一． 反应式步进电机的技术指标术语
1．齿数：产生不同对极N 、S 磁场的激磁线圈对数叫一个磁极，每个磁极上出现的一个凸凹状叫一个齿。常用Z 表示。 2．相数：二相 A,B; 三相： A,B,C; 五相：A,B,C,D,E;
3．拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用M 表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB ，拍数为4；四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 拍数为8。 4．步距角α：每通电一次，转子转过的角度。
MZ
360
=α （3－1）
某步进电机转子齿数Z ＝80，三相六拍工作方式，求步距角：代入（3－1）式α＝0.75度。 5．最大静转矩：电机在任意通电状态下，电机转子自身能输出的最大静力矩。
6．额定电压：加在线圈上的电压：单相驱动电压：6V,12V,27V,60V …… ，高低电压驱动：60/12V, 80/12V …… 7．额定电流：电机在额定电压下，达到最大静转矩各相所需要的电流。 8．失步（丢步）：电机运转时运转的实际步数，少于理论上的步数。称之为失步（丢步）。这是由于惯性引起的。 9．超步：电机运转时运转的实际步数，多于理论上的步数。称之为超步。这是由于惯性引起的。 10．最大空载起动频率fq ：步进电机从静止开始启动，能够不丢步运行的最大通电频率。
11．最大空载的运行频率f ：步进电机通电启动后，通电频率逐渐升高，能够不丢步运行的最大通电频率。 12. 带负载启动频率f j
J
J f f F q
j +
=
1
（3－2） αδ=μα=12
Z Z α （3－3） δ=12360360Z Z T T α=μα （3－4） J F 为负载折合到电机轴上的转动惯量，J 为转子的转动惯量，见（3－2）。
13．转动脉冲当量：步进电机每转一个步距角，最终执行机构转过的角度αδ,（3－3式） 14．直线脉冲当量：步进电机每转一个步距角，最终执行机构运动的直线位移δ,（3－4 式）
例题：某数控车床采用110BF003步进电机，步距角α＝0.75o,要求δ＝0.01mm ，T ＝6mm ，设计传动系统，画出传动原理图和结构原理图。
解：由δ=
1
2
360360Z Z T
T α=
μα得： μ=
20
25
01.0360675.0360T =??=δα
为结构原理图
15. 矩频特性： 电机运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机
选择的根本依据,如图3－5。原因是自感电动势有关。
M
f
矩频特性
提示：步进电机功率W 一定，W=Mω 为什么不是双曲线关系呢？因为根据楞茨定律，频率越高，自感电动势削弱了电流，使扭矩降低。
至此，本章涉及电与磁方面的四个定律：
1．毕奥－萨伐尔－拉普拉斯定律 （用右手螺旋法则）。 2．安培定律 （用左手定则） 3．法拉第电磁感应定律 （用右手定则，是电机的逆向发电机原理） 4．楞茨定律 （用右手定则判断）
16．步进电机自动升降速控制
机床开始加工时，伺服系统电机由静止自动升速到要求的速度，恒速加工，快到终点时，伺服系统电机转速逐渐下降，以比较低的速度静止运转，即到加工终点。步进电机的自动升降速曲线如图3－11所示，这种升降速时间最短。
二．步进电机正反转控制及其与计算机接口电路
1. 接口电路设计
三相A 、B 、C 步进电机三相单三拍通电脉冲相序：A →B →C →A →B →C →A ………，M =3,当步进电机反转时的通电相序为正转时刻的反向顺序，三相六拍通电脉冲相序：A →A B →B →BC →C →CA →A →AB ………，M =6,某时刻CA 通电，反转通电相序为：C →BC →B →AB →A →CA →C →BC ………
设IPC5313并行输入输出接口卡的150H 口的D0、D1、D2分别接A 、B 、C 相，显然是弱电控制强电，需要采用光电隔离，发光二极管正极接＋5V ，负极接计算机IPC5313并行输入输出接口卡的150H 口的D0、D1、D2引脚，计算机向D0、D1、D2位发1为低电平，相应相放大电路导通，线圈通电；发0为高电平，相应相放大电路不导通，线圈不通电；如图3－7：
三相六拍正转通电脉冲状态数为：
00000001B → 01H A 相通电 00000011B → 03H A 、B 相通电
00000010B → 02H B 相通电 00000110B → 06H B 、C 相通电 00000100B → 04H C 相通电 00000101B → 05H C 、A 相通电
2．三相六拍+X 向点动程序ZCXZD.CPP,按右箭头键＋X 向点动运行；按ESC 退出点动 #include
int GetKey(void);
unsigned char a[6]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05}; int r=0,i=0,shu=0; int key; main() { 图3－7 用IPC5313并行输入输出卡控制三
相步进电机接口电路图
t
{ key=GetKey();
if(key==ESC) break;
if(key==RIGHT)
{ outportb(0x150,a[i]);
shu++; printf("%d\n",shu);
i++;
if(i==6) i=0;
}
}
}
int GetKey(void) // 执行这个程序，函数返回值为按键的 ASCII 码
{
int Ch,Low,Hig;
Ch=bioskey (0); Low=Ch&0x00ff;
Hig=(Ch&0xff00)>>8;
return(Low==0? Hig+256:Low); }
3．三相六拍+X 向手动运行程序设计ZCXZYX.CPP
运行脉冲当量已经存在D 盘根目录下的shoudong.dat 文件中，用150H 口接口电路如图3－7，只是在153H 口的D7位接行程开关，行程开关接口电路图和程序框图如图3－8，边运行边显示运行的步数。 #include
void yxmove();
unsigned char a[6]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05}; int c=0,r=0,i=0,j=0,s=0;
main()
{
fp=fopen("d:\\shoudong.dat","r");
fscanf(fp,"%d",&j); fclose(fp); while(j>0)
{
