數(shù)控機(jī)床機(jī)電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合分析和創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1、數(shù)控機(jī)床機(jī)電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合分析和創(chuàng)新設(shè)計(jì)6.1 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)機(jī)電伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程：1.初步設(shè)計(jì)方案 包括系統(tǒng)主要元部件種類(lèi)、各局部之間連接方式、系統(tǒng)控制方式、所需能源供給形式、校正補(bǔ)償方法、信號(hào)轉(zhuǎn)換方式等7/11/202226.1 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)機(jī)電伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程：1.初步設(shè)計(jì)方案2.理論設(shè)計(jì) 穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì) 使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)到達(dá)技術(shù)要求。 執(zhí)行元件的參數(shù)選擇。 功率力/力矩匹配以及過(guò)載能力的驗(yàn)算。 各主要元件的選擇與控制電路的設(shè)計(jì)。 信號(hào)的有效傳遞。 各級(jí)增益的分配。 各級(jí)之間阻抗的匹配和所采取的抗干擾的措施。 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 7/11/202236.1 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)機(jī)電伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程

2、：1.初步設(shè)計(jì)方案2.理論設(shè)計(jì) 穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì) 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)校正補(bǔ)償裝置，使系統(tǒng)滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)要求。通常需進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，或用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)3.試驗(yàn)與調(diào)試7/11/202246.2 穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的目的：使控制被控對(duì)象能完成所需要的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析以及計(jì)算，保障整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)的整體性能。7/11/20225一、典型負(fù)載分析 1典型負(fù)載形式 無(wú)論被控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)形式如何，負(fù)載形式及其特點(diǎn)千差萬(wàn)別，歸納起來(lái)具有一些共性負(fù)載典型負(fù)載。 包括：慣性負(fù)載、外力負(fù)載、彈性負(fù)載、摩擦負(fù)載 。 目的：獲取負(fù)載特征參量。為系統(tǒng)執(zhí)行元件，機(jī)械變換機(jī)構(gòu)等的選用或設(shè)計(jì)，系統(tǒng)進(jìn)行

3、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。7/11/202262慣量和負(fù)載的等效換算 慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)換的作用： 為使所選擇執(zhí)行元件功率、力/力矩、運(yùn)動(dòng)參量與被控對(duì)象的固有參數(shù)質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、運(yùn)動(dòng)參數(shù)等相匹配，應(yīng)將輸出軸各局部的慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)換到執(zhí)行元件的輸出端，以便進(jìn)行執(zhí)行元件的選擇。7/11/202271等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 無(wú)論機(jī)械傳動(dòng)或變換元件是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)還是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用總動(dòng)能不變的原理，可進(jìn)行等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。 能量守恒：E = Ek7/11/202282等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 無(wú)論外部或內(nèi)部負(fù)載是力還是力矩，應(yīng)用虛功原理，可進(jìn)行等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。7/11/20229二、執(zhí)行元件的匹配選擇 執(zhí)行元件的匹

4、配選擇主要包括轉(zhuǎn)矩匹配、功率匹配、過(guò)熱保護(hù)系數(shù)和過(guò)載保護(hù)系數(shù)驗(yàn)算四局部。直流電機(jī)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)根本結(jié)構(gòu)7/11/2022101執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配 考慮機(jī)械傳動(dòng)效率，那么執(zhí)行元件的等效輸出轉(zhuǎn)矩： 注意：執(zhí)行元件為伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作區(qū)域應(yīng)在恒轉(zhuǎn)矩輸出調(diào)速區(qū)內(nèi)。 測(cè)算執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)矩 摩擦負(fù)載和工作負(fù)載和等效慣性轉(zhuǎn)矩T慣的總和。7/11/2022112執(zhí)行元件的功率匹配 電機(jī)功率的合理確定是執(zhí)行元件選擇的重要參數(shù)之一。 主要依據(jù)電機(jī)的等效負(fù)載和最高轉(zhuǎn)速確定。 常用下式進(jìn)行預(yù)選。 再通過(guò)過(guò)熱驗(yàn)算和過(guò)載驗(yàn)算，最終確定電機(jī)的功率。7/11/2022123電機(jī)的過(guò)熱驗(yàn)算 電機(jī)在一定工

