第四章 進給運動的控制

1、1.半閉環(huán)伺服驅(qū)動裝置的優(yōu)點。2. 步進驅(qū)動系統(tǒng)、直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)缺點。1.開環(huán)系統(tǒng)脈沖當(dāng)量和進給速度的計算。2. 步進的分類。3.步距角和最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的選擇1.簡單了解閉環(huán)控制系統(tǒng)位置控制回路的數(shù)學(xué)模型。2. 如何減少跟隨誤差，單位斜坡輸入情況下，如何計算跟隨誤差。3.如何控制拐角誤差的大小。4-14-104-144.1 概述一、進給伺服驅(qū)動裝置的控制系統(tǒng)性能二、電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)三、驅(qū)動系統(tǒng)的工作特性曲線4.2 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)進給運動控制一、開環(huán)系統(tǒng)控制原理二、步進電動機的選擇三、步進驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)控裝置的信號連接四、步進電動機控制五、開環(huán)進給系統(tǒng)精度分析4.3 閉環(huán)數(shù)控系

2、統(tǒng)進給運動控制及特性分析一、閉環(huán)位置控制系統(tǒng)二、位置控制回路的數(shù)學(xué)模型三、定位過程的誤差分析四、直線插補輪廓誤差分析五、圓弧插補輪廓誤差分析六、拐角輪廓誤差分析4.4 閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)進給驅(qū)動裝置的信號連接一、模擬電壓控制方式二、指令脈沖控制方式三、其他控制方式4.5 進給運動控制參數(shù)設(shè)置一、一般參數(shù)的設(shè)定二、變增益位置控制的增益設(shè)定三、升降速參數(shù)四、返回參考點參數(shù)五、單向定位參數(shù)4.6 進給運動的誤差補償一、傳動反轉(zhuǎn)間隙補償二、螺距誤差補償三、其他因素引起的誤差及其補償一、進給伺服驅(qū)動裝置的控制性能開環(huán)伺服驅(qū)動裝置采用步進電機作為驅(qū)動元件，沒有位置反饋和速度控制回路，線路簡單，投資抵、調(diào)試維修方

3、便。進給速度和精度較低，廣泛應(yīng)用于中、低當(dāng)數(shù)控機床及一般機床改造中。閉環(huán)伺服驅(qū)動裝置半閉環(huán)驅(qū)動裝置 將位置檢測元件安裝在電機軸上，精確控制電動機的角度，通過滾珠絲杠等傳動機構(gòu)將角度轉(zhuǎn)換成直線位移。 優(yōu)點：位置增益高，不會發(fā)生振蕩現(xiàn)象，快速性好，動態(tài)精度高，傳動機構(gòu)的非線性對于系統(tǒng)的影響小。 缺點：傳動機構(gòu)的誤差難以補償，閉環(huán)驅(qū)動裝置 直接從機床移動部件上獲取位置實際移動值，檢測精度不受機械傳動精度的影響。MP（一）步進驅(qū)動系統(tǒng)寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強。調(diào)整、安裝和使用方便，適應(yīng)于頻繁啟動、制動及快速定位要求的場合。交流伺服電動機不需要維護，制造簡單，適合于惡劣環(huán)境下工作?？刂葡洹⑽恢?/p>

4、控制器、伺服電動機、伺服驅(qū)動、速度傳感器、譯碼器控制器硬件采用單片機或DSP等高性能處理器前饋控制、最優(yōu)控制、矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制方法驅(qū)動器 GTR晶閘管或IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）作為驅(qū)動器件交流電動機一、開環(huán)系統(tǒng)控制原理1）工作臺位移量控制 步進電動機步距角，絲杠螺距h，齒輪減速比i，脈沖當(dāng)量，2）工作臺進給速度控制360hi60vf步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制電動機。特點有脈沖就走，無脈沖就停脈沖數(shù)增加，角位移隨之增加脈沖頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，反之越慢脈沖頻率變化太快，容易失步或過沖改變分配脈沖的相序可改變旋轉(zhuǎn)方向輸出轉(zhuǎn)角精度較高，無累積誤差1）步距角的選

