数控车床进给驱动系统的设计.pdf

数控车床进给驱动系统的设计!高荣（淮阴工学院，江苏 淮安!#$）摘要：介绍了数控机床进给伺服系统的组成和分类，重点对合肥中宝机械制造有限公司的一台%$系列数控机床进行改造，选用了合肥工业大学的&!#数控系统，配置了安川伺服电机和驱动器，整个系统运行可靠，达到预期的设计改造要求。关键词：数控车床；伺服系统；改造中图分类号：()!*+,文献标志码：-文章编号：$#.#*/0（!#*）#0.#!*.#!#$%&()*+,$-./0&1,/23$&%45#1+(6.17 12189:;&%（3456768 98:;6;4;(?8=A=B7，3456 58!#$，1685）9#1,.-1：CD5E 84DF6?5A?=8;F=A;?8=A=B7 6:GF7 6DH=F;58;8=IJ%K68B:7:;121D5?68;=AJ-;7H:K68B:7:;D 6:6AA4:;F5;K，68?A4K68B?=6?:K68B:7:;D，:FG=D=.;=F，:FG=KF6GF 58K HF68?6HA A=?5;6=8?=8;F=A;?J J(7 5F GF7:8;65A 58K 4A;=8;FHF6:,3#：A5;121；:FG=:7:;D；FD5E!数控机床伺服系统的选择伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统。在数控机床中，伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重要组成部分之一。它的作用是把来自数控装置中插补器的指令脉冲或计算机软件生成的指令脉冲，经变换和放大后，转换为机床移动部件的机械运动。并保证动作的快速和准确。数控机床的速度和精度等指标，往往主要取决于伺服系统。下面主要介绍 种类型伺服系统，应根据具体情况进行选择。（$）步进电机拖动的开环系统（见图$）。在此系统中，执行元件是步进电机，它受驱动控制线路的控制，将代表进给脉冲的电平信号直接转换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。只要控制指令脉冲的数量、频率和通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称为开环系统。由于该系统没有反馈检测环节，因此，系统的位移精度较低，其定位精度一般可达 L#J#!DD。图!开环控制系统该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。（!）闭环伺服系统（见图!）。该系统与开环系!淮阴工学院科研基金（3&#,#/）统的区别是：由光栅，感应同步器等位置检测装置测出机床实际工作台的实际位移，并转换成电信号，与数控装置发出的指令位移信号进行比较，当两者不等时有一差值，伺服放大器将其放大后，用来控制伺服电机带动机床工作台运动，直到差值为零时停止运动。闭环进给系统在结构上比开环伺服系统复杂，成本也高，且调试维修较难，但可以获得比开环系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。图 闭环控制系统（）半闭环控制系统（见图）。半闭环系统检测元件装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路中传动链的部分误差。因此，其精度比闭环系统要差一些。但是它的结构及其调试比闭环系统简单，且造价低。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作为一个整体时，则无需考虑位置检测装置的安装问题。图#半闭环控制系统由于要实现较高的精度，拟采用光学编码器反*!第!M 卷第 0 期!#*年0 月煤矿机械1=5A N68 N5?68F7O=A+!M2=+0-HFJ!#*万方数据馈的半闭环控制系统。该文介绍的机床进给伺服驱动系统设计是合肥中宝机械制造有限公司的一个技术改造项目，改造对象为一台!系列数控车床，结合公司提出的要求，采用交流半闭环控制系统。!数控伺服进给驱动系统的组成!#$%&数控系统$%&数控系统是合肥工业大学()*!研究所的研究产品，它是一个基于)+(的模块化开放式数控系统。系统具有自主知识产权；开放式体系结构，当今数控系统的主流；国际知名品牌的工控机)+(硬件平台；通用化程度高、组态灵活，可满足用户个性化需求；%(,液晶显示，大容量-%.!