數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的控制原理

1、第7章　數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的控制原理,2,機床數(shù)控系統(tǒng)的本質(zhì)是位置控制系統(tǒng)。數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的類型及其性能與機床加工精度有著重要的聯(lián)系。本章將介紹數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)位置控制的基本工作原理。,3,7.1　概 述,機床的主運動提供金屬切削所需的能量，而進給運動則根據(jù)被加工工件的形狀，保持工件與刀具的相對位置。這樣設計機床的運動，則主運動一般均為旋轉(zhuǎn)運動，要求驅(qū)動動力源的功率大，其控制問題主要是進行調(diào)速，要求較低；而進給運動

2、驅(qū)動動力源的功率較小，為了保證生成被加工工件所要求的型線和一定的加工精度，一般應進行位置伺服控制，因此控制上的要求較高。,4,7.1.1　數(shù)控機床進給運動伺服系統(tǒng)的分類和特點,數(shù)控機床進給運動伺服系統(tǒng)按其控制原理可以分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)(半閉環(huán))系統(tǒng)。在開環(huán)系統(tǒng)中，不進行位置和速度的檢測，電動機將依據(jù)電脈沖驅(qū)動進給運動達到期望的位置。開環(huán)系統(tǒng)采用步進電動機作為動力源，并且假定只要輸入一定數(shù)量的電脈沖，機床就有相應的位移量。由于沒有檢測元器

3、件，構成這樣的系統(tǒng)成本較低，但是它的缺點是一旦產(chǎn)生誤差，就會逐漸積累。前面已經(jīng)提到，開環(huán)系統(tǒng)必須采用步進電動機或電液脈沖馬達作為動力源。閉環(huán)(半閉環(huán))系統(tǒng)要進行閉環(huán)控制，從控制原理上講，閉環(huán)與半閉環(huán)系統(tǒng)沒有什么差別。在系統(tǒng)硬件構成上，與開環(huán)系統(tǒng)相比，閉環(huán)(半閉環(huán))系統(tǒng)要使用位置檢測元器件和比較器。,5,7.1.2　全閉環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別,全閉環(huán)系統(tǒng)為了測量直線進給運動，沿導軌移動方向安裝直線位移傳感器，直接測量工作臺的位移；而半閉

4、環(huán)系統(tǒng)則把角位移傳感器安裝在滾珠絲杠端部，測量其角位移，顯然，這時傳感器角位移的值不能反映滾珠絲杠本身的行程誤差及其變形，以及滾珠絲杠副以后傳動鏈所產(chǎn)生的那部分工作臺的位移誤差。全閉環(huán)系統(tǒng)與半閉環(huán)系統(tǒng)反饋信號測取上的差異，會明顯地影響實際控制效果，因此，全閉環(huán)系統(tǒng)與半閉環(huán)系統(tǒng)在工程上有時被認為是兩種不同的類型。不過，由于下面我們將僅僅從理論上分析開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的工作原理，所以不再強調(diào)全閉環(huán)系統(tǒng)與半閉環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別。,6,7.2　進給伺服系

5、統(tǒng)中的位置指令信號,數(shù)控機床的進給位置指令是由CNC裝置通過插補運算而得到的?？v觀整個加工程序段的插補過程，了解位置進給指令信號究竟屬于什么類型，對于深入理解進給伺服系統(tǒng)的工作原理是很重要的。,7,7.2.1　位置指令信號的函數(shù)規(guī)律,在數(shù)控機床中，最常見的插補公式有直線插補和圓弧插補。對于兩軸直線插補 (圖7.1)，軌跡方程是x=kz，其中k是常數(shù)，該直線軌跡方程等價于式(7-1)所示的參數(shù)方程組。 對于兩軸

