工作台直流伺服系统控制部分(一)

工作台直流伺服系统控制部分(一)

目 录

毕业任务书 1
摘 要 5
ABSTRACT 6
前 言 7
第一章 工作台的机械设计部分 9
1.1选择滚珠丝杠副 9
1.1.1 滚珠丝杠副传动机构的工作原理 9
1.1.2 滚珠丝杠副的特点 9
1.1.3 滚珠丝杠副的安装 10
1.1.4 根据已知条件设计滚珠丝杠副 11
1.2 选择减速器 14
1.3　伺服电机的选择 14
1.3.1 执行元件的特点 14
1.3.2  直流伺服电机 14
1.4　联轴器的设计 16
⒈4.1 联轴器的特点 16
1.4.2减速器与电机间的联轴器的设计 16
1.4.3  减速器与丝杠间的联轴器设计 17
1.5  滚动轴承的设计 17
1.6 导轨的设计 18
1.6.1  导轨的特点 18
1.6.2 导轨的基本要求 18
1.6.3 根据要求设计导轨 19
1.7  机床工作台即总体结构设计 20

第二章  工作台的控制设计部分 21
2.1  闭环控制的伺服系统设计 21
2.1.1 关于伺服系统 21
2.1.2 闭环伺服系统的设计 23
2.2  调速系统的设计——闭环脉宽直流调速 24
2.3  检测系统的设计——光栅 29
2.3.1  数字信号检测系统组成 29
2.3.2  多路信号采集细分 29
2.3.3　检测信号的采集与预处理 32
第三章  接口设计 34
3.1  接口的功能与分类 34
3.2 信息采集接口 35
3.2.1  ADC0809的结构 35
3.2.2  ADC0809的接口设计 37
3.3  控制输出接口 38
3.3.1  DAC0832结构 39
3.3.2  D/A输出接口电路设计 40
第四章 结 论 41
结 束 语 42
致 谢 43
参考文献 43
附 录 44
附录1： ADC0809的程序设计 44
附录2：8031的执行程序 44

摘 要
   
 设计的目的是设计一个工作台的控制部分。要求是切削力是15千克，工作台的重量是10千克，伺服系统的执行元件为直流伺服电机，伺服系统为闭环伺服系统，单坐标，脉宽调速，工作台的行程为300毫米，工作台传动精度为±0.03毫米,检测元件为光栅，其每个计数脉冲代表的位移量是0.005毫米。
 本设计包括两大部份，第一部分为工作台的机械设计。根据给定的工作台的切削力、传动精度、行程等确定丝杠为滚珠丝杠副FC1-2004-2.5,由丝杠的尺寸及转矩，选择减速器为XB1-50型的谐波减速器，本根据谐波减速器的输入力矩尺寸及减速比，选择伺服电机为直流伺服电机110SZ07，其转速为10000rpm，然后设计元器件间的联轴器，包括减速器与电机轴间的半圆键套筒联轴器、减速器与丝杠间的平键套筒联轴器，设计轴承，导轨为HJG-D25的滚动导轨，及工作台的总体结构。
 第二部分为工作台的控制部分。伺服系统为闭环直流伺服系统，调速系统为闭环脉宽调速系统，检测系统为矩形光栅，最后设计接口设计，接口设计主要是机电接口的设计。
 
