統(tǒng)
機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本特征是給“機(jī)械“添加了頭腦，根據(jù)機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能和性能要求，信息處理與控制系統(tǒng)接收傳感和檢測(cè)系統(tǒng)反饋的信息，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理、運(yùn)算和決策，以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行施以控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制功能。機(jī)電一體
化產(chǎn)品中，信息處理與控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)硬件和軟件以及相應(yīng)的接口電路組成。硬件一般包括輸入輸出設(shè)備、顯示器、可編程控制器和數(shù)字控制。軟件一般包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。機(jī)電一體化產(chǎn)品要求信息處理速度快，A/D和D/A轉(zhuǎn)換及分時(shí)處理
時(shí)的輸入輸出可靠，系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)。
（3） 動(dòng)力系統(tǒng)
按照機(jī)電一體花系統(tǒng)的控制要求，為機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，以完成預(yù)定的功能。動(dòng)力系統(tǒng)包括電、液、氣等多種動(dòng)力源。
（4） 傳感檢測(cè)系統(tǒng)
機(jī)電一體化產(chǎn)品在運(yùn)行過程中自身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)按一定精度要求轉(zhuǎn)化成測(cè)定的物理量，為機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)行控制提供所需要的各種信息。傳感與檢測(cè)系統(tǒng)的功能一般由傳感器或儀表來實(shí)現(xiàn)，對(duì)其要求是體積小、便于安裝與連接、檢測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)等。
（5）執(zhí)行元件
在控制信息的作用下完成要求的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的主功能。執(zhí)行元件一般是運(yùn)動(dòng)部件，常采用電液、機(jī)械、氣動(dòng)等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)因機(jī)電一體化產(chǎn)品的類型和作業(yè)對(duì)象不同而有較大差異。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品木的功能的直接執(zhí)行者，其性能好壞決定著整個(gè)產(chǎn)品的性能，因而是機(jī)電一體化產(chǎn)品中重要的組成部分。
1.1.3 機(jī)電一體化產(chǎn)品的特點(diǎn)
與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品比較，具有以下特點(diǎn)：
（1） 綜合性與系統(tǒng)性
機(jī)電一體化是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等群體技術(shù)與機(jī)械技術(shù)結(jié)合而成綜合技術(shù)。各種技術(shù)的綜合及多個(gè)部分的組合，使得機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品更具有系統(tǒng)性、完整性和科學(xué)性。
（2） 多層次，覆蓋面廣
機(jī)電一體化技術(shù)不僅體現(xiàn)在一些單機(jī)產(chǎn)品中，而且貫穿于工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。從單臺(tái)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，到現(xiàn)代工業(yè)中的柔性制造系統(tǒng)；從簡(jiǎn)單的單參數(shù)顯示，到復(fù)雜的多參數(shù)、多級(jí)控制；從簡(jiǎn)單的零件自動(dòng)加工生產(chǎn)線，到各種現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備、交通工具的自動(dòng)化生產(chǎn)線等，機(jī)電一體化技術(shù)都有其不同層次、覆蓋面很廣的應(yīng)用領(lǐng)域。
（3） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便
機(jī)電一體化系統(tǒng)采用了新型器件和裝置代替了笨重而復(fù)雜的機(jī)械或電子裝置。微
處理器控制裝置可以方便地完成過去靠機(jī)械傳動(dòng)鏈和機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械結(jié)
構(gòu)簡(jiǎn)化，體積減少，重量減輕，不僅提高了自動(dòng)化程度，而且大大提高產(chǎn)品質(zhì)量。機(jī)
電一體化技術(shù)使得操作人員擺脫了以往必須按操作規(guī)程或節(jié)拍頻率緊張地進(jìn)行單調(diào)重復(fù)操作的工作方式，能方便地控制和改變生產(chǎn)操作程序，如數(shù)控機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)。
（4） 精度高，功能強(qiáng)
機(jī)電一體化技術(shù)使機(jī)械傳動(dòng)部件減少，因而使機(jī)械磨損、配合間隙和受力變形等所引起的動(dòng)作誤差大大減少。由于采用了電子技術(shù)，反饋控制技術(shù)水平的提高，能進(jìn)行高速處理，通過電子自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)診斷、校正、補(bǔ)償、從而達(dá)到工作要求。
（5） 高可靠性、高穩(wěn)定性和高使用壽命
傳統(tǒng)機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)一般都伴隨著磨損及運(yùn)動(dòng)部件配合間隙所引起的動(dòng)作誤差、同時(shí)發(fā)出噪聲、振動(dòng)等，影響裝置的壽命、穩(wěn)定性和可靠性。而機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用，使裝置的運(yùn)動(dòng)部件減少，磨損也大為減少，例如集成化接近開關(guān)甚至無機(jī)械磨損。因此裝置壽命提高，故障率降低，從而提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。
1.1.4 機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，機(jī)電一體化技術(shù)正在不斷地深入到各個(gè)領(lǐng)域并迅猛地向前推進(jìn)，它已引起機(jī)械工業(yè)部門許多深刻變革。因此，了解其發(fā)展前景與發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于掌握新技術(shù)產(chǎn)生與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系與規(guī)律，對(duì)于跟蹤世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展的步伐是十分重要的。
雖然世界各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家發(fā)展機(jī)電一體化各有特點(diǎn)，發(fā)展的重點(diǎn)和具體做法也不盡相同。但總的趨勢(shì)則是趨于一致的，歸納起來有以下幾個(gè)發(fā)展方向：
