数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计
1 引言
数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。
X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X 、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。
2 设计任务
题目：数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计
任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下：
1. 立铣刀最大直径的d=15mm ；
2. 立铣刀齿数Z=3;
3. 最大铣削宽度e a =15mm;
4. 最大背吃刀量p a =8mm;
5. 加工材料为碳素钢活有色金属。
6. X 、Y 方向的脉冲当量x y δδ==0.01mm;
7. X 、Z 方向的定位精度均为0.04mm; 8. 重复定位精度为0.02mm; 9. 工作台尺寸 250×250㎜; 10.X 坐标行程 300mm; 11.Y 坐标行程 120mm;
12.工作台空载进给最快移动速度：V xmaxf =V zmaxf =1500mm/min; 13.工作台进给最快移动速度:max max 400mm /min x f z f V V ==;
3 总体方案确定
3.1机械传动部件的选择 3.1.1导轨副的选用
要设计数控车床X-Z 工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度不是很高，因此选用直线滑动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 3.1.2丝杠螺母副的选用
伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.004mm 冲当量和01.0±mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 3.1.3伺服电动机的选用
任务书规定的脉冲当量尚未达到0.01mm ，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此1500mm/min ，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。 3.1.4减速装置的选用
为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，需要设置减速装置，且应有消间隙机构。因此决定采用无间隙齿轮传动减速箱。
3.1.5检测装置的选用
选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所
给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。
考虑到X、Z两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Z两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。
3.2 控制系统的设计
1）设计的X-Z工作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。
2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。
3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。
4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
3.3 绘制总体方案图
总体方案图如图所示:
系统结构原理框图
4 机械传动部件的计算与选型
4.1 导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为500N
4.2 铣削力的计算
设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：
0.850.750.73 1.00.13
c e z p 118a f
d a n Z F -= (6-11)
今选择铣刀的直径为d=15mm ，齿数Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为e a 15mm =，背吃刀量p a =8mm ，每齿进给量z f 0.1mm =，铣刀转速n 300r/min =。则由式（6-11）求的最大铣削力：
F C =118 x15
0.85
x 0.1
0.75
x 15
-0.73
x 81.0x 300
0.13
x 3N=1463N
采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：1607N F 1.1F C f ≈=,556N F 38.0F C e ≈=，
N 663F 25.0F C fn ≈=。图3-4a 为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣
削力N 556F F e z ≈=，受到水平方向的铣削力分别为f F 和fn F 。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力N 1607F F f x ≈=，径向铣削力为
N 366F F fn y ≈=。
4.3 导轨的计算
由于使用的是双矩形滑动导轨，故不要求进行相应的计算。 4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4.4.1 最大工作载荷Fm 的计算
如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1607N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=366N ，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=556N.
已知移动部件总重量G=500N ，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数μ=0.04。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
Fm=KFx+μ(Fz+Fy+G)=[1.1?1408+0.04?(556+366+500)]N ≈1827N 4.4.2 最大动工作载荷FQ 的计算
设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min ，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/min 。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106r ）。
查表，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数fH=1.0,代入式（3-23），求得最大动载荷：
N F f f F m H w Q 9116L 30≈=
4.4.3 初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G 系列2005-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm ，导程为5mm ，循环滚珠为3圈*1系列，精度等级取5级，额定动载荷为11082N ，
大于F Q ，满足要求。表3.1滚珠丝杠螺母副几何参数
4.4.4 选择滚珠丝杠直径时，还应综合考虑下列问题
丝杠工作长度L ，应满足控制中的行程要求。L 应为丝杠工作长度：
134
l l H l l ≥+++
式中，1l 为控制系统中需要的行程（mm ），H 为螺母的安装高度（mm ），3l 为满足行程以外的余量，一般10~5=l ，4l 为由丝杠防护结构确定的长度（mm ），
