数控半闭环控制系统设计

•引言1.1设计背景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。1.2设计任务设计参数如下：1.横向：工作台重量：W=300N；最大进给速度：=1000mm/min；行程：S=200mm；脉冲当量:=0.006mm/P；2.纵向：工作台重量：W=800N；行程：S=650mm；脉冲当量：=0.008mm/P；最大进给速度：=2000mm/min；总体：x、y方向定位精度都为±0.01mm；滚珠丝杠的基本导程厶r=6mm二•半闭环控制系统设计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。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。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2.1所示：图2.1半闭环控制系统示意图这里采用半闭环系统。2.1系统方案设计2.1.1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。虽然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；但是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。这里我们采用直流脉宽度调制型（PWM）伺服电机调速系统。2.1.2PWM直流脉宽伺服电机调速原理PWM是脉宽调制方式，其特点是开关频率固定，通过改变脉冲宽度来调节占空比，是开关功率变换器中最常用的控制方式。其基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环控制，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等达到稳定值。其原理图及波形如图2.1.2所示何±何±3匕PMW35TPMW35T图2.1.2 PWM直流脉宽调制原理图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。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，也常采用光电脉冲传感器，既测量电动机的角位移，又通过计时而获得速度。光电编码器的原理图如图2.1.3所示:图2.1.3光电编码器原理图2.1.4半闭环直流位置伺服控制电路图图2.1.4为一采用单片机控制的直流位置伺服控制原理图。图中伺服电机的控制电压由单片机输出后送入0832进行D/A转换，转换后的模拟量经放大和电平转换送入PWM功放电路，产生的PWM波驱动电动机旋转；采用测速发电机对电动机的转速进行测量，经放大后送入0809进行A/D转换，转换后送入单片机；电动机的转角位移由光电编码器直接送入8751的端口，进行位置反馈。速度调节器和位置调节器由8751的应用程序来完成。图2.1.4半闭环直流位置伺服系统原理图.机械系统设计.机械系统设计3.1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。3.2具体方案的设计计算和选择3.2.1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巴为7.5kw，最大工件直径D=3mm，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60Ml60Ml斗沢0.001沃吿560取机床的机械效率，则有走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力F.=0.25^=0J5x3S64]6=966.04TVF汀OAF.-0.4x3846.16-1545.67/V3.2.2导轨摩擦力的计算导轨受到垂向切削分力Fv=F.=3846.16;V，纵向切削分力K=K=1.545.67iV，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），查表得镶条紧固力人-2000/V，取导轨动摩擦系数//=045，贝U化匚姒册+人一尺+巴｝=0.15x(300+2000+3^46,16-1545.67)=1153.朋N计算在不切削状态下的导轨摩擦力化U- 0J(^00+2000)-345JV血-地0T+£)-02x(300+2000)-460W3.2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算最大轴向负载力几丽=丹+F?J=（1545」6十1153.7R）.V=269S.942计算最小轴向负载力XyTTITn臨产心=345N3.2.4确定进给传动链的传动比i和传动级数取直流伺服电动机的步距角，滚珠丝杠的基本导程厶f=6mm，进给传动链的脉冲当量dp=0.006mm/P，则有.aLn 1.5x6j— — =417360亦360x0.006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4=3、i?=?.」。根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为勺=70、勺=60、迟3=20，模数m=2，齿宽b=20mm。3.2.5滚珠丝杠的动载荷计算、直径估算和设计按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷已知数控机床的预期工作时间=150WA，滚珠丝杠的当量载荷=2698.94N，查表得载荷系数人=1；初步选择滚珠丝杠的精度等级为3级精度，取精度系数;查表得可靠性系数。取滚珠丝杠的当量转速，已知%=Im/min，滚珠丝杠的基本导程，则IDOxJx166?67Vl5000x"腐也=1KSK7IDOxJx1根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知本车床横向进给系统的定位精度为40,重复定位精度为16/.im，则有九d=(|^|)xl6/zm=5.331：8//m

氏皿2一口»4%用-«IIIgm取上述计算结果的较小值，即4込=5*33^m估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径滚珠丝杠螺母的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为L=行程+安全行程+2X余程+螺母长度+支承~(1.2〜1.4)行程+(25〜30)厶取L=(1.4X200+30X6)mm=460mm绻旳＞0.078绻旳＞0.078460x460彳―I阴初步确定滚珠丝杠螺母副的型号根据以上计算所得的、和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FF型内循环螺母，型号为FF3206-5，其公称直径%、基本导程厶、额定动载荷和螺纹底径如下：二32mm

厶r=6mmG=20200N>C^=18翘7由Ndz=27.9/nm>d7ni=15.54mm滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此课题中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针一推力圆柱滚子组合轴承和接触角为40。角接触轴承，在这两种轴承中，40°角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针一圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。40°角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。在此课题中采用了以面对面配对组合的40°角接触轴承，组合方式为DDB。以容易实现自动调整。滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。图3.2.5滚珠丝杠螺母及其支承结构图3.2.6滚珠丝杠螺母副承载能力校核和设计、已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径d2=27.9mm，已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度厶二300zttzw，丝杠水平安装时，取&=1门，查表得，则有本车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为2401.197V，远小于其临界压缩载荷的值，故满足要求。二、滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度厶=300mm，其弹性模量E=2AxWMPu，密度/f=—x7,8x105/wm7S，重力加速度g=9.£xl(f朋朋/F(1)滚珠丝杠的最小惯性矩为(2)滚珠丝杠的最小截面积为x27.92-611.05mm2取x27.92-611.05mm2取，查表得，则有陷=0.SA=3.927“ 60x3.9272 iZ.lxlO5^2972S.05工9.8x10*0用x J 2x3：14x3002V7.8xl0-Jx6ll.05=469224如/min本横向进给传动链的滚珠丝