數(shù)控半閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)二引言1.1設(shè)計(jì)背景現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 市場(chǎng)需求的產(chǎn)品日益逐漸復(fù)雜精密， 精度要求也越來(lái)越高、更新?lián)Q代的周期也變的越來(lái)越短，從而促進(jìn)類暗袋制造業(yè)的發(fā)展，尤其是宇航、軍工、造船、汽車和模具加工等行業(yè)，其中普通機(jī)床進(jìn)行加工（精度

2、低、效率低、勞動(dòng)度大）已無(wú)法滿足大生產(chǎn)量要求，于是一種新型的用數(shù)字程序控制的機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生，這種機(jī)床運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、精密測(cè)量和機(jī)械設(shè)計(jì)等新技術(shù)的機(jī)械一體化典型產(chǎn)品即數(shù)控機(jī)床。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：1.橫向:工作臺(tái)重量：W=300N最大進(jìn)給速度：Vmax=1000mm/min行程：S=200mm脈沖當(dāng)量：p=0.006mm/R2.縱向：工作臺(tái)重量：W=800N行程：S=650mm脈沖當(dāng)量：p=0.008mm/R最大進(jìn)給速度：Vmax=2000mm/min總體：x、y方向定位精度都為0.01mm滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 l_06mm；徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)二.

3、半閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控伺服系統(tǒng)是指一機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性。作為數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)它是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，研究和開(kāi)發(fā)高性能伺服系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)要求具有精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、負(fù)載能力強(qiáng)和工作頻率范圍大登記處要求，同時(shí)還要求體積小、重量輕、可靠性高和成本低等要求。數(shù)控機(jī)床又分很多種類，其中按控制方式分類就包括開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)三種。半閉環(huán)

4、伺服系統(tǒng)的工作原理和閉環(huán)伺服系統(tǒng)相似，只是位置檢測(cè)器不是安裝在工作臺(tái)上，而是安裝在伺服電動(dòng)機(jī)的軸上。這種伺服系統(tǒng)所能達(dá)以的精度、速度和動(dòng)太特性優(yōu)于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，具復(fù)雜性和成本低于閉環(huán)伺系統(tǒng)，主要用于大多數(shù)中小型數(shù)控機(jī)床，且能滿足市場(chǎng)要求所以，目前應(yīng)用最為廣泛。如圖2.1所示：圖2.1半閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖這里采用半閉環(huán)系統(tǒng)。2.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1.1伺服驅(qū)動(dòng)元件方案的選擇半閉環(huán)控制系統(tǒng)中一般采用直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)或液壓伺服馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)元件。在負(fù)載較大的大型伺服系統(tǒng)中常采用液壓伺服馬達(dá)，而在中小型伺服系統(tǒng)中，則多數(shù)采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)。雖然其內(nèi)部有機(jī)械換向裝置，存在電刷磨損問(wèn)題，

5、運(yùn)行時(shí)電機(jī)的換向器也會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行火花，限制了直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出功率的提高，所以需要較多維護(hù)；但是由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的YjpwMir妞*位置檢測(cè)徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)特性，并且易于控制，因而在20世紀(jì)90年代以前，一直是閉環(huán)系統(tǒng)中執(zhí)行元件的主流。這里我們采用直流脈寬度調(diào)制型（PWM伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。2.1.2PWM直流脈寬伺服電機(jī)調(diào)速原理PWM是脈寬調(diào)制方式， 其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率固定， 通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)占空比，是開(kāi)關(guān)功率變換器中最常用的控制方式。其基本工作原理就是在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過(guò)被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差