（1） 復(fù)合化
（2） 微型化
（3） 高性能化
（4） 移動(dòng)化
（5） 智能化
（6） 層次化
（7） 模塊化
（8） 網(wǎng)絡(luò)化
1.2 機(jī)床數(shù)控化的意義及特點(diǎn)
1.2.1 數(shù)控機(jī)床的基本概念
數(shù)字控制機(jī)床(Numerical Control Machine Tools)簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床，這是一種將數(shù)字計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床的控制技術(shù)。它把機(jī)械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置。經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號(hào)，控制機(jī)床的動(dòng)作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動(dòng)地將零件加工出來。數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動(dòng)化機(jī)床，代表了現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
1.2.2 數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床的組成: 數(shù)控機(jī)床的基本組成包括加工程序載體、數(shù)控裝置（CNC）、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)床主體。
（1） 控制介質(zhì)
人和數(shù)控機(jī)床聯(lián)系的媒介物。控制介質(zhì)可以是穿孔帶，也可以是穿孔卡、磁帶、磁盤或其他可以儲(chǔ)存代碼的載體 ，有些直接集成在CAD/CAM中
（2）數(shù)控裝置
數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的中樞，在普通數(shù)控機(jī)床中一般由輸入裝置、存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器和輸出裝置組成。數(shù)控裝置接收輸入介質(zhì)的信息，并將其代碼加以識(shí)別、儲(chǔ)存、運(yùn)算，輸出相應(yīng)的指令脈沖以驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，進(jìn)而控制機(jī)床動(dòng)作。在計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床中，由于計(jì)算機(jī)本身即含有運(yùn)算器、控制器等上述單元，因此其數(shù)控裝置的作用由一臺(tái)計(jì)算機(jī)來完成 。
（2） 伺服系統(tǒng)
其作用是把來自數(shù)控裝置的脈沖 信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，包括信號(hào)放大和驅(qū)動(dòng)元件。其性能好壞直接決定加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率。
（3） 機(jī)床
早期采用通用車床，現(xiàn)在采用了新的加強(qiáng)剛性、減小熱變形、提高精度等方面的技術(shù)使其發(fā)生了很大的變化。
1.2.3 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)
數(shù)控加工就是數(shù)控機(jī)床在加工程序的驅(qū)動(dòng)下將毛坯加工成合格零件的加工過程。數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)具有普通機(jī)床所沒有的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能、智能識(shí)別功能以及自動(dòng)控制能力。數(shù)控加工與常規(guī)加工相比有著明顯的區(qū)別，其特點(diǎn)如下：
（1）自動(dòng)化程度高，易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制
除了裝夾工件還需要手工外，全部加工過程都在數(shù)控程序的控制下，由數(shù)控機(jī)床自動(dòng)完成，不需要人工干預(yù)。因此加工質(zhì)量主要由數(shù)控程序的編制質(zhì)量來控制。
（2）數(shù)控加工的連續(xù)性高
工件在數(shù)控機(jī)床上只需裝夾一次，就可以完成多個(gè)部位的加工，甚至完成工件的全部加工內(nèi)容。配有刀具庫的加工中心能裝有幾把甚至幾十把備用刀具，具有自動(dòng)換刀功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序控制的全自動(dòng)換刀，不需要中斷加工過程，生產(chǎn)效率高。
（3）數(shù)控加工的一致性好
數(shù)控加工基本消除了操作者的主觀誤差，精度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、互換性好
（4）適合于復(fù)雜零件的加工
數(shù)控加工不受工件形狀復(fù)雜程度的影響，應(yīng)用范圍廣。它很容易實(shí)現(xiàn)渦輪葉片、成型模具等帶有復(fù)雜曲面、高精度零件的加工，并解決一些如裝配要求較高，常規(guī)加工中難以解決的難題。
（5）便于建立網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)
例如建立直接數(shù)控系統(tǒng)（DNC），把編程、加工、生產(chǎn)管理連成一體，建立自動(dòng)化車間，走向集成化制造。甚至于CAD系統(tǒng)集成，形成企業(yè)的數(shù)字化制造體系。數(shù)控程序由CAM軟件編制，采用數(shù)字化和可視化技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上用人機(jī)交互方式，能夠迅速完成復(fù)雜零件的編程，從而縮短產(chǎn)品的研制周期。
近年來，隨著數(shù)控機(jī)床的模塊化發(fā)展，使數(shù)控加工設(shè)備增加了柔性化的特點(diǎn)。先進(jìn)的柔性加工不僅適合于多品種、小批量生產(chǎn)的需要，而且增加了自動(dòng)變換工件的功能，能交替完成兩種或更多種不同零件的加工，可實(shí)現(xiàn)夜間無人看管的生產(chǎn)操作。有數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床（加工中心）組成的柔性制造系統(tǒng)（FMS）是一種具有更高柔性的自動(dòng)化制造系統(tǒng)，具有將加工、裝配和檢驗(yàn)等制造過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)高度集成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。
1.2.4 機(jī)床數(shù)控化的意義
一般說來，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性。
（1） 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
（2） 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。
（3） 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要工人"修配"。
（4） 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。
（5） 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無人看管加工。
（6） 降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。
2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 概述
