《机床与液压》２００４．Ｎ１１．６
・５５・
数控机床伺服进给系统的设计
胡
秋
（中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳６２１９（）０）
摘要：ｆ衙什能们服进给系统ｎ勺Ｊｆ：发址数挎机床的天键技术之一－奎文ｉｒ细描述Ｊ’数控机Ｊ术川服进给系统ｎ０没汁力’法．
他十．‘ｆ０ｒ山系统总体没’１．，滚珠丝ｆｌ：剐的选择．们眼Ｉ乜动机选择。精度币１Ｉ刚度验算等。，
关键词：数控机床：们服ｆ々动系统；设汁中图分类号：’ｌ’Ｉ诵５９
文献标识码：Ａ
文章编号：１００ｌ一３８８ｌＩ２（）【）４）６一０５５—２
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数控机床的伺服系统是连接数控系统（【：Ｎ【：）和数控机床训本的关键部分，其性能直接关系到数控机床执行件的静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢及负载能力。，
在本文中详细描述了数控机床伺眼进给传统系统的设汁方法，包括传动系统拟定，滚珠丝杠及其支承组合方式．伺服电动机及其反馈装置选择，精度验算
等。
１
转速”。。及电机与丝杠的传动比ｉ来确定．基本丝杠
导程应满足Ｆ式：
Ｐ兰旦
Ｚ×Ｈｍ；．ｘ
根据系统的精度要求，进而确定数控机床的脉冲
平均值６及伺服电机每转发出的脉冲数为Ｉ）＝警×ｉ，
从而为编码器提供选择依据。
精度选择：滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的
传动系统总体设计
用于数控机床的伺服机构有开环、半闭环、闭环
和混合伺服几种方式。，开环系统主要多用在经济型数控系统或老设备的数控改造；混合伺服方式只有在大型机床中使用、，在半闭环方式中，机床定位精度很大程度取决予滚珠丝杠的精度，通过选用高精度的滚珠丝杠，辅以螺距误差补偿等措施，半闭环完全可以满
足普通精度级的加工中心的定位精度的要标。对定位
任意３００ｍｍ行程变动量‰俨应小于目标设定位的定
位精度值的ｌ／３一ｌ／２，并在最后精度验算中最终确
定。
精度特别高的加工中心来说，由于螺距误差补偿受丝杠温度变化的影响和反向间隙补偿受工件重量变化的影响，半闭环方式已不能满足其精度要求。这时则要求考虑采用全闭环的方式进行伺服系统的设计，但其设计和调整技术难度较大，只有在大型、精密数控机
床中采用。
滚珠丝杠尺寸规格确定：滚珠丝杠副设计时一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规格，同时作必要的压杆稳定性校核、临界转速校核、刚度校核、转动惯量校核。对闭环系统，还须核算其谐振频率、，
额定动载荷是指一批相同规格的滚珠丝杠经过运转一百万次后。９０％的丝杠副（螺纹表面或滚珠）不产生疲劳剥伤（点蚀）时的轴向载荷。在实际运用中额定动载荷值可按下式计算
在以上几种方式中，一般根据目标给定的精度要求、机床种类来选用适当的伺服方式。半闭环是被最广泛使用的伺服方式。一般在设计是选用半闭环方式进行初步设汁与计算，当半闭环方式不能满足要求时才选用全闭环方式和混合伺服方式。２滚珠丝杠副的选择与计算
２．１
ｃ＝学匕
式中，＾为寿命系数，按滚珠丝杠预期寿命选取；．九为载荷性质系数，按工作载荷性质选取；＾为动载荷硬度影响系数，按滚珠及滚道表面硬度选取；以为转速系数，按丝杠平均转速ｎ。选取；Ｐｆｆ为平均轴向载
荷。，
滚珠丝杠副尺寸规格的确定
丝杠导程计算：丝杠导程的选择一般根据设计目
在计算出额定动载荷后，就可按额定动荷从样本中选取滚珠丝杠的公称直径和型号，并进而汁算其预紧力和行程补偿值。
标快速进给的最高速度为ｔ，。帆、伺服电机的最高设定
万方数据
・５６・
丝杠安装方式的选择还包括丝杠支承方式确定和丝杠专用轴承的选择，滚珠丝杠不同的支承方式对丝杠的刚度、回转精度，临界转速有很大的影响，一般根据丝杠的长度、回转精度、刚度要求及转速选择不