6、值進(jìn)行閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流等達(dá)到穩(wěn)定值。其原理圖及波形如圖2.1.2所示圖2.1.2PWM直流脈寬調(diào)制原理圖2.1.3檢測(cè)反饋元件的選擇常用的位置檢測(cè)傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電脈沖編碼器、光柵尺等。傳感器的精度與價(jià)格密切相關(guān)，應(yīng)滿足要求的前提下，盡量選用精度低的傳感器，以降低成本。目前在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，也常采用光電脈沖傳感器，既測(cè)量電動(dòng)機(jī)的角位移，又通過(guò)計(jì)時(shí)而獲得速度。光電編碼器的原理圖如圖2.1.3所示：PW腌制信號(hào)徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)2.1.4半閉環(huán)直流位置伺服控制電路圖圖2.1.4為一采用單片機(jī)

7、控制的直流位置伺服控制原理圖。圖中伺服電機(jī)的控制電壓由單片機(jī)輸出后送入0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬量經(jīng)放大和電平轉(zhuǎn)換送入PWMfo放電路，產(chǎn)生的PW極驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)；采用測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)放大后送入0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī);電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角位移由光電編碼器直接送入8751的端口， 進(jìn)行位置反饋。 速度調(diào)節(jié)器和位置調(diào)節(jié)器由8751的應(yīng)用程序來(lái)完成。圖2.1.3光電編碼器原理圖光電編碼器圖2.1.4半閉環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)原理圖徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)三.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)方案的確定半閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)與執(zhí)行在機(jī)構(gòu)

8、形式上與開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)基本相同?？刂葡到y(tǒng)方案的確定主要包括執(zhí)行元件控制方式的確定和系統(tǒng)伺服控制方式的確定。比如直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)確定是采用晶體管脈寬調(diào)制還是采用品閘管放大器驅(qū)動(dòng)控制：對(duì)于家劉伺服電動(dòng)機(jī)，應(yīng)確定采用矢量控制，還是采用幅值、相位或幅相控制。伺服系統(tǒng)的控制方式有模擬控制和數(shù)字控制，每種方式又有多種不同的控制算法。另外還應(yīng)確定是采用軟件伺服控制，還是采用硬件伺服控制，以便擇相應(yīng)的計(jì)算機(jī)。3.2具體方案的設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇3.2.1主切削力及其切削分力計(jì)算已知機(jī)床主電動(dòng)機(jī)的額定功率Pm為7.5kw,最大工件直徑D=3mm主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速n=85r/m。在此轉(zhuǎn)速下，主軸具有最大扭矩和功率，道具的切削速

9、度為Dn3.143500.00185v1.56m/s1560mm/s60PmFz0.001Nv走刀方向的切削分力Fx0.25Fz0.253864.16966.04NFy0.4Fz0.43846.161545.67N3.2.2導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算導(dǎo)軌受到垂向切削分力FvFz3846.16N,縱向切削分力FcFy1545.67N,移動(dòng)部件的全部質(zhì)量（包括機(jī)床夾具和工件的質(zhì)量）m=30.61kg（所受重力W=300N）查表得鑲條緊固力fg2000N,取導(dǎo)軌動(dòng)摩擦系數(shù)0.15,則F(WfgFvFc)0.15(30020003846.161545.67)60取機(jī)床的機(jī)械效率0.8，則有3846.16NFx和

10、垂直走刀方向的切削分力 Fy為徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)1153.78N計(jì)算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力 F0和F0F0(Wfg)0.15(3002000)345NFo0(Wfg)0.2(3002000)460N3.2.3計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力計(jì)算最大軸向負(fù)載力FamaxaHaAFamaxFyF(154516115378)N269894N計(jì)算最小軸向負(fù)載力FaminFaminF。345N3.2.4確定進(jìn)給傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比i和傳動(dòng)級(jí)數(shù)取直流伺服電動(dòng)機(jī)的步距角1.5,滾珠絲杠的基本導(dǎo)程1.06mm,進(jìn)給傳動(dòng)鏈的脈沖當(dāng)量pO.OOQmMP,則有按最小慣量條件，查得應(yīng)該采用

