数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计机电一体化课程设计.docx

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1、机电一体化课程设计题目:数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计学生姓名业机械设计制造及其自动化班 级 2007级2班指导教师工程技术学院2010年6月一、设计任务11.1机电一体化课程设计题目11.2数控铣床工作台等相关部件的基本参数 1二、系统总体方案框图及分析说明 12.1总体方案设计12.2绘制总体方案图2三、机械系统设计计算、各部件类型选择说明及进给传动系统的示意图与说明23.1移动部件的重量估算23.2负载的分析计算23.3导轨副的分析计算，选型，效核43.4丝杠螺母副的计算，选型，效核53.5绘制进给传动系统示意图83.6直流伺服电动机的计算，选型，效核83.7减速器的选用93.8

2、验算系统的等效转动惯量10四、控制系统硬件电路设计134.1微机的选用134.2存储器的选用与扩展144.3译码电路设计174.4接口电路设计等 184.5驱动电路的设计194.6绘制控制系统原理框图18五、传感器的选择与设计说明195.1选择传感器195.2传感器与微机的接口电路22六、课程设计总结与心得体会23七、参考资料24一、设计任务1.1机电一体化课程设计题目数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计1.2数控洗床工作台等相关部件的基本参数能用键盘输入命令控制工作台的运动方向；能实时显示当前运动位置；具有越程指示报警及停止功能；能有位置检测装置，能进行调节并反馈给控制系统;工作台尺寸：7

3、00 X 800 X 50mm工作台T型槽：5X 18mm工作台最大承重：800kgXYZ 轴行程：600 X 800 X 350mm电主轴输出功率：15kw变频主轴转速：15000r/min最高位移速度：15m/min最大加工速度：8m/minXYZ轴最小分辨率(即脉冲当量)：0.001mm定位精度：0.005/300mm重复定位精度：0.005mm二、系统总体方案框图及分析说明2.1总体方案设计(1) 系统的运动方式与伺服系统为了使铣床的性能满足基本要求，选X、z轴坐标快进为15m/min,水平拖力Fx=30kN, 则要求电动机功率P=Fv= (30X15/60) kW=7.5kW，选用步

4、进电机则满足不了要求，例如， 200BF001反应式步进电机，其最大静转矩为14.7N.m，最高空载运行频率为11000 step/s， 步距角为a =0.16 /step，若取最高工作频率下的工作转矩为最大静转矩的1/4，则高速运行 工作状态下所需功率为PH=1/4X 14.7X 11000X0.16X (2 n/360) W=0.1129kW，如果选用步 进电机，则会降低快速性要求。但交流电机的控制结构较复杂，技术难度高，而且价格高， 故选择直流伺服电机。选择半闭环系统比闭环系统简单，成本低，且能满足机床精度和加工 精度基本的要求。综上所述采用直流伺服电机开环控制系统驱动XYZ工作台。(2

5、) 计算机控制系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成 度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电耦合电路、步进电机、电磁铁功率 放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控铣床工 作台的状态。(3) XYZ工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用精密滚珠丝杠螺母传动副。 为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用精密直线 滚动导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦

6、系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑直流电机和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。2.2绘制总体方案图开环控制系统框图图1为本开环控制数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计的总体方案图。这种标准 的微机数控系统通常采用单板机、单片机、驱动电源、步进电机及专用控制程序组成的开环 控制系统，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程是由单片机或者单板机，按照输入的 加工程序进行查补运算，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲、经功率放大驱动X -Y-Z三个坐标轴运动的步进电机来实现。三、机械系统设计计算、各部件类型选择说明及进给传动系统的示意图与说明3.1移动部件

7、的重量估算工作台重量估算：m = p V = 7.8 x 103 x 700 x 800 x 50 x 10-9 =218.4 kG220 kG工作台最大承载m2=800kG，总的重量估算如下：M=m1+m2=1020kGG=Mg=10200N=10.2kN。3.2负载的分析计算（机床设计手册P498）直流伺服电机的负载有外力负载、摩擦负载和惯性负载，所选直流伺服电机必须克服这 些负载才能作正常的进给驱动。这里我们以Z轴计算为主，X、Y轴的相关计算略。（1）切削负载:根据切削原理近似公式计算，有Fx= 30 kN , Fx= 0.6 Fz = Fz= F /0.6 = 5QkN ,F = 0.

