【文章內(nèi)容簡介】 第 18 頁 18 數(shù)控機床主軸帶傳動變速常用多楔帶和同步帶。 同步帶 又稱為同步齒形帶，按齒形不同又可分為梯形齒同步帶和圓弧齒同步 帶兩種。其中梯形齒多用在轉(zhuǎn)速不高或小功率動力傳動中，而圓弧齒多用在數(shù)控加工中心等要求較高的數(shù)控機床主運動傳動系統(tǒng)中。我們選用 H 型 梯形齒同步帶。 查手冊選兩梯形齒同步帶用帶輪為 Z1:Z2=22： 44，帶寬為 ,小帶輪節(jié)圓為 80mm, 大帶輪節(jié)圓為 194mm。 帶高 齒高 節(jié)距 。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 19 第四章伺服進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 伺服進給傳動系統(tǒng)概述 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電路、伺服驅(qū)動裝置、機械傳動機構(gòu)及 執(zhí)行部件組成。它的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置（直流、 交流伺服電動機、功率步進電機、電液脈沖馬達等 ） 和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床的工作臺、主軸刀架等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給和快速運動。 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)與一般機床的進給系統(tǒng)有本質(zhì)上的差別，它能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置，以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運動所合成的運動軌跡。 伺服進給系統(tǒng)的基本要求： 1) 精度要求 伺服系統(tǒng)必須保證機床的定位精度和加工精度。對于低檔型數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動控制精度 一般為 ；而對于高性能數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動控制精度為 1um 甚至為 。 2) 響應(yīng)速度 為了保證輪廓切削形狀精度和加工表面粗糙度，除了要求有較高的定位精度外，還要有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號的響應(yīng)要快。 3) 調(diào)整范圍 調(diào)整范圍 Rn 是指生產(chǎn)機械要求電動機能提供的最高轉(zhuǎn)速 nmax 和最低轉(zhuǎn)速 nmin 之比。為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進給驅(qū)動系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)整范圍。 4) 低速、大轉(zhuǎn)矩 根據(jù)機床的加工特點，經(jīng)常在低速下進行重切削，即在低速下進給驅(qū)動系統(tǒng)必須有大的轉(zhuǎn)矩輸出 。 伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)三種方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不高的問題，但步進電機具有角位移與輸入脈沖的嚴格對應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會積累。步進電機的轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率也有嚴格的對應(yīng)關(guān)系，而且具有在負載能力范圍內(nèi)不隨電流、電壓、負載、環(huán)境條件的波動而變化的特點。此外，步進電機控制的開環(huán)系統(tǒng)不存在位置檢測與反饋控制的問題，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，在改善步進電機控制性能方面也取得了可喜的進展。因此，在一定范圍內(nèi)，這種采用步進電機 傲為驅(qū)動執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。 雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能，然而 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 20 由于在系統(tǒng)中增加了位置檢測、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了給安裝調(diào)試增加了工作量和復(fù)雜性外，從控制理論的角度看，要實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，其難度也將大為提高?？紤]到是在普通車床上進行改造，精度要求不是很高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，我們采用了微機控制的步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)。 