第6章数控技术讲述

1、16-1 进给伺服系统的总体结构进给伺服系统的总体结构6-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型6-3 伺服参数的优化伺服参数的优化6-4 误差补偿概述误差补偿概述6-5 几何误差补偿几何误差补偿6-6 热误差补偿热误差补偿6-7 动态误差补偿动态误差补偿第六章第六章 伺服系统分析及误差补偿伺服系统分析及误差补偿26-1 进给伺服系统的总体结构进给伺服系统的总体结构 按控制信号的形式和位置控制器所处的位置，按控制信号的形式和位置控制器所处的位置，CNC系统的位系统的位置控制有三种形式：置控制有三种形式： 开环脉冲位置控制开环脉冲位置控制 总线式（分散）位置控制总线式（分散）位置控制

2、集中式位置控制集中式位置控制 位置控制由全数字伺服驱动系统实现，位置控制由全数字伺服驱动系统实现， CNC通过脉冲指令来实现位置控制通过脉冲指令来实现位置控制 位置控制由位置控制由CNC装置实现装置实现第六章第六章 伺服系统分析及误差补偿伺服系统分析及误差补偿31. 开环脉冲位置控制开环脉冲位置控制步进步进电机电机工作台工作台步进电机步进电机驱动器驱动器指令指令脉冲脉冲CNC 电机的工作方式为位置控制，电机的工作方式为位置控制，CNC通过脉冲指令来实现位通过脉冲指令来实现位置控制，其发送到电机的脉冲的累计就是机床的位置。置控制，其发送到电机的脉冲的累计就是机床的位置。 CNC装置需要对每个脉冲

3、进行处理，占据大连时间。有些装置需要对每个脉冲进行处理，占据大连时间。有些CNC采用硬件脉冲发生器，采用硬件脉冲发生器，CNC按照下一时刻机床应达到的位按照下一时刻机床应达到的位置（粗插补）计算脉冲的频率和个数，硬件脉冲发生器按设定置（粗插补）计算脉冲的频率和个数，硬件脉冲发生器按设定频率产生相应脉冲（精插补），节省大量频率产生相应脉冲（精插补），节省大量CPU时间，控制速度时间，控制速度大大提升。（可用大大提升。（可用FPGA实现）实现）6-1 进给伺服系统的总体结构进给伺服系统的总体结构42. 分散（总线式）位置控制分散（总线式）位置控制 机床各轴的位置控制由各轴伺服驱动系统来实现，机床各

4、轴的位置控制由各轴伺服驱动系统来实现，CNC只需只需通过高速伺服总线实现通过高速伺服总线实现CNC与伺服驱动系统的数据通信。与伺服驱动系统的数据通信。CNC交流伺服驱动器交流伺服驱动器速度速度控制控制电流电流控制控制位置位置控制控制指令指令位置位置变换变换调制调制d/dt伺服伺服电机电机工作台工作台位置位置反馈反馈6-1 进给伺服系统的总体结构进给伺服系统的总体结构53. 集中式位置控制集中式位置控制 各轴的位置控制均由各轴的位置控制均由CNC装置实现，其控制方装置实现，其控制方法和原理与交流伺服驱动器的位置控制一样，采样法和原理与交流伺服驱动器的位置控制一样，采样比例增益控制，输出为模拟量速

5、度信号。比例增益控制，输出为模拟量速度信号。6-1 进给伺服系统的总体结构进给伺服系统的总体结构CNC伺服驱动器伺服驱动器速度速度控制控制电流电流控制控制变换变换调制调制d/dt伺服伺服电机电机工作台工作台D/AA/D位置位置反馈反馈位置位置控制控制插补插补位置位置6全闭环进给伺服系统位置控制系统框图全闭环进给伺服系统位置控制系统框图 (s)u(z)伺服伺服电机电机KPPEp(z)s1Y(s)GJ(s)Gv(z)机械机械传动传动 (s)速度速度控制控制GD(s)Ev(z)Y(z) (z)位置位置控制控制4. 进给系统总体控制系统框图进给系统总体控制系统框图6-1 进给伺服系统的总体结构进给伺服