于是：
横向丝杠： 410mm 08251300l x
=++?+=
纵向丝杠： mm 30208251021l y =++?+= (1) 根据结构设计，螺杆的总长度
l 总
应为螺杆的工作长度L 加上结构长度。
横向： mm l 579178401=+=总
纵向： mm l
399178221=+=总
(2) 丝杠的长度还应满足刚度的要求，根据刚度要求确定丝杠的直径d
横向：
40~3416.2325/579≤==d
l
总
纵向：
40~3496.1525/399≤==d
l
总
即满足
40~34≤d
l
总
(3) 因此，滚珠丝杠直径可以都选为d=25mm
4.4.5 传动效率η的计算
将公称直径d 0=20mm,导程P h =5mm,代入λ=arctan[P h /(∏d 0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角ψ=10′，代入η=tan λ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。
4.4.6 刚度的验算
(1) X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a=500mm ；钢的弹性模量E=2.1х105Mpa;查表得滚珠直径D w =3.175mm ，丝杠底径d 2=16.2mm,丝杠截
面积S=22d π/4=206.12m 2m 。
忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm 作用下产生的拉/压变形量
??==1.2/(5001826[)/(1ES Fma δ105)]12.206?mm=0.0211mm.。
(2) 根据公式0(/)3W Z d D π=-，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数?列数为3?1，代入公式Z ∑=Z ?圈数?列数，得滚珠总数量Z ∑=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力YJ m F F =/3=609N 。则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量20.0024δ≈mm 。
因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取
2δ=0.0012mm 。
(3) 将以上算出的1δ和2δ代入12δδδ=+总，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm ）
δ总=0.0212mm=21.2m μ
本例中，丝杠的有效行程为330mm ，由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm 时，行程偏差允许达到25m μ，可见丝杠刚度足够。 4.4.7 压杆稳定性校核
根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷F K 。取支承系数k f =1；由丝杠底径d 2=16.2mm 求得截面惯性矩42/64I d π=≈3380.884mm ；压杆稳定安全系数K 取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a 取最大值500mm 。代入式（3-28），得临界载荷F K =1557N ，故丝杠不会失稳。
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
4.4.8 支承方式及轴承的选择
经过查阅相关资料，并结合本设计具体情况选择“单推－单推”支承方式
通过查相关手册，轴承选择如下：
表1 轴承参数
由上表可看出，轴承的额定动载荷Ca>C ，所以所选轴承在给定的工作条件下的预期的寿命内安全。 4.5 步进电动机传动比
已知工作台的脉冲当量δ=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程P h =5mm ， 初选步进电动机的步距角α=0.72°。根据式（3-12），算得减速比：
()/(360)h i P αδ==（0.72?5）/（360?0.01）=1
由此可见本机构不必要选减速箱 4.6 步进电动机的计算与选型
4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J eq
已知：滚珠丝杠的公称直径d 0=20mm ，总长l=500mm ，导程Ph=5mm ，材料密度
ρ=7.85?10-5kg/2cm ;移动部件总重力G=500N 传动比i=1算得各个零部件的转动惯量
如下：
2
2
S L R J πρ=
2
2
Z R J πρ=
b
滚珠丝杠的转动惯量J s =0.617kg ·cm 2;拖板折算到丝杠上的转动惯量J w =0.517kg ·cm 2;初选步进电动机的型号为110BYG007-Ⅱ,为五相混合式，五相驱动时的步距角为0.72°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量J m =11.5 kg ·cm 2。
则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：
22.434.12/)(cm kg i J J J J s w m eq =++=
4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。
1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩1eq T ，1eq T 包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩max a T ；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知，0T 相对于max a T 和f T 很小，可以忽略不计。则有：
1eq T =max a T +f T （6-13）
根据式（4-9），考虑传动链的总效率η，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：
max a T =
21
60eq m a
J n t πη
? (6-14)
其中： max 360m v n α
δ
==300r/min (6-15)
式中m ax V —空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min ；
α—步进电动机步距角，预选电动机为0.72 ； δ—脉冲当量，本例δ=0.01mm/脉冲。
设步进电机由静止加速至m n 所需时间s t 3.0=?，传动链总效率η=0.75。则由式（6-14）求得：
m
N T a .1735.075.03.060300
10434.1224m ax ≈?????=-π
由式（4-10）知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：
m
.N 0216.0175.025
50004.0i 2Ph G F Z =????=+=πηπ）μ（f T (6-16)
式中η——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.04
z F ——垂直方向的铣削力，空载时取0
η——传动链效率，取0.75
最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：
1eq T =max a T +f T =0.197N ?m (6-17)
2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2eq T
2eq T 包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T ；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T ，0T 相对于f T 和t T 很小，可以忽略不计。则有：
2eq T =t T +f T （6-18）
