数控原理与系统第四章 PPT课件

第四章进给运动的控制 第一节概述 一 进给伺服系统及其性能 1 进给伺服系统的组成 数控机床进给伺服系统的一般结构 闭环 位置环 执行部件位置闭环控制 速度环 伺服电机速度闭环控制 电流环 伺服电机电枢电流闭环控制 三环结构 2 数控机床对进给伺服系统的要求 稳定性好精度高动态精度 跟随误差 静态精度 重复定位误差快速响应且无超调电动机调速范围宽低速大转矩 二 进给伺服系统的分类 1 按控制方式分 开环伺服系统全闭环伺服系统半闭环伺服系统 特点 采用步进电机作为驱动电机 没有位置反馈和速度反馈回路 结构简单 工作稳定 调试方便 控制精度较低 运行速度较慢 一般用于低档数控机床及普通机床的数控化改造 半闭环伺服系统的位置检测元件一般安装在电机轴或丝杠端部 控制回路中不包含机械传动装置 为提高控制精度 需提高机械传动装置的精度 与全闭环控制相比 半闭环伺服系统调试容易 性能较高 在数控机床中得到广泛应用 全闭环控制直接对执行部件的位置进行反馈控制 理论上控制精度最高 但是传动链的非线性影响因素 间隙 摩擦 弹性变形等 对系统稳定性影响大 这类系统结构复杂 调试困难 主要用于精度要求高的数控机床和加工中心 2 按驱动元件的类型分 3 按反馈比较方式分 三 驱动系统的工作特性曲线 1 步进驱动系统工作特性曲线 2 直流伺服系统工作特性曲线 FANUCBESK15直流伺服电机的工作曲线 第二节开环数控系统进给运动控制 一 步进电机的工作原理 1 步进电机结构及分类 2 按定子绕组相数分3相 5相 通电方式 单拍 一次通电时只有一相通电双拍 一次通电时有两相同时通电单双拍 单拍和双拍交替的通电方式 2 工作原理 单拍双拍方式 k 2 单拍 双拍方式 k 1 每一拍 转子转过一个固定的角度 称为步距角 常用步距角 步距角 z 转子齿数m 定子相数k 通电方式系数 控制输入脉冲频率可控制步进电机转速 控制通电相序可改变电机转向 控制脉冲个数可控制步进电机角位移 3 步进电机的特性 1 矩角特性 步进电机在不改变通电状态时 在电机轴上外加负载转矩 转子转过一定的角度 负载撤除后转子回复原来位置 这种外加转矩与转子转角的称为矩角特性 在矩角特性曲线中的最大转矩称为步进电机的最大静态转矩 最大静转矩表示了步进电机容量的大小 2 起动频率 空载起动 突跳 频率 空载时步进电机由静止突然启动 进入不失步的正常运行状态的最高控制脉冲频率 步进电机的单步运行分析 3 矩频特性步进电机的最大动态转矩与脉冲频率的关系 最高运行频率 4 步进电机的选择 步距角应满足数控机床进给系统对脉冲当量的要求 增大传动比 减小丝杠导程也可减小脉冲当量 根据快速进给速度 确定步进电机最高工作频率 根据负载转矩 选择步进电机的最大静转矩 步进电机最大静转矩 5 10 倍负载转矩 根据加工精度要求确定脉冲当量并选择步距角 校核步进电机的突跳频率和加速性能 查步进电机起动惯 频特性曲线 确定步进电机在带负载惯量下的突跳频率 若无电机起动惯 频特性曲线 可按下式近似计算步进电机带惯性负载的突跳频率 二 开环系统控制原理 数控装置发出N个进给脉冲 步进电机定子绕阻通电状态改变N次 电机轴角位移 步距角 N 工作台位线移L 360 t 1 工作台位移量控制 脉冲当量 2 工作台进给速度控制 控制脉冲频率f 改变定子绕阻通断电状态变化频率f 改变步进电机转速 改变工作台进给速度v 工作台进给速度 3 工作台运动方向控制 改变步进电机定子绕阻通电相序 改变工作台运动方向 例4 1 某5相步进电动机的转子齿数z 40 采用5相10拍通电方式 试计算该步进电动机的步距角 若已知进给系统的传动比i 1 25 丝杠导程t 5mm 系统的最高进给速度 3000mm min 步进电机的最高工作频率选择多大 例4 2已知开环进给系统脉冲当量为0 03mm p 丝杠与电机直联 螺距t 7 2mm 1 步进电机的步距角选多大 2 已选步进电机转子有40个齿 试确定步进电机定子绕组通断电为几相几拍 并写出正 反向运行时电机定子绕组的通断电顺序 三 步进电机驱动与控制 驱动系统组成 