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数控机床伺服进给系统的设计胡秋中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳621900摘要高性能伺服进给系统的开发是数控机床的关键技术之一。本文详细描述了数控机床伺服进给系统的设计方法,包括传动系统总体设计,滚珠丝杠副的选择,伺服电动机选择,精度和刚度验算等。关键词数控机床伺服传动系统设计中图分类号TG659文献标识码A文章编号10013881200460552DesignofServoFeedSystemonCNCMachineToolHUQiuChinaAcademyofEngineeringPhysics,InstituteofMechanicalManufacturingtechnology,Mianyang621900,ChinaAbstractDevelopmentofhighperformanceservofeedsystemisoneofkeytechnologyonCNCmachinetool.Designmethodofser2vofeedsystemontheCNCmachinetoolwaspresentedindetail,includingsystemdesignofservofeedsystem,choiceofballscrewpairsanditsinstallation,choiceofservomotor,checkingcomputationsofstiffnessandaccuracyofservofeedsystem.KeywordsCNCmachinetoolServofeedsystemDesign数控机床的伺服系统是连接数控系统CNC和数控机床主体的关键部分,其性能直接关系到数控机床执行件的静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢及负载能力。在本文中详细描述了数控机床伺服进给传统系统的设计方法,包括传动系统拟定,滚珠丝杠及其支承组合方式,伺服电动机及其反馈装置选择,精度验算等。1传动系统总体设计用于数控机床的伺服机构有开环、半闭环、闭环和混合伺服几种方式。开环系统主要多用在经济型数控系统或老设备的数控改造混合伺服方式只有在大型机床中使用。在半闭环方式中,机床定位精度很大程度取决于滚珠丝杠的精度,通过选用高精度的滚珠丝杠,辅以螺距误差补偿等措施,半闭环完全可以满足普通精度级的加工中心的定位精度的要标。对定位精度特别高的加工中心来说,由于螺距误差补偿受丝杠温度变化的影响和反向间隙补偿受工件重量变化的影响,半闭环方式已不能满足其精度要求。这时则要求考虑采用全闭环的方式进行伺服系统的设计,但其设计和调整技术难度较大,只有在大型、精密数控机床中采用。在以上几种方式中,一般根据目标给定的精度要求、机床种类来选用适当的伺服方式。半闭环是被最广泛使用的伺服方式。一般在设计是选用半闭环方式进行初步设计与计算,当半闭环方式不能满足要求时才选用全闭环方式和混合伺服方式。2滚珠丝杠副的选择与计算211滚珠丝杠副尺寸规格的确定丝杠导程计算丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为vmax、伺服电机的最高设定转速nmax及电机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足下式PEvmaxinmax根据系统的精度要求,进而确定数控机床的脉冲平均值δ及伺服电机每转发出的脉冲数为bPhδi,从而为编码器提供选择依据。精度选择滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300P应小于目标设定位的定位精度值的1/3~1/2,并在最后精度验算中最终确定。滚珠丝杠尺寸规格确定滚珠丝杠副设计时一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规格,同时作必要的压杆稳定性校核、临界转速校核、刚度校核、转动惯量校核。对闭环系统,还须核算其谐振频率。额定动载荷是指一批相同规格的滚珠丝杠经过运转一百万次后,90的丝杠副螺纹表面或滚珠不产生疲劳剥伤点蚀时的轴向载荷。在实际运用中额定动载荷值可按下式计算CfhfdfHfnPd式中,fh为寿命系数,按滚珠丝杠预期寿命选取fd为载荷性质系数,按工作载荷性质选取fh为动载荷硬度影响系数,按滚珠及滚道表面硬度选取fh为转速系数,按丝杠平均转速nd选取Pd为平均轴向载荷。