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数控铣床伺服控制系统设计数控铣床伺服控制系统是一种集机械、电子、计算机于一体的高精度自动化加工设备，其控制系统的设计对于设备的性能和效率具有决定性的影响。
本文将探讨数控铣床伺服控制系统的设计，从硬件选型、软件设计和系统测试三个方面进行分析，并对数控铣床伺服控制系统的未来发展进行了展望。
一、硬件选型首先，对于数控铣床伺服控制系统的设计，硬件设备的选型至关重要。
硬件包括电机、运动控制卡、接口板、传感器等。
要根据数控铣床的工作要求、工件的类型、规格等来选择硬件设备，尽可能满足加工的高质量、高效率、低成本等要求。
1. 电机选型电机是数控铣床的核心部件之一，其质量、功率等直接影响加工效果。
在选购电机时，一般需要考虑以下几个因素：（1）功率大小：选型需要根据加工对象的大小，考虑传递扭矩的大小。
（2）速度范围：电机的转速范围要能满足加工需要。
（3）控制性：电机控制系统要支持闭合环控制。
（4）功率因数：考虑电力消耗，密切关注功率因数。
2. 运动控制卡选型选型时需要根据以下几个方面进行考虑：（1）运动控制卡的规格：运动控制卡要适合加工件的尺寸，支持多轴联动控制。
（2）控制能力：运动控制卡需要支持多种控制算法，支持不同的矩阵变换等。
（3）板面质量：精度应高，板面应无变形，以确保可靠性和稳定性，保证高精度加工。
3. 传感器选型传感器是数控铣床的检测部分，分为物理量传感器和视觉传感器。
选择传感器时要考虑以下几个因素：（1）高精度：传感器要尽可能高的精度，以满足加工需要。
（2）快速响应：传感器的响应速度要快，与运动控制卡实现高速闭环。
（3）环境适应性：传感器要能适应多种环境，避免因受环境的影响而出现测量误差。
二、软件设计对于数控铣床伺服控制系统来说，软件设计是至关重要的。
软件设计的好坏不仅直接关系到数控铣床的生产效率和加工质量，而且还可以影响到整个系统的安全性和稳定性。
1. 控制算法设计控制算法主要包括PID控制算法、模型预测控制算法、自适应控制算法、智能控制算法等，在实际应用中可根据具体情况进行选择，以实现高精度的运动控制。
数控铣床伺服控制系统设计引言数控铣床是一种自动化机床，通过在工作台上放置工件并使用切削刀具来加工材料。
为了使数控铣床具备更高的加工精度和效率，需要设计一个优秀的伺服控制系统。
本文将介绍数控铣床伺服控制系统的设计原理和流程。
1. 设计原理数控铣床伺服控制系统的设计原理基于传感器的反馈和控制算法。
主要包括以下几个方面：1.1 传感器反馈数控铣床伺服控制系统使用传感器来测量位置、速度和力等参数，并将这些反馈信号送回控制器进行处理。
常用的传感器包括位置编码器、速度传感器和力传感器等。
1.2 控制算法数控铣床伺服控制系统采用闭环控制算法，即根据传感器反馈信号与设定值之间的差异来调整伺服电机的输出信号，使实际输出值逼近设定值。
常用的控制算法包括比例-积分-微分控制（PID控制）和模糊控制等。
1.3 控制器控制器是数控铣床伺服控制系统的核心部件，负责接收传感器反馈信号、进行控制算法计算，并输出控制信号给伺服电机。
控制器的性能和稳定性对于数控铣床的精度和工作效率具有重要影响。
2. 设计流程数控铣床伺服控制系统的设计流程包括以下几个步骤：2.1 系统需求分析在设计数控铣床伺服控制系统之前，首先需要对系统的需求进行分析。
包括加工精度要求、加工速度要求、系统稳定性要求等。
根据这些要求，确定伺服控制系统的性能指标和功能需求。
2.2 系统结构设计根据系统需求分析结果，设计伺服控制系统的结构。
包括传感器、控制器和伺服电机的选择与配置，以及它们之间的连接方式和接口设置等。
2.3 控制算法设计根据系统结构设计结果，选择合适的控制算法，并设计控制算法参数。
常用的控制算法有PID控制和模糊控制。
控制算法的设计需要考虑系统的稳定性、精度和鲁棒性等因素。
2.4 控制器硬件设计根据系统结构设计和控制算法设计结果，设计控制器的硬件电路。
包括信号采集电路、控制算法运算电路和输出电路等。
同时，还需设计适当的保护电路和滤波电路，以提高系统的稳定性和抗干扰能力。
数控机床的伺服驱动系统设计数控机床的伺服驱动系统设计概述数控机床的伺服驱动系统是机床运动过程中最重要的部分之一，它直接影响到机床加工的精度和速度。
伺服驱动系统通常由控制器、伺服电机和变频器组成，其中控制器控制运动轨迹和速度，伺服电机负责产生旋转矢量，变频器则将控制信号转化为直流电机所需的电压与电流。
本文将从伺服驱动系统的工作原理、设计流程、性能参数等方面详细介绍数控机床伺服驱动系统的设计。
一、伺服驱动系统的工作原理伺服驱动系统是一种控制精度高、调速范围广的电机控制系统。
其工作原理是，控制器通过控制电机提供给负载的转矩和速度，来控制运动轨迹和速度。
在伺服电机转动过程中，由于负载、摩擦和惯性的作用，电机会出现转速、转矩和角度等变化，而伺服系统通过控制电机的转矢量，使其保持稳定并按要求运动。
伺服驱动系统通常包括控制器、伺服电机、变频器和编码器等部分。
控制器负责处理数字信号，将控制信号转化为伺服电机所需的运动参数，控制伺服电机按照指定的速度和轨迹运动。
伺服电机通过转矢量的变化，将数字信号转化为机械能。
变频器则将控制信号转化为电压和电流，控制电机转速和转矩。
编码器则负责将电机转动所产生的角度信号转换为数字信号，供控制器参考，实现位置闭环控制。
二、伺服驱动系统的设计流程伺服驱动系统的设计流程主要包括三个步骤：系统分析与规划、硬件设计与调试、软件编程与调试。
