位置伺服系统误差分析及控制器的设计-开题报告

毕 业 论 文 设 计 开 题 报 告题 目 位置伺服系统误差分析及控制器的设计一、选题的目的及研究意义(1)选题目的数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以 PC 平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。 为完成此任务，首先必须确立符合中国国情的发展道路。为此，本文从总体战略和技术路线两个层次及数控系统、功能部件、数控整机等几个具体方面探讨了新世纪的发展途径。而伺服系统也称随动系统，用 来 精 确 地 跟 随 或 复 现 某 个 过 程 的 反 馈 控 制 系 统 。 在 很 多情 况 下 ， 伺 服 系 统 专 指 被 控 制 量 （ 系 统 的 输 出 量 ） 是 机 械 位 移 或 位 移 速 度 、 加 速 度的 反 馈 控 制 系 统 ， 其 作 用 是 使 输 出 的 机 械 位 移 （ 或 转 角 ） 准 确 地 跟 踪 输 入 的 位 移（ 或 转 角 ） 。 伺 服 系 统 的 结 构 组 成 和 其 他 形 式 的 反 馈 控 制 系 统 没 有 原 则 上 的 区 别 。伺 服 系 统 最 初 用 于 船 舶 的 自 动 驾 驶 、 火 炮 控 制 和 指 挥 仪 中 ， 后 来 逐 渐 推 广 到 很 多 领域 ， 特 别 是 自 动 车 床 、 天 线 位 置 控 制 、 导 弹 和 飞 船 的 制 导 等 。 （2）研究意义采 用 伺 服 系 统 主 要 是 为 了 达 到 下 面 几 个 目 的 ： 以 小 功 率 指 令 信 号 去 控 制 大 功率 负 载 。 火 炮 控 制 和 船 舵 控 制 就 是 典 型 的 例 子 。 在 没 有 机 械 连 接 的 情 况 下 ， 由输 入 轴 控 制 位 于 远 处 的 输 出 轴 ， 实 现 远 距 同 步 传 动 。 使 输 出 机 械 位 移 精 确 地 跟踪 电 信 号 ， 如 记 录 和 指 示 仪 表 等 。 而 位置伺服系统应用很广，数控机床的位置伺服系统是保证数控机床的重要部件，位置伺服系统的误差直接影响机床的加工精度。比如数控机床中的两个进给轴(y 轴和 z 轴) 的驱动；机器人的关节驱动；x-y 记录仪中笔的平面位置控制；摄、录像机的磁鼓驱动系统；至于低速速率控制或对瞬时转速有要求时，也必须采用位置伺服控制。显然，步进电动机很适合应用于位置控制，但是在1高频响、高精度和低噪声三方面，直流电动机更具有明显的优越性。利用光栅位移传感器对位置伺服系统进行动态测量和控制，精度高、稳定性好、抗干扰能力强。它构成了一个三维立体的全闭环位置伺服控制系统，通过微机编程，可进行三个自由度的协调控制，实现高速、高进度、低震动、误差小等伺服特性。 二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等（1）研究现状及发展趋势位置控制系统又称位置随动系统，主要解决对象的位置控制问题，根本任务就是实现执行机构对位置指令的准确跟踪，系统的输出量或称被控制量一般是负载的空间位移，当给定量随机变化是，系统的输出量能准确无误地跟踪给定量的变化并能复现给定量。在一些精度要求比较高的伺服控制领域中，由于机械传动装置的刚性、摩擦阻尼等非线性因素和传动间隙等都不包括在半闭环伺服系统的位置环内。现实中大部分传动间隙、弹性变形、滚轴丝杠的误差及滞后得不到补偿，使其位置精度的提高受到了很大的限制。为了克服半闭环伺服系统的这种不足，利用线位移光栅位移传感器安装在机床的工作台上，用以检测机械传动机构中由螺距误差、间隙及各种干扰所造成的传动误差。采用的闭环步进电机位置控制系统，并进行反馈补偿控制从而提高机床的位置控制精度。同时还能保证全闭环伺服系统具有良好的跟踪能力和抗干扰能力。位置伺服控制系统的精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。为了保证有足够的精度，一方面要正确选择系统中开环放大倍数，另一方面要对位置检测元件提出精度要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨率。分辨率仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或大中型数控机床时，必须量，一般要求比加工精度高一个数量级。总之，高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。所幸，用于数控机床的大量程长度和圆分度传感器已获得了长足的发展，普遍获得应用的光栅、磁栅系统等，其分辨率与精度都有明显的提高。例如：用于数控系统的长度检测元件，其分辨率可在0.15um之间选择。