步进电机驱动装置利用控制脉冲信号对步进电机的工作电源进行控制 驱动步进电机运行 步进电机驱动器通常还具有指令脉冲的分配功能 1 步进电动机的驱动电路 感性负载及其对驱动电路的影响 步进电机对功率放大器是感应负载 在脉冲频率较高时 使绕组电流的变化缓慢 为克服感性负载对功率放大电路的影响 出现了多种典型的步进电机功放电路 线路简单 但是电流上升不够快 高频时带负载的能力低 1 单电压驱动电路 2 高低压驱动电路 2 脉冲分配 脉冲分配原理 软件脉冲分配的算法 3 速度控制 延时法 定时中断控制 4 自动升降速控制 为避免电机起动过程中的冲击和电机丢步 要求脉冲频率逐渐增加或减小 且频率变化量应小于步进电机的突跳频率值 升降速的计算机控制方法 四 开环进给系统精度分析 步进电机的步距误差 步进电机的动态误差 步进电机的起停误差 滚珠丝杠的螺距误差 齿轮副齿侧间隙 丝杠等机械部件的受力变形和热变形 工作台导轨的误差 2 提高精度的措施 从驱动电路入手 从软件入手 从控制原理入手 1 影响开环进给系统精度的因素 第三节闭环数控系统进给运动控制及特性分析 一 闭环位置控制系统 1 闭环位置控制原理 数控装置控制接口 二 闭环进给伺服系统性能分析 1 位置控制回路的数学模型 2 定位过程的误差分析 简化位置闭环控制数学模型 开环传递函数闭环传递函数 数字仿真实验 位置闭环控制系统是典型的I型系统 以下采用数字仿真的方法研究在定位过程中的动态响应性能 若要提高系统的位置增益 驱动装置的时间常数要小 仅仅选用快速性好的伺服驱动 不提高位置增益 则不能提高位置回路的瞬态响应性能 K与T的配合 KT 0 2 0 3 位置控制 I型系统 的跟随误差E 跟随误差对输入的传递函数 主要分析结论 位置回路闭环传递函数 位置伺服系统对单位斜坡输入信号 的跟随误差 跟随误差与进给指令速度的关系 四 跟随误差对轮廓控制精度的影响 1 直线插补轮廓误差分析 加工直线轮廓时输入的X Y坐标 轮廓误差分析 移动部件沿坐标轴运动时 跟随误差不产生轮廓误差 当各坐标轴开环增益相等时 跟随误差抵消轮廓误差等于零 当两各标轴开环增益均为常数时 跟随误差不会造成 直线 轮廓误差 进给速度与轮廓误差成正比 2 对圆弧轮廓加工精度的影响 当 进给速度F为恒速 不造成轮廓形状误差 仅在从圆上某一点开始加工整圆时 由于加减速过程速度变化产生局部的轮廓误差 3 拐角轮廓误差分析 消除或减小拐角轮廓误差的途径 提高伺服系统的开环增益 适当降低进给速度 在前后程序段之间插入延时以消除跟随误差的影响 采用尖角过渡指令 采取升降速方法 欠程 现象分析 第四节闭环数控系统进给驱动装置的信号连接 一 模拟电压控制方式 一 指令脉冲控制方式 三 基于现场总线的信号连接方式 SIMODRIVE611UE是西门子公司开发的高性能交流伺服驱动系统 是SINUMERK802D系统标准配置 用于1FK7伺服电机和1PH7主轴电机 该驱动系统采用模块化结构 数控系统与驱动系统之间采用现场总线 PROFIBUS 连接 组成 第五节进给运动控制参数设置 数控系统 西门子802D 的机床参数 一 一般参数 1 倍频数与分辨率2 正负向存储行程极限3 间隙与螺距误差4 快速移动速度与最大切削进给速度5 机床参考点的坐标值6 到位范围 有关进给系统的常用参数 二 变增益位置控制的增益 v 三 升降速参数 四 返回参考点参数 FAGOR8025 五 单向定位参数 1 单向定位的方向2 接近点与定位点距离与运动速度 第六节进给运动的误差及其补偿 一 传动反转间隙及其补偿 1 传动反转间隙的影响 2 采用补偿方法消除传动间隙的影响 在机床反向运动时 在进给指令中加入补偿间隙的补偿脉冲 以使机床多走一段等于间隙的位移 补偿法用于开环进给系统 半闭环进给系统闭环回路以外的传动间隙 在进给传动链中 齿轮传动 滚珠丝杠螺母副等均存在反转间隙 这种反转间隙会造成在工作台反向运动时 电动机空走而工作台不运动 从而造成半闭环系统的误差和全闭环系统的位置环振荡不稳定 二 螺距误差及其补偿 基本原理 将数控机床各进给轴的指令位置与由测量得到的实际测量进行比较 得到全行程范围的误差分布曲线 并将误差以表格形式输入