8、5F = 25kN。（2）摩擦阻力：本数控铣床工作台三维运动伺服进给系统采用滚动导轨副，滚动导轨副的摩擦系数一般U =0.0030.005之间，这里我们取其中间值U =0.004,摩擦阻力如下：F=（G + F）= 0.004x（10.2+50）kN =240.8N注：这里取g=10m/s2，其他的摩擦阻力这里没有计算。（3）等效转动惯量计算：Jkeq+EjV =15m/min ；j j=1式子中y.采用最不利于机床启动时的速度，这里选用快速进给速度nk = nm （电动机）=2000r/min； m. =1020kg （全部直线运动部件的总质量）。旋转的部件暂 时没有计算考虑（因为此时不知道

9、减速器中齿轮的相关尺寸）。900r 15 Jk =X1020X = 0.0015kg.m2eq 3.1416260 X 2000）（4）滚珠丝杠摩擦阻力矩（Tsm）的计算：由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩， 但由于滚珠丝杠的传动效率很高，其摩擦阻力矩相对于其他负载力矩小得多，故一般不予考 虑。（5）等效负载转矩Tpm :T m =-L(F + F )XV/n =ep2 兀Z fmN .m1X(50 X103 + 240.8)X 15/2000 2 x 3.1416=59.9705N.m（6）启动惯性阻力矩（T ）的计算：这里以最不利于启动的快进速度进

10、行计算，设启动加速（或制动减速）时间为Z = 0.3s（一般在0.31s之间选取），由于电动机转速：=2兀n /60 = 2 x 3.1416 x 2000 / 60s-1 = 209.4395s-1取加（减）速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为：e = % =（209.4395 / 0.3）s - 2 = 698.1317s - 2则：t = J槌 =0.0015x 698.1317N.m = 1.0472N.m直流伺服电机输出轴上总负载转矩。:T = Tm + T =(59.9705+1.0472)N .m = 61.0177N.m3.3导轨副的分析计算，选型，效核(机床设计手册P1

11、109、P1118)执行机构是伺服系统中的被控对象，是进行实际操作的机构，执行机构中一般含有导向 机构，执行机构方案的选择主要是指导向机构的选择，即导轨的选择：这里我们选择直线滚 动导轨。它的主要特点是：承载能力大，刚度高。直线滚动导轨副中，滚珠与圆弧沟槽相接触， 因为许用载荷和刚度与点接触相比有较大幅度的提高。采用直线滚动导轨副可以简化设 计、制造和装配工作。导轨副的安装基面精度和质量要求不高，只要求精铣或精刨。本系统中工作台负载G=Mg=10200N=10.2kN，FZ=50kN，有效行程LZ=350mm，每分钟 往复次数为N=4，移动速度VW15m/min，运动条件为：常温，平稳无冲击和

12、振动。(1)直线运动导轨上负荷的计算：(P1106P1118)计算条件：水平安装，卧式导轨，滑块座移动，工作台质量均匀分布，垂心在中间，外 力F的作用点偏离中心，不与中心重合。计算负荷如下：p =些+50600 -400 350 -250、144、2x1000 * 2x600 /x 4 = 14.3167 kNp =蛭+50+600 - 400 350 - 250、244I 2x10002x600 )x 4 = 15.1167kNP =些 + 亚600 - 400 350 一 250 344I 2 x10002 x 600 )x 4 = 14.9833kN10.2 50 ( 600 - 400

