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本科設計說明書（論文） 第 ３９ 頁 共 39 頁
1 緒論
1.1 機電一體化概述
1.1.1 機電一體化基本概念
機電一體化是微電子技術在向傳統(tǒng)機械工業(yè)滲透過程中逐漸形成的一個新概念，是機械和微電子兩種技術相互融合的產物，如圖1-1所示。機電一體化打破了傳統(tǒng)的機械工程、電子工程、信息工程、化學工程、建筑工程等舊模塊的劃分，形成了融機械技術、微電子技術、傳感器技術、自動控制技術、電力電子技術、接口技術及軟件編程技術等群體技術為一體的一門新興的交叉學科。
圖1-1 機電一體化技術的形成
“機電一體化”的英文是“mechatronics”,它是機械（mechanics）和電子(electronics)兩個字的合成詞，本詞在20世紀70年代中期由日本首先開始使用，現在已得到很多國家的普遍認同，并得到廣泛使用。從廣義上可以概括為“機械工程與電子工程相結合的技術，以及應用這些技術的機械電子裝置”。
“機電一體化”具有“技術”與“產品”兩方面的內容。機電一體化技術主要是指其技術原理和機電一體化系統(tǒng)得以實現、使用和發(fā)展的技術。機電一體化產品主要
是指機械系統(tǒng)和微電子系統(tǒng)的有機結合，從而賦予了新功能和性能的新一代產品。
1.1.2 機電一體化的基本組成要素
一個較完善的機電一體化系統(tǒng)由機械系統(tǒng)（機構）、電子信息處理系統(tǒng)（計算
機）、動力系統(tǒng)（動力源）、傳感檢測系統(tǒng)（傳感器）、執(zhí)行元件系統(tǒng)（如電動機）五個系統(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。
動力
執(zhí)行機構
計算機
傳感器
機械結構
圖1-2機電一體化系統(tǒng)的五大要素
（1） 機械系統(tǒng)
用于支撐和連接其他要素，并把這些要素合理地結合起來，形成一個有機整體。機械系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)必要的組成部分，沒有它，系統(tǒng)的各個部分就會支離破碎，無法構成具有特定功能的機電一體化產品或系統(tǒng)。例如，工業(yè)機器人和數控機床的本體就是機身和床身；指針式電子表的本體是表殼。
（2） 計算機信息處理和控制系統(tǒng)
機電一體化系統(tǒng)的基本特征是給“機械“添加了頭腦，根據機電一體化產品的功能和性能要求，信息處理與控制系統(tǒng)接收傳感和檢測系統(tǒng)反饋的信息，并對其進行相應的處理、運算和決策，以對系統(tǒng)的運行施以控制，實現預定的控制功能。機電一體
化產品中，信息處理與控制系統(tǒng)主要由計算機硬件和軟件以及相應的接口電路組成。硬件一般包括輸入輸出設備、顯示器、可編程控制器和數字控制。軟件一般包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。機電一體化產品要求信息處理速度快，A/D和D/A轉換及分時處理
時的輸入輸出可靠，系統(tǒng)的抗干擾能力強。
（3） 動力系統(tǒng)
按照機電一體花系統(tǒng)的控制要求，為機電一體化產品或系統(tǒng)提供能量和動力，去驅動執(zhí)行機構工作，以完成預定的功能。動力系統(tǒng)包括電、液、氣等多種動力源。
（4） 傳感檢測系統(tǒng)
機電一體化產品在運行過程中自身和外界環(huán)境的各種參數及狀態(tài)按一定精度要求轉化成測定的物理量，為機電一體化產品的運行控制提供所需要的各種信息。傳感與檢測系統(tǒng)的功能一般由傳感器或儀表來實現，對其要求是體積小、便于安裝與連接、檢測精度高、抗干擾能力強等。
（5）執(zhí)行元件
在控制信息的作用下完成要求的動作，實現產品的主功能。執(zhí)行元件一般是運動部件，常采用電液、機械、氣動等。執(zhí)行機構因機電一體化產品的類型和作業(yè)對象不同而有較大差異。執(zhí)行機構是實現產品木的功能的直接執(zhí)行者，其性能好壞決定著整個產品的性能，因而是機電一體化產品中重要的組成部分。
1.1.3 機電一體化產品的特點
與傳統(tǒng)的機械產品比較，具有以下特點：
（1） 綜合性與系統(tǒng)性
機電一體化是微電子技術、計算機技術、信息技術等群體技術與機械技術結合而成綜合技術。各種技術的綜合及多個部分的組合，使得機電一體化技術和產品更具有系統(tǒng)性、完整性和科學性。
（2） 多層次，覆蓋面廣
