數(shù)控進給伺服系統(tǒng)課件

第四部分

進給伺服系統(tǒng)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/51數(shù)控技術(shù)第四章進給伺服系統(tǒng)第一節(jié)

概述

第二節(jié)

進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置

第三節(jié)

進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)

第四節(jié)

典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第五節(jié)

伺服系統(tǒng)性能分析

第六節(jié)

伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響

第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/52數(shù)控技術(shù)第四章進給伺服系統(tǒng)內(nèi)容提要本章將詳細討論進給伺服系統(tǒng)的軟件硬件結(jié)構(gòu)；進給伺服系統(tǒng)基本功能的原理及實現(xiàn)方法。第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/53數(shù)控技術(shù)進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。第四章進給伺服系統(tǒng)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/54數(shù)控技術(shù)第一節(jié)

概述第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/55數(shù)控技術(shù)第一節(jié)概述.進給伺服系統(tǒng)的定義及組成1、定義：進給伺服系統(tǒng)(FeedServoSystem)——以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。2、組成：進給伺服系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：位置控 制單元；速度控制單元；驅(qū)動元件(電機)；檢測與反 饋單元；機械執(zhí)行部件。第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/56數(shù)控技術(shù)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋第一節(jié)概述第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/57數(shù)控技術(shù)二、NC機床對數(shù)控進給伺服系統(tǒng)的要求調(diào)速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性(在調(diào)速范圍內(nèi))

調(diào)速范圍：一般要求：

穩(wěn)定性：指輸出速度的波動要少，尤其是在低速時的平穩(wěn)性顯得特別重要。第一節(jié)概述第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/58數(shù)控技術(shù)輸出位置精度要高

靜態(tài)：定位精度和重復(fù)定位精度要高，即定位誤差和重復(fù)定位誤差要小。(尺寸精度)

動態(tài)：跟隨精度，這是動態(tài)性能指標(biāo)，用跟隨誤差表示。(輪廓精度)靈敏度要高，有足夠高的分辯率。第一節(jié)概述第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/59數(shù)控技術(shù)負載特性要硬

在系統(tǒng)負載范圍內(nèi)，當(dāng)負載變化時，輸出速度應(yīng)基本不變。即△F盡可能小；當(dāng)負載突變時，要求速度的恢復(fù)時間短且無振蕩。即△t盡可能短；應(yīng)有足夠的過載能力。這是要求伺服系統(tǒng)有良好的靜態(tài)與動態(tài)剛度。tF△t△F第一節(jié)概述第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/510數(shù)控技術(shù)響應(yīng)速度快且無超調(diào)

這是對伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的要求，即在無超調(diào)的前提下，執(zhí)行部件的運動速度的建立時間tp

應(yīng)盡可能短。通常要求從0→Fmax（Fmax→0），其時間應(yīng)小于200ms，且不能有超調(diào)，否則對機械部件不利，有害于加工質(zhì)量。tFtp第一節(jié)概述第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/511數(shù)控技術(shù)能可逆運行和頻繁靈活啟停。系統(tǒng)的可靠性高，維護使用方便，成本低。

綜上所述：對伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動態(tài)特性兩方面；對高精度的數(shù)控機床，對其動態(tài)性能的要求更嚴(yán)。第一節(jié)概述第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/512數(shù)控技術(shù)第二節(jié)

進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/513數(shù)控技術(shù)第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置、概述

組成：位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成的。

作用：實時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式，將運動部件現(xiàn)實位置反饋到位置控制單元，以實施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，在設(shè)計數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/514數(shù)控技術(shù)進給伺服系統(tǒng)對位置測量裝置的要求高可靠性和高抗干擾性：受溫度、濕度的影響小，工作可靠，精度保持性好，抗干擾能力強；能滿足精度和速度的要求：位置檢測裝置分辨率應(yīng)高于數(shù)控機床的分辨率（一個數(shù)量級）；位置檢測裝置最高允許的檢測速度應(yīng)數(shù)控機床的最高運行速度。使用維護方便，適應(yīng)機床工作環(huán)境；成本低。第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/515數(shù)控技術(shù).位置檢測裝置的分類按輸出信號的形式分類：數(shù)字式和模擬式按測量基點的類型分類：增量式和絕對式按位置檢測元件的運動形式分類：回轉(zhuǎn)型和直線型第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/516數(shù)控技術(shù)常用位置檢測裝置分類表第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/517數(shù)控技術(shù).感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類結(jié)構(gòu)定尺sincos節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/518數(shù)控技術(shù)分類第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/519數(shù)控技術(shù)感應(yīng)同步器的工作原理.

