闭环步进伺服系统螺距误差分析及补偿装置的设计

2013 届本科毕业设计（论文）闭环步进伺服系统螺距误差分析及补偿装置的设计摘要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。数控技术是机械电子计算机及自动控制等技术有机结合的一门高新技术，已广泛应用于机械制造领域，使制造技 术向高速化自动化高精化集成化智能化网络化方向发展，使机械产品在性能上向高精度高效率高性能智能化方向发展，在功能上向小型化轻型化多功能方向发展，在层次上向系 统化集合集成化方向发展。专家预言，未来制造 业的竞争在很大程度上是数控技术的竞争。为使本科生研究生学习研究数控技术，使研究者和实验者充分了解和掌握数控环节及数控过程。我们学校依托 陕西省数控技术和工业自动化重点实验室，申报了数控试验台研制科研项目。该试验台利用工控机和运动控制器对 XYZAB 五个坐标进行控制，采用位移检测装置对数控装置执行件的位移进行测量。坐标控制信息检测信息用微机 CRT 大屏幕显示。整个试验台系统采用开放式模块式结构，研究者可以根据需要对系统进行扩展。可见，本 试验具有很强的操作性，是学习数控技术课 程必要的实验设备。 在数控机床中 ,伺服系统是数控机床装置和机床的中间连接环节,是数控系统的重要组成部分。伺服系统接受来自伺服控制器的进给脉冲,经变换和放大转换为机床工作台的位移 ,使工作台跟随指令 脉冲移动 。数控机床长期运行后 ,传动机构的反向间隙和螺 距误差对定位误差的影响相对突出 ,由于机械磨损 ,使 丝杠螺距 误差增大 ,加工精度得不到保证 。而企 业里的大多数数控机床都在超性能和超承受能力状况下运转 , 定期检测 机床的误差并及时校正反向间隙、螺距等能够切实改善机床精度 , 改善零件加工质量 。因 此 ,企业每隔一定的时间必须进行2013 届本科毕业设计（论文）一次丝杠螺距误差补偿的调整, 这对于提高机床的加工精度非 常 必 要。激光干涉 仪对误差的测量精度很高 ,但价格昂 贵 ,需要专人操作 ,不适宜在生产现场环境下工作 。步 距规测量制造简单 ,操作方便 ,可以满足大多数数控机床的要求 ,特别适用于我国国情和大批量的数控机床 机电联调的需要。 现在的数控系 统都采用软件进行螺距补偿 , 将各 点的补偿量存入系统的存储器中 ,数控系统在运行的 过程中可以对各点坐标位置自动进行补偿。分析软件补偿原理 ,掌握具体调整方法 ,正确设定补偿量 ,对 数控机床的使用和维护非常重要。关键词数控系统； PID 调节；位置控制器及其补偿装置。2013 届本科毕业设计（论文）Step-by-step closed cycle servosystem pitch of screw error analysis and compensates the device designAbstract：The numerical control technology and the numerical control equipment are the factory industry modernization important bases. Does this foundation whether reliable immediate influence to a countrys economic development and the comprehensive national strength, relate to a national strategic position. Therefore, in the world the various industrially advanced country takes the important step to develop own numerical control technology and the industry. In our country, the numerical control technology and the equipment development also obtained has taken seriously, in recent years has made the quite big progress. Specially in the general microcomputer numerical control domain, take the PC platform as the foundation domestically produced numerical control system, already walked in the world leader. But, our country also has many problems in the numerical control engineering research and the industrial development aspect, specially in aspect situation outstandinglies and so on technological innovation ability, commercialized advancement, market share. When new century arrival, how do effective addressing these questions, cause our country numerical control domain along the sustainable development path, overall enters into the world advanced ranks comprehensively, enables us to have the pivotal status in the international competition, will be the important task which the numerical control research development department and the Manufacturer face. In order to complete this task, must first establish conforms to the Chinese national condition development path. Therefore, this article from the overall strategy and the technical route two levels and the numerical control system, the functional unit, the numerical control complete machine and so on several concrete aspects has discussed the new century development approach.The numerical control technology is mechanical technical