5、擇步進電動機步距角，絲杠螺距h，齒輪減速比i，脈沖當(dāng)量，根據(jù)負載性質(zhì)、最高進給速度等條件選擇步進電動機類型。根據(jù)系統(tǒng)精度、數(shù)據(jù)處理長度、機床行程等確定和h。如果、和h三個參數(shù)仍然滿足不了上式時，增加齒輪減速裝置。360 ih2）最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩選擇負載轉(zhuǎn)矩F為進給方向上切削力；G為工件與工作臺總重量；導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；包括齒輪與絲杠在內(nèi)的總傳動效率；步進電動機的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩滿足下式3(9.8)102zFG hMijmax(0.2 0.4)zMM 完成由弱電到強電的轉(zhuǎn)換和放大，將邏輯電平信號轉(zhuǎn)換為電動機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號步進電動機驅(qū)動電路 將插補輸出脈沖，按照步進電動機所要求的規(guī)律分配

6、給步進電動機驅(qū)動電路的各個輸入端，控制繞組的開通和關(guān)斷。 硬件脈沖分配，采用邏輯電路或者專用集成芯片實現(xiàn)脈沖分配 查表法實現(xiàn),P135表4-2軟件脈沖分配速度控制：通過延時控制步進電機的轉(zhuǎn)速自動升降速控制：見圖4-13 步進電動機的步距誤差 動態(tài)誤差 啟停誤差 齒隙誤差 絲杠、導(dǎo)軌的累計誤差、受力變形和熱變形誤差精度分析 從驅(qū)動電路方面改進：采用細分電路減少脈沖當(dāng)量 從軟件方面改進：軟件實現(xiàn)齒系、螺距誤差的補償 從控制原理方面改進：增加一些檢測傳感裝置提高精度的幾個措施一、閉環(huán)位置控制系統(tǒng)一、閉環(huán)位置控制系統(tǒng)（一）閉環(huán)位置控制的概念（一）閉環(huán)位置控制的概念 位置傳感器將機械位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，

7、該脈位置傳感器將機械位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，該脈沖送至數(shù)控裝置，有計數(shù)器技術(shù)，計算機以固定的沖送至數(shù)控裝置，有計數(shù)器技術(shù)，計算機以固定的時間周期對反饋值采樣，將采樣值與插補程序輸出時間周期對反饋值采樣，將采樣值與插補程序輸出的結(jié)果進行比較，得到位置誤差，經(jīng)軟件增益放大，的結(jié)果進行比較，得到位置誤差，經(jīng)軟件增益放大，輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器，從而為伺服裝置提供控制電壓，輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器，從而為伺服裝置提供控制電壓，驅(qū)動工作臺向減少誤差的方向移動。驅(qū)動工作臺向減少誤差的方向移動。 其數(shù)學(xué)模型間其數(shù)學(xué)模型間P140.光電編碼器每轉(zhuǎn)能輸出數(shù)千個脈沖信號，脈沖信號通過計數(shù)器可以反映轉(zhuǎn)角的位置。要取得較高的位置增益位

8、置增益，所用驅(qū)動裝置時間常數(shù)時間常數(shù)必須小。如果選擇了時間常數(shù)小的的伺服驅(qū)動電動機，沒有相應(yīng)提高位置增益，整個位置控制回路的瞬態(tài)響應(yīng)并不能夠得到明顯改善。( )1( )1( )ikE sX sGsvEK001( )lim( )lim1( )1(1)isskX svsvvE sKsGsss Ts數(shù)控機床進行XY軸直線聯(lián)動插補時，X、Y分別對應(yīng)恒速運動。輪廓誤差E與各軸跟隨誤差Ex, Ey之間的關(guān)系為兩軸位置增益相同時，輪廓誤差為0；=0或90時，誤差為0；Kx和Ky足夠大時，輪廓誤差較?。惠喞`差與編程進給速度成正比；cos* sinsin* coscossin sin211()2 YXXYyx

