1、数控机床横向进给伺服系统的设计目 录第一章 绪论1.1 毕业设计的目的1.2 毕业设计的内容1.2.1 数控横向进给系统总体设计方案的拟定1.2.2 进给伺服系统机械部分设计计算1.2.3 数控机床（直流、交流）伺服控制方案分析与计算第二章 数控进给系统总体设计方案的拟定2.1 毕业设计任务书2.2 总体方案的确定2.2.1 概述2.2.2 数控横向进给系统总体设计方案的拟定第三章 机床进给（直流、交流）伺服系统机械部分设计计算3.1 系统切削力的确定3.2 切削力的计算3.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型3.4 进给伺服系统传动计算3.5 伺服电机的计算和选型第四章 数控机床（直流、交
2、流）伺服控制方案分析与计算4.1 数控机床进给（直流、交流）伺服系统组成4.2 数控机床进给（直流、交流）伺服驱动器的选型4.3 数控机床进给（直流、交流）伺服驱动器主电路及辅助电路设计与选型第五章 毕业设计体会第六章 毕业设计感言 附录参考文献第一章 绪论1.1 毕业设计的目的设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态度，加强团队合作精神。1.2 毕业设计的内容1.2.1 数控横向进给
3、系统总体设计方案的拟定1. 系统运动方式的确定。2. 伺服系统的选择。3. 执行机构传动方式的确定。4. 计算机的选择。1.2.2 进给伺服系统机械部分设计计算1. 进给伺服系统机械部分设计方案的确定。2. 确定脉冲当量。3. 滚珠丝杠螺母副的选型。4. 滚动导轨的选型。5. 进给伺服系统传动计算。6. 步进电机的计算和选用。7. 设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。8. 设计绘制进给伺服系统的一张或两张零件图。1.2.3 数控机床（直流、交流）伺服控制方案分析与计算1. 数控机床进给（直流、交流）伺服系统组成。2. 数控机床进给（直流、交流）伺服驱动器的选型3. 数控机床进给（直流、
4、交流）伺服驱动器主电路及辅助电路设计与选型。第二章 数控横向进给系统总体设计方案的拟定2.1 毕业设计任务书1.题目:数控机床横向伺服进给系统的设计2.设计任务:（1）根据机床总体布局,分析应采用的机电一体化设计方案,确定横向进给系统的伺服控制方案；（2）进行机械伺服机构的设计计算,绘制机械传动图及相关装配图(12 张)；（3）进行数控机床伺服驱动器的主电路及辅助电路设备的设计与选型；（4）绘制控制系统原理框图；（5）攥写设计说明书一分（8000 字以上）3.主要技术指标:（1）床身最大加工直径 ；40m（2）最大加工长度 ，横向定位精度 ；10.75m（3）横向最快移动速度 ；ax3/inv
5、（4）横向最快进给速度（工进速度） ；max4/iv（5）可以车削柱面、平面、锥面，最大导程 ；2（6）工作台重量 100 公斤 4.设计要求:（1）机械结构设计合理,控制系统功能完备,原理正确,制图符合国家标准,图面整洁；（2）设计说明书论述清楚,计算无误,数值单位明确,引用公式及资料有出处。 2.2 数控横向进给系统总体设计方案的拟定2.2.1 概述从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直 伺服电机要求在数分钟内过载 4-6 倍而不损坏。为了满
6、足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受 4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在 0.2s 以内从静止启动到额定转速。 电机应能随频繁启动、制动和反转。随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字 PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高 4。数控机床进给运动系统，尤其是轮廓控制
7、的进给运动系统，必须在进给定位及进给速度两个方面同时实现自动控制。对于数控机床进给速度控制方面的问题与本书前几部分所讨论过的调速控制系统相类似，而有关数控机床在进给定位上的问题则属于对运动轨迹的跟踪控制问题，而解决这个问题的控制系统就是通常 所说的伺服控制系统。伺服控制系统也叫随动控制系统，它属于自动控制系统中的一种。与调速系统不同，伺服控制系统要解决的主要问题是如何让系统能精确跟踪输入指令的变化，按要求迅速而精确地到达指定位置。在机电设备中，伺服系统具有重要的地位，被广泛地应用于工业生产、国防、机器人等的各个领域。高性能的伺服控制系统可以提供灵活、方便、准确、快速的伺服运动控制。伺服控制技术
