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直流伺服控制系统主要用于数控机床的工作台(一)
摘 要
本篇论文所设计的直流伺服控制系统主要用于数控机床的工作台，用以实现自动进给、自动加工等在无人干预的条件下自动完成的加工过程，所以对整个伺服系统的精度要求很高，包括机械精度和电路精度以及控制精度。在现阶段，关于直流伺服控制系统的研究已经达到了比较成熟的地步，国内外对这一方面的研究也很多，所以关于这方面的资料还是比较多的。
关于设计方法，在本篇论文中，详细地介绍了直流伺服控制系统机械部分的设计以及其控制电路的设计过程。伺服系统是综合运用机械设计和电工知识以及自动控制、机电一体化等知识所完成的，整个系统用可控硅实现调速控制，用单片机控制系统的进给控制，用光栅传感器测量伺服电机的转角，通过测量及比较系统，最终实现系统的伺服动作，通过人机接口以及机电接口，从而实现系统的控制。
关键词：直流伺服系统 可控硅 接口
Abstract
In this thesis, the DC servo control system used for the work set that numerical control machine tool. Realizes in order to the auto feed, auto machining and in unmanned interfered condition, it's auto completes of process the machining. So, it's very high request to accuracy for the servo system, including the machine accuracy, electric circuit accuracy and control accuracy. At present, the research concerning DC servo control system has achieve to maturity. It has a lot of research in domestic and international, so, the data concerning this is still more.
About design method, in this paper, it’s particular introduced the machine part of the DC servo control system and control electro circuit’s design process. The servo control system accomplished by integrate manage mechanism design, electrician, automatic control and mechatronic all the system use SCR control the timing, use SCM control feed quantity, use grating sensor control the corner of the servo electromotor, get across the system of measure and compare. Finally, realization the system’s servo action, get across the man-machine interface and machinery and power-generating equipment interface, realization control of the system.
Keywords: DC servo control system SCR interface
目 录
第一章 绪论……………………………………………………………………7
1.1 伺服系统的基本概念……………………………………………………7
1.2 伺服系统的基本结构形式………………………………………………7
1.2.1 比较元件……………………………………………………………7
1.2.2 调节元件……………………………………………………………7
1.2.3 执行元件……………………………………………………………8
1.2.4 被控对象……………………………………………………………8
1.2.5 测量反馈元件………………………………………………………8
1.3伺服系统的基本类型……………………………………………………8
第二章 机械结构部分设计……………………………………………………9
2.1 机械系统的基本要求……………………………………………………9
2.2 机械系统的组成…………………………………………………………9
2.2.1 传动机构……………………………………………………………9
2.2.2 导向机构……………………………………………………………9
2.2.3 执行机构……………………………………………………………9
2.3 传动机构设计……………………………………………………………10
2.3.1 传动机构性能要求…………………………………………………10
2.4 滚动丝杠副传动机构的设计……………………………………………10
2.4.1 工作原理及结构……………………………………………………10
2.4.2 滚珠丝杠副的特点…………………………………………………10
2.4.3 设计计算……………………………………………………………11
2.4.3.1 丝杠和螺母的设计……………………………………………11
2.4.3.1.1 求计算载荷………………………………………………11
2.4.3.1.2 计算额定动载荷计算值…………………………………11
2.4.3.1.3根据选择滚珠丝杠副……………………………………12
2.4.3.1.4 稳定性验算…………………………………………………12
2.4.3.1.5 刚度验算……………………………………………………14
2.4.3.1.6 效率验算……………………………………………………15
2.4.3.1.7 滚珠丝杠副轴向间隙的调整方法…………………………15
2.4.3.1.8 滚珠丝杠副的安装…………………………………………16
2.4.3.1.8.1 支承方式的选择…………………………………………16
2.4.3.1.8.2 制动装置…………………………………………………16
2.4.3.1.8.3 润滑和密封………………………………………………16
2.5减速器的选择…………………………………………………………16
2.6 联轴器的选择………………
2.6.1减速器与电动机间的联轴器选择…………………………………17
2.6.1.1 类型选择………………………………………………………17
2.6.1.2 载荷计算………………………………………………………17
2.6.1.3 强度校核………………………………………………………17
2.6.2 减速器与丝杠间的联轴器的选择…………………………………17
2.6.2.1 类型选择………………………………………………………17
2.6.2.2 载荷计算………………………………………………………17
2.6.2.3 强度校核………………………………………………………17
2.7 导轨的设计………………………………………………………………18
2.7.1 导轨的功用…………………………………………………………18
2.7.2 导轨的分类和特点…………………………………………………18
2.7.3 导轨的基本要求………………………………………………18
2.7.3.1 导向精度………………………………………………………18
2.7.3.2 耐磨性…………………………………………………………18
2.7.3.3 疲劳和压溃……………………………………………………18
2.7.3.4 刚度……………………………………………………………18
