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直流伺服控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控機床的工作臺(一)
摘 要
本篇論文所設計的直流伺服控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控機床的工作臺，用以實現(xiàn)自動進給、自動加工等在無人干預的條件下自動完成的加工過程，所以對整個伺服系統(tǒng)的精度要求很高，包括機械精度和電路精度以及控制精度。在現(xiàn)階段，關(guān)于直流伺服控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)達到了比較成熟的地步，國內(nèi)外對這一方面的研究也很多，所以關(guān)于這方面的資料還是比較多的。
關(guān)于設計方法，在本篇論文中，詳細地介紹了直流伺服控制系統(tǒng)機械部分的設計以及其控制電路的設計過程。伺服系統(tǒng)是綜合運用機械設計和電工知識以及自動控制、機電一體化等知識所完成的，整個系統(tǒng)用可控硅實現(xiàn)調(diào)速控制，用單片機控制系統(tǒng)的進給控制，用光柵傳感器測量伺服電機的轉(zhuǎn)角，通過測量及比較系統(tǒng)，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的伺服動作，通過人機接口以及機電接口，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。
關(guān)鍵詞：直流伺服系統(tǒng) 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 錄
第一章 緒論……………………………………………………………………7
1.1 伺服系統(tǒng)的基本概念……………………………………………………7
1.2 伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式………………………………………………7
1.2.1 比較元件……………………………………………………………7
1.2.2 調(diào)節(jié)元件……………………………………………………………7
1.2.3 執(zhí)行元件……………………………………………………………8
1.2.4 被控對象……………………………………………………………8
1.2.5 測量反饋元件………………………………………………………8
1.3伺服系統(tǒng)的基本類型……………………………………………………8
第二章 機械結(jié)構(gòu)部分設計……………………………………………………9
2.1 機械系統(tǒng)的基本要求……………………………………………………9
2.2 機械系統(tǒng)的組成…………………………………………………………9
2.2.1 傳動機構(gòu)……………………………………………………………9
2.2.2 導向機構(gòu)……………………………………………………………9
2.2.3 執(zhí)行機構(gòu)……………………………………………………………9
2.3 傳動機構(gòu)設計……………………………………………………………10
2.3.1 傳動機構(gòu)性能要求…………………………………………………10
2.4 滾動絲杠副傳動機構(gòu)的設計……………………………………………10
2.4.1 工作原理及結(jié)構(gòu)……………………………………………………10
2.4.2 滾珠絲杠副的特點…………………………………………………10
2.4.3 設計計算……………………………………………………………11
2.4.3.1 絲杠和螺母的設計……………………………………………11
2.4.3.1.1 求計算載荷………………………………………………11
2.4.3.1.2 計算額定動載荷計算值…………………………………11
2.4.3.1.3根據(jù)選擇滾珠絲杠副……………………………………12
2.4.3.1.4 穩(wěn)定性驗算…………………………………………………12
2.4.3.1.5 剛度驗算……………………………………………………14
2.4.3.1.6 效率驗算……………………………………………………15
2.4.3.1.7 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整方法…………………………15
2.4.3.1.8 滾珠絲杠副的安裝…………………………………………16
2.4.3.1.8.1 支承方式的選擇…………………………………………16
2.4.3.1.8.2 制動裝置…………………………………………………16
2.4.3.1.8.3 潤滑和密封………………………………………………16
2.5減速器的選擇…………………………………………………………16
2.6 聯(lián)軸器的選擇………………
2.6.1減速器與電動機間的聯(lián)軸器選擇…………………………………17
2.6.1.1 類型選擇………………………………………………………17
2.6.1.2 載荷計算………………………………………………………17
2.6.1.3 強度校核………………………………………………………17
2.6.2 減速器與絲杠間的聯(lián)軸器的選擇…………………………………17
2.6.2.1 類型選擇………………………………………………………17
2.6.2.2 載荷計算………………………………………………………17
