进给运动的控制课件

进给运动的控制4.1概述4.1.1进给伺服系统4.1.2伺服驭动系统的分类4.1.3位置伺服驱动系统的开环、闭环控制4.1.1进给伺服系统进给伺服系统实际上是一种高梢度的位置跟踪与定位系统。它的性能决定了数控机床的许多性能一般对进给伺服系统有如下要求:精度高快速响应，无超调调速范围宽4.1.2伺服驭动系统的分类早期的数控机床采用电液伺服驱动的较多而现代数控机床基本上都采用全电气伺服驭动系统。它可分为步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机伺服驭动系统三类，按控制方式又可分为开环控制和闭环（含半闭环）控制两大类。开环控制采用步进电动机作为驱动元件，闭环控制则采用直流或交流伺服电动机驱动。闭环控制由电流控制环、速度控制环和位里控树环完成，速度伺服驭动系统完成电流控制环、速度控制环的控制，位置控制环功能则通常由计算机数控装置完成。4.1.3位置伺服驱动系统的开环、闭环控制位置伺服驱动系统分为开环和闭环控制两类。开环控制采用步进电动机作为驱动元件。闭环驱动按位置检测的方式可分为半闭环、全闭环和混合闭环三种。闭环驱动采用直流或交流伺服电动机驱动。4．2步进驱动及开环进给控制4.2.1步进电动机的工作原理4.2.2步进电动机的驱动电源4.2.3步进电动机的进给控制4.2.4步进电动机的主要特性及其选择4.2.1步进电动机的工作原理上图为采用功率步进电动机的开环系统。采用功率步进电动机作为执行元件，实现进给运动。

4.2.2步进电动机的驱动电源步进电动机的运行特性不仅与电动机本身和负载有关，而且与配套使用的驱动电源关系十分密切。步进电动机的驱动电源包括环形分配器和功率放大器两部分。

4.2.3步进电动机的进给控制软件脉冲分配的控制

步进电动机的驱动装置分为两类，一类驱动装置本身包括环形分配器（称为硬环分），另一类驱动装置没有环形分配器。速度控制由步进电动机原理可知，控制步进电动机相邻两种励磁状态之间的时间间

隔，即可实现步进电动机速度的控制。

自动升降速控制

4.2.4步进电动机的主要特性及其选择步进电动机的主要特性步距角与步距角误差矩角特性与最大静转矩启动（突跳）频率连续运行频率矩频特性低频振荡与单步运行

步进电动机的选择4．3位置检测装置4．3．1位置检测元件的分类及要求4．3．2光电编码器4．3．3光栅尺4．3．4直线感应同步器4．3．1位置检测元件的分类及要求位置检测元件的分类

按检测方式可分为直接测量和间接测量位置检测元件数控机床对检测元件主要有如下要求：

（1）工作可靠，抗干扰性强；（2）满足精度、速度和测量范围的要求；（3）使用维护方便，适合机床的工作环境；（4）易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化；（5）成本低。

4．3．2光电编码器光电编码器是一种常用的角位移传感器，属间接测量元件。它通常与驱动电动机同轴联接。光电编码器随着电动机的旋转，可以连续发出脉冲信号（例如电动机每转一圈，光电编码器可发出2000个均匀的方波信号）。数控系统通过对该信号的接收、处理和计数，即可得到电动机的旋转角度，从而算出当前工作台的位置。

