数控技术43.ppt

上午11时20分 数控技术 1 第四章进给伺服系统 内容提要本章将详细讨论进给伺服系统的软件硬件结构 进给伺服系统基本功能的原理及实现方法 第四章进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 2 第四章进给伺服系统 进给伺服系统是数控系统主要的子系统 如果说CNC装置是数控系统的 大脑 是发布 命令 的 指挥所 那么进给伺服系统则是数控系统的 四肢 是一种 执行机构 它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令 精确控制执行部件的运动方向 进给速度与位移量 第四章进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 3 第一节概述 进给伺服系统的定义及组成 定义 进给伺服系统 FeedServoSystem 以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统 第四章进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 4 2 组成 进给伺服系统主要由以下几个部分组成 位置控制单元 速度控制单元 驱动元件 电机 检测与反馈单元 机械执行部件 一 进给伺服系统的定义及组成 第一节概述 上午11时20分 数控技术 5 二 NC机床对数控进给伺服系统的要求 调速范围要宽且要有良好的稳定性 在调速范围内 调速范围 一般要求 稳定性 指输出速度的波动要少 尤其是在低速时的平稳性显得特别重要 第一节概述 二 NC机床对数控进给伺服系统的要求 上午11时20分 数控技术 6 2 输出位置精度要高静态 定位精度和重复定位精度要高 即定位误差和重复定位误差要小 尺寸精度 动态 跟随精度 这是动态性能指标 用跟随误差表示 轮廓精度 灵敏度要高 有足够高的分辩率 二 NC机床对数控进给伺服系统的要求 第一节概述 上午11时20分 数控技术 7 负载特性要硬在系统负载范围内 当负载变化时 输出速度应基本不变 即 F尽可能小 当负载突变时 要求速度的恢复时间短且无振荡 即 t尽可能短 应有足够的过载能力 第一节概述 二 NC机床对数控进给伺服系统的要求 这就要求伺服系统有良好的静态与动态刚度 上午11时20分 数控技术 8 响应速度快且无超调这是对伺服系统动态性能的要求 即在无超调的前提下 执行部件的运动速度的建立时间tp应尽可能短 通常要求0 Fmax Fmax 0 的响应时间应小于200ms 且不能有超调 否则对机械部件不利 有害于加工质量 第一节概述 二 NC机床对数控进给伺服系统的要求 上午11时20分 数控技术 9 能可逆运行和频繁灵活启停 系统的可靠性高 维护使用方便 成本低 综上所述 对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面 对高精度的数控机床 对其动态性能的要求更严 第一节概述 二 NC机床对数控进给伺服系统的要求 上午11时20分 数控技术 10 第二节进给伺服系统的位置检测装置 概述组成 位置测量装置由检测元件 传感器 和信号处理装置组成 作用 实时测量执行部件的位移和速度信号 并变换成位置控制单元所要求的信号形式 将运动部件现实位置反馈到位置控制单元 以实施闭环控制 它是闭环 半闭环进给伺服系统的重要组成部分 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的 在设计数控机床进给伺服系统 尤其是高精度进给伺服系统时 必须精心选择位置检测装置 第四章进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 11 一 概述 进给伺服系统对位置测量装置的要求高可靠性和高抗干扰性 受温度 湿度的影响小 工作可靠 精度保持性好 抗干扰能力强 能满足精度和速度的要求 位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率 一个数量级 位置检测装置最高允许的检测速度应高于数控机床的最高运行速度 使用维护方便 适应机床工作环境 成本低 第二节位置检测装置 上午11时20分 数控技术 12 位置检测装置的分类 按输出信号的形式分类 数字式和模拟式按测量基点的类型分类 增量式和绝对式按位置检测元件的运动形式分类 回转型和直线型 第二节位置检测装置 一 概述 上午11时20分 数控技术 13 常用位置检测装置分类表 第二节位置检测装置 一 概述 上午11时20分 数控技术 14 第二节位置检测装置 感应同步器 感应同步器的结构及分类电磁式测量传感器分类 上午11时20分 数控技术 15 感应同步器 结构 sin cos 节距2 2mm 节距 0 5mm 定尺 滑尺 第二节位置检测装置 上午11时20分 数控技术 16 感应同步器的工作原理 感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时 由于电磁耦合的变化 感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化 借以进行位移量的检测 感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组 定尺上的绕组是感应绕组 第二节位置检测装置 感应同步器 上午11时20分 数控技术 17 感应同步器的工作原理 第二节位置检测装置 U0 U0 1 定尺 滑尺 感应同步器 1 上午11时20分 数控技术 18 感应同步器的信号处理原理 滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后 与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为 Uos KUScos 1滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后 与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为 Uoc KUccos 1 2 KUcsin 1 第二节位置检测装置 感应同步器 上午11时20分 数控技术 19 滑尺正 余旋绕组上同时加激磁电压Us Uc时 感应同步器的磁路可视为线性的 根据叠加原理 则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为 Uo Uos Uos KUScos 1 KUcsin 1K 电磁感应系数 1 定尺绕组上的感应电压的相位角 第二节位置检测装置 感应同步器 上午11时20分 数控技术 20 滑尺与定尺相对位移量x的求取 2 2 x 1 x 1 结论 相对位移量x与相位角 1呈线性关系 只要能测出相位角 1 就可求得位移量x 根据滑尺正 余旋绕组上激磁电压Us Uc供电方式的不同可构成不同检测系统 鉴相型系统和鉴幅型系统 第二节位置检测装置 感应同步器 上午11时20分 数控技术 21 鉴相型系统的工作原理 在鉴相型系统中 激磁电压是频率 幅值相同 相位差为 2的交变电压 US Umsin tUC Umcos t则 Uo Uos Uos KUScos 1 KUcsin 1 KUmsin tcos 1 KUmcos tsin 1 KUmsin t 1 结论 只要能测出Uo与US相位差 1 就可求得滑尺与定尺相对位移量x 第二节位置检测装置 感应同步器 上午11时20分 数控技术 22 鉴幅型系统的工作原理 在鉴幅型系统中 激磁电压是频率 相位相同 幅值不同的交变电压 US Umsin 2sin tUC Umcos 2sin t 2 x2 x2是指令位移值 Uo Uos Uos KUScos 1 KUcsin 1 KUmsin 2cos 1sin t KUmcos 2sin tsin 1 KUmsin 2 1 sin t结论 只要能测出Uo与UC幅值差 1 就可求得滑尺与定尺相对位移量x 第二节位置检测装置 感应同步器 上午11时20分 数控技术 23 感应同步器的特点及使用注意事项 特点精度高 测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度 具有平均自补偿特性 对环境的适应能力强 对抗湿度 温度 热变形影响的能力强 维护简单 寿命长 非接触测量 无磨损 精度保持性好 现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量 使其能方便地采用现代的数字处理技术 第二节位置检测装置 感应同步器 上午11时20分 数控技术 24 测量距离长 通过接长可满足大行程测量的要求 串联方式n 10 串并联方式n 10 第二节位置检测装置 感应同步器 上午11时20分 数控技术 25 使用注意事项在安装方面 保证安装精度 安装面的精度 定尺与滑尺的相对位置精度 接缝的调整精度 加装防护装置 避免切屑 油污 灰尘的影响 在电气方面 要保证激磁电压波形的对称性和保真性 对鉴相系统 激磁电压的幅值 频率相等 相位差900对鉴幅系统 对Umsin 2 Umcos 2调制的精确性当失真度大于2 时 将严重影响测量精度 第二节位置检测装置 感应同步器 上午11时20分 数控技术 26 脉冲编码器 脉冲编码器又称码盘 是一种回转式数字测量元件 通常装在被检测轴上 随被测轴一起转动 可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式代码形式 根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式 光电式和电磁式3种 其中 光电码盘在数控机床上应用较多 而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件 第二节位置检测装置 上午11时20分 数控技术 27 增量脉冲编码器 结构及工作原理 第二节位置检测装置 脉冲编码器 上午11时20分 数控技术 28 脉冲编码器 上午11时20分 数控技术 29 光电码盘随被测轴一起转动 在光源的照射下 透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号 光敏元件把此光信号转换成电信号 通过信号处理装置的整形 放大等处理后输出 输出的波形有六路 其中 是的取反信号 A B 90 第二节位置检测装置 脉冲编码器 上午11时20分 数控技术 30 输出信号的作用及其处理 A B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移 根据脉冲的频率可得被测轴的转速 根据A B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向 后续电路可利用A B两相的90 相位差进行细分处理 倍频电路实现 第二节位置检测装置 三 脉冲编码器 上午11时20分 数控技术 31 三 脉冲编码器 上午11时20分 数控技术 32 Z相的作用被测轴的周向定位基准信号 被测轴的旋转圈数记数信号 的作用后续电路可利用A 两相实现差分输入 以消除远距离传输的共模干扰 脉冲编码器 第二节位置检测装置 