機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械系統(tǒng)包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向支撐機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要功能是完成一系列機(jī)械運(yùn)動(dòng)，起到傳遞機(jī)械力、運(yùn)動(dòng)、能量和支撐整個(gè)系統(tǒng)的作用，是機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的組成部分。由于在機(jī)電一體化產(chǎn)品中廣泛采用伺服技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，每一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)可單獨(dú)由控制電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成子系統(tǒng)來完成，各個(gè)子系統(tǒng)之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)由計(jì)算機(jī)來完成，因此機(jī)械系統(tǒng)已經(jīng)成為整個(gè)伺服系統(tǒng)的一部分，其性能對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品有著重要影響。
（1） 機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的基本要求
① 高精度 精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，機(jī)電一體化產(chǎn)品的技術(shù)性能、工藝水平和功能比普通機(jī)械產(chǎn)品都有很大的提高，因此機(jī)電一體化產(chǎn)品的機(jī)械系統(tǒng)的高精度要求是首要的。
② 低慣量 快速響應(yīng)是控制系統(tǒng)的一相重要指標(biāo)，這就要求作為伺服系統(tǒng)一部分的機(jī)械系統(tǒng)慣性要低，包括重量輕和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、低阻尼等。
③ 穩(wěn)定性 即要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境影響，抗干擾能力強(qiáng)。
（2）機(jī)械系統(tǒng)的組成及其設(shè)計(jì)要求
①傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅僅是運(yùn)動(dòng)和力矩的變換，而且已經(jīng)成為伺幅系統(tǒng)的一部分，它要根據(jù)伺服控制的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足整個(gè)系統(tǒng)的良好伺服性能。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能主要取決于傳動(dòng)類型及其傳動(dòng)方式、傳動(dòng)精度、動(dòng)態(tài)特性即可靠性，在伺服系統(tǒng)中，還要考慮它們對(duì)伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速性的影響。對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)，其傳動(dòng)精度不僅取決于單個(gè)傳動(dòng)件的精度，還取決于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。此外，機(jī)電一體化系統(tǒng)中傳動(dòng)裝置還要滿足小型、輕量化、高速化、低振動(dòng)、低噪聲和高可靠性等方面的要求。
② 導(dǎo)向支撐機(jī)構(gòu) 機(jī)電一體化產(chǎn)品要求其機(jī)械系統(tǒng)的各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須得到安全的支撐，并能準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)任務(wù)由導(dǎo)向支撐機(jī)構(gòu)來完成。導(dǎo)向支撐機(jī)構(gòu)的精度、剛度、抗震性、熱穩(wěn)定性等因素都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)特性和可靠性。
③ 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)操作指令的要求在動(dòng)力源的帶動(dòng)下完成預(yù)定的操作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。因此，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)能準(zhǔn)確定位，具有較高的靈敏度、良好的可重復(fù)性和可靠性。
2.2 滾珠絲杠螺母副
2.2.1 滾珠絲杠副的特點(diǎn)
（1）傳動(dòng)效率高，磨擦損失小
η= 式中 β-螺旋線生角 -摩擦角
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率η=0.9~0.96，比常規(guī)絲杠副提高了3~4倍，因此功率消耗小。
（2） 予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母之間的間隙
滾珠絲杠副預(yù)緊后，可消除螺紋間隙，這樣反向時(shí)就沒有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向剛度。
（3） 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高
滾珠絲杠副是滾動(dòng)摩擦，阻力小，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠副是滾動(dòng)摩擦，沒有爬行現(xiàn)象，故傳動(dòng)精度高。
（4） 可逆性
滾珠絲杠副摩擦損失小，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件或從動(dòng)件。
（5） 摩損小，使用壽命常
因?yàn)闈L動(dòng)摩擦的摩擦系數(shù)小，磨損也小，故使用壽命常。
（6） 制造工藝復(fù)雜，成本高
滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，光潔度也高，故制造成本也高。
（7） 不能自鎖
特別是垂直絲杠（立向），由于自重慣性力的關(guān)系，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需要要添加制動(dòng)裝置。
2.2.2 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型
（1）外循環(huán)插管式
外循環(huán)插管式滾珠絲杠副的滾珠，在循環(huán)過程中有一段離開絲杠表面，通過彎管形成回路。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，但徑向尺寸大，且彎管兩端管舌耐磨性和抗沖擊性差。如圖2-1(b)所示
（2）內(nèi)循環(huán)反向器式
內(nèi)循環(huán)反向器式滾珠絲杠副的滾珠，在循環(huán)過程中始終與絲杠表面接觸，通
過反向器越過螺紋的外徑進(jìn)入相鄰滾道，形成一個(gè)循環(huán)回路。內(nèi)循環(huán)反向器式結(jié)構(gòu)回路短，摩擦小，效率高，徑向尺寸小，制造成本高。如圖2-1(a)所示
圖2-1 滾珠絲杠螺母副
2.2.3 滾珠絲杠的計(jì)算與選用
計(jì)算進(jìn)給率引力FM
FM=Gf’=150×0.05=7.5N
計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C
L=60×n×T×10-6
式中 L0—滾珠絲杠導(dǎo)程，初選 L0=6
VS —最大負(fù)載下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2—1/3，此處VS 為0.375m/min
