數(shù)控半閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

?引言1.1設(shè)計(jì)背景現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)需求的產(chǎn)品日益逐漸復(fù)雜精密，精度要求也越來越高、更新?lián)Q代的周期也變的越來越短，從而促進(jìn)類暗袋制造業(yè)的發(fā)展，尤其是宇航、軍工、造船、汽車和模具加工等行業(yè)，其中普通機(jī)床進(jìn)行加工（精度低、效率低、勞動(dòng)度大）已無法滿足大生產(chǎn)量要求，于是一種新型的用數(shù)字程序控制的機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生，這種機(jī)床運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、精密測(cè)量和機(jī)械設(shè)計(jì)等新技術(shù)的機(jī)械一體化典型產(chǎn)品即數(shù)控機(jī)床。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：1.橫向：工作臺(tái)重量：W=300N；最大進(jìn)給速度：=1000mm/min；行程：S=200mm；脈沖當(dāng)量:=0.006mm/P；2.縱向：工作臺(tái)重量：W=800N；行程：S=650mm；脈沖當(dāng)量：=0.008mm/P；最大進(jìn)給速度：=2000mm/min；總體：x、y方向定位精度都為±0.01mm；滾珠絲杠的基本導(dǎo)程厶r=6mm二?半閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控伺服系統(tǒng)是指一機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用在于接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號(hào)，經(jīng)過一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速性和準(zhǔn)確性。作為數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)它是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，研究和開發(fā)高性能伺服系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)要求具有精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、負(fù)載能力強(qiáng)和工作頻率范圍大登記處要求，同時(shí)還要求體積小、重量輕、可靠性高和成本低等要求。數(shù)控機(jī)床又分很多種類，其中按控制方式分類就包括開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)三種。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理和閉環(huán)伺服系統(tǒng)相似，只是位置檢測(cè)器不是安裝在工作臺(tái)上，而是安裝在伺服電動(dòng)機(jī)的軸上。這種伺服系統(tǒng)所能達(dá)以的精度、速度和動(dòng)太特性優(yōu)于開環(huán)伺服系統(tǒng)，其復(fù)雜性和成本低于閉環(huán)伺系統(tǒng)，主要用于大多數(shù)中小型數(shù)控機(jī)床，且能滿足市場(chǎng)要求所以，目前應(yīng)用最為廣泛。如圖2.1所示：圖2.1半閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖這里采用半閉環(huán)系統(tǒng)。2.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1.1伺服驅(qū)動(dòng)元件方案的選擇半閉環(huán)控制系統(tǒng)中一般采用直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)或液壓伺服馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)元件。在負(fù)載較大的大型伺服系統(tǒng)中常采用液壓伺服馬達(dá)，而在中小型伺服系統(tǒng)中，則多數(shù)采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)。雖然其內(nèi)部有機(jī)械換向裝置，存在電刷磨損問題，運(yùn)行時(shí)電機(jī)的換向器也會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行火花，限制了直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出功率的提高，所以需要較多維護(hù)；但是由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)特性，并且易于控制，因而在20世紀(jì)90年代以前，一直是閉環(huán)系統(tǒng)中執(zhí)行元件的主流。這里我們采用直流脈寬度調(diào)制型（PWM）伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。2.1.2PWM直流脈寬伺服電機(jī)調(diào)速原理PWM是脈寬調(diào)制方式，其特點(diǎn)是開關(guān)頻率固定，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比，是開關(guān)功率變換器中最常用的控制方式。其基本工作原理就是在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流等達(dá)到穩(wěn)定值。其原理圖及波形如圖2.1.2所示何±何±3匕PMW35TPMW35T圖2.1.2 PWM直流脈寬調(diào)制原理圖2.1.3檢測(cè)反饋元件的選擇常用的位置檢測(cè)傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電脈沖編碼器、光柵尺等。傳感器的精度與價(jià)格密切相關(guān)，應(yīng)滿足要求的前提下，盡量選用精度低的傳感器，以降低成本。目前在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，也常采用光電脈沖傳感器，既測(cè)量電動(dòng)機(jī)的角位移，又通過計(jì)時(shí)而獲得速度。光電編碼器的原理圖如圖2.1.3所示:圖2.1.3光電編碼器原理圖2.1.4半閉環(huán)直流位置伺服控制電路圖圖2.1.4為一采用單片機(jī)控制的直流位置伺服控制原理圖。圖中伺服電機(jī)的控制電壓由單片機(jī)輸出后送入0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬量經(jīng)放大和電平轉(zhuǎn)換送入PWM功放電路，產(chǎn)生的PWM波驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)；采用測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)放大后送入0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)；電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角位移由光電編碼器直接送入8751的端口，進(jìn)行位置反饋。速度調(diào)節(jié)器和位置調(diào)節(jié)器由8751的應(yīng)用程序來完成。圖2.1.4半閉環(huán)直流位置伺服系統(tǒng)原理圖.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)方案的確定半閉環(huán)控制系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)與執(zhí)行在機(jī)構(gòu)形式上與開環(huán)伺服系統(tǒng)基本相同?？刂葡到y(tǒng)方案的確定主要包括執(zhí)行元件控制方式的確定和系統(tǒng)伺服控制方式的確定。比如直流伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)確定是采用晶體管脈寬調(diào)制還是采用晶閘管放大器驅(qū)動(dòng)控制：對(duì)于家劉伺服電動(dòng)機(jī)，應(yīng)確定采用矢量控制，還是采用幅值、相位或幅相控制。伺服系統(tǒng)的控制方式有模擬控制和數(shù)字控制，每種方式又有多種不同的控制算法。另外還應(yīng)確定是采用軟件伺服控制，還是采用硬件伺服控制，以便擇相應(yīng)的計(jì)算機(jī)。3.2具體方案的設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇3.2.1主切削力及其切削分力計(jì)算已知機(jī)床主電動(dòng)機(jī)的額定功率巴為7.5kw，最大工件直徑D=3mm，主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速n=85r/m。在此轉(zhuǎn)速下，主軸具有最大扭矩和功率，道具的切削速度為60Ml60Ml斗沢0.001沃吿560取機(jī)床的機(jī)械效率，則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導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算導(dǎo)軌受到垂向切削分力Fv=F.=3846.16;V，縱向切削分力K=K=1.545.67iV，移動(dòng)部件的全部質(zhì)量（包括機(jī)床夾具和工件的質(zhì)量）m=30.61kg（所受重力W=300N），查表得鑲條緊固力人-2000/V，取導(dǎo)軌動(dòng)摩擦系數(shù)//=045，貝U化匚姒冊(cè)+人一尺+巴｝=0.15x(300+2000+3^46,16-1545.67)=1153.朋N計(jì)算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力化U- 0J(^00+2000)-345JV血-地0T+￡)-02x(300+2000)-460W3.2.3計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力計(jì)算最大軸向負(fù)載力幾麗=丹+F?J=（1545」6十1153.7R）.V=269S.942計(jì)算最小軸向負(fù)載力XyTTITn臨產(chǎn)心=345N3.2.4確定進(jìn)給傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比i和傳動(dòng)級(jí)數(shù)取直流伺服電動(dòng)機(jī)的步距角，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程厶f=6mm，進(jìn)給傳動(dòng)鏈的脈沖當(dāng)量dp=0.006mm/P，則有.aLn 1.5x6j— — =417360亦360x0.006按最小慣量條件，查得應(yīng)該采用2級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比可以分別取4=3、i?=?.」。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，確定各傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別為勺=70、勺=60、遲3=20，模數(shù)m=2，齒寬b=20mm。3.2.5滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算、直徑估算和設(shè)計(jì)按預(yù)期工作時(shí)間估算滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷已知數(shù)控機(jī)床的預(yù)期工作時(shí)間=150WA，滾珠絲杠的當(dāng)量載荷=2698.94N，查表得載荷系數(shù)人=1；初步選擇滾珠絲杠的精度等級(jí)為3級(jí)精度，取精度系數(shù);查表得可靠性系數(shù)。取滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速，已知%=Im/min，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程，則IDOxJx166?67Vl5000x"腐也=1KSK7IDOxJx1根據(jù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。已知本車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度為40,重復(fù)定位精度為16/.im，則有九d=(|^|)xl6/zm=5.331：8//m