同的安装方式。
２．２丝杠的校核计算
压杆稳定性校核：轴向固定的长丝杠在承受压缩
负载时，应校核其压杆稳定性，临界压缩负载可按下式进行校核计算。
Ｆ汀＝巳Ｌ—ｒＫＩ≥Ｆ。舭
ｆ叮Ｔ２Ｅ，
ＬｌＪ
式中，Ｅ为丝杠材料的弹性模量；，为最小惯性截面
矩；厶，为最大受压长度（ｍ）；Ｋ。为安全系数，可取
Ｋ．＝ｌ／３；Ｆ。、为最大轴向载荷（Ｎ）；＾为丝杠支承方式系数，根据丝杠安装方式选择。
丝杠临界转速校核：长丝杠在高速条件下工作，为防止弯曲共振，应验算其临界转速ｎ，，
ｎ”２虿√面＾１黝ｍｎｘ
３Ｑ厂ｉ厨…
式中，Ａ为丝杠最小截面积；￡，为临界转速计算长度；ｐ为材料的密度；ｎ…为最高工作转速；Ｋ为安全系数，可取Ｋ＝０．８；＾为丝杠支承方式系数，根据支承方式选择。
此外螺母临界转速也需验算，其临界要求应满足
ｄｏ凡曼７００００ｍｍ・ｒ／ｎｌｉｎ。
３进给系统伺服电动机的选择
进给伺服电动机是否选择得当直接关系到整个伺服系统机电参数与系统的性能是否匹配。在选择伺服电动机时应进行负载转矩计算、惯量匹配计算和空载加速转矩计算。
３．１
负载扭矩计算
负载扭矩是由驱动系统的摩擦力和切削反作用所
引起的，所选伺服电动机的额定转矩ｔ应大于最大负载转矩ｒ，即负载转矩应满足下列条件。
ｒ＝（ｒ。＋７’Ｐｆ，＋％）ｉ＜ｔ
（１３）式中，ｒ为最大切削负载转矩；九为丝杠在最大轴向载荷下的转矩；Ｌ，为双螺母滚珠丝杠的预紧力矩，其计算方法与预紧方式和预紧力有关，可以直接从产
品样本中查取其计算方法。咒为支承轴承的摩擦力
矩。ｉ为丝杠与伺服电机的传动比。３．２负载惯量匹配计算
为使伺服进给系统的进给执行部件具有快速响应的能力，必须使伺服电动机转子惯量凡与进给负载惯量．，，合理匹配。对中小型数控机床惯量匹配条件
是：
ｌ＜孥＜４
（１４）
．，‘
万
方数据《机床与液压》２（）０４．Ｎｏ．６
由伺服电动机驱动的所有运动部件（包括移动
和转动）都将构成电机的负载惯量，通过对各部件的计算，并以一定规律叠加起来构成其负载惯量．，，，其具体计算方法可参考有关文献。３．３空载加速转矩计算
当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动速度（快速移动）时空载加速转矩ｒ。不允许超过伺服电机的最大输入转矩丁。、，即
Ｌ＝焉产．，＜ｒ。。。
（１９）
式中，忍。。为快速移动时电动机转速；ｚ。为加速、减速时间；Ｊ为系统的转动惯量。
空载加速时，主要是克服惯性。系统惯量为电动
机惯量凡和负载惯量＾之和。加减时间ｆ。，通常取为伺服电机的机械时间常数ｆ。的３—４倍，即￡。，＝（３～４）ｆ。，ｆ。可直接从伺服电机资料中查得。４传动系统刚度及精度验算
丝杠的导程误差、伺服系统误差、丝杠轴承的轴向跳动误差和在载荷作用下各机械作用下各机械环节弹性环节变形引起的误差是影响系统精度的因素。４．１传动系统综合刚度计算
由滚珠丝杠本身的抗压刚度Ｋ。。、支承轴承的轴
向刚度氏、滚珠丝杠副中滚珠与滚道的接触刚度
Ｋ、折算到滚珠丝杠副上伺服系统刚度％、折算到滚珠丝杠副上联轴节的刚度Ｋ．、滚珠丝杠副的抗扭刚度Ｋ、螺母座、轴承座的刚度Ｋ形成的综合刚度
Ｋ为：
Ｋ２Ｔ—Ｔ—广彳—广丌（２３）
Ｋ。；。’Ｋｈ’Ｋ’珞１Ｋ．。Ｋ’Ｋ
一般在校核计算中，折算到滚珠丝杠副上联轴节
的刚度Ｋ、滚珠丝杠副的抗扭刚度民、螺母座、轴承座的刚度％、。伺服刚度％一般可忽略不计，则上式可简化为：
Ｋ＝了—｝１
（２４）
一＋一＋一Ｋ砷．’氏‘Ｋ
滚珠丝杠副的抗压刚度与其安装方式有关，其计算方式可参考文献［２］或从产品样本中查取其计算
方法；丝杠轴承轴向载荷刚度氏、螺母的接触刚度
Ｋ均可从产品样本中查到。
４．２弹性变形及定位精度验算
加工中心的定位精度是在不切削空载条件下检验，故轴向载荷仅为导轨的摩擦力几，因摩擦力引
起的弹性变形为
（２７）
（下转第７４页）
・７４‘
《机床与液压》２００４．Ｎ。６
