畢業設計(論文-數控機床的伺服驅動系統設計(已修改)

　

【正文】 邵陽學院畢業設計（論文） 1 第一章 緒論 11 選題背景與意義 數控技術也叫計算機數控技術（ CNC， Compute Numerical Control），目前它是采用計算機實現數字程序控制的技術。 數控技術是機械加工自動化的基礎，是數控機床的核心技術，其水平高低關系到國家戰略地位和體現國家綜合國力的水平，數控技術的廣泛應用給傳統的制造業的生產方式，產品結構帶來了深刻的變化。也給傳統的機械，機電專業的人才帶來新的機遇和挑戰。我國經濟全面與國際接軌，并逐步成為全球制造中心，我國企業廣泛應用現代化數控技術參與國際競爭。數控技術是制造實現自動化，集 成化的基礎，是提高產品質量，提高勞動生產率不可少的物資手段。 數控機床的伺服驅動系統作為一種實現切削刀具與工件間運動的進給驅動和執行機構，是數控機床的一個重要組成部分，它在很大程度上決定了數控機床的性能，如數控機床的最高移動速度、跟蹤精度、定位精度等一系列重要指標取決于伺服驅動系統性能的優劣。因此，隨著數控機床的發展，研究和開發高性能的伺服驅動系統，一直是現代數控機床研究的關鍵技術之一。 在數控機床中，伺服系統是數控機床里的一個非常重的部分，對于它的控制的好壞一定程度上反應一個機床的控制柔性的程度。步進電機 驅動系統控制數控車床進給運動，為車床主軸提供驅動功率以及所需的切削力。目前在數控車床開環系統中，進給驅動常使用伺服步進電機，由于直流伺服電動機存在著一些的固有的缺點（比如，有電刷，限制了轉速的提高，而且結構復雜，價格較貴。 ），使其應用環境受到限制。交流伺服電動機沒有這些缺點，且轉子慣量比直流電動機小，使得動態響應好。另外在同樣體積下，交流電動機的輸出功率可比直流電動機提高 10％～ 70％；其容量也可以比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉速。因此，交流伺服系統得到了迅速發展，已經形成潮流。從 20 世紀 80 年代 后期開始，大量使用交流伺服系統，目前，已基本取代了直流電動機，直流電動機已逐漸被淘汰，在數控機床的主軸驅動中，均采用籠型異步電動機。為了獲得良好的主軸特性，主軸驅動系統中采用矢量變頻控制的交流主軸電動機，矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，后者具有更高的速度控制精度，在數控車床中無速度傳感器的矢量變頻器已符合控制要求，而在進給驅動系統中一般都采用永磁同步電機， 1964 年德國人率先提出脈寬調制變頻思想，把通訊系統中的調制技術應用邵陽學院畢業設計（論文） 2 于交流變頻器。調制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調制 [1]。 12 數控機床對伺服系統的要求 伺服系統是數控機床中及其重要的一部分，伺服系統的性能直接影響到機床的加工精度，面對國內外伺服系統的發展趨勢對伺服驅動系統有下幾點基本要求。 1）精度高。 伺服系統的精度是指輸出量能復現輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。 為了保證數控機床的加工精度，除了要求數控系統精度和機床機械精度有足夠高以外，還要求具有足夠高的伺服系統定位精度和進給跟蹤精度，并且還起著主要作用。一般要求定位精度為 ；而高檔設備的定位精度還應在 01μm以內。 2）穩定性好。 穩定 是指系統在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態。直接影響數控加工的精度和表面粗糙度。 要求伺服系統有較高的可靠性、穩定性，并且受電源、環境、負載等的影響要小。還要具有足夠的傳動剛性和速度穩定性。也就是說伺服系統在負載或切削條件發生變化時，應使進給速度保持恒定。剛性良好的系統，負載力矩的變化對進給速度的影響很小。 3）快速響應。 快速響應是伺服系統動態品質的重要指標，它反映了系統的跟蹤精度。為了保證輪廓切削形狀精度和加工表面粗糙度，要求伺服系統除了要有較高的定位精度 外，還要有良好的快速響應特性，也就是要求伺服電動機起、停的升降速過程要短，要有較高的加速度。電動機轉速從 0 升至 1500r/min 的時間控制在 02s 以內。 4）調速范圍寬。 調速范圍是指生產機械要求電機能提供的最高轉速和最低轉速之比。 0～ 24m / min[2] 。 為適應不同的加工條件，例如加工零件的材料、尺寸、部位以及刀具的種類和冷卻方式等不同，數控機床的進給速度需要在很寬的范圍內無級變化。這就要求伺服電機要有很寬的調速范圍和優異的調速特性。