6、系统的总体结构7伺服伺服电机电机机械机械传动传动速度速度控制控制 (s)u(z)KPPEp(z)s1Y(s)GJ(s)Gv(z) (s)GD(s)Ev(z) (z)Kn (z)Y(z)速度速度控制控制半闭环进给伺服系统位置控制系统框图半闭环进给伺服系统位置控制系统框图4. 进给系统总体控制系统框图进给系统总体控制系统框图6-1 进给伺服系统的总体结构进给伺服系统的总体结构86-1 进给伺服系统的总体结构进给伺服系统的总体结构6-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型6-3 伺服参数的优化伺服参数的优化6-4 误差补偿概述误差补偿概述6-5 几何误差补偿几何误差补偿6-6 热误差补偿热

7、误差补偿6-7 动态误差补偿动态误差补偿第六章第六章 伺服系统分析及误差补偿伺服系统分析及误差补偿96-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型进给系统机械传动示意图进给系统机械传动示意图 (t)S(t)x(t)KSKjBjJSBSMF(t)1. 1. 机械传动系统的数学模型机械传动系统的数学模型 丝杠上的动力学方程为：丝杠上的动力学方程为：)()()()(ttiKtBtJssssss 工作台的动力学方程为：工作台的动力学方程为：( )( )( )( )( )jjssMx tB x tK Ttx tF tTs10)()()()(2sKsiKssBssJsssssss2( )( )( )

8、( )jjssjMX s sB X s sK TsK X s22( )( )( )()()ssjjjjsssiT K KX sG ssMsB sKJ sB sK在零初始条件下忽略系统的干扰力，进行拉氏变换可得：在零初始条件下忽略系统的干扰力，进行拉氏变换可得：电机转角到工作台位移输出的传递函数：电机转角到工作台位移输出的传递函数：6-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型11 由于机械系统的扭转刚度而引起的惯性力矩和阻尼力矩的变由于机械系统的扭转刚度而引起的惯性力矩和阻尼力矩的变化很小，可以忽略，可以认为：化很小，可以忽略，可以认为： )()(2tiJtJsss )()(tiBtBs

9、ss2( )( )( )()sjsjjsjiK TX sG ssMsB sK则：则： 6-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型122.2.进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型 进给伺服系统的传递函数框图进给伺服系统的传递函数框图(PI(PI控制控制) ) 6-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型13 0.02 0.04 0.063021060240902701203001503301800轮 廓 误 差 极 坐 标 图 picangle /deg wr基 圆 0.02 0.04 0.063021060240902701203001503301800轮 廓 误 差

10、 极 坐 标 图 picangle /deg wr基 圆X-Y轴圆运动误差曲线轴圆运动误差曲线 V=0.5m/minV=1m/min3. 进给伺服系统的响应误差进给伺服系统的响应误差高速引起的动力学效应对机床精度的影响更加显著高速引起的动力学效应对机床精度的影响更加显著.6-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型14加减速引起的插补误差对机床精度的影响非常显著加减速引起的插补误差对机床精度的影响非常显著. 0.5 1 1.53021060240902701203001503301800轮 廓 误 差 极 坐 标 图 picangle /deg wr基 圆 1 2 3 43021060

11、240902701203001503301800轮 廓 误 差 极 坐 标 图 picangle /deg wr基 圆X-Y轴圆运动误差曲线轴圆运动误差曲线 V=5m/minV=10m/min3. 进给伺服系统的响应误差进给伺服系统的响应误差6-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型156-1 进给伺服系统的总体结构进给伺服系统的总体结构6-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型6-3 伺服参数的优化伺服参数的优化6-4 误差补偿概述误差补偿概述6-5 几何误差补偿几何误差补偿6-6 热误差补偿热误差补偿6-7 动态误差补偿动态误差补偿第六章第六章 伺服系统分析及误差补偿伺

12、服系统分析及误差补偿166-7 伺服参数优化伺服参数优化一、伺服驱动系统的控制参数一、伺服驱动系统的控制参数位置环增益KpKp电流环增益增益KiP速度环增益速度环增益KvP速度环积分增益速度环积分增益和时间常数和时间常数前馈系数各环控制周期各环滤波器参数176-7 伺服参数优化伺服参数优化 各轴伺服参数不匹各轴伺服参数不匹配或参数或设置不当产配或参数或设置不当产生的误差生的误差 1 2 3 43021060240902701203001503301800轮 廓 误 差 极 坐 标 图 picangle /deg wr基 圆18二、伺服参数优化方法二、伺服参数优化方法1、手动调整控制环参数、手动

