数控技术及应用清华版7数控机床进给伺服系统的控制原理

1、第7章 数控机床进给伺服系统的控制原理机床数控系统的本质是位置控制系统。数控机床数控系统的本质是位置控制系统。数控机床进给伺服系统的类型及其性能与机床加机床进给伺服系统的类型及其性能与机床加工精度有着重要的联系。工精度有着重要的联系。本章将介绍数控机床进给伺服系统位置控制本章将介绍数控机床进给伺服系统位置控制的根本工作原理。的根本工作原理。1精选课件7.1 概 述机床的主运动提供金属切削所需的能量，而进机床的主运动提供金属切削所需的能量，而进给运动那么根据被加工工件的形状，保持工件给运动那么根据被加工工件的形状，保持工件与刀具的相对位置。这样设计机床的运动，那与刀具的相对位置。这样设计机床的运动，那么主运动一般均为旋转运动，要求驱动动力源么主运动一般均为旋转运动，要求驱动动力源的功率大，其控制问题主要是进行调速，要求的功率大，其控制问题主要是进行调速，要求较低；而进给运动驱动动力源的功率较小，为较低；而进给运动驱动动力源的功率较小，为了保证生成被加工工件所要求的型线和一定的了保证生成被加工工件所要求的型线和一定的加工精度，一般应进行位置伺服控制，因此控加工精度，一般应进行位置伺服控制，

2、因此控制上的要求较高。制上的要求较高。2精选课件7.1.1 数控机床进给运动伺服系统的分类和特点数控机床进给运动伺服系统按其控制原理可以分为开数控机床进给运动伺服系统按其控制原理可以分为开环系统和闭环环系统和闭环(半闭环半闭环)系统。在开环系统中，不进行系统。在开环系统中，不进行位置和速度的检测，电动机将依据电脉冲驱动进给运位置和速度的检测，电动机将依据电脉冲驱动进给运动到达期望的位置。开环系统采用步进电动机作为动动到达期望的位置。开环系统采用步进电动机作为动力源，并且假定只要输入一定数量的电脉冲，机床就力源，并且假定只要输入一定数量的电脉冲，机床就有相应的位移量。由于没有检测元器件，构成这样的有相应的位移量。由于没有检测元器件，构成这样的系统本钱较低，但是它的缺点是一旦产生误差，就会系统本钱较低，但是它的缺点是一旦产生误差，就会逐渐积累。前面已经提到，开环系统必须采用步进电逐渐积累。前面已经提到，开环系统必须采用步进电动机或电液脉冲马达作为动力源。闭环动机或电液脉冲马达作为动力源。闭环(半闭环半闭环)系统系统要进行闭环控制，从控制原理上讲，闭环与半闭环系要进行闭环控制，从控制原理上讲

3、，闭环与半闭环系统没有什么差异。在系统硬件构成上，与开环系统相统没有什么差异。在系统硬件构成上，与开环系统相比，闭环比，闭环(半闭环半闭环)系统要使用位置检测元器件和比较系统要使用位置检测元器件和比较器。器。3精选课件7.1.2 全闭环和半闭环控制系统的区别全闭环系统为了测量直线进给运动，沿导轨移动方向全闭环系统为了测量直线进给运动，沿导轨移动方向安装直线位移传感器，直接测量工作台的位移；而半安装直线位移传感器，直接测量工作台的位移；而半闭环系统那么把角位移传感器安装在滚珠丝杠端部，闭环系统那么把角位移传感器安装在滚珠丝杠端部，测量其角位移，显然，这时传感器角位移的值不能反测量其角位移，显然，这时传感器角位移的值不能反映滚珠丝杠本身的行程误差及其变形，以及滚珠丝杠映滚珠丝杠本身的行程误差及其变形，以及滚珠丝杠副以后传动链所产生的那局部工作台的位移误差。全副以后传动链所产生的那局部工作台的位移误差。全闭环系统与半闭环系统反响信号测取上的差异，会明闭环系统与半闭环系统反响信号测取上的差异，会明显地影响实际控制效果，因此，全闭环系统与半闭环显地影响实际控制效果，因此，全闭环系统与半闭环系统在