设计过程的具体细节如下：1.系统分析与规划对数控机床伺服驱动系统进行需求分析，包括机床加工要求、使用环境、使用寿命、成本等因素。
同时，结合机床的结构和运动特点，确定伺服电机类型、编码器类型、控制卡和变频器性能参数等。
软件方面，确定程序样式、功能模块和通用接口等，编写使用手册和技术规格书。
2.硬件设计与调试伺服电机、编码器、变频器和控制器的硬件设计要符合系统规划，并尽可能提高系统稳定性和抗干扰能力。
在设计中，要考虑电路拓扑、元器件选型、线路连接、机械紧固等细节，确保系统正常工作。
毕业论文设计题目：数控机床交流伺服控制系统设计姓名：所在系部：班级名称：学号：指导老师：2011年12月毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：数控机床交流伺服控制系统设计指导教师：职称：类别：毕业论文学生：学号：设计（论文）类型：论文专业：机电一体化班级：是否隶属科研项目：否1、设计（论文）的主要任务及目标毕业设计/论文是本专业教学计划中重要的、最后的一个综合性的教学环节，其主要目标是：培养和提高学生综合运用所学的专业基础知识、专业理论知识和专业基本技能来分析、解决实际问题以及动手操作的能力，使得学生对数控机床交流伺服控制系统的设计有相当的认识深度；并学会查阅专业资料，能正确阅读外文相关科技文献，对设计研究的课题进行深入分析；也使学生在思想作风、学习毅力和工作作风上受到一次良好的锻炼。
通过本课题的研究，使同学们能够领会交流伺服系统的原理和伺服驱动器的应用，进一步掌握交流伺服电机的工程应用、系统设计方法和调试实现过程，为毕业后能尽快适应机电一体化专业的相关工作打下良好的基础。
2、论文的主要内容(1)交流伺服系统现状与发展、应用介绍；(2)交流伺服系统的组成、分类、结构等；(3)交流伺服电机及交流伺服驱动器技术基本介绍、电机及伺服驱动器选型；(4)数控机床交流伺服系统设计与调试。
3、论文的基本要求（1）完成数控系统功能设定；（2）完成交流伺服电机及伺服驱动器的选型；（3）完成数控机床交流伺服系统总体设计；（4）完成数控机床交流伺服系统电气连接图、电气回路设计；（5）完成数控机床交流伺服控制系统参数整定与调试；（6）具有运用电气控制技术、交流伺服技术、仿真技术等理论知识进行研究和系统设计（论文）的能力；（7）具有收集参考资料加以消化、归纳的能力；（8）具有调研、收集、查阅资料、分析判断确定设计/论文方案的能力；（9）具有归纳、整理技术资料，撰写技术文件的能力；（10）具有阐述论证设计/论文成果及其技术答辩的能力。
4、主要参考文献（1）陈家盛.电梯实用技术教程.北京：中国电力出版社，2006.（2）舒志兵.交流伺服运动控制系统.北京：清华大学出版社，2006（3）龚仲华.交流伺服与变频技术及应用.北京：人民邮电出版社，2011（4）寇宝泉.交流伺服电机及其控制技术.北京：机械工业出版社，2008（5）龚仲华.交流伺服驱动从原理到完全应用.北京：人民邮电出版社，2010（6）刘胜，彭侠夫，叶瑰昀.现代伺服系统设计.哈尔滨工程大学出版社，2001（7）王爱玲等.现代数控机床伺服及检测技术.国防工业出版社，20095、进度安排设计（论文）个阶段任务起至日期1查阅文献资料、确定研究方向（1周）2搜集文献资料、系统相关知识的原理研究（1周）3系统设计规划、模块划分、构思、分析（2周）4系统控制梯形图设计（1周）5相应软件编程、系统程序调试（1周）6总结及撰写设计说明书（1周）7装订、答辩准备及答辩（1周）目录摘要 (IV)第一章交流伺服系统概述 (1)1.1交流伺服系统的分类 (1)1.2交流伺服系统的发展 (3)1.3高性能交流伺服系统的发展现状和展望 (4)第二章伺服驱动器的应用 (6)2.1交流伺服驱动器技术基本介绍 (6)2.1.1伺服进给系统的要求 (6)2.1.2对电机的要求 (6)2.2伺服驱动器的原理 (7)2.2.1控制电路结构 (7)2.2.2功率电路结构 (7)2.2.3伺服驱动器的接线 (9)第三章交流伺服电机控制系统 (13)3.1交流伺服电机的运行原理 (13)3.1.1伺服电机内部结构 (13)3.1.2交流伺服电动机原理 (14)3.2交流伺服电机选型 (18)3.3数控机床交流伺服控制系统参数整定与调试 (19)参考文献 (24)致谢 (25)摘要交流伺服驱动器是20世纪70年代初随电力电子技术、PWM控制技术的发展而出现的一种交流感应电机调速装置。
进入20世纪80年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。
伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。
随着科学技术的进步，当代交流伺服驱动器的功能已益完善，如何能充分利用伺服驱动器的功能来解决工程实际问题是我们从事人员所必须了解与掌握的知识，本文从实际出发，系统阐述数控机床电机及交流伺服驱动器技术基本介绍、电机及伺服驱动器选型；数控机床交流伺服系统设计与调试等内容。
关键词：数控机床；伺服系统；驱动第一章交流伺服系统概述1.1交流伺服系统的分类交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和全数字式伺服；如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电动机（无刷直流机）伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。
