（车辆工程专业论文）传统c620型车床伺服系统数控改造及研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 大型国有企业设备管理及使用现状 随着现代数控技术及企业生产设备机电一体化的快速发展，数控机床已 经成为现代化企业发展进程中一支突显业绩的生力军，它代表了未来机器制 造业的发展方向。企业生产设备自动化程度的高低标志着一个国家工业水平 发达的程度，也直接标志着企业在市场竞争力的大小。近几年发展起来的新 兴企业容集了当今国内外各项先进生产技术，表现出了强有力的生命力和竞 争力，成为当今推行先进生产力的领头羊。然而对于大型国有企业来说，由 于历史原因。传统机床如c 6 2 0 车床、c 3 6 5 l 转塔车床仍在继续使用，这些 设备生产效率相对低下，有些甚至长期闲置，从而造成国有资产的浪费。企 业对于这些设备弃之不舍，欲之不得；另外由于资金匮乏设备不能更新，严 重阻碍了国企向现代型企业转变的步伐。因此加快生产设备自动化进程是企 业寻求自身发展的必由之路。以机电一体化技术改造传统设备是当前机械工 业企业面临的一个十分重要的问题。传统机床改造成经济型数控机床不但能 够拓展企业生产能力，而且能够使企业资源活力得以重新焕发企业科技人 员加强对数控技术的深入研究对企业的长远发展具有重要的意义。 1 1 2 经济型数控机床在国企设备更新改造中的优势圈 一经济型数控机床的特点 1 ) 价格便宜。仅数控系统与国外同类型系统相比，国产只需1 2 万元， 而进口的则需十几至几十万元。因此，它特另q 适合对国内企业现有普 通机床进行改造。 2 ) 解决复杂零件的加工精度控制，提高生产率。对经济型数控车床，一 般可提高工效3 7 倍，对经济型数控铣床，可提高3 倍几十倍。 对复杂零件而言，难度越高，提高的工效则越多。 3 ) 适合于多品种、中小批量产品的自动化加工，对产品的适应性强。对 于不同零件的加工，可以通过交换不同的加工程序和更换不同的刀具 来实现。 4 ) 提高产品质量，降低废品率。尤其是加工的产品尺寸一致性好，合格 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 率高。 5 ) 节约工装费用，降低成本。经济型数控机床可以不用工装或少用工装， 尤其对于复杂零件、不用靠模或成形刀具。不仅节约了费用，而且还 可缩短小生产准备周期。 6 ) 减轻工人的劳动强度。 7 ) 提高工人素质，促进技术进步和科技成果的普及应用。为由“体力型” 向“智能型”转变创造条件。 二经济型数控机床的主要功能 1 ) 能控制刀具的位移方向、位移长度及走刀速度。加工程序中的位移长 度以十进制数输入。 2 ) 单板机数控系统有1 6 种走刀速度供用户选用，其范围为o 一2 8 m m i n ，单片机数控系统走刀速度由用户任意选用，其范围为0 6 m 1 1 l i n ，可根据具体情况进行调整。 3 ) 可控制车削端面、内外圆柱面、任意锥面、球面及用圆弧逼近的任意 曲面。 4 ) 可控制加工右旋或左旋的各种内、外圆柱、圆锥螺纹及多头螺纹。 5 ) 程序中可给出延时时间。在加工中执行到延时程序时，刀具在相应时 间内停止运动。 6 ) 有程序暂停功能。当程序执行到暂停时，刀具停止运动，再按下启动 键。可继续执行程序。 7 ) 接口可发出和接收多种信号，作为机械手动作，刀架转位、主轴变速 等装置的控制信号，它与程序的自动循环功能相结合，可实现加工的 全自动化。 8 ) 为方便调试和校对原点，设有点动功能。 9 ) 具有自诊断功能。当加工程序编制或操作有误时，程序停止运行，并 显示相应的出错信息，以便修改。 1 0 ) 加工过程中，为应付特珠情况，设有开关暂停、键急停和键回零功能。 1 1 ) 具有自动循环加工功能，并可进行计数。 1 2 ) 为简化加工程序，设有局部循环功能。 1 3 ) 为提高加工精度，设有间隙补偿功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 本文研究的主要内容、方法与目标 本文针对我国大中型国有企业传统设备技术状态落后、生产能力低下这 一现状，提出了传统c 6 2 0 型普通车床经济型数控改造新方法及新思路。