3333学院毕业设计（论文）说明书
1.5 数控机床进给系统总体设计方案
图1-2 进给系统的结构简图
Fig.1-2 Feed system structure diagram
上图为此次设计FXK5045数控立式铣床进给系统的机械结构简图。
伺服电机通过同步齿形带和滚珠丝杠相联，编码器固定在滚珠丝杠的右端将工作台的实际位移信号传递给控制系统，属于开环控制。同步带连接方式隔离了电机的振动和发热，使电动机安装位置更加机动，但机械结构环节增加了。
方案具体的设计过程如下：
图1-3 数控机床进给传动系统工作原理图
Fig.1-3 CNC machine tool drive system to work diagram
(1).指令脉冲驱动步进电动机；
(2).步进电机驱动电路带动功率步进电动机运转；
(3).功率步进电动机作为动力源，带动齿形皮带轮动力的输送； (4).齿形皮带轮带动滚珠丝杠降速转动；
(5).滚珠丝杠的转动使数控机床工作台横向移动。
7
第一章 绪论
1.6本章小结
在本章的设计中，让我明白了数控机床进给传动的三大部分：升降台传动系统，床鞍传动系统以及工作台传动系统，并对三者各自的基本情况和运动规律作了一个简要的叙述。对所设计的数控铣床FXK5045也有了一定的认识，其中包括FXK5045的基本性能参数，还有此机床进给传动部分所各自具备的用途，以及擅长加工哪些图形的情况都做了一一的描述。还有数控机床对进给传动方面的要求也进行了一定的说明。对进给传动总体设计方案的构想也有了一定的思路，并且进行设计的初步实践中。
8
3333学院毕业设计（论文）说明书
第二章 伺服电动机
伺服电动机(简称伺服电机)为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。伺服系统的设计、调试与选用的电机及其特性有密切关系、直接影响伺服系统的静、动态品质。
2.1伺服系统
在自动控制系统中，输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称
为伺服系统。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件（或称执行元件伺服电机）组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。
2.1.1对伺服系统的基本要求
数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床的优点，将高效率、高精度与高柔性集中于一体。而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给驱动特性的改善及功能的扩大，一般对进给伺服系统有如下要求： (1).正反向运行
机床在工作过程中，工作台根据加工轨迹的形状随时都可能要求正向或反向运行。同时应考虑正反向运行时起动与制动之间存在的电能与机械能的转换，以实现可靠的快速制动。
(2).调速范围宽
为适应不同的加工条件，如加工零件的材料、类型、大小及刀具的种类、冷却方式等，要求伺服有很宽的调速范围和优异的调速特性。 (3).高刚性与高的速度稳定性
伺服在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定，要求伺服具有优良的静态与动态负载特性。 (4).快速响应及无超调
为了保证轮廓切削形状精度与低的加工面表面粗糙度，要求伺服具有良好的快速响应特性，同时无超调。 (5).高精度
9
第二章 伺服电动机
为了满足加工精度，要保证机床的定位精度及进给精度，亦即要求伺服具有高的静态分辨率，动态特性至少应是一阶无差系统。 (6).低速大扭矩
机床加工的特点多是低速时进行切削加工，要求在低速时进给驱动应保证额定扭矩输出，亦即要求伺服具有恒扭矩输出。
2.1.2伺服系统的分类 (1).开环系统
图2-1 开环系统构成图 Fig.2-1 Open-loop systems pose a map
图(2-1)是开环系统构成图，它主要由驱动电路，执行元件和机床三大部分组成。常用的执行元件是步进电机，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用电液脉冲马达作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。 (2).闭环系统
图2-2 闭环系统构成图
Fig.2-2 Closed-loop systems pose a map
闭环系统主要由比较环节、驱动电路、执行元件、机床和检测单元五部分组成。其构成框图如图(2-2)所示。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环（半闭环）系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统三种。
由于比较环节输出的信号比较微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行放大，驱
10
3333学院毕业设计（论文）说明书
动电路正是为此而设置的。执行元件的作用是根据控制信号，即来自比较环节的跟随误差信号，将表示位移量的电信号转化为机械位移。常用的执行元件有直流宽调速电动机、交流电动机等。执行元件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随执行元件的不同而不同的。
2.1.3伺服系统的发展方向
随着生产力的不断发展，要求伺服系统向高精度、高速度、大功率方向发展。
(1).充分利用迅速发展的电子和计算机技术，采用数字式伺服系统，利用微机实现调节控制，增强软件控制功能，排除模拟电路的非线性误差和调整误差以及温度漂移等因素的影响，可大大提高伺服系统的性能，并为实现最优控制、自适应控制创造条件。 (2).开发高精度、快速检测元件。
(3).开发高性能的伺服电机（执行元件）。目前交流伺服电机的变速比已达1：10000，使用日益增多。无刷电机因无电刷和换向片零部件，加速性能要比直流伺服电机高两倍，维护也较方便，常用于高速数控机床。
2.2伺服电动机的分类
在数控机床中常用的伺服电机有:直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电机和
直线电机等．直流伺服电机具有良好的调速性能，在70年代、80年代的数控系统中得到了广泛的应用；交流伺服电动机由于结构和控制原理的发展，性能大大提高，从80年代末开始逐渐取代直流伺服电机，是目前主要使用的电动机；步进电机应用在轻载、负荷变动不大以及经济型数控系统中。直线电机是一种很有发展前途的特种电机，主要应用在高速、高精度的进给伺服系统中。
2.2.1直流伺服电机
常用的直流电动机有:永磁式直流电机、混合式直流电机、无刷直流电机和直流力矩电机等。直流进给伺服系统使用永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电动机(普通型)；直流主轴伺服系统使用励磁式直流电机类型中的他激直流电机。此外，永磁式直流电机还包括无槽电枢永磁直流电机、杯型电枢永磁直流电机和印刷绕组电枢永磁直流电机等。这些均为小惯量电机，适用于要求快速响应和频繁起动的伺服系统，但其过载能力低，电枢惯量与机械系统匹配较差．普通型永磁式直流电机产量大，应用广泛。
2.2.2交流伺服电机
在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机(PMSM)和感应异步交流伺服电机(IM)，其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大
11