上午11时20分 数控技术 33 增量式码盘的规格及分辨率 规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数 现在市场上提供的规格从36线 转到10万线 转都有 选择 伺服系统要求的分辨率 考虑机械传动系统的参数 分辨率 分辨角 设增量式码盘的规格为n线 转 第二节位置检测装置 脉冲编码器 上午11时20分 数控技术 34 绝对式编码器 结构和工作原理码盘基片上有多圈码道 且每码道的刻线数相等 对应每圈都有光电传感器 输出信号的路数与码盘圈数成正比 检测信号按某种规律编码输出 故可测得被测轴的周向绝对位置 第二节位置检测装置 脉冲编码器 上午11时20分 数控技术 35 1111 1000 第二节位置检测装置 脉冲编码器 绝对编码盘的编码方式及特点二进制编码 特点 编码循序与位置循序相一致 但可能产生非单值性误差误差分析 上午11时20分 数控技术 36 格雷码 循环码 任何两个编码之间只有一位是变化的 因而可把误差控制在最小单位上 但编码与位置循序无直接规律 第二节位置检测装置 脉冲编码器 上午11时20分 数控技术 37 格雷码的编码方法它是从二进制码转换而来的 转换规则为 将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法 得出的结果即为格雷码 循环码 例题 将二进制码0101转换成对应的格雷码 第二节位置检测装置 脉冲编码器 上午11时20分 数控技术 38 绝对式码盘的规格及分辨率 规格绝对式码盘的规格与码盘码道数n有关 现在市场上提供从4道到18道都有 选择 伺服系统要求的分辨率 考虑机械传动系统的参数 分辨率 分辨角 设绝对式码盘的规格n道 第二节位置检测装置 脉冲编码器 上午11时20分 数控技术 39 光电编码器的特点 非接触测量 无接触磨损 码盘寿命长 精度保证性好 允许测量转速高 精度较高 光电转换 抗干扰能力强 体积小 便于安装 适合于机床运行环境 结构复杂 价格高 光源寿命短 码盘基片为玻璃 抗冲击和抗震动能力差 第二节位置检测装置 脉冲编码器 上午11时20分 数控技术 40 第三节进给伺服驱动系统 概述进给伺服驱动系统 由进给伺服系统中的电机及其控制和驱动单元组成 电机 进给系统的动力部件 它提供执行部件运动所需的动力 在数控机床上目前常用的电机有 步进电机直流伺服电机交流伺服电机直线电机 第四章进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 41 伺服单元 电机的控制和驱动单元 通常驱动电机与伺服单元是相互配套供应的 其性能参数进行了相互匹配 这样才能获得高性能的系统指标 伺服单元主要作用 接受来自CNC单元的位置 速度 电流 指令信号 对其进行适当的调节运算 将其变换成电机转速的控制量 频率 电压等 再经功率放大部件将其变换成电机的驱动电量 使驱动电机按要求运行 简言之 调节 变换 功放 第三节进给伺服驱动系统 一 概述 上午11时20分 数控技术 42 进给驱动系统的特点 与主运动系统比较 功率相对较小 控制精度要求高 控制性能要求高 尤其是动态性能 一 概述 第三节进给伺服驱动系统 上午11时20分 数控技术 43 步进电机及其驱动装置 步进电机流行于70年代 其结构简单 控制容易 维修方面 且控制为全数字化 随着计算机技术的发展 除功率驱动电路外 其它部分均可由软件实现 从而进一步简化结构 降低价格 因此 这类系统目前仍有相当的市场 目前步进电机仅用于小容量 低速 精度要不高的场合 如经济型数控 打印机 绘图机等计算机的外部设备 第三节进给伺服驱动系统 上午11时20分 数控技术 44 步进电机及其驱动装置 按力矩产生的原理 步进电机可分为反应式和励磁式等几种 反应式转子无绕组 由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进进给 励磁式转子 定子均有绕组 或转子用永久磁钢 由电磁力矩实现步进进给 第三节进给伺服驱动系统 上午11时20分 数控技术 45 步进电机及其驱动装置 三相反应式步进电机的工作原理 电磁铁的作用原理 第三节进给伺服驱动系统 定子上有6个磁极 分成A B C三相 每个磁极上绕有励磁绕组 转子无绕组 是由带齿的铁芯做成的 当某相定子绕组通以直流电压激磁后产生磁场 对转子的某一对齿产生电磁转矩 吸引转子 使转子上的齿与该相定子磁极上的齿对齐 令转子转动一定的角度 依次向定子绕组轮流激磁 会使转子按一定方向连续旋转 上午11时20分 数控技术 46 步进电机及其驱动装置 单三拍方式 若定子按A B C A 顺序通电 转子按逆时针方向转动 每次转30 若定子按A C B A 顺序通电 转子按顺时针方向转动 每次同样转30 由于每次只一相通电 在切换瞬间失去自锁转矩 容易失步 双三拍方式 通电顺序为AB BC CA AB 逆时针转动 或AC CB BA AC 顺时针转动 由于每次有两相绕组通电 在切换瞬间总保持一相绕组通电 所以工作稳定 三相六拍工作方式 通电顺序为A AB B BC C CA A 逆时针转动 或A AC C CB B BA A 顺时针转动 此时转子每次转过15 第三节进给伺服驱动系统 上午11时20分 数控技术 47 步进电机及其驱动装置 步进电机的工作原理 第三节进给伺服驱动系统 定子绕组通电状态改变一次 转子便转过一定的角度 即步距角 定子绕组通电状态改变速度 频率 越快 转子转速越高 改变定子绕组的通电顺序 将导致其转子旋转方向的改变 若维持定子绕组的通电状态 电机便停在某一位置不动 即步进电机具有自锁能力 不需机械制动 步距角 与定子绕组的相数m 转子的齿数z 