fw —運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) fw=1.2—1.5
L—壽命、以106為一單位
L=60×n×T×10-6=60×62. 5×15000×10-6=56.25
滾珠絲杠副的選型：DFU25-4
2.3 導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)
2.3.1導(dǎo)軌
導(dǎo)軌副用于引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件的走向，保證執(zhí)行件的正確運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過摩擦和阻尼影響執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)特性，如定位精度和低速均勻性。導(dǎo)軌副包括運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌。支撐導(dǎo)軌用以支撐和約束運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，使之按要求作正確的運(yùn)動(dòng)。
導(dǎo)軌應(yīng)滿足的要求
（1）導(dǎo)向精度 導(dǎo)向精度指導(dǎo)軌副中運(yùn)動(dòng)件實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向與給定運(yùn)動(dòng)方向之間的準(zhǔn)確程度。
（2）接觸精度 以導(dǎo)軌表面的實(shí)際接觸面積占理論接觸面積的百分比或25×25面積上接觸點(diǎn)的數(shù)目和分布狀況來表示
（3）精度保持性 精度的保持性是指導(dǎo)軌在長(zhǎng)期使用后，對(duì)導(dǎo)向精度的保持能力，主要由導(dǎo)軌的耐磨性決定的。提高導(dǎo)軌的精度保持性，必須對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行正確的潤(rùn)滑和防護(hù)。
（4）運(yùn)動(dòng)的靈活性和低速運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性 機(jī)電一體化產(chǎn)品要求較高的定位精度和速度精度，因此要求導(dǎo)軌具有較好的靈活性和穩(wěn)定性，工作時(shí)應(yīng)速度均勻，，低速運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是在劃塊之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?，滾動(dòng)導(dǎo)軌的配對(duì)導(dǎo)軌面間由鋼珠隔開，導(dǎo)軌面不直接接觸，運(yùn)動(dòng)時(shí)與鋼珠產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，大大降低二者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，摩擦阻力可降到原來的1/40，使驅(qū)動(dòng)功率大幅度下降，適應(yīng)高速直線運(yùn)動(dòng)，其瞬時(shí)速度比比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高約10倍，能實(shí)現(xiàn)高定位精度和從復(fù)定位精度。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、反響器、保持架、密封端蓋及擋板組成如圖2-2所示。
圖2-2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：
（1）高剛性，四方向等負(fù)荷設(shè)計(jì) 滑塊的高剛性斷面設(shè)計(jì)與4列鋼珠45°圓弧接觸角的設(shè)計(jì)，除了提供徑向、反徑向及橫方向四方向的相同額定負(fù)荷能力，并且能夠施加足夠的預(yù)壓增強(qiáng)其剛性，適合各種安裝方式的應(yīng)用。
（2）具自動(dòng)調(diào)心能力 正面組合（DF組合）的圓弧滿槽設(shè)計(jì)，使其具有自動(dòng)調(diào)整的能力，即使給于預(yù)壓也能夠吸收安裝誤差，并維持平滑穩(wěn)定、高精度的直線運(yùn)動(dòng)。
（3）行走順暢度佳，低噪音 簡(jiǎn)單圓滑的鋼珠回流路徑設(shè)計(jì)，并采用耐衡擊的強(qiáng)化合成樹脂之鋼珠循環(huán)配件，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢度佳，噪音度低 。
（4）具互換之特性 在嚴(yán)密的制造精度管理下，尺寸能夠維持在穩(wěn)定的公差內(nèi)，所以對(duì)于互換型線性滑軌，組裝時(shí)可將滑塊任意配裝在同型號(hào)的滑軌上，并且保持其相同的順暢度、預(yù)壓及精度，組裝與維修最容易。
（5）卓越的高速性，壽命長(zhǎng) 因通過保持器使球與球之間的相互摩擦消失，相對(duì)摩擦速度成為1/2，面壓降低，發(fā)熱減少，既能延長(zhǎng)壽命又具有卓越的高速性。
（6）長(zhǎng)期無須維修保養(yǎng) 因通過保持器使球與球之間的相互摩擦消失，球的磨損消失，增強(qiáng)了潤(rùn)滑脂的保持性，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期無須維修保養(yǎng)。
2.3.2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的承載能力計(jì)算
計(jì)算承載能力時(shí)，要求滾動(dòng)體的最大載荷不得超過許用載荷：
（1）初選滾珠直徑為d=9mm,工作臺(tái)重量G=75N（本設(shè)計(jì)負(fù)載為0） 導(dǎo)軌預(yù)緊力為F1=198N 工作行程l=100mm 滾動(dòng)體數(shù)目最大值：
Z ≤ = =9
受載最大滾動(dòng)體上的負(fù)載FMAX=G/Z=274/9=30N
（2）滾動(dòng)體許用負(fù)載計(jì)算
滾動(dòng)體上的許用負(fù)載 F=Kd2ξ=60×0.92×1=48.6N
式中 d —— 為滾珠直徑（cm）
K —— 作用在滾動(dòng)體橫斷面上的假定應(yīng)力（N/ cm2）見表2-1
ξ—— 考慮到導(dǎo)軌硬度的修正系數(shù)，見表2-2
表2-1 滾動(dòng)體橫斷面上的假定應(yīng)力K
導(dǎo)軌類型
K（N/ cm2）
氮化導(dǎo)軌
鋼制高頻淬火導(dǎo)軌
鋼制淬火導(dǎo)軌
60~62HRC
鑄鐵導(dǎo)軌
200HBS
滾珠導(dǎo)軌
40
50
60
2
短滾柱導(dǎo)軌b/d=1
1500
1800
2000
200
長(zhǎng)滾柱導(dǎo)軌b/d≥3
1000
1300
1500
150
表2-2 導(dǎo)軌硬度的修正系數(shù)
鑄鐵導(dǎo)軌
HBS
160
180
200
220
ξ
0.6
0.8
1
1.7
鋼質(zhì)淬火導(dǎo)軌
HRC
50
55
57
60
ξ
0.52
0.7
0.8
1
計(jì)算結(jié)果滿足FMAX＜F 即28.6＜48.6
（3）滾動(dòng)導(dǎo)軌的剛度驗(yàn)算
滾動(dòng)導(dǎo)軌應(yīng)驗(yàn)算接觸剛度，即接觸變形δ的大小 δ=λ2P
式中 λ2 —— 滾珠的柔度系數(shù) 如圖2-3所示
P —— 每個(gè)滾珠所受的負(fù)載（N）
圖2-3 滾動(dòng)導(dǎo)軌柔度系數(shù)與負(fù)載的關(guān)系
3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 伺服系統(tǒng)概述
3.1.1 伺服系統(tǒng)基本概念
伺服系統(tǒng)（servo system）也叫隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
伺服系統(tǒng)是根據(jù)輸入指令與輸出的物理量之間的偏差進(jìn)行動(dòng)作控制的.因此伺服系統(tǒng)的工作過程是一個(gè)偏差不斷產(chǎn)生,又不斷消除的動(dòng)態(tài)過渡過程.