organic synthesis and so on electronic accounting machine and automatic control high technology and new technologies, has widely applied in the machine manufacture domain, causes the technique of manufacture to develop to the high speed automation high purification integration intellectualization network direction, causes the engineering products to develop in the performance to the high accuracy high efficiency high performance intellectualization direction, develops in the function to the miniaturized light multi-purpose direction, develops in the level to the systematized set 2013 届本科毕业设计（论文）integration direction. The expert predicted that in the future the manufacturing industry competition will be the numerical control technology competition to a great extent.In order to cause the undergraduate student graduate student to study the research numerical control technology, causes the researcher and the laboratory technician understands and grasps the numerical control link and the numerical control process fully. Our school depends on the Shanxi Province numerical control technology and the industrial automation key laboratory, has reported the numerical control test platform development scientific research item. This test platform advantage employing labor controls machine and the movement controller carries on the control to the XYZAB five coordinates, uses the displacement detector set to carry on the survey to the numerical control installment execution displacement. The coordinate control information examination information uses the microcomputer CRT large screen display. The entire test platform system uses the open style module type structure, the researcher may according to need to carry on the expansion to the system. Obviously, this experiment has the very strong operationality, studies the numerical control technology curriculum essential test installation.In the numerically-controlled machine tool, the server is the numerically-controlled machine tool installment and engine beds zonula adherens link, is the numerical control systems important component. The server accepts from the servo controllers to feed pulse, transforms after the transformation and the enlargement into platens displacement, causes the work table to follow the command pulse migration.After numerically-controlled machine tool long-term movement, transmission systems reverse gap and the pitch error are relatively prominent to position errors influence, because the machinery wears, causes the guide screw pitch error to increase, the working accuracy cannot obtain the guarantee. But in enterprises majority numerically-controlled machine tool revolves in the ultra performance and under the ultra bearing capacity condition, examines engine beds error and the prompt adjustment reverse gap, the pitch regularly and so on can improve the engine bed precision earnestly, the improvement components processing quality. Therefore, the enterprise must carry on a time guide screw pitch error compensation once in a while the adjustment, this regarding increases engine beds working