13、调整控制环参数 保证系统稳定性的前提下，提高其比例增益，减小位置偏差保证系统稳定性的前提下，提高其比例增益，减小位置偏差 多轴联动运行时，位置环比例增益保持一致，使得轮廓误差多轴联动运行时，位置环比例增益保持一致，使得轮廓误差降低，避免伺服不匹配现象的产生降低，避免伺服不匹配现象的产生 适当设定积分系数，减小稳态误差适当设定积分系数，减小稳态误差 施加电子滤波器，抑制系统谐振施加电子滤波器，抑制系统谐振2、遗传算法智能整定控制参数、遗传算法智能整定控制参数6-7 伺服参数优化伺服参数优化19三、西门子三、西门子840D系统的伺服参数优化系统的伺服参数优化1、需要优化的参数、需要优化的参数 电流

14、环参数的优化电流环参数的优化 MD1120 MD1120 电流环增益电流环增益 速度环参数的优化速度环参数的优化 MD1407 MD1407 速度环增益速度环增益 为了抑制频率响应中的峰尖，通过施加电流滤波器（带通和为了抑制频率响应中的峰尖，通过施加电流滤波器（带通和带阻）消除，带阻）消除，MD1200 MD1225MD1200 MD1225。 位置环参数的优化位置环参数的优化 MD32200 MD32200 位置环增益位置环增益 MD1121 MD1121 电流环积分时间电流环积分时间 MD1409 MD1409 速度环积分时间速度环积分时间6-7 伺服参数优化伺服参数优化20三、西门子三、

15、西门子840D系统的伺服参数优化系统的伺服参数优化2、优化流程、优化流程6-7 伺服参数优化伺服参数优化21三、西门子三、西门子840D系统的伺服参数优化系统的伺服参数优化6-7 伺服参数优化伺服参数优化22优化前球杆仪测试结果优化前球杆仪测试结果优化后球杆仪测试结果优化后球杆仪测试结果优化后系统圆度测试结果优化后系统圆度测试结果谐振得到抑制谐振得到抑制动态性能提高动态性能提高3、优化结果、优化结果6-7 伺服参数优化伺服参数优化236-1 进给伺服系统的总体结构进给伺服系统的总体结构6-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型6-3 伺服参数的优化伺服参数的优化6-4 误差补偿概述误

16、差补偿概述6-5 几何误差补偿几何误差补偿6-6 热误差补偿热误差补偿6-7 动态误差补偿动态误差补偿第六章第六章 伺服系统分析及误差补偿伺服系统分析及误差补偿246-3 误差补偿概述误差补偿概述一、误差补偿的意义一、误差补偿的意义 精度是机床的基础，提高数控机床的精度首先是提高机床精度是机床的基础，提高数控机床的精度首先是提高机床各部件的制造和装配精度以及动态性能，但机械精度提高到一各部件的制造和装配精度以及动态性能，但机械精度提高到一定程度后就很难再提高了，或者成本太高难以应用。因此通过定程度后就很难再提高了，或者成本太高难以应用。因此通过数控系统对误差进行补偿是有效和经济的途径。数控系统

17、对误差进行补偿是有效和经济的途径。 对于动、静摩擦力的差异、热胀冷缩等自然现象产生的误对于动、静摩擦力的差异、热胀冷缩等自然现象产生的误差，无法通过提高制造精度的方法来消除，只能通过补偿的方差，无法通过提高制造精度的方法来消除，只能通过补偿的方法来减小其误差法来减小其误差 反馈控制算法稳定性好、适应性好，但也造成一定的跟踪反馈控制算法稳定性好、适应性好，但也造成一定的跟踪误差，必须通过补偿技术来减小。误差，必须通过补偿技术来减小。25 机床误差包括机床误差包括几何误差几何误差、热误差热误差、摩擦误差摩擦误差和和伺服误差伺服误差 四四类。类。n 按误差产生原因分类按误差产生原因分类 上述误差按误

18、差产生原因分类：上述误差按误差产生原因分类：几何误差、热误差几何误差、热误差属于属于机床机床本体误差本体误差，摩擦误差和伺服误差摩擦误差和伺服误差属于属于机床运行误差机床运行误差。n 按误差的性质分类按误差的性质分类 上述误差按误差的性质分类：上述误差按误差的性质分类：几何误差几何误差属于属于静态误差静态误差，热误热误差差属于属于准静态误差准静态误差，摩擦误差和伺服误差摩擦误差和伺服误差属于属于动态误差动态误差，在机床，在机床运行时才表现出来，比较特殊。运行时才表现出来，比较特殊。6-3 误差补偿概述误差补偿概述二、机床误差的分类二、机床误差的分类26三、总线式数控系统误差补偿总体构架三、总线

