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机械毕业设计全套
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JCJD01-031@三坐标数控磨床设计,机械毕业设计全套
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第 1 页 中文 摘要 本次设计为三坐标数控磨床，该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线，同时可以通过更换砂轮来加工不同的型腔和轮廓提高其表面质量。另外该机床也能够对其它一些工具零件进行表面加工。 所设计的三坐标数控磨床，磨头与立柱之间用鼠齿器相连，可以改变主轴与工作台的角度。三个坐标方向的移动均由交流伺服电机带动丝杠驱动，所选用的联轴器为十字滑块联轴器，工作台选用双推与双推轴承组成两端固定支承，达到所要求的高精度。三个方向通过速度反馈和位置反馈实现闭环系统。主轴电机采用交流电机，由变频器 对其进行无级调速。所有电机均有单片机进行控制。 此设计主要对数控磨床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，主要有以下几个方面： X、 Y工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；伺服系统应用开环控制，了解它的工作原理；机床整体结构的设计，了解优缺点，充分考虑主要矛盾，择优选取；数控装置的设计，了解其控制原理。 设计中充分考虑经济性、工艺性、适用性等要求，选择最好的方案，以达到最佳的效果。 关键词 ：数控 三坐标 铣床 nts 第 2 页 英文摘要 This design is for tri-coordinate numerical control grinding machine .This machine tool can work along the curve and straight line through co-operation of three axles .By changing the abrasive wheel it can also process different type and outline .And thus improve the quality of its surface .Furthermore, this machine tool can handle the face-improving process of other tools and components . The tri-coordinate NC curved surface grinding machine work head is connected with stand post by means of a mouse-tooth device .It can change the angle between the main axle and work desk. The motion of tri-coordinate direction is urged by DC. The work desk is fixed at both ends, thus it can reach the high accuracy .Three coordinate direction move and urge by direct current serve electrical machinery and realize half close ring system through speed feedback and position feedback. Main shaft adopt and exchange electrical machinery by electrical machinery ,go on step speed regulation to their by converter. All electrical machineries are controlled by the one-chip computer. In this way the product produced are with high quality we mainly design the structure of the numerically controlled milling machine, and find out control prnciple of single tool machine: The design of the transmission structure of X、 Y worktable .Mainly the application of boll beany; Assiting system with the control of open-loop system and its working prinples; The design of the whole machine structure and it advantages and disadvantages; The design of the numerically controlled device ,and its control principles. In this design ,we fully consider the practical orders of economy , technology and applicability and choose the least plan to get the least effect. Key Words: Numerical Control Tri-coordinate Milling Machine nts 第 3 页 目录 中文摘要 . 