機電一體化技術不僅體現在一些單機產品中，而且貫穿于工程系統(tǒng)設計中。從單臺的機電一體化產品，到現代工業(yè)中的柔性制造系統(tǒng)；從簡單的單參數顯示，到復雜的多參數、多級控制；從簡單的零件自動加工生產線，到各種現代機械設備、交通工具的自動化生產線等，機電一體化技術都有其不同層次、覆蓋面很廣的應用領域。
（3） 結構簡單，操作方便
機電一體化系統(tǒng)采用了新型器件和裝置代替了笨重而復雜的機械或電子裝置。微
處理器控制裝置可以方便地完成過去靠機械傳動鏈和機構實現的關聯(lián)運動，使機械結
構簡化，體積減少，重量減輕，不僅提高了自動化程度，而且大大提高產品質量。機
電一體化技術使得操作人員擺脫了以往必須按操作規(guī)程或節(jié)拍頻率緊張地進行單調重復操作的工作方式，能方便地控制和改變生產操作程序，如數控機床、柔性制造系統(tǒng)。
（4） 精度高，功能強
機電一體化技術使機械傳動部件減少，因而使機械磨損、配合間隙和受力變形等所引起的動作誤差大大減少。由于采用了電子技術，反饋控制技術水平的提高，能進行高速處理，通過電子自動控制系統(tǒng)自動診斷、校正、補償、從而達到工作要求。
（5） 高可靠性、高穩(wěn)定性和高使用壽命
傳統(tǒng)機械裝置的運動一般都伴隨著磨損及運動部件配合間隙所引起的動作誤差、同時發(fā)出噪聲、振動等，影響裝置的壽命、穩(wěn)定性和可靠性。而機電一體化技術的應用，使裝置的運動部件減少，磨損也大為減少，例如集成化接近開關甚至無機械磨損。因此裝置壽命提高，故障率降低，從而提高了產品的可靠性和穩(wěn)定性。
1.1.4 機電一體化技術的發(fā)展趨勢
隨著社會生產和科學技術的發(fā)展與進步，機電一體化技術正在不斷地深入到各個領域并迅猛地向前推進，它已引起機械工業(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，對于掌握新技術產生與經濟發(fā)展的關系與規(guī)律，對于跟蹤世界科學技術發(fā)展的步伐是十分重要的。
雖然世界各先進工業(yè)國家發(fā)展機電一體化各有特點，發(fā)展的重點和具體做法也不盡相同。但總的趨勢則是趨于一致的，歸納起來有以下幾個發(fā)展方向：
（1） 復合化
（2） 微型化
（3） 高性能化
（4） 移動化
（5） 智能化
（6） 層次化
（7） 模塊化
（8） 網絡化
1.2 機床數控化的意義及特點
1.2.1 數控機床的基本概念
數字控制機床(Numerical Control Machine Tools)簡稱數控機床，這是一種將數字計算技術應用于機床的控制技術。它把機械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數字表示，通過信息載體輸入數控裝置。經運算處理由數控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現代機床控制技術的發(fā)展方向，是一種典型的機電一體化產品。
1.2.2 數控機床的組成
數控機床的組成: 數控機床的基本組成包括加工程序載體、數控裝置（CNC）、伺服驅動裝置、機床主體。
（1） 控制介質
人和數控機床聯(lián)系的媒介物?？刂平橘|可以是穿孔帶，也可以是穿孔卡、磁帶、磁盤或其他可以儲存代碼的載體 ，有些直接集成在CAD/CAM中
（2）數控裝置
數控裝置是數控機床的中樞，在普通數控機床中一般由輸入裝置、存儲器、控制器、運算器和輸出裝置組成。數控裝置接收輸入介質的信息，并將其代碼加以識別、儲存、運算，輸出相應的指令脈沖以驅動伺服系統(tǒng)，進而控制機床動作。在計算機數控機床中，由于計算機本身即含有運算器、控制器等上述單元，因此其數控裝置的作用由一臺計算機來完成 。
（2） 伺服系統(tǒng)
其作用是把來自數控裝置的脈沖 信號轉換成機床移動部件的運動，包括信號放大和驅動元件。其性能好壞直接決定加工精度、表面質量和生產率。
（3） 機床
早期采用通用車床，現在采用了新的加強剛性、減小熱變形、提高精度等方面的技術使其發(fā)生了很大的變化。
1.2.3 數控機床的特點
數控加工就是數控機床在加工程序的驅動下將毛坯加工成合格零件的加工過程。數控機床控制系統(tǒng)具有普通機床所沒有的計算機數據處理功能、智能識別功能以及自動控制能力。數控加工與常規(guī)加工相比有著明顯的區(qū)別，其特點如下：
（1）自動化程度高，易實現計算機控制
除了裝夾工件還需要手工外，全部加工過程都在數控程序的控制下，由數控機床自動完成，不需要人工干預。因此加工質量主要由數控程序的編制質量來控制。
（2）數控加工的連續(xù)性高
工件在數控機床上只需裝夾一次，就可以完成多個部位的加工，甚至完成工件的全部加工內容。配有刀具庫的加工中心能裝有幾把甚至幾十把備用刀具，具有自動換刀功能，可以實現數控程序控制的全自動換刀，不需要中斷加工過程，生產效率高。