許多機(jī)電一體化產(chǎn)品(如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等)，需要對(duì)輸出量進(jìn)行跟蹤控制，因而伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分是實(shí)現(xiàn)某些產(chǎn)品目的功能的主體。伺服系統(tǒng)中離不開機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)，其功能是通過機(jī)電結(jié)合才得以實(shí)現(xiàn)的，因此，伺服系統(tǒng)本身就是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。
3.1.2 伺服系統(tǒng)基本類型
伺服系統(tǒng)種類很多，采用不同的分類方法，可以得到不同的伺服系統(tǒng)。
按被控量不同可將伺服系統(tǒng)分為：位置伺服系統(tǒng)、速度伺服系統(tǒng)、力伺服系統(tǒng)等。其中最常見的是位置伺服系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)等。
按控制方式不同可將伺服系統(tǒng)分為：開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)中無檢測(cè)反饋元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度低；閉環(huán)伺服系統(tǒng)直接對(duì)工作臺(tái)等移動(dòng)部件進(jìn)行檢測(cè)和反饋，因而精度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的檢測(cè)元件位于機(jī)械執(zhí)行裝置中間（如伺服電機(jī)軸、滾珠絲杠上），將大部分機(jī)械構(gòu)件封閉在反饋環(huán)節(jié)之外，性能介于開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)之間。
3.1.3 伺服系統(tǒng)的基本組成
本設(shè)計(jì)中采用由步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)伺服系統(tǒng)，其功能組成如圖3-1所示。
輸入
輸出
步進(jìn)電機(jī)
功率放大
光電隔離
脈沖分配
圖3-1 伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖
3.1.4 伺服系統(tǒng)的基本要求
（1） 輸出位置精度要高
靜態(tài)上要求定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差和重復(fù)定位誤差要小 (以保證尺寸精度) 。動(dòng)態(tài)上要求跟隨精度高，即跟隨誤差要小，這是動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) (以保證輪廓精度) 。另外，要求靈敏度高，有足夠高的分辯率。
（2） 響應(yīng)速度快
執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度的建立時(shí)間tp 應(yīng)盡可能短。通常要求從0→Fmax（Fmax→0 ） , 其時(shí)間應(yīng)小200ms，否則對(duì)機(jī)械部件不利，有害于加工質(zhì)量。????
（3） 調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性(在調(diào)速范圍內(nèi))
穩(wěn)定性是指輸出速度的波動(dòng)要少，尤其是在低速時(shí)的平穩(wěn)性顯得特別重要
（4） 負(fù)載特性要硬
在系統(tǒng)負(fù)載范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出速度應(yīng)基本不變。即△F盡可能?。划?dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速度的恢復(fù)時(shí)間短且無振蕩。即△t盡可能短；另外應(yīng)有足夠的過載能力。這是要求伺服系統(tǒng)有良好的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)剛度。
（5） 能可逆運(yùn)行和頻繁靈活啟停。
（6） 系統(tǒng)的可靠性高，維護(hù)使用方便，成本低。
3.2 伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件
執(zhí)行元件亦稱為驅(qū)動(dòng)元件，是各類工業(yè)機(jī)器人、CNC機(jī)床、各種自動(dòng)化機(jī)械、計(jì)算機(jī)外設(shè)、車輛電子設(shè)備等一系列機(jī)電一體化產(chǎn)品必不可少的驅(qū)動(dòng)部件。該元件是處于機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)行機(jī)構(gòu)和微電子控制裝置的接點(diǎn)部位的能量轉(zhuǎn)換元件，能在微電子裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。
3.2.1 執(zhí)行元件的種類及特點(diǎn)
（1） 電氣執(zhí)行元件
電氣執(zhí)行冤元件包括控制電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)），靜電電動(dòng)機(jī)，磁致伸縮器件、電磁鐵、超聲波電機(jī)等。對(duì)控制電機(jī)的性能要求除穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)之外，還要求有良好的加速、減速性能以及頻繁使用的適用性和便于維修性能。
（2） 液壓執(zhí)行器件
在同樣輸出功率下，液壓驅(qū)動(dòng)裝置具有重量輕、慣量小、快速性好等優(yōu)點(diǎn)。它通常不用減速器便可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)得到平滑運(yùn)動(dòng)，且無死區(qū)。適用于驅(qū)動(dòng)大規(guī)模機(jī)器。
（3） 氣壓執(zhí)行元件
氣壓執(zhí)行元件除了用壓縮空氣作工作介質(zhì)外，與液壓執(zhí)行元件無區(qū)別。氣壓執(zhí)行元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置控制特性不好，只用在點(diǎn)到點(diǎn)的簡(jiǎn)單固定動(dòng)作。氣壓驅(qū)動(dòng)雖可獲得較大驅(qū)動(dòng)力、行程和速度，由于空氣的可壓縮性，只能用在定位精度不高的場(chǎng)合。
3.3 步進(jìn)電機(jī)
3.3.1步進(jìn)電機(jī)原理
步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,?廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。如圖3-2所示
圖3-2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖
3.3.2 步進(jìn)電機(jī)特性
(1)步進(jìn)電機(jī)是用脈沖控制的，步距角和轉(zhuǎn)速大小不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，而僅僅與輸入脈沖頻率成正比，電機(jī)的速度與每秒輸入脈沖數(shù)目(脈沖速率:Pulse rate)成比例。通常不需要反饋就能夠?qū)λ俣群臀恢眠M(jìn)行控制；
(2)精度高，運(yùn)行可靠。
(3) 旋轉(zhuǎn)角只有周期性誤差，誤差不會(huì)逐步累積。
(4)與數(shù)組設(shè)備兼容，能夠直接接收數(shù)字信號(hào)。
(5)可以快速起動(dòng)，制動(dòng)，反轉(zhuǎn)，而且具有自鎖的能力。
(6)工作環(huán)境不受各種環(huán)境條件諸如溫度，壓力，振動(dòng)，沖擊等影響。
3.3.3 步進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算
（1） 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3-3。傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J∑（Kg.cm2）由下式計(jì)算：
式中 JM —— 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.cm2）；
JS —— 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.cm2）；
G —— 工作臺(tái)重量（N）；
L0 —— 滾珠絲杠導(dǎo)程（cm）
初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)90BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JM=2 Kg.cm2