（2）研究方法主要通过数控技术实验台测量出指定位置与实际位置的偏量差，然后经位置控制器和速度控制器的比较与校正，从而达到准确控制位置跟随误差的目的。这里我们采用位置趋近发进行研究。即在装有光栅尺的Y工作台上选定4个固定点，采用标准检验循环方式测出误差。数控技术试验台控制轴数为5轴，分别是X、Y、Z直线运动轴和B、C转动轴，可以2实现多坐标联动控制， Z向行程400mm，X、Y向行程200mm。试验台控制系统采用如前所述的“工业控制机+运动控制卡”所构建的数控系统，伺服驱动元件采用步进电动机，检测元件采用编码器。根据进给驱动系统的要求，本试验台的设计采用了滚珠丝杠和滚动导轨的组合。本系统中考虑到系统的控制精度以及PMAC控制的兼容性，采用日本内密控NEMICON NOC-S5000-2MD增量型编码器。目前，在高精度的位置检测系统中，大量采用光栅作为检测反馈元件，光栅是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。本试验台中配置光栅尺的主要目的是进行检测系统的定位精度和重复定位精度。（3）应用领域位置伺服系统可以广泛地用于各类机床、工业自动化、航空、航天、军工装备和科学研究的检测设备、装备、仪器的数显、数控领域之中。它们还适用于对旧机床、设备、装备仪器的技术更新与改造。三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲机械本体的运动是控制系统控制的目标，控制的目的是为了获得能够满足期望精度、稳定性好、且能快速响应目标值的系统。位置伺服系统的精度是机电一体化系统的一个重要指标，它包括运动精度、位置精度。在全闭环位置伺服系统中，作为一个精密定位系统，其位置精度尤为重要。根据位置伺服系统在机床上的应用，研究位置伺服系统的结构特点，位置伺服系统的误差对机床加工精度影响。本课题利用机械学院数控试验台，通过光栅传感器测量位置误差，研究影响位置伺服系统误差的因素，用MATLAB软件分析误差分布，找出误差与运动之间的规律，设计位置控制器以及误差补偿装置，使位置系统得运动精度达到要求。 3.1系统位置误差分析 完成定位精度测量实验后，通过计算我们得到数控轴线的定位精度和重复定位精度的值，然后用MATLAB软件分析误差分布，得到试验台Y轴双向定位精度和重复定位精度分布图。从检验结果看，分析系统的定位精度，要设法提高系统的定位精度（由于光栅的检测精度比较低）。由于定位误差属于系统性误差，而系统性误差在总误差中占有较大的比重，因此，必须采取措施减小系统误差来提高系统的定位精度。通常，提高系统的定位精度有两种最基本的方法，一是从误差产生的根源采取措施，如从结构设计和制造以及安装上提高精度，二是采用误差补偿的方法。但是机械系统做定后3很难再进行提高精度，我们在这里采用误差补偿的办法。3.2 提高位置精度的措施及位置误差补偿方法 因为系统性误差在总误差中占较大比重，必须采取措施减小系统误差来提高系统位置精度。主要采取的两种最基本的方法： 从误差产生的根源采取措施如从结构设计和制造及在安装上提高精度。 采用误差补偿的方法一一采用电气补偿或软件补偿的方法补偿。(1) 定位误差补偿法人为地制造一个与原误差大小相等、方向相反的误差去补偿修正原有误差，即0+ii（i=1,2,n ）。式中：i各定位点的定位误差值，i误差修正值。只要实测出各坐标轴的定位误差后，就可以确定误差修正值对空间或平面任一点的定位误差进行补偿。一般用于补偿系统误差，因为系统误差总是大于随机误差，可以取得显著效果。 (2) 电气补偿法 在控制系统中设置相应的间隙补偿电路和螺距补偿电路以达到误差补偿的目的。 (3) 软件补偿法 利用软件进行计算机辅助补偿的方法消除定位误差，可以包括螺距累积误差补偿、反向间隙误差补偿及热变形误差补偿。还可以根据定期测定的定位误差值，补偿由于磨损等引起的精度损失。灵活性大，补偿量可以方便地改变。 利用光栅位移传感器对位置伺服系统进行动态测量和控制，精度高、稳定性好、抗干扰能力强。它构成了一个三维立体的全闭环位置伺服控制系统，通过微机编程，可进行三个自由度的协调控制，实现高速、高进度、低震动等伺服特性。该系统被广泛用于各种机床、工业自动化测量设备、几何量精密测量系统和对上述旧设备、系统进行技术更新改造等诸多相关技术领域中。同时还可用于机器人控制、柔性制造业等领域。全闭环位置伺服控制方案显著地提高系统的定义精度和测量精度；并且显著地提高工作效率和降低加工成本。四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明1 舒志兵. 现代伺服运动控制系统M. 哈尔滨: 黑龙江人民出版社.2004 2 K.S.Low, K.W.Lim, M.F.Rahman. 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