感應(yīng)同步器是利用勵磁繞組與感應(yīng)繞組間發(fā)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化，借以進行位移量的檢測。感應(yīng)同步器滑尺上的繞組是勵磁繞組，定尺上的繞組是感應(yīng)繞組。第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/520數(shù)控技術(shù)US感應(yīng)同步器的工作原理U0U0θ1USUSUSUS定尺滑尺θ1第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/521數(shù)控技術(shù)感應(yīng)同步器的信號處理原理滑尺與定尺相對位移量x的求?。骸?τ:2π=x:θ1∴x=τθ1／π結(jié)論：相對位移量x與相位角θ1呈線性關(guān)系，只要能測出相位角θ1，就可求得位移量x。第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/522數(shù)控技術(shù)感應(yīng)同步器的特點及使用注意事項特點精度高：平均自補償特性；對環(huán)境的適應(yīng)能力強：抗?jié)?、溫度、熱變形影響的能力強；維護簡單、壽命長：非接觸測量，無磨損，精度保持性好。第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/523數(shù)控技術(shù).脈沖編碼器脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電碼盤在數(shù)控機床上應(yīng)用較多，而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。另外，它還可分為絕對式和增量式兩種。第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/524數(shù)控技術(shù).增量脈沖編碼器結(jié)構(gòu)及工作原理信號處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距τm+τ/4第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/525數(shù)控技術(shù)信號處理裝置abz節(jié)距τm+τ/4AAa第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/526數(shù)控技術(shù)

光電碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，在光源的照射下，透過光電碼盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路：

其中，是的取反信號。第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/527數(shù)控技術(shù)輸出信號的作用及其處理

A、B兩相的作用根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移；根據(jù)脈沖的頻率可得被測軸的轉(zhuǎn)速；根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向。Z相的作用被測軸的周向定位基準(zhǔn)信號；被測軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號。AB90OZ……碼盤轉(zhuǎn)一圈第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/528數(shù)控技術(shù)增量式碼盤的規(guī)格及分辨率規(guī)格增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)；現(xiàn)在市場上提供的規(guī)格從36線/轉(zhuǎn)到10萬線

/轉(zhuǎn)都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。分辨率（分辨角）α設(shè)增量式碼盤的規(guī)格為n線/轉(zhuǎn)：第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/529數(shù)控技術(shù).光電編碼器的特點非接觸測量，無接觸磨損，碼盤壽命長，精度保證性好；允許測量轉(zhuǎn)速高，精度較高；。光電轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強；體積小，便于安裝，適合于機床運行環(huán)境；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，光源壽命短；碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動能力差。第二節(jié)進給伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/530數(shù)控技術(shù)內(nèi)容小結(jié)1、進給伺服系統(tǒng)的定義及組成

2、數(shù)控機床對數(shù)控進給伺服系統(tǒng)的要求。3、位置檢測裝置的分類。4、感應(yīng)同步器

5、脈沖編碼器

2023/2/531數(shù)控技術(shù)習(xí)題與思考題1、名詞解釋：進給伺服系統(tǒng)2、簡述數(shù)控機床對數(shù)控進給伺服系統(tǒng)的要求。3、簡述位置檢測裝置的分類。4、簡述感應(yīng)同步器的工作原理。5、簡述增量脈沖編碼盤中A、B、Z三相輸出信號的作用。2023/2/532數(shù)控技術(shù)第三節(jié)

進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/533數(shù)控技術(shù)第三節(jié)進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)、概述

進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)：由進給伺服系統(tǒng)中的電機及其控制和驅(qū)動裝置