8、在机械制造行业中用的最多也最为广泛，各种机床运动部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制都是依靠各种伺服系统控制完成的。它们不仅能完成转动控制、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成复杂空间曲线的运动控制，如仿型机床的加工轨迹、机器人手臂关节的运动控制等。它们可以完成的运动控制精度高、速度快，远非一般工人操作所能达到。在其它领域，伺服控制系统也有较为广泛的应用。如冶金工业中的电弧钢炉、粉末冶金炉的电极位置控制等；运输行业中的电气机车自动调速、高层建筑物中电梯的升降控制、船舶的自动操舵等，以及军事上的雷达天线的自动瞄准跟踪控制、战术导弹自动跟踪控制，防空导弹的制导控制等等。伺服控制系统大
9、体上可以分为模拟式伺服控制系统和数字式伺服控制系统。模拟式伺服控制系统的稳态精度受到位置检测元件和运算放大器的精度限制，通常只能达到角分（ ）级。如要进一步提高伺服系统的稳态精度，就必须采用数字计算机控制器，用高精度数字式元件（如光电编码器等）作位置反馈元件，实现模拟伺服系统的数字化。从另一方面来看，自动控制技术和计算机技术的发展也为伺服控制系统的数字化提供了必须的基础。自动控制理论的高速发展，为数字伺服控制系统的研制者提供了不少新的控制规律以及相应的分析和综合方法；计算机技术的飞速发展，为数字伺服系统研制者提供了实现这些控制规律的可能性；尤其是半导体技术的发展，更加快了使伺服驱动技术进入全数
10、字化时期脚步，使伺服控制器的小型化指标取得了很大的进步。IGBT（绝缘栅双极晶体管）的发展，使交流伺服控制系统的应用领域逐步超过直流伺服控制系统。可以这样说：随着自动控制、半导体技术、计算机技术和整个工业的不断发展，伺服控制技术也取得了极大的进步，伺服控制系统已经进入了全数字化和交流化的时代。图 2-1 和图 2-2 是模拟伺服系统与数字伺服系统的系统组成原理框图。图 2-1 模拟伺服控制系统的组成原理框图图 2-2 数字伺服控制系统的组成原理框图图 2-1 中所示为由电流环、速度环、位置环所构成的三环位置伺服控制系统。这是一个模拟的或称为连续信号的位置伺服系统，系统中的各种物理量：电动机电流
11、、电动机转速、输出的位置、给定信号等均为模拟量；电流控制器、速度控制器、位置控制器均为由运算放大器所构成的模拟调节器。图 2-2 中所示的是数字伺服系统的组成原理框图。从图中可以看出，在模拟伺服系统的基础上，将模拟控制的控制功能用数字计算机来代替，作为数字控制器，这就构成了计算机控制的数字伺服控制系统。而这一替换使伺服系统发生质 的飞跃。值得注意的是：数字伺服系统与普通模拟伺服系统一样，都是闭环反馈控制系统。所不同的是，数字控制系统中不仅含有数字元件，而且也含有模拟元件。这也就是说信号在系统的传递过程中一部分是连续的模拟信号，一部分是离散的数字信号，数字信号与模拟信号必须通过数-模（D/A）或
12、模-数（A/D）转换才能进行传递，这就须要在系统中加上能够实现数字信号与模拟信号相互转换的接口装置。综上所述，比较模拟伺服系统与数字伺服系统，可以总结出以下特点： 在模拟控制伺服系统中，各处的信号都是连续的模拟信号；而数字伺服控制系统中，除了含有连续模拟信号外，还含有离散信号、数字信号等多种信号。因此，数字伺服控制系统是模拟信号和数字信号的混合控制系统。 在模拟伺服控制系统中，控制规律是由运算放大器通过不同电路元件的连接实现的，控制规律越复杂，所需要的模拟电路往往越多，如果要修改控制规律，一般必须改变原有的电路结构；而在数字伺服控制系统中，控制规律是由数字控制器通过编写算法程序实现的，修改一个
13、控制规律，只需要修改计算机控制器的算法程序，一般不用对硬件电路进行改动，而且由于计算机具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断能力，从而能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律，因此具有更好的灵活性与适应性。 在模拟伺服控制系统中，一般一个控制器占用一套控制设备，控制一个回路；而在数字伺服控制系统中，由于数字控制器具有高速运算能力，一个控制器可以包含多个数字控制程序，可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路。 采用数字方式进行伺服系统的控制，如分级数字控制系统、集散控制系统、计算机网络等，便于实现控制与管理的一体化，使得伺服控制系统的自动化水平进一步提高。 由于数字伺服控制系统需要同时处理数字信号与模