通电方式k k 拍数 相数 有关 360 mzk例如 三相三拍时 m 3 k 1 三相六拍时 m 3 k 2 上午11时20分 数控技术 48 步进电机及其驱动装置 步进电机驱动控制器主要由加减速控制器 环形分配器和功率放大器组成 第三节进给伺服驱动系统 上午11时20分 数控技术 49 步进电机及其驱动装置 环形分配器软件算法 第三节进给伺服驱动系统 将 输出字 以表格形式存放在指定的RAM或EPROM 当加减速控制器送来正向进给脉冲指令时 环形分配器软件正序依次取出表格中的数据输出 控制步进电机逆时针方向转动 当加减速控制器送来负向脉冲时 环形分配器反序依次取出表格中的数据输出 控制步进电机顺时针方向转动 上午11时20分 数控技术 50 直流伺服电机及驱动 直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的 电磁力的大小正比于电机中的气隙磁场 直流电机的励磁绕组所建立的磁场是电机的主磁场 按对励磁绕组的励磁方式不同 直流电机可分为 他激式 并激式 串激式 复激式 永磁式 20世纪80 90年代中期 永磁式直流伺服电机在NC机床中广泛采用 第三节进给伺服驱动系统 上午11时20分 数控技术 51 直流伺服电机及驱动 如图 电机转子上的电枢绕组在定子磁场中 受到电磁转矩M的作用 使电机转子旋转 电磁转矩M KTIaKT 电机的转矩系数 CM Ia 电机电枢电流 电枢转动后 导体切割磁力线而产生反电势Ea KenKe 电机的转矩系数 Ce n 电枢的转速 r min 第三节进给伺服驱动系统 作用在电枢的电压U应等于反电势与电枢电压降之和 即 上午11时20分 数控技术 52 调节电机转速的三种方法 改变电枢电压U 改变磁通量 即改变ke的值 改变激磁回路的电阻Rj以改变激磁电流Ij 可以达到改变磁通量 的目的 在电枢回路中串联调节电阻Ri调节Rj 虽然容易控制 但激磁回路的电感大 调速的快速性较差 且串接Rj只能使激磁电流Ij减小 转速只能由额定转速向上调高 在电枢回路中串接电阻Ri 转速只能调低 且电阻上的铜耗大 这种方法并不经济 保持磁通量与电枢电阻固定不变 改变电枢电压的调速方法 尽管需要附加调压设备 但是它的调速范围大 所以直流伺服电机常用这种方法调速 第三节进给伺服驱动系统 直流伺服电机及驱动 上午11时20分 数控技术 53 直流伺服电机的特点 过载倍数大 时间长 具有大的转矩 惯量比 电机的加速大 响应快 低速转矩大 惯量大 可与丝杆直接相联 调速范围大 1 2000 带有高精度的速度和角位置检测元件 电机允许温度达150 以上 由于温升高 影响机床精度因转子惯性大 电源容量及机械传动件的刚度都需相应增大 电刷 维护不便 第三节进给伺服驱动系统 直流伺服电机及驱动 上午11时20分 数控技术 54 交流伺服电机及驱动 由于直流伺服电机具有优良的调速性能 80年代初至90年代中 在要求调速性能较高的场合 直流伺服电机调速系统的应用一直占据主导地位 但其却存在一些固有的缺点 电刷和换向器易磨损 维护麻烦结构复杂 制造困难 成本高而交流伺服电机则没有上述缺点 特别是在同样体积下 交流伺服电机的输出功率比直流电机提高10 70 且可达到的转速比直流电机高 因此 人们一直在寻求交流电机调速方案来取代直流电机调速的方案 第三节进给伺服驱动系统 上午11时20分 数控技术 55 交流伺服电机及驱动 第三节进给伺服驱动系统 编码器 转子 永磁体 定子 绕组线圈 接线合 电机轴 上午11时20分 数控技术 56 第三节进给伺服驱动系统 交流伺服电机及驱动 分类 上午11时20分 数控技术 57 交流伺服电机转速n调速的理论基础对于异步电机s 0 对于同步电机则s 0 由上式可知 改变电源的频率f 电机的转速n与f成正比变化 第三节进给伺服驱动系统 交流伺服电机及驱动 交流伺服电机的速度控制单元 上午11时20分 数控技术 58 略去定子的阻抗压降 定子相电压U约等于电机定子绕组的反电势EU E 4 44fWkw 上式中kw为常数 若相电压U不变 则随着频率f的升高 气隙磁通 将减小 又从转矩公式可以看出 值减小 电机转子的感应电流I2也相应减小 势必导致电机的允许输出转矩M下降 反之 若U不变 随着f的减小 气隙磁通 将增加 这会使磁路饱和 激磁电流上升导致铁耗剧增 功率因数下降 因此改变频率f进行调速时 需要同时改变定子的相电压U 以维持 值接近不变 从而使M也接近不变 结论 交流伺服电机变频调速的关键是要获得可调频调压的交流电源 第三节进给伺服驱动系统 交流伺服电机及驱动 上午11时20分 数控技术 59 第四节典型进给伺服系统 位置控制 开环进给伺服系统 Open LoopSystem 不带位置测量反馈装置的系统 驱动电机只能用步进电机 主要用于经济型数控或普通机床的数控化改造 第四章进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 60 步进电机开环系统设计 步进电机开环系统设计要解决的主要问题 动力计算 传动计算 驱动电路设计或选择目的 传动计算选择合适的参数以满足脉冲当量 和进给速度F的要求 图中 f 脉冲频率 HZ 步距角 度 Z1 Z2 传动齿轮齿数t 螺距 mm 脉冲当量 mm 第四节典型进给伺服系统 一 开环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 61 传动比选择 为了凑脉冲当量 mm 也为了增大传递的扭矩 在步进电机与丝杆之间 要增加一对齿轮传动副 那么 传动比i Z1 Z2与 t之间有如下关系 例 0 01t 6mm 0 75 一 开环进给伺服系统 