第四章 进给运动的控制

五、单向定位参数
• 单向定位可有效地提高数控机床的重复定位精度
六、报警保护参数设定
• 超速保护速度设定 • 最大跟随误差报警 • 位置反馈失线报警
一、传动反转间隙补偿 • 齿轮传动、滚珠丝杠螺母等都存在反转间隙，造成电机空转，而工 作台不运动，造成半闭环系统的误差和全闭环系统的位置震荡。 • 调整和预紧方法，减小间隙。 • 对于半闭环系统，可测出剩余间隙，作为参数输入给数控系统，在 反向运动时，控制电动机多走一段距离，补偿间隙误差。 二、螺距误差补偿 • 螺距制造存在误差，并且在使用一段时间后，磨损也会造成螺距精 度的下降，需要利用数控系统对螺距误差进行补偿。 • 解决方法：安装高精度位移测量装置，在行程上顺序定位一些位置 点，记录这些点的实际精确位置，标记各点处的误差，形成误差表， 测量多次，取平均值，将该表输入数控系统，按表进行补偿。 三、其他因素引起的误差及其补偿 • 摩擦力与切削力产生的传动链弹性变形 • 位置环跟随误差 • 伺服刚度：电动机在外加一个力矩负载，可使位置环产生多大的位 置误差。伺服刚度越大，抗负载扰动能力越强，位置误差越小。
MP
闭环伺服驱 动装置
半闭环驱动装置
• 将位置检测元件安装在电机轴上，精确控制电动机的角度， 通过滚珠丝杠等传动机构将角度转换成直线位移。 • 优点：位置增益高，不会发生振荡现象，快速性好，动态 精度高，传动机构的非线性对于系统的影响小。 • 缺点：传动机构的误差难以补偿，
闭环驱动装置
• 直接从机床移动部件上获取位置实际移动值，检测精度不 受机械传动精度的影响。

光电编码器每转能输出数千个脉冲信号，脉冲信 号通过计数器可以反映转角的位置。
要取得较高的位置增益，所用驱动装置时间常数 必须小。 如果选择了时间常数小的的伺服驱动电动机，没 有相应提高位置增益，整个位置控制回路的瞬态 响应并不能够得到明显改善。

E (s) 1 X i ( s ) 1 Gk ( s )

v2 Kx=Ky时，误差为 2( R r ) K 2

Kx≠Ky时，与φ成正比，所加工圆弧 变为长轴位于45°或135°处的椭圆， 提高增益能够减小误差。
位置增益的高低对于轮廓拐角的影响 • 位置增益过低时，外拐角会出现过切，内拐角会出现欠切削 • 位置增益过高时，外拐角会鼓包，内拐角会过切削 控制拐角误差的方法 • 选择动态性能尽可能好的伺服驱动装置，可以选取较高的位 置增益，不会超调 • 降低切削速度 • 在轮廓交接处加入延时指令，增加误差修正时间

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角 位移或线位移的控制电动机。
特点 有脉冲就走，无脉冲就停 脉冲数增加，角位移随之增加 脉冲频率越高，转速越高，反之越慢 脉冲频率变化太快，容易失步或过冲 改变分配脉冲的相序可改变旋转方向
输出转角精度较高，无累积误差
1）步距角的选择 步进电动机步距角θ，丝杠螺距h，齿轮减速比i， 脉冲当量δ，
3.如何控制拐角误差的大小。




ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4-1 4-10 4-14
4.1 概述
一、进给伺服驱动装置的控制系统性能 二、电气伺服驱动系统 三、驱动系统的工作特性曲线
4.2 开环数控系统进给运动控制
一、开环系统控制原理 二、步进电动机的选择 三、步进驱动系统与数控装置的信号连接 四、步进电动机控制五、开环进给系统精度分析

两轴位置增益相同时，轮廓误差为0； θ=0°或90°时，误差为0； Kx和Ky足够大时，轮廓误差较小； 轮廓误差与编程进给速度成正比；
指令位置
E
实际位置

圆弧插补轮廓误差表达式
sin 2 cos 2 v 2 Ky K x 2( R r ) v sin 2 1 1 2 Kx K y
• 数控系统每执行完一个运动程序段，自动判别跟随误差是否小于到位范围， 如不满足，则等待跟随误差修正至小于到位范围，才执行下一段程序。如果 到位范围小于伺服系统死区范围，则造成数控系统死机。
变增益 位置控 制策略
K1 为进给切削运动时所用增益值，尽可能高，减 小跟随误差。 K2 为 快 速 定 位 时 所 使 用 增 益 。 一 般 为 K1 的 50%~80%。 设定 Eb 为变增益转折点，一般比最高切削速度时 的跟随误差略大。 Vm为最小模拟电压输出值，防止伺服单元对较小 的模拟控制电压无响应，从而无法修正跟随误差。