4、工程上有时被认为是两种不同的类型。不过，系统在工程上有时被认为是两种不同的类型。不过，由于下面我们将仅仅从理论上分析开环和闭环系统的由于下面我们将仅仅从理论上分析开环和闭环系统的工作原理，所以不再强调全闭环系统与半闭环系统的工作原理，所以不再强调全闭环系统与半闭环系统的区别。区别。4精选课件7.2 进给伺服系统中的位置指令信号数控机床的进给位置指令是由数控机床的进给位置指令是由CNC装置通过装置通过插补运算而得到的。纵观整个加工程序段的插补运算而得到的。纵观整个加工程序段的插补过程，了解位置进给指令信号究竟属于插补过程，了解位置进给指令信号究竟属于什么类型，对于深入理解进给伺服系统的工什么类型，对于深入理解进给伺服系统的工作原理是很重要的。作原理是很重要的。5精选课件7.2.1 位置指令信号的函数规律在数控机床中，最常见的插在数控机床中，最常见的插补公式有直线插补和圆弧插补公式有直线插补和圆弧插补。对于两轴直线插补补。对于两轴直线插补(图图7.1)，轨迹方程是，轨迹方程是x=kz，其，其中中k是常数，该直线轨迹方程是常数，该直线轨迹方程等价于式等价于式(7-1)所示的参数方所示的参数方

5、程组。程组。对于两轴圆弧插补对于两轴圆弧插补(图图7.2)，轨迹如图轨迹如图7.2所示，轨迹方程所示，轨迹方程是是x2+z2r2。该圆弧轨迹方。该圆弧轨迹方程等价于参数方程式组程等价于参数方程式组(7-2)。6精选课件7.2.2 指令值的修正现在来分析典型的斜坡位置指令。参见图现在来分析典型的斜坡位置指令。参见图7.3。图。图7.3(a)表示表示的是斜坡位置指令，图的是斜坡位置指令，图7.3(b)表示的是图表示的是图7.3(a)中所包含的进中所包含的进给速度信息，图给速度信息，图7.3(c)表示图表示图7.3(a)中所包含的加速度信息。中所包含的加速度信息。很明显，这里没有加减速的过程，进给速度是突变的，这样很明显，这里没有加减速的过程，进给速度是突变的，这样就产生了冲击加速度，加速度是与驱动力成正比的，因而冲就产生了冲击加速度，加速度是与驱动力成正比的，因而冲击加速度意味着驱动力的冲击，这对机械传动部件是不利的。击加速度意味着驱动力的冲击，这对机械传动部件是不利的。此外，指令进给速度的突变会造成系统跟踪失步，增大跟随此外，指令进给速度的突变会造成系统跟踪失步，增大跟随误差。误差。7精

6、选课件7.2.2 指令值的修正图图7.3所描述的位置指令称为具有速度控制的位置指令，这种位所描述的位置指令称为具有速度控制的位置指令，这种位置指令函数的主要缺点是没有对加速度进行限制。这种位置指置指令函数的主要缺点是没有对加速度进行限制。这种位置指令函数是没有经过修正的指令函数。对位置指令函数进行修正令函数是没有经过修正的指令函数。对位置指令函数进行修正就是要对加速度进行限制。图就是要对加速度进行限制。图7.4(a)所描述的是经过修正以后的所描述的是经过修正以后的位置指令函数，这一指令函数呈现位置指令函数，这一指令函数呈现“S形，而不是如图形，而不是如图7.3(a)所所描述的斜坡形。这一经过修正的位置指令函数中也包含了速度描述的斜坡形。这一经过修正的位置指令函数中也包含了速度和加速度信息，分别如图和加速度信息，分别如图7.4(b)和和7.4(c)所示。所示。8精选课件7.3 开环伺服系统7.3.1 开环伺服系统的结构图7.5是步进电动机驱动的开环伺服系统。开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。一般用于轻载且负载变化不大的场合，或经济型数控机床上。9精选课件7.

7、3.2 系统工作原理开环系统驱动控制线路接受来自数控机床控制系统的开环系统驱动控制线路接受来自数控机床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电动机各进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电动机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电动机运转。定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电动机运转。步进电动机的转子与机床丝杠连在一起，转子带动丝步进电动机的转子与机床丝杠连在一起，转子带动丝杠转动，丝杠转动使工作台产生移动。杠转动，丝杠转动使工作台产生移动。1.工作台位移量的控制工作台位移量的控制2.工作台进给速度的控制工作台进给速度的控制3.工作台运动方向的控制工作台运动方向的控制综上所述，在步进式伺服系统中，输入进给脉冲数量、综上所述，在步进式伺服系统中，输入进给脉冲数量、频率、方向经驱动控制线路和步进电动机，可以转换频率、方向经驱动控制线路和步进电动机，可以转换为工作台的位移量、进给速度和进给方向，能够满足为工作台的位移量、进给速度和进给方向，能够满足数控机床伺服系统对位移控制的要求。数控机床伺服系统对位移控制的要求。10精选课件7.3.3 提高步进系统精度的措施1.细分线路所谓细

