進給運動的控制課件

進給運動的控制4.1概述4.1.1進給伺服系統(tǒng)4.1.2伺服馭動系統(tǒng)的分類4.1.3位置伺服驅動系統(tǒng)的開環(huán)、閉環(huán)控制4.1.1進給伺服系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)實際上是一種高梢度的位置跟蹤與定位系統(tǒng)。它的性能決定了數控機床的許多性能一般對進給伺服系統(tǒng)有如下要求:精度高快速響應，無超調調速范圍寬4.1.2伺服馭動系統(tǒng)的分類早期的數控機床采用電液伺服驅動的較多而現(xiàn)代數控機床基本上都采用全電氣伺服馭動系統(tǒng)。它可分為步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機伺服馭動系統(tǒng)三類，按控制方式又可分為開環(huán)控制和閉環(huán)（含半閉環(huán)）控制兩大類。開環(huán)控制采用步進電動機作為驅動元件，閉環(huán)控制則采用直流或交流伺服電動機驅動。閉環(huán)控制由電流控制環(huán)、速度控制環(huán)和位里控樹環(huán)完成，速度伺服馭動系統(tǒng)完成電流控制環(huán)、速度控制環(huán)的控制，位置控制環(huán)功能則通常由計算機數控裝置完成。4.1.3位置伺服驅動系統(tǒng)的開環(huán)、閉環(huán)控制位置伺服驅動系統(tǒng)分為開環(huán)和閉環(huán)控制兩類。開環(huán)控制采用步進電動機作為驅動元件。閉環(huán)驅動按位置檢測的方式可分為半閉環(huán)、全閉環(huán)和混合閉環(huán)三種。閉環(huán)驅動采用直流或交流伺服電動機驅動。4．2步進驅動及開環(huán)進給控制4.2.1步進電動機的工作原理4.2.2步進電動機的驅動電源4.2.3步進電動機的進給控制4.2.4步進電動機的主要特性及其選擇4.2.1步進電動機的工作原理上圖為采用功率步進電動機的開環(huán)系統(tǒng)。采用功率步進電動機作為執(zhí)行元件，實現(xiàn)進給運動。

4.2.2步進電動機的驅動電源步進電動機的運行特性不僅與電動機本身和負載有關，而且與配套使用的驅動電源關系十分密切。步進電動機的驅動電源包括環(huán)形分配器和功率放大器兩部分。

4.2.3步進電動機的進給控制軟件脈沖分配的控制

步進電動機的驅動裝置分為兩類，一類驅動裝置本身包括環(huán)形分配器（稱為硬環(huán)分），另一類驅動裝置沒有環(huán)形分配器。速度控制由步進電動機原理可知，控制步進電動機相鄰兩種勵磁狀態(tài)之間的時間間

隔，即可實現(xiàn)步進電動機速度的控制。

自動升降速控制

4.2.4步進電動機的主要特性及其選擇步進電動機的主要特性步距角與步距角誤差矩角特性與最大靜轉矩啟動（突跳）頻率連續(xù)運行頻率矩頻特性低頻振蕩與單步運行

步進電動機的選擇4．3位置檢測裝置4．3．1位置檢測元件的分類及要求4．3．2光電編碼器4．3．3光柵尺4．3．4直線感應同步器4．3．1位置檢測元件的分類及要求位置檢測元件的分類

按檢測方式可分為直接測量和間接測量位置檢測元件數控機床對檢測元件主要有如下要求：

（1）工作可靠，抗干擾性強；（2）滿足精度、速度和測量范圍的要求；（3）使用維護方便，適合機床的工作環(huán)境；（4）易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量和處理，易于實現(xiàn)自動化；（5）成本低。

4．3．2光電編碼器光電編碼器是一種常用的角位移傳感器，屬間接測量元件。它通常與驅動電動機同軸聯(lián)接。光電編碼器隨著電動機的旋轉，可以連續(xù)發(fā)出脈沖信號（例如電動機每轉一圈，光電編碼器可發(fā)出2000個均勻的方波信號）。數控系統(tǒng)通過對該信號的接收、處理和計數，即可得到電動機的旋轉角度，從而算出當前工作臺的位置。

