单轴直线伺服移动机构 毕业论文.doc
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1、 I 摘 要 本论文是机电一体化技术课程的拓展学习和设计,内容涉及单片机知识,旨在让自 己熟练掌握机电一体化系统设计过程和方法,包括参数的选择,传动的设计,零件的计 算,结构的计算,培养系统分析及设计的能力。综合应用过去所学的理论知识,提高联 系实际和综合分析的能力,进一步巩固,加深和拓宽所学的知识。训练和提高设计的基 本技能,如计算,绘图,运用设计资料,标准和规范,编写技术文件(说明书)等。机 电一体化技术是微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术相结合的综合性高新技 术,是机械技术与微电子技术的有机结合。伺服驱动是本设计的核心,伺服驱动技术作 为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关
2、键技术之一,在国内外普遍受到关注。 在 20 世纪最后 10 年间,微处理器(特别是数字信号处理器DSP)技术、电力电子技术、 网络技术、控制技术的发展为伺服驱动技术的进一步发展奠定了良好的基础。 本设计的主要内容包括两大部分。第一部分是机械系统的设计,包括步进电机的选 择,计算和验算。其中有脉冲当量的确定,空载转矩的计算,各传动部件等效转动惯量, 等效转矩的折算。包括滚珠丝杠的选择,计算和验算和滚动直线导轨的选择,计算和验 算。设计中采用步进电机直接驱动滚珠丝杠来实现工作台的水平移动,所选的滚动直线 导轨具有摩擦系数小(0.00250.005),动、静摩擦力相差甚微,运动轻便灵活,所需功率
3、小,摩擦发热小,磨损小,精度保持性好,低速运动平稳,移动精度和定位精度都较高 的优点。以上所选均能满足设计要求。控制部分是采用 MCS51 系列单片机来完成此控制 系统的设计,完成控制系统原理图和主要程序的设计清单。 单轴伺服移动机构是机电一体化技术一个重要组成部分,它充分利用了单片机的软 硬件功能以实现对机构的控制,使机构的加工范围扩大,加工精度得到了提高。 关键词关键词 机电一体化,伺服驱动,单轴直线运动 II AbstractAbstract In this paper, is the integration of mechanical and electrical technology
4、 curriculum development learning and design, content involves the SCM knowledge, aiming to make himself master of mechatronics system design process and methods, including the choice of parameters, transmission parts design, calculation, structure calculation, the culture system analysis and design
5、ability. Comprehensive application of the past to learn the theoretical knowledge, improve with practice and comprehensive analysis ability, consolidate further, deepen and broaden the knowledge. The training and improvement of the design of basic skills, such as calculation, drawing, using the desi
6、gn data, standards and norms, writing technical documents ( specifications ). Mechatronics is the microelectronics technology, computer technology, information technology and mechanical technology of combining a comprehensive high and new technology, mechanical technology and microelectronics techno
7、logy organic union. The servo drive is the core of this design, servo drive technology for CNC machine tools, industrial robots and other machinery industry one of the key technology, in the domestic and foreign general concern. In twentieth Century the last10 years, the microprocessor ( especially
8、digital signal processor - DSP ) technology, power electronics technology, network technology, control technology for the development of servo drive technology s further development has laid a good foundation. The main contents of this design includes two parts. The first part is the design of mecha
9、nical systems, including the stepper motor selection, calculation and checking. Including pulse equivalent determination, load torque calculation, the transmission part of the equivalent moment of inertia, equivalent torque conversion. Including the choice of ball screw, linear rolling guide and the
10、 checking calculation and selection, calculation and checking. Design of stepping motor is used for direct driving ball screw to realize work table of horizontal movement, the selected rolling linear guide rail has the advantages of small friction coefficient (0.00250.005), dynamic, static friction
11、force is very little difference between movement, portable and flexible, the required power of small, friction and heating of small, small abrasion, good precision, low speed motion stability, moving accuracy and the positioning accuracy is high. The above selected can meet the design requirements.
