第四章 进给运动的控制

1、1.半闭环伺服驱动装置的优点。2. 步进驱动系统、直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统的优缺点。1.开环系统脉冲当量和进给速度的计算。2. 步进的分类。3.步距角和最大静态转矩的选择1.简单了解闭环控制系统位置控制回路的数学模型。2. 如何减少跟随误差，单位斜坡输入情况下，如何计算跟随误差。3.如何控制拐角误差的大小。4-14-104-144.1 概述一、进给伺服驱动装置的控制系统性能二、电气伺服驱动系统三、驱动系统的工作特性曲线4.2 开环数控系统进给运动控制一、开环系统控制原理二、步进电动机的选择三、步进驱动系统与数控装置的信号连接四、步进电动机控制五、开环进给系统精度分析4.3 闭环数控系

2、统进给运动控制及特性分析一、闭环位置控制系统二、位置控制回路的数学模型三、定位过程的误差分析四、直线插补轮廓误差分析五、圆弧插补轮廓误差分析六、拐角轮廓误差分析4.4 闭环数控系统进给驱动装置的信号连接一、模拟电压控制方式二、指令脉冲控制方式三、其他控制方式4.5 进给运动控制参数设置一、一般参数的设定二、变增益位置控制的增益设定三、升降速参数四、返回参考点参数五、单向定位参数4.6 进给运动的误差补偿一、传动反转间隙补偿二、螺距误差补偿三、其他因素引起的误差及其补偿一、进给伺服驱动装置的控制性能开环伺服驱动装置采用步进电机作为驱动元件，没有位置反馈和速度控制回路，线路简单，投资抵、调试维修方

3、便。进给速度和精度较低，广泛应用于中、低当数控机床及一般机床改造中。闭环伺服驱动装置半闭环驱动装置 将位置检测元件安装在电机轴上，精确控制电动机的角度，通过滚珠丝杠等传动机构将角度转换成直线位移。 优点：位置增益高，不会发生振荡现象，快速性好，动态精度高，传动机构的非线性对于系统的影响小。 缺点：传动机构的误差难以补偿，闭环驱动装置 直接从机床移动部件上获取位置实际移动值，检测精度不受机械传动精度的影响。MP（一）步进驱动系统宽调速性能，输出转矩大，过载能力强。调整、安装和使用方便，适应于频繁启动、制动及快速定位要求的场合。交流伺服电动机不需要维护，制造简单，适合于恶劣环境下工作。控制箱、位置

4、控制器、伺服电动机、伺服驱动、速度传感器、译码器控制器硬件采用单片机或DSP等高性能处理器前馈控制、最优控制、矢量控制或者直接转矩控制方法驱动器 GTR晶闸管或IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为驱动器件交流电动机一、开环系统控制原理1）工作台位移量控制 步进电动机步距角，丝杠螺距h，齿轮减速比i，脉冲当量，2）工作台进给速度控制360hi60vf步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的控制电动机。特点有脉冲就走，无脉冲就停脉冲数增加，角位移随之增加脉冲频率越高，转速越高，反之越慢脉冲频率变化太快，容易失步或过冲改变分配脉冲的相序可改变旋转方向输出转角精度较高，无累积误差1）步距角的选

5、择步进电动机步距角，丝杠螺距h，齿轮减速比i，脉冲当量，根据负载性质、最高进给速度等条件选择步进电动机类型。根据系统精度、数据处理长度、机床行程等确定和h。如果、和h三个参数仍然满足不了上式时，增加齿轮减速装置。360 ih2）最大静态转矩选择负载转矩F为进给方向上切削力；G为工件与工作台总重量；导轨摩擦系数；包括齿轮与丝杠在内的总传动效率；步进电动机的最大静态转矩满足下式3(9.8)102zFG hMijmax(0.2 0.4)zMM 完成由弱电到强电的转换和放大，将逻辑电平信号转换为电动机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号步进电动机驱动电路 将插补输出脉冲，按照步进电动机所要求的规律分配

6、给步进电动机驱动电路的各个输入端，控制绕组的开通和关断。 硬件脉冲分配，采用逻辑电路或者专用集成芯片实现脉冲分配 查表法实现,P135表4-2软件脉冲分配速度控制：通过延时控制步进电机的转速自动升降速控制：见图4-13 步进电动机的步距误差 动态误差 启停误差 齿隙误差 丝杠、导轨的累计误差、受力变形和热变形误差精度分析 从驱动电路方面改进：采用细分电路减少脉冲当量 从软件方面改进：软件实现齿系、螺距误差的补偿 从控制原理方面改进：增加一些检测传感装置提高精度的几个措施一、闭环位置控制系统一、闭环位置控制系统（一）闭环位置控制的概念（一）闭环位置控制的概念 位置传感器将机械位移转换为数字脉冲，

