【正文】 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 11 選題背景與意義 數(shù)控技術(shù)也叫計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)（ CNC， Compute Numerical Control），目前它是采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。 數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工自動(dòng)化的基礎(chǔ)，是數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)，其水平高低關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國(guó)家綜合國(guó)力的水平，數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用給傳統(tǒng)的制造業(yè)的生產(chǎn)方式，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)帶來了深刻的變化。也給傳統(tǒng)的機(jī)械，機(jī)電專業(yè)的人才帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。我國(guó)經(jīng)濟(jì)全面與國(guó)際接軌，并逐步成為全球制造中心，我國(guó)企業(yè)廣泛應(yīng)用現(xiàn)代化數(shù)控技術(shù)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。數(shù)控技術(shù)是制造實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，集 成化的基礎(chǔ)，是提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率不可少的物資手段。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種實(shí)現(xiàn)切削刀具與工件間運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，它在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能，如數(shù)控機(jī)床的最高移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等一系列重要指標(biāo)取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。因此，隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，研究和開發(fā)高性能的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。 在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床里的一個(gè)非常重的部分，對(duì)于它的控制的好壞一定程度上反應(yīng)一個(gè)機(jī)床的控制柔性的程度。步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制數(shù)控車床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，為車床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率以及所需的切削力。目前在數(shù)控車床開環(huán)系統(tǒng)中，進(jìn)給驅(qū)動(dòng)常使用伺服步進(jìn)電機(jī)，由于直流伺服電動(dòng)機(jī)存在著一些的固有的缺點(diǎn)（比如，有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。 ），使其應(yīng)用環(huán)境受到限制。交流伺服電動(dòng)機(jī)沒有這些缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量比直流電動(dòng)機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。另外在同樣體積下，交流電動(dòng)機(jī)的輸出功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高 10％～ 70％；其容量也可以比直流電動(dòng)機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。因此，交流伺服系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)形成潮流。從 20 世紀(jì) 80 年代 后期開始，大量使用交流伺服系統(tǒng)，目前，已基本取代了直流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)已逐漸被淘汰，在數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)中，均采用籠型異步電動(dòng)機(jī)。為了獲得良好的主軸特性，主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用矢量變頻控制的交流主軸電動(dòng)機(jī)，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(shù)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(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中一般都采用永磁同步電機(jī)， 1964 年德國(guó)人率先提出脈寬調(diào)制變頻思想，把通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 于交流變頻器。調(diào)制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制 [1]。 12 數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求 伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床中及其重要的一部分，伺服系統(tǒng)的性能直接影響到機(jī)床的加工精度，面對(duì)國(guó)內(nèi)外伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有下幾點(diǎn)基本要求。 1）精度高。 伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)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(shù)控機(jī)床的加工精度，除了要求數(shù)控系統(tǒng)精度和機(jī)床機(jī)械精度有足夠高以外，還要求具有足夠高的伺服系統(tǒng)定位精度和進(jìn)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(shè)備的定位精度還應(yīng)在 01μm以內(nèi)。 2）穩(wěn)定性好。 穩(wěn)定 是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。 要求伺服系統(tǒng)有較高的可靠性、穩(wěn)定性，并且受電源、環(huán)境、負(fù)載等的影響要小。還要具有足夠的傳動(dòng)剛性和速度穩(wěn)定性。也就是說伺服系統(tǒng)在負(fù)載或切削條件發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)使進(jìn)給速度保持恒定。剛性良好的系統(tǒng)，負(fù)載力矩的變化對(duì)進(jìn)給速度的影響很小。 3）快速響應(yīng)。 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)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(tǒng)除了要有較高的定位精度 外，還要有良好的快速響應(yīng)特性，也就是要求伺服電動(dòng)機(jī)起、停的升降速過程要短，要有較高的加速度。