其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T 由公式（4-14）计算。有：
m N P T h f .73.1175.02005
.016092F t =???==
ππηι
再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载(556)z F N =情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：
m
N G T .04557.0175.02005.0)500556(04.02)P (F h z f =???+?=+=
ππηιμ
最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：
2eq T =t T +f T =1.77N/m （6-19）
最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：
m N Teq Teq Teq .77.1}2,1max{==
4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定
考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据eq T 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足：
m N m N T T eq j .08.7.77.144m ax =?=≥ （6-20）
初选步进电动机的型号为110B007-Ⅱ，查得该型号电动机的最大静转矩
max j T =9.45N ?m 。可见，满足要求。 4.6.4 步进电动机的性能校核
1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度
m a x f V =400mm/min ，脉冲当量pluse mm /01.0=δ/脉冲，由式（4-16）求出电动机对应的运行频率Z f
H f
667)]01.060/(400[max ≈?=。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲
线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩max f T ≈6N ?m ，大于最大工作负载转矩
2eq T =1.775N ?m ，满足要求。
2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度
max v =1500mm/min ，求出其对应运行频率Z H f
2500)]01.060/(1500[max
≈?=。在此频率
下，电动机的输出转矩max T =5.8N ?m ，大于快速空载起动时的负载转矩1eq T =0.197N ?m ，满足要求。
3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度max v =1500mm/min 对应的电动机运行频率为Z H f
30000max
=。查表知110BYG007-Ⅱ电动机的空载运行频率可
达30000z H ，可见没有超出上限。
4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量2
.434.12cm kg J eq =，电动机转子的转动惯量2
.5.11cm kg Jm =，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率
1800q z f H =。由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：
Hz
J f m
1244/J 1f eq q
L =+=
说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1244
Hz 。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100z H 。 综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG007-Ⅱ步进电动机，完全满足设计要求。
5 增量式旋转编码器的选
本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角00.75α=，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/480α=个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A 、B 相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。
此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H 盘状空心型，孔径10mm ，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V ，每秒输出120个A/B 脉冲，信号为电压输出。
6 绘制进给传动系统示意图
进给传动系统示意图如图所示：
进给传动系统示意图
7 工作台控制系统的设计
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。
X-Y数控工作台的控制系统设计，控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。本设计CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52，由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了X﹑Y方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与PC机的串行通信经过MAX233，可以采用PC机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素：方向﹑转角和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，而转速则取决于控制器发出的步进脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中，CPU不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身
的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零，无需升降频控制。当步进电动机的运行频率（为步进电动机有载起动时的起动频率）时，若直接用起动，由于频率太高，步进电动机会失步，甚至会丢步，甚至停转；同样在频率下突然停止，步进电动机会超程。因此，当步进电动机在运行频率下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电动机从起动频率开始，逐渐加速升到运行频率，然后进入匀速运行，停止前的降频可以看作是升频的逆过程。虽然本设计采用了半闭环控制，加入了增量式编码器作为反馈信号，但是在编程过程中仍需设计升降频的部分，以使步进电动机运行平稳、精确。根据需要，可编写出驱动步进电动机的程序。AT89S52指令与80C51指令完全兼容。
控制系统原理框图如图所示。
控制系统原理框图
8 步进电动机的驱动电源选用
设计中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为1000VAC，相电流为4A，分配方
式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图所示。
BD28Nb型驱动电源接线图
9 设计感言
本学期我们开设了《机电一体化系统设计》这门课程，是我们机械专业的专业必修课，与实际联系是非常紧密的。学习任何知识，除了从理论上求知，还要去实践、探索。所以这学期末的课程设计是很及时的、很必要的。这样不仅加深我们对知识的掌握，知道了如何去应用，真正的做到了学以致用。