————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一
增加等级，系统控制分辨率提高，但规则数也增加．
表２三相三拍工作方式的控制宇
这会导致输出量的数目增加，从而导致步进电动机的
通电状态
Ｐ１．２（Ｃ）
Ｐ１．Ｉ
（Ｂ）
Ｐ１．０（Ａ）
控制字
输出转速变化过于频繁，这是步进电动机的工作特点Ａ相ｌｌ０ＦＥＨ所不允许的。，因此，在乳化液浓度允许的精度范围Ｂ相ｌ０】ＦＤＨＣ相
０
ｌｌ
内，作者把输入变量的模糊集合分为三个等级，并确ＦＢＨ
定出不同输入偏差对于不同隶属函数的隶属度，制定电状态持续时间的长短。，这可以采取两种方法，一种出模糊控制规则，最后对输出变量进行反模糊化，得是软件延时，一种是定时器中断延时。因为系统要同时完成检测和控制两项任务，所以必须采用中断方式出乳化液浓度值、单片机输出脉冲频率和步进电动机
控制步进电动机转速。同时，８９ｃ５１只有两个定时
输出转速对应表：
器，而步进电动机又有三种不同的转速，因此，在进
表ｌ
系统输入、输出对应表
行软件设计时，作者采用了所谓的“求最大公约数
乳化液浓度值
小于３％３％一５％
大于５％
的办法”。设定时器Ｔｌ的延时时间为ｆ，则转速ｌ的
单片机输出脉冲频率２４００ｓｔｅｐ／ｓ
１１４０ｓｔｅｐ／ｓ
８００ｓｔｅｐ／ｓ脉冲发送间隔时间为删，转速２的脉冲发送间隔时间
步进电动机输出转速
Ｉ２００ｒ／ｍｉｎ
５７０ｒ／ｍｉｎ
４００ｒ／ｍｉｎ
为ｍ，转速３的脉冲发送间隔时间为ｚ“，（ｍ，ｎ，“
均为正整数），以此满足电机不同转速的要求。３系统软件设计
４结论
系统软件采用汇编语言编写，主要包括数据处理本文把模糊控制理论应用于乳化液的自动配比系模块和步进电动机转速控制模块。数据处理模块完成统，实现了对乳化液浓度的在线检测和自动配比。提对乳化液浓度值进行采样、对采样值进行数字滤波处出了一种适合煤矿自动化发展要求的乳化液自动配比
理及对处理结果进行逻辑运算等工作。步进电动机转方法。
速控制模块主要完成对步进电动机的转速控制。
本系统已在实验室进行了实验，系统运行可靠，系统通过并行控制实现步进电动机的微机控制，
硬件、软件设计合理，目前，该系统正准备应用于生即单片机通过三条并行口线Ｐ１．０、Ｐ１．１、Ｐ１．２，直
产现场，具有一定的推广应用价值。接发出三相脉冲信号，再通过功率放大后，送入步进参考文献
电动机的各相绕组。步进电动机采用三相三拍工作方【１ｌ史敬灼，徐殿国，王宗培．模糊控制步进电动机位置
式，根据系统的硬件连接，Ｐｌ口输出的控制信号中，伺服系统．电工技术学报，２００ｌ（３）．
０代表使绕组通电，ｌ代表使绕组断电，软件设计中【２】马维绪，许昭提．乳化液泵站．北京：煤炭工业出版
社，１９８７．
用三个控制字对应三种通电状态，这三个控制字如表
作者简介：柴光远（１９５６一），西安科技大学机械工２所示：
程学院教授。研究方向：机电液一体化。
控制步进电动机转速，实际上就是控制各线圈通
收稿时间：２００３—０５一１６
（上接第５６页）
１／３，只有保证这个条件，系统才能正常工作。加工这样通过查取相应精度等级丝杠在任意３００，姗
中心的固有频率，一般为４５—７５Ｈｚ。内导程误差，再加上弹性变形量就可以校核算其精度参考文献
是否满足目标要求。反之也可以由计算出的弹性变形【ｌ】谢红，高健．加工中心的工作台和伺服进给系统
和目标设计精度要求来选择丝杠副精度等级。
设计［Ｊ］．现代机械，２００２（２）：３。５。
５
伺服进给系统固有频率校核计算
【２】杨祖孝．进给滚珠丝杠副传动刚度的计算［Ｊ］．制造
为了提高机床定位精度和缩短定位时间．必须提技术与机床，１９９７（７）：１２一１４．
高机床的固有频率，相应地，伺服进给系统的固有频ｆ３Ｊ王正君，周小正．数控机床改造中进给系统滚珠丝杠
率亦要提高。伺服系统的固有频率按下式计算：
副的选择［Ｊ］．机床与液压，２０００（５）：９２。９３．ｌ／Ｆ
【４】廉元国，张永洪．加工中心设计与应用［Ｍ］．北京：