通 过对c 6 2 0 车床伺服系统性能分析及研究，建立了一套对其适合的经济型数 控改造知识体系。主要研究内容有以下几个方面： 1 ) 从传统c 6 2 0 型普通车床基本结构及技术参数为出发，确定数控改造所 需的各项原始数据，如拖板箱、中拖板设计重量的整定，最大切削力 的确定等。 2 ) 对数控伺服系统的工作原理进行研究，构建能真实反映其动、静态特 性的闭环系统的数学模型。 3 ) 根据机械、动力学及电气设计原理，初步确定伺服系统改造丝杠类型、 传动比及直流伺服电动机类型，计算系统的特性参数，建立实体的数 学模型。 4 ) 在m 触l a b 仿真软件s i m u l i n l 【环境下，对闭环系统的数学模型进行仿 真实验，利用频率法对所做设计系统的稳定性、快速性、定位精度进 行分析及验证，评价构建模型的可行性和合理性。 5 ) 对伺服系统进行a 蛔设计，构建伺服系统的子系统模块，建立伺服系 统仿真实验人机对话框，实现伺服系统设计参数的优化，提高设计效 率。 6 ) 提出伺服系统典型部件改造的方案。 7 ) 对c 6 2 0 车床电气控制部分进行了p l c 设计，制定主轴及伺服系统的 梯形图，编制p 【c 可编程控制器工作程序。对整机电气线路提出改造 方案。 本文以m 棚a b 仿真软件为主要工具，在s i m u 珏n 】c 环境里，建立c 6 2 0 车床伺服系统数学模型，并对模型在稳定性快速性进行分析；其次，对伺服 系统的子系统进行a d 设计。论文创作的宗旨是建立起一套对传统c 6 2 0 车 床伺服系统进行经济型数控改造切实可行的理论体系，为企业设备技术人员 实现设备数控改造提供科学的工作方法及理论依据；同时，通过设计使 m 棚a b 仿真软件在企业各个领域的科研设计工作中得以推广，进一步提高 企业科学研究的水平。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章现代数控系统控制原理、组成及 c 6 2 0 型车床传动系统 2 1 数控系统的原理及其组成吼 2 1 1 数字控制的基本概念 数字控制( n u m 砸c a lc t m l n c ) 是指用数字化信号对控制对象加以 控制的一种方法。数字控制是相对于模拟控制而言的，其中的控制信息是数 字量，而模拟控制系统中的控制信息是模拟量。数字控制与模拟控制相比有 许多优点，如可用不同的字长表示不同精度的信息，可对数字化信息进行逻 辑运算、数学运算等复杂的信息处理工作，特别是可用软件来改变信息处理 的方式或过程，而不用改变电路和机械机构。从而使机械设备具有很大的“乘 性”。因此，数字控制己被广泛用于机械运动的轨迹控制和机械系统的开关量 控制。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是 计算机数控系统c n c 。c n c 系统是由计算机承担数控中的命令发生器和控 制器的数控系统。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从 而具有真正的“柔性”，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数 字控制系统的性能大大提高。 2 1 2 计算机数控系统的工作原理 1 ) 输入输入给数控系统的有零件加工程序、控制参数和补偿数据等。 译码输入蛇程序段含有零件的轮廓信息( 起点、终点、直线还是蠲弧 等) 、要求的加工速度以及其它的辅助信息( 换刀、抉挡、冷却液开关 等) 。计算机依靠译码程序来识别这些符号，将加工程序翻译成计算机 内部能识别的语言。 3 ) 数据处理数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算和辅助功 能的处理。刀具半径补偿是把零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹。速 度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动的问题。加工速度的 确定是一个工艺问题。数控系统仅仅是保证这个编程速度的可靠实现。 