JS=0.78×10-3×2.54×36.5=1.1 Kg.cm2
代入上式
對(duì)于步進(jìn)電機(jī)而言為了獲得良好的啟動(dòng)能力和較快的響應(yīng)速度，需滿足轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配條件： 滿足要求。
圖3-3 傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
（2） 電機(jī)力矩計(jì)算
快速啟動(dòng)所需力矩M起
代入數(shù)據(jù)：
折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩：
代入數(shù)據(jù)：
附加摩擦轉(zhuǎn)矩：
綜合上述三項(xiàng)：
快速移動(dòng)時(shí)所需力矩M快： M快 =Mf+ M0=3.8+0.4=4.2N.cm
從上面計(jì)算可以看出，M起、 M快兩種情況下，M起最大，所以以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)λ= =0.951
因?yàn)殡姍C(jī)要滿足，所以
按此最大靜轉(zhuǎn)矩選型，90BF002最大靜轉(zhuǎn)矩為3.92N.M。
計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和工作頻率：
90BF002允許的最高空載起動(dòng)頻率為3800Hz，運(yùn)行頻率為16000Hz，起動(dòng)矩頻特性曲線如圖3-4，完全可以滿足要求。
圖3-4 90BF002型起動(dòng)矩頻特性
3.4 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制
本設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖按控制要求發(fā)給電機(jī)各相。90BF002步進(jìn)電機(jī)為五相十拍，其通電順序?yàn)锳BC—BC—BCD—CD—CDE—DE-DEA— EA—EAB—AB（正轉(zhuǎn)）；BA—BAE—AE—AED—ED—EDC—DC—DCB—CB—CBA（反轉(zhuǎn)）脈沖分配器就是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各相通電順序的。為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需要有足夠的功率提供給電機(jī)，因此需要功率放大環(huán)節(jié)。脈沖分配器及微機(jī)和接
口，工作電平為+5V，而電動(dòng)機(jī)電源需符合步進(jìn)電機(jī)的額定電壓。為避免強(qiáng)電干擾，在他們之間加隔離電路。
3.4.1 脈沖分配器
又叫環(huán)行分配器，有硬件環(huán)行分配器和軟件環(huán)行分配器，硬件環(huán)行分配器需要的I/O口接線少，且執(zhí)行速度快，需要專用芯片。
硬件環(huán)行分配器： 是由門電路極其邏輯電路組成，目前已經(jīng)大量采用可靠性高、外形尺寸小、使用方便的集成脈沖分配器。選用國(guó)產(chǎn)TTL集成脈沖分配器YB015。其性能參數(shù)數(shù)見表3-1
表3-1 TTL脈沖分配器主要性能參數(shù)
輸出高電平（V）≥
輸出低電平（V）≤
輸入低電平（V）≤
輸入電高平（V）≥
吸收電流（mA）
工作頻率(Hz)
電源電壓（V）
環(huán)境溫度(℃)
2.4
0.4
0.8
2.4
1.6
0—160
5±0.5
0—+70
各引腳功能如下：
E0— 選通輸出控制。
R—清零
A1、A0—?jiǎng)?lì)磁方式控制。對(duì)于五相脈沖分配器：A0為高電平使步進(jìn)電機(jī)以五相十拍通電方式工作。
E1、E2——選通輸入控制
CP—時(shí)鐘輸入端
Δ—正反轉(zhuǎn)控制端
S—出錯(cuò)報(bào)警輸出。
3.4.2光電隔離電路
在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組，在接口處將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，損壞系統(tǒng)正常運(yùn)行，在接口電路與功率放大器之間加隔離電路，通常使用光電耦合。光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。
光電藕荷器的基本類型：共集電極輸出型、共射集輸出型、達(dá)林頓管、晶閘管輸出型。
3.4.3 功率放大電路
脈沖分配器的輸出功率很小，不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將它放大產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
從步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性可以看出，隨著運(yùn)行頻率的增高，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降，主要原因是步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載，改變通電狀態(tài)時(shí)，通電繞組中的電流逐漸增大，繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使電流指數(shù)規(guī)律上升，并將電源一部分能量存儲(chǔ)在繞組中，致使電機(jī)各相繞組中電流幾乎同時(shí)存在，電機(jī)負(fù)載能力下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)失步。電流的時(shí)間常數(shù)為τ=LM/R LM—相繞組平均電感 R— 通電回路電阻
為了改善電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，必須改善電流波形，使前后沿更陡些，可采取以下方法：
（1）電阻法 在電機(jī)繞組回路串聯(lián)一電阻R0，減小電流時(shí)間常數(shù)。缺點(diǎn)是功耗大，效率低，使用于小功率電機(jī)。
（2）雙電源法
4 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
4.1概述
控制系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中最重要的組成部分，它主要實(shí)現(xiàn)控制及信息處理功能，此外機(jī)電一體化的其他內(nèi)部功能也要在控制系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào)下才能得以實(shí)現(xiàn)。
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的組成：
（1） 主控制器，即中央處理器CPU；
（2） 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線；
（3） 存儲(chǔ)器，包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；
圖4-1 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）
4.2 MCS-51單片機(jī)簡(jiǎn)介
MCS-51單片機(jī)是美國(guó)INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，與MCS-48單片機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達(dá)111條，MCS-51單片機(jī)可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品。MCS-51系列單片機(jī)8031基本特性：
（1） 4kbytes 程序存儲(chǔ)器(ROM)
（2） 128bytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)
（3） 32條I/O口線
（4） 111條指令，大部分為單字節(jié)指令
（5） 21個(gè)專用寄存器
（6） 2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器
（7） 5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)
（8） 一個(gè)全雙工串行通信口
（9） 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為64kB
（10） 外部程序存儲(chǔ)器尋址空間為64kB
（11） 邏輯操作位尋址功能
（12） 雙列直插40PinDIP封裝
（13） 單一+5V電源供電
圖4-2 8031單片機(jī)管腳圖
4.2.1 8031管腳功能
40根引腳按其功能分為四類:
(1)電源線 2根
VCC: 編程和正常操作時(shí)的電源電壓,接+5V;
VSS: 地電平.