7、该脉位置传感器将机械位移转换为数字脉冲，该脉冲送至数控装置，有计数器技术，计算机以固定的冲送至数控装置，有计数器技术，计算机以固定的时间周期对反馈值采样，将采样值与插补程序输出时间周期对反馈值采样，将采样值与插补程序输出的结果进行比较，得到位置误差，经软件增益放大，的结果进行比较，得到位置误差，经软件增益放大，输出给数模转换器，从而为伺服装置提供控制电压，输出给数模转换器，从而为伺服装置提供控制电压，驱动工作台向减少误差的方向移动。驱动工作台向减少误差的方向移动。 其数学模型间其数学模型间P140.光电编码器每转能输出数千个脉冲信号，脉冲信号通过计数器可以反映转角的位置。要取得较高的位置增益位

8、置增益，所用驱动装置时间常数时间常数必须小。如果选择了时间常数小的的伺服驱动电动机，没有相应提高位置增益，整个位置控制回路的瞬态响应并不能够得到明显改善。( )1( )1( )ikE sX sGsvEK001( )lim( )lim1( )1(1)isskX svsvvE sKsGsss Ts数控机床进行XY轴直线联动插补时，X、Y分别对应恒速运动。轮廓误差E与各轴跟随误差Ex, Ey之间的关系为两轴位置增益相同时，轮廓误差为0；=0或90时，误差为0；Kx和Ky足够大时，轮廓误差较小；轮廓误差与编程进给速度成正比；cos* sinsin* coscossin sin211()2 YXXYyx

9、YXYyxXv vv vvvvvEEEK vK vK vK vvKKE指令位置实际位置Kx=Ky时，误差为KxKy时，与成正比，所加工圆弧变为长轴位于45或135处的椭圆，提高增益能够减小误差。222sincossin2112()2xyxyvKKvRrKK222()vRr K圆弧插补轮廓误差表达式 位置增益过低时，外拐角会出现过切，内拐角会出现欠切削 位置增益过高时，外拐角会鼓包，内拐角会过切削位置增益的高低对于轮廓拐角的影响 选择动态性能尽可能好的伺服驱动装置，可以选取较高的位置增益，不会超调 降低切削速度 在轮廓交接处加入延时指令，增加误差修正时间 采用尖角过渡指令 使用自动升降速功能，改

10、善动态性能差的驱动装置控制拐角误差的方法伺服单元本身完成电流环与速度环的控制，而位置环由数控装置完成。倍频率与分辨率 由编码器分辨率和位置检测接口的倍频数及传动机构共同决定正负向存储行程极限间隙与螺距误差补偿快速移动速度与最大切削进给速度机床参考点的坐标值到位范围 数控系统每执行完一个运动程序段，自动判别跟随误差是否小于到位范围，如不满足，则等待跟随误差修正至小于到位范围，才执行下一段程序。如果到位范围小于伺服系统死区范围，则造成数控系统死机。变增益位置控制策略K1为进给切削运动时所用增益值，尽可能高，减小跟随误差。K2为快速定位时所使用增益。一般为K1的50%80%。设定Eb为变增益转折点，

11、一般比最高切削速度时的跟随误差略大。Vm为最小模拟电压输出值，防止伺服单元对较小的模拟控制电压无响应，从而无法修正跟随误差。直线升降速过程 可将加速度限制在一定范围内，降低机械冲击。指数升降速过程 加速度变化无突变，速度变化平滑。需要设定加减速总时间和加速升降时间。四、返回参考点参数 通过快速寻找粗定位开关与低速寻找栅格零点两个步骤。 1）快速寻找粗定位开关方向与速度Fa。 2）低速寻找栅格零点C的速度Fb。五、单向定位参数 单向定位可有效地提高数控机床的重复定位精度六、报警保护参数设定 超速保护速度设定 最大跟随误差报警 位置反馈失线报警 齿轮传动、滚珠丝杠螺母等都存在反转间隙，造成电机空转，而工作台不运动，造成半闭环系统的误差和全闭环系统的位置震荡。 调整和预紧方法，减小间隙。 对于半闭环系统，可测出剩余间隙，作为参数输入给数控系统，在反向运动时，控制电动机多走一段距离，补偿间隙误差。一、传动反转间隙补偿 螺距制造存在误差，并且在使用一段时间后，磨损也会造成螺距精度的下降，需要利用数控系统对螺距误差进行补偿。 解决方法：安装高精度位移