另外，辅助功能如换刀、换挡等亦在这个程序中实现。 4 ) 插补即根据给定的曲线类型( 如直线、圆弧或高次曲线) 、起点、终 点以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。计算机数控系统 点以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。计算机数控系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的插补功能主要由软件来实现，目前主要有两类插补方法：一是脉冲 增量插补，它的特点是每次插补运算结束产生一个进给脉冲；二是数 字增量插补，它的特点是插补运算在每个插补周期进行一次，根据指 令迸给速度计算出一个微小的直线数据段。 5 ) 伺服控制将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经交换和 放大后转化为伺服电机( 步进电机或交、直流伺服电机) 的转动，从而 带动机床工作台移动。 6 ) 管理程序当一个数据段开始插补时，管理程序即着手准备下一个数 据段的读入、译码、数据处理。即由它调用各个功能子程序，且保证 一个数据段加工过程中将下一个程序段准备就绪。一旦本数据段加工 完成，即开始下一个数据段的插补加工。整个零件加工就是在这种周 而复始的过程中完成。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处 理过程，从而具有真正的“柔性”，并可以处理硬件逻辑电路难以处理 的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。 2 1 3 计算机数控系统的组成 计算机数控系统是数控机床的核心，它的功能是接受载体送来的加工信 息，经计算和处理后去控制机床的动作。它由硬件和软件组成。硬件除计算 机外，其外围设备主要包括光电阅读机、c l 玎、键盘、操作面板、机床接口 等。光电阅读机是输人系统程序和零件加工程序；a 盯供显示和监控用；键 盘用于输入操作命令及编辑、修改程序段，也可输入零件加工程序；操作面 板可供操作人员改变操作方式、输入间隙补偿系数、启停加工等：机床接口 是计算机和机床之闯联系的桥梁，机床接口包括伺服驱动接口及机床输入 输出接口。伺服驱动接口主要是进行数模转化。以及对反馈元件的输出进 行数字化处理并记录，以供计算机采样；机床输入输出接口是用于处理辅 助功能。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件主要包括输入输出、显 示、诊断等程序；控制软件包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位 置控制等部分组成。数控装置控制机床的动作可概括为： 1 ) 机床主运动，包括主轴的启动、停止、转向和速度选择； 2 1 机床的进绘运动，如点位、直线、圆弧、循环进给的选择，坐标方向 和进给速度的选择等； 3 ) 刀具的选择和刀具的补偿( 长度、半径) ； 4 1 其它辅助运动，如各种辅助操作，工作台的锁紧和松开，工作台的旋 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 转与分度和冷却泵的开、停等。 2 1 4 数控机床的组成 根据数控机床的工作原理，数控机床主要由控制介质、数控系统、伺服 系统、机床本体和测量装置等五部分组成。 一控制介质 它是用于记载各种加工信息的载体，以此来控制机床的运动，从而实现 零件的加工。在普通机床上加工零件时，由操作工人按图样和工艺要求手工 操作完成。在数控机床上加工时，则把加工零件所需的全部动作、相关数据 及刀具相对于零件的位置等参数，用数控装置所能接受的数字和文字代码来 表示，并将这些代码存储在控制介质上。控制介质可以是穿孔纸带、穿孔卡、 磁带、软磁盘或其它可以存储信息的载体。对于经济型数控系统，一般直接 用存储器作为载体，用操作面板上的按键和键盘将加工程序直接键入，并且 可以在数码显示器或a 盯显示器上显示出来。 二数控装置 数控装置是数控机床的核心。它由输入装置、存储器、控制器、运算器 和输出装置组成。