1 英文摘要 . 2 目录 . 3 第一章 概论 . 1 1.1 数控机床的产生与发展 . 1 1.2 何谓数控机床 . 1 1.3 数控机床的 应用范围 . 1 1.4 数控机床的基本组成 . 2 1.5 数控机床的分类 . 2 1.6 数控机床的工作过程 . 2 1.7 数控机床的特点 . 2 1.8 磨削概论 . 2 1.9 三坐标数控磨床 . 3 第二章 总体结构设计 . 6 2.1 提高机床的结构刚度的设计 . 6 2.2 提高机床的抗振性的措施 . 7 2.3 提高机床灵敏度 . 7 第三章 进给伺服系统结构设计 . 8 3.1 进给伺服系统的作用 . 8 3.2 进给伺服系统的设计要求 . 8 3.2.1 对进给伺服系统的基本要求 . 8 3.2.2 进给伺服系统的设计要求 . 9 3.3 进给伺服系统的 组成 . 9 3.4 进给伺服系统的分类 . 9 3.5 给伺服系统的数学模型。 . 10 3.5.1 数控机床的位置调节系统 . 10 3.5.2 进给伺服系统的数字模型 . 10 3.6 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 . 10 3.6.1 时间响应性 . 10 3.6.2 频率响应特性 . 11 3.6.3 稳定性分析 . 11 3.6.4 快速性分析 . 11 3.6.5 伺服精度 . 11 3.7 驱动元件的设计 . 12 3.7.1. 选用伺服电动机 . 12 3.7.2 选用交流伺服电机 . 12 3.8 机械传动部件的设计 . 14 第四章 床身与导轨 . 20 4.1 床身设计 . 20 4.1.1 床身结构的基本要求 . 20 4.1.2 床身的结构 . 20 4.1.3 床身 的截面形状 . 20 4.1.4 钢板焊接结构 . 21 4.1.5 箱体封沙结构 . 21 nts 第 4 页 4.2 导轨设计 . 21 4.2.1 对导轨的要求 . 21 4.2.2 滑动导轨 . 21 4.2.3 贴塑滑动导轨 . 21 4.2.4 导轨结构 . 22 4.2.5 导轨设计 . 22 4.2.6 导轨的材料 . 22 第五章 主传动系统结构设计 . 23 5.1 主传动系统的设计要求 . 23 5.2 主传动变速系统的设计 . 23 5.3 主轴组件设计 . 23 5.3.1 对主轴组件的性能要求 . 23 5.3.2 主轴组件的组成和轴承选型 . 24 5.3.3 主轴组件 的技术要求 . 25 5.3.4 主轴组件的动态特性 . 26 5.3.5 主轴轴承的润滑 . 26 5.4 选择主轴电机 . 27 5.5 高速带的设计计算 . 29 第六章 控制系统设计 . 31 6.1 确定硬件电路的总体方案 . 31 6.2 主控制器 CPU 的选择 . 31 6.3 存储器扩展电路设计 . 31 6.4 I/O 口扩展电路设计 . 32 6.5 交流伺服电机驱动电路 . 32 6.6 主轴电机驱动电路 . 32 6.7 越界报警 . 32 程 序 . 33 设 计 小 结 . 36 参考文献 . 37 nts 第 1 页 第一章 概论 设计任务书 1、三坐标数控磨床的主要技术要求 （ 1） X、 Y、 Z行程分别为 300mm、 300mm 、 300mm。 （ 2）进给精度为 0.001mm （ 3） X、 Y、 Z轴快速移动速度分别为 10m/min、 10m/min、 10m/min (4 )工作台面尺寸 420 300mm 2、课题内容及工作量 （ 1） 三坐标数控磨床总体布置图 Ao 1 张 （ 2） X-Y工作台装配图（机构图） Ao1 张 （ 3） 磨头机构装配图 Ao1张 （ 4） 单片机控制原理图 Ao1张 （ 5） 设计说明书 15000字、开题报告 2000字 （ 6） 外文翻译 5000汉字 （ 7） 编制源程序 100句以上 注：所有的尺寸均由计算机绘制 1.1数控机床的产生与发展 1952年，美国麻省理工学院成功的 研制出一套三坐标联动，利用脉动乘法器原理的实验性数控系统，并把它装在一台立式铣床上。当时用的电子元件是电子管，这就是世界上的第一台数控机床。 1959年，数控装置中广泛采用电子管和印刷电路板，从而跨入数控的第二代。 1965年，出现了小规模集成电路，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，从此数控发展到第三代。 1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上首次展出的数控系统采用计算机数控系统的机床，这便是数控的第四代。 1974年，出现了第五代数控系统（ MNC微处理机控制系统）。 我国是从 1958 年开始研制数控技术的，一直到 60年代中期处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出实验样机，开发也是从电子管开始的。1965 年国内开始研制晶体管数控技术。从 70 年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结果简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。 80 年代我国数控机床有了新的发展。 