5、作時(shí)間范圍內(nèi)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，應(yīng)用等效法勵(lì)磁磁通近似不變計(jì)算電機(jī)的等效轉(zhuǎn)矩平均轉(zhuǎn)矩。電機(jī)不產(chǎn)生過(guò)熱的條件為： ，4電機(jī)的過(guò)載驗(yàn)算7/11/202213三、減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配 減速比匹配的目的是可最終獲得被控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)速度要求。1減速比匹配選擇的一般原那么要求 在第2章中，提到了機(jī)械傳動(dòng)減速比的分配原那么，主要依據(jù)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小、重量最輕、傳動(dòng)誤差最小，以及綜合考慮來(lái)確定各級(jí)傳動(dòng)的減速比。 本節(jié)提到的減速比匹配及分配，是以滿(mǎn)足控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)特性、加速特性和動(dòng)力特性為準(zhǔn)那么。7/11/202214 即依據(jù)負(fù)載特性、脈沖當(dāng)量分辨率、系統(tǒng)綜合要求等來(lái)選擇確定。減速比要滿(mǎn)足被

6、控制對(duì)象的調(diào)速范圍，并使在一定條件下綜合指標(biāo)參數(shù)到達(dá)最正確，也要滿(mǎn)足脈沖當(dāng)量分辨率與進(jìn)給角之間的相應(yīng)關(guān)系和在一定條件下輸出轉(zhuǎn)速最大或輸出轉(zhuǎn)矩最大等要求。2各級(jí)減速比的分配原那么與方法 1按加速度最大原那么選擇減速比當(dāng)要求輸入信號(hào)變化快、響應(yīng)快、加速度大時(shí)，應(yīng)按下式?jīng)Q定減速比 i：7/11/2022152按輸入速度恒定原那么選擇減速比 在輸入速度信號(hào)近似恒速時(shí)，有加速度最小，可按下式確定減速比 i ：3滿(mǎn)足脈沖當(dāng)量、進(jìn)給角、絲杠根本導(dǎo)程匹配關(guān)系選擇減速比4減速器輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原那么選擇減速比即 最小原則：7/11/2022165按速度和加速度規(guī)定要求選擇減速比 在速度和加速度有要求時(shí)，除按加

7、速度最大原那么選擇減速比外，還應(yīng)依據(jù)負(fù)載最大角速度與電機(jī)輸出角速度之間的關(guān)系，最終確定減速比。 注意：應(yīng)用上述方法確定機(jī)械傳動(dòng)局部的減速比，不能單一應(yīng)用某一種方法，應(yīng)用多種方法，綜合分析，結(jié)合被控制對(duì)象的具體情況，在依據(jù)減速比的分配原那么2章，最終確定機(jī)械傳動(dòng)總減速比和各級(jí)減速比。7/11/202217四、檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、 放大電路、電源的匹配與設(shè)計(jì) 1檢測(cè)傳感裝置的選擇 依據(jù)被檢測(cè)對(duì)象的類(lèi)型，考慮傳感器的精度分辨率、不靈敏區(qū)、工作范圍、輸入/輸出特性線(xiàn)性、信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間、信噪比、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦特性、穩(wěn)定性和可靠性等，合理選擇傳感器。2)信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路 盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)、通用、商

8、業(yè)集成元件。考慮輸入輸出通道數(shù)，匹配問(wèn)題。7/11/2022183伺服系統(tǒng)放大器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與選用 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)通常分為兩局部：信號(hào)處理與功率放大提高信號(hào)品質(zhì)為主，功率放大增大能量為主。 具體要求： a最后輸出級(jí)的功率應(yīng)與執(zhí)行元件功率電流、電壓、容量、額定值相匹配。 輸出阻抗小、效率高、時(shí)間常數(shù)小。b為執(zhí)行元件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供必要的適宜條件。 制動(dòng)條件、限流保護(hù)條件等。c放大器應(yīng)有足夠的線(xiàn)性范圍，保障執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮。d輸入級(jí)應(yīng)與檢測(cè)傳感器相匹配。 輸入阻抗大，可減輕檢測(cè)傳感器的負(fù)荷。e放大器要有足夠的放大倍數(shù)，工作特性穩(wěn)定可靠、易于調(diào)整等。 7/11/2022194伺服系統(tǒng)的能源電

9、源支持 電源系統(tǒng)由于受所選用或設(shè)計(jì)的各分系統(tǒng)能源輸入形式和要求不同的限制，電源供給統(tǒng)一是困難的。但是、在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡可能地作到電源的輸出類(lèi)型要少，在電源參量輸出具有足夠穩(wěn)定性電壓、頻率的同時(shí)，要采取保護(hù)措施，防止外界干擾信號(hào)的進(jìn)入和電源波動(dòng)、掉電、欠壓、過(guò)流、短路等非正常品質(zhì)電源的輸入對(duì)系統(tǒng)的影響。 常用措施：濾波、隔離、屏蔽干擾信號(hào)；穩(wěn)壓、限壓、限流、斷電保護(hù)和短路保護(hù)。7/11/202220五、 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)根底上，利用所選元部件的有關(guān)參數(shù)，可繪制出系統(tǒng)框圖，并建立各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，進(jìn)而建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)。7/11/202221五、 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 機(jī)電一體化系統(tǒng)