它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经过数控装置 的系统软件对代码进行处理后，输出相应的指令脉冲，驱动伺服系统来控制 机床的各个运动部件按规定的要求实现各个动作数控装置已由n c 发展到 c n c ( c 0 m p u t e r n m c r i c a lc o n 仃0 1 ) ，其高性能价格比促进了数控机床的迅速 发展。c n c 装置由硬件和软件组成。其硬件为一专用计算机，由软件来实现 部分或全部数控功能，通过改变软件很容易更改或扩展其功能。c n c 装置的 基本工作有：输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补、位置控制、帕 处理、显示和诊断等。 三伺服系统 机床伺服系统是数控装置与机床的连接环节，它是以机床移动部件( 工 作台) 的位置和速度作为控制量的自动控制系统用来接受数控装置( 或计 算机) 插补生成的进给脉冲或进给位移量，驱动机床执行机构运动。它包括 主轴驱动单元( 主要是速度控制) 、进给驱动单元( 主要是速度控制和位置控 制) 、主轴电机和进绘电机等。一般来说，数控机床的饲服系统要求有良好的 快速响应特性，进给速度范围要大，灵敏而准确地跟踪指令功能和转速，在 较大范围内有良好的工作稳定性。现在常用的是直流伺服系统和交流伺服系 统，且交流伺服系统正在取代直流伺服系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 四测量反馈装置 该装置可以包括在伺服系统中。它由检测元件和相应的电路组成，其作 用主要是检测速度和位移，并将信息反馈回控制系统，构成闭环控制。无测 量反馈装置的系统称为开环系统。常用的检测元件有脉冲编码器、旋转变压 器、感应同步器、光栅、磁尺及激光位移检测系统等。 五机床主机 主机是数控机床的主体，包括床身、箱体、导轨、主轴、进给机构等机 械部件。数控机床主机的结构有下面几个特点： 1 )由于采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置，简化了数控机床的机 械传动结构，传动链较短； 2 ) 数控机床的机械结构具有较高的动态特性，动态刚度、阻尼精度、耐 磨性以及抗热变形性能，适应连续自动化加工； 3 ) 较多地采用高效传动件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨、静压导轨等。 此外，为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些配套部件( 如冷却、 排屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置) 和附属设备( 编程机和 对刀仪等) 。 2 2c 6 2 0 型车床传动系统概述嘲 c 6 2 0 型普通车床的传动系统由主轴箱、走刀箱、拖板箱组成。其传动系 统如图2 1 示： 图2 1c 6 2 0 型普通车床的传动系统图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 一主轴箱的传动系统： 电机转速为1 4 5 0 转份，经三角皮带带动i 轴，然后经z 5 6 、z 3 4 或z 5 l 、z 3 9 传至i i 轴。轴的滑移齿轮z “、z 5 2 、z 3 6 之一与轴i i 上的齿轮z 船或z 2 0 、 z 3 6 啮合带动轴旋转。若将离合器m 2 与齿轮z 5 0 联结，则由轴经斜齿轮 z 5 0 、z 5 0 传动主轴，使其获得高速级转速6 种。如离合器m 2 与齿轮z 斛 连接，则由轴经齿轮z 2 0 、z 8 0 或z 5 0 、z 传动轴，再经齿轮z 2 0 、z 或 o 、z 5 0 传给轴v ，然后经齿轮z 3 2 、z 6 4 ，使主轴获得1 8 种低速级转速。其 传动路线是： 扣 争1 詈m 2 向左 5 0 褂 8 0 生轴 最低转速： 们o 舞詈翌x 嚣x 盖署一，2 c 转份， 2 6 03 95 2 8 08 06 4 最高转速： 1 4 5 0 堡x 堑x 堑x 竺1 2 0 0 ( 转份) 2 6 03 43 65 0 主轴其余转速的传动计算式分别按以上两种方法演算。