11、2級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比可以分別取i13、i22.1。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，確定各傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別為z,20、z260、z320、z442,模數(shù)m=Z齒寬b=20mm3.2.5滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算、直徑估算和設(shè)計(jì)(1)按預(yù)期工作時(shí)間估算滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷已知數(shù)控機(jī)床的預(yù)期工作時(shí)間 Lh15000h,滾珠絲杠的當(dāng)量載荷FmFamax2698.94N,查表得載荷系數(shù) fw1.3；初步選擇滾珠絲杠的精度等級(jí)為3級(jí)精度，取精度系數(shù)fa1;查表得可靠性系數(shù)1。取滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速nmnmax,已知Vmax1m/min,滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 L06mm,則L0360p1.563600.0064.17nmax1000

12、VmaxL0100016166.67r/m徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)326989413360166.67150002698.941.318887.8N10011(2)根據(jù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。已知本車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度為40m,重復(fù)定位精度為16m,則有取上述計(jì)算結(jié)果白較小值，即max5.33m(3)估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2m滾珠絲杠螺母的安裝方式擬采用一端固定、 一端游動(dòng)支承方式， 滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為L(zhǎng)=行程+安全行程+2X余程+螺母長(zhǎng)度+支承(1.21.4)行程+(2530)L0取L=(1.4X200

13、+30X6)mm=460mmF0L4604600.07800.078,max-5.33(4)初步確定滾珠絲杠螺母副的型號(hào)根據(jù)以上計(jì)算所得的L。、Cam、d2m和結(jié)構(gòu)的需要，初步選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FF型內(nèi)循環(huán)螺母，型號(hào)為FF3206-5,其公稱直徑d、基本導(dǎo)程L0、額定動(dòng)載荷Ca和螺紋底徑d2如下：d032mmL06mmCa20200NCam18887.8Nd227.9mmd2m15.54mm滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對(duì)絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求，其兩端支承的配置情況有：一端軸向固定一端360 加Fmfw100fafcaCmax111(3:

14、2)16m5.33:8mmax2(一：一)40m548:10m15.54mmd2m自由的支承配置方式，通常用于短絲杠和垂直進(jìn)給絲杠；一端固定一端徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)浮動(dòng)的方式，常用于較長(zhǎng)的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長(zhǎng)絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的絲杠，這種配置方式可對(duì)絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式，以實(shí)現(xiàn)高剛度、高精度以及對(duì)絲杠進(jìn)行拉伸。絲杠中常用的滾動(dòng)軸承有以下兩種：滾針一推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為40角接觸軸承，在這兩種軸承中，400角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，但剛度較后者低，目前在一般中小型

15、數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)用。滾針一圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。400角接觸軸承的組合配置形式有面對(duì)面的組合、背靠背組合、同向組合、一對(duì)同向與左邊一個(gè)面對(duì)面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過(guò)程中難免有誤差，又由于面對(duì)面組合方式，兩接觸線與軸線交點(diǎn)間的距離比背對(duì)背時(shí)小，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整較易。因此在進(jìn)給傳動(dòng)中面對(duì)面組合用得較多。在此課題中采用了以面對(duì)面配對(duì)組合的40角接觸軸承， 組合方式為DDB以容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。滾珠絲杠工作時(shí)要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補(bǔ)償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。圖3.2.5滾珠絲杠螺母及其支承結(jié)構(gòu)圖3.2.

16、6滾珠絲杠螺母副承載能力校核和設(shè)計(jì)、已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑 d227.9mm,已知滾珠絲杠螺母副的徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)最大受壓長(zhǎng)度 Li300mm,絲杠水平安裝時(shí)，取 K11/3,查表得K22,則有df5127.945FcKiK2s102210N448831.21NLi3300本車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為 Famax2401.19N,遠(yuǎn)小于其臨界壓縮載荷己的值，故滿足要求。二、滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長(zhǎng)度 L2300mm,其彈性模量5E2.1105MPa,密度-7.8105N/mm3,重力加速度 g9.8103mm/s2g(1)滾