組成。電機：進給系統(tǒng)的動力部件，它提供執(zhí)行部件運動所需的動力，在數(shù)控機床上目前常用的電機有：步進電機直流伺服電機交流伺服電機直線電機。第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/534數(shù)控技術(shù)速度單元：電機的控制和驅(qū)動裝置，通常驅(qū)動電機與速度控制單元是相互配套供應(yīng)的，其性能參數(shù)都是進行了相互匹配，這樣才能獲得高性能的系統(tǒng)指標(biāo)。速度控制單元主要作用：接受來自位置控制單元的速度指令信號，對其進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)運算(目的是穩(wěn)速)，將其變換成電機轉(zhuǎn)速的控制量(頻率，電壓等)，再經(jīng)功率放大部件將其變換成電機的驅(qū)動電量，使驅(qū)動電機按要求運行。簡言之：調(diào)節(jié)、變換、功放。第三節(jié)進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/535數(shù)控技術(shù)進給驅(qū)動系統(tǒng)的特點（與主運動（主軸）系統(tǒng)比較）：功率相對較??；控制精度要求高；控制性能要求高，尤其是動態(tài)性能。第三節(jié)進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/536數(shù)控技術(shù)、步進電機及其驅(qū)動裝置步進電機流行于70年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數(shù)字化。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結(jié)構(gòu)。因此，這類系統(tǒng)目前仍有相當(dāng)?shù)氖袌?。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度要不高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控；打印機、繪圖機等計算機的外部設(shè)備。第三節(jié)進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/537數(shù)控技術(shù)、直流伺服電機及驅(qū)動直流電機的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的，電磁力的大小正比于電機中的氣隙磁場，直流電機的勵磁繞組所建立的磁場是電機的主磁場，按對勵磁繞組的勵磁方式不同，直流電機可分為：他激式、并激式、串激式、復(fù)激式、永磁式。20世紀(jì)80~90年代中期，永磁式直流伺服電機在NC機床中廣泛采用。第三節(jié)進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/538數(shù)控技術(shù)直流伺服電機的特點過載倍數(shù)大，時間長；具有大的轉(zhuǎn)矩/慣量比，電機的加速大，響應(yīng)快。低速轉(zhuǎn)矩大，慣量大，可與絲桿直接相聯(lián)。調(diào)速范圍大：1∶2000。帶有高精度的速度和角位置檢測元件；電機允許溫度達150°以上，由于溫升高，影響機床精度因轉(zhuǎn)子慣性大，電源容量以及機械傳動件的剛度都需相應(yīng)增大。電刷、維護不便第三節(jié)進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/539數(shù)控技術(shù)、交流伺服電機及驅(qū)動

由于直流伺服電機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，80年代初至90年代中，在要求調(diào)速性能較高的場合，直流伺服電機調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但其卻存在一些固有的缺點，即：電刷和換向器易磨損，維護麻煩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高而交流伺服電機則沒有上述缺點。特別是在同樣體積下，交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高10%～70%，且可達到的轉(zhuǎn)速比直流電機高。因此，人們一直在尋求交流電機調(diào)速方案來取代直流電機調(diào)速的方案。第三節(jié)進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/540數(shù)控技術(shù)分類第三節(jié)進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/541數(shù)控技術(shù)第四節(jié)

典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/542數(shù)控技術(shù)第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制).開環(huán)進給伺服系統(tǒng)(Open-LoopSystem)不帶位置測量反饋裝置的系統(tǒng)；驅(qū)動電機只能用步進電機；主要用于經(jīng)濟型數(shù)控或普通機床的數(shù)控化改造A’相、B’相C’相、…A相、B相C相、…f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大步進電機第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/543數(shù)控技術(shù).步進電機開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計步進電機開環(huán)系統(tǒng)設(shè)計要解決的主要問題：

①動力計算、②傳動計算、③驅(qū)動電路設(shè)計或選擇目的：傳動計算選擇合適的參數(shù)以滿足脈沖當(dāng)量和進給速度F的要求。圖中：f—脈沖頻率（HZ）α—步距角（度）

Z1、Z2—傳動齒輪齒數(shù)

t—螺距(mm)

—脈沖當(dāng)量（mm）步進電機Z1Z2tf，第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/544數(shù)控技術(shù)