19、式数控系统误差补偿总体构架a) CNC补偿模块总体框图补偿模块总体框图 几何误差几何误差补偿模块补偿模块伺服伺服驱动驱动dCurCmdPosdGerErrDatadTmpErrDatadRealCmdPos总线总线接口接口 CNC插补指令插补指令位置位置热误差热误差补偿模块补偿模块6-3 误差补偿概述误差补偿概述27b) 伺服驱动系统中误差补偿模块总体框图伺服驱动系统中误差补偿模块总体框图电机电机速度速度控制控制电流电流控制控制位置位置控制控制1/s前馈控制前馈控制间隙补偿间隙补偿总线总线接口接口指令位置序列指令位置序列摩擦补偿摩擦补偿6-3 误差补偿概述误差补偿概述286-1 进给伺服系统的

20、总体结构进给伺服系统的总体结构6-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型6-3 伺服参数的优化伺服参数的优化6-4 误差补偿概述误差补偿概述6-5 几何误差补偿几何误差补偿6-6 热误差补偿热误差补偿6-7 动态误差补偿动态误差补偿第六章第六章 伺服系统分析及误差补偿伺服系统分析及误差补偿296-4-1 几何误差分析几何误差分析按几何误差的类型分类按几何误差的类型分类 移动误差移动误差 定位误差（轴向）定位误差（轴向） 直线度误差（直线度误差（2个方向）个方向） 转动误差转动误差 滚转误差，俯仰误差，偏摆误差滚转误差，俯仰误差，偏摆误差 任一物体在空间中都具有任一物体在空间中都具有六

21、个自由度六个自由度，即沿空间坐标轴，即沿空间坐标轴X X、Y Y、Z Z直线方向的直线方向的移动自由度移动自由度和绕这三个坐标轴的和绕这三个坐标轴的转动自由度转动自由度。以以X X轴为例，移动误差包括水平直线度误差，垂直直线度和定位轴为例，移动误差包括水平直线度误差，垂直直线度和定位误差误差 ，转动误差包括滚转误差，俯仰误差和偏摆误差。，转动误差包括滚转误差，俯仰误差和偏摆误差。6- 4 几何误差补偿几何误差补偿301 1）沿）沿X X轴移动时，轴移动时，线性位移误差线性位移误差x(x)x(x)、Y Y向向直线度误差直线度误差y(x)y(x)、Z Z向直向直线度误差线度误差z(x)z(x)、滚

22、转误差、滚转误差x(x)x(x)、偏摆误差、偏摆误差y(x)y(x)和俯和俯仰误差仰误差z(x) z(x) 2 2）沿）沿Y Y轴移动与沿轴移动与沿Z Z轴移轴移动同理，因此动同理，因此X X、Y Y、Z Z三三个线性轴共有个线性轴共有1818项误差项误差3 3）3 3轴之间的垂直度误差轴之间的垂直度误差xyxy、zxzx、yz yz 三个线性轴共三个线性轴共2121项误差，项误差，5 5轴机床误差项更多轴机床误差项更多6-4-1 几何误差分析与建模几何误差分析与建模31316-4-2 840D数控系统几何误差补偿数控系统几何误差补偿840D的垂度误差补偿的垂度误差补偿 840D单轴位置误差补

23、偿单轴位置误差补偿 并非并非21误差都能补偿误差都能补偿 基准轴选择非常重要，不同的机床要选择不同的基准轴基准轴选择非常重要，不同的机床要选择不同的基准轴6- 4 几何误差补偿几何误差补偿32 首先利用测量得到的数据首先利用测量得到的数据建立补偿表文件建立补偿表文件( (文本文件文本文件) )，系统启动时将补偿表文件读入系统启动时将补偿表文件读入数控系统，建立补偿数组。机数控系统，建立补偿数组。机床返回参考点后，床返回参考点后，利用利用查表查表+ +线性插值线性插值等方法，在每个插补等方法，在每个插补周期对插补指令进行修正。周期对插补指令进行修正。 文件格式：基准轴、补偿轴、初始位置、终点位置