第四节典型进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 62 进给速度F 一般步进电机 若 0 01mm则 若 0 001mm则 因此 当一定时 与 成正比 故我们在谈到步进电机开环系统的最高速度时 都应指明是在多大的脉冲当量 下的否则是没有意义的 一 开环进给伺服系统 第四节典型进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 63 提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施 概述影响步进电机开环系统传动精度的因素 步进电机的步距角精度 机械传动部件的精度 丝杆等机械传动部件 支承的传动间隙 传动件和支承件的变形 提高步进电机开环系统传动精度的措施适当提高系统组成环节的精度 采取各种精度补偿措施 第四节典型进给伺服系统 一 开环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 64 传动间隙补偿在行程范围内测量传动机构传动间隙 取其平均值存放在数控系统中的间隙补偿单元 当进给反向运动时 数控系统自动将补偿值加到进给指令中 达到补偿目的 螺矩误差补偿滚珠丝杆在数控机床应用广泛 虽然其精度较高 但不能绝对精确 即其螺距总存在一定的误差 利用计算机的运算处理能力 可以补偿滚珠丝杠的螺距累积误差 以提高进给精度 方法 先测量出进给丝杆螺距误差曲线 规律 然后采用软件补偿方法实现误差补偿 一 开环进给伺服系统 第四节典型进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 65 闭环 半闭环进给伺服系统 1 闭环进给伺服系统的实现方案分类和特征按系统控制信号类型分 模拟型系统 数字型系统模拟型系统特征 这类系统全部采用模拟元件构成 其输入 控制 信号 输出的位置 速度信号也是模拟量 速度和位置检测元件也是模拟式的 第四节典型进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 66 特点 抗干扰能力强 一般不会因峰值误差导致致命的误动作 可用常规仪器仪表 示波器 万用表等 直接读取信息 易于随时把握系统工作的基本情况 对弱信号信噪分离困难 控制精度的提高受到限制 在零点附近容易受到温度漂移的影响 使位置控制产生漂移误差 位置 速度调节器的结构和参数调整困难 适应负载变化的能力较差 模拟系统这种本质缺陷 使它很难满足高精度位置伺服控制的要求 目前已逐渐被数字伺服系统所取代 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 67 数字型系统 特征 这类系统是指至少其位置环控制与调节采用数字控制技术 即位置指令和反馈信号都不再是模拟信号而改用数字信号 逻辑电平脉冲信号 的系统 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 68 特点 可以通过增加数字信息的字长 来满足要求的控制精度 对逻辑电平以下的漂移 噪声不予晌应 零点定位精度可以得到充分保证 容易对其结构和参数进行修改 根据控制要求 易于与计算机进行数据交换 噪声峰值大于逻辑电平时 对数据的最高位和最低位的干扰是相同的 但影响不同 这种干扰可能导致系统致命 抑制干扰 防止数据出错 是数字伺服系统设计成功的关键 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 69 数字伺服系统的类型 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 70 全硬件伺服系统全硬件伺服系统又称脉冲比较伺系统 其典型的组成方式如图所示 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 71 构成 系统中 位置闭环的控制与调节运算主要由偏差计数器 一般为可逆计数器 和D A完成 柔性差 系统全由硬件构成 使得各调节器参数在机电联调整定后就固定下来了 不易改变 这对负载惯量变化不大的位置伺服系统 如车床刀架进给控制 可获得满意的控制性能 而对某些负载惯量较大的系统 则很难在整个范围内 负载惯量变化 都获得满意的控制效果 零漂将影响精度 系统依靠D A 将位置调节输出的数字量转化成模拟电压作速度指令信号 提供给伺服单元 其零点漂移将影响定位精度 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 72 半软件型伺服系统这种系统的位置控制采用软硬件组成 速度控制仍采用模拟方式 系统组成如图所示 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 73 位置控制的调节运算由软件实现 增加了灵活性 调节器的参数可以进行修改和设定调节算法可以采用较复杂的算法 以提高控制性能 变结构 变增益 零点漂移可通过软件进行补偿 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 74 由于这种系统的速度单元仍是模拟型的 全硬件型系统中存在的问题并未明显解决 如它的内环参数 速度 电流 和位置环中D A转换器的位数依然是固定的 因此难以兼顾负载惯量大的变化 不过 由于利用软件实施一些补偿措施 使得半软件位置伺服系统的位置控制精度和控制性能要高于全硬件型的位置伺服系统 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 75 