步進電動機及開環(huán)進給控制 步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或 角位移的執(zhí) 行 元件，是一種用脈沖信號控制的電動機， 也稱為脈沖電動機 ,在負載能力及動態(tài)特性范圍內(nèi)，步進電動機將來自數(shù)控裝置的進給脈沖輸出，電動機的角位移與控制脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率成正比。對于每一個電脈沖 ,步進電機都將產(chǎn)生一個恒定的步進角位移 ,每一個脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱為步進電機的步距角θ b, θ b取為 。每脈沖代表電機一定的轉(zhuǎn)角 ,這個轉(zhuǎn)角經(jīng)齒輪副和滾珠絲杠副使工作臺移動一定的距離 每個脈沖所對應(yīng)的執(zhí)行件的移距 ,稱為脈沖當(dāng)量或分辨率 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量δ p，縱向： 0． 01mm／步；橫向： 0． 005 mm／ step。 步進電動機的轉(zhuǎn)速決定于控制繞組與電源接通和斷開的脈沖變化頻率。 步進電動機的優(yōu)點 :可以開環(huán)驅(qū)動而無需反饋 ,無穩(wěn)定性問題 ,無累積定位誤差 ,能響應(yīng)數(shù)字信號 ,適合于數(shù)字計算機控制 ,機械結(jié)構(gòu)簡單 ,很少需要維護 ,不易受污染 ,可重復(fù)地堵轉(zhuǎn)而不會損壞 ,相當(dāng)堅固耐用。步進電動機的缺點： 運動的增量和步距是固定的，在步進分辯率上缺乏靈活性，承受大慣性負載的能力有限，可供使用的電機尺寸和輸出功率是有限的。 步進電動機的種類很多，通常分為三種類型：反應(yīng)式、永磁式和混合式。反應(yīng)式步進電動機是利用磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)動的，是我國使用最廣泛的步進電動機形式。 步進電動機的驅(qū)動控制 步進電機是一種特殊的機電元件，不能直接接到交直流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動器。步進電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖如下圖所示。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 21 CN C環(huán)形分配器步進 電動機功率放大器指令脈沖n電源 步進電動機齒輪箱環(huán)形分配器步進 電動機功率放大器指令脈沖電源 步進電動機齒輪箱 環(huán)形分配器用來接收來自控制器的脈沖信號，每來一個脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進電機轉(zhuǎn)速的高低、升或降速、啟動和停止都完全取決于控制器的有無或頻率。同時，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號，從而決定步進電機的轉(zhuǎn)動方向。 脈沖分配控制 步進電機驅(qū)動電路完成由弱電到強 電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。 驅(qū)動控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器是用于控制步進電機的通電方式的，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。 環(huán)形分配器 的主要 功能 是把來自控制環(huán)節(jié)的時鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進電機各相驅(qū)動器的輸入端以控制勵磁繞組的導(dǎo)通或截止。同時，由于電動機有正反轉(zhuǎn)要求，所以脈沖環(huán)分配既是周期性的，又是可逆的。因此環(huán)形分配器是一種可逆循環(huán) 的特殊編碼計數(shù)器。其功能 可由硬件或軟件產(chǎn)生，硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進電機的相數(shù)和控制方式設(shè)計的 脈沖分配控制 —— 硬件（環(huán)形分配器） 硬件環(huán)形分配器的種類很多，有專用基金的集成電路，可以用 JK觸發(fā)器或 D觸發(fā)器構(gòu)成，還可以用通用的可編程邏輯器件組成。集成 CH250是一種專為反應(yīng)式三相步進電機設(shè)計的環(huán)形分配器。該集成電路采用 CMOS工藝，集成度高，可靠性好。 如下圖示 當(dāng) DIR=“ 1” 時，每來一個脈沖（ CLK）則電動機正轉(zhuǎn)一步； 當(dāng) DIR=“ 0” 時，每來一個脈沖（ CLK）則電動機反轉(zhuǎn)一步。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 22 2 軟件脈沖分配的控制 軟件脈沖分配器是指實現(xiàn)步進電機脈沖分配控制的計算機程序。硬件脈沖分配器不占用計算機資源，但需要電路的支持，硬件成本較高。軟件脈沖分配器不需額外電路，但要占用計算機運行時間。 軟環(huán)形分配器的設(shè)計方法有多種，如查表法、比較法、移位寄存器法等，最常用的是查表法。查表法的基本思路是：根據(jù)步進電機與計算機的接線情況及通電方式求出所需要的環(huán)形分配器輸出狀態(tài)表，將其存入存儲器中，運行時按節(jié)拍序號查表獲得相應(yīng)控制數(shù)據(jù)，在規(guī)定時刻通過輸出口將數(shù)據(jù)輸出到步進電動機的驅(qū)動電路。 