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桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)報告用紙 第35頁 共35頁
目 錄
引言 3
1 國內(nèi)外數(shù)控銑床發(fā)展情況與設(shè)計意義 4
1.1 國外數(shù)控銑床發(fā)展情況 4
1.2 國內(nèi)數(shù)控銑床發(fā)展情況 4
1.3 設(shè)計意義 4
2 方案選擇 5
2.1 伺服進給系統(tǒng)選擇 5
2.2 伺服電機選擇 6
3 伺服進給系統(tǒng)參數(shù)計算 7
3.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計 7
3.2 工作臺外形尺寸及重量初步估算 7
3.3 滾珠絲杠選擇及計算 8
3.3.1滾珠絲杠精度 8
3.3.2滾珠絲杠選擇 8
3.4 絲杠支撐選擇及計算 11
3.5 導(dǎo)軌副的選擇及計算 13
3.6 選擇伺服電動機 14
3.6.1最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算 14
3.6.2負(fù)載慣量計算 15
3.6.3空載加速轉(zhuǎn)矩計算 16
3.7 伺服系統(tǒng)增益 16
3.8 精度驗算 16
3.8.1伺服剛度KR 16
3.8.2滾珠絲杠的拉壓剛度Ktmin 17
3.8.3絲杠軸承的軸向剛度Kba 17
3.8.4滾珠絲杠螺母的接觸剛度KC 18
3.8.5聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛度K1 18
3.8.6綜合剛度K 18
3.8.7彈性變形 18
3.8.8定位誤差驗算 18
4 主要部件設(shè)計及校核 18
4.1 聯(lián)軸器 18
4.2 鍵 19
4.3 支承件 19
4.3.1床身結(jié)構(gòu) 20
4.3.2電機座 20
4.4 T型槽工作臺 21
4.5 檢測裝置 21
5 直流伺服電機驅(qū)動電路設(shè)計 23
5.1 總體方案概述 23
5.2 H橋驅(qū)動原理 23
5.3 PWM原理 24
5.4 H橋驅(qū)動電路設(shè)計 25
5.5 自舉驅(qū)動電路 26
5.6 脈寬信號產(chǎn)生電路 29
6 結(jié)論 31
謝 辭 32
參考文獻(xiàn) 33
附 錄 34
引言
自20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控銑床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控銑床加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。數(shù)控銑床具有如下功能：點位控制功能、連續(xù)輪廓控制功能、刀具半徑自動補償功能、刀具長度補償功能、鏡像加工功能、固定循環(huán)功能、特殊功能。數(shù)控銑床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗的零件。數(shù)控銑床的特點及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。
二維工作臺是數(shù)控銑床的重要部件，二維工作臺的精度對零部件的加工精度有重要影響。數(shù)控銑床二維精密工作臺設(shè)計是數(shù)控銑床設(shè)計中重要的一個環(huán)節(jié)。
1 國內(nèi)外數(shù)控銑床發(fā)展情況與設(shè)計意義
1.1 國外數(shù)控銑床發(fā)展情況
美國麻省理工學(xué)院于1952年成功研制了世界上第一臺數(shù)控銑床。1955年用于制造航空零件的數(shù)控銑床正式問世！特別是隨微電子、計算機技術(shù)的進步，數(shù)控機床在20世紀(jì)80年代以后加速發(fā)展，終端用戶提出更多需求，美德日各國機床制造商競相展示先進技術(shù)、爭奪用戶。國外的數(shù)控發(fā)展迅速，并具有一下特點：高速高精與多軸加工成為數(shù)控機床的主流，納米控制已經(jīng)成為高速高精加工的潮流；多任務(wù)和多軸加工數(shù)控機床越來越多地應(yīng)用到能源、航空航天等行業(yè)；機床與機器人的集成應(yīng)用日趨普及，且結(jié)構(gòu)形式多樣化，應(yīng)用范圍擴大化，運動速度高速化，多傳感器融合技術(shù)實用化，控制功能智能化，多機器人協(xié)同普及化；智能化加工與監(jiān)測功能不斷擴充，車間的加工監(jiān)測與管理可實時獲取機床本身的狀態(tài)信息，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)測機床的狀態(tài)，提前進行相關(guān)的維護，避免事故的發(fā)生，減少機床的故障率，提高機床的利用率；最新的機床誤差檢測與補償技術(shù)能夠在較短的時間內(nèi)完成對機床的補償測量，與傳統(tǒng)的激光干涉儀相比，對機床誤差的補償精度能夠提高3～4倍，同時效率得到大幅度提升；最新的CAD/CAM技術(shù)為多軸多任務(wù)數(shù)控機床的加工提供了強有力的支持，可以大幅度提高加工效率；刀具技術(shù)發(fā)展迅速，眾多刀具的設(shè)計涵蓋了整個加工過程，并且新型刀具能夠滿足平穩(wěn)加工以及抗振性能的要求。
可以說國外的數(shù)控銑床發(fā)展迅猛，代表著數(shù)控銑床發(fā)展的方向。
1.2 國內(nèi)數(shù)控銑床發(fā)展情況
中國于1958年研制出第一臺數(shù)控機床，在發(fā)展的道路上遇到了一些曲折，不過最近20年來數(shù)控機床的設(shè)計和制造技術(shù)有較大提高，主要表現(xiàn)在三大方面：培訓(xùn)一批設(shè)計、制造、使用和維護的人才；通過合作生產(chǎn)先進數(shù)控機床，使設(shè)計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術(shù)的差距；通過利用國外先進元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設(shè)計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機床，供應(yīng)國內(nèi)市場的需求，但對關(guān)鍵技術(shù)的試驗、消化、掌握及創(chuàng)新卻較差。至今許多重要功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術(shù)支撐，不能獨立發(fā)展，基本上處于從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控機床的水平差距很大。
1.3 設(shè)計意義
雖然國內(nèi)數(shù)控銑床與國外的相比還有很大的差距，但是數(shù)控銑床是重要的機械加工裝備，在制造業(yè)中占有重要的地位，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著重要作用。其中，二維精密工作臺是數(shù)控銑床的關(guān)鍵部件，二維精密工作臺的質(zhì)量對數(shù)控銑床的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響，進行數(shù)控銑床二維精密工作臺設(shè)計具有重要的經(jīng)濟價值與社會意義。本設(shè)計基于三維計算機輔助設(shè)計，加快新產(chǎn)品研制進度，縮短設(shè)計周期，希望對數(shù)控銑床制造業(yè)起到一點意義。
2 方案選擇
2.1 伺服進給系統(tǒng)選擇
伺服進給系統(tǒng)一般按照有無位置檢測與反饋可以分為閉環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、開環(huán)伺服系統(tǒng)。