2.7.3.5 低速运动平稳性………………………………………………18
2.7.3.6 结构工艺性……………………………………………………18
2.7.4 导轨设计计算………………………………………………………19
2.7.5 滚动直线导轨的特点………………………………………………20
2.7.6 滚动直线导轨的分类………………………………………………20
第三章 调速系统设计…………………………………………………………20
3.1 比例积分(PI)调节器……………………………………………………22
3.2 采用PI调节器的无静差调速系统………………………………………22
3.3 单相桥式可控整流电路…………………………………………………25
第四章 接口设计………………………………………………………………26
4.1 什么是接口………………………………………………………………26
4.2 接口的分类和特点………………………………………………………26
4.3 机电接口设计……………………………………………………………27
4.3.1 信息采集接口的任务与特点………………………………………27
4.3.2 控制输出借口的任务与特点………………………………………27
4.3.3 控制量输出接口中的功率接口设计………………………………27
4.4 光电耦合驱动器接口设计………………………………………………28
4.4.1 光电耦合器的结构和特点…………………………………………28
4.4.2 晶闸管输出型光电耦合驱动接口设计……………………………28
4.5 人机接口设计……………………………………………………………30
4.5.1 人机接口类型及特点………………………………………………30
4.5.1.1 专用性…………………………………………………………28
4.5.1.2 低速性…………………………………………………………30
4.5.1.3 高性能价格比…………………………………………………30
4.5.2 键盘输入接口设计…………………………………………………31
4.5.2.1 矩阵式键盘工作原理…………………………………………31
4.5.2.2 键盘接口方法…………………………………………………31
4.5.2.3 键输入程序方法………………………………………………32
4.5.2.3.1 判断键盘上有无键闭合……………………………………32
4.5.2.3.2 判别键闭合的键号…………………………………………32
4.5.2.3.3 去除键的机械抖动…………………………………………32
4.5.2.3.4 使控制微机对键的一次闭合仅作一次处理………………32
第五章 检测系统设计…………………………………………………………35
5.1 检测系统的功用及组成…………………………………………………35
5.2 机电一体化对检测系统的基本要求……………………………………35
5.3 检测系统设计的任务、方法和步骤……………………………………36
5.4 数字式传感器信号的检测………………………………………………37
5.4.1 数字信号检测系统的组成…………………………………………37
5.4.2 多路信号采集细分与辨向…………………………………………37
第六章 伺服系统设计…………………………………………………………40
6.1 伺服系统的基本要求……………………………………………………40
6.1.1 稳定性………………………………………………………………40
6.1.2 精度…………………………………………………………………40
6.1.3 快速响应性…………………………………………………………41
6.2 系统性能分析……………………………………………………………42
6.2.1 系统的数学模型……………………………………………………42
6.2.2 数学模型的简化……………………………………………………44
6.3 系统参数设计……………………………………………………………45
6.3.1系统开环增益K……………………………………………………45
6.3.2系统阻尼比ζ………………………………………………………45
6.3.3系统固有频率……………………………………………………46
6.4 伺服电动机动力参数确定………………………………………………46
6.4.1 伺服电动机负载转矩的计算………………………………………46
6.4.2 电动机最大转矩的确定……………………………………………47
6.4.3 电动机额定转矩的确定……………………………………………47
6.4.4 伺服电动机的选择…………………………………………………47
结论……………………………………………………………………………48
参考文献………………………………………………………………………49
致谢……………………………………………………………………………50
附录……………………………………………………………………………51
一、绪 论
伺服系统的基本概念
伺服系统，即随动系统，是一种能够跟踪输入的指令信号，从而获得精确的位置，速度或力输出的自动控制系统。大多数伺服系统具有检测反馈回路，因而伺服系统是一种反馈控制系统。按照反馈控制理论，伺服系统需不断检测在各种扰动作用下被控对象输出量的变化，与指令值进行比较，并用两者的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被控对象输出量始终跟踪输入的指令值。
伺服系统使根据输入的指令值与输出的物理量之间的偏差进行动作控制的。因此伺服系统的工作过程是一个偏差不断产生，又不断消除的动态过渡过程。
伺服系统的基本结构形式
从自动控制理论的角度来分析，无论多么复杂的伺服系统，都是由一些功能元件组成的。图1是由各功能元件所组成的伺服系统基本结构方框图，下面对各功能元件的作用加以说明。
输入 输出
信号
图1 伺服系统基本结构方框图
(1) 比较元件
是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得制
系统动作的偏差信号的环节，通常可通过电子电路或计算机软件来实现。
(2) 调节元件
又称控制器，是伺服系统的一个重要组成部分，其作用是对比较元件输出的偏差信号进行变换、放大，以控制执行元件按要求动作。调节元件的质量对伺服系统的性能有着重要影响，其功能一般由软件算法加硬件电路实现，或单独由硬件电路实现。
(3) 执行元件
其作用是在控制信号的作用下，将输入的各种形式的能量转换成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化产品中多采用伺服电机作为执行元件。
(4) 被控对象
是伺服系统中被控制的设备或装置，是直接实现目的功能或主功能的主体，其行为质量反映着整个伺服系统的性能。被控对象一般都是机械装置，包括传动机构何执行机构。
(5) 测量反馈元件
是指传感器极其信号检测装置，用于实时检测被控对象的输出量并将其反馈到比较元件。
伺服系统还可以被看作时由电气控制装置何机械执行装置两大部分组成的，如图2所示。在控制信号传递路线上，电气控制装置与机械执行装置以执行元件作为接口；在信号反馈路线上，两者以传感器作为接口。
图2 伺服系统的组成
伺服系统的基本类型
伺服系统的种类很多,采用不同的分类方法,可得到不同类型的伺服系统。
按被控量的不同可将伺服系统分成位置、速度、力等伺服系统，其中最常见的是位置伺服系统，如数控机床的伺服进给系统等。
按所采用的执行元件的不同可将伺服系统分成电气、液压、气动等伺服系统。电气伺服系统采用伺服电机作为执行元件，在机电一体化产品中应用比较广泛。
按控制方式的不同可将伺服系统分为开环、闭环、半闭环等伺服系统。开环系统中无反馈元件，结构简单，但精度低；闭环伺服系统直接对输出量进行检测和反馈，并根据输出量对输入量的实际偏差进行控制，因而精度高，但结构复杂、成本高；半闭环伺服系统的检测反馈元件位于机械执行装置的中间某个部位，将大部分机械构件封闭在反馈控制环之外，性能介于开环和闭环伺服系统之间。
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