17、珠絲杠的最小慣性矩為Id：31427.9429728.05mm46464(2)滾珠絲杠的最小截面積為231422Ad；27.92611.05mm244取 K10.8,查表得 3.927,則有603.9272,；2.110529728.059.810323.143002:7.8105611.054692249r/min本橫向進(jìn)給傳動(dòng)鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為166.67r/m，遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。三、滾珠絲杠螺母副額定壽命的校核，滾珠絲杠的額定動(dòng)載荷 Ca20200N,已知其軸向載荷FaFamax2698.94N,滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速 nnmax166.67r/min,運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù) fw

18、1.2,則有344.533106r0.8CaFafw)310620200(2401.191.2)106r徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)本車床數(shù)控化改造后，滾珠絲杠螺母副的總工作壽命Lh34453h15000h,故滿足要求。四、滾珠絲杠螺母副是直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動(dòng)裝置，在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽， 當(dāng)他們套裝在一起時(shí)便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠的回路管道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來(lái)構(gòu)成封閉的螺旋滾道， 并在滾道內(nèi)裝滿滾珠， 當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)， 滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而迫使螺母軸向移動(dòng)。滾珠絲杠螺母副具有以下特點(diǎn)：(1)傳動(dòng)效率高

19、，摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為0.92-0.96,比普通絲杠高3-4倍。因此，功率消耗只相當(dāng)于普通絲杠的1/4-/3.(2)若給于適當(dāng)預(yù)緊，可以消除絲杠和螺母之間的螺紋間隙，反向時(shí)還可以消除空載死區(qū)，從而使絲杠的定位精度高，剛度好。(3)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。(4)具有可逆性，既可以從螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，絲杠和螺母可以作為主動(dòng)件。(5)磨損小，使用壽命長(zhǎng)。(6)制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。(7)不能自鎖。特別是垂直安裝的絲杠，由于其自重和慣性力的不同，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后

20、，不能立即停止運(yùn)動(dòng)，故還需要增加制動(dòng)裝置。本次設(shè)計(jì)采用的是內(nèi)循環(huán)的絲杠螺母副，精度為3級(jí)，兩端采用了小圓螺母為軸向定位絲杠螺母副采用的預(yù)緊方式為單螺母消除間隙方法。 它是在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內(nèi)螺紋滾道在軸向產(chǎn)生一個(gè)L0的導(dǎo)程突變量，從而使兩列滾珠在軸向錯(cuò)位而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但載荷量須預(yù)先設(shè)定而且不能改變。3.2.7計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)的剛度已知滾珠絲杠的彈性模量 E2.1105MPa,滾珠絲杠的底徑 d227.9mm。當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離 aLY300mm 時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度Ksmin10L60n344.5331吸60166.67

21、34453hKCKFamax：0.1Ca730.23N/mm11111110.003633KmaxKsmaxKbKc1283.2662.12730.23111111KminKsminKbKc427.7662.1已知扭矩作用點(diǎn)之間的距離 L2355mm,滾珠絲杠的剪切模量 G8.1104MPa 滾珠絲杠的底徑 d227.9mm,則有d：G3.1427.9410128.110410632L23235510313566.04N?m/rad11徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)當(dāng) aLJ100mm 時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度Ksmaxsmax已知滾動(dòng)體直徑dQ6.75mm滾動(dòng)體

22、個(gè)數(shù)Z=15.軸承接觸角40。軸Famax2698.94N0則滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度Kb為:662.12N/m查表得滾珠與滾道的接觸剛度 K683N/m,滾珠絲杠的額定動(dòng)載Ca20200N。已知滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷Famax2698.94N則smin3.1427.922.11054300427.73N/mKsmaxd；E4LJ103.1427.922.110541001283.21N/m承最大軸向工作載荷 FBmaxKb22.343dQZ2Famaxsin22.3436.751522401.19（；）2進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為故 Kmax275.25N/m進(jìn)給傳動(dòng)系