在计算出额定动载荷后,就可按额定动荷从样本中选取滚珠丝杠的公称直径和型号,并进而计算其预紧力和行程补偿值。丝杠安装方式的选择还包括丝杠支承方式确定和丝杠专用轴承的选择,滚珠丝杠不同的支承方式对丝55机床与液压20041No16©19942008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http//www.cnki.net杠的刚度、回转精度,临界转速有很大的影响,一般根据丝杠的长度、回转精度、刚度要求及转速选择不同的安装方式。212丝杠的校核计算压杆稳定性校核轴向固定的长丝杠在承受压缩负载时,应校核其压杆稳定性,临界压缩负载可按下式进行校核计算。Fcrf1π2EIL20K1EFmax式中,E为丝杠材料的弹性模量I为最小惯性截面矩L0为最大受压长度mK1为安全系数,可取K11/3Fmax为最大轴向载荷Nf1为丝杠支承方式系数,根据丝杠安装方式选择。丝杠临界转速校核长丝杠在高速条件下工作,为防止弯曲共振,应验算其临界转速ncrncr30f22πL2cEIρAK2Enmax式中,A为丝杠最小截面积Lc为临界转速计算长度ρ为材料的密度nmax为最高工作转速K2为安全系数,可取K2018f2为丝杠支承方式系数,根据支承方式选择。此外螺母临界转速也需验算,其临界要求应满足d0nF70000mmr/min。3进给系统伺服电动机的选择进给伺服电动机是否选择得当直接关系到整个伺服系统机电参数与系统的性能是否匹配。在选择伺服电动机时应进行负载转矩计算、惯量匹配计算和空载加速转矩计算。311负载扭矩计算负载扭矩是由驱动系统的摩擦力和切削反作用所引起的,所选伺服电动机的额定转矩Ts应大于最大负载转矩T,即负载转矩应满足下列条件。TTVoTPOTfoiTs13式中,T为最大切削负载转矩TVo为丝杠在最大轴向载荷下的转矩Tpo为双螺母滚珠丝杠的预紧力矩,其计算方法与预紧方式和预紧力有关,可以直接从产品样本中查取其计算方法。Tfo为支承轴承的摩擦力矩。i为丝杠与伺服电机的传动比。312负载惯量匹配计算为使伺服进给系统的进给执行部件具有快速响应的能力,必须使伺服电动机转子惯量JM与进给负载惯量JL合理匹配。对中小型数控机床惯量匹配条件是1JMJL414由伺服电动机驱动的所有运动部件包括移动和转动都将构成电机的负载惯量,通过对各部件的计算,并以一定规律叠加起来构成其负载惯量JL,其具体计算方法可参考有关文献。313空载加速转矩计算当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动速度快速移动时空载加速转矩Ta不允许超过伺服电机的最大输入转矩Tmax,即Ta2πnmax60tacJTmax19式中,nmax为快速移动时电动机转速tac为加速、减速时间J为系统的转动惯量。空载加速时,主要是克服惯性。系统惯量为电动机惯量JM和负载惯量JL之和。加减时间tac通常取为伺服电机的机械时间常数tm的3~4倍,即tac3~4tm,tm可直接从伺服电机资料中查得。4传动系统刚度及精度验算丝杠的导程误差、伺服系统误差、丝杠轴承的轴向跳动误差和在载荷作用下各机械作用下各机械环节弹性环节变形引起的误差是影响系统精度的因素。411传动系统综合刚度计算由滚珠丝杠本身的抗压刚度Ktmin、支承轴承的轴向刚度Kba、滚珠丝杠副中滚珠与滚道的接触刚度Kc、折算到滚珠丝杠副上伺服系统刚度KR、折算到滚珠丝杠副上联轴节的刚度K1、滚珠丝杠副的抗扭刚度Kk、螺母座、轴承座的刚度Kh形成的综合刚度K为K11Ktmin1Kba1Kc1KR1K11Kk1Kh23一般在校核计算中,折算到滚珠丝杠副上联轴节的刚度K1、滚珠丝杠副的抗扭刚度Kk、螺母座、轴承座的刚度Kh、伺服刚度KR一般可忽略不计,则上式可简化为K11Ktmin1Kba1Kc24滚珠丝杠副的抗压刚度与其安装方式有关,其计算方式可参考文献2或从产品样本中查取其计算方法丝杠轴承轴向载荷刚度Kba、螺母的接触刚度KC均可从产品样本中查到。412弹性变形及定位精度验算加工中心的定位精度是在不切削空载条件下检验,故轴向载荷仅为导轨的摩擦力Ff,因摩擦力引起的弹性变形为δFfK27下转第74页65机床与液压20041No16©19942008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http//www.cnki.net增加等级,系统控制分辨率提高,但规则数也增加,这会导致输出量的数目增加,从而导致步进电动机的输出转速变化过于频繁,这是步进电动机的工作特点所不允许的。