6、圓弧插補(圖7.2)，軌跡如圖7.2所示，軌跡方程是x2+z2＝r2。該圓弧軌跡方程等價于參數(shù)方程式組(7-2)。,,8,7.2.2　指令值的修正,現(xiàn)在來分析典型的斜坡位置指令。參見圖7.3。圖7.3(a)表示的是斜坡位置指令，圖7.3(b)表示的是圖7.3(a)中所包含的進給速度信息，圖7.3(c)表示圖7.3(a)中所包含的加速度信息。很明顯，這里沒有加減速的過程，進給速度是突變的，這樣就產(chǎn)生了沖擊加速度，加速度是與驅(qū)動力成正比的，

7、因而沖擊加速度意味著驅(qū)動力的沖擊，這對機械傳動部件是不利的。此外，指令進給速度的突變會造成系統(tǒng)跟蹤失步，增大跟隨誤差。,9,7.2.2　指令值的修正,圖7.3所描述的位置指令稱為具有速度控制的位置指令，這種位置指令函數(shù)的主要缺點是沒有對加速度進行限制。這種位置指令函數(shù)是沒有經(jīng)過修正的指令函數(shù)。對位置指令函數(shù)進行修正就是要對加速度進行限制。圖7.4(a)所描述的是經(jīng)過修正以后的位置指令函數(shù)，這一指令函數(shù)呈現(xiàn)“S”形，而不是如圖7.3(a)

8、所描述的斜坡形。這一經(jīng)過修正的位置指令函數(shù)中也包含了速度和加速度信息，分別如圖7.4(b)和7.4(c)所示。,10,7.3 開環(huán)伺服系統(tǒng),7.3.1　開環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構圖7.5是步進電動機驅(qū)動的開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構簡單，易于控制，但精度差，低速不平穩(wěn)，高速扭矩小。一般用于輕載且負載變化不大的場合，或經(jīng)濟型數(shù)控機床上。,11,7.3.2　系統(tǒng)工作原理,開環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動控制線路接受來自數(shù)控機床控制系統(tǒng)的進給脈沖信號，并將該信號轉(zhuǎn)換

9、為控制步進電動機各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進電動機運轉(zhuǎn)。步進電動機的轉(zhuǎn)子與機床絲杠連在一起，轉(zhuǎn)子帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠轉(zhuǎn)動使工作臺產(chǎn)生移動。1. 工作臺位移量的控制2. 工作臺進給速度的控制3. 工作臺運動方向的控制 綜上所述，在步進式伺服系統(tǒng)中，輸入進給脈沖數(shù)量、頻率、方向經(jīng)驅(qū)動控制線路和步進電動機，可以轉(zhuǎn)換為工作臺的位移量、進給速度和進給方向，能夠滿足數(shù)控機床伺服系統(tǒng)對位移控制的要求。,12,7.3

10、.3　提高步進系統(tǒng)精度的措施,1. 細分線路所謂細分線路，就是把步進電動機的一步再分得細一些，來減小步距角。其基本原理是把原來的一步分為10小步來走。如圖7.6所示。 2．反向間隙補償減小傳動鏈中的間隙，可采用間隙補償線路，其基本工作原理是：根據(jù)實際測得傳動間隙的大小，每當出現(xiàn)反向時，用補充固定的脈沖來克服。圖7.7是間隙補償?shù)脑韴D，圖中觸發(fā)器Q寄存原來運動的方向。,13,7.3.3　提高步進系統(tǒng)精度的措施,3．混合伺服系統(tǒng)在

11、實際使用過程中，由于設備的剛性、環(huán)境溫度、負載的變化，都可能帶來一定的傳動誤差，這樣只靠開環(huán)系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)去克服，就有一定困難。對于精度要求高的大型數(shù)控機床，如數(shù)控坐標鏜床、加工中心機床等，還可以在開環(huán)系統(tǒng)的基礎上，采用所謂混合伺服系統(tǒng)，如圖7.8所示。,14,7.4　閉環(huán)(半閉環(huán))伺服系統(tǒng),7.4.1　閉環(huán)(半閉環(huán))伺服系統(tǒng)的結(jié)構與工作原理采用閉環(huán)(半閉環(huán))系統(tǒng)的機床在加工工件時的過程如下。第一步：比較輸入與輸出信號。 第二步：計