(2)晶振: 2根
XTAL1:振蕩器的反向放大器輸入.使用外部振蕩器時(shí)必須接地;
XTAL2:振蕩器的反向放大器輸出和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入. 使用外部振蕩器時(shí)用于輸入外部振蕩信號(hào).
(3) I/O口共有P0、P1、P2、P3四個(gè)8位口，32根I/O線功能如下：
①P0.0~P0.7 （AD0~AD7） 在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，該端口分時(shí)地用作低8位地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口。
②P1.0~P1.7 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，專供用戶使用。
③P2.0~P2.7 （A8~A15） 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位的地址A8~A15。
④ P3.0~P3.7 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，該口的每一位均可獨(dú)立定義第一I/O口功能或I/O口第二功能。作為第一功能時(shí)口的結(jié)構(gòu)與操作和P1完全相同，第二功能如下示：
引腳 第二功能
P3.0 RXD（串行輸入口）
P3.1 TXD（串行輸入口）
P3.2 INT0 （外部中斷）低電平有效
P3.3 INT1 （外部中斷）低電平有效
P3.4 T0 （定時(shí)器0外部輸入）
P3.5 T1 （定時(shí)器0外部輸入）
P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）低電平有效
P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）低電平有效
（4） 控制線
①PSEN ；程序存儲(chǔ)器的使能腳，是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，低電平有效；從外部程序存儲(chǔ)器取數(shù)時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)二次有效。
② EA/VPP：EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令；EA為低電平時(shí)，CPU執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器指令。8031無內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，EA必須接地。
③ALE/PROG ALE是地址鎖存使能信號(hào)。作為地址鎖存允許時(shí)高電平有效，而訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器，ALE會(huì)跳過一個(gè)脈沖。如果單片機(jī)是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。
④ RESET/Vpd 復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳， 當(dāng)8031通電，時(shí)鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)。
4.2.2 8031芯片的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及地址分配
8031內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器, 只有256個(gè)單元RAM，這256個(gè)單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元（共128個(gè)字節(jié)）為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80H—FFH地址單元（也是128個(gè)字節(jié)）為特殊寄存器（SFR）單元。從圖4-3中可清楚地看出它們的結(jié)構(gòu)分布。
圖4-3 8031芯片存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)
在00H—1FH共32個(gè)單元中被均勻地分為四塊，每塊包含八個(gè)8位寄存器，均以R0—R7來命名，我們常稱這些寄存器為通用寄存器
內(nèi)部RAM的20H—2FH單元為位尋址區(qū)，既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可對(duì)它們的位進(jìn)行尋址。
從30H—3FH是可以按字節(jié)尋址的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),在此區(qū)域中可以設(shè)置堆棧.由于8031復(fù)位后堆棧指針SP指向工作寄存器區(qū)(SP=07H),用戶必須在初始化程序中對(duì)SP設(shè)置30H以后的地址區(qū)間為初值.
8031芯片內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器,僅有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,在組成控制系統(tǒng)時(shí)可根據(jù)需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器.由于地址線是16位的,最多能擴(kuò)展64K程序存儲(chǔ)器和64K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,其地址為0000H—FFFFH，均可獨(dú)立編址。
4.3 8031應(yīng)用系統(tǒng)中存儲(chǔ)器擴(kuò)展
4.3.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
8031的程序存儲(chǔ)器的尋址空間為64K,內(nèi)部不帶ROM,用作程序存儲(chǔ)器的器件是EPROM.
外部程序存儲(chǔ)器的讀時(shí)序,如圖4-4所示.
圖4-4 外部程序存儲(chǔ)器讀時(shí)序
作為MCS-51單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器，其典型產(chǎn)品有2716（2K*8）、2732（4K*8）、2764（8K*8）…27512（64K*8）等。
在選擇程序存儲(chǔ)器芯片時(shí)，首先滿足程序容量，其次在價(jià)格合理情況下盡量選用容量大的芯片。芯片少，接線簡(jiǎn)單，芯片儲(chǔ)存容量大程序調(diào)整余量大。本設(shè)計(jì)中程序大小一般不會(huì)超過8K，故選擇一片存儲(chǔ)器2764（8K×8）。
8031與2764的連接
（1） 地址線的連接
2764低8位地址線A0—A7經(jīng)地址鎖存器與8031P0口相連，2764高8位地址線A8—A13直接與8031的P2口（P2.0—P2.4）相連，由于8031的P0口是分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)，故需地址鎖存器，并由地址鎖存允許信號(hào)ALE的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器。
（2） 數(shù)據(jù)線的連接
存儲(chǔ)器的8位數(shù)據(jù)線D0—D7與8031的P0口直連。
（3） 控制線的連接
8031的PSEN與2764的OE端相連接
8031的EA端直接接地，執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器指令。
4.3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
， 8031芯片內(nèi)部有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，需要作為工作寄存器、堆棧和數(shù)據(jù)緩沖器使用，當(dāng)控制系統(tǒng)需要暫存的數(shù)據(jù)量較大時(shí)，片內(nèi)RAM往往不夠用，因此需要進(jìn)行片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。MCS-51系列單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展能力最大可達(dá)64KB。
外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀時(shí)序,如圖4-5所示.