24、、补偿点距文件格式：基准轴、补偿轴、初始位置、终点位置、补偿点距离、补偿点的补偿值；离、补偿点的补偿值； 文件可包含多个补偿数组，同一个基准轴可补偿多个补偿轴，文件可包含多个补偿数组，同一个基准轴可补偿多个补偿轴，同一个补偿轴也可采用多个基准轴分别补偿（线性叠加）。同一个补偿轴也可采用多个基准轴分别补偿（线性叠加）。1. 840D的几何误差补偿方法的几何误差补偿方法6-4-2 840D数控系统几何误差补偿数控系统几何误差补偿33几何误差补偿框图几何误差补偿框图X光栅计数器光栅计数器X(显示显示)坐标坐标PXZ光栅计数器光栅计数器Y光栅计数器光栅计数器Y编码器计数器编码器计数器X编码器计数器编码

25、器计数器Z编码器计数器编码器计数器选择选择sX3选择选择sX1101010XT1dx_Xdx_Zdx_YX运动运动控制器控制器X插补插补指令指令X测量误差测量误差补偿表补偿表+Cmd_Xm选择选择sX2b选择选择sX2a理想理想坐标系坐标系实际坐标系实际坐标系X电机电机指令位置指令位置Y_X垂度垂度补偿表补偿表Z_X垂度垂度补偿表补偿表 选择选择sZ1选择选择sY16-4-2 840D数控系统几何误差补偿数控系统几何误差补偿2. 840D的几何误差补偿原理的几何误差补偿原理3434ZXYO误差轨迹误差轨迹理想轨迹理想轨迹SIMENSE840D可实现的几何误差补偿可实现的几何误差补偿6-4-2

26、840D数控系统几何误差补偿数控系统几何误差补偿2. 840D的几何误差补偿原理的几何误差补偿原理 交叉轴（垂度）补偿交叉轴（垂度）补偿采用各轴对立补偿算法，采用各轴对立补偿算法，即：对于补偿轴即：对于补偿轴Z来说，当来说，当沿沿X方向运动时，方向运动时，Y轴相对轴相对Z轴的补偿量不变，同样，轴的补偿量不变，同样，当沿当沿Y方向运动时，方向运动时，X轴相轴相对对Z轴的补偿量不变。其优轴的补偿量不变。其优点是所需补偿数据少，补点是所需补偿数据少，补偿算法简单；缺点是交叉偿算法简单；缺点是交叉影响误差（扭曲误差）不影响误差（扭曲误差）不能补偿。能补偿。351 1、轴向误差测量、轴向误差测量-螺距螺

27、距/ /光栅误差光栅误差 对于螺距测量，将测量行程平对于螺距测量，将测量行程平均分为均分为N N个点，然后激光干涉仪个点，然后激光干涉仪运动到第运动到第n n个点，获得此点的正个点，获得此点的正方向误差，并在该点方向误差，并在该点多次测量多次测量求求误差平均值误差平均值，形成，形成双向误差补偿双向误差补偿数据。数据。6-4-3 几何误差测量几何误差测量36366-4-3 几何误差测量几何误差测量2 2、轴间误差测量、轴间误差测量激光矢量分步对角线法测量原理激光矢量分步对角线法测量原理372 2、轴间误差测量、轴间误差测量 右图是用对角线测右图是用对角线测量法原理图。测量量法原理图。测量3 3组

28、组对角线，解方程组，可对角线，解方程组，可得到所需的补偿值得到所需的补偿值 e ex(x)x(x)、 e ex(y) x(y) 、 e ex(z) x(z) 、 e ey(y)y(y)、 e ey(x)y(x)、 e ey(z)y(z)、 e ez(z) z(z) 、 e ez(x) z(x) 、 e ez(y)z(y)。 有些激光干涉仪可自动生成有些激光干涉仪可自动生成840D所需的单轴和交叉轴误差补所需的单轴和交叉轴误差补偿数据文件。偿数据文件。6-4-3 几何误差测量几何误差测量38一、间隙产生原因及影响一、间隙产生原因及影响产生原因：产生原因： 机床滚珠丝杠与螺母副之间存机床滚珠丝杠与