二者的不同之处在于永磁同步电动机伺服系统中需要采用磁极位置传感器而感应电动机伺服系统中含有滑差频率计算部分。
若采用微处理器软件实现伺服控制，可以使永磁同步伺服电动机和鼠笼型异步伺服电动机使用同一套伺服放大器。
目前，基于稀土永磁体的交流永磁伺服驱动系统，能提供最高水平的动态响应和扭矩密度。
所以拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取替传统的液压、直流和步进调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。
因此，交流伺服这样一种扮演重要支柱技术角色的自动控制系统，在许多高科技领域得到了非常广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、雷达和各种军用武器随动系统、以及柔性制造系统（FMS －Flexible Manufacturing System）等。
1、步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。
在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。
随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。
为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。
虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。
现就二者的使用性能作一比较。
2、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。
也有一些高性能的步进电机步距角更小。
如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。
以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。
对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。
是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
3、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。
振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。
这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。
当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。
交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。
交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。
4、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。
交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
5、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。
交流伺服电机具有较强的过载能力。
以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。
其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。
步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。
6、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。
交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
7、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。
交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。
1.2交流伺服系统的发展伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段：第一个发展阶段（20世纪60年代以前），此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。
第二个发展阶段（20世纪60－70年代），这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。
在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。
第三个发展阶段（20世纪80年代至今），这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动），交流伺服电动机（正弦波驱动）等种种新型电动机。