4．3．3光柵尺透射光柵

透射光柵的結構與莫爾條紋的產生莫爾條紋的特點及作用

光柵尺的輸出信號與測量電路

4．3．4直線感應同步器直線感應同步器是利用兩個平面形印刷繞組（其間保持均勻氣隙）的相對平行移動，根據交變磁場和互感原理進行工作的。

感應同步器的工作原理

感應同步器的鑒幅與鑒相測量

感應同步器的特點

精度高

可用于長距離位移測量

對環(huán)境的適應性較強

使用壽命長，維護簡單

工藝性好，成本低

4．4直流、交流伺服驅動裝置

4．4．1直流伺服驅動裝置直流電動機的工作原理和調速方法

永磁直流伺服電動機

永磁直流伺服電動機的特性曲線和參數

直流伺服驅動裝置采用晶體管脈寬調速系統(tǒng)具有的優(yōu)點

4．4．2交流伺服驅動裝置永磁交流同步電動機的工作原理

永磁交流同步電動機的結構

永磁交流同步電動機的調速

永磁交流同步電動機的特性

4．4．3進給伺服電動機的選用

右圖為數控機床典型的進給傳動機構計算１．電動機轉速

Nm=ν1·R/PB２．負載慣量

J=Jm+J1+1/R2(J2+Js)+m(PB/2πr)2

３．負載轉矩

4．5進給運動閉環(huán)位置控制4．5．1閉環(huán)位置控制的概念4．5．2閉環(huán)位置控制的實現(xiàn)4．5．3位置控制回路的數學模型4．5．1閉環(huán)位置控制的概念數控機床閉環(huán)位置控制分為數字比較伺服控制、相位比較伺服控制和幅值比較伺服控制三種。數字比較伺服控制使用的位置傳感器是光電脈沖編碼器和直線光柵。相位比較伺服控制和幅值比較伺服控制使用的位置傳感器則是感應同步器或旋轉變壓器。數字比較伺服控制結構簡單，易于實現(xiàn)數字化，在控制性能上優(yōu)于其他控制方法。4．5．2閉環(huán)位置控制的實現(xiàn)4．5．3位置控制回路的數學模型圖１和圖２中的跟隨誤差E實際上就是指令位置X與實際位置XF的差。K為整個系統(tǒng)的開環(huán)增益

圖１半閉環(huán)位置控制的數學模型圖２全閉環(huán)位置控制的數學模型4．6閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的性能分析4．6．1定位過程的誤差分析4．6．2直線插補輪廓誤差分析4．6．3圓弧插補輪廓誤差分析4．6．4拐角輪廓誤差分析4．6．1定位過程的誤差分析較高的位置增益會明顯減小跟隨誤差，并減少過渡過程時間(從后面的內容可以看出，較高的位置增益對減小輪廓誤差也很重要)。要想取得較高的位置增益，所使用驅動裝置的時間常數必須較小，也就是說伺服驅動裝置的快速性要好。否則提高位置增益會產生超調，而這在數控機床上就意味著過切，是不允許的。如果選擇了快速性很好的伺服驅動，但沒有相應提高位置增益，那么整個位置控制回路的瞬態(tài)響應并不能得到明顯改善。因此K與丁的配合很重要，一般來說取KT=(0.2~0.3)比較合適，這樣即可以保證很小的超調，又可以保證良好的工作特性。4．6．2直線插補輪廓誤差分析圖3直線插補輪廓誤差與跟隨誤差的關系4．6．3圓弧插補輪廓誤差分析圖4圓弧插補輪廓誤差4．6．4拐角輪廓誤差分析數控機床進行加工時，在兩個輪廓(直線或圓弧)的相交處會產生誤差，稱為拐角輪廓誤差。最簡單的例子是沿著兩個正交坐標軸的輪廓相交處，加工拐角為直角的零件,如圖5。

圖5直角加工拐角的輪廓誤差4．7進給傳動機構對位置控制特性

的影響4．7．1機械傳動機構的基本要求4．7．2傳動剛度與阻尼對位置控制特性的影響4．7．3傳動間隙和慣量對位置控制特性的影晌4．7．1機械傳動機構的基本要求設計和選用機械傳動機構時，主要考慮以下的問題。

(1)提高傳動精度和剛度、消除傳動間隙。(2)減小摩擦阻力。(3)減小運動慣量。4．7．2傳動剛度與阻尼對位置

控制特性的影響(1)傳動鏈必須有足夠的剛度，從而得到足夠大的振蕩角頻率。

(2)與速度成正比的適當阻尼是必要的，可防止全閉環(huán)系統(tǒng)位置環(huán)的振蕩，增加穩(wěn)定性。

(3)為獲得良好的位置控制特性與工件表面加工質量，除注意應具有與速度成正比的阻尼，并降低與速度無關的摩擦力外，應避免出現(xiàn)圖摩擦特性曲線