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直流伺服控制系統主要用于數控機床的工作臺(一)
摘 要
本篇論文所設計的直流伺服控制系統主要用于數控機床的工作臺，用以實現自動進給、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。在現階段，關于直流伺服控制系統的研究已經達到了比較成熟的地步，國內外對這一方面的研究也很多，所以關于這方面的資料還是比較多的。
關于設計方法，在本篇論文中，詳細地介紹了直流伺服控制系統機械部分的設計以及其控制電路的設計過程。伺服系統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，整個系統用可控硅實現調速控制，用單片機控制系統的進給控制，用光柵傳感器測量伺服電機的轉角，通過測量及比較系統，最終實現系統的伺服動作，通過人機接口以及機電接口，從而實現系統的控制。
關鍵詞：直流伺服系統 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 伺服系統的基本概念……………………………………………………7
1.2 伺服系統的基本結構形式………………………………………………7
1.2.1 比較元件……………………………………………………………7
1.2.2 調節元件……………………………………………………………7
1.2.3 執行元件……………………………………………………………8
1.2.4 被控對象……………………………………………………………8
1.2.5 測量反饋元件………………………………………………………8
1.3伺服系統的基本類型……………………………………………………8
第二章 機械結構部分設計……………………………………………………9
2.1 機械系統的基本要求……………………………………………………9
2.2 機械系統的組成…………………………………………………………9
2.2.1 傳動機構……………………………………………………………9
2.2.2 導向機構……………………………………………………………9
2.2.3 執行機構……………………………………………………………9
2.3 傳動機構設計……………………………………………………………10
2.3.1 傳動機構性能要求…………………………………………………10
2.4 滾動絲杠副傳動機構的設計……………………………………………10
2.4.1 工作原理及結構……………………………………………………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根據選擇滾珠絲杠副……………………………………12
2.4.3.1.4 穩定性驗算…………………………………………………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 聯軸器的選擇………………
2.6.1減速器與電動機間的聯軸器選擇…………………………………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 低速運動平穩性………………………………………………18
2.7.3.6 結構工藝性……………………………………………………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 調速系統設計…………………………………………………………20
3.1 比例積分(PI)調節器……………………………………………………22
3.2 采用PI調節器的無靜差調速系統………………………………………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 光電耦合驅動器接口設計………………………………………………28
4.4.1 光電耦合器的結構和特點…………………………………………28
4.4.2 晶閘管輸出型光電耦合驅動接口設計……………………………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 檢測系統設計…………………………………………………………35
5.1 檢測系統的功用及組成…………………………………………………35
5.2 機電一體化對檢測系統的基本要求……………………………………35
5.3 檢測系統設計的任務、方法和步驟……………………………………36
5.4 數字式傳感器信號的檢測………………………………………………37
5.4.1 數字信號檢測系統的組成…………………………………………37
5.4.2 多路信號采集細分與辨向…………………………………………37
第六章 伺服系統設計…………………………………………………………40
6.1 伺服系統的基本要求……………………………………………………40
6.1.1 穩定性………………………………………………………………40
6.1.2 精度…………………………………………………………………40
6.1.3 快速響應性…………………………………………………………41
6.2 系統性能分析……………………………………………………………42
6.2.1 系統的數學模型……………………………………………………42
6.2.2 數學模型的簡化……………………………………………………44
6.3 系統參數設計……………………………………………………………45
6.3.1系統開環增益K……………………………………………………45
6.3.2系統阻尼比ζ………………………………………………………45
6.3.3系統固有頻率……………………………………………………46
6.4 伺服電動機動力參數確定………………………………………………46
6.4.1 伺服電動機負載轉矩的計算………………………………………46
6.4.2 電動機最大轉矩的確定……………………………………………47
6.4.3 電動機額定轉矩的確定……………………………………………47
6.4.4 伺服電動機的選擇…………………………………………………47
結論……………………………………………………………………………48
參考文獻………………………………………………………………………49
致謝……………………………………………………………………………50
附錄……………………………………………………………………………51
一、緒 論
伺服系統的基本概念
伺服系統，即隨動系統，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。大多數伺服系統具有檢測反饋回路，因而伺服系統是一種反饋控制系統。按照反饋控制理論，伺服系統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進行自動調節，以消除偏差，使被控對象輸出量始終跟蹤輸入的指令值。
伺服系統使根據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。因此伺服系統的工作過程是一個偏差不斷產生，又不斷消除的動態過渡過程。
伺服系統的基本結構形式
從自動控制理論的角度來分析，無論多么復雜的伺服系統，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基本結構方框圖，下面對各功能元件的作用加以說明。
輸入 輸出
信號
圖1 伺服系統基本結構方框圖
(1) 比較元件
是將輸入的指令信號與系統的反饋信號進行比較，以獲得制
系統動作的偏差信號的環節，通�？赏ㄟ^電子電路或計算機軟件來實現。
(2) 調節元件
又稱控制器，是伺服系統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，以控制執行元件按要求動作。調節元件的質量對伺服系統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，或單獨由硬件電路實現。
(3) 執行元件
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換成機械能，驅動被控對象工作。機電一體化產品中多采用伺服電機作為執行元件。
(4) 被控對象
是伺服系統中被控制的設備或裝置，是直接實現目的功能或主功能的主體，其行為質量反映著整個伺服系統的性能。被控對象一般都是機械裝置，包括傳動機構何執行機構。
(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。
伺服系統還可以被看作時由電氣控制裝置何機械執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行裝置以執行元件作為接口；在信號反饋路線上，兩者以傳感器作為接口。
圖2 伺服系統的組成
伺服系統的基本類型
伺服系統的種類很多,采用不同的分類方法,可得到不同類型的伺服系統。
按被控量的不同可將伺服系統分成位置、速度、力等伺服系統，其中最常見的是位置伺服系統，如數控機床的伺服進給系統等。
按所采用的執行元件的不同可將伺服系統分成電氣、液壓、氣動等伺服系統。電氣伺服系統采用伺服電機作為執行元件，在機電一體化產品中應用比較廣泛。
按控制方式的不同可將伺服系統分為開環、閉環、半閉環等伺服系統。開環系統中無反饋元件，結構簡單，但精度低；閉環伺服系統直接對輸出量進行檢測和反饋，并根據輸出量對輸入量的實際偏差進行控制，因而精度高，但結構復雜、成本高；半閉環伺服系統的檢測反饋元件位于機械執行裝置的中間某個部位，將大部分機械構件封閉在反饋控制環之外，性能介于開環和閉環伺服系統之間。
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