數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

【摘要】 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)(CNC)和數(shù)控機(jī)床主體的關(guān)鍵部位，其性能直接關(guān)系到數(shù)控機(jī)床執(zhí)行件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性、工作精度、負(fù)載能力、響應(yīng)快慢及負(fù)載能力。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)控機(jī)床 伺服系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

Abstract:The CNC servo system is the key parts which connect the system (CNC) and the body of CNC. And its performance is directly related to the static and dynamic characteris-tics， the work load capacity， accuracy， speed and load capacity of the execution of CNC machine.

前言

用于數(shù)控機(jī)床的伺服機(jī)構(gòu)有開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)和混合伺服幾種方式。開環(huán)系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，多用在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)或老設(shè)備的數(shù)控改造;混合伺服方式只有在大型機(jī)床中使用。采用全閉環(huán)的方式的數(shù)控系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)和調(diào)整技術(shù)難度較大，只有在大型、精密數(shù)控機(jī)床中使用。在半閉環(huán)方式中，機(jī)床定位精度很大程度取決于滾珠絲杠的精度，通過選用高精度的滾珠絲杠，輔以螺距誤差補(bǔ)償?shù)却胧腴]環(huán)完全可以滿足普通精度級(jí)機(jī)床的定位精度的要求。由于沖床對(duì)加工精度相對(duì)來說要求不高，所以本系統(tǒng)采用半閉環(huán)的伺服結(jié)構(gòu)[1-7]。

1.滾珠絲杠副的選擇

在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于滾珠絲杠副具有摩擦阻力小、傳動(dòng)效率高(92%~98%)的傳動(dòng)定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常采用滾珠絲杠作為傳動(dòng)元件，尤其是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的各種機(jī)構(gòu)中。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)沖床的移動(dòng)速度、連接方式，以及工作臺(tái)和工件的總重量，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的相關(guān)公式，初步選定南京工藝裝備廠生產(chǎn)的LR-CF3232-1.5型滾珠絲杠，其導(dǎo)程為32mm，公稱直徑為32mm，精度等級(jí)為5級(jí)。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的相關(guān)公式，經(jīng)過絲杠的穩(wěn)定性校核與臨界轉(zhuǎn)速校核，選用的絲杠滿足要求[1]。

數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)要求獲得較高的傳動(dòng)剛度，除了加強(qiáng)滾珠絲杠螺母本身的剛度外，滾珠絲杠的正確安裝及其支承的結(jié)構(gòu)剛度也是不可忽略的因素。滾珠絲杠安裝不正確以及支承剛度不足，會(huì)使絲杠的使用壽命大大下降，所以要采用合適的支承方式。根據(jù)滾珠絲杠副的工作情況及軸向固定方式，絲杠支承常以止推軸承和向心軸承的組合，支承方式有以下四種:雙推-自由式、雙推-簡支式、單推-單推式和雙推雙推式。由于雙推-簡支方式的雙推端可以拉伸安裝、預(yù)緊力小、軸承使用壽命較高，適用于中速精度較高的傳動(dòng)系統(tǒng)，所以我們采用雙推-簡支式滾珠絲杠支承[2-3]。

2.進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)的選擇

進(jìn)給伺服電機(jī)是否選擇得當(dāng)，直接關(guān)系到整個(gè)伺服系統(tǒng)機(jī)電參數(shù)與系統(tǒng)的性能是否匹配。通常調(diào)速電機(jī)主要是步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)以其使用不受環(huán)境限制、經(jīng)濟(jì)可靠及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好等優(yōu)點(diǎn)越來越廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的相關(guān)公式，經(jīng)過負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算，負(fù)載慣量匹配計(jì)算選定三菱HC-SFS102型交流伺服電機(jī)，配備MR-J2S-100A伺服放大器 。

3.交流伺服電機(jī)的單片機(jī)控制

數(shù)控系統(tǒng)對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制包括對(duì)進(jìn)給臺(tái)的位置控制和速度控制，是CNC系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在數(shù)控系統(tǒng)中，交流伺服電機(jī)的作用是把控制電壓信號(hào)或相位信號(hào)變換成機(jī)械位移，也就是把接收到的電信號(hào)變換為電機(jī)的一定轉(zhuǎn)速或角位移，因此可以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的數(shù)字控制 。

本系統(tǒng)選用三菱HC-SFS102型交流伺服電機(jī)，通過對(duì)其配套的MR-J2S-100A伺服放大器的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。對(duì)交流伺服電機(jī)的控制方式主要有三種:位置控制方式、速度控制方式和轉(zhuǎn)矩控制方式。位置控制方式是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受脈沖來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，與控制系統(tǒng)的接線簡單。另外沖床是點(diǎn)位控制系統(tǒng)，對(duì)位置精度要求較高，因此本系統(tǒng)選用位置控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的控制。從CPU系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)控制的核心部件是AT89C52單片機(jī)芯片，配備相應(yīng)的外圍電路來實(shí)現(xiàn)的控制。從CPU系統(tǒng)與X軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口電路如圖所示。由于單片機(jī)屬于TTL電路，它的I/O輸出的開關(guān)量信號(hào)電平無法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此必須要采用光電耦合器隔離。

在位置控制方式下，從單片機(jī)通過OUT8255的PA1口輸出的高低電平來控制X軸伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，OUT8255的PA0口輸出的高速脈沖數(shù)目控制X軸伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位移，輸出的脈沖頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。進(jìn)給臺(tái)的位置精度由交流伺服電機(jī)內(nèi)置的17位絕對(duì)式光電編碼器來控制。

另外伺服驅(qū)動(dòng)器有一系列的參數(shù)，通過對(duì)這些參數(shù)的設(shè)置個(gè)調(diào)整，可以改變伺服系統(tǒng)的功能和性能。伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置完畢后，關(guān)閉電源，重新通電后伺服電機(jī)即可按照設(shè)定的參數(shù)工作。

結(jié)論

在分析了數(shù)控機(jī)床各種伺服進(jìn)給系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，合理地選擇了半閉環(huán)控制方式。根據(jù)滾珠絲杠和交流伺服電機(jī)的性能參數(shù)，對(duì)單片機(jī)控制交流伺服電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。另外對(duì)基于數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)的加減速控制算法進(jìn)行了分析，結(jié)合數(shù)控沖床的特點(diǎn)，對(duì)采用插補(bǔ)前速度控制方式指數(shù)加減速曲線控制算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并給出了軟件流程圖。

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作者簡介:韓濤(1969-)，男，黑龍江雙城人，佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，哈爾濱理工大學(xué)碩士研究生。

(作者單位: 佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)