10、數(shù)學(xué)模型的類(lèi)型實(shí)際上是多種多樣的，但從控制系統(tǒng)工作原理上講，主要分為開(kāi)環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制三類(lèi)數(shù)學(xué)模型。 下面結(jié)合典型實(shí)例進(jìn)行學(xué)習(xí)。1開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)控制比較簡(jiǎn)單，前面已學(xué)習(xí)。 傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型為：2半閉環(huán)控制系統(tǒng) 如圖滾珠絲杠傳動(dòng)半閉環(huán)伺服進(jìn)給控制系統(tǒng) 7/11/202222滾珠絲杠傳動(dòng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 Ka前置放大器增益；KA功率放大器增益；Kv速度反響增益； Tm直流伺服電機(jī)時(shí)間常數(shù)；i1、i1減速比；Kr位置傳感器增益； Vi(s)輸入電壓的拉式變換；i(s)絲杠輸出轉(zhuǎn)角的拉式變換。 1無(wú)外界干擾時(shí)的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型7/11/2022232有外界干擾時(shí)的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型 附

11、加擾動(dòng)力矩電壓VD表示的系統(tǒng)框圖 附加擾動(dòng)力矩等效電壓后的系統(tǒng)框圖 7/11/2022243全閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型：7/11/202225小 結(jié) 本小節(jié)介紹的主要內(nèi)容是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)負(fù)載和傳動(dòng)系統(tǒng)分析匹配，執(zhí)行元件和傳感元件等的合理選用與匹配設(shè)計(jì)，采用一定的總體設(shè)計(jì)方法和步驟，最終得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。7/11/2022266.2 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)： 在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)所建立的數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)根底上，選擇系統(tǒng)的控制方式和校正或誤差補(bǔ)償形式，有效地與穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)所建立的數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)系統(tǒng)相融合，構(gòu)成具有誤差補(bǔ)償作用的反響調(diào)節(jié)系統(tǒng)，到達(dá)穩(wěn)定工作和滿(mǎn)足被控制對(duì)象的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)

12、要求。 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的目的： 在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的根底上，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)參數(shù)。 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的定量分析計(jì)算方法： 工程上常用的設(shè)計(jì)方法：對(duì)數(shù)頻率法7/11/202227二、系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法 1伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析與過(guò)渡過(guò)程 對(duì)于任何系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定過(guò)程主要有三種情況。 即：指數(shù)規(guī)律上升平穩(wěn)地趨于穩(wěn)定值，系統(tǒng)輸出發(fā)散沒(méi)有穩(wěn)定值，系統(tǒng)輸出振蕩最終能趨于穩(wěn)定值。 7/11/2022281動(dòng)態(tài)穩(wěn)定過(guò)程的特點(diǎn)： 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和系統(tǒng)在過(guò)渡階段的性能參量。上述三種情況各有其特點(diǎn)。 第一種情況：系統(tǒng)直接趨于穩(wěn)定，剛性大加速度大，無(wú)振蕩環(huán)節(jié)，系統(tǒng)過(guò)渡階段誤差大，不利于系統(tǒng)性能參量的調(diào)節(jié)

13、。 第二種情況：系統(tǒng)振蕩發(fā)散不穩(wěn)定。 第三種情況：系統(tǒng)振蕩收斂逐步衰減區(qū)域穩(wěn)定，系統(tǒng)剛性較小，但慣量較大，過(guò)渡階段誤差教小，利于系統(tǒng)性能參數(shù)的調(diào)節(jié)匹配。 鑒于第三種情況的控制系統(tǒng)，最能保證系統(tǒng)穩(wěn)定硬件和軟件保證，利于系統(tǒng)性能參量的調(diào)節(jié)匹配，系統(tǒng)過(guò)渡階段誤差最小的控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中最為常見(jiàn)。7/11/2022292動(dòng)態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡階段的主要性能指標(biāo) 動(dòng)態(tài)特性參量或指標(biāo)：上升時(shí)間Ts；延遲時(shí)間Ty；調(diào)整時(shí)間Tt；最大超調(diào)量%，如下圖。 7/11/2022302伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性校正方法 假設(shè)控制系統(tǒng)性能不穩(wěn)定或穩(wěn)定系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)過(guò)渡階段和穩(wěn)定階段不能滿(mǎn)足使用要求時(shí)，需要在系統(tǒng)中引入一