12、算控制信號。 第三步：控制信號送入電動機驅(qū)動電源。 第四步：電動機驅(qū)動電源驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)以減小誤差直至為零。第五步：達到期望位置。 第六步：從內(nèi)存讀入輸入信號。 上述步驟不斷重復，直到加工完成。特別要強調(diào)的是，只有當實際值與期望值存在偏差時，才產(chǎn)生運動，因此這種系統(tǒng)又被稱為偏差驅(qū)動閉環(huán)系統(tǒng)。圖7.9為數(shù)控機床一個坐標軸進給運動伺服系統(tǒng)的等效框圖。,15,7.4.2　閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)學模型,進給伺服系統(tǒng)的結(jié)構如圖7.10所示。

13、在圖7.10中，由位置控制器執(zhí)行比例控制算法?？刂破鞅旧砜梢允俏⑻幚砥鳎部梢允怯捎布嫵傻拿}沖比較電路或相位比較電路。從傳遞函數(shù)的角度來看，位置控制器相當于一個比例環(huán)節(jié)，其比例系數(shù)是Kp。 利用前向通道的傳遞函數(shù)G1(s)，可以將圖7.11簡化成圖7.12。,,16,7.4.3　進給伺服系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能分析,1. 動態(tài)性能(1)欠阻尼 (2)過阻尼 (3)臨界阻尼 2. 靜態(tài)性能進給伺服系統(tǒng)的靜態(tài)性能的優(yōu)劣主要體現(xiàn)為

14、跟隨誤差的大小。在進給伺服系統(tǒng)中，輸入指令曲線與位置跟隨響應曲線之間存在著誤差，隨著時間的增加，這一誤差趨向于固定。這一誤差就稱為系統(tǒng)跟隨誤差。 由圖7.15可知，“伺服滯后”與“跟隨誤差”本質(zhì)是一樣的。,17,7.4.4　閉環(huán)伺服系統(tǒng),下面討論幾種典型的進給位置伺服系統(tǒng)實例。1. 脈沖比較式進給位置伺服系統(tǒng)圖7.16所示為用于工件輪廓加工的一個坐標進給伺服系統(tǒng)，它包含速度控制單元和位置控制外環(huán)，由于它的位置環(huán)是按給定輸入脈沖數(shù)和

15、反饋脈沖數(shù)進行比較而構成閉環(huán)控制，所以稱該系統(tǒng)為脈沖比較的位置伺服系統(tǒng)。2. 相位比較式進給位置伺服系統(tǒng)圖7.19所示的是一相位比較式進給位置伺服系統(tǒng)，這種伺服系統(tǒng)用于電動機采用旋轉(zhuǎn)變壓器調(diào)速時。時鐘脈沖源發(fā)出頻率為f0的時鐘脈沖，時鐘脈沖被送到“脈沖/相位變換器”和“N分頻器”中。,18,7.4.4　閉環(huán)伺服系統(tǒng),3. 數(shù)據(jù)采樣式進給位置伺服系統(tǒng)圖7.21是數(shù)據(jù)采樣式進給位置伺服系統(tǒng)的控制結(jié)構框圖。與前面介紹過的“脈沖比較式”和

16、“相位比較式”不同，數(shù)據(jù)采樣式進給伺服系統(tǒng)的位置控制功能是由軟件和硬件兩部分共同實現(xiàn)的。軟件負責跟隨誤差和進給速度指令的計算；硬件接受進給指令數(shù)據(jù)，進行D/A轉(zhuǎn)換，為速度控制單元提供命令電壓，以驅(qū)動坐標軸運動。,19,7.5　閉環(huán)伺服系統(tǒng)分析,一般數(shù)控機床對位置伺服系統(tǒng)有如下要求：定位速度和輪廓切削進給速度。定位精度和輪廓切削精度。精加工的表面粗糙度。在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。一般對閉環(huán)