14、拟信号，所以与模拟伺服控制系统相比，数字伺服控制电路需要额外的、能够实现数字信号与模拟信号相互转换的接口驱动电路，以保证信号的有效传递。2.2.2 数控横向进给系统总体设计方案的拟定1.（简述数控伺服系统闭环控制方案中的闭环与半闭环控制方案，然后选定控制方案） 。Comment z1: 这部分的内容是告诉你应该写，如何来阐明自己的观点。给你一个范例：2.2.2 数控横向进给系统总体设计方案的拟定1.概述数控机床按控制方案可以分为二种，它们是步进开环控制系案和伺服闭环控制方案，其中伺服闭环控制方案又可以按其反馈元件的安装位置，分为半闭环与全闭环两种控制方案，由控制理论可知：开环控制的物点是工作状
15、态稳定、对控制设备的要求比较简单，但控制精度却极大地依赖于机械传动系统的制造精度，因此其控制精度不高。就目前来看，这在控制方式在中、高档数控机床中已被淘汰。只有少数低端、低成本的数控机床中还有应用。伺服控制系统的控制特点是综上所述，并考虑到设计问题的给出，本文决定采用*控制方案。Comment z2: 这一章的内容是你要告诉我，在给定条件下，你怎么选择你所需要的丝杠型号。所以你必须围绕着这个问题来进行计算和论述1）.数控机床按控制方式分类就包括开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三种。.开环控制(Open -loop control system )指调节系统不接受反馈的控制，只控制输出
16、,不计后果的控制。又称为无反馈控制系统，在数控机床中由步进电动机和步进电动机驱动线路组成。数控装置根据输入指令，经过运算发出脉冲指令给步进电动机驱动线路，从而驱动工作台移动一定距离，这种伺服系统比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。所以一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些经济型数控机床。.闭环控制（closed-loop control system）则是由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统。在数控机床中由伺服电动机、比较线路、伺服放大线路、速度检测器和安装在工作台上的位置检测器组成。这种系统对工作台实际位移量进行
17、自动检测并与指令值进行比较，用差值进行控制。这种系统定位精度高，但系统复杂，调试和维修困难，价格较贵，主要用于高精度和大型数控机床。.半闭环伺服系统的工作原理和闭环伺服系统相似，只是位置检测器不是安装在工作台上，而是安装在伺服电动机的轴上。这种伺服系统所能达以的精度、速度和动太特性优于开环伺服系统，其复杂性和成本低于闭环伺系统，主要用于大多数中小型数控机床，且能满足市场要求所以，目前应用最为广泛。2）.半闭环控制系统中一般采用直流伺服电动机、交流伺服电动机或液压伺服马达作为驱动元件。在负载较大的大型伺服系统中常采用液压伺服马达，而在中小型伺服系统中，则多数采用直流或交流伺服电动机。由于直流电动
18、机具有优良的静、动态特性，并且易于控制，因而在20世纪90年代以前，一直是闭环系统中执行元件的主流。但是因为其内部有机械换向装置，存在电刷磨损问题，运行时电机的换向器也会出现运行火花，限制了直流电动机的转速与输出功率的提高，所以需要较多维护。因而，随着微处理器技术和电力电子半导体技术的发展，交流伺服系统的性能有了很大提高，它不存在电刷磨损问题，维修也方便，因此随着价钱的逐年降低它在数控机床中的应用也越来越广泛。不过根据设计任务，由于脉冲当量和定位精度并不是很高，空载最快移动速度也不算高，所以可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。综上所述，本次设计考虑采用交流伺服电机半闭环控制系统。
19、2. 机床传动方式的拟定为了实现机床所要求的分辨率，采用伺服电机和丝杠直接相连。为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。第三章 机床进给伺服系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下：3.1 系统切削力的确定主切削力计算及技术参数切削力的大小可用各种测力仪测得，也可用实验得出的近似公式计算：(3.1)PZXYZCtsk(3.2) vhPZk料(3.3)PZXYZvh