accuracy to be essential. The laser interferometer is very high to errors measuring accuracy, but the price is expensive, needs the specialist to operate, is not suitable in produces under the scene environment to work. The step pitch gauging quantity manufacture is simple, the ease of operation, may satisfy the majority 2013 届本科毕业设计（论文）numerically-controlled machine tools request, is suitable specially for our country national condition and the mass numerically-controlled machine tool mechanical and electrical jointing shake down testing need. Presents numerical control system uses the software to carry on the pitch compensation, stores in systems memory each spot compensation quantity, the numerical control system may carry on the compensation automatically in the movement process to each coordinate position. The analysis software compensation principle, masters the concrete regulation means that establishes the compensation quantity correctly, and maintains to numerically-controlled machine tools use is important.Key words： CNC System；PID regulator；Position controller and the compensation device2013 届本科毕业设计（论文）目 录目 录 .61 绪论 .81.1 数控技术的发展现状和发展趋势 .81.2 毕业论文设计的内容要求 .82 总体介绍 .102.1 主要技术参数 .102.2 总体布局 .102.3 控制形式 .102.4 数控装置 .103 机械部分介绍 .113.1 滑台 .113.1.1 导轨 .113.1.2 丝杠 .123.1.3 电机 .143.2 转台 .143.2.1 转台电机 .143.3 检测元件 .143.3.1 光栅 .143.3.2 编码器 .154 通用运动控制器控制系统的介绍 .164.1 运动控制器概述 .164.1.1 运动控制器的构成 .174.1.2 运动控制器的特点 .184.1.3 通用运动控制技术及运动控制器的发展 .184.2 PMAC 运动控制卡 .224.2.1 PMAC 运动控制卡介绍 .224.2.2 PMAC 运动控制卡应用 .225 基于 PMAC 运动控制卡构建数控系统 .245.1 系统硬件组成 .245.1.1 工控机（IPC ） .245.1.2 PMAC2A-PC104 运动控制卡组 .255.1.3 I/O 板 .265.1.4 硬件控制系统的结构 .265.2 系统软件结构 .275.2.1 概述 .275.2.2 系统控制软件 .282013 届本科毕业设计（论文）6 数控技术试验台 .316.1 数控技术试验台总体结构 .316.2 机械本体 .316.3 伺服驱动系统 .336.4 反馈检测装置 .347 数控技术试验台螺距误差试验 .367.1 试验台螺距误差补偿 .367.2 螺距误差补偿原因 .367.3 螺距误差的补偿原理 .367.4 螺距误差测量实验步骤 .41致 谢 .43参考文献 .44附录 .472013 届本科毕业设计（论文）1 绪 论1.1 数控技术的发展现状和发展趋势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 1。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。采用的转角-线位移双闭环位置控制，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稳定性。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。1.2 毕业论文设计的内容要求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，使位置系统的运动精度达到要求。具体任务如下：（1） 了解本课题目前有关情况，完成楷体报告和英文翻译。（2） 熟悉机械学院数控试验台的结构和控制系统，绘制数控试验台结构图和控制系统原理图各 1 张，A0。（3） 测量螺距误差，找出误差规律。绘制误差分布图 1 张，A3。2013 届本科毕业设计（论文）（4） 设计及误差补偿装置，绘制补偿装置图 1 张，A1。 （5） 编写设计说明书 1 份，格式和字数满足学院要求。 2013 届本科毕业设计（论文）2 总 体 介 绍2.1 主要技术参数系统达到的技术指标为：脉冲当量 0.01mm，多坐标联动控制，行程 400mm，最大移动速度 2m/min。螺距 P=5mm。确定 Z 向行程 400mm，X、Y 向行程 200mm；B、C 两个转动轴每脉冲转角不大于 5 分。Z 向采用光栅测量位移，分辨率为 0.05mm；X、Y、Z、B、C 向电机轴上装编码器，分辨率不大于 5 分。2.2 总体布局试验台总体布局如图 1.1 所示。2.3 控制形式X、Y、B、C 向采用半闭环控制；Z 向即可采用闭环控制，也可采用半闭环控制。2.4 数控装置数控装置采用工控机（IPC）+运动控制器（PMAC）数控技术试验台外形(Appearance of NC technology experimental bench)2013 届本科毕业设计（论文）3 机 械 部 分 介 绍在现代数控机床中，为得到高速下的平稳运行，并具有较高的定位精度且防止爬行，要求进给系统中的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度，低摩擦阻力和动、静摩擦系数之差以及提高寿命等特点，而滚动导轨和滚珠丝杠螺母副能较好地满足要求。因此本实验台的设计采用了滚珠丝杠和滚动导轨的组合。需要根据进给驱动系统的要求进行设计。3.1 滑台本实验台为五轴数控试验台，行程为 X 方向 200mm，Y 方向 400mm，Z 方向 200mm。其中 X、Y 方向为上下两层运动台，结构相同。