17、系統(tǒng)來說，總希望系統(tǒng)有一個較小的位置誤差時，機床移動部件能迅速反應，即系統(tǒng)有較高的動態(tài)精度。,20,7.5.1　開環(huán)增益,數(shù)控機床的位置伺服系統(tǒng)是一個典型的二階系統(tǒng)。在典型的二階系統(tǒng)中，阻尼系數(shù) ，速度穩(wěn)態(tài)誤差 　，其中K為開環(huán)放大倍數(shù)，工程上也稱作開環(huán)增益。一般情況下，數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的增益取為20~30(1/s)。通常把K20的系統(tǒng)稱為高增益或硬伺服系統(tǒng)，應用于輪廓加工系統(tǒng)。,,,21,

18、7.5.2　位置精度,位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機床的加工精度。因此位置精度是一個極為重要的指標。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)的大小，另一方面是對位置檢測元件提出精度的要求。因為在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對于檢測元件本身的誤差和被檢測量的偏差是很難區(qū)分出來的，反饋檢測元件的精度對系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用。 數(shù)控機床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量稱

19、做分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。在設計數(shù)控機床、尤其是高精度或大中型數(shù)控機床時，必須精心選用檢測元件。選擇測量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當量時，一般要求比加工精度高一個數(shù)量級。總之，高精度的控制系統(tǒng)必須有高精度的檢測元件作為保證。,22,7.5.3　調(diào)速范圍,伺服系統(tǒng)在低速情況下實現(xiàn)平穩(wěn)進給，則要求速度必須大于“死區(qū)”范圍。所謂“死區(qū)”指的是由于靜摩擦力的存在使系統(tǒng)在很小輸入下，電機克服不了摩擦力而不能轉(zhuǎn)動。此外，還

20、由于存在機械間隙，電機雖然轉(zhuǎn)動，但拖板并不移動，這些現(xiàn)象也可用“死區(qū)”來表達，見圖7.25。伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機床的機械允許界限和實際加工要求，高速固然能提高生產(chǎn)率，但對驅(qū)動要求也就更高。此外，從系統(tǒng)控制角度看也有一個檢測與反饋的問題，尤其是在計算機控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理的時間是否足夠。,23,7.5.4　速度誤差系數(shù),對于連續(xù)切削系統(tǒng)要求同時精確地控制每個坐標軸運動的位置與速度，實際上由于每個軸的系統(tǒng)存在著穩(wěn)態(tài)誤差

21、，就會影響坐標軸的協(xié)調(diào)運動和位置的精確性，產(chǎn)生輪廓跟隨誤差，簡稱輪廓誤差。輪廓誤差是指實際軌跡與要求軌跡之間的最短距離，用e來表示。1. 兩軸同時運動加工直線輪廓的情況2. 圓弧加工時的情況實際上，大多連續(xù)控制系統(tǒng)中兩軸的增益特性經(jīng)常會稍有差別，此時加工的圓弧將會產(chǎn)生形狀誤差。加工圓時，將會形成橢圓。因此，要求將各軸的系統(tǒng)增益K值調(diào)整得盡量接近，其值應盡量的高。,24,7.5.5　伺服系統(tǒng)的可靠性,可靠度是評價可靠性的主要定量指

22、標之一，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對數(shù)控機床來說，它的規(guī)定條件是指其環(huán)境條件、工作條件及工作方式等，例如溫度、濕度、振動、電源、干擾強度和操作規(guī)程等。這里的功能主要指數(shù)控機床的使用功能，例如數(shù)控機床的各種機能，伺服性能等。數(shù)控機床常用平均故障(失效)間隔時間(MTBF)作為可靠性的定量指標。MTBF是指發(fā)生故障經(jīng)修理或更換零件還能繼續(xù)工作的可修復設備或系統(tǒng)，從一次故障到下一次故障的平均時間。一般數(shù)控機