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1、 目 录1. 引言引言 1 1.1 进给伺服系统的组成1 1.2 进给伺服系统的分类1 1.2.1 根据进给伺服系统实现自动调节方式的不同分类 11.2.2 按使用的驱动元件分类 21.2.3 按进给驱动和主轴驱动分类 21.3 对进给伺服系统的基本要求21.3.1 工作精度 31.3.2 调速性能 31.3.3 负载能力 31.3.4 响应速度 31.3.5.稳定性 31.4 常用的伺服电动机42. 机床进给伺服系统机械部分设计计算机床进给伺服系统机械部分设计计算 4 2.1 系统脉冲当量及切削力的确定42.2 滚珠丝杠螺母副设计、计算和造型52.2.1 计算进给牵引力 Fm (N)52.2
2、.2 计算最大动负载 C 52.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型 62.2.4 传动效率计算 62.2.5 刚度验算 62.2.6 稳定性校核 7 2.3 进给伺服系统传动计算 82.3.1 齿轮传动比计算82.3.2 齿轮齿数及技术参数 83. 步进电动机及其选择步进电动机及其选择 93.1 步进电动机的特点93.2 步进电动机的分类93.2.1 反应式步进电动机 93.2.2 永磁式步进电动机 93.2.3 混合式步进电动机 93.3 初选步进电动机103.3.1 计算步进电机负载转矩 Tm 103.3.2 估算步进电机起动转矩 Tq 103.3.3 计算最大静转矩 Tjmax 103.3.4
3、 计算步进电机运行频率和最高启动频率10efkf3.3.5 初选步进电机型号 113.4 校核步进电动机转矩113.4.1 等效转动惯量计算 113.4.2 电机转矩计算 124. 步进电动机的控制与驱动步进电动机的控制与驱动 114.1 步进电动机的速度控制 114.1.1 绘制系统电器控制的结构框图 144.1.2 选择中央处理器的类型 144.1.3 存储器扩展电路设计 154.1.4 I/O 口接口电路设计 154.2 步进电动机的脉冲分配 154.2.1 8031 单片机的基本特性 154.2.2 8031 芯片引脚及其功能 15 4.2.3 8031 芯片内部的存储器结构及地址分配
4、 174.3 步进电动机的驱动电源的选择 194.3.1 程序存储器的扩展 194.3.2 数据存储器的扩展 214.3.3 译码电路设计 214.4 I/O 接口电路及辅助电路设计224.4.1 8255 可编程接口芯片224.4.2 键盘显示接口电路224.5 微机控制系统电路原理图224.5.1 控制系统的功能 234.5.2 CPU、存储器及 I/O 接 口235 . 结论结论 24致谢致谢 24参考文献参考文献 24 高燕：机电一体化系统进给伺服系统设计机电一体化系统进给伺服驱动系统设计机电一体化系统进给伺服驱动系统设计摘要：本文对经济型数控车床进给伺服系统进行了研究，提出了一种新的
5、改造设计，主要内容有：在机械部分设计中，确定系统脉冲当量及切削力，滚珠丝杠螺母副的设计、计算及选型和进给伺服系统传动部件的计算；对步进电动机进行初选并校核其转矩；进行了数控系统硬件电路的设计。通过对系统进行调试运行表明：改造设计的进给伺服系统不仅有足够高的精度，调速性能并具有较好的负载能力，响应速度及稳定性，能够加工出较高精度的零件，满足现代制造业发展的需要，具有广泛的应用前景。关键词：伺服驱动 脉冲当量 数控系统 响应速度1 引言引言机电一体化设备的进给伺服系统，大多是以运动部件的位置和速度作为控制量。对于数控机床来说，进给伺服系统的主要任务是，接受插补装置生成的进给脉冲指令，经过一定的信号
6、变换及功率放大，驱动执行元件（伺服电动机，包括交、直流伺服电动机和步进电动机等） ，从而，控制机床工作台或者切削刀具的运动。1.1 进给伺服系统的组成进给伺服系统的组成进给伺服系统一般包括控制模块、速度控制模块、伺服电动机、被控对象、速度检测装置，以及位置检测装置等。1.2 进给伺服系统的分类进给伺服系统的分类1.2.1 根据进给伺服系统实现自动调节方式的不同分类 （1）开环伺服系统 如图 1 所示，这类系统的驱动元件主要是步进电动机或电液脉冲马达。系统工作时，驱动元件将数字脉冲转换成角度位移，转过的角度正比于指令脉冲的个数，转动的速度取决于指令脉冲的频率。系统中无位置反馈，也没有位置检测元件