傳動比選擇：為了湊脈沖當(dāng)量mm，也為了增大傳遞的扭矩，在步進電機與絲桿之間，要增加一對齒輪傳動副，那么，傳動比i=Z1/Z2與α、、t之間有如下關(guān)系：

例：=0.01t=6mmα=0.75°第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/545數(shù)控技術(shù)進給速度F：一般步進電機：若：δ=0.01mm則：若δ=0.001mm則：因此，當(dāng)一定時，與δ成正比，故我們在談到步進電機開環(huán)系統(tǒng)的最高速度時，都應(yīng)指明是在多大的脈沖當(dāng)量δ下的否則是沒有意義的。第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/546數(shù)控技術(shù).提高步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施概述影響步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的因素：步進電機的步距角精度；機械傳動部件的精度；絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙；傳動件和支承件的變形。提高步進電機開環(huán)系統(tǒng)傳動精度的措施適當(dāng)提高系統(tǒng)組成環(huán)節(jié)的精度；采取各種精度補償措施。第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/547數(shù)控技術(shù)傳動間隙補償在整個行程范圍內(nèi)測量傳動機構(gòu)傳動間隙，取其平均值存放在數(shù)控系統(tǒng)中的間隙補償單元，當(dāng)進給系統(tǒng)反向運動時，數(shù)控系統(tǒng)自動將補償值加到進給指令中，從而達到補償目的。螺矩誤差補償雖然滾珠絲桿精度較高，但是總不可做的絕對精確，它的螺距總是存在著一定的誤差的，利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺矩累積誤差，以提高進給位移精度。方法：首先測量出進給絲框螺距誤差曲線(規(guī)律)，然后可采用下列兩種方法實現(xiàn)誤差補償：硬件補償、軟件補償。第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/548數(shù)控技術(shù).閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)1、閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)方案分類按系統(tǒng)的控制信號類型分：模擬型系統(tǒng)、數(shù)字型系統(tǒng)第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/549數(shù)控技術(shù)2、模擬型系統(tǒng)：特征：這類系統(tǒng)全部采用模擬元件構(gòu)成；其輸入（控制）信號、輸出的位置、速度信號也是模擬量；速度和位置檢測元也是模擬式的。第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/550數(shù)控技術(shù)特點：抗干擾能力強，一般不會因峰值誤差導(dǎo)致致命的誤動作?？捎贸Ｒ?guī)儀器儀表（示波器，萬用表等）直接讀取信息，易于隨時把握系統(tǒng)工作的基本情況。對弱信號信噪分離困難，控制精度的提高受到限制。在零點附近容易受到溫度漂移的影響，使位置控制產(chǎn)生漂移誤差。位置、速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整困難，適應(yīng)負載變化的能力較差。

模擬系統(tǒng)這種本質(zhì)缺陷，使它很難滿足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐漸被數(shù)字伺服系統(tǒng)所取代。第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/551數(shù)控技術(shù)3、數(shù)字型系統(tǒng)：

特征：這類系統(tǒng)是指至少其位置環(huán)控制與調(diào)節(jié)采用數(shù)字控制技術(shù)，即位置指令和反饋信號都不再是模擬信號，改用數(shù)字信號（邏輯電平脈沖信號）的系統(tǒng)。第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/552數(shù)控技術(shù)特點：可以通過增加數(shù)字信息的安長，來滿足要求的控制精度。對邏輯電以下的漂移、噪聲不予晌應(yīng)，零點定位精度可以得到充分保證。容易對其結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行修改（根據(jù)控制要求），且易于與計算機進行數(shù)據(jù)交換。噪聲峰值大于邏輯電平時，對數(shù)據(jù)的最高位和最低位的干擾出錯程序是相同的，這種錯誤可能導(dǎo)致系統(tǒng)致命的危害。傳送數(shù)據(jù)的數(shù)字電路要求具有很寬的頻帶。以保證脈沖上、下降沿有足夠的陡峭度。抑制干擾、防止數(shù)據(jù)出錯，是數(shù)字伺服系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵。第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/553數(shù)控技術(shù)4、數(shù)字伺服系統(tǒng)的類型第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/554數(shù)控技術(shù)5、舉例——半軟件型伺服系統(tǒng)