所以在滑台设计时，以 Y 方向进行设计，X方向未进行设计计算，参照 Y 方向确定。本实验台为无负载实验台，对 Y 方向来说，工作台重量约 200（X 方向 155N，转台 45N） 。3.1.1 导轨导轨的功用：本设计的导向机构是导轨，导轨主要是用来支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动。本设计要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确地完成特定方向的运动，这个任务就是由导向机构来完成。导轨的分类和特点:两个作相对运动的部件构成一对导轨副,其中,在工作时固定不动的配合面称为固定导轨或静导轨;相对固定导轨作直线和回转运动的配合面称为运动导轨.根据导轨副之间的摩擦情况,导轨分为滑动导轨和滚动导轨两大类.滚动导轨的优点是摩擦系数小,一般在 0.003-0.004,动静系数很接近,低速运动不会产生爬行现象,可以使用油质润滑.滚动导轨的两导轨面之间为滚动摩擦,磨损小,寿命长,定位精度高,灵敏度高,但是结构复杂,几何精度要求高,抗振性较差,防护要求高.制造困难,成本高.它适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位精度高的场合.滚动导轨因其特有的优点在数控机床在的应用十分广泛,现在常用的有直线导轨副、滚动导轨块和直线滚动导轨副。直线导轨副一般用滚珠作为滚动体，滚动导轨块用滚子做滚动体，滚动导轨副的导轨轴时圆柱体，用合金钢制成，与前两者相比，承载钢球与导轨副之间是两个凸圆之间的点接触，许用载荷小很多。因此。滚动导轨副只能用于轻载场合，并且一般不予加载荷。本实验为无载数控实验装置，所以设计时选用滚动导轨2013 届本科毕业设计（论文）副1）滚动导轨副Y 方向承受 X 方向及转台的重量，约 200N。作用于滚动导轨副的载荷 由于导轨只承受重力的作用，所以计算时按照只受重力载荷，不受测向载荷。滚动导轨副受力分析见图 2.1。W=200N， =88 =117 =20 =300l1l2l3l将已知数据代入上式，有： 98.36N 131204wRWll52.92N 247.08N33120ll1.64N4w载荷呈分段变化则滚动支承所受的径向力 =73.77NcF滚动导套副的额定寿命 L=4819.28h 额定动载荷 C=501.1N3.1.2 丝杠1滚珠丝杠副的介绍滚珠丝杠副是螺旋传动元件，它的产生和发展只经历了数十年的历史，然而它具有长寿命、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙的特点，并具有优越的高速特性和耐磨特性及可逆性等特点，这些特点都是普通丝杠副不可能具有的机械传动性能。同时它可以由专业生产厂家组织生产和供应，已实现了标准化、通用化、商品化，用户可根据各自得需要方便地进行选购和订购，因此滚珠丝杠副以其显著的特点而得以广泛应用，成为各类数控机床的主要传动机构。滚珠丝杠副食一种螺旋传动机构，在具有螺旋槽的丝杠和螺母之间装有中间传动元件滚珠。它由丝杠螺母滚珠和返向器等四部分组成，当丝杠和螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，丝杠和螺母之间相对运动时产生滚动摩擦。为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，如返向器和挡柱器，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内既自转又沿滚道循环转动。滚珠丝杠副与普通丝杠副相比较，它用滚道摩擦代替滑动摩擦，具有以下特点：（1）摩擦损失小、传动效率高。由于滚动丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达90-96%，约为普通螺旋机构传动效率的 2-3 倍；（2）磨损小、寿命长。通常，滚珠丝杠副的主要零件都经过淬硬，表面粗糙度较低，且滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，精度保持性能好，工作寿命长；2013 届本科毕业设计（论文）（3）轴向刚度高。滚珠丝杠副可完全地消除传动间隙，不影响运动的灵活性，从而可以获得较高的轴向刚度，而且可以通过预紧来提高轴向刚度；（4）摩擦阻力小、运动平稳。由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，启动力矩与运动力矩近乎相等。因此灵敏度高，运动较平稳，启动时无颤动，低速传动时无爬行现象；（5）不能自锁。由于滚珠丝杠副没有自锁能力，用于垂直升降传动时必须增设自锁装置或制动装置；（6）具有传动的可逆性。由于滚珠丝杠副摩擦损失小，可以从螺旋运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可作为主部件，也可作为从动件。但是，与普通丝杠副相比，滚珠丝杠副尚存在结构复杂，工艺难度大，制造成本高等缺点。根据滚珠丝杠副螺纹滚道法向截面的形状、滚珠的循环方式、消除轴向间隙和调整预紧的方法不同，将滚珠丝杠传动分为以下几种不同的结构型式：（1）螺纹法向截型 螺纹法向截型是指通过滚珠中心的螺旋线的法向平面与丝杠或螺母滚道面的交线的形状。目前，较常用的滚道型面为单圆弧和双圆弧两种。单圆弧滚道型 面的特点是容易得到较高的精度，但接触角不容易控制，因而其传动效率、承载能力和轴向刚度均不够稳定。双圆弧滚道型面的特点是滚道型面的精加工较困难，其传动效率、承载能力和轴向刚度均较稳定。（2）滚珠循环方式 按照滚珠在整个循环过程中与丝杠表面的接触情况，循环方式分为内循环和外循环两种。由于制造和安装的误差，滚珠丝杠副存在间隙，影响其传动精度并降低了滚珠丝杠副的刚度，因此要采取消除间隙的预加载荷的方法。目前广泛采用的是双螺母调整预紧装置。综上所述，确定本试验台的滚珠丝杠副采用单圆弧、内循环、双螺母螺纹调整方式的结构型式。滚珠丝杠的支承方式主要有四种，我们选用两端支承方式它的优点是可对丝杠进行预拉伸，可承受两个方向的轴向力，保持了丝杠精度。因此，该支承方式只承受拉力，不承受压力，因此不存在压杆的稳定性问题。2.滚珠丝杠副 工作台重量 =30N1W工作台承重 =200N2工作台最大行程 =400mmhL2013 届本科毕业设计（论文）工作台快速进给速度 =2m/minmaxV定位精度 0.05mm重复定位精度 mm1)确定滚珠丝杠副的导程 =5mm hP2)滚珠丝杠副的载荷及转速 =0.92N =400r/minmFmN试验台选用汉江机床厂的产品,其型号为:GQ16 5-P3.3.1.3 电机本实验台是基于 PMAC 运动控制卡实现控制，是一个 IPC+PMAC 型的开放式数控系统，为了使机械本体也具有开放性，在伺服电机的选择上使本试验台的 Y 方向上既可用交流伺服电机也可用步进电机。计算时我们以步进电机来进行。脉冲当量 (所谓脉冲当量是指对应于系统输入端的一个进给脉冲，系统输出端产生的转角或位移。试验台选用的步进电机的型号为:四通步进电机 56BYG250B,其精转矩为0.65Nm,空载启动频率 2.7KHZ。3.2 转台实验台为五轴数控实验平台，其中三个直线移动，两个转动。两个旋转运动由转台实现