＂磊√Ｚ
（２８）
机械工业出版社，１９９５．
【５】赵松年，张奇鹏主编．机电一体化机械系统设计［Ｍ］．
式中，Ｋ，为伺服系统刚度，民＝（圭）２足；Ｋ为伺
北京：机械工业出版社，１９９６．
厶¨
【６ｌ白恩远，王俊元，孙爱国．现代数控机床伺服及检测
服系统的综合刚度；＾为折算到电机轴上的负载惯
技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００２．
量，、
联系人：胡秋，电话：０８１６—２４８６６１４．１３５０８１２０８７８。
伺服系统的固有频率，不能少于机床固有频率的
收稿时间：２００３—０５—１９
万
方数据
数控机床伺服进给系统的设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
胡秋
中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳,621900机床与液压
MACHINE TOOL & HYDRAULICS2004(6)7次
参考文献(6条)
1. 谢红;高健 加工中心的工作台和伺服进给系统设计[期刊论文]-现代机械 2002(02)2. 杨祖孝 进给滚珠丝杠副传动刚度的计算 1997(07)
3. 王正君;周小正 数控机床改造中进给系统滚珠丝杠副的选择 2000(05)4. 廉元国;张永洪 加工中心设计与应用 19955. 赵松年;张奇鹏 机电一体化机械系统设计 1996
6. 白恩远;王俊元;孙爱国 现代数控机床伺服及检测技术 2002
本文读者也读过(5条)
1. 李祥. 穆星宇 数控机床设计中滚珠丝杠副的选用与校核[期刊论文]-机械工程师2009(3)
2. 徐红丽. 张宇. XU Hong-li. ZHANG Yu TH6363卧式加工中心伺服进给系统设计与分析[期刊论文]-机械工程师2008(11)
3. 邱国富 数控机床进给系统的研究[学位论文]2006
4. 谢红. 高健 加工中心的工作台和伺服进给系统设计[期刊论文]-现代机械2002(2)
5. 金桂平. 曹阳. 夏文海. 王桂琴. JIN Gui-ping. GAO Yang. XIA Wen-hai. WANG Gui-qin VMC1300加工中心伺服进给系统的设计[期刊论文]-机械设计与制造2007(2)
引证文献(7条)
1. 范超毅 提高加工中心定位精度的主动措施研究[期刊论文]-机械制造 2009(4)
2. 陈学斌. 余世浩. 华林. 颜士伟 数控精密冷辗环机伺服进给系统的刚度分析[期刊论文]-轴承 2006(1)3. 徐忠四. 朱学裕 铣床工作台纵向伺服进给单元设计[期刊论文]-机械工程与自动化 2009(1)
4. 徐东. 王田苗. 刘敬猛. 魏洪兴 基于工业以太网的数控机床一体化伺服系统[期刊论文]-机床与液压 2008(11)5. 王淑坤 滚珠丝杠进给系统定位精度分析[学位论文]硕士 20066. 陈学斌 冷轧环机结构分析与运动仿真[学位论文]硕士 2006
7. 罗卫平 高速五轴龙门加工中心直线进给系统的虚拟仿真分析[学位论文]硕士 2006
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jcyyy200406022.aspx
《机床与液压》２００４．Ｎ１１．６
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数控机床伺服进给系统的设计
胡
秋
（中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳６２１９（）０）
摘要：ｆ衙什能们服进给系统ｎ勺Ｊｆ：发址数挎机床的天键技术之一－奎文ｉｒ细描述Ｊ’数控机Ｊ术川服进给系统ｎ０没汁力’法．
他十．‘ｆ０ｒ山系统总体没’１．，滚珠丝ｆｌ：剐的选择．们眼Ｉ乜动机选择。精度币１Ｉ刚度验算等。，