9、YXYyxXv vv vvvvvEEEK vK vK vK vvKKE指令位置實際位置Kx=Ky時，誤差為KxKy時，與成正比，所加工圓弧變?yōu)殚L軸位于45或135處的橢圓，提高增益能夠減小誤差。222sincossin2112()2xyxyvKKvRrKK222()vRr K圓弧插補輪廓誤差表達式 位置增益過低時，外拐角會出現(xiàn)過切，內(nèi)拐角會出現(xiàn)欠切削 位置增益過高時，外拐角會鼓包，內(nèi)拐角會過切削位置增益的高低對于輪廓拐角的影響 選擇動態(tài)性能盡可能好的伺服驅(qū)動裝置，可以選取較高的位置增益，不會超調(diào) 降低切削速度 在輪廓交接處加入延時指令，增加誤差修正時間 采用尖角過渡指令 使用自動升降速功能，改

10、善動態(tài)性能差的驅(qū)動裝置控制拐角誤差的方法伺服單元本身完成電流環(huán)與速度環(huán)的控制，而位置環(huán)由數(shù)控裝置完成。倍頻率與分辨率 由編碼器分辨率和位置檢測接口的倍頻數(shù)及傳動機構(gòu)共同決定正負向存儲行程極限間隙與螺距誤差補償快速移動速度與最大切削進給速度機床參考點的坐標(biāo)值到位范圍 數(shù)控系統(tǒng)每執(zhí)行完一個運動程序段，自動判別跟隨誤差是否小于到位范圍，如不滿足，則等待跟隨誤差修正至小于到位范圍，才執(zhí)行下一段程序。如果到位范圍小于伺服系統(tǒng)死區(qū)范圍，則造成數(shù)控系統(tǒng)死機。變增益位置控制策略K1為進給切削運動時所用增益值，盡可能高，減小跟隨誤差。K2為快速定位時所使用增益。一般為K1的50%80%。設(shè)定Eb為變增益轉(zhuǎn)折點，

11、一般比最高切削速度時的跟隨誤差略大。Vm為最小模擬電壓輸出值，防止伺服單元對較小的模擬控制電壓無響應(yīng)，從而無法修正跟隨誤差。直線升降速過程 可將加速度限制在一定范圍內(nèi)，降低機械沖擊。指數(shù)升降速過程 加速度變化無突變，速度變化平滑。需要設(shè)定加減速總時間和加速升降時間。四、返回參考點參數(shù) 通過快速尋找粗定位開關(guān)與低速尋找柵格零點兩個步驟。 1）快速尋找粗定位開關(guān)方向與速度Fa。 2）低速尋找柵格零點C的速度Fb。五、單向定位參數(shù) 單向定位可有效地提高數(shù)控機床的重復(fù)定位精度六、報警保護參數(shù)設(shè)定 超速保護速度設(shè)定 最大跟隨誤差報警 位置反饋失線報警 齒輪傳動、滾珠絲杠螺母等都存在反轉(zhuǎn)間隙，造成電機空轉(zhuǎn)，而工作臺不運動，造成半閉環(huán)系統(tǒng)的誤差和全閉環(huán)系統(tǒng)的位置震蕩。 調(diào)整和預(yù)緊方法，減小間隙。 對于半閉環(huán)系統(tǒng)，可測出剩余間隙，作為參數(shù)輸入給數(shù)控系統(tǒng)，在反向運動時，控制電動機多走一段距離，補償間隙誤差。一、傳動反轉(zhuǎn)間隙補償 螺距制造存在誤差，并且在使用一段時間后，磨損也會造成螺距精度的下降，需要利用數(shù)控系統(tǒng)對螺距誤差進行補償。 解決方法：安裝高精度位移