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從 0 升至 1500r/min 的時(shí)間控制在 02s 以內(nèi)。 4）調(diào)速范圍寬。 調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。 0～ 24m / min[2] 。 為適應(yīng)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(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度需要在很寬的范圍內(nèi)無級(jí)變化。這就要求伺服電機(jī)要有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性。一般數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍都在 0～30m/min，高的可達(dá) 240 m/min。 5）低速大轉(zhuǎn)矩。 由于機(jī)床在低速切削時(shí)，切深和進(jìn)給都比較大，也就是說吃刀抗力較大，這就要求主軸電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該較大?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的伺服電動(dòng)機(jī)通常都是與絲杠直接相連，中間沒有減速齒輪，這就要求進(jìn)給電動(dòng)機(jī)能輸出較大的轉(zhuǎn)矩。 進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都要保持這個(gè)轉(zhuǎn)矩；主軸邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 坐標(biāo)的伺服控制在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時(shí)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(zhǔn)?？刂? 為了自 動(dòng)換刀，要求主軸能進(jìn)行高精度的準(zhǔn)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(xù)的任意角度控制。（作特殊加工時(shí)，主軸坐標(biāo)有了進(jìn)給坐標(biāo)的功能，稱為“ C”軸控制。） 為了滿足對(duì)伺服系統(tǒng)的要求，對(duì)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 —— 伺服電機(jī)也相應(yīng)提出高精度、快反映、寬調(diào)速和大轉(zhuǎn)矩的要求，一般具備小慣量大轉(zhuǎn)矩的具體特征 。最低進(jìn)給速度到最高進(jìn)給速度范圍都能穩(wěn)定運(yùn)行平滑過度。進(jìn)給電機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過載能力，一般能過載 45 倍左右，持續(xù)時(shí)間達(dá) 10 分鐘以上，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，滿足快速響應(yīng)的要求，一般進(jìn)給伺服電機(jī)做成細(xì)長(zhǎng)，高檔進(jìn)給具備 400rad/s2 以上的加速度，保證電機(jī)在 以內(nèi)從靜止起動(dòng)到 1500rad/min。電機(jī)應(yīng)能承受頻繁的起動(dòng)制動(dòng)和反轉(zhuǎn)， 20 次 /min 以上。 13 數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案 數(shù)控機(jī)床（ CNC machinery）集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、傳感測(cè)量、機(jī)械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品 , 具有模塊化特點(diǎn)。因此數(shù)控機(jī)床在控制設(shè)計(jì)上具有很大的靈活與實(shí)際應(yīng)用性。本文設(shè)計(jì)的根據(jù)現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢(shì)，通過各類伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的介紹，進(jìn)而用步進(jìn)電機(jī)的伺服 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行多反面比較，無論從起結(jié)構(gòu)方式，應(yīng)用范圍，得出交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)越性，進(jìn)而對(duì)交流伺服系統(tǒng)的典型系統(tǒng)（永磁同步伺服系統(tǒng)）進(jìn)行基于 DSP 的永磁同步伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第二章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成和工作原理 21 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。伺服系統(tǒng)位于數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床主體之間，伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置 (計(jì)算機(jī) )和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)。數(shù)控裝置發(fā)出的控制信息，通過伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，完成程序所規(guī)定的操作。伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或伺服單元。伺服系統(tǒng)的主要功能就是從數(shù)控系統(tǒng)接收微小的電控信號(hào)（ 5V左右， mA 級(jí)），放大成強(qiáng)電的驅(qū)動(dòng)信號(hào)（幾十、上百伏、安培級(jí)），用以驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件 —— 伺服電動(dòng)機(jī)，將電控信號(hào)的變化，轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)輸出軸的角位移或角速度的變化，從而帶動(dòng)機(jī)床主體部件（如工作臺(tái)、主軸或刀具進(jìn)給等）運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主體運(yùn)動(dòng)的速度控制和位置控制 ,達(dá)到加工出工件的外形和尺寸的最終目標(biāo) [3]。其基本組成如圖 21 所示 。 圖 21 伺服系統(tǒng)的基本組成 22 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)的組成 數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電 路，電子電力驅(qū)動(dòng)放大模塊，速度調(diào)節(jié)單元，電流調(diào)節(jié)單元，檢測(cè)裝置。 一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊、檢測(cè)和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大器組成。嚴(yán)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(jī)轉(zhuǎn)速，是速度控制系統(tǒng)的核心。速度檢測(cè)裝置：測(cè)速發(fā)電機(jī)、脈沖編碼器等。速度環(huán)控制在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)完成，位置環(huán)由數(shù)控裝置來完成。