数控半闭环控制系统设计要点.doc

徐州工程学院课程设计半闭环直流位置伺服控制系统一引言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mm；滚珠丝杠的基本导程；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。2.1.2 PWM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21.2所示 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三机械系统设计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 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为 3.2.2导轨摩擦力的计算导轨受到垂向切削分力，纵向切削分力，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，取导轨动摩擦系数，则 计算在不切削状态下的导轨摩擦力和3.2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算最大轴向负载力 计算最小轴向负载力3.2.4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，进给传动链的脉冲当量，则有 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、。根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为、，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 （1）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，滚珠丝杠的当量载荷，查表得载荷系数；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，滚珠丝杠的基本导程，则 （2）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 ，则有 取上述计算结果的较小值，即。 （3）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+2余程+螺母长度+支承 （1.21.4）行程+（2530）取L=(1.4200+306)mm=460mm （4）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、额定动载荷和螺纹底径如下： 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一、已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径，已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度，丝杠水平安装时，取，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，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，其弹性模量，密度，重力加速度 （1） 滚珠丝杠的最小惯性矩为 （2）滚珠丝杠的最小截面积为 取，查表得，则有 本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为166.67r/m，远小于其临界转速，故满足要求。 三、滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核,滚珠丝杠的额定动载荷，已知其轴向载荷，滚珠丝杠的转速，运转条件系数，则有 本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命，故满足要求。四、滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。滚珠丝杠螺母副具有以下特点：（1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92-0.96，比普通丝杠高3-4倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的1/4-/3.（2）若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。（5）磨损小，使用寿命长。（6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。（7）不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不同，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故还需要增加制动装置。本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副，精度为3级，两端采用了小圆螺母为轴向定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现预紧。这种调隙方法结构简单，但载荷量须预先设定而且不能改变。3.2.7计算机械传动的刚度 已知滚珠丝杠的弹性模量，滚珠丝杠的底径。当 滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度 当时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度 已知滚动体直径mm，滚动体个数Z=15.轴承接触角40。轴 承最大轴向工作载荷。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度为： 查表得滚珠与滚道的接触刚度，滚珠丝杠的额定动载 。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷则 进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为 故。 进给传动系统的综合拉压刚度最小值为 故 已知扭矩作用点之间的距离，滚珠丝杠的剪切模量 滚珠丝杠的底径，则有 3.2.8电动机的选型与计算（1）计算滚珠丝杠的转动惯量已知滚珠丝杠的密度，则有（2）计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量已知横向进给系统执行部件的总质量为m=31.61kg;丝杠轴每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=0.6cm则（3）计算各齿轮的转动惯量 （4）计算加在电动机轴上总负载转动惯量 （5）计算折算到电动机轴上的切削负载力矩已知在切削状态下的轴向负载力，丝杠每转一圈，机床执行部件轴向移动的距离L=6mm=0.006m，进给传动系统的传动比i=6.25总效率=0.85，则有 （6）计算折算到电动机上的摩擦负载力矩 已知在不切削状态下的轴向负载力矩，则有 （7）计算由滚珠丝杠预紧力产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩 已知滚珠丝杠螺母副的效率，滚珠丝杠螺母副的预紧力为 折算到电动机轴上的负载力矩T的计算。 空载时（快进力矩），为 切削时（工进力矩），为根据以上计算结果和查表初选CN-400-10；对于半闭环系统，一般取加速时间。当机床以最快进给速度运动时电动机的最高转速为：（8）计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩 计算空载启动力矩 计算快进力矩 计算工进力矩 所以CN-400-10直流伺服电机符合要求。 3.3 进给系统的设计3.3.1床身及导轨数控车床工作时，受切削力的作用，床身发生弯曲，其中，影响最大的是床身水平面内的弯曲。因此，在床身不太长的情况下，主要应提高床身在水平面内的弯曲刚度。所以，在设计床身时，采用与水平面倾斜45的斜面床身。床身在弯曲、扭转载荷作用下，床身的变形与床身的截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料、截面相同，但形状不同的床身，截面的惯性矩相差很大。