這種系統(tǒng)的位置控制采用軟硬件組成，速度控制仍采用模擬方式，系統(tǒng)組成如圖所示：+調(diào)節(jié)運算零漂補償硬件速度控制與驅(qū)動單元D/A軟件位置控制ZA、BD0-++-F/V倍頻計數(shù)器工作臺PG電機+DAV1△SV0U0UA△D△U實際位置計算△DA指令位置計算△D0/nZ第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/555數(shù)控技術(shù)位置控制的軟件現(xiàn)可以由NC裝置的CPU實現(xiàn)，也可以由位置控制板上自帶的CPU實現(xiàn)。位置控制的調(diào)節(jié)運算部分由軟件實現(xiàn)，增加了靈活性：調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以通過進行修改、設(shè)定調(diào)節(jié)算法可以采用較復(fù)雜的算法，以提高控制性能（變結(jié)構(gòu)、變增益）可增加許多輔助功能（故障診斷、脈沖當(dāng)量變換等）零點漂移可通過軟件進行補償?shù)谒墓?jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/556數(shù)控技術(shù)由于這種系統(tǒng)的速度單元仍是模擬型的，全硬件型系統(tǒng)中存在的問題并未明顯解決，如它的內(nèi)環(huán)參數(shù)（速度、電流）和位置環(huán)中D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)依然是固定的。因此難以兼顧負載慣量大的變化。不過，由于利用軟件采用一些補償措施，這就使得半軟件位置伺服系統(tǒng)的位置控制精度和控制性能要高于全硬件型的位置伺服系統(tǒng)。第四節(jié)典型進給伺服系統(tǒng)(位置控制)第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/557數(shù)控技術(shù)內(nèi)容小結(jié)1、步進電機及其驅(qū)動裝置。2、直流伺服電機及驅(qū)動。3、交流伺服電機及驅(qū)動。4、開環(huán)進給伺服系統(tǒng)。5、閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)。2023/2/558數(shù)控技術(shù)習(xí)題與思考題1、簡述速度控制單元主要作用。2、簡述進給驅(qū)動系統(tǒng)的特點（與主運動（主軸）系統(tǒng)比較）。3、簡述提高步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)傳動精度的措施。2023/2/559數(shù)控技術(shù)第五節(jié)

伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/560數(shù)控技術(shù)第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析前面各節(jié)我們重點討論了進給伺服系統(tǒng)的組成原理與實現(xiàn)方法，然而該系統(tǒng)要能真正實現(xiàn)預(yù)期的快速、準(zhǔn)確及平穩(wěn)驅(qū)動的要求，一個重要的問題是如何根據(jù)要求，進行閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計和調(diào)試。例如，開環(huán)增益，阻尼系數(shù)等參數(shù)對伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度與動態(tài)性能影響很大，這將是本節(jié)討論的重點第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/561數(shù)控技術(shù).控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及傳遞函數(shù)R(S)—輸入信號C(S)—輸出信號E(S)—偏差信號M(S)—控制量B(S)—反饋信號N(S)—噪聲信號G1(S)—控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)G2(S)—被控對象傳遞函數(shù)H(S)—反饋系統(tǒng)傳遞函數(shù)G1(S)G2(S)H(S)R(S)B(S)E(S)N(S)M(S)C(S)+-++第四章進給伺服系統(tǒng)第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析2023/2/562數(shù)控技術(shù)開環(huán)傳遞函數(shù)：反饋與偏差之比閉環(huán)傳遞函數(shù)：輸入與輸出之比干擾的閉環(huán)傳遞函數(shù)：輸出與噪聲之比系統(tǒng)誤差的函數(shù)：偏差與輸入之比第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/563數(shù)控技術(shù)二、進給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型及傳遞函數(shù)閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)：位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動位置檢測單元位置控制單元速度控制單元++-－電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令UgUpUθmθDXD速度檢測裝置XAXCXD△D第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/564數(shù)控技術(shù)整個進給伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由圖可知：X0

是對XC

和FD

兩個激勵的響應(yīng)，根據(jù)疊加原理，可先分別求出每個激勵單獨作用的響應(yīng)，然后進行疊加。KNKfP+－XAXCKASKV+－UG△U+－++－+＋+Up第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/565數(shù)控技術(shù)當(dāng)FD=0時，僅有XC