4．3．3光栅尺透射光栅

透射光栅的结构与莫尔条纹的产生莫尔条纹的特点及作用

光栅尺的输出信号与测量电路

4．3．4直线感应同步器直线感应同步器是利用两个平面形印刷绕组（其间保持均匀气隙）的相对平行移动，根据交变磁场和互感原理进行工作的。

感应同步器的工作原理

感应同步器的鉴幅与鉴相测量

感应同步器的特点

精度高

可用于长距离位移测量

对环境的适应性较强

使用寿命长，维护简单

工艺性好，成本低

4．4直流、交流伺服驱动装置

4．4．1直流伺服驱动装置直流电动机的工作原理和调速方法

永磁直流伺服电动机

永磁直流伺服电动机的特性曲线和参数

直流伺服驱动装置采用晶体管脉宽调速系统具有的优点

4．4．2交流伺服驱动装置永磁交流同步电动机的工作原理

永磁交流同步电动机的结构

永磁交流同步电动机的调速

永磁交流同步电动机的特性

4．4．3进给伺服电动机的选用

右图为数控机床典型的进给传动机构计算１．电动机转速

Nm=ν1·R/PB２．负载惯量

J=Jm+J1+1/R²(J2+Js)+m(PB/2πr)²

３．负载转矩

4．5进给运动闭环位置控制4．5．1闭环位置控制的概念4．5．2闭环位置控制的实现4．5．3位置控制回路的数学模型4．5．1闭环位置控制的概念数控机床闭环位置控制分为数字比较伺服控制、相位比较伺服控制和幅值比较伺服控制三种。数字比较伺服控制使用的位置传感器是光电脉冲编码器和直线光栅。相位比较伺服控制和幅值比较伺服控制使用的位置传感器则是感应同步器或旋转变压器。数字比较伺服控制结构简单，易于实现数字化，在控制性能上优于其他控制方法。4．5．2闭环位置控制的实现4．5．3位置控制回路的数学模型图１和图２中的跟随误差E实际上就是指令位置X与实际位置XF的差。K为整个系统的开环增益

图１半闭环位置控制的数学模型图２全闭环位置控制的数学模型4．6闭环位置控制系统的性能分析4．6．1定位过程的误差分析4．6．2直线插补轮廓误差分析4．6．3圆弧插补轮廓误差分析4．6．4拐角轮廓误差分析4．6．1定位过程的误差分析较高的位置增益会明显减小跟随误差，并减少过渡过程时间(从后面的内容可以看出，较高的位置增益对减小轮廓误差也很重要)。要想取得较高的位置增益，所使用驱动装置的时间常数必须较小，也就是说伺服驱动装置的快速性要好。否则提高位置增益会产生超调，而这在数控机床上就意味着过切，是不允许的。如果选择了快速性很好的伺服驱动，但没有相应提高位置增益，那么整个位置控制回路的瞬态响应并不能得到明显改善。因此K与丁的配合很重要，一般来说取KT=(0.2~0.3)比较合适，这样即可以保证很小的超调，又可以保证良好的工作特性。4．6．2直线插补轮廓误差分析图3直线插补轮廓误差与跟随误差的关系4．6．3圆弧插补轮廓误差分析图4圆弧插补轮廓误差4．6．4拐角轮廓误差分析数控机床进行加工时，在两个轮廓(直线或圆弧)的相交处会产生误差，称为拐角轮廓误差。最简单的例子是沿着两个正交坐标轴的轮廓相交处，加工拐角为直角的零件,如图5。

图5直角加工拐角的轮廓误差4．7进给传动机构对位置控制特性

的影响4．7．1机械传动机构的基本要求4．7．2传动刚度与阻尼对位置控制特性的影响4．7．3传动间隙和惯量对位置控制特性的影晌4．7．1机械传动机构的基本要求设计和选用机械传动机构时，主要考虑以下的问题。

(1)提高传动精度和刚度、消除传动间隙。(2)减小摩擦阻力。(3)减小运动惯量。4．7．2传动刚度与阻尼对位置

控制特性的影响(1)传动链必须有足够的刚度，从而得到足够大的振荡角频率。

(2)与速度成正比的适当阻尼是必要的，可防止全闭环系统位置环的振荡，增加稳定性。

(3)为获得良好的位置控制特性与工件表面加工质量，除注意应具有与速度成正比的阻尼，并降低与速度无关的摩擦力外，应避免出现图摩擦特性曲线