/电子盘和高密软盘；强大的参数化固定循环、子程序调用和宏指令功能；加工轨迹动态仿真和实时显示；易学易用，中文交互式菜单“所想即所得”的操作方式；支持(.*0(1(一体化，满足复杂零件自动编程要求；巨型 1(程序常驻内存加工，克服传统,1(“边加工边传送”的缺点；支持 2345678 19、16:;；最大联动轴数?；控制精度!、#轴 A，$、%、&轴 =BB。!#!伺服电机及驱动器该数控伺服驱动系统使用交流伺服电机，采用安川公司的产品。由于交流伺服电机具有结构简单，动态响应好，输出功率大，价格低等优点；另一方面近年来新型功率元器件，专用集成电路，新的控制算法等发展带动了交流驱动电源的发展，使其调速性能更适应数控机床伺服系统的要求。所以交流伺服电机正逐步取代步进电机和直流伺服电机。（）伺服单元与伺服电机规格的选择根据数控机床工作负载的大小，选择伺服电机的参数如下：型号!$*$/C D.!.额定输出功率 0 E2#?额定转速 0 F B34C 额定电流 0.G#最高转速 0 F B34C H 根据已经选择好的伺服电机查表（伺服单元与!$,*$/型伺服电机的配套规格）得，可以配套使用的伺服单元有&种：!$,*C.,，!$,*C.,.，本设计选用!$,*C.,.型伺服单元。（&）编码器的选择由安川公司的设计手册查编码器与伺服电机的匹配表，由于该系统选用的是!$*$/型伺服电机，所以选择 G 比特增量型编码器。!#进给伺服系统的位置控制$%&数控系统和安川伺服驱动单元信号连接如图 I 所示。图$%&数控系统与安川伺服驱动单元的信号连接+插座为$%&数控身体的位置控制信号接口，数控系统+的 J，G，?，D 号为脉冲输出信号，即C&，K&，C$，K$信号，分别送到进给轴$轴和&轴驱动器信号输入接口的，G 号引脚，来实现电机转动角度和正反向控制，进一步达到控制工作台位移的目的。伺服电动机的位置反馈信号直接送给伺服驱动器，构成半闭环伺服驱动系统，这些这里都不做赘述。对于该进给伺服驱动系统，以下重点对电子齿轮比如何设定进行讨论。所谓“电子齿轮”功能，是指可以将与输入指令脉冲相当的电机移动量，设定为任意值的功能。发出指令脉冲的“上级装置”，在进行控制时，可以不用顾及机械的减速比和编码器的脉冲数。（）与电子齿轮相关的要素有：减速比，滚珠丝杠节距和滑轮直径等。（&）确认!$*$/伺服电机的编码器脉冲数。由于已选用了 G 比特的增益型编码器，查文献可得!$*,/的编码器脉冲数是 H&GJ?。（H）求电子齿轮比（!）将电机轴和负载轴的减速比设为（(）。即：电机?&L6&?16I数控车床进给驱动系统的设计 高荣第&?卷第 I 期 万方数据往复泵总体设计中主要参数的确定!朱修传!，（!#安徽国防科技职业学院，安徽 六安$%&!；#安徽理工大学，安徽 淮南$&!）摘要：在对往复泵总体设计中主要参数进行分析的基础上，设计了往复泵的$种总体设计方式，它提高了往复泵的设计效率和设计产品的可靠性，而且有利于往复泵设计的通用化和系列化发展。关键词：往复泵；总体设计；参数中图分类号：($文献标志码：)文章编号：!&$*&%+,（&%）&,*&+*&$!#$%&$%()*+),$%-./0!,$1%/#23$4)/3+$%1(5*4678 9$5-3.5%!，（!#)./01 2345613.57 83779:9 3;3?5613.57 A9;9.B9，C10 5.$%&!，8/1.5；#)./01 D.1E9?B16 3;，(051.5.$&!，8/1.5）:;,+)3+：F5B9=3.=965179=5.57B1B;3?G51.H5?5G969?B 3;I/379=9B1:.3;?941H?34561.:H0GH，B96B 0H 6/?99=9B1:.G96/3=B;3?I/379=9B1:.3;?941H?34561.:H0GH，.36 3.7 G5?1B9 9;1419.4 5.=?9715J1716;3?=9B1:.，J06 57B3 H?3;16 63=9E973HG9.6 3;B9?1571K5613.5.=0.1;145613.3;H?3=046B#/)?,：?941H?34561.:H0GH；I/379=9B1:.；H5?5G969?!前言确定往复泵的主要总体设计参数是往复泵总体设计的基础环节和最重要的环节，对往复泵的经济和技术指标的先进性，运转的可靠性都有较大影响。而在我国传统的往复泵的总体设计中，主要参数的确定在很多生产厂家一般采用手工计算，其计算繁琐，重复工作量大，设计周期长，效率低下。