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1、 目录1 绪论21.1数控技术的发展现状和发展趋势21.2毕业论文设计的内容要求32 总体介绍42.1 主要技术参数42.2 总体布局42.3 控制形式42.4 数控装置43 机械部分介绍53.1 滑台53.1.1 导轨53.1.2 丝杠63.1.3 电机83.2 转台83.2.1转台电机83.3 检测元件93.3.1 光栅93.3.2 编码器94 通用运动控制器控制系统的介绍104.1 运动控制器概述114.1.1 运动控制器的构成114.1.2 运动控制器的特点124.1.3通用运动控制技术及运动控制器的发展134.2 PMAC运动控制卡164.2.1 PMAC运动控制卡介绍164.2.2
2、 PMAC运动控制卡应用175基于PMAC运动控制卡构建数控系统185.1系统硬件组成185.1.1 工控机（IPC）195.1.2 PMAC2A-PC104运动控制卡组205.1.3 I/O板205.1.4 硬件控制系统的结构215.2 系统软件结构215.2.1 概述215.2.2 系统控制软件226数控技术试验台256.1 数控技术试验台总体结构256.2 机械本体256.3 伺服驱动系统276.4 反馈检测装置287 数控技术试验台螺距误差试验307.1 试验台螺距误差补偿307.2螺距误差补偿原因307.3螺距误差的补偿原理307.4螺距误差测量实验步骤35致 谢37参考文献38附录
3、41第1页 共47页1 绪论1.1数控技术的发展现状和发展趋势 在一些精度要求比较高的伺服控制领域中，由于机械传动装置的刚性、摩擦阻尼等非线性因素和传动间隙等都不包括在半闭环伺服系统的位置环内1。大部分传动间隙、弹性变形、滚轴丝杠的误差及滞后得不到补偿，使其位置精度的提高受到了很大的限制。为了克服半闭环伺服系统的这种不足，利用线位移光栅位移传感器安装在机床的工作台上，用以检测机械传动机构中由螺距误差、间隙及各种干扰所造成的传动误差。采用的转角-线位移双闭环位置控制，并进行反馈补偿控制从而提高机床的位置控制精度。同时还能保证全闭环伺服系统具有良好的稳定性。位置伺服控制系统的精度在很大程度上决定了
4、数控机床的加工精度。为了保证有足够的精度，一方面要正确选择系统中开环放大倍数，另一方面要对位置检测元件提出精度要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨率。分辨率仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或大中型数控机床时，必须量，一般要求比加工精度高一个数量级。总之，高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。所幸，用于数控机床的大量程长度和圆分度传感器已获得了长足的发展，普遍获得应用的光栅、磁栅系统等，其分辨率与精度都有明显的提高。例如
5、：用于数控系统的长度检测元件，其分辨率可在0.15um之间选择。1.2毕业论文设计的内容要求根据位置伺服系统在机床上的应用，研究位置伺服系统的结构特点，位置伺服系统的误差对机床加工精度影响。本课题利用机械学院数控试验台，通过光栅传感器测量位置误差，研究影响位置伺服系统误差的因素，用MATLAB软件分析误差分布，找出误差与运动之间的规律，设计位置控制器以及误差补偿装置，使位置系统的运动精度达到要求。 具体任务如下：（1） 了解本课题目前有关情况，完成楷体报告和英文翻译。（2） 熟悉机械学院数控试验台的结构和控制系统，绘制数控试验台结构图和控制系统原理图各1张，A0。（3） 测量螺距误差，找出误差
6、规律。绘制误差分布图1张，A3。（4） 设计及误差补偿装置，绘制补偿装置图1张，A1。 （5） 编写设计说明书1份，格式和字数满足学院要求。 2 总体介绍2.1 主要技术参数系统达到的技术指标为：脉冲当量0.01mm，多坐标联动控制，行程400mm，最大移动速度2m/min。螺距P=5mm。确定Z向行程400mm，X、Y向行程200mm；B、C两个转动轴每脉冲转角不大于5分。Z向采用光栅测量位移，分辨率为0.05mm；X、Y、Z、B、C向电机轴上装编码器，分辨率不大于5分。2.2 总体布局 试验台总体布局如图1.1所示。2.3 控制形式 X、Y、B、C向采用半闭环控制；Z向即可采用闭环控制，也
7、可采用半闭环控制。2.4 数控装置数控装置采用工控机（IPC）+运动控制器（PMAC）数控技术试验台外形(Appearance of NC technology experimental bench) 3 机械部分介绍 在现代数控机床中，为得到高速下的平稳运行，并具有较高的定位精度且防止爬行，要求进给系统中的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度，低摩擦阻力和动、静摩擦系数之差以及提高寿命等特点，而滚动导轨和滚珠丝杠螺母副能较好地满足要求。因此本实验台的设计采用了滚珠丝杠和滚动导轨的组合。需要根据进给驱动系统的要求进行设计。3.1 滑台 本实验台为五轴数控试验台，行程为X方向200mm，Y方向40
8、0mm，Z方向200mm。其中X、Y方向为上下两层运动台，结构相同。所以在滑台设计时，以Y方向进行设计，X方向未进行设计计算，参照Y方向确定。本实验台为无负载实验台，对Y方向来说，工作台重量约200（X方向155N，转台45N）。3.1.1 导轨导轨的功用：本设计的导向机构是导轨，导轨主要是用来支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动。本设计要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确地完成特定方向的运动，这个任务就是由导向机构来完成。导轨的分类和特点:两个作相对运动的部件构成一对导轨副,其中,在工作时固定不动的配合面称为固定导轨或静导轨;相对固定导轨作直线和回转运动的配合面称为运动导轨