2.6.2.3 強度校核………………………………………………………17
2.7 導軌的設計………………………………………………………………18
2.7.1 導軌的功用…………………………………………………………18
2.7.2 導軌的分類和特點…………………………………………………18
2.7.3 導軌的基本要求………………………………………………18
2.7.3.1 導向精度………………………………………………………18
2.7.3.2 耐磨性…………………………………………………………18
2.7.3.3 疲勞和壓潰……………………………………………………18
2.7.3.4 剛度……………………………………………………………18
2.7.3.5 低速運動平穩(wěn)性………………………………………………18
2.7.3.6 結(jié)構(gòu)工藝性……………………………………………………18
2.7.4 導軌設計計算………………………………………………………19
2.7.5 滾動直線導軌的特點………………………………………………20
2.7.6 滾動直線導軌的分類………………………………………………20
第三章 調(diào)速系統(tǒng)設計…………………………………………………………20
3.1 比例積分(PI)調(diào)節(jié)器……………………………………………………22
3.2 采用PI調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)速系統(tǒng)………………………………………22
3.3 單相橋式可控整流電路…………………………………………………25
第四章 接口設計………………………………………………………………26
4.1 什么是接口………………………………………………………………26
4.2 接口的分類和特點………………………………………………………26
4.3 機電接口設計……………………………………………………………27
4.3.1 信息采集接口的任務與特點………………………………………27
4.3.2 控制輸出借口的任務與特點………………………………………27
4.3.3 控制量輸出接口中的功率接口設計………………………………27
4.4 光電耦合驅(qū)動器接口設計………………………………………………28
4.4.1 光電耦合器的結(jié)構(gòu)和特點…………………………………………28
4.4.2 晶閘管輸出型光電耦合驅(qū)動接口設計……………………………28
4.5 人機接口設計……………………………………………………………30
4.5.1 人機接口類型及特點………………………………………………30
4.5.1.1 專用性…………………………………………………………28
4.5.1.2 低速性…………………………………………………………30
4.5.1.3 高性能價格比…………………………………………………30
4.5.2 鍵盤輸入接口設計…………………………………………………31
4.5.2.1 矩陣式鍵盤工作原理…………………………………………31
4.5.2.2 鍵盤接口方法…………………………………………………31
4.5.2.3 鍵輸入程序方法………………………………………………32
4.5.2.3.1 判斷鍵盤上有無鍵閉合……………………………………32
4.5.2.3.2 判別鍵閉合的鍵號…………………………………………32
4.5.2.3.3 去除鍵的機械抖動…………………………………………32
4.5.2.3.4 使控制微機對鍵的一次閉合僅作一次處理………………32
第五章 檢測系統(tǒng)設計…………………………………………………………35
5.1 檢測系統(tǒng)的功用及組成…………………………………………………35
5.2 機電一體化對檢測系統(tǒng)的基本要求……………………………………35
5.3 檢測系統(tǒng)設計的任務、方法和步驟……………………………………36
5.4 數(shù)字式傳感器信號的檢測………………………………………………37
5.4.1 數(shù)字信號檢測系統(tǒng)的組成…………………………………………37
5.4.2 多路信號采集細分與辨向…………………………………………37
第六章 伺服系統(tǒng)設計…………………………………………………………40
6.1 伺服系統(tǒng)的基本要求……………………………………………………40
6.1.1 穩(wěn)定性………………………………………………………………40
6.1.2 精度…………………………………………………………………40
6.1.3 快速響應性…………………………………………………………41
6.2 系統(tǒng)性能分析……………………………………………………………42
6.2.1 系統(tǒng)的數(shù)學模型……………………………………………………42
6.2.2 數(shù)學模型的簡化……………………………………………………44
6.3 系統(tǒng)參數(shù)設計……………………………………………………………45
6.3.1系統(tǒng)開環(huán)增益K……………………………………………………45
6.3.2系統(tǒng)阻尼比ζ………………………………………………………45
6.3.3系統(tǒng)固有頻率……………………………………………………46
6.4 伺服電動機動力參數(shù)確定………………………………………………46
6.4.1 伺服電動機負載轉(zhuǎn)矩的計算………………………………………46
6.4.2 電動機最大轉(zhuǎn)矩的確定……………………………………………47