在实践中我学会了进行机电一体化系统设计时的方案分析、比较、拟定；掌握了机电系统设计的设计方法；掌握了机电系统的部分工作原理；学会了机械系统设计步骤和典型零件的设计计算方法和选型计算方法、提高了结构分析能力和设计能力。通过对控制系统硬件电路设计，掌握了微机的选用、存储器的选用与扩展等。
自动控制原理课程设计题目速度伺服控制系统设计 专业电气工程及其自动化 姓名 班级 学号 指引教师 机电工程学院 12月
目录一课程设计设计目 二设计任务 三设计思想 四设计过程 五应用simulink进行动态仿真六设计总结 七参照文献
一、课程设计目： 通过课程设计，在掌握自动控制理论基本原理、普通电学系统自动控制办法基本上，用MATLAB实现系统仿真与调试。 二、设计任务： 速度伺服控制系统设计。 控制系统如图所示，规定运用根轨迹法拟定测速反馈系数' k，以 t 使系统阻尼比等于0.5，并估算校正后系统性能指标。 三、设计思想： 反馈校正： 在控制工程实践中，为改进控制系统性能，除可选用串联校正方式外，经常采用反馈校正方式。常用有被控量速度，加速度反馈，执行机构输出及其速度反馈，以及复杂系统中间变量反馈等。反馈校正采用局部反馈包围系统前向通道中一某些环节以实现校正，。从控制观点来看，采用反馈校正不但可以得到与串联校正同样校正效果，并且尚有许多串联校正不具备突出长处：第一，反馈校正能有效地变化
被包围环节动态构造和参数；第二，在一定条件下，反馈校正装置特性可以完全取代被包围环节特性，反馈校正系数方框图从而可大大削弱这某些环节由于特性参数变化及各种干扰带给系统不利影响。 该设计应用是微分负反馈校正： 如下图所示，微分负反馈校正包围振荡环节。其闭环传递函数为 B G s （）=00t G s 1G (s)K s +（）=22t 1T s T K s ζ+（2+）+1 =22'1T s 21Ts ζ++ 试中，'ζ=ζ+t K 2T ，表白微分负反馈不变化被包围环节性质，但由于阻尼比增大，使得系统动态响应超调量减小，振荡次数减小，改进了系统平稳性。 微分负反馈校正系统方框图
毕业设计
茂名职业技术学院 2011年12月21日 数控铣床X-Y工作台设计 【摘要】 本设计是在数控机床工作原理之上设计一台简单的、经济型的x-y 数控铣床工作台。X-Y数控工作台的机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了微机的软件与硬件功能以实现对机床的控制,使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。设计任务是完全围绕数控机床工作原理而展开的，本设计充分体现了数控机床机械设备部分与电气设备部分的紧密结合。X-Y数控工作台设计包括总体方案的设计、步进电机的选用、传动装置的设计、电气控制部分的设计和相关软件的设计。本设计的经济型数控工作台精度并不高，采用开环系统；机械传动部分采用步进电机直接连接滚珠丝杠，从而驱动工作台进给。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电，所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体即转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。 关键词：X-Y数控工作台；设计任务；机械传动部件；控制系统
CNC XY table design Abstract The design is in the NC machine tool works on top of design a simple, economical CNC xy table. XY table CNC electromech anical system design is an open-loop control system, its structure is simple, convenient and can guarantee to achieve a certain degree of accuracy. Reduce costs, is a computer-controlled technology, the simplest applications. It is full advantage of the crisis in software and hardware capabilities in order to achieve the control of machine tools; to expand the scope of processing machines, precision and reliability, and further enhanced. Design task is completely around the NC machine tool works and carried out,this design fully reflects the CNC machine tools and electrical equipment, machinery and equipment part of the close combination of parts. CNC XY table design includes the overall program design, selection of stepper motors, gear design, electrical control part of the design and related software design. The design of the economy is not high-precision CNC table, using open-loop system; mechanical transmission part is directly connected to ball screw stepping motor, which drives table feed . Stepper motor is a pulse signal will be transferred into the angular displacement of the electromechanical DAC device. Its working principle is: each to a pulse will be generated in the stator circuit in a certain space rotating magnetic field; due to pass the three-phase stepper motors AC Therefore, the number of input pulses and the time interval is different from the rotation of the rotor rotation speed and the length of time are different. As the rotating magnetic field into which the power of both the rotor conductor cutting magnetic field lines when the role of a force, from the realization of the rotating magnetic field corresponding rotational force of rotor rotation, so the rotor can be achieved only lead screw rotor
数控机床进给系统设计
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 1.1、伺服系统对伺服电机的要求 （1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min 或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 （2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。 （4）电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 1.2、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反
馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。 直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。 交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。 1.3、主要设计任务参数 车床控制精度：0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度：V max=5m/min。最大加工直径为D =400mm，工作台及刀架重：110㎏；最大轴，向力=160㎏；导轨静摩擦系数=0.2； max 行程=1280mm；步进电机：110BF003；步距角：0.75°；电机转动惯量：J=1.8×10-2㎏.m2。
辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计 目录 1、前言 (1) 1.1设计目的 (1) 1.2设计内容 (1) 2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 (2) 2.1伺服系统基本原理及系统框图 (2) 2.2 伺服系统的模拟PD+数字前馈控制 (4) 2.3 伺服系统的程序 (6) 3、仿真波形图 (9) 结论 (12) 心得与体会 (13) 参考文献 (14)
1、前言 1.1设计目的 1、使学生进一步掌握电力拖动自动控制系统的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力； 2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力； 3、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。 1.2设计内容 1、分析和设计具有三环结构的伺服系统，用绘图软件（matlab）画原理图还有波形图； 2、分析并理解具有三环结构的伺服系统原理。
2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 2.1伺服系统基本原理及系统框图 伺服系统三环的PID控制原理: 以转台伺服系统为例,其控制结构如图2-1所示,其中r为框架参考角位置输入信号, 为输出角位置信号. 图2-1 转台伺服系统框图 伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构,电机输出轴直接与负载-转动轴相连,为使系统具有较好的速度和加速度性能,引入测速机信号作为系统的速度反馈,直接构成模拟式速度回路.由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路. 转台伺服系统单框的位置环,速度环和电流环框图如图2-2,图2-3和图2-4所示. 图2-2 伺服系统位置环框图 图2-3 伺服系统速度环框图
目录 1.序论 (1) 1.1设计的目的 (1) 1.2设计的意义 (1) 1.3设计的任务 (1) 2.总体方案设计 (2) 2.1二维数控精密工作台的原理 (2) 2.2设计的整体方案 (3) 2.2.1工作台总体结构的确定 (3) 2.2.2传动方案的确定 (3) 2.2.2.1丝杆螺母副的选用 (3) 2.2.2.2导轨副的选用 (4) 2.2.2.3联轴器的选用 (4) 2.2.2.4伺服电动机的选用 (4) 2.3绘制总体方案图 (4) 3.机械系统的设计计算 (5) 3.1滚珠丝杆选择 (5) 3.1.1滚珠丝杆工作长度计算 (5) 3.1.2计算载荷 (6) 3.2.3额定动载荷计算 (7) 3.1.4稳定性校核 (8) 3.1.5滚珠丝杆副的刚度计算 (9) 3.2滚动直线导轨选择 (9) 3.2.1导轨额定寿命计算 (10) 3.2.2导轨工作载荷计算 (11) 3.3联轴器的选择 (11) 3.3.1联轴器传递功率确定 (12) 3.3.2联轴器的选定 (12) 3.4轴承选择 (13) 3.5步进电机的计算与选型 (14) 3.6系统整体性能计算 (15) 3.6.1步进电机轴上总当量负载转动惯量计算 (15) 3.6.2系统刚度计算 (16) 3.6.3系统固有频率计算 (16) 3.6.4系统死区误差计算 (17) 3.6.5由系统刚度变化引起的定位误差计算 (17) 4工作台整体装配图及零件图 (20) 5总结 (20) 6参考文献
1.序论 1.1设计的目的 “精密机械设计基础”课程设计作为实践环节对于整个课程具有非常重要的意义。在这次课程设计中不仅仅是完成一项指定的任务，更重要的是实际走过一个完整的设计过程。学生在课程设计中定位为设计者，对方案进行筛选论证，考虑结构工艺性和选材。整个设计采用AutoCAD和Solidworks完成，从3D建模到2D 图纸。要求学生至少做出一张可用于加工的图纸，图纸的尺寸标注要合理，要有尺寸公差和行为公差，要正确选择材料，要有技术要求。总之，通过本次课程设计使学生知道，设计过程包括哪些步骤，能够投放生产的加工图纸是什么样子的。其目的是: （1）具体应用、巩固加深和扩大课程及有关先修课程的理论知识、生产知识，了解精密机械设计的一般设计方法和步骤，培养学生的实际设计能力，为以后进行毕业设计打下基础。 （2）掌握正确的设计思想，并通过本次课程设计使同学们掌握仪表的设计思想。 1.2设计的意义 精密机械课程设计是一次比较完整的精密机械设计，它是理论联系实际、培养初步设计能力的重要教学环节。对于学生能力的培养具有重大意义。 1.3设计的任务 设计一个数控X-Y工作台，该工作台可用于铣床上坐标的加工和塑料、铝合金零件的二维曲线加工。其实际结构如下图1.3所示：
机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。 二、进给伺服系统的组成 如图所示为数控机床进给伺服系统的组成。从图中可以看出，它是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。位置环的输入信号是计算机给出的指令信号和位置检测装置反馈的位置信号，这个反馈是一个负反馈，即与指令信号的相位相反。指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号向位置环送去减数。位置检测装置通常有光电编码器、旋转变压器、光栅尺、感应同步器或磁栅尺等。它们或者直接对位移进行检测，或者间接对位移 进行检测。 开环伺服系统开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节。如图所示，这种系统的伺服驱动装置主要是步进电动机、功率步进电动机、电液脉冲电动机等。由数控系统发出的指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电动机转动，通过齿轮副 与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。 闭环伺服系统 闭环伺服系统原理图如图所示。系统所用的伺服驱动装置主要是直流或交流伺服电动机以及电液伺服阀—液压马达。与开环进给系统最主要的区别是：安装在执行部件上的位置检测装置，测量执行部件的实际位移量并转换成电脉冲，反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。由于采用了位置检测反馈装置，所以闭环伺服系统的位移精度主要取决于检测装置的精度。闭环伺服系统的定位精度一般可 达±0.01mm～±0.005 mm。
半闭环伺服系统 半闭环伺服系统如图所示。将检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件位置的系统称为半闭环系统。闭坏系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环系统只能补偿系统环路内部分元件的误差，因此，半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些， 但是它的结构与凋试都比较简单。 全数字伺服系统 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已经开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，应用数字PID算法，用PID程序来代替PID调节器的硬件，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。位置、速度和电流构成的三环结构 如图所示。