（3）數控加工的一致性好
數控加工基本消除了操作者的主觀誤差，精度高、產品質量穩(wěn)定、互換性好
（4）適合于復雜零件的加工
數控加工不受工件形狀復雜程度的影響，應用范圍廣。它很容易實現渦輪葉片、成型模具等帶有復雜曲面、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）便于建立網絡化系統(tǒng)
例如建立直接數控系統(tǒng)（DNC），把編程、加工、生產管理連成一體，建立自動化車間，走向集成化制造。甚至于CAD系統(tǒng)集成，形成企業(yè)的數字化制造體系。數控程序由CAM軟件編制，采用數字化和可視化技術，在計算機上用人機交互方式，能夠迅速完成復雜零件的編程，從而縮短產品的研制周期。
近年來，隨著數控機床的模塊化發(fā)展，使數控加工設備增加了柔性化的特點。先進的柔性加工不僅適合于多品種、小批量生產的需要，而且增加了自動變換工件的功能，能交替完成兩種或更多種不同零件的加工，可實現夜間無人看管的生產操作。有數臺數控機床（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化制造系統(tǒng)，具有將加工、裝配和檢驗等制造過程的關鍵環(huán)節(jié)高度集成的自動化制造系統(tǒng)。
1.2.4 機床數控化的意義
一般說來，數控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性。
（1） 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
（2） 可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高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） 可實現多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。
（5） 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間無人看管加工。
（6） 降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。
2 機械系統(tǒng)設計
2.1 概述
機電一體化產品中的機械系統(tǒng)包括傳動機構、導向支撐機構和執(zhí)行機構，其主要功能是完成一系列機械運動，起到傳遞機械力、運動、能量和支撐整個系統(tǒng)的作用，是機電一體化產品中不可缺少的組成部分。由于在機電一體化產品中廣泛采用伺服技術和計算機控制技術，每一個機械運動可單獨由控制電機、傳動機構和執(zhí)行機構組成子系統(tǒng)來完成，各個子系統(tǒng)之間的運動協(xié)調由計算機來完成，因此機械系統(tǒng)已經成為整個伺服系統(tǒng)的一部分，其性能對機電一體化產品有著重要影響。
（1） 機電一體化對機械系統(tǒng)的基本要求
① 高精度 精度直接影響產品的質量，機電一體化產品的技術性能、工藝水平和功能比普通機械產品都有很大的提高，因此機電一體化產品的機械系統(tǒng)的高精度要求是首要的。
② 低慣量 快速響應是控制系統(tǒng)的一相重要指標，這就要求作為伺服系統(tǒng)一部分的機械系統(tǒng)慣性要低，包括重量輕和轉動慣量小、低阻尼等。
③ 穩(wěn)定性 即要求機械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境影響，抗干擾能力強。
（2）機械系統(tǒng)的組成及其設計要求
①傳動機構 機電一體化機械系統(tǒng)中的傳動機構不僅僅是運動和力矩的變換，而且已經成為伺幅系統(tǒng)的一部分，它要根據伺服控制的要求進行設計以滿足整個系統(tǒng)的良好伺服性能。傳動機構的性能主要取決于傳動類型及其傳動方式、傳動精度、動態(tài)特性即可靠性，在伺服系統(tǒng)中，還要考慮它們對伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速性的影響。對于開環(huán)系統(tǒng)，其傳動精度不僅取決于單個傳動件的精度，還取決于整個傳動系統(tǒng)的精度。此外，機電一體化系統(tǒng)中傳動裝置還要滿足小型、輕量化、高速化、低振動、低噪聲和高可靠性等方面的要求。
② 導向支撐機構 機電一體化產品要求其機械系統(tǒng)的各運動機構必須得到安全的支撐，并能準確地完成其特定方向的運動，這個任務由導向支撐機構來完成。導向支撐機構的精度、剛度、抗震性、熱穩(wěn)定性等因素都會影響整個系統(tǒng)的精度、動態(tài)特性和可靠性。