传统的设计方法采用类比法和根据经验来确定参数。为了保证安全可靠性，一般取较大的安全系数，导致泵体设计较大，造成材料浪费，成本高。同时，采用类比法也不利于往复泵零件的系列化和通用化发展。!安徽省教育厅自然科学基金项目（&,LM!N）总体设计中主要参数分析在进行泵的总体设计时，要确定泵的总体参数有：流量、功率、出口压力、效率、转速、行程、柱塞的直径、最大柱塞力和柱塞的平均速度等。其中泵的流量!O#$%,&!EO&G%N!EO$%,&!E（!）式中!E 泵的容积效率；柱塞直径，G；#柱塞行程长度，G；$曲轴转数，?P G1.；%柱塞数；&G 柱塞平均速度，GP B；程径比，O#。旋转(圈，负载轴旋转$圈。查机床用户手册可知机床)向的减速比为,Q，*向的减速比为 Q&。)向电子齿轮比（+,）O编码器脉冲数 R,负载轴旋转一圈的移动量R($O$S NS,!$%Q*向电子齿轮比（+,）O编码器脉冲数 R,负载轴旋转一圈的移动量R($O!S$N,QQ（,）设定用户常数在将电子齿轮比+,的值约分后，把,、+都选定为小于“SQ Q$Q”的整数值，并设定为用户常数。#结语该项目自从&,年 S 月份验收以来，一直运行稳定，可靠性很高。通过技术开发，使该数控车床的控制精度达到&T&!P&T&GG，比原来提高了 Q 倍，加工效率很高。产生了很大的经济和社会效益，具有较强的现实意义。参考文献：!余英良#机床数控改造设计与实例 U#北京：机械工业出版社，!+N#刘文波，段智敏，陈白宁#机床数控技术 U#沈阳：东北大学出版社，&#$曹凤#微机数控技术及应用 U#北京：电子科大出版社，&#,王治森，高荣#新型数控系统的研究 M#合肥工业大学学报，&Q（+）#作者简介：高荣（!+%&-），江苏涟水人，淮阴工学院机械工程系副教授，合肥工业大学博士研究生，研究方向：机电一体化和数控技术，电子信箱：:?%&!V!S$#43G#收稿日期：&S*&N*$+#第 N 卷第,期&%年,月煤矿机械8357 U1.9 U54/1.9?237TN3T,)H?#&%万方数据数控车床进给驱动系统的设计数控车床进给驱动系统的设计作者：高荣，GAO Rong作者单位：淮阴工学院,江苏,淮安,223001刊名：煤矿机械英文刊名：COAL MINE MACHINERY年，卷(期)：2007，28(4)被引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.余英良 机床数控改造设计与实例 19982.刘文波.段智敏.陈白宁 机床数控技术 20003.曹凤 微机数控技术及应用 20004.王治森.高荣 新型数控系统的研究期刊论文-合肥工业大学学报 2005(09)相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 谭积明.戴怡.石秀敏.TAN Ji-ming.DAI Yi.SHI Xiu-min 电子齿轮在数控车床伺服系统中的应用-制造业自动化2009,31(7)在分析数控车床伺服系统中电子齿轮工作原理的基础上,介绍了电子齿轮在华中HNC-21TF 数控系统中的应用情况.最后,以配置了华中伺服电机和驱动器的华中数控进给系统为例,推导了电子齿轮的计算过程.2.期刊论文 宋凤娟.袁晶晶.薛雅丽.SONG Feng-juan.Yuan Jing-jing.XUE Ya-li 数控车床交流伺服系统及应用-煤矿机械2010,31(1)数控机床的伺服系统是数控机床的重要组成部分,数控机床伺服系统的性能决定了数控机床的速度和精度等技术指标.对数控车床的伺服系统及工作性能进行了分析,并对CK160数控车床全数字交流伺服系统进行了研究.3.学位论文 李建明 高效精密车焊一体化技术研究 2003 论文首先分析了薄壁筒体车加工和焊接加工时的变形,为车焊一体化夹具和复合机床的设计提供了理论依据,随后设计了车焊一体化复合机床及其控制系统.车焊一体化复合机床包括数控组合车床和焊接机械手.在其控制系统设计中,进行了CH-2010/S开放式多用途数控平台的研究:分析了其硬件,系统软件及应用软件平台;深入研究了SERCOS协议;分析了伺服系统的矢量控制原理并设计了以AMK交流伺服模块为核心伺服系统:其中包括AMK交流伺服控制模块、车加工伺服反馈模块和焊接过程伺服反馈模块.4.期刊论文 宓方伟 FANUC交流主轴伺服系统2#报警的检修方法-机床与液压2002,(2)本文通过对KNC-50型小型精密数控车床交流主轴伺服系统2#报警的修理,全面分析了故障产生的原因,系统介绍了检修的具体步骤以及在板级维护中分析问题的方法、解决手段和需要注意的事项.5.