X-Y 数控工作台课程设计 一、总体方案设计 1.1 设计任务 题目：X —Y 数控工作台的机电系统设计 任务：设计一种供立式数控铣床使用的X —Y 数控工作台，主要参数如下： （1）工作台面尺寸C ×B ×H ＝185mm ×195mm ×27mm ； （2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝385mm ×385mm ×235mm ； （3）工作台加工范围X=115mm Y=115mm ； （4） X 、Y 方向的脉冲当量均为0.005mm 、脉冲；X 、Y 方向的定位精度均为±0.01mm ； （5）负载重量G=235N ； （6）工作台空载最快移动速度为3m/min ； 工作台进给最快移动速度为1m/min 。 （7）立铣刀的最大直径d=20mm ； （8）立铣刀齿数Z=3； （9）最大铣削宽度20e a mm ；
（10）最大被吃刀量10p a mm 。 1．2总体方案的确定 图1-1 系统总体框图 （1）机械传动部件的选择 ① 导轨副的选择 要设计的X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 ② 丝杠螺母副的选择 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm 的脉冲当量和±0.01mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。 ③ 减速装置的选择 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输
数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计 1 引言 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。 X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X 、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 2 设计任务 题目：数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计 任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下： 1. 立铣刀最大直径的d=15mm ； 2. 立铣刀齿数Z=3; 3. 最大铣削宽度e a =15mm; 4. 最大背吃刀量p a =8mm; 5. 加工材料为碳素钢活有色金属。 6. X 、Y 方向的脉冲当量x y δδ==0.01mm;
7. X 、Z 方向的定位精度均为0.04mm; 8. 重复定位精度为0.02mm; 9. 工作台尺寸 250×250㎜; 10.X 坐标行程 300mm; 11.Y 坐标行程 120mm; 12.工作台空载进给最快移动速度：V xmaxf =V zmaxf =1500mm/min; 13.工作台进给最快移动速度:max max 400mm /min x f z f V V ==; 3 总体方案确定 3.1机械传动部件的选择 3.1.1导轨副的选用 要设计数控车床X-Z 工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度不是很高，因此选用直线滑动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 3.1.2丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.004mm 冲当量和01.0±mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 3.1.3伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0.01mm ，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此1500mm/min ，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。 3.1.4减速装置的选用 为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，需要设置减速装置，且应有消间隙机构。因此决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 3.1.5检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所
第一章、数控机床进给系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示： 图1-1数控机床进给系统伺服 由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 1.1、伺服系统对伺服电机的要求 （1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 （2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。 （4）电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 1.2、伺服系统的分类 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。
自考毕业设计 数控十字工作台 1 一. 引言： 二. 设计任务 三. 总体方案确定 四、机械部分设计 1、导轨副的选择 （1）、额定寿命计算 （2）、滚动导轨预紧方式的确定： 2、丝杠螺母副的选用 （1）、计算进给引力m F （2）、计算最大动负载C 及主要尺寸初选 3、滚珠丝杠螺母副的选型： （1）、传动效率计算 （2）、刚度验算 （I ）、丝杠的拉伸或压缩变形量1δ （II ）、滚珠与螺纹滚道间接触变形2δ （III ）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3δ （VI ）滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不做稳定性校核 4、确定齿轮传动比 5、步进电机的选用 （1）、步进电机力矩计算： （I ）空载启动转矩M 起 (II) 快速移动时间所需力矩M 快 (III) 最大切削负载时所需力矩M 切 五、心得体会 六、[参考书目]
自考毕业设计数控十字工作台一.引言： 数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题---数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。 二.设计任务 设计一个数控X-Y工作台。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.02mm。 设计主要技术要求如下：台面尺寸长×宽＝400mm×250mm；工作台行程为：X=300mm，Y=150mm；脉冲当量：X 、Y都是0.01 mm；X /Y最高工作进给速度为300 mm /min；X /Y 最高空载进给速度为700 mm /min；X/Y/Z向切削负载为：2000/2000/1000N（力不用计算）；工件最大重量（包括夹头）为：150KG；工作寿命为每天8小时，连续工作5年，250天/年。进给机械系统均采用滚动（珠）丝杠副和滚动（珠）导轨副；所设计的工作台应结构合理、设计参数与上述要求符合；设计装配图应表达正确，完整，技术标注规范、全面； 三. 总体方案确定 X - Y工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动,系统中不设置传感与检测设备;半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动,并在电机输出轴端设置传感与检测设备;闭环的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动,但检测与传感设备设置在工作台末端。本文所设计的X - Y 工作台开环伺服系统,通过控制器控制步进电机的驱动,经传动机构带动工作台运动,其总体框图如下: 带动工作台运动,其总体框图如下: 2