29、螺母副之间存在间隙，不能紧密接触，产生在间隙，不能紧密接触，产生轴窜动。轴窜动。 随着机床的使用，磨损逐渐加随着机床的使用，磨损逐渐加剧，产生间隙。剧，产生间隙。影响：影响： 工作台反向运动时电机空转而工作台反向运动时电机空转而工作台并不运动，造成工作台并不运动，造成D/2D/2的定位误差，影响机床精度的定位误差，影响机床精度 间隙过大时，动态响应特性变间隙过大时，动态响应特性变差差,发生振荡发生振荡解决方案：解决方案： 采用高精度的滚珠丝杠采用高精度的滚珠丝杠 安装丝杠时进行预紧安装丝杠时进行预紧 用数控系统指令补偿间隙用数控系统指令补偿间隙 6-4-4 间隙误差补偿间隙误差补偿无间隙无间隙

30、39 当当D较大时，会造成电机加速度过大，系统不平稳，产生较大时，会造成电机加速度过大，系统不平稳，产生振荡；控制器产生饱和现象；产生跟随误差。振荡；控制器产生饱和现象；产生跟随误差。间隙补偿值变化情况间隙补偿值变化情况解决方案：解决方案： 间隙补偿量增量式增长：在一间隙补偿量增量式增长：在一定的插补周期内，逐步增加补偿定的插补周期内，逐步增加补偿量，实现补偿值的跳跃，而避免量，实现补偿值的跳跃，而避免了一个周期内补偿值大的变化。了一个周期内补偿值大的变化。二、间隙较大时的补偿方法二、间隙较大时的补偿方法 6-4-4 间隙误差补偿间隙误差补偿40三、间隙误差对圆加工的影响三、间隙误差对圆加工的

31、影响 5-5-4 间隙误差补偿间隙误差补偿416-1 进给伺服系统的总体结构进给伺服系统的总体结构6-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学模型6-3 伺服参数的优化伺服参数的优化6-4 误差补偿概述误差补偿概述6-5 几何误差补偿几何误差补偿6-6 热误差补偿热误差补偿6-7 动态误差补偿动态误差补偿第六章第六章 伺服系统分析及误差补偿伺服系统分析及误差补偿426-5 热误差补偿热误差补偿6-5-1 热误差的分类热误差的分类1、按热误差的表现分类、按热误差的表现分类平移型热误差平移型热误差 xyy 平移型热误差可以通过误差补偿消除平移型热误差可以通过误差补偿消除 扭曲型热误差不可以通过

32、误差补偿消除扭曲型热误差不可以通过误差补偿消除 因此，在机床设计时总是希望通过热均衡结构设计，使因此，在机床设计时总是希望通过热均衡结构设计，使得热误差方向一致，不会发生扭转型热误差得热误差方向一致，不会发生扭转型热误差扭转型热误差扭转型热误差 43一、热误差的分类一、热误差的分类2、按热误差发生的部位分类、按热误差发生的部位分类主轴系统热误差主轴系统热误差zz进给系统热误差进给系统热误差 主轴系统热误差与工作台位置无关，只与温度相关主轴系统热误差与工作台位置无关，只与温度相关 进给系统热误差除了与温度相关之外，还与工作台的当前进给系统热误差除了与温度相关之外，还与工作台的当前位置相关位置相关

33、因此，需要根据不同的热误差形式进行补偿因此，需要根据不同的热误差形式进行补偿 x6-5-1 热误差的分类热误差的分类4444840D数控系统可实现的热变形误差补偿数控系统可实现的热变形误差补偿ZYdy1dz1与机床位置无关的热变形与机床位置相关的热变形ZYdz2Dz2=(Pz-Pz0)*tan(T)6-5-2 840D数控系统热变形误差补偿数控系统热变形误差补偿456-5-2 840D数控系统热变形误差补偿数控系统热变形误差补偿机床温度计算tan(T)计算K0(T)温度采集DB块DB块 PLC CALL FB3SD43900XSD43910XSD43920XMD32750X.1MD32750X

34、.2SD43910X * (Px - SD43920X)+DB31.DBB60.4 =1 and DB31.DBB60.5 =1插补指令位置+电机指令位置00( )( ).()xxKK TtgtPP回参考点回参考点完成信号完成信号46 SIMENSE 840D无法实现的无法实现的热误差补偿热误差补偿ZYdz3交叉位置相关的热变形交叉位置相关的热变形 应在结构设计中尽量减小这些变形应在结构设计中尽量减小这些变形6-5-2 840D数控系统热变形误差补偿数控系统热变形误差补偿47 建模的方便性、灵活性建模的方便性、灵活性 同一型号国产数控机床热特性的稳定性、一致性较差，同一型号国产数控机床热特性的

