进给伺服系统的设计

进给伺服系统的设计

4.1 简介

数控机床伺服进给系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统，简称伺服系统。它主要由伺服驱动单元、伺服电动机、机械传动装置、执行元件和位置检测反馈单元等部分组成，其中开环控制伺服系统无位置检测反馈单元。伺服系统的输入与数控插补器相联，接受指令信号的控制，其输出与机床的机械运动相联，完成预定的直线或转角位移。

伺服进给系统按照数控加工对轨迹要求可分为点位控制、点位直线控制和轮廓控制；按照有无检测元件的安装位置可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制；按照反馈信息和比较方法的不同可分为脉冲比较、相位比较和幅值比较。

4.2传动系统的设计及计算

4.2.1 进给传动系统设计时要考虑的方面

1）间隙。间隙是控制系统中的非线性因素，引起一个直接的时间滞后，造成随机误差和增加不稳定倾向，应尽量减小或消除。

2）刚度质量比。传动链的弹性变形会产生时间滞后和超越，产生误差，但增加结构造成惯性大也会使系统动态性能下降，调整困难。故应设计刚度质量比大的结构以满足要求。

3）摩擦。摩擦会使加速性能下降，尤其应尽量减小静摩擦力和动摩擦力之差，防止产生自激振动或爬行。

4）阻尼。阻尼会增大误差，但能减小超调量，有使系统稳定的作用，故应在系统内有适当的阻尼。

4.2.2设计步骤

1）选择控制形式

精度要求高时，一般采用闭环控制，但对于大型机床，受传动链刚度和固有频率限制，应采用半闭环或开环控制。要求精度不太高时，通常采用半闭环控制。

根据以上原则，选用开环控制系统。

2）选择驱动元件

主要考虑惯量匹配要求31≤≤L

M J J ，电机惯量过大时，其加速性能得不到充分发挥，太小时与负载惯量不匹配，影响整个系统的伺服性能。查考[5]P41-346，选取m kg J M ⋅⨯=-4106

① 本设计方案选用步进电动机来驱动。

② 已知脉冲当量为0.01mm ，最大进给速度min /10max m =ν， 则电动机的工作频率HZ f 7.1666601

.0601010603

max =⨯⨯==δν 查[15]P41-341表41.5-18，选取电动机型号为90BF004，其主要技术参数如下表：

3） 机械传动装置设计

① 选择执行机构

因为移动行程小于4m ，故采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠精密、灵敏、传动效率高，通过预加载荷，能消除丝杠和螺母间的间隙，提高传动精度。 ② 选择导轨类型

要考虑尽可能减少摩擦力，故采用滚动导轨。为了满足系统稳定性要求，应适当增加导轨阻尼比，故选取ξ=0.05。

③ 计算降速比

查[6]P701表3.7-6得降速比公式ξ

α360P i = 步进电动机与轴直接相连，故由01.036072.0=⨯

P 可初步求出丝杠导程mm P 5= 则ξ

α360P i =08.201.036055.1=⨯⨯= ④ 惯量计算

由[6]P702表3.7-7得工作台折算到丝杠上的转动惯量2)2(π

P M J = 工作台的质量kg M 100=，2)2(πP M J =2523

1034.6)14

.32105(100m kg ⋅⨯=⨯⨯⨯=-- 则由高速轴向低速轴折算惯量

245221074.21034.608.2m kg J i J ⋅⨯=⨯⨯=='--

4） 滚珠丝杠副的设计计算（参考[3]P22-122表22.4-11和表22.4-12）

滚珠丝杠副的滚珠循环方式为螺旋槽式，此方式的特点是：机构简单，承载能力较高。但回球槽与通孔联接处曲率半径小，钢球的流畅性较差，挡球器端部易磨损。

滚珠丝杠副的调隙方式选用垫片式调隙，其特点是：结构简单，装卸方便，刚度高；但调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧。

支承方式采用两端固定

① 滚珠丝杠的选择

根据螺距mm P 5=，查[3]P12-25表12-1-16，选择滚动螺旋副的尺寸如下表：