13、 350 - 250、2 x1000 * 2 x 600 )x 4 = 15.7833kN在这里，我们选取最大值P4=15.7833kN代入计算。(2) 额定寿命计算：在这里我们选用使用钢珠的直线滚动导轨，其额定寿命计算公式如下:ffffc，H T C xl fwPJ式中L：额定寿命km；C：基本额定动负荷，kN；K：额定寿命单位，滚珠时，K=50km，滚珠时，K=100km。PC:计算负荷，kN；fH：硬度系数，取fH=1;fT:温度系数；fC:接触系数，fW：载荷系数。这里我们先试选型号为GGB65AA2L2X350XD直线滚动导轨副。查表得：这种导轨的额定动、静载荷分别为C=115kN，

14、Ca=163kN，fH =1，fT =1，fC =0.66, fW =1.2。计算得Pc=15.7833kN。代入公式有：(1x1x 0.661.2x工15.7833 )x 50 = 3217.8km其中寿命时间的计算公式为:TL x1038.3LL h 2 x L n x 60 L na ca c注：Lh一寿命时间，h,L一额定寿命，kM,La 行程长度，m,Nc一每分钟往复次数。根据上述数据计算有:3217.8 x103=2x0.35x4x60机19717h，按照每年工作日为300天， 二班工作制，每班8h，开机率为80%，则预计寿命年限为：L =一19717一 = 5.1346 年 h

15、300 x16 x 0.8故选用型号为GGB65AA2L12 X 350 XD直线滚动导轨副能满足要求。(3) 滚动导轨预紧及调整：当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变 形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置I时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平； 当导轨移动到位置II或III时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜a角，由 此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性 变形，会使工作台下凹(有时还可能出现波浪形)，影响导轨的精度。(4) 结构形式如下：1,导勒2.滑艰3,返向器4.函封端盖5.洼滴杆3.

16、4丝杠螺母副的计算，选型，效核(机床设计手册P730P753)假设工作时候平均载荷Fm=5000N；丝杠的使用寿命Lh =20000h；丝杠的工作长度 L=0.35m；丝杠的转速n=600r/min，丝杠材料为CrWMn钢，滚道硬度为5862HRC，传动 精度要求。=0.03mm。(1) 求出计算载荷F : C计算公式为：F = KpKHKFm式中：七一载荷系数，气一硬度系数，% 一精度系数，Fm 一工作载荷，这些都是按照相关的标准查取。计算载荷为如下，F = KKKF = 1.2 x1.0 x 1.0 x 5000 = 6000N(2) 根据寿命计算出额定动载荷:mA = 6000C* 1.

17、67 x 104600 x20000 =53741N1.67 x 104(3) 查滚珠丝杠副系列中的额定动载荷C.,使匕 匕，初选几个规格(或型号)，列出其主要参数如下表所示:规格型号D0公称导程P丝杠外径d钢球直径d0丝杠内径d1循环圈数动载荷Ca(kN)FFZD63106310617.14455458FFZD80108010787.14472465FFZD63126312917.14455459FFZD80128012787.14472465注：FFZD型为内循环浮动反相器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副。 最后考虑各种因素，选丝杠型号为FFZD6310，其中：公称直径：D0=63mm导程：p=1

18、0mm螺旋角：入=arctan(10/(63n)=2 54钢球滚珠直径：d0=7.144mm丝杠内径：d1=55mm(4) 稳定性验算：由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数 S,其值应大于许用安全系数S。丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷F :crFcr兀2 EI式中：E一丝杠的弹性模量，对钢来说E=206GPaI.一丝杠危险截面的轴惯性矩，I =性=Kx 0.0554 = 4.4918 x 10-7 m4a 6464u一长度系数，双推-简支时，口 =2/3Fcr兀 2 X 206 X109X 4.4918 x 10-7(2/3 x 0.35=1.67