20、PZtskk料 (公 斤 力 )式中 系数。决定于工件材料和加工方法，在一定的切削条件（v、s、t 固PZC定）下， 为一常数。 大表示工件材料的加工性差； 小表示工件材料的加工性PZ PZC好。k总的修正系数。决定于工件材料、切削用量和刀具几何形状等。分别为工件材料、切削速度、主偏角、前角、刀具磨损限vPZhPZk料度对 P 的修正系数。、 指数。一般情况下 。这说明吃刀深度对切削力的影响要比ZXYPZXY走刀量对切削力的影响大。下表所列为的系数、指数和修正系数。这些系数在下列条件下制定：刀片材料为硬质合金，工件材料为碳素结构钢， ， ， ，275/b公 斤 力 毫 米 50/v米 分 45
21、， ，后刀面磨损限度 ，切削时不用冷却液，车削外圆。10 0.91h:毫 米它们的系数、指数和修正系数之值也各有不同，可从有关手册中查得。表 3-1系 数 及 指 数工件材料 PZCPZXPZY结构钢 167 1.0 0.75修 正 系 数 b40 50:50 60 60 70:70 80 80 90:90 100工 件材 料=PZk料0.84 0.90 0.95 1.0 1.04 1.09Comment z3: 公斤力是什么单位？v= 50 100 200 300 400 500切 削速 度 =vPZk1.0 0.90 0.82 0.77 0.74 0.71= 30 45 60 70 90主
22、 偏角 =1.08 1.0 0.94 0.94 0.89= +20 +10 0 -10 -20前 角=PZk0.90 1.0 1.1 1.2 1.3h= 0.9 1.2:1.5 2.0:后刀面磨损限度=h1.0 1.053.2 切削力计算 切削功率是切削时在切削区内消耗的功率。当切削速度为已知时，切削功率可用下式计算：(3.4)1026ZPvNkw切 削在校验机床选用的电动机功率时应使(3.5)k切 削 过 电 机式中 机床电动机名义功率（千瓦）；N电 机机床效率（一般齿轮机床 =0.7 0.8）；:电动机超载时容许的系数（一般 =1.25） 57。k过 k过如表 3-1，取其中各参数的最大值
23、进行估算：取 =167， =1.0， ，PZCPZX0.75PZY=1.09， =1.08， =1.3， =1.05， =0.9k料 kkhPZvPZk取 切深 t=5mm，进给量 s=0.3mm/r则由公式(3.3)：0.7516319.081.35489.ZPN公 斤 力Comment z4: 为什么选择这种材料？Comment z5: 只需要计算参数，并按照你的计算参数选择合适的丝杠型号，然后对选择的丝械进行必在的校验就可以了。所以：1. 不需你进行设计计算2. 计算出相应参数后，可以去网络上查找相关的丝杠制造公司，选择出满足计算参数要求的丝杠型号（丝杠的预选）3. 对于所选型号，查询其
24、技术参数，然后根据给出的工作参数进行校验，如校验满足要求则可用，如不满足则要重新选择。(3.6):1:0.2548:9XYFZ而 切削功率：取切削速度为 105m/min，由公式(1.3.4)(1.3.5)得:4.5108.62Nk切 削.0751896k切 削电 机 过取 N切 削已知技术参数：横向最大行程（X 轴）180 mm；工作进给速度为 8000mm/min；横向快速进给速度：8 m/min；刀架估计质量：150kg；滑板的估计尺寸（长 宽 高）：400mm 200mm 80mm；材料选为 HT200。3.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型3.3.1滚珠丝杠螺母副的计算1) 丝杠
25、导程的确定在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为 ，设电机的最高工作转速为1i，则丝杠导程为：max150/innr（3.7）maxhvP，取 38105.h6hP2）确定丝杠的等效转速(3.8)/minhvrP由公式(2.2),最大进给速度时丝杠的转速：3max810./min6hvrP最小进给速度时丝杠的转速： ini .7/ih丝杠等效转速：（取 ）12t(3.9)max1in2/itnr， 转速 ， 作用下的时间(s)。1t2axinmax1in28.94/mintr3) 估计工作台质量及工作台承重刀架质量： 1509.8147GN滑板： 392450.81520N总质量： 1224) 确定丝杠的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引力的试验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为 0.03，K 为颠覆力矩影响系数，一般取 1.1 1.5，现取为 1.1，则丝杠所受的力为（如图 3.1 所示）：:max22() 21.0.3048)190XZYFKfGF =N(3.10) min0F其等效负载可按下式估算