閉環(huán)伺服系統(tǒng)中有反饋控制系統(tǒng),位置采樣點從工作臺引出，可直接對最終運動部件的實際位置進行檢測；能得到更好的精度、更高的速度和驅(qū)動功率。安裝在執(zhí)行部件上的位置檢測裝置，測量執(zhí)行部件的實際位移量并轉(zhuǎn)換成電脈沖，反饋到輸入端并與輸人位置指令信號進行比較，求得誤差，依此構(gòu)成閉環(huán)位置控制。閉環(huán)伺服系統(tǒng)成本高，對環(huán)境室溫要求嚴(yán)格，設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)伺服系統(tǒng)難。但是可以獲得更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度一般可達(dá)±0.01mm～±0.005 mm。如圖2-1所示。
圖2-1 閉環(huán)伺服系統(tǒng)
半閉環(huán)伺服系統(tǒng)將檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件位置的系統(tǒng)。閉壞伺服系統(tǒng)可以消除機械傳動機構(gòu)的全部誤差，而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)只能補償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部分元件的誤差但是它的結(jié)構(gòu)與凋試都比較簡單，如果將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機做成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題?？偟膩碚f，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要低一些，在一些對精度中等的場合常使用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖2-2所示。
圖2-2 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)
開環(huán)伺服系統(tǒng)是最簡單的進給伺服系統(tǒng)，無位置反饋環(huán)節(jié)。這種系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電動機、功率步進電動機、電液脈沖電動機等。由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進電動機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠螺母副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令系統(tǒng)脈沖的數(shù)量、頻率及通電順序，便可以控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。開環(huán)伺服系統(tǒng)的精度主要取決于步進電動機的角位移精度，齒輪、絲桿等傳動元件的節(jié)距的精度，所以開環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低，開環(huán)伺服系統(tǒng)的特點是結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉；因此在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。
圖2-3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)
通過以上對比，本設(shè)計選著閉環(huán)伺服系統(tǒng)作為二維精密工作臺進給系統(tǒng)的主要形式。
2.2 伺服電機選擇
目前常用的驅(qū)動元件主要有步進電動機，直流伺服電動機，交流伺服電動機。
步進電機的工作原理是通過被勵磁的定子電磁力吸引轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)從而輸出轉(zhuǎn)矩，具有快速的啟動，制動和反轉(zhuǎn)的能力；在一定頻率范圍內(nèi)各種運動方式都能任意的改變且不會失步，具有自整步的能力；沒有一周累計誤差，所以定位精度很高；價格便宜。但是步進電機有效率低，驅(qū)動慣量負(fù)載能力差等缺點缺點，作高速運動時容易失步，所以現(xiàn)在步進電機主要用在開環(huán)伺服系統(tǒng)中。
直流伺服電機具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性，可以方便地在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑無級調(diào)速，因此在對伺服電機的調(diào)速性能和啟動性能要求較高的設(shè)備中，大都采用直流伺服電機驅(qū)動。直流伺服電機分為有刷和無刷電機兩種，有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），會產(chǎn)生一定電磁干擾，對環(huán)境有要求。直流無刷伺服電機體積小，重量輕，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護不存在碳刷損耗的情況，效率很高，運行溫度低噪音小，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境，但是缺點力矩較小。
交流伺服電動機，轉(zhuǎn)子慣量較直流伺服電動機小，在動態(tài)響應(yīng)上更好。一般來說，在同樣的體積下，交流伺服電動機的輸出功率可比直流伺服電動機提高10%—70%，此外，交流伺服電動機的容量也比直流伺服電動機大，易達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。在交流伺服系統(tǒng)中可以用交流同步電機也可以用交流感應(yīng)電機。但是交流伺服電機的缺點是不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍較大的平滑調(diào)速。
所以，經(jīng)過以上分析并考慮，本設(shè)計采用的是直流有刷伺服電機，主要基于直流有刷電機力矩大且能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的平滑調(diào)速。
3 伺服進給系統(tǒng)參數(shù)計算
3.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)設(shè)計要求系統(tǒng)定位精度為0.01mm，選擇閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
從產(chǎn)品目錄查詢得知直流伺服電動機的一般轉(zhuǎn)速為1500rpm、2000rpm、3000rpm等。本設(shè)計取直流伺服電動機通過聯(lián)軸器與絲杠直接連接，即i=1。取電動機的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的最高轉(zhuǎn)速也為1500r/min。工作臺快速進給的最高速度要求達(dá)到?；窘z杠導(dǎo)程
3.2 工作臺外形尺寸及重量初步估算
根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，如圖3-1所示，估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。
圖3-1 工作臺簡圖
取X向?qū)к壷蔚闹行木酁?00mm,Y向?qū)к壷蔚闹行木酁?00mm；
工作臺的尺寸：1200mm*600mm*50mm；
工作臺重量：按重量=體積材料比重估算：
；
X向拖板（滑座）尺寸為:1500mm*500mm*50mm
滑座重量:按重量=體積*材料比重估算為：
；
X向電機、絲杠等輔助裝置重量估算為4100N；
Y向運動部分總重量為：
3.3 滾珠絲杠選擇及計算
3.3.1滾珠絲杠精度