8、分线路，就是把步进电动机的一步再分得细一些，来减小步距角。其根本原理是把原来的一步分为10小步来走。如图7.6所示。2反向间隙补偿减小传动链中的间隙，可采用间隙补偿线路，其根本工作原理是：根据实际测得传动间隙的大小，每当出现反向时，用补充固定的脉冲来克服。图7.7是间隙补偿的原理图，图中触发器Q存放原来运动的方向。11精选课件7.3.3 提高步进系统精度的措施3混合伺服系统在实际使用过程中，由于设备的刚性、环境温度、负载的变化，都可能带来一定的传动误差，这样只靠开环系统的各环节去克服，就有一定困难。对于精度要求高的大型数控机床，如数控坐标镗床、加工中心机床等，还可以在开环系统的根底上，采用所谓混合伺服系统，如图7.8所示。12精选课件7.4 闭环(半闭环)伺服系统7.4.1 闭环(半闭环)伺服系统的结构与工作原理采用闭环(半闭环)系统的机床在加工工件时的过程如下。第一步：比较输入与输出信号。第二步：计算控制信号。第三步：控制信号送入电动机驱动电源。第四步：电动机驱动电源驱动电动机旋转以减小误差直至为零。第五步：到达期望位置。第六步：从内存读入输入信号。上述步骤不断重复，直到加工完成。特

9、别要强调的是，只有当实际值与期望值存在偏差时，才产生运动，因此这种系统又被称为偏差驱动闭环系统。图7.9为数控机床一个坐标轴进给运动伺服系统的等效框图。13精选课件7.4.2 闭环伺服系统数学模型进给伺服系统的结构如图进给伺服系统的结构如图7.10所示。所示。在图在图7.10中，由位置控制器中，由位置控制器执行比例控制算法。控制器执行比例控制算法。控制器本身可以是微处理器，也可本身可以是微处理器，也可以是由硬件构成的脉冲比较以是由硬件构成的脉冲比较电路或相位比较电路。从传电路或相位比较电路。从传递函数的角度来看，位置控递函数的角度来看，位置控制器相当于一个比例环节，制器相当于一个比例环节，其比例系数是其比例系数是Kp。利用前向通道的传递函数利用前向通道的传递函数G1(s)，可以将图，可以将图7.11简化成简化成图图7.12。14精选课件7.4.3 进给伺服系统的动、静态性能分析1.动态性能(1)欠阻尼(2)过阻尼(3)临界阻尼 2.静态性能进给伺服系统的静态性能的优劣主要表达为跟随误差的大小。在进给伺服系统中，输入指令曲线与位置跟随响应曲线之间存在着误差，随着时间的增加，这一误差趋向于

10、固定。这一误差就称为系统跟随误差。由图7.15可知，“伺服滞后与“跟随误差本质是一样的。15精选课件7.4.4 闭环伺服系统下面讨论几种典型的进给位置伺下面讨论几种典型的进给位置伺服系统实例。服系统实例。1.脉冲比较式进给位置伺服系统脉冲比较式进给位置伺服系统图图7.16所示为用于工件轮廓加工所示为用于工件轮廓加工的一个坐标进给伺服系统，它包的一个坐标进给伺服系统，它包含速度控制单元和位置控制外环，含速度控制单元和位置控制外环，由于它的位置环是按给定输入脉由于它的位置环是按给定输入脉冲数和反响脉冲数进行比较而构冲数和反响脉冲数进行比较而构成闭环控制，所以称该系统为脉成闭环控制，所以称该系统为脉冲比较的位置伺服系统。冲比较的位置伺服系统。2.相位比较式进给位置伺服系统相位比较式进给位置伺服系统图图7.19所示的是一相位比较式进所示的是一相位比较式进给位置伺服系统，这种伺服系统给位置伺服系统，这种伺服系统用于电动机采用旋转变压器调速用于电动机采用旋转变压器调速时。时钟脉冲源发出频率为时。时钟脉冲源发出频率为f0的的时钟脉冲，时钟脉冲被送到时钟脉冲，时钟脉冲被送到“脉脉冲冲/相位变换器和相位

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