关键词：数控机床：们服ｆ々动系统；设汁中图分类号：’ｌ’Ｉ诵５９
文献标识码：Ａ
文章编号：１００ｌ一３８８ｌＩ２（）【）４）６一０５５—２
ｏｎ
ＤｅｓｉｇｎｏｆＳｅｒＶｏＦｅｅｄＳｙｓｔｅｍ
ＨＵＱｉＬｌ
ＣＮＣ
Ｍａｃｈｉｎｅ
Ｔｏｏｌ
（ＣｈｉｎａＡ（－ａ（１ｅｎｌｙｔ）ｆ．１ｃｎｇｉｎＰｅｒｉｎｇＰｈｙｓｉ（・ｓ，
ｔｅ（：ｈｎ０１０９ｙ，
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
Ｉ＇ｆｓＰｒｖｔ）一ｆ０Ｐ‘Ｉ
Ｈ（’１１・ｗ
Ｉｎｓｌｉｌｕｔｅｏｆ
Ｍｅ【・ｈａｎｉ（、ａ】ＭａｎＩｌｆａ州，ｔｌ“ｎｇ
Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１９（）０，
８，ｓＩＰｌＴＩ
【：ｈｉｌｌａ）
ｏｎ
Ｉ）ｔ・ｖＰｌｆ，ｐｌｎｒｎｌｏＩ－ｈｉｇｈ—ｐＰ小＇ｒｍｎｎ（’ｔ・ｓｅＩＮ‘Ｊ—ＩｐｔｌｔＩ
ｓｙｓＩＰ¨１¨ｎ
ｉｓｔｌｎＰ（’ｆｋＰｙｌｔ－ｔ・ｈｎｔ＇Ｉｏｇｙ
ＣＮ【：¨１ｎ‘・ｌｌ；ｎｔｌｌ‘Ｈ’１．
１）ｔ，ｓｉｇｌｌｎｌｔ，Ｉｈ¨Ｉ
ｌｈｔ、ＣＮ（：ｍａ‘。ｈｉｎＰｌｔＨＪｌ
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ｐＩｖｓｅｎｔｅ（１ｉｎ【Ｉｃｔａｉｌ，ｉｎｔ‘ｌｕ‘Ｉｉ¨ｇｓｙｓ“、ｎｌ（Ｉｔ・ｓｉｇｎ‘’｛’ｓｅｒｖＩ，ｆ０ＰｔＪｓｙｓｌｃｎｌ．‘ｌｈ（）ｉｔ’Ｐｆ）Ｉｌｂｕｌｌ—
ｓｙｓＬＰｒｎ．
ｐａｉｒｓａｎｌｌｉｌｓ’ｉ１１ｓｌａｌｌａｌｉｏｎ，（’ｈ¨ｉ（’Ｐ・＇ｆｓｔ，ｒｖＩ＇ｍ‘，ＩＩｌｒ，（。ｈＰｔ’ｋｉｎｇ‘‘¨ｎｌｐｕｌａｌｉｏｎｓｏｒｓＩｉｆｆｎｒｓｓａ１１ｄｎ‘‘（。ｕＩ．ａＩ‘ｙ‘’ｒｓＰｒｖＩ’一ｆ０ＰｔｌＫｅｙｗｏｒｄｓ：
ＣＮｔ：ｍａｔ－ｈｉｎＰ“Ｈ’ｌ；ｊ沁ｒｖｔ’一１０Ｐ（１ｓｖｓＩＰｎｌ；ＤＰｓｉｇ¨
数控机床的伺服系统是连接数控系统（【：Ｎ【：）和数控机床训本的关键部分，其性能直接关系到数控机床执行件的静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢及负载能力。，
在本文中详细描述了数控机床伺眼进给传统系统的设汁方法，包括传动系统拟定，滚珠丝杠及其支承组合方式．伺服电动机及其反馈装置选择，精度验算
等。
１
转速”。。及电机与丝杠的传动比ｉ来确定．基本丝杠
导程应满足Ｆ式：
Ｐ兰旦
Ｚ×Ｈｍ；．ｘ
根据系统的精度要求，进而确定数控机床的脉冲
平均值６及伺服电机每转发出的脉冲数为Ｉ）＝警×ｉ，
从而为编码器提供选择依据。
精度选择：滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对机床定位精度影响最明显。一般在初步设计时设定丝杠的
传动系统总体设计
用于数控机床的伺服机构有开环、半闭环、闭环
和混合伺服几种方式。，开环系统主要多用在经济型数控系统或老设备的数控改造；混合伺服方式只有在大型机床中使用、，在半闭环方式中，机床定位精度很大程度取决予滚珠丝杠的精度，通过选用高精度的滚珠丝杠，辅以螺距误差补偿等措施，半闭环完全可以满
足普通精度级的加工中心的定位精度的要标。对定位
任意３００ｍｍ行程变动量‰俨应小于目标设定位的定
位精度值的ｌ／３一ｌ／２，并在最后精度验算中最终确
定。
精度特别高的加工中心来说，由于螺距误差补偿受丝杠温度变化的影响和反向间隙补偿受工件重量变化的影响，半闭环方式已不能满足其精度要求。这时则要求考虑采用全闭环的方式进行伺服系统的设计，但其设计和调整技术难度较大，只有在大型、精密数控机
床中采用。
滚珠丝杠尺寸规格确定：滚珠丝杠副设计时一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规格，同时作必要的压杆稳定性校核、临界转速校核、刚度校核、转动惯量校核。对闭环系统，还须核算其谐振频率、，
