数控车床半闭环控制系统的设计.doc
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1、 摘 要数控机床的伺服系统通常是指各坐标轴的进给伺服系统。它是数控系统和机床机械传动部件间的连接环节,它把数控系统插补运算生成的位置指令,精确地变换为机床移动部件的位移,直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。伺服系统的高性能在很大程度上决定了数控机床的高效率、高精度,是数控机床的重要组成部分。为了能得到更高控制精度我们可以根据伺服系统的组成进行选择,从而达到理想的效果。介绍了一种实用的半闭环数控系统反馈控制计算方法。该方法把反向间隙补偿、螺距误差和插补运算出的理想速度作为速度前馈,把上次速度前馈和本次速度前馈的差值作为加速度前馈,同时利用改进的PID算法计算出的输出值,与前馈输入累
2、加作为驱动器速度输入理想值,经过D/A转换把速度输出到电机驱动器。经实践证明该方法算法简单、稳定性好,该方法提高了系统的控制精度,实有利于实现半闭环数控机床精密加工。关键词:车床,数控,伺服系统,半闭环I 英文摘要Design of semi closed loop control system for NC lathe AbstractServo system of CNC machine tool servo system usually refers to each coordinate axis. It is the connecting link of NC system and m
3、achine parts, it put the position command interpolation NC system, precise transform of the displacement of its moving parts, directly reflects the performance of tracking instruction and the actual location of the machine tool axes. High performance servo system of NC machine tools of high efficien
4、cy, the high accuracy to a great extent, is an important part of the NC machine tool. In order to get higher control precision we can choose according to the composition of the servo system, so as to achieve the ideal effect.The calculating method of the feedback control of a kind of practical half
5、closed loop control system. The backlash compensation, pitch error and interpolation of the ideal speed as the speed feedforward, the last speed feedforward and the speed feedforward and acceleration feedforward difference as, by using the improved PID algorithm to output the calculated value, and t
6、he feedforward input accumulation as the drive speed input ideal value, after D/A conversion speed output to the motor drive. It is proved that the algorithm is simple, good stability, the method improves the precision of control system, is conducive to the realization of the semi closed loop NC mac
7、hining.Keywords:Lathe,CNC,servo system,the semi closed loop II重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录目 录中文摘要I英文摘要II1绪 论12半闭环控制系统设计22.1 控制的方式22.2 具体方案的设计计算和选择32.2.1主切削力及其切削分力计算32.2.2导轨摩擦力的计算32.2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力32.2.4计算机械传动的刚度32.2.5电动机的选型与计算42.3 机械传动系统52.3.1机械传动系统的动态分析52.3.2机械传动系统的误差计算与分析62.4 进给系统的设计62.4.1齿轮箱的设计62.4
8、.2床身及导轨72.4.3中间轴的设计93数控系统硬件电路设计113.1 控制系统的硬件设计113.2 系统的方案设计123.2.1控制方案的确定123.2.2伺服驱动元件方案的选择123.2.3检测反馈元件的选择133.2.4机械系统与控制系统方案的确定134系统控制软件的设计144.1 控制软件的主要内容144.2 软件设计144.2.1系统控制功能分析144.2.2系统管理程序控制154.2.3自动加工程序设计165结 论17致 谢20参考文献191重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 1 绪论1绪 论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
9、。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。随着计算机技术的不断进步,数控机床或数控中心的加工能力不断提高。但是,由于机床自身的结构和数控机床制造技术的局限,数控机床或数控加工系统的加工精度还有进一步提升的空间。影响机床加工精度主要因是数控机床