③ 執(zhí)行機構 執(zhí)行機構根據操作指令的要求在動力源的帶動下完成預定的操作，實現產品的功能。因此，要求執(zhí)行機構能準確定位，具有較高的靈敏度、良好的可重復性和可靠性。
2.2 滾珠絲杠螺母副
2.2.1 滾珠絲杠副的特點
（1）傳動效率高，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） 予適當預緊，可消除絲杠和螺母之間的間隙
滾珠絲杠副預緊后，可消除螺紋間隙，這樣反向時就沒有空程死區(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） 運動平穩(wěn)，無爬行現象，傳動精度高
滾珠絲杠副是滾動摩擦，阻力小，這樣就可以保證運動的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠副是滾動摩擦，沒有爬行現象，故傳動精度高。
（4） 可逆性
滾珠絲杠副摩擦損失小，可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以從直線運動轉換為旋轉運動，絲杠和螺母都可以作為主動件或從動件。
（5） 摩損小，使用壽命常
因為滾動摩擦的摩擦系數小，磨損也小，故使用壽命常。
（6） 制造工藝復雜，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系，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需要要添加制動裝置。
2.2.2 滾珠絲杠副的結構類型
（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。它的結構簡單，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）內循環(huán)反向器式
內循環(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入相鄰滾道，形成一個循環(huán)回路。內循環(huán)反向器式結構回路短，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 滾珠絲杠的計算與選用
計算進給率引力FM
FM=Gf’=150×0.05=7.5N
計算最大動負載C
L=60×n×T×10-6
式中 L0—滾珠絲杠導程，初選 L0=6
VS —最大負載下的進給速度，可取最高進給速度的1/2—1/3，此處VS 為0.375m/min
fw —運轉系數 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 導向支撐結構
2.3.1導軌
導軌副用于引導運動部件的走向，保證執(zhí)行件的正確運動軌跡，并通過摩擦和阻尼影響執(zhí)行件的運動特性，如定位精度和低速均勻性。導軌副包括運動導軌和支撐導軌。支撐導軌用以支撐和約束運動導軌，使之按要求作正確的運動。
導軌應滿足的要求
（1）導向精度 導向精度指導軌副中運動件實際運動方向與給定運動方向之間的準確程度。
（2）接觸精度 以導軌表面的實際接觸面積占理論接觸面積的百分比或25×25面積上接觸點的數目和分布狀況來表示
（3）精度保持性 精度的保持性是指導軌在長期使用后，對導向精度的保持能力，主要由導軌的耐磨性決定的。提高導軌的精度保持性，必須對導軌進行正確的潤滑和防護。
（4）運動的靈活性和低速運動穩(wěn)定性 機電一體化產品要求較高的定位精度和速度精度，因此要求導軌具有較好的靈活性和穩(wěn)定性，工作時應速度均勻，，低速運動時不產生爬行現象。
滾動直線導軌
滾動直線導軌副是在劃塊之間放入適當的鋼球，滾動導軌的配對導軌面間由鋼珠隔開，導軌面不直接接觸，運動時與鋼珠產生滾動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，摩擦阻力可降到原來的1/40，使驅動功率大幅度下降，適應高速直線運動，其瞬時速度比比滑動導軌提高約10倍，能實現高定位精度和從復定位精度。滾動直線導軌副由導軌、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 滾動直線導軌副
滾動直線導軌的特點有如下幾點：
（1）高剛性，四方向等負荷設計 滑塊的高剛性斷面設計與4列鋼珠45°圓弧接觸角的設計，除了提供徑向、反徑向及橫方向四方向的相同額定負荷能力，并且能夠施加足夠的預壓增強其剛性，適合各種安裝方式的應用。
（2）具自動調心能力 正面組合（DF組合）的圓弧滿槽設計，使其具有自動調整的能力，即使給于預壓也能夠吸收安裝誤差，并維持平滑穩(wěn)定、高精度的直線運動。