特點(diǎn)：外部看：以位置指令輸入和位置控制為輸出的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。從 內(nèi)部的邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 實(shí)際工作來看，它是先把位置控制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號(hào)后，通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移的。 23 數(shù)控伺服系統(tǒng)的分類 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)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(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)； 2）按用途和功能分：進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； 3）按驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分：電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 沒有位置測(cè)量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置→進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。無位置反饋，精度相對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。 這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，如圖 22 所示。 圖 22 開環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖 23 所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置 (常用伺服電機(jī) )或絲杠引出，采樣旋 轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，不是直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。 半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。 由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代 CNC 機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。 圖 23 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖 24 的虛線所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測(cè)。 從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。 由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。 該系統(tǒng)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(shù)控機(jī)床等 [4]。 圖 24 全閉環(huán)伺服系 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第三章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案的選擇 伺服電動(dòng)機(jī)為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。數(shù)控機(jī)床中常用的驅(qū)動(dòng)元件 — 伺服電機(jī)： 1）直流伺服電機(jī)（調(diào)速性能良好） 2）交流伺服電機(jī)（主要使用的電機(jī)） 3）步進(jìn)電機(jī)（適于輕載、負(fù)荷變動(dòng)不大） 4） 直線電機(jī)（高速、高精度） 電機(jī)控制系統(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型主要分為直流傳動(dòng)系統(tǒng)和交流傳動(dòng)系統(tǒng) 以及步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 。在 70 年代直 流伺服電機(jī)己經(jīng)實(shí)用化了，在各類機(jī)電一體化產(chǎn)品中，大量使用著各種結(jié)構(gòu)的直流伺服電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)采用的是機(jī)械式換向且存在電刷，使其在應(yīng)用過程中面臨著以下一些難以克服的缺點(diǎn) : 1）維護(hù)工作量大、維護(hù)成本高； 2) 使用壽命短、可靠性低； 3) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、響應(yīng)速度慢； 4) 易對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生干擾、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)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(qū)動(dòng)場(chǎng)合的應(yīng)用。而交流傳動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)一 直是傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、效率較高，但存在著散熱和參數(shù)容易波動(dòng)等問題。感應(yīng)式異步伺服電動(dòng)機(jī)制造容易、價(jià)格低，不需要特殊維護(hù)。但控制上采用矢量變換控制，因而系統(tǒng)比較復(fù)雜。轉(zhuǎn)子電阻隨溫度變化而影響磁場(chǎng)定向的準(zhǔn)確性。同時(shí)，低速運(yùn)行時(shí)發(fā)熱比較嚴(yán)重，而低速運(yùn)行又往往是機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)經(jīng)常所處的運(yùn)行狀態(tài)。 這種類型的交流伺服系統(tǒng)容易進(jìn)行弱磁控制， 實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，這是一個(gè)顯著的特點(diǎn)。在交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展初期，感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)曾一度得到發(fā)展和應(yīng)用，但由于存在上述一些問題，這種系統(tǒng)在機(jī)床的進(jìn)給 機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)中并未得到普遍的應(yīng)用。 與感應(yīng)電機(jī)相比，由于永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、易于散熱及維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)特別是隨著永磁材料價(jià)格的下降、邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出現(xiàn)，在中小功率、高精度、高可靠性、寬調(diào)速范圍的伺服系統(tǒng)中以永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)是越來越多，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步推廣，尤其在航空、航大、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等場(chǎng)合已獲得廣泛的應(yīng)用