激勵的傳遞系數(shù)第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/566數(shù)控技術(shù)當(dāng)XC

,FD同時激勵時系統(tǒng)的響應(yīng)第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/567數(shù)控技術(shù)三、進給伺服系統(tǒng)的性能分析

系統(tǒng)增益KS(開環(huán)增益，速度增益)

KS是進給伺服系統(tǒng)的重要性能參數(shù)，為了說明其物理意義，可對上述系統(tǒng)進行一些簡化：假設(shè)上述各環(huán)節(jié)均是理想的，即各環(huán)節(jié)均是無慣量，無阻尼，剛度為無窮大，且無速度環(huán)，則：第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/568數(shù)控技術(shù)XCKNKAKfPKM+-△DUPUθmX0第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/569數(shù)控技術(shù)KS對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響進給伺服系統(tǒng)的輸入通常是斜坡激勵：FT（1/KS）tKSFT（1/KS）t第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/570數(shù)控技術(shù)討論

KS與輸出速度的關(guān)系當(dāng)KS

↑時，到達F

所需的時間越短，系統(tǒng)的響應(yīng)加快，靈敏度增高。KS與系統(tǒng)的加速度的關(guān)系當(dāng)KS

↑

時，系統(tǒng)的加速度增大，尤其是在剛啟動時，它使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，但對系統(tǒng)的沖擊也大，尤其對慣性較大的系統(tǒng)，將產(chǎn)生很大的沖擊力，另外，加速度太大也可能系統(tǒng)超調(diào)，引起系統(tǒng)失穩(wěn)。第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/571數(shù)控技術(shù)KS

與跟隨誤差△D

的關(guān)系。

KS↑→△D↓即：有利于提高系統(tǒng)的跟隨精度。結(jié)論：KS的選擇，要綜合考慮，折衷選取，才能獲得優(yōu)良的綜合性能。第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/572數(shù)控技術(shù)KS的初選方法在工程調(diào)試中，KS可按下列方式初選：

Mm、ML：分別是電機的輸出轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩；GDm2、GDL2：分別是電機轉(zhuǎn)子和負載等效飛輪慣量第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/573數(shù)控技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)中KS的設(shè)定方法由前面的推導(dǎo)可知：

KN：位置環(huán)增益；KA：速度環(huán)增益

Km：電機增益L/2π：機械系統(tǒng)增益其中：KA、Km、L/2π

在數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機械系統(tǒng)選定后便確定了，而KN

是作為可調(diào)參數(shù)，允許用戶根據(jù)具體情況選定，以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速度性的要求。第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/574數(shù)控技術(shù).定位精度

定位精度的檢查通常是在空載的情況進行的，即無負載力（Fc=0）。只有摩擦力，而且系統(tǒng)接受的是階躍位置指令，即：閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差為：第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/575數(shù)控技術(shù)第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/576數(shù)控技術(shù)半閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/577數(shù)控技術(shù)討論

由可知，為減小定位誤差可采用下列措施：減小傳動間的摩擦力Fcr，如采用滾動傳動取代滑動。增大KN、KA，其實質(zhì)增大KS(在系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍內(nèi))。減小KR（=Ra/KT），即選擇KT

在的伺服電機。在半閉環(huán)系統(tǒng)中，要盡可能增大傳動機構(gòu)的剛度K，這是因為當(dāng)K較小時，將產(chǎn)生較大的彈性變形，從而加大定位誤差。第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/578數(shù)控技術(shù)四、進給伺服系統(tǒng)參數(shù)的匹配

進給伺服系統(tǒng)是由電氣、機械等環(huán)節(jié)組成的一個整體，其組成環(huán)節(jié)的特性參數(shù)對整體系統(tǒng)的特性的影響。從理論上講，可以根據(jù)要求與系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型確定其參數(shù)，但是由于進給伺服系統(tǒng)工作條件復(fù)雜多變，尤其是機械系統(tǒng)的阻尼、剛度、慣量等參數(shù)，尚無完善的計算方法。因此在進行設(shè)計和調(diào)試時，除必要的理論計算外，還必輔之以實驗分析和類比法，利用已有的系統(tǒng)的參數(shù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行新的設(shè)計，這是目前常用的辦法。下面定性分析和介紹幾個重要參數(shù)對系統(tǒng)性能影響及其確定方法。第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/579數(shù)控技術(shù).阻尼