（3）行走順暢度佳，低噪音 簡單圓滑的鋼珠回流路徑設計，并采用耐衡擊的強化合成樹脂之鋼珠循環(huán)配件，運轉順暢度佳，噪音度低 。
（4）具互換之特性 在嚴密的制造精度管理下，尺寸能夠維持在穩(wěn)定的公差內，所以對于互換型線性滑軌，組裝時可將滑塊任意配裝在同型號的滑軌上，并且保持其相同的順暢度、預壓及精度，組裝與維修最容易。
（5）卓越的高速性，壽命長 因通過保持器使球與球之間的相互摩擦消失，相對摩擦速度成為1/2，面壓降低，發(fā)熱減少，既能延長壽命又具有卓越的高速性。
（6）長期無須維修保養(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，增強了潤滑脂的保持性，實現了長期無須維修保養(yǎng)。
2.3.2 滾動直線導軌的承載能力計算
計算承載能力時，要求滾動體的最大載荷不得超過許用載荷：
（1）初選滾珠直徑為d=9mm,工作臺重量G=75N（本設計負載為0） 導軌預緊力為F1=198N 工作行程l=100mm 滾動體數目最大值：
Z ≤ = =9
受載最大滾動體上的負載FMAX=G/Z=274/9=30N
（2）滾動體許用負載計算
滾動體上的許用負載 F=Kd2ξ=60×0.92×1=48.6N
式中 d —— 為滾珠直徑（cm）
K —— 作用在滾動體橫斷面上的假定應力（N/ cm2）見表2-1
ξ—— 考慮到導軌硬度的修正系數，見表2-2
表2-1 滾動體橫斷面上的假定應力K
導軌類型
K（N/ cm2）
氮化導軌
鋼制高頻淬火導軌
鋼制淬火導軌
60~62HRC
鑄鐵導軌
200HBS
滾珠導軌
40
50
60
2
短滾柱導軌b/d=1
1500
1800
2000
200
長滾柱導軌b/d≥3
1000
1300
1500
150
表2-2 導軌硬度的修正系數
鑄鐵導軌
HBS
160
180
200
220
ξ
0.6
0.8
1
1.7
鋼質淬火導軌
HRC
50
55
57
60
ξ
0.52
0.7
0.8
1
計算結果滿足FMAX＜F 即28.6＜48.6
（3）滾動導軌的剛度驗算
滾動導軌應驗算接觸剛度，即接觸變形δ的大小 δ=λ2P
式中 λ2 —— 滾珠的柔度系數 如圖2-3所示
P —— 每個滾珠所受的負載（N）
圖2-3 滾動導軌柔度系數與負載的關系
3 進給伺服系統(tǒng)設計
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）也叫隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動控制系統(tǒng)。
伺服系統(tǒng)是根據輸入指令與輸出的物理量之間的偏差進行動作控制的.因此伺服系統(tǒng)的工作過程是一個偏差不斷產生,又不斷消除的動態(tài)過渡過程.
許多機電一體化產品(如數控機床、工業(yè)機器人等)，需要對輸出量進行跟蹤控制，因而伺服系統(tǒng)是機電一體化產品的一個重要組成部分是實現某些產品目的功能的主體。伺服系統(tǒng)中離不開機械技術和電子技術，其功能是通過機電結合才得以實現的，因此，伺服系統(tǒng)本身就是一個典型的機電一體化系統(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)，例如數控機床的伺服進給系統(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)中無檢測反饋元件，結構簡單，精度低；閉環(huán)伺服系統(tǒng)直接對工作臺等移動部件進行檢測和反饋，因而精度高，結構復雜、成本高。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的檢測元件位于機械執(zhí)行裝置中間（如伺服電機軸、滾珠絲杠上），將大部分機械構件封閉在反饋環(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
本設計中采用由步進電機控制的開環(huán)伺服系統(tǒng)，其功能組成如圖3-1所示。
輸入
輸出
步進電機
功率放大
光電隔離
脈沖分配
圖3-1 伺服系統(tǒng)基本結構方框圖
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定位精度要高，即定位誤差和重復定位誤差要小 (以保證尺寸精度) 。動態(tài)上要求跟隨精度高，即跟隨誤差要小，這是動態(tài)性能指標 (以保證輪廓精度) 。另外，要求靈敏度高，有足夠高的分辯率。
（2） 響應速度快
執(zhí)行部件的運動速度的建立時間tp 應盡可能短。通常要求從0→Fmax（Fmax→0 ） , 其時間應小200ms，否則對機械部件不利，有害于加工質量。????