一般數控機床進給伺服系統的調速范圍都在 0～30m/min，高的可達 240 m/min。 5）低速大轉矩。 由于機床在低速切削時，切深和進給都比較大，也就是說吃刀抗力較大，這就要求主軸電動機輸出的轉矩也應該較大。現代數控機床的伺服電動機通常都是與絲杠直接相連，中間沒有減速齒輪，這就要求進給電動機能輸出較大的轉矩。 進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制，在整個速度范圍內都要保持這個轉矩；主軸邵陽學院畢業設計（論文） 3 坐標的伺服控制在低速時為恒轉矩控制，能提供較大轉矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。 除上面的一般要求之外，還具有下面的控制功能： 1)準停控制 為了自 動換刀，要求主軸能進行高精度的準確位置停止。 2)角度分析控制 分度有兩種：一是固定的等分角位置控制。二是連續的任意角度控制。（作特殊加工時，主軸坐標有了進給坐標的功能，稱為“ C”軸控制。） 為了滿足對伺服系統的要求，對伺服系統的執行元件 —— 伺服電機也相應提出高精度、快反映、寬調速和大轉矩的要求，一般具備小慣量大轉矩的具體特征 。最低進給速度到最高進給速度范圍都能穩定運行平滑過度。進給電機應具有大的較長時間的過載能力，一般能過載 45 倍左右，持續時間達 10 分鐘以上，轉動慣量要小，滿足快速響應的要求，一般進給伺服電機做成細長，高檔進給具備 400rad/s2 以上的加速度，保證電機在 以內從靜止起動到 1500rad/min。電機應能承受頻繁的起動制動和反轉， 20 次 /min 以上。 13 數控機床伺服驅動系統設計的總體方案 數控機床（ CNC machinery）集計算機技術、電子技術、自動控制、傳感測量、機械制造、網絡通信技術于一體，是典型的機電一體化產品 , 具有模塊化特點。因此數控機床在控制設計上具有很大的靈活與實際應用性。本文設計的根據現代化發展的趨勢，通過各類伺服驅動系統的介紹，進而用步進電機的伺服 驅動系統與交流伺服驅動系統進行多反面比較，無論從起結構方式，應用范圍，得出交流伺服驅動系統的優越性，進而對交流伺服系統的典型系統（永磁同步伺服系統）進行基于 DSP 的永磁同步伺服系統設計。 邵陽學院畢業設計（論文） 4 第二章 伺服驅動系統的基本組成和工作原理 21 伺服驅動系統的基本結構 伺服系統是數控機床的重要組成部分。伺服系統位于數控機床數控系統與機床主體之間，伺服系統是數控裝置 (計算機 )和機床的聯系環節。數控裝置發出的控制信息，通過伺服驅動系統轉換成坐標軸的運動，完成程序所規定的操作。伺服系統又稱為位置隨動系統、 驅動系統或伺服單元。伺服系統的主要功能就是從數控系統接收微小的電控信號（ 5V左右， mA 級），放大成強電的驅動信號（幾十、上百伏、安培級），用以驅動伺服系統的執行元件 —— 伺服電動機，將電控信號的變化，轉換成電動機輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動機床主體部件（如工作臺、主軸或刀具進給等）運動，實現對機床主體運動的速度控制和位置控制 ,達到加工出工件的外形和尺寸的最終目標 [3]。其基本組成如圖 21 所示 。 圖 21 伺服系統的基本組成 22 數控機床的伺服系統的組成 數控機床伺服驅動系統由驅動信號控制轉換電 路，電子電力驅動放大模塊，速度調節單元，電流調節單元，檢測裝置。 一般閉環系統為三環結構：位置環、速度環、電流環。位置、速度和電流環均由：調節控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅動裝置由驅動信號產生電路和功率放大器組成。嚴格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。速度控制單元：用來控制電機轉速，是速度控制系統的核心。速度檢測裝置：測速發電機、脈沖編碼器等。速度環控制在進給驅動裝置內完成，位置環由數控裝置來完成。特點：外部看：以位置指令輸入和位置控制為輸出的位置閉環控制系統。從 內部的邵陽學院畢業設計（論文） 5 實際工作來看，它是先把位置控制指令轉換成相應的速度信號后，通過調速系統驅動伺服電機，實現實際位移的。 23 數控伺服系統的分類 數控機床伺服系統種類繁多，按照不同參照可分如下幾類 1）按控制原理和有無位置反饋裝置分：開環和閉環伺服系統； 2）按用途和功能分：進給驅動和主軸驅動系統； 3）按驅動執行元件的動作原理分：電液伺服驅動系統和電氣伺服驅動系統。 