6.4.3 電動機額定轉(zhuǎn)矩的確定……………………………………………47
6.4.4 伺服電動機的選擇…………………………………………………47
結(jié)論……………………………………………………………………………48
參考文獻………………………………………………………………………49
致謝……………………………………………………………………………50
附錄……………………………………………………………………………51
一、緒 論
伺服系統(tǒng)的基本概念
伺服系統(tǒng)，即隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號，從而獲得精確的位置，速度或力輸出的自動控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測反饋回路，因而伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)。按照反饋控制理論，伺服系統(tǒng)需不斷檢測在各種擾動作用下被控對象輸出量的變化，與指令值進行比較，并用兩者的偏差值對系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，以消除偏差，使被控對象輸出量始終跟蹤輸入的指令值。
伺服系統(tǒng)使根據(jù)輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進行動作控制的。因此伺服系統(tǒng)的工作過程是一個偏差不斷產(chǎn)生，又不斷消除的動態(tài)過渡過程。
伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式
從自動控制理論的角度來分析，無論多么復雜的伺服系統(tǒng)，都是由一些功能元件組成的。圖1是由各功能元件所組成的伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖，下面對各功能元件的作用加以說明。
輸入 輸出
信號
圖1 伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖
(1) 比較元件
是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得制
系統(tǒng)動作的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常可通過電子電路或計算機軟件來實現(xiàn)。
(2) 調(diào)節(jié)元件
又稱控制器，是伺服系統(tǒng)的一個重要組成部分，其作用是對比較元件輸出的偏差信號進行變換、放大，以控制執(zhí)行元件按要求動作。調(diào)節(jié)元件的質(zhì)量對伺服系統(tǒng)的性能有著重要影響，其功能一般由軟件算法加硬件電路實現(xiàn)，或單獨由硬件電路實現(xiàn)。
(3) 執(zhí)行元件
其作用是在控制信號的作用下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機械能，驅(qū)動被控對象工作。機電一體化產(chǎn)品中多采用伺服電機作為執(zhí)行元件。
(4) 被控對象
是伺服系統(tǒng)中被控制的設備或裝置，是直接實現(xiàn)目的功能或主功能的主體，其行為質(zhì)量反映著整個伺服系統(tǒng)的性能。被控對象一般都是機械裝置，包括傳動機構(gòu)何執(zhí)行機構(gòu)。
(5) 測量反饋元件
是指傳感器極其信號檢測裝置，用于實時檢測被控對象的輸出量并將其反饋到比較元件。
伺服系統(tǒng)還可以被看作時由電氣控制裝置何機械執(zhí)行裝置兩大部分組成的，如圖2所示。在控制信號傳遞路線上，電氣控制裝置與機械執(zhí)行裝置以執(zhí)行元件作為接口；在信號反饋路線上，兩者以傳感器作為接口。
圖2 伺服系統(tǒng)的組成
伺服系統(tǒng)的基本類型
伺服系統(tǒng)的種類很多,采用不同的分類方法,可得到不同類型的伺服系統(tǒng)。
按被控量的不同可將伺服系統(tǒng)分成位置、速度、力等伺服系統(tǒng)，其中最常見的是位置伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)等。
按所采用的執(zhí)行元件的不同可將伺服系統(tǒng)分成電氣、液壓、氣動等伺服系統(tǒng)。電氣伺服系統(tǒng)采用伺服電機作為執(zhí)行元件，在機電一體化產(chǎn)品中應用比較廣泛。
按控制方式的不同可將伺服系統(tǒng)分為開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)等伺服系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)中無反饋元件，結(jié)構(gòu)簡單，但精度低；閉環(huán)伺服系統(tǒng)直接對輸出量進行檢測和反饋，并根據(jù)輸出量對輸入量的實際偏差進行控制，因而精度高，但結(jié)構(gòu)復雜、成本高；半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的檢測反饋元件位于機械執(zhí)行裝置的中間某個部位，將大部分機械構(gòu)件封閉在反饋控制環(huán)之外，性能介于開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)之間。
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