12、The control part adopts MCS51Series MCU to complete the design of control system, to complete the principle diagram of control system and main program design list. Key Words Mechanical and electrical integration,Servo drive,Single axis linear motion III 目目 录录 中文摘要.I Abstract.II 1 引言. 1 1.1 课题研究背景.1
13、1.2 课题研究意义. 1 1.3 伺服驱动现状及发展趋势.2 1.3.1 国外现状及发展趋势2 1.3.2 国内现状及发展趋势3 2 单轴直线伺服移动机构单轴整体方案设计.5 2.1 整体设计方案分析.5 2.1.1 机械方案分析5 2.1.1 控制方案分析6 2.2 机构的整体结构设计.7 2.3 主要设计参数及其依据.7 3 单轴直线伺服移动机构机械系统设计.8 3.1 滚珠丝杠的选择、计算及验算.8 3.1.1 确定滚珠丝杆副导程 Ph.8 3.1.2 滚珠丝杆副的载荷及转速计算8 3.1.3 滚珠丝杆的校核10 3.1.4 滚珠丝杆副的极限转速的校核10 3.1.5 Dn 值的验证1
14、1 3.1.6 基本轴向额定静载荷的验算11 3.1.7 轴承选择11 3.2 步进电机的选择、计算及验算.14 3.3 滚动直线导轨的选择、计算及验算.16 4 单轴直线伺服移动机构控制系统设计. 19 4.1 单片机简介.19 4.1.1 单片机的发展历史及趋势.19 4.1.2 单片机的优点.19 4.1.3 单片机的应用及发展方向.20 4.2 控制系统设计. 20 4.2.1 主控制器 CPU 的选择.21 4.2.2 存储器扩展电路设计.21 4.2.3 步进电机驱动电路设计.22 IV 4.2.4 其他辅助电路设计.22 结论 .25 致谢.26 参考文献.27 附录. A1.1
15、 (小四字). A1.2 (小四字). - 1 - 1 1 引引 言言 1.1课题研究背景 伺服驱动技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术之一,在 国内外普遍受到关注。在 20 世纪最后 10 年间,微处理器(特别是数字信号处理器 DSP)技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展为伺服驱动技术的进一步发展奠 定了良好的基础。如果说 20 世纪 80 年代是交流伺服驱动技术取代直流伺服驱动技术的 话,那么,20 世纪 90 年代则是伺服驱动系统实现全数字化、智能化、网络化的 10 年。 这一点在一些工业发达国家尤为明显。 发展我国伺服驱动产业的探讨作为数控机床的重要功能部件
16、,伺服驱动装置的特性 一直是影响数控机床加工性能的重要指标。围绕伺服驱动装置的动态特性与静态特性的 提高,近年来国内外发展了多种伺服驱动技术。可以预见,随着高速切削、超精密加工、 网络制造等先进技术的发展,具有网络接口的全数字交流伺服驱动系统、直线伺服系统 及高速电主轴等成为机床行业的关注热点,并成为伺服驱动系统的发展方向。 1.21.2课题研究意义课题研究意义 (1)掌握机电一体化系统设计过程和方法,包括参数的选择,传动的设计,零件的计算, 结构的计算,培养系统分析及设计的能力。 (2)综合应用过去所学的理论知识,提高联系实际和综合分析的能力,进一步巩固,加 深和拓宽所学的知识。 (3)训练
17、和提高设计的基本技能,如计算,绘图,运用设计资料,标准和规范,编写技 术文件(说明书)等。 (4)通过机械部分设计,掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型 和结构设计方法和步骤; (5)通过测试及控制系统方案设计,掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原 理,和软件编程思想; (6)通过毕业设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力,促进学生在科学 态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。 - 2 - 1.31.3伺服驱动的现状与发展伺服驱动的现状与发展趋势趋势 1.3.1 国国外外现现状状及及发发展展趋趋势势 无人化、规模化生产对加工设备提出了高速度、高精度、