14、個(gè)專(zhuān)用于改善性能的附加裝置，即校正裝置。目的在于到達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)的使用要求。 盡管可用于系統(tǒng)調(diào)節(jié)和校正的理論數(shù)學(xué)模型方法和手段較多，但在實(shí)際應(yīng)用控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛和簡(jiǎn)單的是PID調(diào)節(jié)器。 7/11/2022311PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù) PID調(diào)節(jié)器無(wú)源阻容式調(diào)節(jié)器和有源阻容式調(diào)節(jié)器。 無(wú)源阻容式調(diào)節(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)須提供外界電源等特點(diǎn)，但衰減較大、不易與系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)相匹配，應(yīng)用受到一定的限制。 有源阻容式調(diào)節(jié)器主要運(yùn)算放大器與阻容電路組成。通過(guò)合理的配置，不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，也能改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。 有源阻容式調(diào)節(jié)器的電路構(gòu)成7/11/202232有源阻容式調(diào)節(jié)器的傳遞函

15、數(shù)和特點(diǎn)： a ) 比例( P )調(diào)節(jié)圖a 傳遞函數(shù)：Gc(s) = Kp= R2 /R1 特點(diǎn)：調(diào)節(jié)作用主要取決于增益Kp的大小 ，Kp值越大調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但存在調(diào)節(jié)誤差，且當(dāng)Kp值太大時(shí)，可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。 b ) 積分( I )調(diào)節(jié)圖b 傳遞函數(shù)：Gc(s) = 1/( Ti s )= 1/( R1C s ) 特點(diǎn)：可以減少或消除調(diào)節(jié)誤差，但響應(yīng)慢，因而較少單獨(dú)使用。 積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)可完全消除誤差，但是所需時(shí)間一般較長(zhǎng)，系統(tǒng)響應(yīng)慢。即調(diào)節(jié)器輸出值與誤差的存在有關(guān)，輸出值隨時(shí)間的推移逐漸增大，直到消除誤差趨于穩(wěn)態(tài)輸出，到達(dá)穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)的時(shí)間值與所存在誤差值的大小有關(guān)，誤差值越大，

16、所需的時(shí)間越長(zhǎng)；反之，那么短。7/11/202233 c ) 比例積分圖c 傳遞函數(shù)：Gc(s) = KP 1+1/(Ti s ) 其中：KP =R2/R1； Ti = R2C。 既克服了單純比例( P )調(diào)節(jié)存在調(diào)節(jié)誤差的缺點(diǎn)，又防止了積分( I )調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的弱點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能得到了改善。 d ) 比例積分微分( PID )調(diào)節(jié)圖d傳遞函數(shù)：Gc(s) = KP1+1/(Ti s ) +Td s 其中：KP =(R1C1+R2C2)/( R1 R2)； Ti = R1C1 +R2C2； Td = R1C1R2C2/(R1C1+R2C2)。調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中微分調(diào)節(jié)D的作用是調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程

17、過(guò)渡階段響應(yīng)特性的品質(zhì)減小超調(diào)量。 特點(diǎn)：不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能也能改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，相比之下，它比( PI )調(diào)節(jié)能使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性能和動(dòng)態(tài)性能。但是，由于含有微分環(huán)節(jié)，在噪聲比較大或系統(tǒng)要求響應(yīng)快時(shí)，不宜采用PID調(diào)節(jié)。7/11/202234PID調(diào)節(jié)器使用調(diào)整方法： 在實(shí)際工程應(yīng)用中，有源的PID調(diào)節(jié)器校正與誤差調(diào)整方法，通常不是依靠理論計(jì)算來(lái)確定系統(tǒng)參數(shù)的，而是通過(guò)觀(guān)察輸出響應(yīng)波形是否滿(mǎn)足使用要求，先調(diào)整比例時(shí)間常數(shù)KP；再調(diào)整積分時(shí)間常數(shù)Ti；最后調(diào)整微分時(shí)間常數(shù)Td；反復(fù)調(diào)整直到所觀(guān)察到的輸出波形能滿(mǎn)足使用要求的輸出波形為止，便可確定PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)參數(shù)7/11/202235無(wú)PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)響應(yīng)有PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)響應(yīng) PID調(diào)節(jié)器對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)性能改善的實(shí)例效果7/11/2022364速度反響校正測(cè)速發(fā)電機(jī)局部負(fù)反響 在電機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所帶動(dòng)的工作臺(tái)往往會(huì)產(chǎn)生“爬行現(xiàn)象，為了改善和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，在控制系統(tǒng)中常采用電流負(fù)反響或速度負(fù)反響來(lái)提高系統(tǒng)低速穩(wěn)定性。 如下圖二階速度負(fù)反響控制系統(tǒng)。 無(wú)負(fù)反響時(shí)傳遞函數(shù) 有負(fù)反響時(shí)傳遞函數(shù) J等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；F等效粘性摩擦系數(shù)；K系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益。 7/11/20223