19、74 x 107 No F1.6774 x107 c 八安全系数 S = -cr = 3354.8 S= 2.53.3F 5000故丝杠是安全的，不会失稳。支承方式有关系数双推一自由FO双推一简支FS双推一双推FFS342.53.3U22/3fc1.8753.9274.730临界转速气验证高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠最高转速皿密 nma =10000。(5) 刚度验算：滚珠丝杠在工作负载F (N)和转矩T (N.m)共同作用下引起每个导程的变形量AL (m)0为：土 EA 士 2c式中：A丝杠的截面积，A = 4d(m2)J 一丝杠的极惯性矩，J =二d 4 (m2)

20、 cc 32 1G一丝杠切变模量，对于钢G=83.3GPa；T一转矩(N.m)T = F D0tan(X + p) = 5000x 63 x10-3 tan(254+84 0) r 8.3766(N.m) m 22按最不利的情况，即取F=Fm，则:AL0 = EA * 品c(4 x10 x10-3 x 500016x (10x10-3)2 x8.3766 )+3.14x 206x109 x0.0552 3.142 x83.3x109 x0.0554)r 10.394um4 pF 16 p 2T -r+-r(P为基本导程) 兀 Ed 2 兀 2Gd 4通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/

21、2,即:=上 x 0.03mm = 15um2故该滚珠丝杠刚度满足要求。（6）效率验算：tan人tan(2 54)= 0.9492滚珠丝杠副的传动效率为：门=tan(人+ p)tan(254 + 840)通常要求在90%95%之间，所以该丝杠副能满足使用要求。最后，经上述计算验证，FFZD6310各项性能指标均符合题目要求，可选用。3.5绘制进给传动系统示意图电动机JJ1-41-1i2JJ2_3电动机传动原理图双推一一简支式进给传动系统示意图3.6直流伺服电动机的计算，选型，效核（机床设计手册P1323）本系统设计中，由于在前面的总体设计中已经说明了步进电机不能满足其性能要求，故 选择直流伺服

22、电机，并且是在半闭环控制系统中使用。宽调速直流伺服电机应根据负载条件来选择。加在电动机轴上的负载有两种，即负载转 矩和负载转动惯量。当选用电动机的时，必须正确的计算负载，即必须确认电动机能满足下 列条件：在整个调速范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内；工作负载 与过载时间应在规定的范围内；应使加速度与希望的时间常数一致。一般讲，由于负载转 矩起减速作用，如果可能，加减速应选取相同的时间常数。我们在这里首先初选大惯量系列（H系列）型号为60H的直流伺服发电机。其性能参 数如下：输出功率15kW，额定转矩98N.m，最大转矩为784 N.m，最高转速为2000r/min, 转子转动惯量

23、0.0027kg.m2，机械时间常数12ms，热时间常数120min，重量为160kg。(1)过热验算：当负载转矩为变量时，应用等效法求其等效转矩：T = T =叩1+气2 +eqdx t + t +.由前述计算直流伺服电机输出轴上总负载转矩T = 61.0177 N .mz式中：t1，2 一时间间隔，在此时间间隔内的负载转矩分别为、T。 所选电动机过热的条件为JT T| P PN dx式中：一电动机的额定转矩，N.m；p一电动机的额定功率，W；P 一由等效转矩T换算的电动机功率，W，P =G n )/9.55。其中n为电动机 dxeqdx eq NN的额定转速r /min。由本题可知：T =

24、 T = 61.0177N.m T = 98N.mp =(61.0177x2000)/9.55 = 1.2779x104 p =15kW(2)过载验算：即应使瞬时最大负载转矩T与电动机的额定转矩T的比值不大于某一系数，即：Z maxNT 八Z max k T mN式中：七一电动机过载系数，取km = 2.2。由题知：61.0177 = 0.6226 k = 2.2 98m故该电动机有较好的过载保护能力。3.7减速器的选用直流伺服电机与丝杠螺母间的运动传递可能有多种形式，我们这里选择通过减速器传动 丝杠。从上述的分析可知电动机的转速n = 2000r/min，机床丝杠转速n = 600r/min