18、高效率的要求,交流 伺服系统具有高响应、免维护 (无碳刷、换向器等磨损元部件 )、高可靠性等特点,正 好适应了这一需求。例如,日本 FANUC 公司、三菱电机公司、安川电机公司、德国 Siemens 公司、AEG 公司、力士乐 Indramat 公司、美国 A.B 公司、GE 公司等均先 后在 1984 年前后将交流伺服系统付诸实用。国内的交流伺服驱动技术起步较晚,到20 世纪 80 年代末才有产品问世。如冶金部自动化研究院华腾公司的ACS 系列、扬州 5308 厂引进 Siemens 公司的 610 系列,这些产品采用大功率晶体管模块 (GTR),属 于模拟伺服,但从技术上填补了国内空白。
19、进入 20 世纪 s“年代,微电子制造工艺的日臻完善,使得DSP 运算速度呈几何 数上升,达到了伺服环路高速实时控制的要求,一些运动控制芯片制造商还将电机控 制所必需的外围电路 (如 A/D 转换器、位置 /速度检测倍频计数器、 PWM 发生器等) 与 DSP 内核集成于一体,使得伺服控制回路采样时间达到100s 以内,由单 一芯片实现自动加、减速控制,电子齿轮同步控制,位置、速度、电流三环的数字化 补偿控制。一些新的控制算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以 实现。另一方面,电力电子技术的发展,使得伺服系统主电路功率元件的开关频率由 25kHz 提升到 1520kHz,IGBT
20、(绝缘栅门双极性晶体管 )及 IPM(智能型功率模块 ) 均是这一时代的产物,从而提高了系统的平稳性,降低了系统的噪音。以上两个方面 不仅是交流伺服实现数字化的基础,而且使得交流伺服趋于小型化。目前一些工业发 达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的 CNC 系统相配套,如日本 FANUC 公司、三菱电机公司、安川电机公司、松下公司、 山洋电机公司、德国 Siemens 公司、力士乐 Indramat 公司、Lenze 公司、美国 A.B 公司、Kollmorgen 公司、Relliance 公司、Baldor 公司、PacificScientific 公司等
21、。 全数字交流伺服技术的飞速发展,使得用户根据负载状况(如惯量、间隙、摩擦 力等)调整参数更为方便,也省去了一些模拟回路所产生的漂移等不稳定因素,但在发 展初期,伺服接口缺乏统一标准,各个厂家均设计自己的接口电路,相互之间无可互 换性,用户适配较为麻烦。在网络技术及PC-basedCNC 技术快速发展的情况下,这 一问题尤为突出。 在 1987 年,由德国机床协会和德国电力电子协会联合提出数字驱动接口国际标准, 即 SERCOS(SerialReal-timeCommunicationSystem 串行实时通信系统 )接口作为高性能 运动控制系统闭环数据串行实时通信接口,这两个协会将电机、驱动
22、系统、CNC 系 统的主要制造商组成一个联合工作组。最初加入SERCOS 工作组的公司有 AEC、ABB、AMK、Banmuller、Bosch、Indramat、Siemens、PacificScientific 等几 家公司。到了 1994 年,SERCOS 成为控制器与数字伺服驱动系统接口的国际标准并 - 3 - 作为 IEC61491 标准获得通过,因此具有开放性,迄今成员已增加到70 多个公司。 与此同时,开发了相应的 ASIC 芯片、SERCON816,传输速度为 2/4/8/16Mbit/s,SERCOS 与其它串行现场总线相比,有效数据传输率高,例如 Ethement 以 10
23、0Mbit/s 速度传输数据时,有效数据传输率为510Mbit/s;SERCOS 以 16Mbit/s 速度传输数据时,有效数据传输率为 11Mbit/s。CAN(controllerAreaNetwork)用于运动控制时,必须提供额外的存储缓冲器 及信号管理资源,其成本大约是 SERCOS 接口的 2 倍,另一个特点是它的光纤噪声 抑制能力强、传输可靠性高。虽然SERCOS 接口初终是为 CNC 与数字伺服接口而开 发,迄今已被广泛应用于通用运动控制器与数字伺服之间的接口。目前已能满足在 2ms 内,使一台控制器与多达 32 个伺服系统实现数据通信。 SERCOS 为数字伺服网 络化铺就了一
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