阻尼主要與伺服驅(qū)動裝置的電感、電阻、電機機械部件、機械傳動機構(gòu)的摩擦阻尼和粘性阻尼有關(guān)，它對系統(tǒng)的影響是：阻尼大則系統(tǒng)的伺服剛度高，抗干擾能力強，穩(wěn)定性高。系統(tǒng)的定位精度低，定位的離散程度大。

由此可知，這兩方面的矛盾的，應(yīng)在精度與伺服剛度之間折衷考慮。例如，采用滾動、靜壓導(dǎo)軌就是減少機械系統(tǒng)的阻尼。它可有效提高定位精度，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性裕度將減小，因此，現(xiàn)在有些進給系統(tǒng)設(shè)置了可調(diào)阻尼器，或者采用軟件的方法來改變系統(tǒng)的阻尼參數(shù)。第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/580數(shù)控技術(shù)2.慣量執(zhí)行部件的慣量越小越好，因為慣量越大，時間常數(shù)越大，系統(tǒng)的靈敏度變差，且固有頻率降低（），易發(fā)生共振。但由于剛度、強度等方面的原因，慣量的降低受到的限制。一般要求（交流伺服電機）：式中：JL：傳動部件折算到伺服電機輸出軸上的慣量

Jm：電機的慣量要滿足這一要求有兩個途徑：盡可能使執(zhí)行部件折算到電機軸上的慣量減小。盡可能使用本身慣量大的電機為驅(qū)動源。第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/581數(shù)控技術(shù).剛度

K與固有頻率n

剛度是指系統(tǒng)抵抗變形的能力，即：

K=F/e開環(huán)系統(tǒng)：K↓→失動量↑→系統(tǒng)的死區(qū)↑閉環(huán)系統(tǒng)：K↓→n

↓→系統(tǒng)的穩(wěn)定性↓系統(tǒng)的固有頻率n是系統(tǒng)動剛度的重要參數(shù)，應(yīng)注意：機械傳動機構(gòu)的n’>伺服驅(qū)動系統(tǒng)n的2-3倍。各個環(huán)節(jié)的n’應(yīng)相互錯開，以免發(fā)生振動耦合現(xiàn)象。各個環(huán)節(jié)的n應(yīng)避開系統(tǒng)的工作頻率范圍，以免在工作頻率上發(fā)生共振。第五節(jié)伺服系統(tǒng)性能分析第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/582數(shù)控技術(shù)內(nèi)容小結(jié)1．控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及傳遞函數(shù)。2、進給伺服系統(tǒng)的數(shù)字模型及傳遞函數(shù)。3、進給伺服系統(tǒng)的性能分析。4、進給伺服系統(tǒng)參數(shù)的匹配。2023/2/583數(shù)控技術(shù)習(xí)題與思考題1、閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)由哪兒部分組成，試用框圖表示各部分之間的關(guān)系，并簡述各部分的基本功能。2、簡述系統(tǒng)增益KS對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響3、簡述減小定位誤差可采用的措施。4、簡述進給伺服系統(tǒng)參數(shù)阻尼、慣量、剛度

K與固有頻率n的匹配原則。2023/2/584數(shù)控技術(shù)第六節(jié)

伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/585數(shù)控技術(shù)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響對于輪廓加工系統(tǒng)，要求精確地、實時地同時控制多個坐標(biāo)軸的位置與速度，但由于系統(tǒng)存在著跟隨誤差△D，將可能會影響多坐標(biāo)軸運動合成軌跡的精確性，產(chǎn)生輪廓誤差。第四章進給伺服系統(tǒng)2023/2/586數(shù)控技術(shù)一、跟隨誤差△D的含義及特性定義：指令位置D0i與實際位置Dai之差稱為跟隨誤差△D。跟隨誤差△D是由進給伺服系統(tǒng)各環(huán)節(jié)信息傳遞延遲效應(yīng)引起的。實際位置滯后指令位置。第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/587數(shù)控技術(shù)當(dāng)執(zhí)行部件進入勻速運動時△D為常數(shù)。當(dāng)它減速并停止時，△D逐漸減少到零。當(dāng)位置環(huán)為P調(diào)節(jié)時，△D與F、KS