主轴可以获得3 0 种转速，但有6 种是重复的，故只有2 4 种转速。 二走刀箱的传动系统 1 )第一种传动方法： 挂轮箱将旋转运动传至轴，然后经z 2 5 、z 3 6 带动轴。再经轴宝 塔齿轮8 个齿轮中的一个，利用摆移齿轮z 3 4 和z 2 8 再传动轴。轴 右端的z 2 5 ，经过渡轮z 3 6 和x 轴旋转，故轴x 与轴x 同样获得 8 种转速。x 轴的双联齿轮z 船、z 4 2 向左移动，则经z 2 8 、z 5 6 传动x v 轴。向右移动时，经传给x v 轴，因此x v 轴有1 6 种转速。再 由轴xv 经z 5 6 、z 船或z 嚣、z 5 6 传给x 轴，故x 轴有8 2 2 = 3 2 种转速。x 轴的滑移齿轮z 向右移动与离合器啮合，则丝杆旋转。 z 2 8 向右移动与光杆上的齿轮z 5 6 啮合，则光杆旋转。 一 一瓤 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 ) 第二种传动方法： 轴左端的z 2 5 向左移动与离合器啮合，则运动经z 与z 弘和固定在 轴上的8 个齿轮中的一个相啮合传动轴。轴有8 种不同的转速。 此时，轴v 上的z 2 5 移到左边，运动由轴经z 3 6 、z 2 5 传至轴v ， 以下的传动同第一种方法。 3 1 第三种传动方法： 轴左端的z 笛与离合器啮合。轴x 上双联齿轮上的z 2 8 左移与离合 器啮合，右端的z 勰右移与离合器啮合。这样，轴直通丝杠，这叫做 直接丝杠传动，用来车削较精密的螺纹。 其传动路线是： 第一、二种方法的传动路线为： 是尝轴 传来一轴 ( 2 q ) 0 0 此时，。砌。伽= 1 2 0 0 3 5 0 = 3 4 3 ，因此，可以断定选择d ，p = 4 0 m m 的 丝杠满足系统要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 从图中可以看出，系统响应超调量稍大，故可以用减小系统增益值的方 法来消除超调。当蜀一刀阳d 抽时响应曲线超调消失。图4 1 1 为系统再次仿 真的结果。 图4 。1 1 修正仿真效果图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 4 4c 6 2 0 型普通车床伺服系统小拖板改造设计 小拖板伺服系统改造原理与拖板箱改造原理相同。故这里将相同部分省 略。 4 4 1 刀具迸给力的确定【n 】 在实际生产当中，由于刀具强度的限制，故迸给力不宜选择过大，否则 容易产生刀具因挤压而掉头现象；另外，设计时要从产品角度出发，横向进 给多为微量进给，进给力不可能太大。因此。对于c 6 2 0 车床而言，设计时 选用f w ：1 4 0 0 较好。经分析计算，各相关重要数据如下： 初定电动机转子惯量：，k = o 0 0 2 2 ( 坛m 2 ) ； 参考上述小齿轮转动惯量：以= 5 1 4 7 1 0d ( 增，矿) 小拖板迸给丝杠转动惯量：= 2 5 1 0 3 ( 培舻) 注：丝杠转动惯量包括刻度法兰盘、锁紧螺母转动惯量： j ，鼍蛰曼1 0 3 ( 培。m 2 ) 中拖板折算到丝杠转动惯量：矗= 2 5 3 6 l o 巧( 船舻) 所选丝杠直径：d 。= 2 5h 聊 4 4 2 系统机械谐振频率、传动比的确定 一机械传动部件的总刚度 由于小拖板质量较小，故其伺服部件的刚度很容易满足。从经济角度考 虑，在轴承选用上，可以采用平面推力球轴承。取专用轴承轴向刚度的一半 值：鼠= 6 1 0 ( 心晰) ； ， 丝杠一双螺母副的轴向接触刚度：鼬= 鼠= 6 1 0 ( 席鼯豫) “。 丝杠计算拉压刚度：豇= 2 9 9 ( ，肌) ； 丝杠螺母总剐度：k g 。= 2 9 4 ( ，且m ) 。 二系统采用双推一支承式安装。 三系统机械谐振频率 机械传动部件的总惯量：j j 。= 2 9 7 3 1 0 。r 船2 j 系统机械谐振频率： 。