全软件位置伺服系统除电流环仍为模拟结构外 位置 速度控制均通过控制软件来实现 系统组成如下图所示 NC系统 微机位置 速度控制 D A输出 模拟电流控制与功放 整形 信频 辨向 A B Z 工作台 PG 电机 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 76 图中微机位置 速度控制既可以是单微机 又可以是双微机 一个位置控制 另一个速度控制 系统中的微机常由单片机来构成 由于微机的应用 系统的控制更加灵活位置 速度调节器的结构和参数可以按工作环境自动进行切换 使之适应负载变化的能力显著增强 应用优化理论还可使调节器的参数自动优化 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 77 系统输出通过D A转换成模拟电压作为电流指令送往模拟电流环 模拟量的零点漂移只会使电流指令产生微小的变化 这种变化一般不足以形成驱动伺服电机运动的力矩 不会对位置控制精度产生不良影响 电流环的结构和参数还是固定的 不能通过微机改变控制策略 以获得更理想的控制效果 由于这种系统工作可靠 结构紧凑 控制性能优于前述两种系统 使得它在80年代中期以来的交 直流位置伺服系统中逐渐占据主导地位 成为位置伺服系统的首选方案 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 78 全数字位置伺服系统自从软件位置伺服系统诞生以来 人们就一直致力于用软件尽可能多地去取代硬件的工作 以降低成本 提高性能 随着可直接用逻辑电平控制通断的电子半导体器件 功率晶体管 功率场率应管的商品化 以及高性能单片机的出现 使得全数字位置伺服系统的实现成为现实 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 79 一种全数字 采用脉宽调制 PWM pulsewidthmodulation 控制的位置伺服系统如下图所示 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 80 系统的所有控制调节全部由软件完成 最后直接输出逻辑电平的脉宽调制控制信号驱动功率晶体管放大器 对伺服电机进行控制 完成位置控制 调节器全部软件化使控制理论中的许多控制思想和手段 包括经典的 现代的 智能的等新型控制方法都可以被方便地引入 如鲁棒控制 自适应控制 变参数控制 变结构控制 神经网络控制 模糊控制 专家系统控制等 还可以完成参数的自动优化和故障的自动诊断等 使系统控制性能进一步提高 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 81 典型闭环伺服系统示例 以半软件型位置伺服系统为例 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 82 这里仅介绍位置控制单元 位置控制软件的任务指令位置计算 含反向间隙 螺距误差补偿 限位处理 实际位置计算 反馈累积 跟随误差计算调节运算零点漂移补偿 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 83 指令位置计算 反向间隙 螺距误差补偿 限位处理 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 84 实际位置计算 反馈累积 跟随误差计算调节运算零点漂移补偿 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 85 硬件部分的任务 第四节典型进给伺服系统 闭环 半闭环进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 86 第五节伺服系统性能分析 前面各节重点讨论了进给伺服系统的组成原理与实现方法 本节重点讨论如何进行闭环系统的参数 如开环增益 阻尼系数等 设计和调整 使伺服系统真正实现预期的快速 准确及平稳驱动 达到要求的稳态精度与动态性能 第四章进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 87 控制系统的一般结构及传递函数 第五节伺服系统性能分析 第四章进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 88 开环传递函数 反馈与偏差之比闭环传递函数 输出与输入之比干扰的闭环传递函数 输出与噪声之比系统误差的函数 偏差与输入之比 控制系统的一般结构及传递函数 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 89 二 进给伺服系统的数字模型及传递函数 闭环进给伺服系统的一般结构 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 90 1 位置控制单元的数学模型 位置控制单元是以XC为输入以UP为输出的一个控制环节 位置调节器一般采用比例调节 放大系数为KN 则有 取拉氏变换得 结构框图 第五节伺服系统性能分析 二 进给伺服系统的数字模型及传递函数 上午11时20分 数控技术 91 2 速度控制单元的数学模型 速度控制单元是以指令电压UP为输入 电机的驱动电压U为输出的控制环节 若忽略非线性和滞后特性的影响 速度调节器 驱动放大 可视为比例环节 则传递函数为KA 速度反馈环节的传递函数为KV 则有 取拉氏变换得 结构框图 二 进给伺服系统的数字模型及传递函数 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 