本設(shè)計要求達(dá)到0.01mm的定位精度，根據(jù)查閱滾珠絲杠產(chǎn)品庫，對于1級（P1）精度絲杠，任意導(dǎo)程允差為0.006mm，2級（P2）精度絲杠的導(dǎo)程允差為0.008mm。初步設(shè)計時先設(shè)絲杠的任意300mm行程內(nèi)變動量為定位精度的1/3 ~1/2，即0.003~0.005mm，因此，取滾珠絲杠精度為P1級，即為1級精度絲杠。
3.3.2滾珠絲杠選擇
滾珠絲杠的名義直徑、滾珠的列數(shù)和工作圈數(shù)應(yīng)按當(dāng)量動載荷選擇。
（1）Y軸絲杠選擇
絲杠的最大載荷為切削時的最大進給力加摩擦力；最小載荷即摩擦力。已知最大進給力,估算工件加夾具質(zhì)量為400kg，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.04，故Y軸絲杠的最小載荷（即摩擦力）
絲杠最大載荷
平均載荷
絲杠最高轉(zhuǎn)速為1500r/min，工作臺最小進給速度為1mm/min,故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.25r/min,可取為0，則取平均轉(zhuǎn)速n=(1500+0)=750r/min。絲杠使用壽命取T=30000h, 故絲杠工作壽命（以106r為一個單位）
絲杠的當(dāng)量動載荷
式中為精度影響系數(shù)，對于1級精度滾珠絲杠取=1；
式中為載荷性質(zhì)系數(shù)，一般情況下取1.2~1.5，本設(shè)計取=1.5；
查滾珠絲杠樣品庫，選擇BIF3610。其名義直徑為36mm，導(dǎo)程10mm。額定動載荷，，符合設(shè)計要求。軸向剛度。預(yù)緊力。只要軸向載荷值不達(dá)到或超過預(yù)緊力的3倍，就不必對預(yù)緊力提出額外的要求。本例中絲杠最大載荷為3.56KN，遠(yuǎn)小于3。
BIF型號絲桿錯位預(yù)壓絲杠，主要通過改變螺母中間螺紋槽的螺距來施加預(yù)壓的方式。對絲杠實施一定的預(yù)緊力，可以消除軸向間隙，以提高滾珠絲杠副的軸向剛度和傳動精度。錯位預(yù)壓方式相對于雙螺母預(yù)緊的方式主要是占用空間小，且雙螺母預(yù)壓方式中配磨墊片精度調(diào)整比較困難。
BIF3610型絲桿的參數(shù)如表1所示。
表1 BIF3610參數(shù)
鋼球中心直徑dp
37.75mm
絲桿軸慣性力矩
1.29*10-2 kg.cm2/mm
溝槽谷徑dc
30.5mm
螺母質(zhì)量
4.84kg
負(fù)荷圈數(shù)
2列*2.5圈
絲杠軸質(zhì)量
6.51 kg/m
螺母全長
171mm
潤滑孔
M6
滾珠絲杠螺母副的有效行程
其中L——工作行程；
——安全行程：Le=5Ph；
——余程：Le=2Ph
——螺母長度；
對于Y軸絲杠
。
實際中，Y軸絲杠取612mm。
（2）X軸絲杠選擇
計算完Y軸絲杠后，現(xiàn)在按照同一個步驟對X軸絲杠進行計算。
已知最大進給力,估算工件加夾具質(zhì)量為400kg，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.04，故X軸絲杠的最小載荷（即摩擦力）
絲杠最大載荷
平均載荷
絲杠最高轉(zhuǎn)速為1500r/min，工作臺最小進給速度為1mm/min,故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.25r/min,可取為0，則取平均轉(zhuǎn)速n=(1500+0)=750r/min。絲杠使用壽命取T=15000h, 故絲杠工作壽命（以106r為一個單位）
絲杠的當(dāng)量動載荷
式中為精度影響系數(shù)，對于1級精度滾珠絲杠取=1；
式中為載荷性質(zhì)系數(shù)，一般情況下取1.2~1.5，本設(shè)計取=1.5；
根據(jù)計算結(jié)果，本設(shè)計X軸絲杠同樣選擇BIF3610。額定動載荷，，符合設(shè)計要求。軸向剛度。預(yù)緊力。只要軸向載荷值不達(dá)到或超過預(yù)緊力的3倍，就不必對預(yù)緊力提出額外的要求。本例中絲杠最大載荷為3.28KN，遠(yuǎn)小于3。
對于X軸絲杠
。
實際中，X軸絲杠取710mm。
綜上所述，本設(shè)計對于X軸與Y軸的絲杠的基本計算參數(shù)誤差不大，選擇都為同一型號絲杠，因此在伺服進給系統(tǒng)系統(tǒng)計算中，關(guān)于絲杠支撐、直流伺服電機的計算中主要以Y軸絲杠的參數(shù)作為主要計算的參數(shù)。
3.4 絲杠支撐選擇及計算
為了提高傳動剛度，選擇合理的支承結(jié)構(gòu)并正確安裝很重要，對于傳動精度有很大的影響，絲杠主要承受軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此絲杠的軸向精度和剛度要求較高。絲杠的支承結(jié)構(gòu)有以下幾種：
（1）一端固定——一端自由
絲杠一端固定，另一端自由。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力，這種支承方式用于行程小的短絲杠或者用于全閉環(huán)的機床，因為這種結(jié)構(gòu)的機械定位精度是最不可靠的，特別是對于長徑比大的絲杠(滾珠絲杠相對細(xì)長)，熱變性是很明顯的，1.5m長的絲杠在冷、熱的不同環(huán)境下變化0.05~0.10mm是很正常的。但是由于他的結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便，許多高精度機床仍然采用這種結(jié)構(gòu)，但是必須加裝光柵，采用全閉環(huán)反饋。如圖3-2所示。
圖3-2 一端固定——一端自由
（2）一端固定——另一端支承
絲杠一端固定，另一端支承。固定端同時承受軸向力和徑向力;支承端只承受徑向力，而且能作微量的軸向浮動，可以減少或避免因絲杠自重而出現(xiàn)的彎曲，同時絲杠熱變形可以自由的向一端伸長。這種結(jié)構(gòu)使用最廣泛，目前國內(nèi)中小型數(shù)控車床、立式加工中心等均采用這種結(jié)構(gòu)。如圖3-3所示。
圖3-3一端固定——另一端支承
（3）兩端固定
絲杠兩端均固定。固定端軸承都可以同時承受軸向力，這種支承方式，可以對絲杠施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，提高絲杠支承剛度，可以部分補償絲杠的熱變形。對于大型機床、重型機床以及高精度鏜銑床常采用此種方案。但是，這種絲杠的調(diào)整比較繁瑣，如果兩端的預(yù)緊力過大，將會導(dǎo)致絲杠最終的行程比設(shè)計行程要長，螺距也要比設(shè)計螺距大。如果兩端鎖母的預(yù)緊力不夠，會導(dǎo)致相反的結(jié)果，并容易引起機床震動，精度降低。所以，這類絲杠在拆裝時一定要按照原廠商說明書調(diào)整，或借助儀器(雙頻激光測量儀)調(diào)整。如圖3-4所示。
圖3-4 兩端固定
綜上所述，本設(shè)計選用兩端固定的支承方式。兩端均采用1對60°角接觸球軸承面對面組配，采用面對面組配的優(yōu)勢在于能承受雙向軸向載荷、通過預(yù)緊可以限制軸的軸向位移，并增加剛度和旋轉(zhuǎn)精度。在角接觸球軸承外配合圓螺母進行鎖定。
角接觸球軸承使用7306，其外徑為72mm，內(nèi)徑為30mm。
計算軸承所承受的最大軸向載荷
計算軸承的預(yù)緊力
計算軸承的當(dāng)量軸向載荷FB
計算軸承的基本額定動載荷C
其中：——軸承的工作轉(zhuǎn)速：n=750 r/min；
——軸承的基本額定壽命：T=30000h；
P——當(dāng)量動載荷；
軸承的徑向載荷：
軸承的軸向載荷：
由
查表得，面對面安裝7306時，徑向系數(shù)X=0.35，軸向載荷Y=0.57。
所以
面對面安裝7306時，選用脂潤滑，在脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速n'=9000r/min，軸承的轉(zhuǎn)速n=1500r/min；額定動載荷Ca=67KN>51KN，故滿足要求。
3.5 導(dǎo)軌副的選擇及計算