23、統(tǒng)的綜合拉壓剛度最小值為10.0061730.23故 Kmin164N/m徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)3.2.8電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算(1)計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已知滾珠絲杠的密度 7.8103kg/cm3,則有n_3_4_-2Jr0.7810DjLj1.38kg?cmj1(2)計(jì)算折算到絲杠軸上的移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已知橫向進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行部件的總質(zhì)量為m=31.61kg;絲杠軸每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離L=0.6cm則L20.62八2JLm()231.6()20.28kg?cm2223.14(3)計(jì)算各齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3422Jz1Jz30.78103442kg?cm

24、20.4kg?cm23422Jz20.7810122kg?cm32.3kg?cm342422Jz40.78103(一)42kg?cm27.8kg?cm25(4)計(jì)算加在電動(dòng)機(jī)軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd4.275kg?cm2(5)計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩Tc已知在切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力 FaFamax2401.19N,絲杠每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件軸向移動(dòng)的距離L=6mm=0.006m進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比1=6.25總效率4=0.85,則有2698.940.00623.140.854.17(6)計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)上的摩擦負(fù)載力矩T已知在不切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力矩F0345N,則有Jz1Jz3)4

25、(Jz4JrJL)10.4-(32.30.4)126.25(7.81.380.28)FaL0.73N?mF0L3450.006I23.140.854.170.093N?m12徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)(7)計(jì)算由滾珠絲杠預(yù)緊力Fp產(chǎn)生的并折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加負(fù)載力矩p已知滾珠絲杠螺母副的效率00.98,滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 Fp為pL1Fp-Famax899.65N3折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩T的計(jì)算?？蛰d時(shí)(快進(jìn)力矩)，為T(mén)KJTTf(0.0930.0097)N?m0.1027N?m切削時(shí)(工進(jìn)力矩)，為T(mén)GJTcTf(0.730.093)N?m0.823N?m根

26、據(jù)以上計(jì)算結(jié)果和查表初選CN-400-10;對(duì)于半閉環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時(shí)間ta0.05s0當(dāng)機(jī)床以最快進(jìn)給速度v1000mm/min運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為：nmax10006.25r/min1041.67r/min6(8)計(jì)算橫向進(jìn)給系統(tǒng)所需的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種力矩計(jì)算空載啟動(dòng)力矩TqqTqTap(TTf)10.9N?m計(jì)算快進(jìn)力矩TKJTKJTTf(0.730.093)0.823N?m計(jì)算工進(jìn)力矩TGJTGJTcTf(0.730.0097)0.74N?m所以CN-400-10直流伺服電機(jī)符合要求。Tf2)899.650.00623.140.854.172_(10.982)0.0097N

27、?m13徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)3.3進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.3.1床身及導(dǎo)軌數(shù)控車床工作時(shí)，受切削力的作用，床身發(fā)生彎曲，其中，影響最大的是床身水平面內(nèi)的彎曲。因此，在床身不太長(zhǎng)的情況下，主要應(yīng)提高床身在水平面內(nèi)的彎曲剛度。所以，在設(shè)計(jì)床身時(shí)，采用與水平面傾斜45的斜面床身。床身在彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用下，床身的變形與床身的截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有關(guān)。材料、截面相同，但形狀不同的床身，截面的慣性矩相差很大。截面積相同時(shí)，采用空形截面，加大外輪廓尺寸，在工藝允許的情況下，盡可能減小壁厚，可以大大提高截面的抗彎和抗扭剛度；矩形截面的抗彎剛度高于圓形截面，但圓形截面的抗扭剛度

28、較高；封閉截面的剛度顯著高于不封閉截面的剛度。為此，在設(shè)計(jì)床身截面時(shí)，綜合考慮以上因素，在滿足使用、工藝情況下，采用空心截面，加大輪廓，減小壁厚，采用全封閉的類似矩形的床身截面形式，同時(shí)，為了提高床身的抗扭剛度和床身的剛度/重量比，在大截面內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)較小的類似圓形截面。床身與導(dǎo)軌為一體，床身材料的選擇應(yīng)根據(jù)導(dǎo)軌的要求選擇。鑄鐵具有良好的減震性和耐磨性，易于鑄造和加工。床身材料采用機(jī)械性能優(yōu)良的HT25cl其硬度、強(qiáng)度較高，耐磨性較好，具有很好的減震性。車床的導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌兩種。滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大且磨損快，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大