開環數控系統 沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數控裝置→進給系統），故系統穩定性好。無位置反饋，精度相對閉環系統來講不高，其精度主要取決于伺服驅動系統和 機械傳動機構的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。 這類系統具有結構簡單、工作穩定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經濟型數控機床，如圖 22 所示。 圖 22 開環伺服系統 半閉環數控系統。 半閉環數控系統的位置采樣點如圖 23 所示，是從驅動裝置 (常用伺服電機 )或絲杠引出，采樣旋 轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。 半閉環環路內不包括或只包括少量機械傳動環節，因此可獲得穩定的控制性能，其系統的穩定性雖不如開環系統，但比閉環要好。 由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環差，較開環好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。 邵陽學院畢業設計（論文） 6 半閉環數控系統結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現代 CNC 機床中得到了廣泛應用。 圖 23 半閉環伺服系統 全閉環數控系統。 全閉環數控系統的位置采樣點如圖 24 的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。 從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環節的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。 由于位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統的不穩定，使閉環系統的設計、安裝和調試都相當困難。 該系統主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精 磨床以及較大型的數控機床等 [4]。 圖 24 全閉環伺服系 邵陽學院畢業設計（論文） 7 第三章 伺服驅動系統方案的選擇 伺服電動機為數控伺服系統的重要組成部分，是速度和軌跡控制的執行元件。數控機床中常用的驅動元件 — 伺服電機： 1）直流伺服電機（調速性能良好） 2）交流伺服電機（主要使用的電機） 3）步進電機（適于輕載、負荷變動不大） 4） 直線電機（高速、高精度） 電機控制系統按照驅動電機的類型主要分為直流傳動系統和交流傳動系統 以及步進電機伺服驅動系統 。在 70 年代直 流伺服電機己經實用化了，在各類機電一體化產品中，大量使用著各種結構的直流伺服電動機。傳統直流電動機采用的是機械式換向且存在電刷，使其在應用過程中面臨著以下一些難以克服的缺點 : 1）維護工作量大、維護成本高； 2) 使用壽命短、可靠性低； 3) 結構復雜、體積大、轉動慣量大、響應速度慢； 4) 易對其它設備產生干擾、現場環境適應能力差； 從而極大地限制了其在高精度、高性能要求的伺服驅動場合的應用。而交流傳動系統的執行機構一般采用感應電機和同步電機。感應電動機，特別是鼠籠型異步電動機一 直是傳統驅動系統的執行元件，其結構簡單、價格便宜、效率較高，但存在著散熱和參數容易波動等問題。感應式異步伺服電動機制造容易、價格低，不需要特殊維護。但控制上采用矢量變換控制，因而系統比較復雜。轉子電阻隨溫度變化而影響磁場定向的準確性。同時，低速運行時發熱比較嚴重，而低速運行又往往是機床進給機構經常所處的運行狀態。 這種類型的交流伺服系統容易進行弱磁控制， 實現高速運行，這是一個顯著的特點。在交流伺服系統的發展初期，感應式異步電動機交流伺服系統曾一度得到發展和應用，但由于存在上述一些問題，這種系統在機床的進給 機構驅動中并未得到普遍的應用。 與感應電機相比，由于永磁同步電機具有結構簡單、體積小、效率高、功率因數高、轉矩電流比高、轉動慣量低、易于散熱及維護保養等優點特別是隨著永磁材料價格的下降、邵陽學院畢業設計（論文） 8 材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出現，在中小功率、高精度、高可靠性、寬調速范圍的伺服系統中以永磁同步電機作為執行機構是越來越多，其應用領域逐步推廣，尤其在航空、航大、數控機床、加工中心、機器人等場合已獲得廣泛的應用