采用的導(dǎo)軌，按照其接觸面的摩擦性質(zhì)，可以分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌三大類。對導(dǎo)軌的基本要求就是：導(dǎo)向精度好、剛性好、運動輕便平穩(wěn)、耐磨性好、溫度變化影響小、以及結(jié)構(gòu)工藝性好等?；瑒訉?dǎo)軌結(jié)構(gòu)較簡單，制造較容易，承載能力大，剛性好，抗震性能強，對幾何形狀誤差不敏感等特點，但是其缺點在與磨損較快，精度保持性差，摩擦助力大，運動靈活性較差，動靜摩擦系數(shù)差值大，重載或者低速時較易產(chǎn)生“爬行現(xiàn)象”，高速運動時容易發(fā)熱。滾動導(dǎo)軌的特點是摩擦系數(shù)小，動靜摩擦系數(shù)差別小，低速運動時不易出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象；運動靈敏輕便，所需功率小；移動與定位精度高；精度保持好；對溫度敏感變化低；潤滑簡單，維修方便，但是其缺點是導(dǎo)軌面與滾動體之間為點接觸或者線接觸，抗振性能差，接觸應(yīng)力大；對導(dǎo)軌的表面硬度、表面形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高?？諝忪o壓導(dǎo)軌適用于精密、輕載、高速的場合。因此，本設(shè)計采用全鋼球直線運動導(dǎo)軌。
導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)，式中：為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷；工作載荷P=0.5(Fz+F工件)； =1.0～3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：因機床工作臺運動平穩(wěn)取=3.0。
根據(jù)計算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:HSR 55B，如圖3-5所示：
圖3-5 HSR55B
基本參數(shù)如下：
導(dǎo)軌的額定動載荷=88.5KN
導(dǎo)軌的額定靜載荷Co=137KN
導(dǎo)軌的額定傾覆力矩 21.3KN
依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導(dǎo)軌的工作壽命：
滿足使用壽命。
3.6 選擇伺服電動機
直流伺服電機的選用，應(yīng)考慮三個要求：最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不得超過電機的額定轉(zhuǎn)矩；電機的轉(zhuǎn)子慣量JM應(yīng)與負(fù)載慣量Jr相配對；快速移動時，轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電機的最大轉(zhuǎn)矩。
3.6.1最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算
所選伺服電機的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可計算，即
從前面的計算已知，最大進給力，絲杠導(dǎo)程，預(yù)緊力，查《機械設(shè)計手冊》，滾珠絲杠螺母副的機械效率η=0.9。因滾珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩
查《角接觸推力球軸承組配技術(shù)條件》，得單個軸承的摩擦力矩為0.32N·m,故一對軸承的摩擦力矩。兩對軸承的摩擦力矩為。伺服電動機與絲杠相連，其傳動比i=1，則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩
所選伺服電動機的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于此值。
3.6.2負(fù)載慣量計算
負(fù)載慣量可按以下次序計算。
（1）工件、夾具與工作臺折算到電機軸上的慣量J1
工件、夾具與工作臺的最大質(zhì)量為1400kg，折算到電動機軸上的慣量可計算
式中 v——工作臺移動速度，m/s
——伺服電機的角速度，rad/s
M——直線移動件工件、夾具和工作臺的質(zhì)量，kg
（2）絲桿加在電機軸上的慣量J2
絲杠名義直徑，長度l=0.9m，絲杠材料（鋼）的密度。絲杠加在在電動機軸上的慣量
（3）聯(lián)軸節(jié)加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊得到，即
（4）總負(fù)載總慣量
數(shù)控機床慣性匹配條件，,所選伺服電動機的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)在0.0057~0.0228范圍之內(nèi)。
根據(jù)上述計算可初步選定直流伺服電動機130SZD08。其額定轉(zhuǎn)矩為19.1，大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩11.83；轉(zhuǎn)子慣量滿足匹配要求。
130SZS08型直流伺服電機的主要技術(shù)參數(shù)如下：
最高轉(zhuǎn)速nmax：1500r/min
額定轉(zhuǎn)矩Te：19.1N.m
最大轉(zhuǎn)矩Tmax：150N.m
轉(zhuǎn)子慣量JM:0.0209kg.m2
電樞直流電阻Rm:0.3
機械時間常數(shù)tM：26.5ms
額定電壓：180V
額定電流：20A
3.6.3空載加速轉(zhuǎn)矩計算
當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動速度時，所需的空載加速轉(zhuǎn)矩Ｔa。
（1） 空載加速時，主要克服的是慣性。選用130SZD08型直流伺服電動機，總慣量
=
（2）加速時間通常去的3-4倍，故=（3-4）
=
則
空載加速轉(zhuǎn)矩不允許超過伺服電動機的最大輸出轉(zhuǎn)矩。由此可見，F(xiàn)B-15型直流伺服電動機的= 150>=，滿足設(shè)計要求。
3.7 伺服系統(tǒng)增益
通常取系統(tǒng)增益=。對輪廓控制的加工中心機床可取較大值，初步取。伺服系統(tǒng)的時間常數(shù)為的倒數(shù)，=1/=。根據(jù)如選用130SZD08直流伺服電動機，執(zhí)行件（工作臺）達(dá)到最大加速度
=
伺服系統(tǒng)要求達(dá)到的最大加速度發(fā)生在系統(tǒng)處于時間常數(shù)內(nèi)，執(zhí)行件的速度從增加到時，
a略小于，因而按照加速度能力選擇= 20是不合適的。應(yīng)適當(dāng)減少值，增強系統(tǒng)的性能。取=15，則
經(jīng)過重新選擇，a大于，因而按照加速度能力選擇= 15是合適的。滿足系統(tǒng)的性能要求。
3.8 精度驗算
本設(shè)計要求的定位精度為，其絲杠的導(dǎo)程誤差取0.006mm。其余誤差為伺服系統(tǒng)誤差、絲杠軸承的軸向跳動和在載荷作用下各機械環(huán)節(jié)彈性變形引起的位移等。
3.8.1伺服剛度KR
伺服剛度可根據(jù)下式計算：
其中，KM是伺服電動機的增益，它等于電動機的角速度（rad/s)與輸入電壓(V)的比值。輸入電壓UM除少量消耗于電樞回路的阻抗外，大部分被反電動勢所平衡。KS是伺服電動機的反電動勢系數(shù)（sv/rad），為伺服電動機單位角速度（rad/s）所產(chǎn)生的反電動勢（V）.估算是，可近似地認(rèn)為輸入電壓UM等于反電動勢。因而近似地認(rèn)為
130SZD08直流伺服電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt=0.57Nm/A,因伺服系統(tǒng)增益Ks=15，速度控制環(huán)的增益Kv0=2-4Ks，取
；
電樞直流電阻RM=。故
折合到工作臺部件的直線剛度
3.8.2滾珠絲杠的拉壓剛度Ktmin
本例中的絲杠為兩端軸向定位結(jié)構(gòu)。其最小拉壓剛度發(fā)生在工作臺螺母中點位置，已知工作臺的兩方向中最大行程為300mm,則中間位置為150mm，代入式中，則絲杠拉壓剛度