92 3 直流伺服电机的数学模型 直流伺服电机是以驱动电压U为输入 电机的角位移 m为输出的变换环节 其数字模型是根据电机电枢电势和电机转矩平衡方程导出的 式中 Tm RaJa KeKT电机的机械时间常数Km 1 Ke电机的增益系数KR Ra KT 二 进给伺服系统的数字模型及传递函数 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 93 拉氏变换得 结构框图 二 进给伺服系统的数字模型及传递函数 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 94 由此可知 电机输出的角位移由两部分组成 一是无负载时由控制U S 的激励而产生的输出 另一部分是由负载的扰动产生的输出 而且经适当的简化后 直流伺服电机可视为一个惯性环节和一个积分环节串联而成 二 进给伺服系统的数字模型及传递函数 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 95 4 机械传动与执行单元的数学模型 机械传动与执行单元的输入为电机的角位移 m 输出为工作台的线位移X0 其机械系统力平衡方程为 P240 242 拉氏变换 二 进给伺服系统的数字模型及传递函数 第五节伺服系统性能分析 外界负载 切削力 摩擦力 上午11时20分 数控技术 96 结构框图 由此可知 机械系统可视为一个二阶振动环节 二 进给伺服系统的数字模型及传递函数 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 97 5 整个进给伺服系统的数学模型 由图可知 X0是对XC和FD两个激励的响应 根据叠加原理 可先分别求出每个激励单独作用的响应 然后进行叠加 二 进给伺服系统的数字模型及传递函数 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 98 当FD 0时 仅有XC激励的传递系数 二 进给伺服系统的数字模型及传递函数 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 99 当XC FD同时激励时系统的响应 二 进给伺服系统的数字模型及传递函数 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 100 三 进给伺服系统的性能分析 系统增益KS 开环增益 速度增益 KS是进给伺服系统的重要性能参数 为了说明其物理意义 可对上述系统进行一些简化 假设上述各环节均是理想的 即各环节均是无惯量 无阻尼 刚度为无穷大 且无速度环 则 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 101 XC 三 进给伺服系统的性能分析 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 102 KS对系统动态性能的影响 进给伺服系统的输入通常是斜坡激励 三 进给伺服系统的性能分析 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 103 讨论KS与输出速度的关系当KS 时 到达F所需的时间越短 系统的响应加快 灵敏度增高 KS与系统的加速度的关系当KS 时 系统的加速度增大 尤其是在刚启动时 它使系统的响应加快 但对系统的冲击也大 尤其对惯性较大的系统 将产生很大的冲击力 另外 加速度太大也可能引起系统超调 导致系统失稳 第五节伺服系统性能分析 三 进给伺服系统的性能分析 上午11时20分 数控技术 104 KS与跟随误差 D的关系 KS D 即 有利于提高系统的跟随精度 结论 KS的选择 要综合考虑 折衷选取 才能获得优良的综合性能 第五节伺服系统性能分析 三 进给伺服系统的性能分析 上午11时20分 数控技术 105 KS的初选方法在工程调试中 KS可按下列方式初选 Mm ML 分别是电机的输出转矩和负载转矩 GDm2 GDL2 分别是电机转子和负载等效飞轮惯量 第五节伺服系统性能分析 三 进给伺服系统的性能分析 上午11时20分 数控技术 106 数控系统中KS的设定方法由前面的推导可知 KN 位置环增益 KA 速度环增益Km 电机增益L 2 机械系统增益其中 KA Km L 2 在数控系统 伺服系统和机械系统选定后便确定了 而KN是作为可调参数 允许用户根据具体情况选定 以满足系统的稳定性和快速度性的要求 第五节伺服系统性能分析 三 进给伺服系统的性能分析 上午11时20分 数控技术 107 定位精度 定位精度的检查通常是在空载的情况进行的 即无负载力 Fc 0 只有摩擦力 而且系统接受的是阶跃位置指令 即 闭环系统的定位误差为 第五节伺服系统性能分析 三 进给伺服系统的性能分析 上午11时20分 数控技术 108 第五节伺服系统性能分析 三 进给伺服系统的性能分析 上午11时20分 数控技术 109 半闭环系统的定位误差 第五节伺服系统性能分析 三 进给伺服系统的性能分析 上午11时20分 数控技术 110 讨论由可知 为减小定位误差可采用下列措施 减小传动间的摩擦力Fcr 如采用滚动传动取代滑动 增大KN KA 其实质增大KS 在系统稳定的范围内 减小KR Ra KT 即选择力矩系数KT大的伺服电机 在半闭环系统中 要尽可能增大传动机构的刚度K 这是因为当K较小时 将产生较大的弹性变形 从而加大定位误差 第五节伺服系统性能分析 三 进给伺服系统的性能分析 上午11时20分 数控技术 111 四 进给伺服系统参数的匹配 进给伺服系统是由电气 机械等环节组成的一个整体 