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X_Y数控工作台伺服系统的整定与建模.pdf

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X_Y数控工作台伺服系统的整定与建模.pdf

其单个周期的工作循环简写为D1C1D0A1B0D1H1H0D0E1D1H1H0D0E0B1C0A03.2步进器准备根据动作级数,对十个输出接口的标准步进器进行扩充。将2个标准步进器串联,使其中2级短路,获得18级动作的五自由度气动机械手程序控制器,如图5所示。3.3气动控制回路设计根据信号流程以及图5所示的步进器设计控制回路3。五自由度气动机械手气动控制回路图如图7所示。图中代号同前。图中接线的原则是要某i级的气缸完成动作,就将控制该气缸的二位五通换向阀的控制接口接某i级管路,所触动的信号开关则作为触发下一级i1管路输出的开关信号。4结论根据提出的n级动作数控制基本回路的规律,开发十个输出接口的标准步进器。然后,依据分解动作级数的要求,采用标准步进器扩充的方法扩大步进器顺序控制级数,满足分解动作控制的要求。该方法能够降低设计制造成本,提高控制回路设计制造效率,提高控制精度。参考文献1左建民.液压与气压传动M.北京机械工业出版社,19972陆鑫盛,周洪.气动自动化系统的优化设计M.上海上海科技文献出版社,20003吕淮熏,黄胜铭.气液压学M.高立图书有限公司,19984陆雯,王兵,钏康民.气动肌腱与铰杆增力机构的三种组合系统及其比较.机械设计,2005,2225254来稿日期20070521基金项目十五国家科技攻关计划资助项目编号2004BA524B0302【摘要】为了保证机床进给系统的定位精度、静态和动态性能的稳定性,简化调试过程,以XY工作台作为平面定位机械系统的动态模型,通过对XY工作台伺服系统进行三环整定计算,利用MATALAB/Simulink软件进行建模,研究了虚拟样机仿真分析的方法,采用虚拟样机开发软件ADAMS完成参数化样机模型的构建,利用ADAM内含的系统函数创建运动约束,实现了对系统运动学仿真的分析。关键词CNCXY工作台伺服系统建模【Abstract】Inordertoensurethestabilityoforientationprecision、staticanddynamiccapability,andpredigestdebuggingprocess,andtheXYtablewasusedtodynamicmodelofmechanicalsystemforplaneorientation,andcountbythreeloopconformityforservosystem,andmodelbyMATALAB/Simulink,theanalysismethodofdummysamplewasresearched,andmakeupofparametermodelofsamplebyADAMS,andmadeupoflocomotionleashbysystemfunctionofADAMS,thesimulationanalysisisrealized.KeywordsCNCXYtableServoModeling中图分类号TH12,TP31文献标识码AXY数控工作台伺服系统的整定与建模阎勤劳1张海伟21广东交通职业技术学院,广州5108002天津机电职业技术学院,天津300001ModelingandthreeloopconformityofCNCservosystemforXYtableYANQinlao1,ZHANGHaiwei21GuangdongCommunicationPoiytechnic,Guangzhou510800,China2TianjinMechanicalandElectricalPoiytechnic,Tianjin300001,China文章编号100139972008020144031前言目前普遍采用的数控机床进给传动系统包括齿轮传动副,丝杠螺母副及其支承部件等。通常设计进给传动机构时必须满足一定的要求,才能保证机床进给系统的定位精度和静态、动态性能1,从而确保机床的加工精度,一般要求机床进给传动系统具有摩擦阻力小,传动刚度高,运动部件惯性小和传动间隙小等特点。XY工作台作为一种平面定位机械系统,动态模型简单,它的控制方法也已经趋于成熟,但基于XY工作台的含有摩擦环的伺服系统研究是现在的热点与难点2。XY工作台存在于伺服控制系统中的非线性特性有摩擦、间隙、磁滞效应、饱和、未建模动态和外部扰动等。饱和主要影响系统的动态性能,磁滞效应使控制输入滞后,未建模动态及外部扰动对系统的动静态性能都有影响。摩擦是设计高精度伺服系统时必须考虑的重要因素之一,会引起系统跟踪误差、极限第2期1442008年2月MachineryDesignManufacture机械设计与制造环及低速爬行3。由于非线性特性普遍存在于包括XY工作台在内的机械系统中,影响了对它们的高精度控制。2XY工作台系统组成与伺服系统的结构2.1XY工作台系统组成XY工作台是实现平面XY坐标运动的典型部件,X、Y向均采用伺服电机驱动,通过丝杠传动,使工作台做XY向的运动。如图1所示,工作台由两个互相独立的、互为垂直的导向导轨、传动系统及工作台面等组成。伺服电动机直接连接的增量式码盘被用于速度的反馈。位置测量信号则来自于安装在工作台上的直线光栅,位置测量值同时被计算机上的数据采集卡所记录,用来分析XY工作台的运动精度。位置控制是利用DSPADSP2181开发的的基于PC机的运动控制卡来实现。GXY2020数控工作平台,工作台的伺服系统采用GYS201DC2T2C伺服电机和RYC201D3VVT2交流伺服驱动器即伺服放大器,主要性能指标如表1所示。表1系统模型参数Tab.1Parametersofsimulationsystemmodel2.2伺服系统的结构工作台伺服系统是由驱动模块与伺服电动机等组成的一个高精度角度闭环系统,其输入为数控系统给出的指令脉冲,输出图1工作台示意图Fig.1XYtable图2XY平台伺服系统的工作原理图Fig.2WorkingprinciplesketchofXYtableservosystem为电动机转角。