式中，di是絲杠底徑為30.5mm。E為絲杠材料鋼的彈性模量，E=102GPa。
3.8.3絲杠軸承的軸向剛度Kba
7306型軸承的鋼球直徑db=7.144mm，鋼球數(shù)Z=12 ,接觸角a=60°，預(yù)加載荷F0=2900N ,軸向外載荷為導(dǎo)軌摩擦力Ff=560N，故軸向載荷Fa為預(yù)加載荷與軸向外載荷之和，即
絲杠軸承軸向剛度
3.8.4滾珠絲杠螺母的接觸剛度KC
查手冊得
3.8.5聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛度K1
查文獻(xiàn)得
折合到工作臺部件的直線剛度為
3.8.6綜合剛度K
計算出伺服剛度折算到工作臺部件的直線剛度、滾珠絲杠最小拉壓剛度、絲杠軸承軸向剛度、滾珠絲杠螺母接觸剛度折算到工作臺部件直線剛度和聯(lián)軸節(jié)扭矩剛度'后，按彈簧串聯(lián)原則合成求得綜合剛度K，即
故
3.8.7彈性變形
工作臺定位精度是在不切削空載條件下檢驗的，故軸向載荷僅為導(dǎo)軌的摩擦力Ff。本例中的摩擦力Ff=560N，故Ff因引起的彈性變形
3.8.8定位誤差驗算
本例中滾珠絲杠的導(dǎo)程誤差為6um，加上彈性變形量=5.38um，即。再加上某些次要因素，純機械結(jié)構(gòu)不能滿足定位精度 的設(shè)計要求。所以使用閉環(huán)伺服系統(tǒng)可以很好的提高精度。
4 主要部件設(shè)計及校核
4.1 聯(lián)軸器
聯(lián)軸器有剛性聯(lián)軸器與彈性聯(lián)軸器之分，剛性聯(lián)軸器對兩軸對中性的要求很高，當(dāng)兩軸有相對位移存在時，就會在機件內(nèi)引起附加載荷，使工作情況惡化。所以本設(shè)計選取彈性聯(lián)軸器。最后我們選取JM2型膜片聯(lián)軸器，膜片由幾組膜片（不銹鋼薄板）用螺栓交錯地與兩半聯(lián)軸器聯(lián)接，每組膜片由數(shù)片疊集而成，膜片分為連桿式和不同形狀的整片式。膜片聯(lián)軸器靠膜片的彈性變形來補償所聯(lián)兩軸的相對位移，是一種高性能的金屬強元件撓性聯(lián)軸器，不用潤油，結(jié)構(gòu)較緊湊，強度高，使用壽命長，無旋轉(zhuǎn)間隙，不受溫度和油污影響，具有耐酸、耐堿防腐蝕的特點，適用于高溫、高速、有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的軸系傳動。如圖4-1所示。
圖4-1 膜片聯(lián)軸器
JM2型的公稱轉(zhuǎn)矩T為63Nm，瞬時最大轉(zhuǎn)矩Tmax=180Nm，許用的轉(zhuǎn)速np=5000r/min?，F(xiàn)在對聯(lián)軸器進行校核，根據(jù)數(shù)控銑床轉(zhuǎn)矩變化中等的情況，所以工作情況系數(shù)KA=1.7。則計算轉(zhuǎn)矩
計算轉(zhuǎn)矩小于使用轉(zhuǎn)矩，絲桿的速度小于許用速度，故使用JM2型彈性聯(lián)軸器是合理的。
4.2 鍵
絲桿軸與聯(lián)軸器一端連接，采用的是A型平鍵。由軸徑d=30mm，查手冊，可知鍵的剖面尺寸為b=8mm，h=7mm。
根據(jù)聯(lián)軸器長度。
取鍵的公稱長度L=24mm，鍵的標(biāo)記 鍵
鍵的工作長度為
鍵與輪轂高度為
k=0.5h=3.5mm
根據(jù)聯(lián)軸器為45鋼，載荷有輕微沖擊，查手冊，取許用擠壓應(yīng)力
根據(jù)普通平鍵連接的強度條件公式
故所選的鍵符合設(shè)計要求。
4.3 支承件
支撐件是機床的基本構(gòu)件，主要功能是首先是支承作用，即支承其他零部件，在機床的切削時，承受一定的重力、切削力、摩擦力、夾緊力；其次是基準(zhǔn)作用，即保證機床在使用中或長期使用后仍能保持各部件之間的正確的相互關(guān)系與相對運動軌跡。支承件受力受熱變形后的變形和振動將直接影響機床的加工精度和表面質(zhì)量，一般來說支撐件應(yīng)該滿足剛度、抗振性、熱變形、內(nèi)應(yīng)力等要求。
4.3.1床身結(jié)構(gòu)
常見的床身結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。
圖4-2 床身結(jié)構(gòu)
圖4-2（a）是前、后、頂單面封閉的臥式箱形床身。為了排除切削，在導(dǎo)軌間開有傾斜窗口。此種截面容易鑄造，但是剛度較低。圖4-2（b）是開口床身，這種床身內(nèi)空間可用于儲存潤滑油和切削液、安裝驅(qū)動機構(gòu)，在切屑不易落入導(dǎo)軌的情況下，常采用這種形式。圖4-2（c）為兩面封閉的床身，剛度較低，但便于排除切屑和切削液的流通，用于對剛度要求不高的機床。圖4-2（d）為重型機床的床身，導(dǎo)軌可多達(dá)4~5個。因此本設(shè)計選取的床身截面結(jié)構(gòu)主要參考開口床身結(jié)構(gòu)。床身與導(dǎo)軌面的結(jié)構(gòu)形式主要采用單臂聯(lián)接結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計的底座如圖4-3所示。
圖4-3 底座截面圖
4.3.2電機座
電機座是支撐件的重要組成部分，電機座是安放電機、聯(lián)軸器、軸承的重要部件，對于電機座來說，支撐件的連接剛度是電機座的重要指標(biāo)。支承件的聯(lián)接剛度是指支撐件在聯(lián)接處抵抗變形的能力。聯(lián)接處剛度與聯(lián)接處的材料、幾何形狀與尺寸、接觸面的硬度與表面粗糙度、幾何精度和加工方法等有關(guān)。
支撐件常以凸緣聯(lián)接，聯(lián)接剛度決定于螺釘剛度、凸緣剛度和接觸剛度。
為了保證一定的接觸剛度，接合面處的表面粗糙度Ra應(yīng)達(dá)到8um，接合面上的壓力應(yīng)該不少于1.5~5MPa。合理分布螺釘位置和選擇合適的螺釘尺寸可提高接觸剛度。從抗彎剛度考慮，螺釘應(yīng)均勻分布于四周，在聯(lián)接螺釘?shù)妮S線平面上布置筋條也能提高接觸剛度。估計尺寸要求以及經(jīng)驗壁厚，本設(shè)計設(shè)計的電機座如圖4-4所示。電機座采用4個M14的內(nèi)六角圓柱頭螺釘進行聯(lián)接，螺釘?shù)燃墳?2.9級，屈服極限為1080Mpa。采用對角的銷釘進行定位。如圖4-4所示。
圖4-4 電機座
4.4 T型槽工作臺
T型槽工作臺是與工裝夾具連接的重要部件，T型槽工作臺制造安裝精度直接影響著工件的加工精度。T型槽工作太一般采用高強度鑄鐵HT200-300，工作面硬度為HB170-240，經(jīng)過兩次人工處理（人工退火600度-700度或自然時效2-3年）確保精度穩(wěn)定，耐磨性能好。
槽數(shù)一般宜設(shè)計成奇數(shù)，這樣中間的槽就是基準(zhǔn)槽。如果槽數(shù)為偶數(shù)，需要標(biāo)注清楚中間兩個槽那個為基準(zhǔn)槽。根據(jù)我們的臺面為1200*600mm的大小。我們選取了T型槽寬度為12mm，T型槽的間距為80mm，所以T型槽的槽數(shù)設(shè)計成7個。其中基準(zhǔn)槽兩側(cè)面的表面粗糙度為3.2um，固定槽兩個側(cè)面的表面粗糙度為6.3um。其余表面的表面粗糙度最大允許值為12.5um。如圖4-5所示。
圖4-5 T型槽工作臺
4.5 檢測裝置
閉環(huán)伺服系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。位置環(huán)的輸入信號是計算機給出的指令信號和位置檢測裝置反饋的位置信號，這個反饋是一個負(fù)反饋，即與指令信號的相位相反。為了完成對位置的檢測一般都需要有位置檢測裝置，位置檢測裝置通常有光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵尺、感應(yīng)同步器或磁柵尺等。它們或者直接對位移進行檢測，或者間接對位移進行檢測。本設(shè)計采用閉環(huán)伺服系統(tǒng)，因此需要對位置進行直接測量，本設(shè)計選著直線測量的方式，這樣主要有感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、激光干涉儀等。