90年代以及接下来主要是向高档数控机床发展 。 1.2 何谓数控机床 数控机床是一种综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控 制、精密测量和机床结构等方面的最新成就而发展起来的高效自动化精密机床，是一种典型的机电一体化产品。它是机械加工自动化的核心设备。 1.3 数控机床的应用范围 数控机床在加工下面这些零件中更能显示出它的优越性： nts 第 2 页 批量小（ 200件以下）而又多次生产的零件；在加工过程中必须进行多种加工的零；几何形状复杂的零件；切削余量大的零件；必须控制公差（即公差范围小）的零件；工艺设计经常变化的零件；加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；需要全部检测的零件。 1.4 数控机床的基本组成 如图所示： 1.5 数控机床的分类 1. 按工艺用途分类：数控磨床、数控铣床、数控折弯机等 2. 按控制类型的方式分类： 点位控制数控机床（如：数控钻床、数控坐标铣床） ； 直线控制数控机床（如：数控车床、加工中心） ； 轮廓控制数控机床（如： 数控磨床） 3. 伺服系统的类型分类：开环数控机床、闭环数控机床、半闭环数控机床 次设计的三坐标数控磨床属于金属切削类，半闭环轮廓控制的数控机床。 1.6 数控机床的工作过程 在上述工作过程中，要求数控机床使用者完成的工作主要是工艺分析和数控编程（有手工编程、自动编程、计 算机辅助编程三种方法），并将程序存到存储介质上，其它步骤都是由数控系统和机床自动进行的。 1.7 数控机床的特点 数控机床作为一种高自动化、高柔性的加工设备，具有以下特点： （ 1）适应范围广 （ 2）生产准备周期短（ 3）生产效率和加工精度高 （ 4）工序高度集中（ 5）能完成复杂型面的加工 （ 6）技术含量高 1.8 磨削概论 磨削是指用砂轮等固结的磨具进行加工的过程，是机械加工的重要方法。从当前掌握的先进技术的情况来看，美国、俄罗斯、德国、英国和日本等国家居于前列。我国的磨削技术在建国后得到了很大的发展， 现在已门类比较齐全。同其它加工方nts 第 3 页 法相比，磨削加工具有以下特点：（ 1）能获得很高的加工精度 （ 2）能适应各种不同性质的材料加工 （ 3）能获得较高的生产率 （ 4）适应性广 1.9 三坐标数控磨床 本次设计的三坐标数控磨床主要是对总体结构、工作台、主轴箱等的机械部分的设计，以及整机电气控制部分的设计。 机械部分 如下： 1 主要用途和适用范围 三坐标数控磨床是三轴联动的经济型数控机床 . 利用三轴联动来形成砂轮与工件的相对运动，通过更换不同的砂轮来达到各种不同的形状尺寸的要求。可以精确高效的完成平面 内各种复杂曲线的零件的自动加工。更能完成复杂曲面的加工，且获得高的精度。因为通过数控，加工时不通过模具就能保证零件的加工精度，提高了劳动生产率，具有较高的性能价格比。本磨床属中型磨床，适用于企业的模具、异型零件的加工。 2机床的基本参数 名称 参数 工作台面宽度 长度 420mm 300mm 工作台 X轴行程 300mm 工作台 Y轴行程 300mm 工作台 Z轴行程 350mm X、 Y、 Z轴快速移动速度 都为 10r/min X、 Y、 Z电机 70SL5A2 交流伺服电机 主轴转速级数 无级调速 主轴转速范围 （ 3980 14920） r/min 主电机功率 7.0kw 主轴交流电机 1HP6103-4CG4 机床外形尺寸 1792mm1308mm2018mm 3 机床的主要结构 机床主要有工作台、主轴箱、立柱、电气柜、 CNC系统等组成。 工作台 工作台的 X、 Y 向进给是由交流伺服电机通过十字滑块联轴器传动，结构简单，调整维修方便。 工作台面有三个梯形槽（见下图），供夹具定位和安装固定工件使用。中间一个梯形槽是定位梯形槽。 nts 第 4 页 主轴箱 (参看下图 ) 主轴部件有主轴、刀具的自动夹 紧松开机构、前后轴承等组成。 动力由电机轴经一级带传动给主轴，通过调整电压调整伺服电机的转速，从而实现无级变速。 主轴为中空外圆柱零件，前端装定向键，与刀柄配合部位采用 7： 24的锥度。为了保证主轴部件刚度，前支承由三个 C级向心推力角接触球轴承 3组成，前两个大口朝上，承受切削力，提高主轴刚度，后一个大口朝下，后支承采用两个 D级向心推力球轴承 5，小口相对，后支承仅承受径向载荷，故外圈轴向不需要定位。轴承采用油脂润滑。 刀具自动拉紧与松开机构及切削清除装置装在主轴内孔中，刀夹自动拉紧松开机构由拉杆 7和 头部的两瓣弹力卡爪 2、碟形弹簧 7、活塞 9和螺旋弹簧 8组成。夹紧时，活塞 9的上端无油压，弹簧 8使活塞 9向上移到图示位置。碟形弹簧 7使拉杆 6上移至图示位置，卡爪上移，将刀具拉紧。当需要松开刀柄时，液压缸的上腔进油，活塞 9向下移动压缩弹簧 8，并推动拉杆 6向下移动。与此同时，碟形弹簧 8被压缩。卡爪随拉杆 6一起向下移动。移到主轴孔较大处时，便松开了刀柄，刀具连同刀柄一起被拔出。 刀柄夹紧机构用弹簧夹紧，液压放松，以保证在工作中如果突然停电，刀柄不会自行松脱。 活塞杆孔的上端接有压缩空气。刀具从主轴中拔出后，压缩空气通 过活塞杆和拉杆中孔，把主轴锥孔吹净。 弹性卡爪的外周是锥面，与主轴的锥孔相配合使爪收紧，从而卡紧刀柄。这种卡爪与刀柄的接合面与拉杆垂直，故拉紧力大。卡爪与刀柄为面接触，接触应力较小，不易压溃。 立柱 立柱用于实现主轴箱的垂直移动和支撑。固定在立柱上端的电机直接传动丝杠，可使主轴箱垂直移动。 4机床的传动系统 1.主传动图及说明 主传动图参看传动系统图。主运动由主运动电机，经一级高速带传到主轴，并通过调节电机的控制电压获得各级转速，主轴转速为（ 3980 14920） r/min。