圖4-5 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀時(shí)序
在一般的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展中，常選用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片（SRAM）作為外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用，SRAM具有存取速度快、使用方便、不需要刷新電路，接口簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但系統(tǒng)一旦掉電，內(nèi)部所存數(shù)據(jù)便會(huì)丟失。
常用的靜態(tài)RAM芯片有6116，6264，62256等。本設(shè)計(jì)中選擇芯片6264。
8031與6264的連接
（4） 地址線的連接
6264低8位地址線A0—A7經(jīng)地址鎖存器與8031P0口相連，6264高8位地址線A8—A13直接與8031的P2口（P2.0—P2.4）相連，由于8031的P0口是分時(shí)輸出低8位地址和數(shù)據(jù)，故需地址鎖存器，并由地址鎖存允許信號(hào)ALE的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器。
（5） 數(shù)據(jù)線的連接
存儲(chǔ)器的8位數(shù)據(jù)線D0—D7與8031的P0口直連。
（6） 控制線的連接
8031的P2.5與6264的CE端相連接作為片選。
8031的WR與6264的WE相連
8031的RD端與6264的OE腳相連。
4.3.3 地址鎖存器
由于8031的P0口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片有74L373。74L373是帶三態(tài)緩沖的8D觸發(fā)器。
表4-1 74L373的真值表
E
G
D
Q
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
X
Q0
L— 低電平
H— 高電平
X— 不定態(tài)
Q0— 建立穩(wěn)態(tài)前Q的電平
OE— 使能端，接地
G— 輸入端，與8031ALE連高電平；暢通無阻低電平，關(guān)門鎖存
當(dāng)G=1時(shí)74L373輸出端與輸入端相同；當(dāng)G=0時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。
4.3.4 譯碼電路
MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的譯碼規(guī)則：
（1） 程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址。
（2） 外圍I/O與數(shù)據(jù)擴(kuò)展存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址
（3） CPU在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)地址編碼
地址譯碼法：
（1）全地址譯碼：全譯碼法就是剩余的全部地址線都參與譯碼，譯碼器的輸出作為片選信號(hào)。因?yàn)樽g碼器在某一時(shí)刻只有1條輸出線有效，保證了在某一時(shí)刻只有1個(gè)芯片被選中的要求。全譯碼法則沒有地址重疊現(xiàn)象，即各存儲(chǔ)單元的地址碼唯一。對(duì)于容量較大的系統(tǒng)，芯片所需要的片選信號(hào)多余可利用的地址線時(shí)，就需要用這種方法。
（2）線選法；線選法就是用剩余的高位地址線（P2口）作片選信號(hào)，只要該地址線為低電平，就選種該芯片。這種方法常用于規(guī)模較小的系統(tǒng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要譯碼器，可節(jié)省硬件，減少成本。缺點(diǎn)是擴(kuò)展芯片數(shù)目受到限制，地址空間不連續(xù)，地址空間沒充分利用。
4.4 4.4 8031應(yīng)用系統(tǒng)中I/O口擴(kuò)展
MCS-51單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但這些口并不能完全提供給用戶使用。只有對(duì)于片內(nèi)有ROM/RAM的單片機(jī)，才可以使用這個(gè)I/O口。大多數(shù)使用8031需要擴(kuò)展時(shí)，MCS-51單片機(jī)可提供給用戶的I/O口只有P1和P3口線。因此，在使用MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都必須要進(jìn)行I/O擴(kuò)展。
4.4.1 I/O口擴(kuò)展性能
（1） 在MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)中，擴(kuò)展的/度克度微 采取與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相同的尋址方法。
（2） 利用MCS-51串行口的移位工作計(jì)存器工作方式，也可以擴(kuò)展I/O口，這時(shí)擴(kuò)展的I/O口不占用外部RAM地址。
（3） MCS-51單片機(jī)的I/O口主要是通過總線（P0）擴(kuò)展。
（4） 擴(kuò)展I/O口的硬件相依性。
（5） 擴(kuò)展I/O口的軟件相依性。
4.4.2 I/O口擴(kuò)展方法
（1） 總線擴(kuò)展法。
（2） 串行口擴(kuò)展法。
（3） 通過單片機(jī)內(nèi)I/O口的擴(kuò)展法。
4.4.3 I/O口擴(kuò)展用芯片
I/O口用芯片主要有通用I/O芯片和TTL、CMOS鎖存器、緩沖器電路芯片兩大類。通用I/O芯片主要有8155、8255、8243、PIO。
4.4.4 8155 可編程并行接口
8155芯片內(nèi)具有：
（1） 256個(gè)字節(jié)RAM，存取時(shí)間為400ns，
（2） 2個(gè)8為，一個(gè)16位的可編程I/O口和1個(gè)14位計(jì)數(shù)器；
（3） 有三個(gè)通用的輸入/輸出口。其中A口和B口是8位口，C口是6位口。C口可做狀態(tài)口，這時(shí)，A口和B口能在應(yīng)答式的輸入/輸出方式下工作
（4） 內(nèi)部有地址鎖存器及多路轉(zhuǎn)換的地址和數(shù)據(jù)總線；
（5） 單一+5V電源，40腳雙列直插式封裝。
8155的結(jié)構(gòu)及引腳如圖4-6所示。
圖4-6 8155的結(jié)構(gòu)及引腳
8155的RAM和I/O地址編碼
表4-2 8155口地址分布
AD7~AD0 選中寄存器
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
X X X X X 0 0 0 命令/狀態(tài)寄存器
X X X X X 0 0 1 PA口
X X X X X 0 1 0 PB口
X X X X X 0 1 1 PC口
X X X X X 1 0 0 定時(shí)/計(jì)數(shù)器低8位
X X X X X 1 0 1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器高8位
8155的工作方式與基本操作：
（1） 作片外256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
（2） 作擴(kuò)展I/O口使用
（3） 作定時(shí)器擴(kuò)展用
4.5鍵盤輸入與LED顯示
4.5.1 行列式鍵盤
行列式鍵盤由稱矩陣式鍵盤。用I/O線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。其工作原理如圖4-7所示。
圖4-7 鍵盤工作原理
鍵盤工作方式
編程掃描工作方式 編程掃描工作方式是利用CPU在完成其余工作的時(shí)候，調(diào)用鍵盤掃描子程序，來響應(yīng)鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時(shí)，CPU不再響應(yīng)鍵輸入要求。
定時(shí)掃描工作