直線感應(yīng)同步器是一種電磁式位移測量裝置，由定尺與滑尺組成，直線感應(yīng)同步器具有一下特點：直線感應(yīng)同步器對機床位移的測量是直接測量，不經(jīng)過任何機械傳動裝置，測量精度主要取決于尺子的精度。位移精度可以達(dá)到0.001mm；測量長度不受限制，當(dāng)測量長度大于250mm時，可以采用多塊定尺接長；對環(huán)境的適應(yīng)較高。因為感應(yīng)同步器金屬基板和床身鑄鐵的熱脹系數(shù)相近，當(dāng)溫度變化時，兩者變化規(guī)律相同，不影響測量精度； 維護簡單，壽命長。感應(yīng)同步器的定尺和滑尺互不接觸，因此無任何摩擦，磨損，使用壽命長，且無須擔(dān)心元件老化等問題。直線感應(yīng)同步器原理如圖4-6所示。
圖4-6 直線感應(yīng)同步器
激光干涉儀，以激光波長為已知長度，利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測量位移的通用長度測量。在高精度的數(shù)控銑床上，經(jīng)常使用雙頻激光干涉儀作為機床的測量裝置，雙頻激光干涉儀是利用光的干涉原理和多普勒效應(yīng)來進行位置檢測的。主要由激光器、檢偏器、光學(xué)干涉部分、光電接受元件、計數(shù)器等電路組成。由于激光的波長極短，特別是激光的單色性好，其波長值準(zhǔn)確。同時，由于采用多普勒效應(yīng)，雙頻激光干涉儀的計數(shù)器是計算頻率差的變化，不受激光強度和磁場變化的影響，即使在光強衰減90%時，雙頻激光干涉儀也能正常工作。因而使用雙頻激光干涉儀進行機床位置檢測精度極高。
圖4-7 雙頻激光干涉儀
通過以上對比我們選著雙頻激光干涉儀作為位置檢測裝置，具有精度高的特點。
5 直流伺服電機驅(qū)動電路設(shè)計
5.1 總體方案概述
長期以來，直流伺服電機以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點成為大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計算機在控制領(lǐng)域，高開關(guān)頻率、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的發(fā)展，以及脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，直流伺服電機得到廣泛應(yīng)用。直流伺服電機主要有兩種調(diào)速系統(tǒng)，分別為可控硅調(diào)速系統(tǒng)與晶體管脈沖調(diào)寬（PWM）調(diào)速系統(tǒng)。PWM調(diào)速系統(tǒng)具有開關(guān)率高、波紋系數(shù)低、頻帶較寬、可以在高峰值電流下工作等特點，因此驅(qū)動電路方案選擇PWM調(diào)速系統(tǒng)。但是，專用集成電路構(gòu)成的直流電機驅(qū)動器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機驅(qū)動需求。因此采用N溝道增強型場效應(yīng)管構(gòu)建H橋，實現(xiàn)大功率直流電機驅(qū)動控制。
5.2 H橋驅(qū)動原理
直流電機驅(qū)動使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅(qū)動電路方便地實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。H橋功率驅(qū)動原理圖如圖5-1所示?！ ?
H型全橋式驅(qū)動電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)。A、D為一組，B、C為一組，這兩組狀態(tài)互補，當(dāng)一組導(dǎo)通時，另一組必須關(guān)斷。當(dāng)A、D導(dǎo)通時，B、C關(guān)斷，電機兩端加正向電壓實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)B、C導(dǎo)通時，A、D關(guān)斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。實際控制中，需要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在A、D導(dǎo)通且B、C關(guān)斷到A、D關(guān)斷且B、C導(dǎo)通這兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。這種情況理論上要求兩組控制信號完全互補，但是由于實際的開關(guān)器件都存在導(dǎo)通和關(guān)斷時間，絕對的互補控制邏輯會導(dǎo)致上下橋臂直通短路。為了避免直通短路且保證各個開關(guān)管動作的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號理論上要求互為倒相，而實際必須相差一個足夠長的死區(qū)時間，這個校正過程既可通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時，也可通過軟件實現(xiàn)?！ ?
圖5-1 H橋驅(qū)動原理
5.3 PWM原理
直流電動機轉(zhuǎn)速n=(U-IR)/Kφ
其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)?！ ?
直流電機轉(zhuǎn)速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時受到磁飽和限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大動態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，其中PWM(脈寬調(diào)制)便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法?！ ?
PWM調(diào)速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開的時間比(占空比)來改變直流電機電樞上電壓的"占空比"，從而改變平均電壓，控制電機的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉(zhuǎn)速。而且采用PWM技術(shù)構(gòu)成的無級調(diào)速系統(tǒng)．啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。
設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為Vmax，且設(shè)占空比為D=t1／T，則電機的平均速度Vd為：Vd=VmaxD由公式可知，當(dāng)改變占空比D=t1／T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可將其近似地看成線性關(guān)系。在直流電機驅(qū)動控制電路中，PWM信號由外部控制電路提供，并經(jīng)高速光電隔離電路、電機驅(qū)動邏輯與放大電路后，驅(qū)動H橋下臂MOSFET的開關(guān)來改變直流電機電樞上平均電壓，從而控制電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)直流電機PWM調(diào)速。PWM原理示意如圖5-2所示。
圖5-2 PWM原理
5.4 H橋驅(qū)動電路設(shè)計
在直流電機控制中常用H橋電路作為驅(qū)動器的功率驅(qū)動電路。由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點，滿足高速開關(guān)動作需求，因此常用功率MOSFET構(gòu)成H橋電路的橋臂。H橋電路中的4個功率MOSFET分別采用N溝道型和P溝道型，而P溝道功率MOSFET一般不用于下橋臂驅(qū)動電機，這樣就有兩種可行方案：一種是上下橋臂分別用2個P溝道功率MOSFET和2個N溝道功率MOSFET；另一種是上下橋臂均用N溝道功率MOSFET?！ ?