额定动载荷是指一批相同规格的滚珠丝杠经过运转一百万次后。９０％的丝杠副（螺纹表面或滚珠）不产生疲劳剥伤（点蚀）时的轴向载荷。在实际运用中额定动载荷值可按下式计算
在以上几种方式中，一般根据目标给定的精度要求、机床种类来选用适当的伺服方式。半闭环是被最广泛使用的伺服方式。一般在设计是选用半闭环方式进行初步设汁与计算，当半闭环方式不能满足要求时才选用全闭环方式和混合伺服方式。２滚珠丝杠副的选择与计算
２．１
ｃ＝学匕
式中，＾为寿命系数，按滚珠丝杠预期寿命选取；．九为载荷性质系数，按工作载荷性质选取；＾为动载荷硬度影响系数，按滚珠及滚道表面硬度选取；以为转速系数，按丝杠平均转速ｎ。选取；Ｐｆｆ为平均轴向载
荷。，
滚珠丝杠副尺寸规格的确定
丝杠导程计算：丝杠导程的选择一般根据设计目
在计算出额定动载荷后，就可按额定动荷从样本中选取滚珠丝杠的公称直径和型号，并进而汁算其预紧力和行程补偿值。
标快速进给的最高速度为ｔ，。帆、伺服电机的最高设定
万方数据
・５６・
丝杠安装方式的选择还包括丝杠支承方式确定和丝杠专用轴承的选择，滚珠丝杠不同的支承方式对丝杠的刚度、回转精度，临界转速有很大的影响，一般根据丝杠的长度、回转精度、刚度要求及转速选择不
同的安装方式。
２．２丝杠的校核计算
压杆稳定性校核：轴向固定的长丝杠在承受压缩
负载时，应校核其压杆稳定性，临界压缩负载可按下式进行校核计算。
Ｆ汀＝巳Ｌ—ｒＫＩ≥Ｆ。舭
ｆ叮Ｔ２Ｅ，
ＬｌＪ
式中，Ｅ为丝杠材料的弹性模量；，为最小惯性截面
矩；厶，为最大受压长度（ｍ）；Ｋ。为安全系数，可取
Ｋ．＝ｌ／３；Ｆ。、为最大轴向载荷（Ｎ）；＾为丝杠支承方式系数，根据丝杠安装方式选择。
丝杠临界转速校核：长丝杠在高速条件下工作，为防止弯曲共振，应验算其临界转速ｎ，，
ｎ”２虿√面＾１黝ｍｎｘ
３Ｑ厂ｉ厨…
式中，Ａ为丝杠最小截面积；￡，为临界转速计算长度；ｐ为材料的密度；ｎ…为最高工作转速；Ｋ为安全系数，可取Ｋ＝０．８；＾为丝杠支承方式系数，根据支承方式选择。
此外螺母临界转速也需验算，其临界要求应满足
ｄｏ凡曼７００００ｍｍ・ｒ／ｎｌｉｎ。
３进给系统伺服电动机的选择
进给伺服电动机是否选择得当直接关系到整个伺服系统机电参数与系统的性能是否匹配。在选择伺服电动机时应进行负载转矩计算、惯量匹配计算和空载加速转矩计算。
３．１
负载扭矩计算
负载扭矩是由驱动系统的摩擦力和切削反作用所
引起的，所选伺服电动机的额定转矩ｔ应大于最大负载转矩ｒ，即负载转矩应满足下列条件。
ｒ＝（ｒ。＋７’Ｐｆ，＋％）ｉ＜ｔ
（１３）式中，ｒ为最大切削负载转矩；九为丝杠在最大轴向载荷下的转矩；Ｌ，为双螺母滚珠丝杠的预紧力矩，其计算方法与预紧方式和预紧力有关，可以直接从产
品样本中查取其计算方法。咒为支承轴承的摩擦力
矩。ｉ为丝杠与伺服电机的传动比。３．２负载惯量匹配计算
为使伺服进给系统的进给执行部件具有快速响应的能力，必须使伺服电动机转子惯量凡与进给负载惯量．，，合理匹配。对中小型数控机床惯量匹配条件
是：
ｌ＜孥＜４
（１４）
．，‘
万
方数据《机床与液压》２（）０４．Ｎｏ．６
由伺服电动机驱动的所有运动部件（包括移动
和转动）都将构成电机的负载惯量，通过对各部件的计算，并以一定规律叠加起来构成其负载惯量．，，，其具体计算方法可参考有关文献。３．３空载加速转矩计算
当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动速度（快速移动）时空载加速转矩ｒ。不允许超过伺服电机的最大输入转矩丁。、，即
Ｌ＝焉产．，＜ｒ。。。
（１９）
式中，忍。。为快速移动时电动机转速；ｚ。为加速、减速时间；Ｊ为系统的转动惯量。
空载加速时，主要是克服惯性。系统惯量为电动
机惯量凡和负载惯量＾之和。加减时间ｆ。，通常取为伺服电机的机械时间常数ｆ。的３—４倍，即￡。，＝（３～４）ｆ。，ｆ。可直接从伺服电机资料中查得。４传动系统刚度及精度验算