yxmove();
c=inportb(0x153);
r=c&0x80; if(r!=0)
{
break; }
}
}
void yxmove() {
outportb(0x150,a[i]); j--;
printf(“%d\n ”,j); i++;
图3－8 用IPC5313图 卡的手动运行程序框，
行程开关接口电路图
行程开关接153H 口的D7位 图3－9 步进电机选择计算步骤
i=0; }
作业题1：某加工中心机床转动坐标用步进电机有96个齿, 采用5相10拍方式驱动, 要求实现转动脉冲当量0.025度,
1. 求步进电机的步矩角。
2. 试设计此传动系统,并画出结构原理。
3. 若工作台转动角速度为360度/分,求计算机发
脉冲的频率。
作业题2：某数控机床的步进电机驱动系统，已知步进电机转子的齿数为80，三相六拍工作方式。丝杠的导程值为6mm ，脉冲当量为0.01mm 。求：1.步进电机的步距角；2.步进电机每转所需脉冲数；3.若驱动步进电机的脉冲频率f=2400次/s, 此时步进电机的转速，工作台运行的速度；4.设计该传动系统，画出传动结构原理图。
三．步进电机的选择
选择步进电机有步距角（涉及到相数、齿数和拍数）、转矩（是工作状态的转矩）、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
1．步距角的选择： 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机），1.5度/0.75度 （三相电机）等。步距角的选择遵循公式（3－3）和（3－4）。这样就选择了传动比，和丝杠螺距，蜗轮蜗杆，带轮等等机械传动一部分参数就确定了，另一些参数，如齿轮齿数模数后续再计算。
2．转矩的选择： 步进电机的动态转矩与频率有关，即图3－5矩频特性，一下子很难确定，先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载（转动惯量）和摩擦负载（摩擦力、切削力等）二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下按恒速运行只要考虑摩擦负载，惯性负载作为后续验算：
静力矩 M j ≥ （2－3）负载力矩M f （3－5） 静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。 运行频率:
δ
60V
1000f =
（3－6）
V –工件运行速度 m/min ,
δ脉冲当量mm/步 。通过f 可以用说明书查图3-5步进电机的动态转矩M d
。
3. 电流的选择: 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）,综上所述选择电机一般应遵循图3－9步骤。
4. 步进电机惯性负载的验算: 步进电机轴上总当量负载转动惯量J d 与电机轴自身转动惯量J m 的比值应控制一定范围内，取：
1J J 41
m
d ≤≤ （3－7） 如果比值太大，相当于J d 太大，J m 太小，则伺服系统的动态性能取决于负载，由于工作条件变化，如刹车，受力大小变化等，引起负载的阻尼，质量，刚度等变化，电机左右不了（把握不了）负载的动态变化，会使伺服系统不稳定，影响寿命，也产生误差。如果比值太小，相当于J d 太小，J m 太大，则电机选择不合理，能力过剩，或传动系统不足，伺服系统的动态性能取决于电机。所以根据（3－24）验算后，若不合理，修改机械传动部分的参数。 四. 选择题
1．数控系统所规定的最小设定单位就是（ C ）。
A. 数控机床的运动精度
B. 机床的加工精度
C. 脉冲当量
D. 数控机床的传动精度 2．步进电机的转速是通过改变电机的（ A ）而实现。 A.脉冲频率 B.脉冲速度 C.通电顺序 3. 开环控制系统用于（ A ）数控机床上。 A. 经济型 B. 中、高档 C. 精密 4. 加工中心与数控铣床的主要区别是（ Ｃ ）。
A. 数控系统复杂程度不同
B. 机床精度不同
C. 有无自动换刀系统
5. 步进电机的起动频率比运行频率( ① )。 ①高 ②低 ③相等 ④无法确定
6. 在步进电机性能中,矩频特性( ① )。 ① 频率越高力矩越小 ② 力矩与频率无关 ③ 频率越高力矩越大 ④
不同步进电机有不同矩频特性,但频率与力矩无法确定
数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计 1 引言 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。 X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X 、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 2 设计任务 题目：数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计 任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下： 1. 立铣刀最大直径的d=15mm ； 2. 立铣刀齿数Z=3; 3. 最大铣削宽度e a =15mm; 4. 最大背吃刀量p a =8mm; 5. 加工材料为碳素钢活有色金属。 6. X 、Y 方向的脉冲当量x y δδ==0.01mm;
7. X 、Z 方向的定位精度均为0.04mm; 8. 重复定位精度为0.02mm; 9. 工作台尺寸 250×250㎜; 10.X 坐标行程 300mm; 11.Y 坐标行程 120mm; 12.工作台空载进给最快移动速度：V xmaxf =V zmaxf =1500mm/min; 13.工作台进给最快移动速度:max max 400mm /min x f z f V V ==; 3 总体方案确定 3.1机械传动部件的选择 3.1.1导轨副的选用 要设计数控车床X-Z 工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度不是很高，因此选用直线滑动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 3.1.2丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.004mm 冲当量和01.0±mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 3.1.3伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0.01mm ，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此1500mm/min ，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。 3.1.4减速装置的选用 为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，需要设置减速装置，且应有消间隙机构。因此决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 3.1.5检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所