25、知，m传动比i = m = =3.3333。n 600根据传动级数选择曲线，将其分为两节传动。又根据传动比分配曲线我们这里选择=1.5， i2=2.22。这里，我们选取圆柱齿轮传动第一级传动参数如下:z = 20、z = 30、m = 1.5mm（模数），a= 20，= 20mm = 2cm （齿宽），d = mz = 30mm，d = mz = 45 mm，d = d + 2h = 33mm，d = d + 2h = 48.5mm ；al1a 22第二级齿轮参数:z3 = 24、z4 = 54、m = 1.5mm （模数），b2 = 20mm = 2cm （齿宽），d = mz = 36mm

26、，d = mz = 81mm，d = d + 2h = 39mm，d = d + 2h = 84mm。3344a 33a 443.8验算系统的等效转动惯量验算惯量匹配，电机轴上的总当量负载转动惯量Jd与电机轴自身的转动惯量Jm应控制在：1 J -d 14 J比值太大，系统动特性受负载变化干扰；比值太小，不经济，大马拉小车。如果验算发现Jd/Jm不满足上式要求，应返回修改原设计。通过减速传动比i和丝杠导程PH的合理搭配，使惯量匹配趋于合理。 T ,i = bF +Tm2 J+ LJm1/2若不计摩擦，即Tlf=0,则:上式表明：得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯

27、 量JL/i2正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻，此时，电动机的输出转矩一半用于加速 负载，一半用于加速电动机转子，达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。根据等效转动惯量有:eq+ j j=1齿轮的转动惯量分别为（齿轮为锻钢，并将齿轮近似看做圆柱体）:J 1 = 7.8d4b x 10-4 = 7.8 x 3.34 x 2 x 10-4 kg .cm2 = 1.85 x 10-5 kg .m2J = 7.8d4 b x 10-4 = 7.8 x 4.854 x 2 x 10-4 kg .cm2 = 8.6316 x 10-5 kg .m2 z 2a 2J 3 = 7.8d43b x 10-4 =

28、 7.8 x 3.94 x 2 x 10-4 kg .cm2 = 3.609 x 10-5 kg m2J = 7.8d4 b x 10-4 = 7.8 x 8.44 x 2 x 10-4 kg .cm2 = 7.7668 x 10-4 kg.m2 z4a4丝杠的转动惯量近似为:J = 7.8 x 6.34 x 35 x 10-4 kg .cm2 = 0.0043kg .m2电动机的转动惯量为：Jm = 0.0027kg.m2 则等效负载转动惯量为：900兀2x1020x/_15_ t 60 x 2000)+1.85 x10-5 x(2000丫 2000)(2000 + 8.6316x10-5

29、x 1.5 x 2000 )+3.609 x10-5 x(- f 1.5 x 2000 )r*，。 5(2000)2+ 7.7668 x 10-4 x 3.33 x 2000)+ 0.0043 x(顼0123.33 x 2000)Jd = 0.002kg m 2故1 J = 0.002 = 0.7407 1,所以惯性匹配比较符合要求。，J、。4 J 0.0027四、控制系统硬件电路设计4.1微机的选用由于MCS-51单片机具有较高性价比，因此用8031作为系统控制器，采用8155和2764、 6264芯片作为I/O和存储器扩展芯片。2764用作程序存储器，存放监控程序；6264用来扩 展803

30、1的RAM存储器，存放调试和运行的加工程序；8155用作键盘和LED显示器接口； 键盘主要是输入工作台方向，有+x、-x、+y、-y四个方向；LED显示器显示当前工作台坐 标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他的辅助电路有复位电路、时钟 电路、越位报警指示电路。1）限位报警显示电路为限制工作台在规定的范围内运动，在x、y、z向导轨的四个边界处设有限位开关，每 一边界有一限位开关。当工作台碰撞到限位开关时，通过电路向单片机发出一个中断请求信 号INT0，单片机接收到信号后快速响应，接通报警显示电路，红灯报警，同时控制电机停 止运转。其8031控制限位开关原理图如下所示：2）键盘显