的關(guān)系為：△D=F/KS

D0titp△DttDAD0DADFAF0FFt第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/588數(shù)控技術(shù)二.跟隨誤差△D對輪廓加工精度的影響

△D對直線輪廓加工精度的影響加工直線時兩軸的輸入指令為：

XY△DY△DXεAA’ααβ第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/589數(shù)控技術(shù)XY△DY△DXεAA’ααβ由于存在跟隨誤差△DX、△DY在某時刻指令位置在A點，實際位置在A′點，則有：第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/590數(shù)控技術(shù)輪廓誤差ε的幾何求法：XY△DY△DXεAA’ααβKS：平均系統(tǒng)增益；△KS：兩軸系統(tǒng)增益差；△KS/

KS：系統(tǒng)增益失配量第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/591數(shù)控技術(shù)討論當(dāng)KSX=KSY

時，△KS=0，ε=0；這說明當(dāng)兩軸系統(tǒng)增益相等時，跟隨誤差△DX、△DY對輪廓精度無影響。XY△Dy△Dxε=0AA’ααβ第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/592數(shù)控技術(shù)XY△DY△DXεAA’ααβ當(dāng)兩軸增益不一致，但KSX、KSY常數(shù)時，Ks、△Ks為常數(shù)，則ε為常數(shù)，也就是說，直線的輪廓形狀無誤差，但位置偏離了原位置。第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/593數(shù)控技術(shù)XY△DY△DXεAA’ααβ當(dāng)兩軸增益不一致，且KSX、KSY不是常數(shù)時，則ε不是常數(shù)，也就是說，將產(chǎn)生輪廓形狀誤差，即加工出的輪廓就不是直線了。第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/594數(shù)控技術(shù)在同等情況下：輪廓誤差ε與△KS

成正比，與KS

的平方成反比，與進給速度成F

正比。當(dāng)加工45°直線時，輪廓誤差ε最大。當(dāng)加工0°或90°直線時，輪廓誤差ε與增益無關(guān)。第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/595數(shù)控技術(shù)例題

在X-Y平面上銑削工件的一個平面，該面與X軸成45°角，進給速度為：F=450mm/min，KS為15±2%（1/s），計算最大輪廓誤差εmax。解：第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/596數(shù)控技術(shù)2.△D對圓弧輪廓加工精度的影響

△D對圓弧輪廓加工精度的影響可用加工圓弧的半徑變動量△R描述。通?！鱎的變化較為復(fù)雜，為此，可先討論下面條件下的情況：KSX=KSY=KS

然后再定性的討論其它較為復(fù)雜的情況第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/597數(shù)控技術(shù)

△R的求取RR+△R△DY△DXPP’A’AB’BOFFYFX第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/598數(shù)控技術(shù)討論當(dāng)KSX=KSY，且進給速度F

為恒速時，△R是常數(shù)。只產(chǎn)生尺寸誤差，不產(chǎn)生形狀誤差。當(dāng)從圓上某一點開始加工整圓時，則實際軌跡如下圖所示，為什么？第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/599數(shù)控技術(shù)當(dāng)KSX≠KSY

時，此時不僅產(chǎn)生尺寸誤差，而且產(chǎn)生形狀誤差?？梢宰C明：當(dāng)KSX=aKSY（a為常數(shù)）時，圓弧插補所形成的形狀為橢圓（長軸與X軸成45°夾角）。當(dāng)KSX與

KSY無確定關(guān)系時，圓弧插補所形成的形狀為無規(guī)則的形狀。第四章進給伺服系統(tǒng)第六節(jié)伺服系統(tǒng)的特性對加工精度的影響2023/2/5100數(shù)控技術(shù)在條件一定的情況下：輪廓誤差△R與KS

的平方成反比；輪廓誤差△R與F的平方成正比。因此，KS↑

或F↓可大大提高輪廓加工精度。輪廓誤差△R與