在以光栅、脉冲编码器等组成检测反馈环节所实现的闭环控制下,电动机的转角将跟随数控指令变化。通过丝杠螺母副传动,电动机的角位移被转化为所需的工作台的直线位移。图2为其工作原理,表1为其工作参数。2.3三环调节控制该伺服系统采用三环4电流环、速度环和位置环调节控制技术,系统包括三个反馈回路位置回路、速度回路以及电流回路。最内层回路的反应速度最快,中间层的反应速度必须高于最外层。伺服放大器的主要功能包括电流检测、磁场角位移检测、速度检测及伺服电动机的功率驱动,以达到电机的转矩/电流控制、速度控制和位置控制。数控工作平台电机参数为额定转速nr3000rpm额定功率Pr200W额定电流Ir1.5A额定电压Ur101V额定转矩Mr0.64Nm电机轴转动惯量J0.00299kgm2电枢绕组电阻Ra0.15Ω电机电气时间常数TS0.0022s机械时间常数TL0.0113s力矩系数Kt0.82Nm/A反电动势系数Ke0.18Vs/radSPWM放大倍数KPWM7.78V/A时间常TPWM167us电流环反馈滤波常数Ti100us电流检测放大系数Kpi1A/V速度环滤波时间常数TV0.01s速度检测放大系数KP21。3三环整定计算3.1电流环整定计算积分时间常数ITs0.0022s比例系数电流环增益3.2速度环整定积分时间常数速度环增益比例系数3.3位置环整定在MATLAB/SIMULINK中建立永磁同步电机位置交流伺服系统的仿真模型5,选择位置环比例系数Kp14.3。4伺服系统的建模与仿真在不考虑摩擦力的情况下,XY工作台采用Simulink软件进行建模。根据表1的相关参数选择工作窗口主菜单下的Simulink/Parameters,即可进入仿真参数设置6,设置仿真起始时间、仿真步长、解法、要求的误差限等。名称速度环增益电流环增益电动机电感电动机定子电阻电动机转矩常数电动机反电动势驱动链的转动惯量工作台质量丝杠导程刚度阻尼常数符号KvpKcpLRmKtKeJMKbsKB数值4525010.80.183106401.60.5415单位As/radA/VMhΩNm/AVs/radKgm2KgMm/radMN/mKNs/m第2期145阎勤劳等XY数控工作台伺服系统的整定与建模在作仿真试验的过程中,采用将系统参数扩大或缩小10倍的方法。可变的参数为速度环增益、电流环增益以及阻尼常数B。整个仿真过程中,系统的阶跃输入指令为200rad/s,即工作台的理想输出速度为VsKbsVc1.59103m/rad200rad/s0.318m/s从图3可以看出运行0.4秒钟后速度达到稳定值。即上升时间为0.4秒,与峰值时间相等。延迟时间约为0.07秒,调节时间0.3秒,超调量为零。输入的参考速度为200rad/s,可折合为0.318m/s,与实际输出速度相符。分别改变速度环增益、电流环增益和阻尼系数,可以得到不同仿真结果。即速度环增益、电流时间环增益增加,调节时间减少。而阻尼系数过大或过小,速度都会出现抖动情况。图3忽略摩擦力的仿真波形图Fig.3Simulationwaveoffrictionforcethatisneglected分别改变速度环增益、电流环增益和阻尼系数,可以得到不同仿真结果。采用单因素仿真分析研究这些参数对伺服系统动态速度和动刚度的影响,如图4、5、6所示。5结论1在忽略摩查理的情况下,分别改变速度环增益、电流环增益和阻尼系数,可以得到不同仿真结果。即速度环增益、电流时间环增益增加,调节时间减少。而阻尼系数过大或过小,速度都会出现抖动情况。图4速度环增益对伺服速度的影响Fig.4Influenceofspeedringincreasingtoservospeed2随着系统速度环比例增益Kvp的增加,系统的伺服动刚度增大,并且有助于系统动态特性的提高。随着速度环积分响应时间常数Tn的减少,系统的伺服动刚度提高,并且能提高系统的图5电流环增益对伺服速度的影响Fig.5Influenceofelectriccurrentlinkincreasingtoservospeed图6阻尼系数对伺服速度的影响Fig.6InfluenceofDampingfactortoservospeed响应速度,但积分时间过小,容易导致系统失稳提高电流环比例放大系数Kcp,可以提高给系统的伺服动刚度,但当Kcp增大到一定值后,伺服动刚度便不再增大,因为此时电流闭环增益趋近于1,所以继续提高Kcp对提高伺服动刚度的作用不大。随着运动部件质量的增大,进给系统的伺服运动刚度降低,同时会使系统的动态品质下降。3实际的数控伺服系统中,总是存在很多时变的、非线性的因素,在研究中容易忽略这些复杂的因素对系统性能的影响。随着计算机技术的发展,数值仿真技术为分析非线性因素对伺服系统性能的影响提供了基础和方法。参考文献1郑建荣编著.ADAMS虚拟样机技术入门与提高M.北京机械工业出版社,20012黄进.含摩擦环节伺服系统的分析及控制补偿研究博士学位论文.西安西安电子科技大学,19983李泉,路长厚,袭著燕等.XY工作台建模与仿真J.组合机床与自动化加工技术,20051071744冯冬青,张希平,费敏锐.一种基于MATLAB的模糊控制器综合优化设计方法J.系统仿真学报,200441211255梅雪松,陶涛,堤正臣等.高速、高精度数控伺服工作台摩擦误差的研究J.机械工程学报,2001695986苑绍志,谢金法,胡爱军.机电一体化产品虚拟样机的建模/仿真技术.矿山机械,20041065690.350.30.250.20.150.10.05000.10.20.30.40.50.60.70.80.91时间s速度m/sNo.2146Feb.2008机械设计与制造0.350.30.250.20.150.10.05000.10.20.30.40.50.60.70.80.91时间s速度m/skv45kv90kv30

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