31、示电路系统显示接口用8155扩展口控制5位8段LED数码显示块实现动态显示，系统键盘用 8155扩展口组成了 4X8行列式键盘。能实时显示工作台的当前运动位置，共5位，其中整 数部分3位，小数部分2位。V V 12/ 13/ 20/ 215. 1KX4- I-D+5V2fi/ 29/8155扩展I/O 口组成的行列式键盘4.2存储器的选用与扩展（1）程序存储器的扩展：8031最小应用系统（程序存储器的扩展）8031是片内无程序存储器的单片机芯片，因此，其最小应用系统应在片外扩展存放程序的ROM。下图为用8031外接程序存储器构成的最小系统。地址 锁存器.-.0-A I虹K程序存储器的作用：存放

32、程序代码或常数表格；扩展时所用芯片：一般用只读型存储器芯片（可以是EPROM、E2PROM、FLASH芯 片等）；扩展电路连接：三总线的连接；存储器地址分析：分析存储器在存储空间中占据的地址范围，实际上就是根据连接情况 确定其最低地址和最高地址。DO-D7OE/VppRESETALEPS BN以制31 P：Pl引打Pw+5V-JVOI I33 H2764芯片扩展电路连接图8031 P2.4P2.0P0.7P0.02764 A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0地址值单元0000000000000（0000H）00000000000001（0001H）100000000000

33、10（0002H）20000000000011（0003H）30000000000100（0003H）41111111111111（1FFFH）8K-1可见，当单片机输出地址0000H-1FFFH时（无关位都取“0”），选中2764的08K-1号单元，即按照上面电路扩展的8K存储器的基本地址范围是0000H-1FFFH （共8K字节）。（2）数据存储器的扩展：数据存储器的作用：存放数据，可改写；扩展时所用芯片：一般用静态读写型存储器芯片SRAM；扩展电路连接：三总线的连接；存储器地址分析：分析存储器在存储空间中占据的地址范围，实际上就是根据连接情况确定 其最低地址和最高地址。扩展时所用芯片：6

34、1162K SRAMA7YceA6A8A5A9AJWEA3_OEA2ALOAl_6116*. I.A0IJ rD0_:1D2_GND扩展电路连接图如下所示_u 1 22 2 2 pp PSL 34 7T 3 6 口nlnln以以-BIET1 J 3 In J 17 ptp(RNNRRR 都一msinpAS侦ale1印 61160Jaoj挡CEOE W存储器地址分析：分析存储器在存储空间中占据的地址范围，实际上就是根据连接情况确定其最低地址和最高地址。8031 P2.7P2.2P2.1P2.0 P0.7P0.0选中单元（6116 CEA10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0）0 X X X

35、X00000000000 （0000H）00 X X XX00000000001 （0001H）10 X X XX00000000010 （0002H）20 X X XX00000000011（0003H）30 X X XX00000000100（0004H）40 X X XX1111111111l（07FFH）2K-1可见，当单片机输出地址0000H-07FFH时（假设无关位都取0），选中6116的02K-1号单元，即按照上面电路扩展的2K存储器的基本地址范围是0000H-07FFH （共2K字节）。扩展6264数据存储器的电路4.3译码电路设计译码法：当扩展芯片需要的片选信号要比可提供的地

36、址线多时，就无法使用片选法来扩 展外围芯片了。这时，常常采用译码法来进行。所谓译码法，是将低位地址线作为扩展芯片 的片内地址线（取外围芯片中最大的地址线位数），而用译码电路对可利用的高位地址线进 行译码，以得到较多的片选信号。下图为地址译码法连接原理图。特点：在单片机只剩余3根高位地址线时，可外扩8片外围接口电路及芯片。既充分的利用 了存储空间，又避免了空间分散。采用译码法的外扩展器件地址分配表棉茜片信号地址融A|5AuA 13A QA nA io2AhAtA 6A.4A jAzAiAo6*Lb00DXXXXXXXXXXXXXDD-D-3H1FFFH3255GE00111111111111XX