29、，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動(dòng)導(dǎo)軌和新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。在動(dòng)導(dǎo)軌上鑲裝塑料具有摩擦系數(shù)低、耐磨性高、抗撕傷能力強(qiáng)、低速時(shí)不易爬行、加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好、工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各類機(jī)床上都有應(yīng)用，特別是用在精密、數(shù)控和重型機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌上。塑料導(dǎo)軌可與淬硬的鑄造鐵支承導(dǎo)軌和鑲鋼支承導(dǎo)軌組成對(duì)偶摩擦副。直線運(yùn)動(dòng)滑動(dòng)導(dǎo)軌截面形狀主要有三角形、矩形、燕尾形和圓形，并可互相組合。由于矩形導(dǎo)軌制造簡(jiǎn)單，剛度高，承載能力大，具有兩個(gè)相垂直的導(dǎo)軌面。且兩個(gè)導(dǎo)軌面的誤差不會(huì)相互影響，便于安裝。再將矩形整體傾斜

30、45后，側(cè)面磨損能自動(dòng)補(bǔ)償，克服了矩形導(dǎo)軌側(cè)面磨損不能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)娜毕?，使其?dǎo)向性更好。本次設(shè)計(jì)我采用的是燕尾槽導(dǎo)軌。鑲條是用來(lái)調(diào)整矩形導(dǎo)軌和燕尾導(dǎo)軌的側(cè)隙，以保證導(dǎo)軌面的正常接觸。鑲條應(yīng)放在導(dǎo)軌受力較小的一側(cè)。壓板用于調(diào)整輔助導(dǎo)軌面的間隙和承受顛覆力矩。如圖3.4.1,是用磨或刮壓板3的e面和d面來(lái)調(diào)整間隙。 壓板的d面和e面用空刀槽分開(kāi)，間隙大磨刮d面，太緊時(shí)則修e面。這種方式構(gòu)造簡(jiǎn)單，應(yīng)用14徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)較多，但調(diào)整時(shí)比較麻煩圖3.3.1鑲條圖3.3.1床身及導(dǎo)軌3.3.2中間軸的設(shè)計(jì)中間軸上的齒輪是電機(jī)輸出與滾珠絲杠的傳力結(jié)構(gòu)，它主要通過(guò)鍵連接齒輪2

31、和齒輪3.所以要設(shè)計(jì)鍵槽，可設(shè)計(jì)一個(gè)鍵槽為兩個(gè)齒輪傳力。兩邊要留軸頸上軸承，中間軸的裝配見(jiàn)圖3.4.2:15徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)圖3.3.2中間軸iUJ1處蛛林的卜必7標(biāo)砰疑蜒“1因k三oofiri圖3.3.2中間軸的零件圖16徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)四,數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能:(1)接收鍵盤(pán)數(shù)據(jù)，控制LED顯示(2)接受操作面板的開(kāi)關(guān)與按鈕信息；(3)接受車床限位開(kāi)關(guān)信號(hào)；(4)接受電動(dòng)卡盤(pán)夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)；(5)控制X,Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；(6

32、)控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止；(7)控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級(jí)變速；(8)控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無(wú)級(jí)變速；(9)控制切削液泵啟動(dòng)/停止；(10)控制電動(dòng)卡盤(pán)的夾緊與松開(kāi)；(11)控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀；(12)與PC機(jī)的串行通信。CPU選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52采用8279,和W27C5126264芯片做為I/O和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。W27C51加做程序存儲(chǔ)器， 存放監(jiān)控程序；6264用來(lái)擴(kuò)展AT89S52的RAM#儲(chǔ)器存放調(diào)試和運(yùn)行的加工程序；8279用做鍵盤(pán)和LED顯示器借口，鍵盤(pán)主要是輸入工作臺(tái)方向，LED顯示器顯示當(dāng)前工作臺(tái)坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報(bào)警功能，并有越位開(kāi)關(guān)