1、数控机床进给系统概述 1.1 伺服进给系统概述 数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构和执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机，功率步进电机，电业脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速移动。数控机床的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质的差别，他能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定运动规律所合成的运动轨迹。 1.2 伺服进给系统分类 数控私服进给系统按有无位置检测和反馈进行分类，有以下三种： (1)开环伺服系统 (2)半闭环伺服系统 (3)闭环伺服系统 1.3 伺服进给系统的基本要求 (1)精度要求 (2)响应速度 (3)调速范围 (4)低速、大转矩 2、运动设计 2.1传动方案拟定 数控机床按控制方式分为开环、闭环、半闭环，由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于数控车床加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制，精度较闭环控制的查，但是稳定性好，成本较低，调试维修较容易；但是对于经济型数控机床来说必要性不大。故在本次设计中，采用开环控制步进电机驱动。 确定设计任务后，初步拟定三种传动方案即1电机直接与丝杠相连；2电机通过同步带的传动带动丝杠转动；3电机通过齿轮传动带动丝杠转动。 步进电机具有如下优点 :
第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。
1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置
精密机械与仪器设计 课程设计说明书 二坐标精密工作台 姓名：夏圆杰 学号：310804040323 专业班级：测控08-3 班 指导教师：闫勇刚 河南理工大学测控技术与仪器系 2011.7.3
摘要 数控机床是一种高度自动化的机床，随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改型频繁。机械加工中，多品种、小批量加工约占80%。这样，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，而且还要具备“柔性”，即灵活通用，能迅速适应加工零件的变更。数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，具有适应性强、加工精度高、工质量稳定和生产效率高等优点，是一种灵活而高效的自动化机床。精密数控工作台可广泛应用于激光焊接、层射线扫描、械手检测装置及实用教学领域。随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术的发展，数控机床在机械制造业中的地位将更加重要，而X-Y作台是这些设备实现高精密加工的核心部件，对于提高产品的加工质量起着尤为重要作用。 关键字：数控工作台步进电机控制滚珠导轨丝杠
目录 1. 绪论 (4) 1.1. 数控技术发展概况 (5) 1.2. 二维数控精密工作台原理 (7) 1.3. 课程设计的设计要求 (8) 1.4. 本课题设计的背景 (9) 1.5. 本课题设计内容 (10) 1.6. 本课题设计的目的和意义 (11) 1.7. 总体方案设计 (12) 1.7.1.设计任务 (12) 1.7.2.总体方案确定 (13) 2. 机械系统设计 (15) 2.1. 工作台外形尺寸及重量估算 (15) 2.2. 滚动导轨的参数确定 (16) 2.3. 滚珠丝杠的设计计算 (18) 2.4. 步进电机的选用 (22) 2.5. 联轴器的选用 (24) 2.6. 步进电机惯性负载的计算 (25) 2.7. 二维数控精密工作台的误差来源与分析 (28) 3. 结论 (29) 致谢 (31) 参考文献： (32)
数控机床进给伺服系统类故障诊断与处理 数控机床在工作时常出现由于进给伺服系统原因造成的机床故障，此类故障出现的常见形式有爬行、抖动、伺服电动机不转、过载、工件尺寸无规律偏差等。针对这些典型故障，采用一定的机床维修技术，可以实现快速排除此类故障。 数控机床的进给伺服系统是以数控机床的各坐标为控制对象，以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、进给伺服机构或进给伺服单元。在数控机床中，进给伺服系统是数控装置和机床本体的联系环节，它接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大后，由电动机经机械传动机构驱动机床的工作台或溜板沿某一坐标轴运动，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。 伺服进给系统常见故障形式 1.1爬行
般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低及外 加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服和滚珠丝杠连接用的联轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹、磨损、断裂等，造成滚珠丝杠转动或伺服电动机的转动不同步，从而使进给忽快忽慢，产生爬行现象。 1.2抖动 在进给时出现抖动现象，其可能原因有：1、接线端子接触不良，如紧固的螺钉松动；2、位置控制信号受到干扰，如屏蔽不好等；3、测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等。如果窜动发生在正、反向运动的瞬间，则一般是由于进给传动链的反向间隙或者伺服系统增益过大引起。 1.3过载 当进给运动的负载过大、参数设定错误、频繁正、反向运动以及进给 传动链润滑状态不良时，均会引起过载的故障。此故障一般机床可以
自行诊断出来，并在CRT显示屏上显示过载、过热或过电流报警。同 时，在进给伺服模块上用指示灯或者数码管显示驱动单元过载、过电 流等报警信息。 1.4伺服电动机不转 当速度、位置控制信号未输出、或者使能信号（即伺服允许信号，一般为DC+24V继电器线圈电压）未接通以及进给驱动单元故障都会造成此故障。此时应查阅电气图纸，测量数控装置的指令输出端子的信号是否正常，通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC梯形图，以确定进给轴的启动条件，观察如润滑、冷却等是否满足。如是进给驱动单元故障则用交换法，可判断出相应单元是否有故障。 进给伺服系统常见故障典型案例分析 案例1.故障现象：一台配套SIEMENS840系统的加工中心在自动加工过程中，Y轴有抖动现象，加工零件表面不光滑。 故障诊断与处理：为了判定故障原因，将机床操作方式置于手动方式，用手摇脉冲发生器控制Y轴进给，在JOG方式下，来回移动丫轴，发现丫