前言........................................................................................................................ 3 1 机床进给传动控制方向的选择 .. (4) 1.1 开环控制系统 ...................................................................................... 4 1.2 闭环控制系统 ...................................................................................... 4 1.3 半闭环控制系统 .................................................................................. 4 2 传动系统的设计 .. (5) 2.1 直联传动系统 ...................................................................................... 5 2.2 带传动系统 .......................................................................................... 5 2.3 传动系统图 .......................................................................................... 5 3 数控车床伺服进给系统X 轴设计 . (6) 3.1 确定滚珠丝杠副的导程()mm P h ......................................................... 6 3.2 确定当量转速与当量载荷 .................................................................. 6 3.3 预期额定动载荷()N C am ..................................................................... 7 3.4 确定允许的最小螺纹底径 .................................................................. 8 3.5 确定滚珠丝杠副的规格代号 .............................................................. 9 3.6 确定滚珠丝杠副预紧力()N F p ......................................................... 10 3.7 对预拉伸的滚珠丝杠副 .................................................................... 10 3.8 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格 .................................... 10 3.9 滚珠丝杠副工作图设计 .................................................................... 11 3.10 伺服电动机的选择 .......................................................................... 11 3.11 传动系统刚度 .................................................................................. 12 4 验算 .. (14) 4.1 传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择 ................................ 14 4.2 验算滚珠丝杠副临界压缩载荷()N F c .............................................. 15 4.3 验算滚珠丝杠副的临界转速()min n n c ........................................... 15 4.4 验算n D ............................................................................................... 15 4.5 基本轴向额定静载荷oa C 验算： (16)
数控机床进给系统设计
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 1.1、伺服系统对伺服电机的要求 （1）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。 （2）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。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （3）为了满足快速响应的要求，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。 （4）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。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 1.2、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反
馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。 直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。 交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。 1.3、主要设计任务参数 车床控制精度：0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度：V max=5m/min。最大加工直径为D =400mm，工作台及刀架重：110㎏；最大轴，向力=160㎏；导轨静摩擦系数=0.2； max 行程=1280mm；步进电机：110BF003；步距角：0.75°；电机转动惯量：J=1.8×10-2㎏.m2。
数控车床进给伺服 系统设计 1 2020年4月19日
进给伺服系统设计 一、设计要求： 行程1000mm，最低速度0.001mm/r，最高速度0.5mm/r，最大载荷4500N ，精度 根据设计要求可知：进给伺服系统最大载荷为4500N，工作台纵向行程1000mm，进给速度最高为2500х0.5=1250mm/min，最小选为1mm/min，快移速度取=15m/min，重复定位精度为 0.003mm。 二、设计传动系统： 伺服电动机的最高转速=1500r/min。如使电动机与丝杠直联，n=1，则根据公式：i=/，丝杠的最高转速=1500r/min，则丝杠的导程为： ==mm=10mm 数控机床的脉冲当量常取a=0.001mm每脉冲。代入 2 2020年4月19日
式b=i，电动机每转应发出的脉冲数b为： b=i=х1个=10000个 位置反馈器常见的有旋转变压器和脉冲编码器。旋转变压器的分解精度常为每转个脉冲。因此，如果用旋转变压器，可在电动机轴和旋转变压器轴间装5:1的齿轮升速。脉冲编码器现有产品为每转,2500,5000脉冲等数种。如取每转2500脉冲，则编码器后应有一个倍频器，倍数为4。 速度反馈装置，如与旋转变压器相配套，可用测速发电机。其性能为电动机每1000r/min，输出一定的电压。如用脉冲编码器，则可在倍频器后加一个频率—电压（F/U ）转换器。其转换比例为每脉冲/分，输出电压为（V）。现选用的电动机每转的脉冲数为个，故转换比例仍为6V每1000r/min。三、滚珠丝杠的选择 滚珠丝杠的直径，滚珠的列数和圈数，应按当 3 2020年4月19日
进给伺服系统的设计 4.1 简介 数控机床伺服进给系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统，简称伺服系统。它主要由伺服驱动单元、伺服电动机、机械传动装置、执行元件和位置检测反馈单元等部分组成，其中开环控制伺服系统无位置检测反馈单元。伺服系统的输入与数控插补器相联，接受指令信号的控制，其输出与机床的机械运动相联，完成预定的直线或转角位移。 伺服进给系统按照数控加工对轨迹要求可分为点位控制、点位直线控制和轮廓控制；按照有无检测元件的安装位置可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制；按照反馈信息和比较方法的不同可分为脉冲比较、相位比较和幅值比较。 4.2传动系统的设计及计算 4.2.1 进给传动系统设计时要考虑的方面 1）间隙。间隙是控制系统中的非线性因素，引起一个直接的时间滞后，造成随机误差和增加不稳定倾向，应尽量减小或消除。 2）刚度质量比。传动链的弹性变形会产生时间滞后和超越，产生误差，但增加结构造成惯性大也会使系统动态性能下降，调整困难。故应设计刚度质量比大的结构以满足要求。 3）摩擦。摩擦会使加速性能下降，尤其应尽量减小静摩擦力和动摩擦力之差，防止产生自激振动或爬行。 4）阻尼。阻尼会增大误差，但能减小超调量，有使系统稳定的作用，故应在系统内有适当的阻尼。 4.2.2设计步骤 1）选择控制形式 精度要求高时，一般采用闭环控制，但对于大型机床，受传动链刚度和固有频率限制，应采用半闭环或开环控制。要求精度不太高时，通常采用半闭环控制。 根据以上原则，选用开环控制系统。 2）选择驱动元件
主要考虑惯量匹配要求31≤≤L M J J ，电机惯量过大时，其加速性能得不到充分发挥，太小时与负载惯量不匹配，影响整个系统的伺服性能。查考[5]P41-346，选取m kg J M ??=-4106 ① 本设计方案选用步进电动机来驱动。 ② 已知脉冲当量为0.01mm ，最大进给速度min /10max m =ν， 则电动机的工作频率HZ f 7.1666601 .0601010603 max =??==δν 查[15]P41-341表41.5-18，选取电动机型号为90BF004，其主要技术参数如下表： 3） 机械传动装置设计 ① 选择执行机构 因为移动行程小于4m ，故采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠精密、灵敏、传动效率高，通过预加载荷，能消除丝杠和螺母间的间隙，提高传动精度。 ② 选择导轨类型 要考虑尽可能减少摩擦力，故采用滚动导轨。为了满足系统稳定性要求，应适当增加导轨阻尼比，故选取ξ=0.05。
目录 设计总说明 ..................................................................................................... I GENERAL DESING INTRODUCTIO (Ⅲ) 目录 (Ⅵ) 第一章引言 (1) 1.1数控机床的发展 (1) 1.2数控机床的改造的必要性 (2) 1.3本课题的研究对象及其相关参数 (3) 第二章纵向进给系统总体方案的拟订和论证 (4) 2.1设计任务 (4) 2.2总体方案的论证 (4) 2.3总体方案的确定 (5) 第三章进给伺服系统机械部分设计 (6) 3.1切削力的计算 (6) 3.2滚珠丝杆螺母副的计算和选型 (7) 3.3齿轮传动比的计算 (10) 3.4步进进电机的计算和选型 (11) 第四章数控系统硬件控制设计 (16) 4.1控制系统方案确定 (16) 4.1.1数控系统基本硬件组成 (16) 4.1.2总体组成 (16) 4.2总体组成及软硬件的分配 (16) 4.3主控部分的设计 (17) 4.3.1主控芯片选择 (17) 4.3.2MCS—51系列单片机介绍 (17) 4.3.3三总线结构 (19) 4.3.4存储器结构 (19) - VI -
