数控机床进给伺服系统的控制原理 - 综合课件-
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数控机床进给伺服系统的控制原理
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进给伺服系统介绍
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纵向伺服进给系统的设计
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纵向伺服进给系统的设计目录一、概述?????????????????????????(一)数控机床的产生和发展(二)数控机床伺服进给系统特点二、纵向伺服进给系统的设计（一）主要参数设定（二）滚珠丝杠副的设计计算(三)选伺服系统和检测装置（四）伺服电机计算（五）滚动直线导轨选择计算(六)传动精度计算（七）丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算（八）防护与润滑三、回转工作台的设计计算（一）回转工作台的简介（二）双蜗杆传动的结构设计（三）锥齿轮设计计算（四）夹紧机构的计算四、参考文献一、概述(一)数控机床的产生和发展随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要的措施之一。它不仅能提高产品的质量，提高生产率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。在机械制造业中，尤其是在宇航、造船、以及国防工业中，单件小批量生产的零件灼占机械加工总产量的80％以上，其特点是：加工批量小、改型频繁、零件精密度高而且形状复杂。采用专用机床和生产线来加工这类零件就显得不合理，因此，制造业产生了对于通用、高精度、具有“柔性”的自动化机床的迫切需求，要求机床设备不仅要精度高而且要生产率高、自动化程度高、工人操作简单、劳动强度低。在此背景下，于1952年在美国诞生了世界上第一台数控机床样机，用于直升飞机叶片加工。其控制器全部采用电子管。它的诞生标志着世界制造业进入数控时代。从此，数控机床的发展引起世界范围的重视，并极大地促讲了制造业的发展。在近十年中，特别是随着计算机技术的飞速发展，数控技术的发展也日新月异。数控技术是综合应用了电于计算机、自动控制、伺服驱动和精密测量等多学科的技术成果的一门综合性技术，因此它的发达程度在某种程度上体现了一个国家的综合工业实力。1958年我国开始研制数控机床。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。虽然我国与先进的工业国家之间还存在着较大差距，但这种差距正随着工厂、企业技术改造的深入开展不断缩小，发展数控机床的生产已成为目前机床行业的目标。数控机床必将成为我国机械工业生产中的主要设备，为我国的四个现代化做出巨大的贡献。(二)数控机床进给伺服系统特点　　　从第一台数控机床产生到现在的４０年间，数控技术发展非常迅速，并在机械行业中得到曰益广泛的应用，它具有以下特点：(1)能适应不同零件的加工；(2)生产效率和加工精度高，加工盾量稳定；(3)能完成复杂型面的加工；(4)工序集中，一机多用，有着良好的经济效益；(5)减轻了操作者的疲劳强度，有利于生产管理的现代化。　　　数控机床的进给伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成，它的作用是：接受数控系统发出的迸给速度和位移指令信号，由伺服电路做一定的转换和放大后，经伺服驱动装置（直流／交流伺服电机、电液脉冲马达、功率步进电机、电液伺服阀．液压马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴等执行部件实现工作进给和快速运动。数控机床的进给伺服系统与一般机床的控制系统有本质的区别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定的规律运动所合成的运动轨迹。发展高性能的数控进给伺服系统，在很大程度上可以决定机床的加工精度、表面质量和生产效率。数控进给伺服系统的性能取决于伺服驱动系统与机械传动结构中各环节的特性，也取决于系统中各环节参数的合理分配。以伺服驱动装置和控制调节器为中心的伺服驱动系统已有较成熟的理论分析、实验研究和设计方法。机械传动结构以及整个进给系统的研究，近几年也逐渐受到重视，并做了不少工作。数控进给伺服系统是一个位置控制系统，按其控制方式，可分为开环、闭环和半闭环三类。开环较，但如果负荷突然加大，或者脉冲频率变化较大，则执行机构的运动可能发生误差，这就是常说的“失步”现象。在数控机床发展的初期（50年代至80年代），开环曾被广泛应用，后因“失步”现象未能解决而逐步让位于闭环和半闭环，近年来步进电机技术有了很大的发展，今后开环系统仍有可能占有一席之地。闭环系统有反馈，可检查执行的情况，所以精度很高。半闭环系统的反馈信号来源于伺服电机轴和滚动丝杠，不能纠正丝杠的导程误差和丝杠轴承的轴向跳动以及受力丝杠轴承的变形，因而精度比闭环要低一些但是半闭环系统的执行机构和机械传动机构构成一个振荡环节，一般不易引起振荡。因此，设计闭环系统和半闭环系统的出发点不同，设计半闭环系统主要考虑保证系统的定位精度，而设计闭环系统一般应以计算稳定性为主，在保证有足够稳定性的条件下决定系统的参数。为确保数控机床进给系统的传动进度和工作平稳性，对设计机械传动装置提出如下要求：1）高传动精度和定位精度；2）宽的进给调速范围；3）响应速度要快
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伺服系统的特点、分类及发展方向
来源：本站整理
作者：秩名日 11:47
[导读] 数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。本文主要简析伺服系统的基本要求、特点、分类及发展方向...
　　伺服电机（servomotor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
　　数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。
　　一、伺服系统的基本要求和特点
　　1.对伺服系统的基本要求
　　（1）稳定性好：稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有平衡状态。
　　（2）精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在0.01～0.00lmm之间。
　　（3）快速响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。
　　2、伺服系统的主要特点
　　（1）精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。
　　（2）有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较3种。
　　（3）高性能的伺服电动机（简称伺服电机）：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节。
　　（4）宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。
　　二、伺服系统的分类
　　伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机（简称直流电机）伺服系统、交流电动机（简称交流电机）伺服系统。按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等，实际上数控系统也分成开环、闭环和半闭环3种类型，就是与伺服系统这3种方式相关。
　　1、开环系统
　　开环系统，它主要由驱动电路，执行元件和机床3大部分组成。常用的执行元件是步进电机，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用步进电机作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。
　　2、闭环系统
　　闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。其构成框图如图2所示。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。
　　比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环（半闭环）系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统3种。
　　由于比较环节输出的信号比较微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行放大，驱动电路正是为此而设置的。
　　执行元件的作用是根据控制信号，即来自比较环节的跟随误差信号，将表示位移量的电信号转化为机械位移。常用的执行元件有直流宽调速电动机、交流电动机等。执行元件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随执行元件的不同而不同的。
　　最近，我校研制开发出了高性能交流伺服（数控机床）控制系统。该系统性能稳定，质量可靠，可广泛应用于数码雕刻，包装机械，模具生产等工业生产应用场合，更适用于高等学校机电一体化，电子电器，电气自动化专业学生（研究生）生产实习，课程设计等课程的实验研究。
　　三、伺服系统的发展方向
　　随着生产力不断发展，要求伺服系统向高精度、高速度、大功率方向发展。
　　（1）充分利用迅速发展的电子和计算机技术，采用数字式伺服系统，利用微机实现调节控制，增强软件控制功能，排除模拟电路的非线性误差和调整误差以及温度漂移等因素的影响，这可大大提高伺服系统的性能，并为实现最优控制、自适应控制创造条件。
　　（2）开发高精度、快速检测元件。
　　（3）开发高性能的伺服电机（执行元件）。目前交流伺服电机的变速比已达1∶10000，使用日益增多。无刷电机因无电刷和换向片零部件，加速性能要比直流伺服电机高两倍，维护也较方便，常用于高速数控机床。
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