开题报告

本科毕业设计(论文)

开题报告

题目：外挂式数控伺服驱动器结构设计

学院：机械工程学院

专业：机械工程及自动化

班级：08 级08 班

学号：200802070829

学生姓名：郑迪迪

指导老师：高峰

提交日期：2011 年12 月30 日

题目：外挂式数控伺服驱动器的结构设计

1 课题的背景及意义

随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。

从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。

在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100m/min,控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。

在驱动系统方面，常用到的伺服驱动部件有以下几种类型：步进电机及其驱动、直流伺服及其驱动、直线电机及其驱动、陶瓷电机及其驱动。

常用到的伺服驱动部件有以下几种类型：步进电机及其驱动、直流伺服及其驱动、直线电机及其驱动、陶瓷电机及其驱动[1～5]。

1．步进电机及其驱动装置常用在一些简易的开环数控系统上，它的价格便宜，组成和接线相对简单。步进电动机是将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的电机执行器。按照电动机结构及其工作原理的不同，步进电机分为三类：反应式、永磁式和混合式。步进电机不能直接接到交流电源上，它必须和其专用设备——步进电动机一起使用。步进电动机驱动器完成的基本功能是：按照一定的顺序和频率，接通和断开步进电动机的励磁绕组，按照要求使电动机停止；提供足够的电功率；提高步进电动机运行的快速性和平稳性[2～6]。图1是步进电机驱动器的组成框图[6]。

图1. 步进电机驱动器的组成框图

2．直流伺服电动机及其驱动装置用途广泛，它的特点是具有很高的过载能力和较好的动态性能，调速范围宽，调速比可达1:1000以上，有良好的低速刚度，可进行高精度定位，低速时也能输出较大转矩。但有直流伺服电动机由于带有电刷和换向器，在运行过程中会产生换向火花，所以在宇宙飞船、人造卫星、真空以及易燃易爆等一些特殊场合下不适宜选用直流有刷伺服系统。直流伺服系统采用闭环控制，通过编码器的位置及速度反馈信号形成闭环。直流伺服电动机按照电枢结构不同分为以下几种类型：永磁直流伺服、无槽电枢直流伺服电动机、牵心杯电枢直流伺服和印制绕组直流伺服电动机。其中永磁直流伺服电动机具有体积小、转矩大、力矩和电流成比例、功率体积比大以及稳定性好等优点，是电气伺服系统中非常重要的一种电动机。当今直流伺服驱动器大都采用PWM驱动器，驱动信号为PWM信号。采用PWM驱动器驱动直流伺服电动机实际上就是调压调速，这种调速方法具有恒转矩的调速特性，机械特性好。PWM信号调速原理图见图2。

图2. PWM信号调速原理图

3．目前随着交流伺服电动机及其驱动装置价格的下降，其应用越来越广泛。交流伺服电动机用于闭环控制系统中，通常有笼型异步伺服电机和永磁同步伺服电动机两种[7]。

2 课题的主要设计技术参数或研究工作要达到的目标

根据任务要求书，综合运用所学的知识，遵循有关的设计规范，收集有关资料，拟定总体方案，运用模块化设计思路，将外挂式数控伺服驱动器的各个部分合理分布安装到驱动器箱体内，并对受力部件进行校核。

进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。因此，在设计传动结构，选用传动零件时应充分注意减小摩擦阻力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙和减小运动惯量。

数控机床的进给运动采用无级调速的伺服驱动方式，伺服电机的动力和运动只需经过由最多一两级齿轮或带轮传动副和滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副组成的传动系统传动给工作台等运动执行部件。传动系统的齿轮副或带轮副的作用主要是通过降速来匹配进给系统的惯量和获得要求的输出机械特性，对开环系统，还起匹配所需脉冲当量的作用[8]。近年来，由于伺服电机及其控制单元性能的提高，许多数控机床的进给传动系统去掉了降速

齿轮副，直接将伺服电机与滚珠丝杠连接。滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副的作用是实现旋转到直线的运动形式的转换[9]。

外挂式数控伺服驱动器的结构设计主要包括：1.根据机床丝杠的转矩输出以及转速，选择直流伺服电动机的型号；2.根据直流伺服电动机的转速和丝杠转速确定传动比，并以此来设计减速器；3.设计改变丝杠转向的齿轮组；4.为实现手动与自动的切换，选择电子离合器的型号；5.合理安排驱动器箱体内的装置放置，优化箱体尺寸。6.对箱体内的受力部分进行校核。

通过对外挂式数控伺服驱动器的系统控制和结构设计，使部分手动进给的数控机床实现自动进给运动，并在需要时实现自动进给与手动进给的切换。从而提高部分旧式数控机床的工作精度以及生产效率。

3 课题研究的主要内容

3.1 课题设计(或研究) 的基本原理及技术方案

本课题是设计外挂式数控伺服驱动器，本文研究的是外挂式数控伺服驱动器的结构设计，为了优化外挂式数控伺服驱动器的结构，本质上就是驱动器的结构设计，主要包括减速器的设计、电机的选择、电子离合器的选择、受力校核以及各部件的位置排布。主要的设计方案如下：

（1）电机的选择

本文采用的是直流伺服电动机，直流伺服电动机及其驱动装置用途广泛，它的特点是具有很高的过载能力和较好的动态性能，调速范围宽，有良好的低速刚度，可进行高精度定位，低速时也能输出较大转矩。直流伺服电动机按照电枢结构不同分为以下几种类型：永磁直流伺服、无槽电枢直流伺服电动机、牵心杯电枢直流伺服和印制绕组直流伺服电动机。其中永磁直流伺服电动机具有体积小、转矩大、力矩和电流成比例、功率体积比大以及稳定性好等优点，是电气伺服系统中非常重要的一种电动机。如图3，根据数控机床丝杠功率和转矩的输入来选择相应功率的直流电动机[10]。

图3.数控机床进给系统的部分简图