丝杠的导程误差、伺服系统误差、丝杠轴承的轴向跳动误差和在载荷作用下各机械作用下各机械环节弹性环节变形引起的误差是影响系统精度的因素。４．１传动系统综合刚度计算
由滚珠丝杠本身的抗压刚度Ｋ。。、支承轴承的轴
向刚度氏、滚珠丝杠副中滚珠与滚道的接触刚度
Ｋ、折算到滚珠丝杠副上伺服系统刚度％、折算到滚珠丝杠副上联轴节的刚度Ｋ．、滚珠丝杠副的抗扭刚度Ｋ、螺母座、轴承座的刚度Ｋ形成的综合刚度
Ｋ为：
Ｋ２Ｔ—Ｔ—广彳—广丌（２３）
Ｋ。；。’Ｋｈ’Ｋ’珞１Ｋ．。Ｋ’Ｋ
一般在校核计算中，折算到滚珠丝杠副上联轴节
的刚度Ｋ、滚珠丝杠副的抗扭刚度民、螺母座、轴承座的刚度％、。伺服刚度％一般可忽略不计，则上式可简化为：
Ｋ＝了—｝１
（２４）
一＋一＋一Ｋ砷．’氏‘Ｋ
滚珠丝杠副的抗压刚度与其安装方式有关，其计算方式可参考文献［２］或从产品样本中查取其计算
方法；丝杠轴承轴向载荷刚度氏、螺母的接触刚度
Ｋ均可从产品样本中查到。
４．２弹性变形及定位精度验算
加工中心的定位精度是在不切削空载条件下检验，故轴向载荷仅为导轨的摩擦力几，因摩擦力引
起的弹性变形为
（２７）
（下转第７４页）
・７４‘
《机床与液压》２００４．Ｎ。６
————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一
增加等级，系统控制分辨率提高，但规则数也增加．
表２三相三拍工作方式的控制宇
这会导致输出量的数目增加，从而导致步进电动机的
通电状态
Ｐ１．２（Ｃ）
Ｐ１．Ｉ
（Ｂ）
Ｐ１．０（Ａ）
控制字
输出转速变化过于频繁，这是步进电动机的工作特点Ａ相ｌｌ０ＦＥＨ所不允许的。，因此，在乳化液浓度允许的精度范围Ｂ相ｌ０】ＦＤＨＣ相
０
ｌｌ
内，作者把输入变量的模糊集合分为三个等级，并确ＦＢＨ
定出不同输入偏差对于不同隶属函数的隶属度，制定电状态持续时间的长短。，这可以采取两种方法，一种出模糊控制规则，最后对输出变量进行反模糊化，得是软件延时，一种是定时器中断延时。因为系统要同时完成检测和控制两项任务，所以必须采用中断方式出乳化液浓度值、单片机输出脉冲频率和步进电动机
控制步进电动机转速。同时，８９ｃ５１只有两个定时
输出转速对应表：
器，而步进电动机又有三种不同的转速，因此，在进
表ｌ
系统输入、输出对应表
行软件设计时，作者采用了所谓的“求最大公约数
乳化液浓度值
小于３％３％一５％
大于５％
的办法”。设定时器Ｔｌ的延时时间为ｆ，则转速ｌ的
单片机输出脉冲频率２４００ｓｔｅｐ／ｓ
１１４０ｓｔｅｐ／ｓ
８００ｓｔｅｐ／ｓ脉冲发送间隔时间为删，转速２的脉冲发送间隔时间
步进电动机输出转速
Ｉ２００ｒ／ｍｉｎ
５７０ｒ／ｍｉｎ
４００ｒ／ｍｉｎ
为ｍ，转速３的脉冲发送间隔时间为ｚ“，（ｍ，ｎ，“
均为正整数），以此满足电机不同转速的要求。３系统软件设计
４结论
系统软件采用汇编语言编写，主要包括数据处理本文把模糊控制理论应用于乳化液的自动配比系模块和步进电动机转速控制模块。数据处理模块完成统，实现了对乳化液浓度的在线检测和自动配比。提对乳化液浓度值进行采样、对采样值进行数字滤波处出了一种适合煤矿自动化发展要求的乳化液自动配比
理及对处理结果进行逻辑运算等工作。步进电动机转方法。
速控制模块主要完成对步进电动机的转速控制。
本系统已在实验室进行了实验，系统运行可靠，系统通过并行控制实现步进电动机的微机控制，
硬件、软件设计合理，目前，该系统正准备应用于生即单片机通过三条并行口线Ｐ１．０、Ｐ１．１、Ｐ１．２，直
产现场，具有一定的推广应用价值。接发出三相脉冲信号，再通过功率放大后，送入步进参考文献
电动机的各相绕组。步进电动机采用三相三拍工作方【１ｌ史敬灼，徐殿国，王宗培．模糊控制步进电动机位置
式，根据系统的硬件连接，Ｐｌ口输出的控制信号中，伺服系统．电工技术学报，２００ｌ（３）．
０代表使绕组通电，ｌ代表使绕组断电，软件设计中【２】马维绪，许昭提．乳化液泵站．北京：煤炭工业出版
社，１９８７．