一c = 2 7 1 1 ，s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 7 页 四变速机构的传动比 fo p t = o _ 3 7 7 = 1 2 6 5 4 4 3 电机的静态设计 一计算电机轴上的总转动惯量j g 。：如。= 2 9 8 1 0 。r 培j 二确定电机的额定转矩：! 新= 1 1 3 1 。1 5 0 8 ( m ) 三确定电机的额定功率：p 。= ( 0 0 9 3 一o 1 2 6 ) 七w 根据以上计算结果，选择枷c - b e s k 型b 4 脉宽调速伺服电机，其 额定功率为o 4 七w ，额定转矩为2 7 m 查得所选电机的其它参数如下； 电阻而= o 5 4 口、 电感“= 0 0 0 1 6 h 、 电机扭转常数k 。= 0 2 4 2 卅爿， 电机反电动势常数c = o 2 4 矿s r 4 d 。 4 4 4 系统设计参数计算 系统的机械时间常数：z 乙d 。0 0 2 7 7 ( s ) 阻尼比：亭t 1 5 2 8 谐振频率： 眈。= 1 1 0 r ，s 系统的增益取为j 如；0 2 。谢= 2 玉口d 括。 在m 棚a b 环境下用阶跃信号及斜坡信号对所建模型进行仿真，仿真 结果在凰一2 2 ，口d 居时达到满意效果。仿真图同4 1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第i i 页 5 2 1 忽略机械传动部件的扭矩反馈效应时对系统影响的分析 忽略机械传动部件的扭矩反馈效应时，溜板箱进给伺服系统的数学模型 可简化如图5 4 所示： 图5 4 忽略机械传动部件的扭矩反馈效应时的数学模型 由于本系统带速度反馈回路，故属于低增益系统。低增益系统有一个特 点：当指令误差较小时，如果电机没有按指令要求运转，则测速机没有输出， 速度反馈没起作用；同时，反电动势也没有建立；由于电机没有启动 电机 的输出扭矩则完全用来克服负载。此时，溜板箱进给伺服系统的开环传递函 嚷“5 卜丽虿福习拭5 培s + 等“+ 警“l 0 0 | 薹襄1 7 8 8 0 7 9 4 7 “x ，。雨五磊丽i 瓦丽万纛夏菇焉丽 j i ；霉一芈一z 。s 6 s x t 。3 c n 拼j ；a d ，c 式5 9 ， 由于j 的值很高，故静差很小，灵敏度很高，旋转变压器启动后，速度 反馈环节发挥作用，此时系统增益很低，故有较大的稳定裕量。系统的对数 相频特性及对数幅频特性如图5 5 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 由公式，l 一= 善 ( 式4 2 3 ) 可以算出丝杠的最大转速，则： n 印 n ；堂堂：3 7 5r ，m 加；”21 面2 37 5 彻。 取确定转速的最大常数a = 6 0 0 0 0 ，叉由公式n 。a d ，。得： d j o 2 4 0 m j ，l 2 ) 临界转速n 。限制： ，专枷1 咖舢 由于丝杠采用双推支承方式，故取临界转速系数，= 1 5 1 ，则有； = 字枷7 = 警s m m 取d ，。1 2 肌坍 五选择丝杠直径： 在选择丝杠时，要保证所选丝杠的额定动载荷大于计算动载荷；额定静 载荷大于计算静载荷。即：c 口c 口，、c 口。c 口 由以上计算结果得：c 一2 8 0 7 4 c a 3 5 0 0 d 5 口2 0 m m d ，p 2 4 0 ，“m ds d 1 2 m m 因此，根据上述数据可以从厂家样本中选取丝杠直径，选用d ，= 4 0 i ，姗 丝杠较为合适。 4 3 3 丝杠螺母动态设计 一确定丝杠螺母传动的总刚度： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 7 页 因是形成速度环反谐振的一对零点正好和形成机械部件谐振的一对极点相抵消。 在图中的高频部分还可以看到机械部件的扭矩反馈效应使速度环闭环的 谐振峰值大为降低。这个作用可以解释下面的现象：单独一个速度环调整其 参数至开始振荡，然后再接上机械传动部件，则速度环的振荡立即消失。 另外，机械传动部件的粘性阻尼系数盎的改变，对速度环闭环谐振峰值 的大小毫无影响。