因此,在乳化液浓度允许的精度范围内,作者把输入变量的模糊集合分为三个等级,并确定出不同输入偏差对于不同隶属函数的隶属度,制定出模糊控制规则,最后对输出变量进行反模糊化,得出乳化液浓度值、单片机输出脉冲频率和步进电动机输出转速对应表表1系统输入、输出对应表乳化液浓度值小于33~5大于5单片机输出脉冲频率2400step/s1140step/s800step/s步进电动机输出转速1200r/min570r/min400r/min3系统软件设计系统软件采用汇编语言编写,主要包括数据处理模块和步进电动机转速控制模块。数据处理模块完成对乳化液浓度值进行采样、对采样值进行数字滤波处理及对处理结果进行逻辑运算等工作。步进电动机转速控制模块主要完成对步进电动机的转速控制。系统通过并行控制实现步进电动机的微机控制,即单片机通过三条并行口线P110、P111、P112,直接发出三相脉冲信号,再通过功率放大后,送入步进电动机的各相绕组。步进电动机采用三相三拍工作方式,根据系统的硬件连接,P1口输出的控制信号中,0代表使绕组通电,1代表使绕组断电,软件设计中用三个控制字对应三种通电状态,这三个控制字如表2所示控制步进电动机转速,实际上就是控制各线圈通表2三相三拍工作方式的控制字通电状态P112CP111BP110A控制字A相110FEHB相101FDHC相011FBH电状态持续时间的长短。这可以采取两种方法,一种是软件延时,一种是定时器中断延时。因为系统要同时完成检测和控制两项任务,所以必须采用中断方式控制步进电动机转速。同时,89C51只有两个定时器,而步进电动机又有三种不同的转速,因此,在进行软件设计时,作者采用了所谓的求最大公约数的办法。设定时器T1的延时时间为t,则转速1的脉冲发送间隔时间为mt,转速2的脉冲发送间隔时间为nt,转速3的脉冲发送间隔时间为ut,m,n,u均为正整数,以此满足电机不同转速的要求。4结论本文把模糊控制理论应用于乳化液的自动配比系统,实现了对乳化液浓度的在线检测和自动配比。提出了一种适合煤矿自动化发展要求的乳化液自动配比方法。本系统已在实验室进行了实验,系统运行可靠,硬件、软件设计合理,目前,该系统正准备应用于生产现场,具有一定的推广应用价值。参考文献【1】史敬灼,徐殿国,王宗培1模糊控制步进电动机位置伺服系统1电工技术学报,200131【2】马维绪,许昭提1乳化液泵站1北京煤炭工业出版社,19871作者简介柴光远1956~,西安科技大学机械工程学院教授。研究方向机电液一体化。收稿时间20030516上接第56页这样通过查取相应精度等级丝杠在任意300mm内导程误差,再加上弹性变形量就可以校核算其精度是否满足目标要求。反之也可以由计算出的弹性变形和目标设计精度要求来选择丝杠副精度等级。5伺服进给系统固有频率校核计算为了提高机床定位精度和缩短定位时间,必须提高机床的固有频率,相应地,伺服进给系统的固有频率亦要提高。伺服系统的固有频率按下式计算ω12πKωJL28式中,Kω为伺服系统刚度,Kω12π2KK为伺服系统的综合刚度JL为折算到电机轴上的负载惯量。伺服系统的固有频率,不能少于机床固有频率的1/3,只有保证这个条件,系统才能正常工作。加工中心的固有频率,一般为45~75Hz。参考文献【1】谢红,高健1加工中心的工作台和伺服进给系统设计\J\1现代机械,200223~51【2】杨祖孝1进给滚珠丝杠副传动刚度的计算\J\1制造技术与机床,1997712~141【3】王正君,周小正1数控机床改造中进给系统滚珠丝杠副的选择\J\1机床与液压,2000592~931【4】廉元国,张永洪1加工中心设计与应用\M\1北京机械工业出版社,19951【5】赵松年,张奇鹏主编1机电一体化机械系统设计\M\1北京机械工业出版社,19961【6】白恩远,王俊元,孙爱国1现代数控机床伺服及检测技术\M\1北京国防工业出版社,20021联系人胡秋,电话08162486614,13508120878。收稿时间2003051947机床与液压20041No16©19942008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http//www.cnki.net
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