数控车床半闭环控制

毕业设计(论文) 题目:X-Y数控工作台机电系统设计学生姓名胡月专业机械设计制造及其自动化学号 70100747 班级 2006级2班指导教师张老师王老师安徽工业大学马钢技师学院2010年10月摘要数控机床的伺服系统通常是指各坐标轴的进给伺服系统。

它是数控系统和机床机械传动部件间的连接环节，它把数控系统插补运算生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。

伺服系统的高性能在很大程度上决定了数控机床的高效率、高精度，是数控机床的重要组成部分。

为了能得到更高控制精度我们可以根据伺服系统的组成进行选择，从而达到理想的效果。

关键词：车床，数控，伺服系统，半闭环引言 (4)设计任务 (4)第一章伺服系统的概述 (5)第二章半闭环控制系统设计 (5)2.1系统方案设计 (5)2.1．1 控制方案的确定 (6)2.1.2伺服驱动元件方案的选择 (6)2.1.3检测反馈元件的选择 (6)2.1.4机械系统与控制系统方案的确定 (6)2.2 具体方案的设计计算和选择 (6)2.2.1主切削力及其切削分力计算 (6)2.2.2导轨摩擦力的计算 (7)2.2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 (7)2.2.4确定进给传动链的传动比i和传动级数 (7)2.2.5滚珠丝杠的动载荷计算、直径估算和设计 (8)2.2.6滚珠丝杠螺母副承载能力校核和设计 (9)2.2.7计算机械传动的刚度 (11)2.2.8电动机的选型与计算 (12)2.2.9增量式旋转编码器的选用 (15)2.3 机械传动系统 (15)2.3.1机械传动系统的动态分析 (15)2.3.2机械传动系统的误差计算与分析 (16)2.4 进给系统的设计 (16)2.4.1齿轮箱的设计 (16)2.4.2床身及导轨 (17)2.4.3中间轴的设计 (19)第三章数控系统硬件电路设计 (20)第四章系统控制软件的设计 (22)4.1．控制软件的主要内容 (22)4.2软件设计 (22)4.2.1.系统控制功能分析 (22)4.2.2.系统管理程序控制 (23)4.2.3自动加工程序设计 (24)总结与体会 (24)致谢 (25)参考资料 (25)数控车床半闭环控制系统设计姓名 胡月单位 马钢技师学院一.引言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。

在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

随着科学技术的发展，市场需求的产品日益逐渐复杂精密，精度要求也越来越高、更新换代的周期也变的越来越短，从而促进类暗袋制造业的发展，尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，其中普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足大生产量要求，于是一种新型的用数字程序控制的机床应运而生，这种机床运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机械一体化典型产品即数控机床。

二、设计任务设计参数如下：横向：1. 工作台重量：W=300N ；2. 最大进给速度：max V =1000mm/min ；3. 行程：S=200mm ；4. 脉冲当量：p δ=0.004mm/P ；纵向：1. 工作台重量：W=800N ；2. 行程：S=650mm ；3. 脉冲当量：p δ=0.006mm/P ；4. 最大进给速度：max V =2000mm/min ；总体：x 、y 方向定位精度都为01.0±mm ；滚珠丝杠的基本导程06L mm =；第一章伺服系统的概述数控伺服系统是指一机床运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。

数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。

作为数控装置和机床的联系环节它是数控机床的重要组成部分，研究和开发高性能伺服系统是现代数控机床的关键技术之一。

机电一体化伺服系统要求具有精度高、响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率范围大登记处要求，同时还要求体积小、重量轻、可靠性高和成本低等要求。

第二章半闭环控制系统设计数控机床又分很多种类，其中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。

1.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,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。

2.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。

3.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。

如图所示：半闭环控制系统示意图2.1系统方案设计2.1．1 控制方案的确定闭环或半闭环控制方案的选择主要取决于机床精度要求。

当系统精度要求很高时，应采取闭环控制方案。

因为它可以将全部机械传动及执行机构都封闭在反馈控制环内，其误差可以通过控制系统得到补偿，因而可达到很高的精度。

但是当精度要求没那么大的时候我们同样可以采用半闭环控制系统，虽然他只能补偿部分误差但是由于其对传感器要求较低，结构简单，调试方便等优点得到广泛的应用。

2.1.2伺服驱动元件方案的选择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。

2.1.3检测反馈元件的选择常用的位置检测传感器有旋转变压器、感应同步器、光电脉冲编码器、光栅尺等。

如被测量为直线位移，则应选尺状的直线位移传感器，如光栅尺、磁尺、直线感应同步器等。

如被测为角位移，则应选取圆形的角位移传感器，如光电脉冲编码器、圆感应同步器、旋转变压器、码盘等。

一般来说半闭环控制的伺服系统主要采用角位移传感器。

传感器的精度与价格密切相关，应满足要求的前提下，尽量选用精度低的传感器，以降低成本。

目前在半闭环伺服系统中，也常采用广电脉冲传感器，既测量电动机的角位移，又通过计时而获得速度。

2.1.4机械系统与控制系统方案的确定半闭环控制系统的机械传动与执行在机构形式上与开环伺服系统基本相同。

控制系统方案的确定主要包括执行元件控制方式的确定和系统伺服控制方式的确定。

比如直流伺服电动机应确定是采用晶体管脉宽调制还是采用晶闸管放大器驱动控制：对于家刘伺服电动机，应确定采用矢量控制，还是采用幅值、相位或幅相控制。

伺服系统的控制方式有模拟控制和数字控制，每种方式又有多种不同的控制算法。

另外还应确定是采用软件伺服控制，还是采用硬件伺服控制，以便择相应的计算机。

2.2 具体方案的设计计算和选择2.2.1主切削力及其切削分力计算已知机床主电动机的额定功率m P 为7.5kw ，最大工件直径D=400mm ，主轴计算转速n=85r/m 。

在此转速下，主轴具有最大扭矩和功率，道具的切削速度为33.144001085 1.78/6060Dnv m s π-⨯⨯⨯====1780mm/s 取机床的机械效率0.8η=，则有 3103370.79mz P F N N v η=⨯=走刀方向的切削分力x F 和垂直走刀方向的切削分力y F 为0.250.253370.79842.7x z F F N N ==⨯=0.40.43370.791348.32y z F F N N ==⨯=2.2.2导轨摩擦力的计算导轨受到垂向切削分力3370.79v z F F N ==，纵向切削分力c y F F ==1348.32N ，移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量）m=30.61kg(所受重力W=300N)，查表得镶条紧固力2000g f N =，取导轨动摩擦系数0.15μ=，则()g v c F W f F F μμ=+++0.15(30020003370.791348.32)=⨯+++1052.87N =计算在不切削状态下的导轨摩擦力0F μ和0F0()0.15(3002000)345g F W f N μμ=+=⨯+=00()0.2(3002000)460g F W f N μ=+=⨯+=2.2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算最大轴向负载力max a Fmax (1348.321052.87)2401.19a y F F F N N μ=+=+=计算最小轴向负载力min a Fmin 0345a F F N μ==2.2.4确定进给传动链的传动比i 和传动级数取步进电动机的步距角 1.5α=︒，滚珠丝杠的基本导程06L mm =，进给传动链的脉冲当量0.004/p mm P δ=，则有0 1.56 6.253603600.004p L i αδ⨯===⨯ 按最小惯量条件，查得应该采用2级传动，传动比可以分别取13i =、2 2.1i =。