5 3 c 6 2 0 型普通车床伺服系统的伺服糖度及增益的设计 5 3 1 车床伺服系统的伺服精度 伺服精度的高低用误差的大小来衡量，所谓伺服误差就是伺服系统在稳 是在任意时刻输出和输入都同步，没有误差，但这是不可能的。在实际生产 中，造成不同步的原因很多，下列因素都会影响系统伺服精度，都会造成实 际位置偏离指令位置： 1 ) 系统本身动态特性； 2 ) 周边设备频繁启动、断电造成的供电电网波动； 3 ) 加工产品使用的刀具形状及耐磨度； 4 ) 加工件材料硬度及韧性； 5)加工时的吃刀量及进给速度； 61车床各传动部件内部扰动； 7 1 由于操作失误产生拖板箱或刀架撞击它物而引起的丝杠变形； 8 ) 传动部件润滑情况等。 其中，由于丝杠变形而引起的位置误差尤为突出。 从理论上讲，欲求出伺服误差，必须先分别求出系统在输入信号和外加 负载等信号的作用下产生的输出响应，然后根据线性系统的叠加原理将这些 响应叠加起来求出实际位置，再用指令位置减去实际位置便得到伺服误差。 由控制理论可知：对于阶跃和斜坡输入信号，可用终值定理求系统的稳 态响应；丽对于正弦输入信号则直接用正弦传递函数求稳态响应，即用j 代 替传递函数中的s ，其中甜是输入信号的角频率。 常用的输入信号有阶跃信号和斜坡信号。阶跃信号表示位置变化，而斜 坡信号则表示工作台以一定的进给速度运动。外加负载一般由恒力分量和周 西南交通大学硕士研究生学位论文第褐贾 期分量组成。恒力分量如导轨的库仑摩擦力、切削力和恒力分量等可作为阶 跃函数处理；周期分量如铣削力的周期分量等可作为正弦函数处理。 5 3 2 本设计中与伺服精度有关的几个参数 一速度误差 由斜坡信号输入产生的伺服误差称为速度误差。它实际上是指在一定的 进给速度下，系统指令位置与实际位置的偏差。 设进给速度为v 似d 句，位置偏差为4 z 似印，则二者的比值就是系统 增益勋： k ，：旦 x 系统增益又称速度误差系数或速度增益。将斜坡函数作为输入信号，求出伺 服误差，可得到速度误差系数的表达式。系统增益越大则速度误差越小。 二伺服静刚度 伺服静刚度是指在恒定外负载作用下，进给驱动系统抵抗位置偏差的能 力，也就是伺服马达为消除位置偏差而产生的转矩( 或力) 与位置偏差之比。 设外加静负载为m f ( 研) ，位置偏差为x f ，力， 则伺服静刚度k f 为： p j ! i f 工， a ，= 一 。 缸 显然，当外负载不变时，伺服静刚度越大，则伺服误差越小。 应当注意，伺服静刚度是整个伺服系统表现出来的抵抗外力而不产生误 差的能力，和结构静剐度是两个不同的概念。伺服静刚度和系统启动前增益 是从不同角度得出的两个概念，但它们在单脉冲能否启动和定位精度方面所 起的作用实际上是一致的。 由上式可得： m q k 奴 当x 为一个脉冲当量时，表示系统只有一个脉冲的误差，此时对应的转矩 是单脉冲启动转矩。很显然，决定单脉冲启动转矩大小的因素是伺服静刚度。 如启动转矩大于静摩擦力矩，系统能启动，否则不能启动。所以伺服静刚度 和静摩擦力矩决定了单脉冲能否启动系统。 根据同样的道理，当系统定位时，如系统无超程，则伺服静刚度和动摩 擦力矩决定了定位精度。伺服静刚度的倒数为伺服静柔度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 9 员 三伺服动刚度 伺服动刚度是指在交变外负载作用下，进给驱动系统抵抗位置偏差的能 力。 设外加交变载荷为地a 。j ，位置偏差为x ( 甜) ，则k i 仃脚，为： k d 仃。) ：鞘 ( 式5 1 4 ) x t j j 因为kdd j 是一个复数，其大小随时间而变，故用其幅值来衡量伺服动刚 度的大小，即： k d = l k d 仃甜) i ( 式5 - 1 5 ) 理论分析表明：伺服动刚度的大小与外负载交变频率。有关，当接接 近机械传动部件的固有频率时，进给驱动系统的伺服网4 度最小，伺殷动刚度 误差最大。因此，考虑到轮廓控制的数控机床上，切削力变化较大的脉动频 率往往在2 0 h z 以下，所以机械传动部件的固有频率不低于2 嘶k 最好远大 于2 0 k 。 很显然，= d 时的伺服动刚度即为伺服静刚度。伺服动刚度的倒数即为 伺服动柔度。在通常情况下，伺服误差的主要成分是速度误差，但当干扰力 频率在机械传动部件引振频率附近时，伺服动剐度误差将会显著增大。 