9、.根据导轨副之间的摩擦情况,导轨分为滑动导轨和滚动导轨两大类.滚动导轨的优点是摩擦系数小,一般在0.003-0.004,动静系数很接近,低速运动不会产生爬行现象,可以使用油质润滑.滚动导轨的两导轨面之间为滚动摩擦,磨损小,寿命长,定位精度高,灵敏度高,但是结构复杂,几何精度要求高,抗振性较差,防护要求高.制造困难,成本高.它适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位精度高的场合.滚动导轨因其特有的优点在数控机床在的应用十分广泛,现在常用的有直线导轨副、滚动导轨块和直线滚动导轨副。直线导轨副一般用滚珠作为滚动体，滚动导轨块用滚子做滚动体，滚动导轨副的导轨轴时圆柱体，用合金钢制成，与前两者相比，
10、承载钢球与导轨副之间是两个凸圆之间的点接触，许用载荷小很多。因此。滚动导轨副只能用于轻载场合，并且一般不予加载荷。本实验为无载数控实验装置，所以设计时选用滚动导轨副1） 滚动导轨副Y方向承受X方向及转台的重量，约200N。作用于滚动导轨副的载荷 由于导轨只承受重力的作用，所以计算时按照只受重力载荷，不受测向载荷。滚动导轨副受力分析见图2.1。W=200N，=88 =117 =20 =30将已知数据代入上式，有： 98.36N 52.92N 47.08N1.64N载荷呈分段变化则滚动支承所受的径向力=73.77N滚动导套副的额定寿命L=4819.28h 额定动载荷C=501.1N3.1.2 丝杠
11、1 滚珠丝杠副的介绍滚珠丝杠副是螺旋传动元件，它的产生和发展只经历了数十年的历史，然而它具有长寿命、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙的特点，并具有优越的高速特性和耐磨特性及可逆性等特点，这些特点都是普通丝杠副不可能具有的机械传动性能。同时它可以由专业生产厂家组织生产和供应，已实现了标准化、通用化、商品化，用户可根据各自得需要方便地进行选购和订购，因此滚珠丝杠副以其显著的特点而得以广泛应用，成为各类数控机床的主要传动机构。滚珠丝杠副食一种螺旋传动机构，在具有螺旋槽的丝杠和螺母之间装有中间传动元件滚珠。它由丝杠螺母滚珠和返向器等四部分组成，当丝杠和螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，丝杠和螺母之间相对
12、运动时产生滚动摩擦。为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，如返向器和挡柱器，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内既自转又沿滚道循环转动。滚珠丝杠副与普通丝杠副相比较，它用滚道摩擦代替滑动摩擦，具有以下特点：（1）摩擦损失小、传动效率高。由于滚动丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达90-96%，约为普通螺旋机构传动效率的2-3倍；（2）磨损小、寿命长。通常，滚珠丝杠副的主要零件都经过淬硬，表面粗糙度较低，且滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，精度保持性能好，工作寿命长；（3）轴向刚度高。滚珠丝杠副可完全地消除传动间隙，不影响运动的灵活性，从而可以获得较高的轴向
13、刚度，而且可以通过预紧来提高轴向刚度；（4）摩擦阻力小、运动平稳。由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，启动力矩与运动力矩近乎相等。因此灵敏度高，运动较平稳，启动时无颤动，低速传动时无爬行现象；（5）不能自锁。由于滚珠丝杠副没有自锁能力，用于垂直升降传动时必须增设自锁装置或制动装置；（6）具有传动的可逆性。由于滚珠丝杠副摩擦损失小，可以从螺旋运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可作为主部件，也可作为从动件。但是，与普通丝杠副相比，滚珠丝杠副尚存在结构复杂，工艺难度大，制造成本高等缺点。根据滚珠丝杠副螺纹滚道法向截面的形状、滚珠的循环方式
14、、消除轴向间隙和调整预紧的方法不同，将滚珠丝杠传动分为以下几种不同的结构型式：（1）螺纹法向截型 螺纹法向截型是指通过滚珠中心的螺旋线的法向平面与丝杠或螺母滚道面的交线的形状。目前，较常用的滚道型面为单圆弧和双圆弧两种。单圆弧滚道型 面的特点是容易得到较高的精度，但接触角不容易控制，因而其传动效率、承载能力和轴向刚度均不够稳定。双圆弧滚道型面的特点是滚道型面的精加工较困难，其传动效率、承载能力和轴向刚度均较稳定。（2）滚珠循环方式 按照滚珠在整个循环过程中与丝杠表面的接触情况，循环方式分为内循环和外循环两种。由于制造和安装的误差，滚珠丝杠副存在间隙，影响其传动精度并降低了滚珠丝杠副的刚度，因此要采取消除间隙的预加载荷的方法。目前广泛采用的是双螺母调整预紧装置。综上所述，确定本试验台的滚珠丝杠副采用单圆弧、内循环、双螺母螺纹调整方式的结构型式。滚珠丝杠的支承方式主要有四种，我们选用两端支承方式它的优点是可对丝杠进行预拉伸，可承受两个方向的轴向力，保持了丝杠精度。因此，该支承方式只承受拉力，不承受压力，因此不存在压杆的稳定性问题。2.滚珠丝杠副 工作台重量 =30N工作台承重 =200N工作台最大行程 =400mm工作台快