35、稳定性、一致性较差，同一模型对不同工况的适应性差，即使同一工况，随着使用同一模型对不同工况的适应性差，即使同一工况，随着使用时间的变化，热特性变化较大，所以，补偿模型是否方便修时间的变化，热特性变化较大，所以，补偿模型是否方便修改，是国产数控机床热误差走向实用的最关键问题。改，是国产数控机床热误差走向实用的最关键问题。 热误差实时补偿的可控制性热误差实时补偿的可控制性 热误差的实时补偿量的刷新必须在加工程序中可控，用热误差的实时补偿量的刷新必须在加工程序中可控，用户可通过加工程序（户可通过加工程序（M代码）来控制热误差补偿量刷新的开代码）来控制热误差补偿量刷新的开启和关闭，并能自动避免补偿量较

36、大的突变启和关闭，并能自动避免补偿量较大的突变热变形误差补偿中关键问题热变形误差补偿中关键问题6-5-2 840D数控系统热变形误差补偿数控系统热变形误差补偿48指令位置指令位置显示位置显示位置电机指令位置电机指令位置运动控制运动控制K0、tan、P0位置反馈位置反馈+-PLC温度采集温度采集基于基于PLC的热变形误差补偿的热变形误差补偿6-5-2 840D数控系统热变形误差补偿数控系统热变形误差补偿 机床厂家通过机床厂家通过PLC来采集温度，在来采集温度，在PLC程序中建立热误差程序中建立热误差补偿模型来计算热变形量，通过数据通信功能模块，改变补偿模型来计算热变形量，通过数据通信功能模块，改

37、变CNC中热误差补偿参数，进而实现热误差补偿。中热误差补偿参数，进而实现热误差补偿。49 误差补偿模型在误差补偿模型在PLC中设计，编程、调试不方便，计算模中设计，编程、调试不方便，计算模型必须非常简化，编程要求高（会影响其它逻辑运算的响应型必须非常简化，编程要求高（会影响其它逻辑运算的响应时间），精度较低，且时间），精度较低，且模型修改麻烦模型修改麻烦。同一型号国产数控机床热特性的稳定性、一致性较差，同一同一型号国产数控机床热特性的稳定性、一致性较差，同一模型对不同工况的适应性差，即使同一工况，随着使用时间模型对不同工况的适应性差，即使同一工况，随着使用时间的变化，热特性变化较大，机床用户很

38、难修改模型。的变化，热特性变化较大，机床用户很难修改模型。基于基于PLC的热变形误差补偿的热变形误差补偿特点分析特点分析:6-5-2 840D数控系统热变形误差补偿数控系统热变形误差补偿50基于基于SIMENSE840D二次开发的二次开发的热变形误差补偿热变形误差补偿6-5-2 840D数控系统热变形误差补偿数控系统热变形误差补偿NCSIMENSE840D HMIK0、tan、P0二次开发程序RS232温度采集温度采集补偿模块补偿模块笔记本笔记本工件误差工件误差自动建模软件自动建模软件PLC516-1 进给伺服系统的总体结构进给伺服系统的总体结构6-2 进给伺服系统的数学模型进给伺服系统的数学

39、模型6-3 伺服参数的优化伺服参数的优化6-4 误差补偿概述误差补偿概述6-5 几何误差补偿几何误差补偿6-6 热误差补偿热误差补偿6-7 动态误差补偿动态误差补偿第六章第六章 伺服系统分析及误差补偿伺服系统分析及误差补偿52 工作台低速运动时，静摩擦占工作台低速运动时，静摩擦占主导地位。主导地位。 工作台速度较高时，体现为与工作台速度较高时，体现为与方向相关的库仑摩擦和与速度相方向相关的库仑摩擦和与速度相关的粘性摩擦关的粘性摩擦(阻尼阻尼)。 两者之间呈现剧烈的非线性特两者之间呈现剧烈的非线性特性。性。Stribeck摩擦力模型摩擦力模型一、摩擦力特性分析一、摩擦力特性分析6-6 动态误差补