37、3FFCH-3FFFHa 155 RAMLE0101111aXXXXXXXXDD-DiH1FFFHS150I/00101111111111XXXE.EFFHcs0I11I1I1111111TFFFH6253CE10011111111111XX9FFHHFFFFH4.4接口电路设计输入/输出接口控制对硬件电路的要求是：能可靠的传递控制信息，并能够输入有关 的运动机构的状态信息；能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入/输出信息的转换 要求，如D/A、A/D转换，并进行数字量转换成串行电脉冲、电平的转换与匹配，电量与非 电量之间的转换，弱电与强电的转换以及功率的匹配等；应具有较强的阻断干扰信号进入

38、 微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。（1）光电隔离电路设计：为了防止强电干扰以及其他干扰信号通过I/O 口控制电路进入计算机，影响其工作，通 常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与 强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。晶闸管输出型光电耦合电路图这种电路的输出部分为光控晶闸管，光控晶闸管由单向和双向两种形式，这种光电耦合 器常用在大功率的隔离驱动场合，本系统功率较大，故采用此种光电耦合电路。（2）信息转换电路：微机应用系统中的微机发出的控制信号一般要经过功率放大后，才能驱动各类执行元 件。本系统设计采用的是晶体管调制（PWM）驱动直流伺服电机半闭环

39、控制系统。微机应 用系统I/O控制回路中，还常用到D/A、A/D转换。本系统所采用的直流伺服电机控制回路 中，就增加了 D/A转换环节。输出控制时，微机每次都将运算后得到的以数字形式的控制 参数输入到数/模转换电路中进行转换，转换后的模拟电压信号仍为弱电信号，还需要经过 功率放大电路放大，然后控制电动机运行。机械系统中的位置反馈信号可以是数字量信号， 也可以是模拟量信号，视被测传感元件不同而异。若位置反馈量是模拟量，则在位置反馈回 路中应设置模/数转换装置。在位置信号进入微机前，完成模/数转换工作。直流伺服电机的控制回路4.5驱动电路的设计日本法拉克（FANUC）公司生产的直流伺服电机，其中H

40、系列属于大惯量系列，是大 惯量控制用电动机，它有较大的功率输出，本系统中采用的是型号为60H的直流伺服电机 采用晶闸管脉宽调制驱动（PWM）。晶闸管脉宽调制（PWM）直流调速驱动原理：利用大功率晶体管的开关作用，将直流 电源电压U（ c）转换成一定频率的方波电压U/施加于直流电动机电枢，通过对方波 脉冲宽度的控制ui %），改变电枢平均电压:从而使电动机的转速得到调节。PWM直流调速驱动原理图PWM系统的主回路电气原理图4.6绘制控制系统原理框图控制系统原理框图五、传感器的选择与设计说明通常选择传感器的步骤：（1）借助于传感器分类表按照被测量的性质从经典应用中可以初步确定几种可供选择的传 感器

41、类别；（2）借助于几种常用传感器比较表，按被测量的检测范围，精度要求，环境要求等确定传 感器的结构形式和传感器最后的类别；（3）借助于传感器的产品目录选择样本最后查出传感器的规格型号。5.1选择传感器本数控铣床工作台三维运动伺服进给系统采用的是直流伺服电机驱动的半闭环控制系 统，需连接传感器，半闭环系统中通过传感器检测位于目标之前的中间环节部位的运动并进 行反馈，我们这里需要检测的是速度和位置，故需要选择速度传感器和位置检测传感器。检 测的是模拟信号，在传给微机控制系统之前还需要进行A/D转换，计算机只能识别数字量 的信号，所以还需要设计一个进行模数转换的电路。速度传感器分类表类型精度线性度分辨力或灵敏度特点磁电感应式5% 10%0.02% 0.1%600mV.s/cm灵敏度高，性能 稳定，使用方便， 但是频率下限受 限制，体积较大， 重量较重电容式土 1个脉冲非接触测量，结 构简单，