实现无级调速。 nts 第 5 页 2.进给传动图及说明 进给传动图参看传动系统图。 X、 Y、 Z 三个轴各有一套基本相同的进给伺服系统。电压调速交流伺服电机直接带动滚珠丝杠，功率都为 1.4kw，无级调速。三个轴的进给速度均为 1 400mm/min。快移速度都为 10m/min。三个伺服电机分别由数控指令通过计算机控制，任意两个轴都可联动 。 传动系统图 nts 第 6 页 第二章 总体结构设计 该磨床的总体设计包括 :系统设计 (包含数控装置的功能设计、元件和部 件设计 ,程序段格式设计及系统的总体设计 );逻辑设计 (包含运算器设计、控制器设计及电路设计 );机床主机的结构设计 .本次设计主要对总体结构进行设计 . 数控机床的功能设计和普通机床有着很大的差别 .对数控机床的结构设计要求可归纳为如下几个方面 : (1) 具有很大的饿切削功率、高的静、动态刚度和良好的抗振性能； (2) 具有较高大的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性； (3) 具有实现辅助操作自动化的结构部件。 2.1提高机床的结构刚度的设计 机床的刚度是指切削力和其它力作用下 ,抵抗变形的能力 .该磨床要求具有高的静刚度和动刚度。 机床在切削过程当中，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重；承受的动态力有砌学力、驱动力、加减速器时引起的惯性力、摩擦阻力等。组成机床的结构部件在这些力作用下将产生变形，从而导致工件的加工误差。为了使机床达到高大结构刚度，获得符合要求的工件，进行如下结构设计： 1、 构件的结构形式的选择 （ 1） 选择截面的形状和尺寸 由于形状相同的截面，当保持相同的截面积时，应减小臂厚，加大截面的轮廓尺寸，所以该机床的立柱、床身等支撑件做成型腔。圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度比方形截面小，所以立柱、床身等承受弯曲载荷的部 件做成方形，而象主轴等承受扭转载荷的零件做成圆形。 由于封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多，因此该磨床采用封闭式床身。 由于臂上开孔将使刚度下降，所开孔部部件对刚度要求又很高，就在孔的周边加上凸缘，以使抗弯刚度得到恢复。 （ 2） 隔板和筋条的布置 合理布置支承件的隔板和筋条，可提高构件的静、动刚度，磨床采用叉筋板的支承件，立柱内部就是布置了交叉的筋条。 （ 3） 构件的局部刚度 磨床的导轨和支承件的连接部件，往往是局部刚度最弱的部分，但是联接方式对局部刚度影响很大。在本次设计中，由于 Z轴导轨较 宽，故采用双臂联接形式； X、Y轴导轨较窄，采用单臂联接，但在单臂上增加垂直筋条以提高局部刚度。 （ 4） 采用焊接结构的构件 机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减小质量，提高刚度的显著特点。 nts 第 7 页 采用钢板和型钢而不采用铸件的原因： 钢的弹性模量约为铸铁的两倍，在形状和轮廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的臂厚只需铸件的一半。 如果要求局部刚度相同，因局部刚度与臂厚的三次方成正比，所以焊接件的臂厚只需铸件的 80%左右。 钢可以提高构件的谐振频率使共振不易发生 。 钢板焊接能将构件做成全封闭的箱形结构，提高刚度。 2、结构布局的设计 三坐标数控磨床设计的主轴中心位于立柱的对称面内，主轴箱的自重不再引起立柱的变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲变形和扭转变形均大为减小，这相当于提高了机床的刚度。另在立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力，以减小立柱的变形。 2.2提高机床的抗振性的措施 机床在加工时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性就是抵抗这两种振动的能力。 改善和提高抗振性应从以下几个方面 着手： （ 1） 减少机床的内部振源 机床高速旋转主轴、带轮均应进行平衡；装配在一起的旋转部件，应该保证同轴，并且消除传动间隙，采用平衡装置和降低往复运动件的重量，以减小可能的激振力，装在机床上的电机需隔振安装。 （ 2） 提高静态刚度 提高静态刚度可以提高构件或系统的谐振频率，从而避免发生共振。但为了提高情态刚度而引起的构件质量的增加，会使共振频率发生骗移，这是不利的。因此，在结构设计时应强调提高单位质量的个刚度。 （ 3）增加构件和结构的阻尼 该磨床对滚动轴承适当预紧以增大阻尼，将型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零 部件臂中，可以提高阻尼性。以减少振动。 2.3提高机床灵敏度 该三坐标数控磨床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部分采用贴塑滑动导轨，以减少摩擦力使其在低速时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动采用支流伺服电机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了运动精度和运动平稳性。 