4.3.5时序 (19) 4.3.6中断功能 (20) 4.3.7MCS---51单片机常用系统扩展芯片 (21) 4.4存储器扩展设计 (22) 4.4.1芯片选择 (22) 4.4.2地址分配及译码 (23) 4.5接口电路及辅助电路具体设计 (26) 4.5.1.步进电机接口电路 (26) 4.5.2.键盘、显示接口 (27) 4.5.3其他辅助电路 (29) 第五章经济型数控系统软件设计 (30) 5.1软件的组成 (30) 5.2插补原理及其程序设计 (30) 5.2.1插补方法概述 (30) 5.2.2逐点比较法的直线插补及其程序设计 (31) 5.2.3逐点比较法的圆弧插补及其程序设计 (34) 5.3步进电机运行程序控制设计 (36) 5.4经济性数控系统的软件模型 (37) 5.4.1模块组成 (37) 5.4.2缓冲区设置 (37) 5.4.3中段处理器 (38) 5.4.4各模块说明及流程图 (38) 结论 (42) 参考文献 (43) 致谢及声明 (44) - VII -
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 1.1、伺服系统对伺服电机的要求 （1）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。 （2）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。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （3）为了满足快速响应的要求，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。 （4）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。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 1.2、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。
伺服电动机与进给丝杠的连接 班级：姓名：学号： 摘要： 本文主要讲述了伺服电动机与进给丝杠的连接，通过对数控机床进给伺服系统的介绍，对简单结构进行认知，和对进给伺服系统的作用及组成的了解，进而引入对伺服电动机与进给丝杠的连接的详细叙述，通过对伺服电动机与进给丝杠的连接的三种方式展开对其的知识掌握，最后对其在社会工业发展中的实际应用的发展进行了解。 关键词：数控机床的伺服进给系统、伺服电动机、进给丝杠、特点、发展 Abstract： This paper is mainly about the servo motor and a feed screw connection, through the introduction of CNC machine tool servo system, cognition of simple structure, and the feeding servo system of the function and composition of the understanding, and then introduce the servo motor and the feed screw connections are described in detail, expand the knowledge through the servo motor and the feed screw connection of the three ways, finally, the practical application in the industrial society in the development of the development of understanding. Keywords：Servo feed system, servo motor, feed screw, characteristics and development of CNC machine tools 1 引言 目前,数控机床正朝着高精度、高速度、高可靠性以及智能化、数字化、绿
一． 反应式步进电机的技术指标术语 1．齿数：产生不同对极N 、S 磁场的激磁线圈对数叫一个磁极，每个磁极上出现的一个凸凹状叫一个齿。常用Z 表示。 2．相数：二相 A,B; 三相： A,B,C; 五相：A,B,C,D,E; 3．拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用M 表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB ，拍数为4；四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 拍数为8。 4．步距角α：每通电一次，转子转过的角度。 MZ 360 = α （3－1） 某步进电机转子齿数Z ＝80，三相六拍工作方式，求步距角：代入（3－1）式α＝0.75度。 5．最大静转矩：电机在任意通电状态下，电机转子自身能输出的最大静力矩。 6．额定电压：加在线圈上的电压：单相驱动电压：6V,12V,27V,60V …… ，高低电压驱动：60/12V, 80/12V …… 7．额定电流：电机在额定电压下，达到最大静转矩各相所需要的电流。 8．失步（丢步）：电机运转时运转的实际步数，少于理论上的步数。称之为失步（丢步）。这是由于惯性引起的。 9．超步：电机运转时运转的实际步数，多于理论上的步数。称之为超步。这是由于惯性引起的。 10．最大空载起动频率fq ：步进电机从静止开始启动，能够不丢步运行的最大通电频率。 11．最大空载的运行频率f ：步进电机通电启动后，通电频率逐渐升高，能够不丢步运行的最大通电频率。 12. 带负载启动频率f j J J f f F q j + = 1 （3－2） α δ= μ α= 1 2Z Z α （3－3） δ= 1 2360 360Z Z T T α= μ α （3－4） J F 为负载折合到电机轴上的转动惯量，J 为转子的转动惯量，见（3－2）。 13．转动脉冲当量：步进电机每转一个步距角，最终执行机构转过的角度αδ,（3－3式） 14．直线脉冲当量：步进电机每转一个步距角，最终执行机构运动的直线位移δ,（3－4 式） 例题：某数控车床采用110BF003步进电机，步距角α＝0.75o,要求δ＝0.01mm ，T ＝6mm ，设计传动系统，画出传动原理图和结构原理图。 解：由δ= 1 2360 360Z Z T T α= μ α得： μ = 20 2501 .0360675.0360T = ??= δ α 为结构原理图 15. 矩频特性： 电机运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机 选择的根本依据,如图3－5。原因是自感电动势有关。 M f 矩频特性