其组成环节的特性参数对整体系统的特性有影响 从理论上讲 可以根据要求与系统的数学模型确定其参数 但是由于进给伺服系统工作条件复杂多变 尤其是机械系统的阻尼 刚度 惯量等参数 尚无完善的计算方法 因此在进行设计和调试时 除必要的理论计算外 还必须辅之以实验分析和类比法 利用已有系统的参数和经验数据进行新的设计 这是目前常用的办法 下面定性分析和介绍几个重要参数对系统性能影响及其确定方法 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 112 阻尼阻尼主要与伺服驱动装置的电感 电阻 电机机械部件 机械传动机构的摩擦阻尼和粘性阻尼有关 它对系统的影响是 阻尼大则系统的伺服刚度高 抗干扰能力强 稳定性高 系统的定位精度低 定位的离散程度大 可知 阻尼对精度与伺服刚度的影响是矛盾的 应折衷考虑 例如 采用滚动 静压导轨可减少机械系统的阻尼 并有效提高定位精度 但系统的稳定性裕度将减小 因此 有些进给系统设置了可调阻尼器 或者采用软件的方法来改变系统的阻尼参数 四 进给伺服系统参数的匹配 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 113 2 惯量执行部件的惯量越小越好 因为惯量越大 时间常数越大 系统的灵敏度变差 且固有频率降低 易发生共振 但由于刚度 强度等方面的原因 惯量的降低受到的限制 一般要求 交流伺服电机 式中 JL 传动部件折算到伺服电机输出轴上的惯量Jm 电机的惯量要满足这一要求有两个途径 尽可能使执行部件折算到电机轴上的惯量减小 尽可能使用惯量大的电机为驱动源 四 进给伺服系统参数的匹配 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 114 刚度K与固有频率 n刚度是指系统抵抗变形的能力 即 K F e开环系统 K 失动量 系统的死区 闭环系统 K n 系统的稳定性 系统的固有频率 n是系统动刚度的重要参数 应注意 机械传动机构的 n 伺服驱动系统 n的2 3倍 各个环节的 n 应相互错开 以免发生振动耦合现象 各个环节的 n应避开系统的工作频率范围 以免在工作频率上发生共振 四 进给伺服系统参数的匹配 第五节伺服系统性能分析 上午11时20分 数控技术 115 第六节伺服系统的特性对加工精度的影响 对于轮廓加工系统 要求精确地 实时地同时控制多个坐标轴的位置与速度 但由于系统存在着跟随误差 D 将可能会影响多坐标轴运动合成轨迹的精确性 产生轮廓误差 第四章进给伺服系统 上午11时20分 数控技术 116 一 跟随误差 D的含义及特性 定义 指令位置D0i与实际位置Dai之差称为跟随误差 D 跟随误差 D是由进给伺服系统各环节信息传递延迟效应引起的 实际位置滞后指令位置 当执行部件进入匀速运动时 D为常数 当它减速并停止时 D逐渐减少到零 当位置环为P调节时 D与F KS的关系为 D F KS 第六节系统特性对加工精度的影响 上午11时20分 数控技术 117 二 跟随误差 D对轮廓加工精度的影响 D对直线轮廓加工精度的影响加工直线时两轴的输入指令为 第六节系统特性对加工精度的影响 上午11时20分 数控技术 118 由于存在跟随误差 DX DY在某时刻指令位置在A点 实际位置在A 点 则有 第六节系统特性对加工精度的影响 二 跟随误差 D对轮廓加工精度的影响 上午11时20分 数控技术 119 轮廓误差 的几何求法 KS 平均系统增益 KS 两轴系统增益差 KS KS 系统增益失配量 第六节系统特性对加工精度的影响 二 跟随误差 D对轮廓加工精度的影响 上午11时20分 数控技术 120 讨论当KSX KSY时 KS 0 0 这说明当两轴系统增益相等时 跟随误差 DX DY对轮廓精度无影响 X Y Dy Dx 0 A A 第六节系统特性对加工精度的影响 二 跟随误差 D对轮廓加工精度的影响 上午11时20分 数控技术 121 当两轴增益不一致 但KSX KSY常数时 Ks Ks为常数 则 为常数 也就是说 直线的轮廓形状无误差 但位置偏离了原位置 第六节系统特性对加工精度的影响 二 跟随误差 D对轮廓加工精度的影响 上午11时20分 数控技术 122 X Y DY DX A A 当两轴增益不一致 且KSX KSY不是常数时 则 不是常数 也就是说 将产生轮廓形状误差 即加工出的轮廓就不是直线了 第六节系统特性对加工精度的影响 二 跟随误差 D对轮廓加工精度的影响 上午11时20分 数控技术 123 在同等情况下 轮廓误差 与 KS成正比 与KS的平方成反比 与进给速度成F正比 当加工45 直线时 轮廓误差 最大 当加工0 或90 直线时 轮廓误差 与增益无关 第六节系统特性对加工精度的影响 二 跟随误差 D对轮廓加工精度的影响 上午11时20分 数控技术 124 例题在X Y平面上铣削工件的一个平面 该面与X轴成45 角 进给速度为 F 450mm min KS为15 2 1 s 计算最大轮廓误差 max 解 第六节系统特性对加工精度的影响 二 跟随误差 D对轮廓加工精度的影响 上午11时20分 数控技术 125 2 D对园弧轮廓加工精度的影响 D对园弧轮廓加工精度的影响可用加工圆弧的半径变动量 R描述 通常 R的变化较为复杂 为此 可先讨论下面条件下的情况 KSX KSY KS然后再定性的讨论其它较为复杂的情况 第六节系统特性对加工精度的影响 二 跟随误差 D对轮廓加工精度的影响 上午11时20分 数控技术 126 R的求取 第六节系统特性对加工精度的影响 二 跟随误差 D对轮廓加工精度的影响 上午11时20分 数控技术 127 讨论当KSX KSY 且进给速度F为恒速时