nts 第 8 页 第三章 进给伺服系统结构设计 3.1 进给伺服系统的作用 伺服系统接受数控装置发出的进给脉冲或进给位移量，并把它变换 成模拟量 (如转角、电压、相位等 )，经功率放大后去驱动工作台，使工作台进行精确的定位或按照规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合于精度要求的零件。因此，伺服系统的性能也是决定数控机床的加工精度、加工表面质量、生产率和机床的可靠性的关键之一。 3.2 进给伺服系统的设计要求 3.2.1 对进给伺服系统的基本要求 带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别与一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应 要快；系统的稳定性要好。 1. 稳定性 所谓的稳定的系统，即系统在输入量的改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在新的或原有的平衡状态下。它是伺服系统能够进行正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性和相对稳定性。 进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及 系统增益 都有关系。适当选择系统的机械参数（主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等）和电气参数，并使它们达到最佳区配，是进给伺服系统的设计的目标之一。 2. 精度 所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复线输入量的精确程度，即准确性。它 包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差及干扰误差。 常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。精度用误差来表示，定位误差是工作台由一点到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值。重复定位误差是指工作台进行一次循环动作之后，回到初始位置的偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标连动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂，采用数字调节技术可以提高伺服驱动系统的精度。 3. 快速响应特性 所谓的快速响应特性是指系统 对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统的不稳定。因此，应适当选择快速响应特性。 该三坐标数控磨床是轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良好nts 第 9 页 的快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。该三坐标数控磨床采用的是是闭环控制型式，对于闭环系统主要是稳定性问题。 3.2.2 进给伺服系统的设计要求 机床的位置调 节对进给伺服系统提出很高的要求。其中在静态设计方面有： 1. 能够克服摩擦力和负载 ： （ 1） 很小的进给位移量； （ 2） 高的静态扭转刚度； （ 3） 足够的调速范围； 2. 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象； 3. 在动态设计方面的要求有： （ 1） 具有足够的加速和制动转矩，以便完成启动制动过程； （ 2） 具有良好的动态传递性能 以保证在获得高的轨迹精度和满意的表面质量； （ 3） 负载引起的轨迹误差尽可能的小； 4. 机械传动部件的设计要求有： (1) 被加速的运动部件具有小的惯量； (2) 高的刚度； (3) 良好的阻尼； (4) 传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙方面尽可能小的非线性； 3.3进给伺服系统的组成 3.4 进给伺服系统的分类 按控制方式不同分为开环系统、半闭环系统和闭环系统 .该次设计的数控磨床采用闭环系统。 a) 采用闭环系统的原因： 1.闭环系统的检测装置安装在工作台上，由于闭环系统能对整个系统误差进行自动补偿，故控制精度高 (0.001mm 0.003mm)快速性好 ,只是成本较高 ,而该数控磨床要求进给精度为 0.001mm，为了满足设计要求，采用闭环系统。 2.开环系统虽然结构简单、工作可靠、造价低廉，但是没有位置反馈环节这样的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙所引起的定位误差不能调整，且其控制精度（ 0.01mm 0.02mm）和快速性较差。不能满足该数控磨床的设计要求 ,故不采用开环系统 .3.半闭环系统的检测装置安装在滚珠丝杠轴端或电机轴端。由于检测元件检测的反馈信号不包含从丝杠轴到工作台间传动链的误差，因此这部分误差得不到自动补偿，精度比闭环系统的nts 第 10 页 要低，也不满足该数控磨床的要求，故不采用半闭环系统。 b) 闭环系统的组成原理 机床数控装置中发生的指令信号与工作台末端测得 的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直至差值在误差允许的范围之内为止。采用闭环系统控制可以消除由于
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