伺服电动机与进给丝杠的 连接 Prepared on 22 November 2020
伺服电动机与进给丝杠的连接 班级：姓名：学号： 摘要： 本文主要讲述了伺服电动机与进给丝杠的连接，通过对数控机床进给伺服系统的介绍，对简单结构进行认知，和对进给伺服系统的作用及组成的了解，进而引入对伺服电动机与进给丝杠的连接的详细叙述，通过对伺服电动机与进给丝杠的连接的三种方式展开对其的知识掌握，最后对其在社会工业发展中的实际应用的发展进行了解。 关键词：数控机床的伺服进给系统、伺服电动机、进给丝杠、特点、发展Abstract：Thispaperismainlyabouttheservomotorandafeedscrewconnection,throughthe introductionofCNCmachinetoolservosystem,cognitionofsimplestructure,an dthefeedingservosystemofthefunctionandcompositionoftheunderstanding,a ndthenintroducetheservomotorandthefeedscrewconnectionsaredescribedind etail,expandtheknowledgethroughtheservomotorandthefeedscrewconnection ofthethreeways,finally,thepracticalapplicationintheindustrialsocietyi nthedevelopmentofthedevelopmentofunderstanding. Keywords： Servofeedsystem,servomotor,feedscrew,characteristicsanddevelopmentofC NCmachinetools 1引言 目前,数控机床正朝着高精度、高速度、高可靠性以及智能化、数字化、绿色环保等方向发展。而我国数控机床在技术水平,性能和质量等方面与国外发达国家有很大差距。因此加快我国数控机床及其功能部件的发展速度是当务之急。高速数控机床进给系统一般依靠两种传动方式:高速精密滚珠丝杠副传动和直线电机传动。其中滚珠丝杠副传动方式由于采用旋转电机，到联轴器，再经
4、简述采用的数控铣床伺服系统的组成、原理及作用 数控机床伺服系统是以机床运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称位置 随动系统，简称伺服系统。 数控机床伺服系统包括进给伺服系统和主轴伺服系统。 1、进给伺服系统用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪、定位 系统，它包括速度控制和位置控制，是一般概念的伺服驱动系统；数控机床的进给伺服系 统与一般的机床的进给系统有本质的差异，它能根据指令信号自动精确的控制执行部件运 动的位移、方向和速度，以及数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。 2、主轴伺服系统用于控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般只以速 度控制为主。 伺服控制系统分为开环伺服系统和闭环伺服系统，开环伺服系统由驱动控制单元、执行原 件和机床组成。闭环伺服系统由执行元件、驱动控制单元、机床及反馈检测元件、比较环 节组成。 图4-1数控伺服系统的组成 伺服系统的作用是接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定 的转换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件进行运动。 5、分析所采用数控铣床所需的主运动、进给运动、换刀与刀库原理结构，并画出数控机 床总体方案草图，简述其尺寸、动力、运动参数范围。 5.1数控机床CK6140主轴运动 主轴部件是机床的重要部件之一，其精度、抗振性和热变形对加工质量有直接影响。特别 是如果数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响将更为严重。数控机床主轴部件 在结构上要解决好主轴的支承、主轴内刀具自动装夹、主轴的定向停止等问题。 数控机床主轴的支承主要采用图1所示的三种主要形式。图5-1a所示结构的前支承采用 双列短圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。这 种结构的综合刚度高，可以满足强力切削要求，是目前各类数控机床普遍采用的形式。图 5-1b所示结构的前支承采用多个高精度向心推力球轴承，后支承采用单个向心推力球轴承。这种配置的高速性能好，但承载能力较小，适用于高速、轻载和精密数控机床。图5-1c所示结构为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。这种配置的径向和