10、本身的一些误差造成的。这些误差包括伺服电机控制误差、传动系统误差、测量系统误差、机床结构误差等,尤其是机床传动系统中滚珠丝杠部件和螺母副部件之间存在的反向间隙影响最大。重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 2半闭环控制系统设计2半闭环控制系统设计2.1 控制的方式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。1.开环控制(Open -loop control system )指调节系统不接受反馈的控制,只控制输出,不计后果的控制。又称为无反馈控制系统,在数控机床中由步进电动机和步进电动机驱动线路组成。数控装置根据输入指令,经过运算发出脉冲指令
11、给步进电动机驱动线路,从而驱动工作台移动一定距离,这种伺服系统比较简单,工作稳定,容易掌握使用,但精度和速度的提高受到限制。所以一般仅用于可以不考虑外界影响,或惯性小,或精度要求不高的一些经济型数控机床。2.闭环控制(closed-loop control system)则是由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统,又称反馈控制系统。在数控机床中由伺服电动机、比较线路、伺服放大线路、速度检测器和安装在工作台上的位置检测器组成。这种系统对工作台实际位移量进行自动检测并与指令值进行比较,用差值进行控制。这种系统定位精度高,但系统复杂,调试和维修困难,价格较贵,主要用于高精度和大型数控机床
12、。3.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。如图所示: 图2-1 半闭环控制系统示意图 22.2 具体方案的设计计算和选择2.2.1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=400mm,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:=1780mm/s取机床的机械效率,则有:走刀方向的切削分力和垂直
13、走刀方向的切削分力为:2.2.2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2.2.3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2.2.4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。轴承最大轴向工作载荷。则滚珠丝杠螺母副支承轴承
14、的刚度为:2.2.5电动机的选型与计算(1)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=30.61kg;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:(2)计算各齿轮的转动惯量(3)计算加在电动机轴上总负载转动惯量(4)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(5)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
15、 计算快进力矩 计算工进力矩 (6)选择驱动电动机的型号根据以上计算和查表选择国产150BF002型电动机,其主要参数如下:相数,5;步距角,;最大静转矩,;转动惯量,;最高空载启动频率,2800Hz;运行频率,8000Hz;分配方式,五相十拍。 确定最大静转矩:机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为:;机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为:取和中的较大者为所需的步进电动机的最大静转矩。本电动机的最大静转矩为,大于,可以在规定的时间内正常启动,故满足要求。 2.3 机械传动系统2.3.1机械传动系统的动态分析滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度,机床执
16、行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为、,滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为,已知m=30.61kg,则:折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为已知滚珠丝杠的扭转刚度,则由以上计算可知,丝杠工作台纵向振动系统的最低固有频率、扭转振动系统的最低固有频率都比较高。一般按的要求来设计机械传动系统的刚度,故满足要求。 2.3.2机械传动系统的误差计算与分析(1)计算机械传动系统的反向死区已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值,导轨的静摩擦力为,则即,故满足要求。(2)计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差即,故满足要求。(3)计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 已知负载力矩,扭矩作用
17、点之间的距离,丝杠底径,则有由该扭转变形引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度,有2.4 进给系统的设计2.4.1齿轮箱的设计齿轮箱主要把齿轮装入,通过轴连接电动机和丝杠。主要结构是一个方形的箱,然后要加工出一些孔装轴、丝杠、端盖等等。在右侧内壁也要加工一个孔来支承轴承。同时还要通过两个凸耳用螺栓与导轨联接。齿轮箱结构如图2-1:图2-1 齿轮箱的结构2.4.2床身及导轨对于数控机床来说,作为主要支承件的床身至关重要,其结构性能的好坏直接影响着机床的各项性能指标。它支承着数控车床的床头箱,床鞍,刀架,尾座等部件,承受着切削力、重力、摩擦力等静态力和动态力的作用。其结构的合理性和性能的好坏直
18、接影响着数控车床的制造成本;影响着车床各部件之间的相对位置精度和车床在工作中各运动部件的相对运动轨迹的准确性,从而影响着工件的加工质量;还影响着车床所用刀具的耐用度,同时也影响着机床的工作效率和寿命等。因此,床身特别是数控车床的床身具有足够的静态刚度和较高的刚度/质量比;良好的动态性能;较小的热变形和内应力;并易于加工制造,装配等,才能满足数控车床对床身的要求。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。这种结构的特点是:(1)在加工工件时
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