（3） 調速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性(在調速范圍內)
穩(wěn)定性是指輸出速度的波動要少，尤其是在低速時的平穩(wěn)性顯得特別重要
（4） 負載特性要硬
在系統(tǒng)負載范圍內，當負載變化時，輸出速度應基本不變。即△F盡可能??；當負載突變時，要求速度的恢復時間短且無振蕩。即△t盡可能短；另外應有足夠的過載能力。這是要求伺服系統(tǒng)有良好的靜態(tài)與動態(tài)剛度。
（5） 能可逆運行和頻繁靈活啟停。
（6） 系統(tǒng)的可靠性高，維護使用方便，成本低。
3.2 伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件
執(zhí)行元件亦稱為驅動元件，是各類工業(yè)機器人、CNC機床、各種自動化機械、計算機外設、車輛電子設備等一系列機電一體化產品必不可少的驅動部件。該元件是處于機電一體化系統(tǒng)的機械運行機構和微電子控制裝置的接點部位的能量轉換元件，能在微電子裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉換為機械能。
3.2.1 執(zhí)行元件的種類及特點
（1） 電氣執(zhí)行元件
電氣執(zhí)行冤元件包括控制電機（步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機），靜電電動機，磁致伸縮器件、電磁鐵、超聲波電機等。對控制電機的性能要求除穩(wěn)速運轉之外，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，液壓驅動裝置具有重量輕、慣量小、快速性好等優(yōu)點。它通常不用減速器便可以直接驅動機構得到平滑運動，且無死區(qū)。適用于驅動大規(guī)模機器。
（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外，與液壓執(zhí)行元件無區(qū)別。氣壓執(zhí)行元件具有結構簡單，可靠性高，價格低廉等優(yōu)點。氣動驅動裝置控制特性不好，只用在點到點的簡單固定動作。氣壓驅動雖可獲得較大驅動力、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合。
3.3 步進電機
3.3.1步進電機原理
步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一,?廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。
步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。如圖3-2所示
圖3-2 步進電機的工作原理圖
3.3.2 步進電機特性
(1)步進電機是用脈沖控制的，步距角和轉速大小不受電壓波動和負載變化的影響，而僅僅與輸入脈沖頻率成正比，電機的速度與每秒輸入脈沖數目(脈沖速率:Pulse rate)成比例。通常不需要反饋就能夠對速度和位置進行控制；
(2)精度高，運行可靠。
(3) 旋轉角只有周期性誤差，誤差不會逐步累積。
(4)與數組設備兼容，能夠直接接收數字信號。
(5)可以快速起動，制動，反轉，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，沖擊等影響。
3.3.3 步進電機的選型計算
（1） 等效轉動慣量計算
計算簡圖見圖3-3。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量J∑（Kg.cm2）由下式計算：
式中 JM —— 步進電機轉子轉動慣量（Kg.cm2）；
JS —— 滾珠絲杠轉動慣量（Kg.cm2）；
G —— 工作臺重量（N）；
L0 —— 滾珠絲杠導程（cm）
初選反應式步進電機90BF，其轉子轉動慣量 JM=2 Kg.cm2
JS=0.78×10-3×2.54×36.5=1.1 Kg.cm2
代入上式
對于步進電機而言為了獲得良好的啟動能力和較快的響應速度，需滿足轉動慣量匹配條件： 滿足要求。
圖3-3 傳動系統(tǒng)簡圖
（2） 電機力矩計算
快速啟動所需力矩M起
代入數據：
折算到電機軸上的摩擦力矩：
代入數據：
附加摩擦轉矩：
綜合上述三項：
快速移動時所需力矩M快： M快 =Mf+ M0=3.8+0.4=4.2N.cm
從上面計算可以看出，M起、 M快兩種情況下，M起最大，所以以此項作為初選步進電機的依據。
當步進電機為五相十拍時λ= =0.951
因為電機要滿足，所以
按此最大靜轉矩選型，90BF002最大靜轉矩為3.92N.M。
計算步進電機空載起動頻率和工作頻率：
90BF002允許的最高空載起動頻率為3800Hz，運行頻率為16000Hz，起動矩頻特性曲線如圖3-4，完全可以滿足要求。
圖3-4 90BF002型起動矩頻特性
3.4 步進電機的驅動控制
本設計中采用步進電機開環(huán)控制，驅動步進電機的脈沖按控制要求發(fā)給電機各相。90BF002步進電機為五相十拍，其通電順序為ABC—BC—BCD—CD—CDE—DE-DEA— EA—EAB—AB（正轉）；BA—BAE—AE—AED—ED—EDC—DC—DCB—CB—CBA（反轉）脈沖分配器就是實現步進電機各相通電順序的。為使步進電機正常運行并輸出一定功率，需要有足夠的功率提供給電機，因此需要功率放大環(huán)節(jié)。脈沖分配器及微機和接
口，工作電平為+5V，而電動機電源需符合步進電機的額定電壓。為避免強電干擾，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。選用國產TTL集成脈沖分配器YB015。其性能參數數見表3-1
表3-1 TTL脈沖分配器主要性能參數
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—勵磁方式控制。對于五相脈沖分配器：A0為高電平使步進電機以五相十拍通電方式工作。
E1、E2——選通輸入控制
CP—時鐘輸入端
Δ—正反轉控制端
S—出錯報警輸出。
3.4.2光電隔離電路
在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后控制步進電機勵磁繞組，在接口處將會引起強電干擾，損壞系統(tǒng)正常運行，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，不能滿足步進電機的要求，必須將它放大產生足夠大的功率驅動步進電機正常運轉。