第6章 数控机床伺服系统 进给伺服系统就是数控系统主要的子系统。如果说CNC 装置就是数控系统的“大脑”,就是发 布“命令”的“指挥所”,那么进给伺服系统则就是数控系统的“四肢”,就是一种“执行机构”。它忠 实地执行由CNC 装置发来的运动命令,精确控制执行部件的运动方向,进给速度与位移量。 第一节 概述 、 进给伺服系统的定义及组成 、 定义:进给伺服系统(Feed Servo System)——以移动部件的位置与速度作为控制量的自动 控制系统。 一、进给伺服系统的定义及组成 组成: 进给伺服系统主要由以下几个部分组成:位置控制单元;速度控制单元;驱动元件(电 机);检测与反馈单元;机械执行部件。 ３、进给伺服驱动系统由进给伺服系统中的 驱动电机及其控制与驱动装置组成。 ４、驱动电机就是进给系统的动力部件,它提供执行部分运动所需的动力,在数控机床上常用 的电机有: 步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机 直线电机。 ５ 、速度单元就是上述驱动电机及其控制与驱动装置,通常驱动电机与速度控制单元就是 相互配套供应的,其性能参数都就是进行了相互匹配,这样才能获得高性能的系统指标。 ６、速度控制单元主要作用:接受来自位置控制单元的速度指令信号,对其进行适当的调节运 算(目的就是稳速),将其变换成电机转速的控制量(频率,电压等),再经功率放大部件将其变换 成电机的驱动电量,使驱动电机按要求运行。简言之:调节、变换、功放。 ７、进给驱动系统的特点(与主运动(主轴)系统比较): ? 功率相对较小; ? 控制精度要求高; ? 控制性能要求高,尤其就是动态性能。 二、NC 机床对数控进给伺服系统的要求 1、调速范围要宽且要有良好的稳定性(在调速范围内) 调速范围: 一般要求: 稳定性:指输出速度的波动要少,尤其就是在低速时的平稳性显得特别重要。 调速范围: 一般要求: 2、稳定性:指输出速度的波动要少,尤其就是在低速时的平稳性显得特别重要。 输出位置精度要高 静态:定位精度与重复定位精度要高,即定位误差与重复定位误差要小。(尺寸精度) 动态:跟随精度,这就是动态性能指标,用跟随误差表示。 (轮廓精度) 灵敏度要高,有足够高的分辩率。 3、负载特性要硬 在系统负载范围内,当负载变化时,输出速度应基本不变。即△F 尽可能小;当负载突变时,要 求速度的恢复时间短且无振荡。即△t 尽可能短; 应有足够的过载能力,以满足低速大转矩的要求。(高速恒功率,低速恒转矩) 这就是要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。 4、 响应速度快且无超调 这就是对伺服系统动态性能的要求,即在无超调的前提下,执行部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。 通常要求从 0→Fmax(Fmax →0),其时间应小于200ms,且不能有超调,否则 对机械部件不利,有害于加工质量。 min max F F R N =m in 1m in 1.010000min mm F mm R N <≤>且
陕西科技大学 目录 1.1 设计任务 (2) 1.设计题目： (2) 2.设计内容与要求 (2) 1.2 总体方案设计 (2) 1.2.1带有齿轮传动的进给运动 (2) 1.3 机床进给伺服系统机械部分设计计算 (2) 1.选择脉冲当量 (2) 2.计算切削力 (2) 1）纵车外圆 (2) 2)横切端面 (2) 3.滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (3) 1）纵向进给丝杠 (3) 2)轴承选择。 (7) 3）定位精度校核 (8) 4.齿轮传动比计算。 (9) 总结 (10) 参考文献 (11)
数控机床纵向进给伺服系统设计 1.1 设计任务 1.设计题目： 数控机床纵向进给伺服系统设计 2.设计内容与要求 课题说明 某一数控机床纵向进给伺服系统设计要求如下： 纵向最大进给力为5000N，工作台重300Kg，工件及夹具的最大重量为500Kg，工作台纵向行程680mm，进给速度1～4000mm/min，快速速度15m/min。导轨为矩形，表面粘贴聚四氟乙烯软带（摩擦系数为：0.04）。要求的定位精度为±0.006mm。 设计内容 ——传动系统设计，主要包括运动转换机构、连接支撑方式等。 设计参数如下： (1)纵向行程：680mm (2)最大加工直径： 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm (3)最大加工长度：1000mm (4)纵向进给速度：0.001～4m/min (5)纵向快速速度：15m/min (6)工作台重：300Kg (7)工件及夹具的最大重量：500Kg (8)摩擦系数为：0.04 (9)代码制：ISO 1.2 总体方案设计 1.2.1带有齿轮传动的进给运动 图1—1
数控伺服系统组成及原理介绍 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。 数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。 一、伺服系统的组成 组成：伺服电机 驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块 位置调节单元 速度调节单元 电流调节单元 检测装置 一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。 位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。 严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。 位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。 严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。
二、对伺服系统的基本要求 1．精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。2．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，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。 3．快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4．调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。0～24m / min。 5．低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 对伺服电机的要求： （1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性 （2）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。 （3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度 (400rad / s2以上)。 （4）能承受频繁的起动、制动和正反转。 三、伺服系统的分类 1．按调节理论分类