数控机创进给系统 数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作。 伺服进给系统的作用是根据数控系统传来的指令信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对于工件的移动位置和轨迹。因此，数控机床进给系统，尤其是轮廓控制系统，必须对进给运动的位置和运动的速度两方面同时实现自动控制。 数控机床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。 一个典型的数控机床闭环控制的进给系统组成：位置比较、放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分。 机械传动装置：是指将驱动源旋运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、丝杠螺母副等中间传动机构。 第一节概述 一、数控机床对进给传动系统的要求 1．减少摩擦阻力：在数控机床进给系统中，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副，滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。 2．减少运动惯量 3．高的传动精度与定位精度设计中，通过在进给传动链中加入减速齿轮，以减小脉冲当量(即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离)，预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法，可达到提高传动精度和定位精度的目的。 4．宽的进给调速范围：伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围，以适应各工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，工作进给速度范围可达3～6000mm／min(调速范围1：2000)。 5．响应速度要快：所谓快响应特性是指进给系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度，即跟踪指令信号的响应要快；定位速度和轮廓切削进给速度要满足要求；工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，进行单步或连续移动，在运行时不出现丢步或多步现象 6．无间隙传动：进给系统的传动间隙一般指反向间隙，即反向死区误差，它存在于整个传动链的各传动副中，直接影响数控机床的加工精度。因此，应尽量消除传动间隙，减小反向死区误差。设计中可采用消除间隙的联轴节及有消除间隙措施的传动副等方法。 7．稳定性好、寿命长：稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本的条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。所谓进给系统的寿命，主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，即各传动部件保持其原来制造精度的能力。 8．使用维护方便 二、联轴器 联轴器是用来连接进给机构的两根轴使之一起回转，以传递转矩和运动的一种装置。机器运转时，被连接的两轴不能分离，只有停车后，将联轴器拆开，两轴才能脱开。 联轴器的类型：有液压式、电磁式和机械式；而机械式联轴器是应用最广泛的一种，它借助于机械构件相互间的机械作用力来传递转矩，
优秀设计 基于单片机的二维数控实验台的设计与实现摘要 本设计结合机电一体化课程教学环节需要，设计用单片机作为控制系统的X-Y工作台。通过论述X-Y工作台机械结构设计和控制电路接口设计,阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术. 基于单片机二维数控系统是以单片机为主体，二维数控实验平台为核心的系统。主要应用单片机作为控制核心，LED点阵显示芯片与数控系统相结合的系统。充分发挥了单片机的性能。其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。 该系统设计是一个开环控制系统,其结构简单.实现方便而且能够保证一定的精度.降低成本,是控制技术的最简单的应用.它充分的利用了单片机软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高. 系统设计是利用AT89S51单片机,及27128,6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能.其基本思想是:通过单片机控制使电机运动从而实现工作台的移动。 关键词：X—Y工作台；单片机；机电一体化设计
NC-based single-chip two-dimensional test-bed design and implementation Abstract The combination of mechanical and electrical design aspects of the integration of teaching needs, the design of control systems with single-chip microcomputer as the XY table. XY table through on the design of mechanical structure and control interface circuit design, mechanical-electrical integration on the design of the common and key technologies. Two-dimensional numerical control system based on single-chip based on single-chip microcomputer as the main body, the experimental two-dimensional numerical control system as the core platform. The main application of single-chip microcomputer as control core, LED dot matrix display system chips with a combination of CNC system. Give full play to the single-chip performance. Advantage of simple hardware circuit, software functions, the control system reliable and cost-effective features such as high, with a certain degree of use and reference value. The system design is an open-loop control system, its simple structure, convenient and can realize. Sure. Reduce cost, is the most simple control technology application. It fully utilize the MCU software and hardware function to realize the control of machine tools, Machine processing expanded, accuracy and reliability is further improved. System design is to use 27128,6264，AT89S51 and memory and 8155 chips, hardware composition in the control system of the hardware written procedures to achieve certain processing function. The basic idea is: through the single-chip microcomputer control make motor sports so as to realize the worktable moving. Key words: X-Y table; singlechip; mechatronics design