從步進電機的起動矩頻特性和運行矩頻特性可以看出，隨著運行頻率的增高，電機輸出轉矩下降，主要原因是步進電機是感性負載，改變通電狀態(tài)時，通電繞組中的電流逐漸增大，繞組中感應電動勢使電流指數規(guī)律上升，并將電源一部分能量存儲在繞組中，致使電機各相繞組中電流幾乎同時存在，電機負載能力下降，嚴重時會出現失步。電流的時間常數為τ=LM/R LM—相繞組平均電感 R— 通電回路電阻
為了改善電機動態(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 在電機繞組回路串聯(lián)一電阻R0，減小電流時間常數。缺點是功耗大，效率低，使用于小功率電機。
（2）雙電源法
4 控制系統(tǒng)硬件電路設計
4.1概述
控制系統(tǒng)是機電一體化產品中最重要的組成部分，它主要實現控制及信息處理功能，此外機電一體化的其他內部功能也要在控制系統(tǒng)的控制和協(xié)調下才能得以實現。
機床數控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎，有了硬件，軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數控系統(tǒng)性能指標。
機床數控系統(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，包括數據總線、地址總線、控制總線；
（3） 存儲器，包括程序存儲器和數據存儲器；
圖4-1 機床數控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）
4.2 MCS-51單片機簡介
MCS-51單片機是美國INTE公司于1980年推出的產品，與MCS-48單片機相比，它的結構更先進，功能更強，在原來的基礎上增加了更多的電路單元和指令,指令數達111條，MCS-51單片機可以算是相當成功的產品，一直到現在，MCS-51系列或其兼容的單片機仍是應用的主流產品。MCS-51系列單片機8031基本特性：
（1） 4kbytes 程序存儲器(ROM)
（2） 128bytes的數據存儲器(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個專用寄存器
（6） 2個可編程定時/計數器
（7） 5個中斷源，2個優(yōu)先級
（8） 一個全雙工串行通信口
（9） 外部數據存儲器尋址空間為64kB
（10） 外部程序存儲器尋址空間為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.使用外部振蕩器時必須接地;
XTAL2:振蕩器的反向放大器輸出和內部時鐘發(fā)生器的輸入. 使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號.
(3) I/O口共有P0、P1、P2、P3四個8位口，32根I/O線功能如下：
①P0.0~P0.7 （AD0~AD7） 在存取外部存儲器時，該端口分時地用作低8位地址線和8位雙向的數據端口。
②P1.0~P1.7 是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，專供用戶使用。
③P2.0~P2.7 （A8~A15） 是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位的地址A8~A15。
④ P3.0~P3.7 是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，該口的每一位均可獨立定義第一I/O口功能或I/O口第二功能。作為第一功能時口的結構與操作和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 （定時器0外部輸入）
P3.5 T1 （定時器0外部輸入）
P3.6 WR（外部數據存儲器寫選通）低電平有效
P3.7 RD（外部數據存儲器讀選通）低電平有效
（4） 控制線
①PSEN ；程序存儲器的使能腳，是外部程序存儲器的讀選通信號，低電平有效；從外部程序存儲器取數時，在每個機器周期內二次有效。
② EA/VPP：EA為高電平時，CPU執(zhí)行內部程序存儲器指令；EA為低電平時，CPU執(zhí)行外部程序存儲器指令。8031無內部程序存儲器，EA必須接地。
③ALE/PROG ALE是地址鎖存使能信號。作為地址鎖存允許時高電平有效，而訪問內部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。如果單片機是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。
④ RESET/Vpd 復位信號復用腳， 當8031通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。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芯片的存儲器結構及地址分配
8031內部無程序存儲器, 只有256個單元RAM，這256個單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元（共128個字節(jié)）為用戶數據RAM。從80H—FFH地址單元（也是128個字節(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構分布。
圖4-3 8031芯片存儲器結構
在00H—1FH共32個單元中被均勻地分為四塊，每塊包含八個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，也可對它們的位進行尋址。
從30H—3FH是可以按字節(jié)尋址的數據緩沖區(qū),在此區(qū)域中可以設置堆棧.由于8031復位后堆棧指針SP指向工作寄存器區(qū)(SP=07H),用戶必須在初始化程序中對SP設置30H以后的地址區(qū)間為初值.
8031芯片內部無程序存儲器,僅有128字節(jié)的數據存儲器,在組成控制系統(tǒng)時可根據需要擴展外部程序存儲器和外部數據存儲器.由于地址線是16位的,最多能擴展64K程序存儲器和64K的數據存儲器,其地址為0000H—FFFFH，均可獨立編址。
4.3 8031應用系統(tǒng)中存儲器擴展
4.3.1 程序存儲器的擴展
8031的程序存儲器的尋址空間為64K,內部不帶ROM,用作程序存儲器的器件是EPROM.
外部程序存儲器的讀時序,如圖4-4所示.