40、偿动态误差补偿6-6-1 摩擦误差补偿摩擦误差补偿53二、摩擦误差产生原因二、摩擦误差产生原因 高速时，速度指令大高速时，速度指令大电机转矩大于摩擦力，不会造成摩擦电机转矩大于摩擦力，不会造成摩擦误差。误差。低速时，速度指令小低速时，速度指令小电机转矩小，当电机转矩小于电机转矩小，当电机转矩小于摩擦力时，电机在旋转，但工作台并不运动，造成摩擦误差摩擦力时，电机在旋转，但工作台并不运动，造成摩擦误差 当电机转矩小于摩擦力时，能量被传动系统弹性环节储存起当电机转矩小于摩擦力时，能量被传动系统弹性环节储存起来，当电机转矩大于摩擦力时，由于静摩擦力大于动摩擦力来，当电机转矩大于摩擦力时，由于静摩擦力大

41、于动摩擦力使得能量释放，造成系统振荡。使得能量释放，造成系统振荡。6-6-1 摩擦误差补偿摩擦误差补偿54 工作台改变方向时速度为工作台改变方向时速度为0 0，静摩擦力最大，摩擦误差最大，静摩擦力最大，摩擦误差最大，因此常把摩擦误差称为过象限误差，摩擦误差补偿也通常从因此常把摩擦误差称为过象限误差，摩擦误差补偿也通常从反向点处开始。反向点处开始。 0.02 0.04 0.063021060240902701203001503301800轮 廓 误 差 极 坐 标 图 picangle /deg wr基 圆 0.02 0.04 0.06302106024090270120300150330180

42、0轮 廓 误 差 极 坐 标 图 picangle /deg wr基 圆摩擦导致的过象限误差摩擦导致的过象限误差6-6-1 摩擦误差补偿摩擦误差补偿55三、减小摩擦误差的方法三、减小摩擦误差的方法1、减小传动系统摩擦力、减小传动系统摩擦力 采用滚动导轨、液体静压导轨、空气静压导轨或磁悬浮导轨采用滚动导轨、液体静压导轨、空气静压导轨或磁悬浮导轨减小系统摩擦力，同时降低动摩擦和静摩擦力差异，提高进给减小系统摩擦力，同时降低动摩擦和静摩擦力差异，提高进给系统动态性能。但系统动态性能。但采用高性能导轨将极大地提高机床成本。采用高性能导轨将极大地提高机床成本。2、提高伺服驱动系统刚度、提高伺服驱动系统刚

43、度 通过提高伺服驱动系统的位置环、速度环和电流环刚度，当通过提高伺服驱动系统的位置环、速度环和电流环刚度，当摩擦误差产生时，小的误差信号能够及时、足够地调整到电机摩擦误差产生时，小的误差信号能够及时、足够地调整到电机驱动电流。但高刚度容易引起系统振荡。驱动电流。但高刚度容易引起系统振荡。 减小伺服驱动器各控制环的控制周期也有利于提高系统的响减小伺服驱动器各控制环的控制周期也有利于提高系统的响应速度。但减小控制周期对数控装置的硬件性能要求较高。应速度。但减小控制周期对数控装置的硬件性能要求较高。6-6-1 摩擦误差补偿摩擦误差补偿56178180182184186-0.500.511.52ang

44、le /degaxis velocity mm/svelocity pic xvyv6-6-1 摩擦误差补偿摩擦误差补偿四、摩擦误差补偿四、摩擦误差补偿速度环速度环位置环位置环电流环电流环电机电机/工作台工作台d/dt-+-+摩擦前馈摩擦前馈+n1 1、摩擦补偿原理、摩擦补偿原理57加速度加速度补补偿偿时时间间n加速度加速度最佳补偿量和最佳补偿量和最佳补偿时间最佳补偿时间补偿幅值太小补偿幅值太小补偿幅值太大补偿幅值太大时间常数太小时间常数太小时间常数太大时间常数太大6-6-1 摩擦误差补偿摩擦误差补偿582、摩擦补偿方法、摩擦补偿方法 恒值摩擦补偿：恒值摩擦补偿：补偿时间内摩擦补偿值为稳定不变的数值，补偿时间内摩擦补偿值为稳定不变的数值，不随外界条件的改变而变化。不随外界条件的改变而变化。 自适应摩擦补偿：自适应摩擦补偿：在数控机床的允许加速度范围内，摩擦的在数控机床的允许加速度范围内，摩擦的补偿量根据加工参数，自动变化并取得最优补偿值。补偿量根据加工参数，自动变化并取得最优补偿值。xdFriCompMaaa1xdFriCompMa23)(aaaxdFriCompMandFriCompMixdFriCompMandFriCompMi0aa1a1aa2a