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、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（1—2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）
第七部分数控机床进给伺服系统的控制原理 1。数控机床进给运动伺服系统的分类和特点。 数控机床进给运动伺服系统可以分为开环系统和闭环(半闭环)系统。在开环系统中不进行位置和速度的检测，构成这样的系统成本较低，但它的缺点是一旦产生误差，就会逐渐积累。开环系统采用步进电动机或电液脉冲马达作为动力源。与开环系统相比，闭环(半闭环)系统在系统硬件构成上要用位置检测元器件和比较器。从控制原理上讲，闭环与半闭环系统没有什么差别。 闭环系统沿导轨移动方向安装位移传感器，直接测量工作台的位移；而半闭环系统则把角位移传感器安装在滚珠丝杠端部测量其角位移，不能反映工作台位移部分的误差。 2。数控机床的进给位置指令由CNC装置通过插补运算得到。 3。开环伺服系统 (1)开环伺服系统的结构: 开环系统无位置反馈元器件，其驱动动力源将数字脉冲转换为角位移，不用位置检测元件定位，而是靠驱动元件本身。开环伺服系统转过的角度正比于指令脉冲的个数，运动速度由进给脉冲频率决定。 开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。一般用于轻载且负载变化不大的场合，或经济型数控机床上。 (2)系统工作原理: 开环系统驱动控制线路接受来自数控机床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电动机定子各绕组依次通电、断电的信号，使步进电动机运转。步进电动机的转子与机床丝杠连在一起，转子带动丝杠转动，丝杠转动使工作台产生移动。包括: a。工作台位移量的控制，即进给脉冲数→ N定子绕组通电状态变化次数 ?工作台位移量L。 → N步进电动机转子的转角→ b。工作台进给速度的控制，即进给脉冲的频率→ f定子绕组通电状态的变 ω工作台进给速度L。 化频率→ f步进电动机转子的转速→ c。工作台运动方向的控制 改变定子绕组的通电顺序就可使步进电动机正转或反转，从而改变工作台进给方向。 (3)提高步进系统精度的措施: 步进系统是一个开环系统，要提高系统的工作精度，应从几个方面考虑，如改善步进电动机的性能，减小步距角；采用精密传动副，减小传动链中的传动间隙等，但这些因素常因结构工艺的关系而受到一定的限制。在这种情况下可从控制线路采取一些措施弥补其不足。三种常见的提高系统精度的方法为: a。细分线路细分线路就是把步进电动机的一步再分得细一些，来减小步距角。
机电一体化 课程设计 题目:数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计学生姓名 专业机械设计制造及其自动化 学号 班级2007级2班 指导教师 成绩 工程技术学院 2010年6月
目录 一、设计任务 (1) 1.1机电一体化课程设计题目 (1) 1.2数控铣床工作台等相关部件的基本参数 (1) 二、系统总体方案框图及分析说明 (1) 2.1总体方案设计 (1) 2.2绘制总体方案图 (2) 三、机械系统设计计算、各部件类型选择说明及进给传动系统的示意图与说明 (2) 3.1移动部件的重量估算 (2) 3.2负载的分析计算 (2) 3.3导轨副的分析计算，选型，效核 (4) 3.4丝杠螺母副的计算，选型，效核 (5) 3.5绘制进给传动系统示意图 (8) 3.6直流伺服电动机的计算，选型，效核 (8) 3.7减速器的选用 (9) 3.8验算系统的等效转动惯量 (10) 四、控制系统硬件电路设计 (13) 4.1微机的选用 (13) 4.2存储器的选用与扩展 (14) 4.3译码电路设计 (17) 4.4接口电路设计等 (18) 4.5驱动电路的设计 (19) 4.6绘制控制系统原理框图 (18) 五、传感器的选择与设计说明 (19) 5.1选择传感器 (19) 5.2传感器与微机的接口电路 (22) 六、课程设计总结与心得体会 (22) 七、参考资料 (23)
一、设计任务 1.1机电一体化课程设计题目 数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计 1.2数控铣床工作台等相关部件的基本参数 能用键盘输入命令控制工作台的运动方向； 能实时显示当前运动位置； 具有越程指示报警及停止功能； 能有位置检测装置，能进行调节并反馈给控制系统； 工作台尺寸：700×800×50mm 工作台T型槽：5×18mm 工作台最大承重：800kg X—Y—Z轴行程：600×800×350mm 电主轴输出功率：15kw 变频主轴转速：15000r/min 最高位移速度：15m/min 最大加工速度：8m/min X—Y—Z轴最小分辨率（即脉冲当量）：0.001mm 定位精度：±0.005/300mm 重复定位精度：0.005mm 二、系统总体方案框图及分析说明 2.1总体方案设计 （1）系统的运动方式与伺服系统 为了使铣床的性能满足基本要求，选x、z轴坐标快进为15m/min，水平拖力F x=30kN，则要求电动机功率P=Fv=（30×15/60）kW=7.5 kW，选用步进电机则满足不了要求，例如，200BF001反应式步进电机，其最大静转矩为14.7N.m，最高空载运行频率为11000 step/s，步距角为α=0.16°/step，若取最高工作频率下的工作转矩为最大静转矩的1/4，则高速运行工作状态下所需功率为P H=1/4×14.7×11000×0.16×（2π/360）W=0.1129kW，如果选用步进电机，则会降低快速性要求。但交流电机的控制结构较复杂，技术难度高，而且价格高，故选择直流伺服电机。选择半闭环系统比闭环系统简单，成本低，且能满足机床精度和加工精度基本的要求。 综上所述采用直流伺服电机开环控制系统驱动X—Y—Z工作台。 （2）计算机控制系统 本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。 控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电耦合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控铣床工作台的状态。 （3）X—Y—Z工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用精密滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。