目 录
第一章 机械部分的设计 ................................................................................................ 1
1.1 进给伺服系统的作用 ......................................................................................... 1 1.2 进给伺服系统的设计要求 ................................................................................. 1
1.2.1对进给伺服系统的基本要求 ................................................................... 1 1.2.2 进给伺服系统的设计要求 ...................................................................... 2 1.3进给伺服系统的组成 .......................................................................................... 2 1.4 进给伺服系统的分类 ....................................................................................... 2 1.5进给伺服系统的数学模型 .................................................................................. 3
1.5.1 数控机床的位置调节系统 ...................................................................... 3 1.5.2 进给伺服系统的数字模型 ...................................................................... 3 1.6 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 ............................................. 3
1.6.1 时间响应性 .............................................................................................. 3 1.6.2 频率响应特性 .......................................................................................... 4 1.6.3 稳定性分析 .............................................................................................. 4 1.6.4 快速性分析 .............................................................................................. 4 1.6.5 伺服精度 .................................................................................................. 5 1.7 驱动元件的选择与计算 ..................................................................................... 5
1.7.1. 选用伺服电动机 ..................................................................................... 5 1.7.2选用交流伺服电机 ................................................................................... 5 1.8 机械传动部件的设计 ......................................................................................... 7 1.9检测元件 ............................................................................................................ 11 第二章.电路部分的设计 ................................................................................................. 13
2.1硬件设计 ............................................................................................................ 13 2.2步进电机开环伺服原理 .................................................................................... 14 2.3步进电动机的控制框图 .................................................................................... 14 2.4软件程序设计（逐点比较法直线插补） ........................................................ 14
2.4.1程序设计 ................................................................................................. 16 2.5 CPU和存储器 ................................................................................................ 18 2.6 I∕O接口电路 ................................................................................................... 18 2.7时钟电路 ............................................................................................................ 19 2.8 其他辅助电路 ................................................................................................. 20
2.8.1功率放大电路 ......................................................................................... 20 2.8.2 越界报警电路 ...................................................................................... 21 2.8.3 光电隔离电路设计 ................................................................................ 21
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第三章小结 ...................................................................................................................... 22 致 谢 ................................................................................................................................ 23 参考文献 .......................................................................................................................... 24
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第一章 机械部分的设计
1.1 进给伺服系统的作用
伺服系统接受数控装置发出的进给脉冲或进给位移量，并把它变换成模拟量(如转角、电压、相位等)，经功率放大后去驱动工作台，使工作台进行精确的定位或按照规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合于精度要求的零件。因此，伺服系统的性能也是决定数控机床的加工精度、加工表面质量、生产率和机床的可靠性的关键之一。
1.2 进给伺服系统的设计要求 1.2.1对进给伺服系统的基本要求
带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别与一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应要快；系统的稳定性要好。
1. 稳定性
所谓的稳定的系统，即系统在输入量的改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在新的或原有的平衡状态下。它是伺服系统能够进行正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性和相对稳定性。
进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系统增益都有关系。适当选择系统的机械参数（主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等）和电气参数，并使它们达到最佳区配，是进给伺服系统的设计的目标之一。
2. 精度
所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复线输入量的精确程度，即准确性。它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差及干扰误差。
常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。精度用误差来表示，定位误差是工作台由一点到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值。重复定位误差是指工作台进行一次循环动作之后，回到初始位置的偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标连动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂，采用数字调节技术可以提高伺服驱动系统的精度。
3. 快速响应特性
所谓的快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统的不稳定。因此，应适当选择快速响应特性。
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该三坐标数控磨床是轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良好的快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。该三坐标数控磨床采用的是是闭环控制型式，对于闭环系统主要是稳定性问题。
1.2.2 进给伺服系统的设计要求
机床的位置调节对进给伺服系统提出很高的要求。其中在静态设计方面有： 1. 能够克服摩擦力和负载： （1）很小的进给位移量； （2）高的静态扭转刚度； （3）足够的调速范围；
2. 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象； 3. 在动态设计方面的要求有：
（1） 具有足够的加速和制动转矩，以便完成启动制动过程；
（2） 具有良好的动态传递性能以保证在获得高的轨迹精度和满意的表面质量； （3） 负载引起的轨迹误差尽可能的小； 4. 机械传动部件的设计要求有： (1) 被加速的运动部件具有小的惯量； (2) 高的刚度； (3) 良好的阻尼；
(4) 传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙方面尽可能小的非线性；
1.3进给伺服系统的组成
1.4 进给伺服系统的分类
按控制方式不同分为开环系统、半闭环系统和闭环系统.该次设计的数控磨床采用闭环系统。
a.采用闭环系统的原因：
1.闭环系统的检测装置安装在工作台上，由于闭环系统能对整个系统误差进行自动补偿，故控制精度高(0.001mm～0.003mm)快速性好,只是成本较高,而该数控磨床要求进给精度为0.001mm，为了满足设计要求，采用闭环系统。2.开环系统虽然结构简单、工作可靠、造价低廉，但是没有位置反馈环节这样的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙所
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引起的定位误差不能调整，且其控制精度（0.01mm～0.02mm）和快速性较差。不能满足该数控磨床的设计要求,故不采用开环系统.3.半闭环系统的检测装置安装在滚珠丝杠轴端或电机轴端。由于检测元件检测的反馈信号不包含从丝杠轴到工作台间传动链的误差，因此这部分误差得不到自动补偿，精度比闭环系统的要低，也不满足该数控磨床的要求，故不采用半闭环系统。
b.闭环系统的组成原理
机床数控装置中发生的指令信号与工作台末端测得的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直至差值在误差允许的范围之内为止。采用闭环系统控制可以消除由于运动部件制造中存在的精度误差给工件带来的影响，从而得到很高的加工精度。个部分的关系如下图所示：
1.5进给伺服系统的数学模型 1.5.1 数控机床的位置调节系统
数控机床的位置调节技术保证被加工零件的尺寸精度和轮廓精度。其位置调节系统如图所示：
输入参数的产生和位置调节器的功能可用计算机完成,从而构成一个数字位置调节系统。进给驱动部件可以是电气的或是液压的,分别称为电气驱动部件和液压驱动部件。该三坐标数控磨床采用电气驱动，它包括从给定值的输入到电机的输出。从电机的输出经过机械传动到执行件（工作台）称为机械传动部件。
1.5.2 进给伺服系统的数字模型
在位置环的调节上有模拟式和数字式，或者说有连续控制方式和离散控制方式。机床的数字调节系统是由计算机作为调节器，按采样方式工作的，因而属于离散控制方式。这类系统精度高，动态性能好，可充分利用计算机的快速运算功能和存储功能，使进给伺服系统始终处于最佳工作状态。另外，由于计算机作为调节器，因而调节系统具有很大柔性。
1.6 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 1.6.1 时间响应性
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