氏皿2一口?4%用-?IIIgm取上述計(jì)算結(jié)果的較小值，即4込=5*33^m估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑滾珠絲杠螺母的安裝方式擬采用一端固定、一端游動(dòng)支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為L=行程+安全行程+2X余程+螺母長度+支承~(1.2?1.4)行程+(25?30)厶取L=(1.4X200+30X6)mm=460mm綣旳＞0.078綣旳＞0.078460x460彳―I陰初步確定滾珠絲杠螺母副的型號(hào)根據(jù)以上計(jì)算所得的、和結(jié)構(gòu)的需要，初步選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FF型內(nèi)循環(huán)螺母，型號(hào)為FF3206-5，其公稱直徑%、基本導(dǎo)程厶、額定動(dòng)載荷和螺紋底徑如下：二32mm

厶r=6mmG=20200N>C^=18翹7由Ndz=27.9/nm>d7ni=15.54mm滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對(duì)絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求，其兩端支承的配置情況有：一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短絲杠和垂直進(jìn)給絲杠；一端固定一端浮動(dòng)的方式，常用于較長的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的絲杠，這種配置方式可對(duì)絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式，以實(shí)現(xiàn)高剛度、高精度以及對(duì)絲杠進(jìn)行拉伸。絲杠中常用的滾動(dòng)軸承有以下兩種：滾針一推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為40。角接觸軸承，在這兩種軸承中，40°角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，但剛度較后者低，目前在一般中小型數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)用。滾針一圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。40°角接觸軸承的組合配置形式有面對(duì)面的組合、背靠背組合、同向組合、一對(duì)同向與左邊一個(gè)面對(duì)面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，又由于面對(duì)面組合方式，兩接觸線與軸線交點(diǎn)間的距離比背對(duì)背時(shí)小，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整較易。因此在進(jìn)給傳動(dòng)中面對(duì)面組合用得較多。在此課題中采用了以面對(duì)面配對(duì)組合的40°角接觸軸承，組合方式為DDB。以容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。滾珠絲杠工作時(shí)要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補(bǔ)償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。圖3.2.5滾珠絲杠螺母及其支承結(jié)構(gòu)圖3.2.6滾珠絲杠螺母副承載能力校核和設(shè)計(jì)、已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑d2=27.9mm，已知滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度厶二300zttzw，絲杠水平安裝時(shí)，取&=1門，查表得，則有本車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為2401.197V，遠(yuǎn)小于其臨界壓縮載荷的值，故滿足要求。二、滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長度厶=300mm，其彈性模量E=2AxWMPu，密度/f=—x7,8x105/wm7S，重力加速度g=9.￡xl(f朋朋/F(1)滾珠絲杠的最小慣性矩為(2)滾珠絲杠的最小截面積為x27.92-611.05mm2取x27.92-611.05mm2取，查表得，則有陷=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本橫向進(jìn)給傳動(dòng)鏈的滾珠絲