對于三相六拍環(huán)形分配器，每當(dāng)接收到一個進給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)下表所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將 A、 B、 C 的值輸出即可。 導(dǎo)電相 工作狀態(tài) C B A A 0 0 1 A B 0 1 1 B 0 1 0 B C 1 1 0 CNC 裝置 電源 環(huán)形 分配器 A相驅(qū)動 B相驅(qū)動 C相驅(qū)動 FULL/HALF DIR CLK M 三相硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動控制 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 23 頁 23 C 0 0 C A 1 0 1 、 步進電機的 驅(qū)動放大電路 一般步進電機需要幾個安培的電流，而環(huán)形分配器的輸出電流很小，不能直接驅(qū)動步進電機，因此需要功率放大電路實現(xiàn)對脈沖分配回路弱信號的放大，產(chǎn) 生電機脈沖信號工作所需的激磁電流。功率放大電路有單電壓、雙電壓、斬波型等。 驅(qū)動放大器的 作用：將環(huán)形分配器發(fā)出的 TTL 電平信號放大至幾安培到十幾安培的電流，送至步進電動機的各繞組。 驅(qū)動放大器的 控制電路：單電壓簡單驅(qū)動、高低壓切換驅(qū)動、高壓恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細分驅(qū)動等。 a 單電壓功率放大電路 單電壓功率放大電路是步進電動控制中最簡單的一種驅(qū)動電路。其中 L是步進電機的電感； RL 是繞組電阻； D是二續(xù)流二極管；它為繞組放電提供回路； Rc是一個外接的功率電阻，也是一個限流電阻， V 是大功率開關(guān)晶體管。 電 路的時間常數(shù)為 T=L/（ RL+RC） 時間常數(shù)表示開關(guān)回路在導(dǎo)通時允許步進電機繞組電流上升的速率。 T越小，則在晶體管 V從截止變成導(dǎo)通時允許步進電機按指數(shù)曲線上升越快，達到穩(wěn)定時間越短， T 越大，電流上升越慢，達到穩(wěn)定值的時間就越長。驅(qū)動電路時間常數(shù) T 對電機繞組的電流到達穩(wěn)態(tài)值的時間有極大的關(guān)系，它影響步進電機的工作頻率。 T 越小，電流到達穩(wěn)態(tài)的時間越短，則電機的工作頻率就可越高；反之， T 越大，電流到達穩(wěn)態(tài)的時間越長，電機的工作頻率就越低。 單電壓功率放大電路 最大的特點是結(jié)構(gòu) 簡單，但它的缺點是工作效率低，在高頻工作狀態(tài)時其效率很差。它的外接電阻 Rc 消耗相當(dāng)大的一部分能量，并且 Rc 還會發(fā)熱影響到電路工作的正常穩(wěn)定狀態(tài)。所以單電壓功率放大電路一般只用于小功率步進電動機的驅(qū)動， 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 24 頁 24 單電壓功率放大電路 單電壓基本改進電路如下圖所示 單電壓基本改進電路 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 25 頁 25 它在外接電阻 Rc的兩端并聯(lián)了一個電容 C，同時在貫注回路中串聯(lián)一個電阻 Rd。在 Rc 上并聯(lián)電容 C可以改善步進電機繞組的電流前沿特性 。在功率晶體管 V導(dǎo)通的瞬間，電容相當(dāng)于短路，迫使流過繞組的電流上升進一步加快，這樣可使電 流的前沿明顯變陡，從而提高了步進電機的高頻性能。在Rc 上并聯(lián) C，俁的在一個步進的周期中，注入繞組的平均電流值相對增加了，從而提高了步進電機的轉(zhuǎn)矩。特別是在高頻段工作時更為明顯。這種電路在實際應(yīng)用中有著較多的應(yīng)用。 步進電機驅(qū)動電路的主要功能是功率放大，它將光電隔離電路進來的弱信號經(jīng)功率放大，變成較強的電信號，直接驅(qū)動步進電機，如圖所示。當(dāng)控制脈沖來時， vl， v3， v4全導(dǎo)通，并使脈沖變壓器 Tc的副邊產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流，使 v2導(dǎo)通，使 v5處于反向偏置，將低壓 Ga與繞組 La切斷，高壓電源 Gh通過 v v1為 步進電機某一相繞組 La供電，使其電流上升沿變陡。經(jīng)過tb時間后脈沖電流消失，使 V2截止， Gh與繞組之間被切斷。 Ga 通過 v V1為 La供電，提供電動機所需的額定電流。通過調(diào)整脈沖變壓器的磁芯和 R5可改變高壓供電的時間寬度 tb。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 26 頁 26 速度控制 ： 進給脈沖頻率 f→定子繞組通電 /斷電狀態(tài)變化頻率 f →步進電機轉(zhuǎn)速ω →工作臺的進給速度 V。 V=60δ f 硬件環(huán)分：控制 CLK 的頻率，控制電動機的速度。 軟件環(huán)分：控制相鄰兩次軟件環(huán)分狀態(tài)之間的延時時間，可電動機線圈通電狀態(tài)的變化頻率 。 光電隔離電路 ： 在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)功率放大器后控制電動機勵磁繞組，由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高 (約 80v)，電流較大 (約6A)，若將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會引起強電干擾。所以一般在接口電路與功率放大器之 間