综上所述，伺服误差实际上就是系统在稳态运行时输出对输入的滞后量， 这个滞后置是影响轮廓加工糖度的主要因素。 5 3 3 系统增益的设计 数控车床的坐标轴数为两个，即x 轴( 横向) 和z 轴( 纵向) ，两轴联 动加工各类部件，形成部件的空间轮廓。数控装置在输入程序后，对程序进 行解释，对其中的数据进行必要的加工处理，然后送入插补器。在捅补器里， 根据输入数据，计算出各个坐标轴的位置指令值。各个坐标轴彼此独立工作， 根据指令值产生相应的坐标位移。因为各坐标轴彼此独立，它们得不到其它 坐标实际位置的信息，所以计算出的轨迹和实际轨迹是否一致是无法监视的。 由此，必然产生轨迹误差。为使误差最小，应当使形成轨迹的各运动坐标的 时间延迟相等，这就意味着个坐标轴的系统增益k v 应调成相等，备坐标轴 进给伺服系统动态性能也应该一样。可以采用优化调节其参数或改变调节技 术来确定氨，。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 2 页 在d r a w i i l gc o 衄妞d 里用p l o t 、i m a g e 薹鍪鋈霎蚕蒌孽嚣瞄塘i 翟季t 吲； 融i ；给爱毯黧掣甄 燮囊捌蒸嚣鞲替巷甄衙桶黼鬣搿趟籀弄龌鍪誊囊嘲嘤獗= j 1 2 1 啜哐青堕 嚣瘟维嚆睫j 所建壤型强行仿真算囊潞蓬蠢荔塑婴；菊蠢瞎鞲篇铋骄蹦黼j 霉菌 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 图5 - 1 2 封装模块的内部变量和封装对话框 双击该模块可以得到封装模块调用对话框，如图5 1 3 示，此时可以将系 统参数逐一输入到对话框内，这样便可进行仿真实验了。至此建立予系统 工作完毕。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 6 页 第6 章c 6 2 0 型普通车床p l c 数控设计 6 1p l c ( 可编程序控制器) 简介1 2 】 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，p l c 在工业控制领域内得到 十分广泛地应用。p l c 是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用 而设计的电子控制装置，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通 过数字或模拟的输入翩出，完成一系列逻辑、顺序、定时、计数、运算等确 定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。它的出现打破了 继电器控制在机电设备和工业过程控制领域中占主导地位的格局，克服了继 电器控制系统“体积大、可靠性低，故障率高、难查找，工艺变化适应性差” 的缺点。 6 1 1p l c 的分类 p i c 一般可按i o 点数和结构形式分类： 一按i 点数分类： 按1 ，0 点数可分为小型、中型和大型几类。 小型：点数 1 2 8 点； 中型；1 2 8 点 5 1 2 点。 二按结构形式分类： 按结构形式分类可分为整体式和模块式两类。 内装式：又称单元式或箱体式。它将电源、c p u 、i ，o 部件都集中在 一个箱体内。其结构紧凑、体积小、价格低，多用于小型p l c 。 模块式：其结构是将p l c 各部分分成若干个单独的模块，如c p u 、i o 模块、电源模块和各种功能模块。一般大、中型p l c 宜采用模块式结 构。 6 1 2 p l c 的特点 一可靠性高。 p l c 的平均无故障工作时间一般可达3 5 万小时，而且它能在工业环 境下可靠地工作。 二编程简单。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 7 页 p l c 的编程语言是梯形图语言。梯形图与继电器原理图相似，这种语言 形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识。 三通用性强。 各个p i c 的生产厂家都有其各种系列化产品、各种模块供用