截面积相同时，采用空形截面，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的情况下，尽可能减小壁厚，可以大大提高截面的抗弯和抗扭刚度；矩形截面的抗弯刚度高于圆形截面，但圆形截面的抗扭刚度较高；封闭截面的刚度显著高于不封闭截面的刚度。为此，在设计床身截面时，综合考虑以上因素，在满足使用、工艺情况下，采用空心截面，加大轮廓，减小壁厚，采用全封闭的类似矩形的床身截面形式，同时，为了提高床身的抗扭刚度和床身的刚度重量比，在大截面内设计一个较小的类似圆形截面。床身与导轨为一体，床身材料的选择应根据导轨的要求选择。铸铁具有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和加工。床身材料采用机械性能优良的HT250，其硬度、强度较高，耐磨性较好，具有很好的减震性。车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大且磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。在动导轨上镶装塑料具有摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点，在各类机床上都有应用，特别是用在精密、数控和重型机床的动导轨上。塑料导轨可与淬硬的铸造铁支承导轨和镶钢支承导轨组成对偶摩擦副。直线运动滑动导轨截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆形，并可互相组合。由于矩形导轨制造简单，刚度高，承载能力大，具有两个相垂直的导轨面。且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装。再将矩形整体倾斜45后，侧面磨损能自动补偿，克服了矩形导轨侧面磨损不能自动补偿的缺陷，使其导向性更好。本次设计我采用的是燕尾槽导轨。镶条是用来调整矩形导轨和燕尾导轨的侧隙，以保证导轨面的正常接触。镶条应放在导轨受力较小的一侧。压板用于调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。如图3.4.1，是用磨或刮压板3的e面和d面来调整间隙。压板的d面和e面用空刀槽分开，间隙大磨刮d面，太紧时则修e面。这种方式构造简单，应用较多，但调整时比较麻烦。 图3.3.1 镶条图3.3.1 床身及导轨3.3.2中间轴的设计中间轴上的齿轮是电机输出与滚珠丝杠的传力结构，它主要通过键连接齿轮2和齿轮3.所以要设计键槽，可设计一个键槽为两个齿轮传力。两边要留轴颈上轴承，中间轴的装配见图3.4.2：图3.3.2 中间轴图3.3.2中间轴的零件图四数控系统硬件电路设计4.1硬件控制系统设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：（1） 接收键盘数据，控制LED显示（2） 接受操作面板的开关与按钮信息；（3） 接受车床限位开关信号；（4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；（5） 控制X，Z向步进电动机的驱动器；（6） 控制主轴的正转，反转与停止；（7） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；（8） 控制交流变频器，实现主轴无级变速；（9） 控制切削液泵启动/停止；（10） 控制电动卡盘的夹紧与松开；（11） 控制电动刀架的自动选刀；（12） 与PC机的串行通信。 CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片。W27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展AT89S52的RAM存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。控制系统原理框图如图4.1所示。图4.1 控制系统原理框图4.2 控制回路设计4.2.1 位置环控制 光电脉冲发生器作为速度传感器的同时，也可作为数字式角位移传感器。只需要对光电脉冲发生器输出脉冲信号进行可逆计数，便可得到电动机转子的角位移量，通过对光电脉冲发生器的零位脉冲和被拖动机械的机械零位标准后，则伺服系统的绝对位置坐标便可测量。一般情况下，位置反馈数字量用可逆计数方式获得。4.2.2 电流环设计 本伺服控制系统采用一种基于反馈控制原理的霍尔效应电流检测方法，可以实现直流PWM系统的电流实时检测。由于霍尔元件输出的信号是和电枢电流线性对应的双极性弱电流信号。因此，需要对霍尔元件输出的信号进行转换、滤波和放大，电路原理如图4.2.2所示： 图4.2.2 信号转换、滤波、放大电路 采样电压经过/转换后变为数字的电流信号。在新波产生之初，载入电流检测值，与给定的参考电流值一起来控制PWM波宽度，从而产生新的PWM波。同时，当电流检测值超过所允许的最大值即主电路过电流的时候，发出中断信号，产生中断，执行相应的中断处理程序就可以气动过流保护程序，封锁所有驱动信号的输出，直至故障解除。五系统控制软件的设计5.1控制软件的主要内容数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分：1、系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。2、零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序的任务。3、插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。4、伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角以及方向。诊断程序。包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。6、机床的自动加工及手动加工控制程序。7、键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。5.2软件设计5.2.1.系统控制功能分析系统控制功能包括：（1）、系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。（2）、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。（3）、输入和显示加工程序。（4）、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。（5）、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。（6）、工作台的自动控制。（7）、工作台的手动控制。（8）、工作台的联动控制。5.2.2.系统管理程序控制 管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程如图5.2.2所示： 开始系统初始化加工程序输入键按下？机床复位 N加工数据输入自动加工自动加工键按下？N Y N手动加工键按下？Y手动调整 Y N 图5.2.2 管理程序流程5.2.3自动加工程序设计（1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位刀具快速进给加工退刀工作台运动到下一位置；（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工；（3）由以上分析，设计自动加工程序框如图5.2.3所示： 入口零件坐标地址指针读零件坐标调步进电机子程序工作台移动到位刀具快进加工快速退刀 零件坐标地址指针加1零件加工完成 N Y 返回 图5.2.3 自动加工程序框结束语课程设计是对我们大学期间所学知识的一次总结与运用，是对以前每门课程设计的综合，是对所学知识的彻底检验。刚开始选择课题的时候，我因为对数控车床比较感兴趣，所以选择了关于数控车床方面的课题。我所在的组设计的是一台数控车床，我主要对其中的横向进给系统及纵向进给系统进行设计。开始设计之前，我首先上网搜索了有关车床方面的知识，对数控车床的发展现状和发展趋势有了进一步的了解，也让我学习到了很多新的知识。设计的时候，我们对学校的一些数控车床进行了观察，我主要观察了机床的进给系统结