圖4-4 外部程序存儲器讀時序
作為MCS-51單片機的外部程序存儲器，其典型產品有2716（2K*8）、2732（4K*8）、2764（8K*8）…27512（64K*8）等。
在選擇程序存儲器芯片時，首先滿足程序容量，其次在價格合理情況下盡量選用容量大的芯片。芯片少，接線簡單，芯片儲存容量大程序調整余量大。本設計中程序大小一般不會超過8K，故選擇一片存儲器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口是分時輸出低8位地址和數據，故需地址鎖存器，并由地址鎖存允許信號ALE的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器。
（2） 數據線的連接
存儲器的8位數據線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)行外部程序存儲器指令。
4.3.2數據存儲器的擴展
， 8031芯片內部有128字節(jié)的數據存儲器，需要作為工作寄存器、堆棧和數據緩沖器使用，當控制系統(tǒng)需要暫存的數據量較大時，片內RAM往往不夠用，因此需要進行片外數據存儲器的擴展。MCS-51系列單片機數據存儲器的擴展能力最大可達64KB。
外部數據存儲器的讀時序,如圖4-5所示.
圖4-5 外部數據存儲器讀時序
在一般的數據存儲器擴展中，常選用靜態(tài)數據存儲器芯片（SRAM）作為外擴數據存儲器使用，SRAM具有存取速度快、使用方便、不需要刷新電路，接口簡單等特點，但系統(tǒng)一旦掉電，內部所存數據便會丟失。
常用的靜態(tài)RAM芯片有6116，6264，62256等。本設計中選擇芯片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口是分時輸出低8位地址和數據，故需地址鎖存器，并由地址鎖存允許信號ALE的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器。
（5） 數據線的連接
存儲器的8位數據線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口是分時傳送低8位地址線和數據線，故8031擴展系統(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，關門鎖存
當G=1時74L373輸出端與輸入端相同；當G=0時，將輸入數據鎖存。
4.3.4 譯碼電路
MCS-51單片機應用系統(tǒng)中的譯碼規(guī)則：
（1） 程序存儲器和數據存儲器獨立編址。
（2） 外圍I/O與數據擴展存儲器統(tǒng)一編址
（3） CPU在訪問外部存儲器時地址編碼
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。因為譯碼器在某一時刻只有1條輸出線有效，保證了在某一時刻只有1個芯片被選中的要求。全譯碼法則沒有地址重疊現象，即各存儲單元的地址碼唯一。對于容量較大的系統(tǒng)，芯片所需要的片選信號多余可利用的地址線時，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，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)點是不需要譯碼器，可節(jié)省硬件，減少成本。缺點是擴展芯片數目受到限制，地址空間不連續(xù)，地址空間沒充分利用。
4.4 4.4 8031應用系統(tǒng)中I/O口擴展
MCS-51單片機共有四個8位并行I/O口，但這些口并不能完全提供給用戶使用。只有對于片內有ROM/RAM的單片機，才可以使用這個I/O口。大多數使用8031需要擴展時，MCS-51單片機可提供給用戶的I/O口只有P1和P3口線。因此，在使用MCS-51應用系統(tǒng)設計中都必須要進行I/O擴展。
4.4.1 I/O口擴展性能
（1） 在MCS-51應用系統(tǒng)中，擴展的/度克度微 采取與數據存儲器相同的尋址方法。
（2） 利用MCS-51串行口的移位工作計存器工作方式，也可以擴展I/O口，這時擴展的I/O口不占用外部RAM地址。
（3） MCS-51單片機的I/O口主要是通過總線（P0）擴展。
（4） 擴展I/O口的硬件相依性。
（5） 擴展I/O口的軟件相依性。
4.4.2 I/O口擴展方法
（1） 總線擴展法。
（2） 串行口擴展法。
（3） 通過單片機內I/O口的擴展法。
4.4.3 I/O口擴展用芯片
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芯片內具有：
（1） 256個字節(jié)RAM，存取時間為400ns，
（2） 2個8為，一個16位的可編程I/O口和1個14位計數器；
（3） 有三個通用的輸入/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，A口和B口能在應答式的輸入/輸出方式下工作
（4） 內部有地址鎖存器及多路轉換的地址和數據總線；
（5） 單一+5V電源，40腳雙列直插式封裝。
8155的結構及引腳如圖4-6所示。
圖4-6 8155的結構及引腳
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/計數器低8位
X X X X X 1 0 1 定時/計數器高8位
8155的工作方式與基本操作：
（1） 作片外256字節(jié)數據存儲器
（2） 作擴展I/O口使用
（3） 作定時器擴展用
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、列結構，按鍵設置在行列的交點上。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候，調用鍵盤掃描子程序，來響應鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時，CPU不再響應鍵輸入要求。
定時掃描工作