7、。开环伺服系统的结构简单，控制容易，稳定性好，但精度较低，低速有振动，高速转矩小。一般用于轻载或负载变化不大的场合，比如经济型数控机床上。图 1 开环伺服系统结构图（2）闭环伺服系统 如图 2 所示，这类系统是误差控制伺服系统，驱动元件为交流或直流伺服电动机，电动机带有速度反馈装置，被控对象装有位移测量元件。由于闭环伺服系统是反馈控制，测量元件精度很高，所以系统传动链的误差、环内各元件的2009 级机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）误差，以及运动中造成的随机误差都可以得到补偿，大大提高了跟随精度和定位精度。图 2 闭环伺服系统结构图（3）半闭环伺服系统 如图 3 所示，这类系统的位置检
8、测元件不是直接安装在进给系统的最终运动部件上，而是经过中间机械传动部件的的位置转换，称为间接测量。半闭环系统的驱动元件既可以采用交流或直流伺服电动机，也可以采用步进电动机。该类系统的传动链有一部分处在位置环以外，环外的位置误差不能得到系统的补偿，因而半闭环系统的精度低于闭环系统，但调试比闭环系统方便，所以仍有广泛应用。图 3 半闭环伺服系统结构图 1.2.2 按使用的驱动元件分类（1）步进伺服系统 驱动元件为步进电动机。常用于开环/闭环位置伺服系统，控制简单，性能/价格比高，维修方便。缺点是低速时有振动，高速时输出转矩小，控制精度偏低。（2）直流伺服系统 驱动元件为小惯量直流伺服电动机或永磁直
9、流伺服电动机。小惯量直流伺服电动机最大限度地减低了电枢的转动惯量，所以能获得较好的快速性；永磁直流伺服电动机能在较大的负载转矩下长时间工作，电动机的转子惯量大，可与丝杠直接相联。伺服电动机能在较大的负载转矩下长时间工作，电动机的转子惯量大，可与丝杠直接相联。（3）交流伺服系统 驱动元件为交流异步伺服电动机或交流永磁同步伺服电动机。可以实现位置、速度、转矩和加速度等的控制。1.2.3 按进给驱动和主轴驱动分类（1）进给伺服系统 进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪的功能，是机电一体化设备中要求较高的伺服控制系统。
10、（2）主轴伺服系统 严格来说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统，主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程所需要的转矩和功率，并且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无级变速。在数控机床中，具有 C 轴控制的主轴与进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。高燕：机电一体化系统进给伺服系统设计1.3 对进给伺服系统的基本要求对进给伺服系统的基本要求机电一体化设备对其进给伺服系统主要有以下基本要求：1.3.1 工作精度为了保证加工出高精度的零件，伺服系统必须具有足够高的精度，包括定位精度和零件综合加工精度。定位精度是指工作台由某点移至另一点时，指令值与实际移动距离的最大误码率差值。综合加工精度
11、是指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差值。在数控机床上，数控装置的精度可以做得很高（比如选取很小的脉冲当量） ，完全可以满足机床的精度要求。此时，机床本身的精度，尤其是伺服传动链和伺服执行机构的精度就成了影响机床工作精度的主要因素。现代数控车床的位移精度一般为 0.010.001mm，在速度控制中，则要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力。1.3.2 调速性能调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。伺服系统在承担全部工作负载的条件下，应具有宽的调速范围，以适应各种工况的需要。目前数控机床的进给 速度范围是：脉冲当量为1um 时，进给速度在 0240m/min 时连续可调。以一般数控机床为例，要求进给控制系统在024m/min 的进给速度下都能正常工作。在 124000mm/min 时，即 1：24000 的调速范围内，要求速度均匀、稳定、无爬行、速度降低。在 1mm/min 以下时具有一定的瞬时速度。在零速时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩，以维持定位精度，使定位误差不超过系统定位误差允许范围，也就是说伺服处于锁住状态。1.3.3 负载能力在足够宽的调速范围内，承担全部工作负载，这是对伺服系统的又一个要求。对于数控机床来说，