相對來說，利用2個N溝道功率MOSFET和2個P溝道功率MOSFET驅(qū)動電機的方案，控制電路簡單、成本低。但由于加工工藝的原因，P溝道功率MOSFET的性能要比N溝道功率MOSFET的差，且驅(qū)動電流小，多用于功率較小的驅(qū)動電路中。而N溝道功率MOSFET，一方面載流子的遷移率較高、頻率響應(yīng)較好、跨導(dǎo)較大；另一方面能增大導(dǎo)通電流、減小導(dǎo)通電阻、降低成本，減小面積。綜合考慮系統(tǒng)功率、可靠性要求，以及N溝道功率MOSFET的優(yōu)點，本設(shè)計采用4個相同的N溝道功率MOSFET的H橋電路，具備較好的性能和較高的可靠性，并具有較大的驅(qū)動電流。N溝道MOS管采用的是IRF460。IRF460的參數(shù)為N溝道MOS管，Vdss=500V, Rds(on)=0.27ohm, Id=20A。滿足直流伺服電機的要求。
圖5-3中4只開關(guān)管為續(xù)流二極管，可為線圈繞組提供續(xù)流回路。當(dāng)電機正常運行時，驅(qū)動電流通過主開關(guān)管流過電機。當(dāng)電機處于制動狀態(tài)時，電機工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機就會發(fā)熱，嚴(yán)重時甚至燒毀。
圖5-3 H橋驅(qū)動電路
5.5 自舉驅(qū)動電路
在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，其功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式。采用隔離驅(qū)動方式時需要將多路驅(qū)動電路、控制電路、主電路互相隔離，以免引起災(zāi)難性的后果。隔離驅(qū)動可分為電磁隔離和光電隔離兩種方式。
光電隔離具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但存在共模抑制能力差，傳輸速度慢的缺點?？焖俟怦畹乃俣纫矁H幾十kHz。
本設(shè)計采用IR2110，主要是它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選品種。IR2110 采用HVIC 和閂鎖抗干擾CMOS 制造工藝，DIP14 腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V，dv/dt=±50V/ns，15V 下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端
（腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍10～20V；邏輯電源電壓范圍（腳9）5～15V，可方便地與TTL，CMOS 電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有±5V 的偏移量；工作頻率高，可達(dá)500kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns 和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。內(nèi)部原理如圖5-4所示。
圖5-4 IR2110內(nèi)部原理
各個引腳的定義分別是：
LO（引腳1）:低端輸出
COM（引腳2）:公共端
Vcc（引腳3）:低端固定電源電壓
Nc（引腳4）: 空端
Vs（引腳5）:高端浮置電源偏移電壓
VB (引腳6):高端浮置電源電壓
HO（引腳7）:高端輸出
Nc（引腳8）: 空端
VDD（引腳9）:邏輯電源電壓
HIN（引腳10）: 邏輯高端輸入
SD（引腳11）:關(guān)斷
LIN（引腳12）:邏輯低端輸入
Vss（引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0V
Nc（引腳14）:空端
IR2110內(nèi)部功能由三部分組成：邏輯輸入；電平平移及輸出保護。如上所述IR2110的特點，可以為裝置的設(shè)計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計，可以大大減少驅(qū)動電源的數(shù)目，即一組電源即可實現(xiàn)對上下端的控制。
高端側(cè)懸浮驅(qū)動的自舉原理：
當(dāng)HIN為高電平時如圖5-5 ：VM1開通，VM2關(guān)斷，VC1加到S1的柵極和源極之間，C1通過VM1，Rg1和柵極和源極形成回路放電，這時C1就相當(dāng)于一個電壓源，從而使S1導(dǎo)通。由于LIN與HIN是一對互補輸入信號，所以此時LIN為低電平，VM3關(guān)斷，VM4導(dǎo)通，這時聚集在S2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過Rg2迅速對地放電，由于死區(qū)時間影響使S2在S1開通之前迅速關(guān)斷。
圖5-5 狀態(tài)1
當(dāng)HIN為低電平時如圖5-6：VM1關(guān)斷，VM2導(dǎo)通，這時聚集在S1柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過Rg1迅速放電使S1關(guān)斷。經(jīng)過短暫的死區(qū)時間LIN為高電平，VM3導(dǎo)通，VM4關(guān)斷使VCC經(jīng)過Rg2和S2的柵極和源極形成回路，使S2開通。在此同時VCC經(jīng)自舉二極管，C1和S2形成回路，對C1進行充電，迅速為C1補充能量，如此循環(huán)反復(fù)。
圖5-6 狀態(tài)2
根據(jù)以上，本設(shè)計自舉電路電路使用2個IR2110，這兩個IR2110由4個MOS管組成的“H”橋電路相連接。 IR2110的供電電壓為15 V的電源電壓，其輸出工作電源為懸浮電源，通過自舉技術(shù)由固定電源得出。自舉技術(shù)利用升壓二極管、自舉升壓電容，使電容放電電壓和電源電壓疊加，從而使電壓升高。為防止自舉電容兩端電壓放電，則采用一個高頻快恢復(fù)二極管。自舉電容C1的電容值對于5 kHz以上的開關(guān)頻率取O．1μF即可。為向開關(guān)的容性負(fù)載提供瞬態(tài)電流，應(yīng)在VCC與COM、VDD與VSS之間連接兩只旁路電容，VCC上旁路用一只 0．1μF的陶瓷電容和一只1μF的鉭電容并聯(lián)，而邏輯電源VDD上用一只0．1uF的陶瓷電容即可，即電容C3、C2分別為1μF、0．1μF。由于IR2110內(nèi)部的驅(qū)動阻抗很小，直接用其驅(qū)動“H”橋中的MOSFET器件會引起快速開關(guān)，可能造成MOSFET漏源間電壓振蕩，從而損壞MOS管。所有，應(yīng)在IR211O的輸出端和MOS管之間串接1個約20 Ω的無感電阻。如圖5-6所示。
圖5-6 自舉電路
5.6 脈寬信號產(chǎn)生電路
脈寬信號由PWM 專用控制器UC3637 產(chǎn)生,其內(nèi)部包含有一個三角波振蕩器，誤差放大器，兩個PWM比較器，輸出控制門，逐個脈沖限流比較器等，原理圖如圖5-7所示。
圖5-7 UC3637原理圖