关键词：单坐标，直流伺服电机，脉宽调速，闭环，矩形光栅

ABSTRACT

 In this paper, a part of controlling of plates is designing. The cutting force demanded is 15 kg. The weight of the plates is 10 kg. The appliance of servo system which is closed loop servo system is direct current servo electromotor. The servo system whose velocity is modulated by the width of pulse(PWM) is single coordinate. The unilateral maximum length of excursion of plates is 300 mm. The transmission precision of plates is ±0.03 mm. The inspect appliance is rectangular raster, whose each pulse taken count of represents 0.05mm placement
 In the first part, in the basis of the cutting force , the transmission precision , the excursion and so on which are demanded , we can confirm the thread bar whose type is ball bearing thread bar FC1-2004-2.5 . Then basing the selective thread bar, we can select the speed reducer whose model is XB1-50 . Basing the selective harmonies waves speed reducer ,we can confirm the servo electromotor whose type is 110SZ07 . Then we can design the spindles of every component ,which conclude the spindle of between the speed reducer and electromotor axis, which is a round bond sleeve spindle and the spindle between the speed reducer and the thread bar, which is flat bond sleeve spindle , the bearing , the track whose type is roll track HJG-D25, and the collective structure of the plate.
 In the second part, first, we can design the servo system, which is closed loop direct current servo system. Second, we can design the speed modulated system, that is PWM. Third , we can design the inspect system ,which is rectangular raster system. In the last, we need design the interfaces of each components, in which the mechatrony interfaces are more important.

KEYWORDS: single coordinate, direct current servo electromotor, PWM, closed-loop, rectangular raster

前 言
本论文的目的在于学会使用《机械设计手册》等重要参考资料，以便于将来工作时能够驾轻就熟。论文的侧重点在于机电一体化的设计。既要设计工作台的机械部分，如丝杠、轴承、导轨等，又要设计工作台的控制部分，如调速系统、检测系统、伺服系统。其中又以控制部分为主要设计目标。
 随着生产和技术的发展，在以机械、电子技术为主的多门技术相互渗透相互结合过程中逐渐形成和发展起来一门新的边缘技术——机电一体化技术。机电一体化技术是建立在机械技术、微电子技术、计算机技术和信息处理技术、自动控制技术、传感与测试技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总体技术等现代高新技术群体基础上的一种高新技术。机电一体化的目的是使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，同时又能省材料、省能源，并使产品向轻、薄、细、小、巧的方向发展，以不断满足人们生活的多样化要求和生产的省力化、自动化需求。机电一体化产品是具有搞技术含量的产品，其技术附加值随机电结合程度的加深而提高。机电一体化产品一般都需具备五种内部功能，即主功能、动力功能、计测功能、控制功能和构造功能。其五个基本要素示：
机械本体  本设计包括丝杠、联轴器、导轨、轴承等支持结构，属于基础部分，实现产品的构造功能。
动力源  本设计包括直流伺服电机、电源等执行元件及其驱动电路，向系统提供能量，并将输入的能量转换成需要的形式，实现动力功能。
检测与传感装置  本设计包括光栅、单片机8031、0809及其信号检测电路用于对工作台运行时的速度位移等进行检测，提供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。机电一体化要求传感器能够快速精确地获取信息并经受各种严酷环境的考验。但是由于目前检测与传感技术还不能与机电一体化的发展相适应，使得不少机电一体化产品不能达到满意的效果或无法实现设计。因此，大力开展检测与传感技术的研究对发展机电一体化具有十分重要的意义。
控制与信息处理装置  本设计包括脉宽调速系统根据产品的功能和性能要求以及传感器的反馈信息，进行处理运算和决策，对产品运行是以相应的控制，实现控制功能。这一要素目前正向着高可靠性柔性和智能化方向发展。
执行结构   包括机械传动和操作机构，在控制信息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。本工作台的执行结构在此将不再涉及。
   机电一体化对机械系统的基本要求是高精度、快速反应、良好的稳定性。其机械系统应包括三大部分：传动机构（本设计是滚珠丝杠副）导向机构（本设计是导轨）执行机构（在此不涉及）。对检测系统的基本要求是精度、灵敏度和分辨率，线性稳定性和重复性好，抗干扰能力强，静、动态特性好。
       控制系统是由控制装置、执行机构、被控对象及传感与检测装置所构成的整体。控制系统设计首要解决的问题是建立被控对象的数学模型。目前在机电一体化产品中，多数是以微型机为核心构成控制装置。控制器是控制系统中实现控制功能的核心，在微型机控制系统中，采用以控制算法及相应的控制软件为主的数字控制器来实现对整个系统的控制功能。

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