期刊论文 宓方伟 KNC-50型车床交流主轴伺服系统2#报警的检修方法-制造技术与机床2003,(6)通过对KNC-50型小型精密数控车床交流主轴伺服系2#报警的修理,全面分析了故障产生的原因,系统介绍了检修的具体步骤以及在板级维护中分析问题的方法、解决手段和需要注意的事项.6.期刊论文 杨青杰.聂福全.杨文莉 经济型数控车床的合理选购-中国设备工程2009,(3)介绍一些选购经济型数控车床的注意事项,可供参考.7.学位论文 邢作常 车床数控交流伺服系统软件研究 2006 伺服系统是数控车床的一个重要组成部分，其性能对零件加工精度与加工效率有着重要的影响。目前我国高性能数控机床所采用的电机伺服系统主要依靠进口，这种现状限制了数控机床行业的发展。随着电力电子技术、计算机技术、稀土永磁材料和控制理论的飞速发展，永磁同步电机以其优良的性能被广泛的应用在中低容量的交流伺服系统中，成为伺服驱动的发展方向。本文设计了车床用永磁同步电动机交流伺服驱动系统。该系统应用转子磁场定向矢量控制理论实现了永磁同步电动机控制参数的解耦和转矩的线性化控制；采用电压空间矢量脉宽调制技术，提高了直流母线电压利用率，使整个系统具有控制简单、性能良好的优点。本文采用电机控制专用芯片TMS320LF2407型数字信号处理器(DSP)作为控制核心。数字信号处理器运行速度快，能够完成复杂的控制算法，适合于建立高性能的伺服系统。该芯片具有丰富的片上外设资源，可以大大简化硬件电路设计，方便软件编程。本文在数字电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407的基础上，以永磁同步电机为研究对象，应用矢量控制理论和电压空间矢量脉宽调制技术，组建了永磁同步电动机转子磁场定向矢量控制交流伺服系统；本文采用陈伯时的工程设计法，设计了PI速度调节器和PI电流调节器，改善了系统的动态性能和静态性能。本文采用智能功率模块(IPM)作为主要功率器件，简化了电路，增强了系统的可靠性。设计了主电路、系统保护电路、控制回路和采样回路。主电路部分包括整流、滤波、逆变电路等；系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM故障保护、过流保护等；控制回路包括DSP最小系统电路、与PC机通讯接口电路、仿真接口电路、PWM信号发生电路；采样电路包括电流采样、电压采样、转速采样。本文软件设计采用汇编语言。在研究SVPWM控制原理及其实现方法的基础上，编制了基于SVPWM的闭环控制程序，提高了直流电压利用率。采用硬件法生成SVPWM技术，充分利用了DSP芯片的硬件资源，简化了软件设计工作。最后在MATLAB/SIMULINK环境下对系统进行了动态仿真，并给出了仿真结果。仿真结果表明，应用高速DSP芯片，采用矢量控制的永磁同步电机伺服系统不仅具有良好的动态响应性能和静态性能，而且具有结构紧凑，设计合理，控制灵活等优点，提高了数控车床交流伺服系统的性能。8.期刊论文 吴南星.孙庆鸿.冯景华 机床进给伺服系统非线性摩擦特性及控制补偿研究-东南大学学报（自然科学版）2004,34(6)以高速高精度数控车床为研究对象,建立了包括摩擦非线性因素的进给伺服系统综合数学模型.研究了非线性摩擦对其动态特性的影响,并采用遗传算法对模型参数进行了优化,有效地避免了采用线性优化方法时易出现的局部极小的问题,消除了因非线性摩擦而产生的削顶、死区和突变等不良现象.通过优化结果验证表明,系统的跟踪精度得到了较大的提高,有很好的工程实用价值.9.期刊论文 毕静波 浅谈CK6132型数控车床制造-职业技术（下半月）2007,(10)本文从数控车床改造的总体方案的拟定以及机械部分的改造方案出发,谈一下如何最后落实到CK6132型数控车床的具体实施方案.10.期刊论文 郭章信.刘建亭.GUO Zhangxin.LIU Jianting cK6163进给伺服系统参数对动态性能影响分析-安阳工学院学报2009,(4)数控机床进给伺服系统,是数控机床的一个重要组成部分.系统机械与电气参数匹配的合理性决定了系统的动态特性之优劣.以数控车床一种典型的半闭环进给交流伺服系统为例分析了构成系统的一些重要机械电气参数对系统动态特性的影响,并对这些机械电气参数的相互关系进行探讨,可以为机床设计及调试提供有益的指导.本文链接：http:/