用三个控制字对应三种通电状态，这三个控制字如表
作者简介：柴光远（１９５６一），西安科技大学机械工２所示：
程学院教授。研究方向：机电液一体化。
控制步进电动机转速，实际上就是控制各线圈通
收稿时间：２００３—０５一１６
（上接第５６页）
１／３，只有保证这个条件，系统才能正常工作。加工这样通过查取相应精度等级丝杠在任意３００，姗
中心的固有频率，一般为４５—７５Ｈｚ。内导程误差，再加上弹性变形量就可以校核算其精度参考文献
是否满足目标要求。反之也可以由计算出的弹性变形【ｌ】谢红，高健．加工中心的工作台和伺服进给系统
和目标设计精度要求来选择丝杠副精度等级。
设计［Ｊ］．现代机械，２００２（２）：３。５。
５
伺服进给系统固有频率校核计算
【２】杨祖孝．进给滚珠丝杠副传动刚度的计算［Ｊ］．制造
为了提高机床定位精度和缩短定位时间．必须提技术与机床，１９９７（７）：１２一１４．
高机床的固有频率，相应地，伺服进给系统的固有频ｆ３Ｊ王正君，周小正．数控机床改造中进给系统滚珠丝杠
率亦要提高。伺服系统的固有频率按下式计算：
副的选择［Ｊ］．机床与液压，２０００（５）：９２。９３．ｌ／Ｆ
【４】廉元国，张永洪．加工中心设计与应用［Ｍ］．北京：
＂磊√Ｚ
（２８）
机械工业出版社，１９９５．
【５】赵松年，张奇鹏主编．机电一体化机械系统设计［Ｍ］．
式中，Ｋ，为伺服系统刚度，民＝（圭）２足；Ｋ为伺
北京：机械工业出版社，１９９６．
厶¨
【６ｌ白恩远，王俊元，孙爱国．现代数控机床伺服及检测
服系统的综合刚度；＾为折算到电机轴上的负载惯
技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００２．
量，、
联系人：胡秋，电话：０８１６—２４８６６１４．１３５０８１２０８７８。
伺服系统的固有频率，不能少于机床固有频率的
收稿时间：２００３—０５—１９
万
方数据
数控机床伺服进给系统的设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
胡秋
中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳,621900机床与液压
MACHINE TOOL & HYDRAULICS2004(6)7次
参考文献(6条)
1. 谢红;高健 加工中心的工作台和伺服进给系统设计[期刊论文]-现代机械 2002(02)2. 杨祖孝 进给滚珠丝杠副传动刚度的计算 1997(07)
3. 王正君;周小正 数控机床改造中进给系统滚珠丝杠副的选择 2000(05)4. 廉元国;张永洪 加工中心设计与应用 19955. 赵松年;张奇鹏 机电一体化机械系统设计 1996
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2. 徐红丽. 张宇. XU Hong-li. ZHANG Yu TH6363卧式加工中心伺服进给系统设计与分析[期刊论文]-机械工程师2008(11)
3. 邱国富 数控机床进给系统的研究[学位论文]2006
4. 谢红. 高健 加工中心的工作台和伺服进给系统设计[期刊论文]-现代机械2002(2)
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2. 陈学斌. 余世浩. 华林. 颜士伟 数控精密冷辗环机伺服进给系统的刚度分析[期刊论文]-轴承 2006(1)3. 徐忠四. 朱学裕 铣床工作台纵向伺服进给单元设计[期刊论文]-机械工程与自动化 2009(1)
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7. 罗卫平 高速五轴龙门加工中心直线进给系统的虚拟仿真分析[学位论文]硕士 2006
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