UC3637可單電源或雙電源工作，工作電壓范圍±（2.5～20）V，特別有利于雙極性調(diào)制；雙路PWM信號，圖騰柱輸出，供出或吸收電流能力100mA；逐個脈沖限流；內(nèi)藏線性良好的恒幅三角波振蕩器；欠壓封鎖；有溫度補償；2.5V閾值控制。UC3637具有一個高速、帶寬為1MHz、輸出低阻抗的誤差放大器，既可以作為一般的快速運放，亦可作為反饋補償運放。具體電路設(shè)計如圖5-8所示。
圖5-8 UC3637 PWM電路
電路通過R5、R6、R7產(chǎn)生5～10 V的閾值電壓，分別將U6=10 V接引腳1，U7=5 V接引腳3，這樣三角波就在5~10 V內(nèi)變化，即電容CT連接的引腳2電壓在5~10 V內(nèi)變化。是從計算機輸出經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換得到的電壓，其范圍為-10～+10V，而UC3637需要5～10 V的控制電壓接引腳9和11，控制輸出端的占空比。利用R2~R5對控制電壓UK進行電平轉(zhuǎn)換，令R9=10 kΩ、R10=18 kΩ、R8=20 kΩ，當(dāng)U8=-10 V時，應(yīng)有U11=5 V，由電路分流可獲得：
代入數(shù)據(jù)解得，R11=2 kΩ。
為避免工作過程中發(fā)生直通短路現(xiàn)象，應(yīng)在UC3637的輸出端引腳4和引腳7后各接一個RC延時電路，設(shè)需延時時間r=5μs，延時電路中所用電阻R13取5 Ω，由公式可得：
這樣雙路互補PWM脈沖信號在上升沿有幾個微秒的延時，在下降沿?zé)o延時，與IR2110內(nèi)部上下路信號設(shè)置的延時相結(jié)合，可確?！癏”橋中同一橋臂的上下兩個MOS管存在一個死區(qū)時間，從而保證電路工作安全穩(wěn)定。由于15 V直流供電電源含有一定的交流雜波，故分別在引腳1、引腳3和15 V電源前并聯(lián)1只0．1μF的電容，以濾除交流雜波的干擾。
6 結(jié)論
本設(shè)計屬于機電結(jié)合的設(shè)計，主要有兩大部分，第一部分為機械結(jié)構(gòu)部分，主要是二維精密工作臺的結(jié)構(gòu)；第二部分為電路設(shè)計部分，主要是設(shè)計了直流伺服電機的驅(qū)動電路原理圖。
機械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計經(jīng)歷了方案確定、零件設(shè)計選擇、零件校核、圖紙繪制這幾個階段。首先在方案選擇上確定了采用直流伺服電機通過聯(lián)軸器直接聯(lián)接絲杠帶動工作臺移動的方式，這樣的聯(lián)接結(jié)構(gòu)簡單可靠，并被現(xiàn)代的機床制造業(yè)廣泛采用，確定整體方案后利用三維設(shè)計軟件solidworks進行三維建模，對干涉進行檢查，確保方案的合理性；在零件的設(shè)計選擇方面，本設(shè)計在導(dǎo)軌上選擇采用直線導(dǎo)軌，摩擦小，并對工作臺的支撐件例如底座、電機座進行設(shè)計；在零件校核上，本設(shè)計主要對絲杠的剛度以及誤差進行詳細(xì)計算，并對聯(lián)軸器與鍵等進行了校核；在圖紙繪制階段，繪制了工作臺的裝配圖以及主要零部件的零件圖。在圖紙繪制階段，主要注意了螺釘、墊片等標(biāo)準(zhǔn)件的畫法以及尺寸的標(biāo)注。
電路設(shè)計部分，主要是設(shè)計直流伺服電機的驅(qū)動電路圖。驅(qū)動電路的原理是采用PWM調(diào)速系統(tǒng)，在電機功率驅(qū)動上采用N溝道增強型場效應(yīng)管構(gòu)建H橋，實現(xiàn)對直流伺服電機的驅(qū)動。
總體來說完成了一下主要工作：
（1）分析常見的數(shù)控銑床伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，確定采用閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
（2）在深入研究滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，選定了錯位預(yù)壓型絲桿螺母，并選擇了兩端固定絲杠支撐結(jié)構(gòu)，確定整個伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)。
（3）在深入研究工作臺運動形式的基礎(chǔ)上，運用三維實體造型軟件Solidworks建立數(shù)控銑床二維精密工作臺各零部件的三維實體模型。并根據(jù)系統(tǒng)中各零部件的相對位置關(guān)系，進行虛擬裝配，形成數(shù)控銑床二維精密工作臺的虛擬裝配模型。
（4）分析了常用的伺服電機，確定了使用直流伺服電機，并且采用了PWM調(diào)速系統(tǒng)，在功率驅(qū)動上采用mos管形成的H橋進行驅(qū)動。
當(dāng)然，本文還有許多方面有待于進一步完善和深化，希望進一步做以下的研究工作：
（1）通過CAE分析優(yōu)化工作臺的結(jié)構(gòu)部件，進一步增強各個零件在工作中的可靠性，同時減低裝置的成本。
（2）由于是在虛擬樣機技術(shù)的基礎(chǔ)上對整個定向儀裝置進行三維實體建模，并不能很好的解決裝置各部件的公差配合，以及加工的工藝性能。所以要加強各個零件的工藝性能。
謝 辭
本論文是在我的導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，導(dǎo)師豐富的實踐經(jīng)驗給了我很大的幫助，正是在導(dǎo)師的耐心指導(dǎo)下，我不斷克服方方面面的困難，順利的完成了畢業(yè)設(shè)計工作，在此向我的指導(dǎo)老師致以深沉的敬意和誠摯的謝意！ 同時感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)及老師對我的關(guān)心和幫助，使我在學(xué)校感受到了家的溫暖!他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)，精益求精的工作態(tài)度時刻影響著我、感染著我、激勵著我，將使我終生受益！感謝班上同學(xué)，他們給予了我諸多鼓勵和幫助，讓我不斷的走下去，這里表示衷心的感謝！
通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我深刻理解了理論聯(lián)系實際的含義，以及傳統(tǒng)與經(jīng)典設(shè)計的意義。設(shè)計工作主要是在宿舍完成，在畢設(shè)的日子里，每天坐在電腦前工作的時間都超過了十個小時，為著設(shè)計合理以及完善各個尺寸與公差的標(biāo)注，反復(fù)不停的修改圖紙，就是希望所出的圖紙能夠在實際加工中使用。我想這為了大學(xué)畫上了一個完美的句號。一路走來感慨萬千，充實與奮斗的感覺，努力與拼搏的感覺，鍛煉了自己，也熟悉了很多事情的流程。當(dāng)然本設(shè)計還存在不足之處，敬請各位老師批評指正。
最后,愿關(guān)心我給過我?guī)椭娜?，身體健康，工作順利，萬事如意。
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