33、和報(bào)警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路,17徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)4.2控制回路設(shè)計(jì)4.2.1位置環(huán)控制光電脈沖發(fā)生器作為速度傳感器的同時(shí)，也可作為數(shù)字式角位移傳感器。只需要對(duì)光電脈沖發(fā)生器輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)，便可得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移量，通過(guò)對(duì)光電脈沖發(fā)生器的零位脈沖和被拖動(dòng)機(jī)械的機(jī)械零位標(biāo)準(zhǔn)后，則伺服系統(tǒng)的絕對(duì)位置坐標(biāo)便可測(cè)量。一般情況下，位置反饋數(shù)字量用可逆計(jì)數(shù)方式獲得。4.2.2電流環(huán)設(shè)計(jì)本伺服控制系統(tǒng)采用一種基于反饋控制原理的霍爾效應(yīng)電流檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)直流PW碌統(tǒng)的電流實(shí)時(shí)檢測(cè)。由于霍爾元件輸出的信號(hào)是和電樞電流線性對(duì)應(yīng)的雙極性弱電流信號(hào)。因此，需要對(duì)

34、霍爾元件輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波和放大，電路原理如圖4.2.2所示：圖4.2.2信號(hào)轉(zhuǎn)換、濾波、放大電路采樣電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字的電流信號(hào)。在新PWM波產(chǎn)生之初，載入電流檢測(cè)值，與給定的參考電流值一起來(lái)控制PW楸寬度，從而產(chǎn)生新的PW瞰。 同時(shí)， 當(dāng)電流檢測(cè)值超過(guò)所允許的最大值即主電路過(guò)電流的時(shí)候， 發(fā)出中斷信號(hào)，產(chǎn)生中斷，執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序就可以氣動(dòng)過(guò)流保護(hù)程序，封鎖所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，直至故障解除。18徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)五.系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)5.1控制軟件的主要內(nèi)容數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件

35、分為以下幾個(gè)部分：1、系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。2、零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。3、插補(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。4、伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。診斷程序。包括移動(dòng)不見(jiàn)移動(dòng)超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷,查錯(cuò)等功能。6、機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工控制程序。7、鍵盤(pán)操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤(pán)操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀

36、態(tài)、操作命令等信息。5.2軟件設(shè)計(jì)5.2.1.系統(tǒng)控制功能分析系統(tǒng)控制功能包括：(1)、系統(tǒng)初始化。如對(duì)I/O接口8155,8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。(2)、工作臺(tái)復(fù)位。開(kāi)機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。(3)、輸入和顯示加工程序。(4)、監(jiān)視按鍵，鍵盤(pán)及開(kāi)關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開(kāi)關(guān)，鍵盤(pán)掃描等功能。(5)、工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過(guò)規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。(6)、工作臺(tái)的自動(dòng)控制。(7)、工作臺(tái)的手動(dòng)控制。(8)、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。5.2.2.系統(tǒng)管理程序控制管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開(kāi)機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要

37、功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計(jì)管理程序時(shí)，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的基本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位控19徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)制，工作臺(tái)位置控制，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)管理程序流程如圖5.2,2所示：開(kāi)始圖5.2.2管理程序流程5.2.3.動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)(1)機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位一刀具快速進(jìn)給一加工一退刀一工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置；(2)計(jì)算機(jī)在加工過(guò)程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工；(3)由以上分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)加工程序框如圖5,2,3所示：20徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)入口返回圖5.2.3自動(dòng)加工程序框21徐州工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)一一半閉環(huán)直流位置伺服控制系統(tǒng)結(jié)束語(yǔ)課程設(shè)計(jì)是對(duì)我