直线升降速过程
可将加速度限制在一定范围内，降低机械冲击。
指数升降速过程
加速度变化无突变，速度变化平滑。需要设定 加减速总时间和加速升降时间。
四、返回参考点参数
• 通过快速寻找粗定位开关与低速寻找栅格零点两个步骤。
• 1）快速寻找粗定位开关方向与速度Fa。
• 2）低速寻找栅格零点C的速度Fb。
根据负载性质、最高进给速度等条件选择步进电 动机类型。 根据系统精度、数据处理长度、机床行程等确定δ 和h 。 如果θ、δ和h三个参数仍然满足不了上式时，增加 齿轮减速装置。

360 i h
2）最大静态转矩选择



负载转矩 F为进给方向上切削力；G为工件与工作台 总重量；μ导轨摩擦系数；η包括齿轮与丝 杠在内的总传动效率； 步进电动机的最大静态转矩满足下式
M z (0.2 ~ 0.4)M jmax
( F 9.8G)h 103 Mz 2 i
步进电动机驱动电路 • 完成由弱电到强电的转换和放大，将逻辑电平信号转换为电 动机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号 脉冲分配 • 将插补输出脉冲，按照步进电动机所要求的规律分配给步进 电动机驱动电路的各个输入端，控制绕组的开通和关断。 • 硬件脉冲分配，采用逻辑电路或者专用集成芯片实现 软件脉冲分配 • 查表法实现,P135表4-2 速度控制：通过延时控制步进电机的转速 自动升降速控制：见图4-13
4.3 闭环数控系统进给运动控制及特 性分析
一、闭环位置控制系统 二、位置控制回路的数学模型 三、定位过程的误差分析 四、直线插补轮廓误差分析 五、圆弧插补轮廓误差分析 六、拐角轮廓误差分析
4.4 闭环数控系统进给驱动装 置的信号连接
一、模拟电压控制方式 二、指令脉冲控制方式 三、其他控制方式
4.5 进给运动控制参数设置
一、一般参数的设定 二、变增益位置控制的增益设定 三、升降速参数 四、返回参考点参数 五、单向定位参数
4.6 进给运动的误差补偿
一、传动反转间隙补偿 二、螺距误差补偿 三、其他因素引起的误差及其补偿
一、进给伺服驱动装置的控制性能
开环伺服驱 动装置
采用步进电机作为驱动 元件，没有位置反馈和 速度控制回路，线路简 单，投资抵、调试维修 方便。进给速度和精度 较低，广泛应用于中、 低当数控机床及一般机 床改造中。
交流电动机
• 前馈控制、最优控制、 矢量控制或者直接转 矩控制方法
驱动器 • GTR晶闸管或 IGBT（绝缘栅 双极型晶体管） 作为驱动器件
一、开环系统控制原理 1）工作台位移量控制 步进电动机步距角θ，丝杠螺距h，齿轮减 速比i，脉冲当量δ， h 360i
2）工作台进给速度控制
v 60 f
（一）步进驱动系统

宽调速性能，输出转矩大，过载能力强。 调整、安装和使用方便，适应于频繁启动、制 动及快速定位要求的场合。

交流伺服电动机不需要维护，制造简单， 适合于恶劣环境下工作。
控制箱、位置控制器、伺服电动机、 伺服驱动、速度传感器、译码器
控制器
• 硬件采用单片机或 DSP等高性能处理器
• 采用尖角过渡指令
• 使用自动升降速功能，改善动态性能差的驱动装置

伺服单元本身完成电流环与速度环的控制， 而位置环由数控装置完成。
倍频率与分辨率
• 由编码器分辨率和位置检测接口的倍频数及传动机构共同决定
正负向存储行程极限 间隙与螺距误差补偿 快速移动速度与最大切削进给速度 机床参考点的坐标值 到位范围
1 X i (s) v s lim E ( s) lim
s 0
v E K
v v s 0 s[1 G ( s )] K k s[1 ] s(Ts 1)

数控机床进行XY轴直线联动插补时，X、Y分别对应恒速 运动。轮廓误差E与各轴跟随误差Ex, Ey之间的关系为
E E y cos Ex sin vY vX vX vY v cos * v sin v sin * v cos KY v K X v KY v KX v v sin 2 1 1 ( ) 2 K y Kx
精度分析 • 步进电动机的步距误差 • 动态误差 • 启停误差 • 齿隙误差 • 丝杠、导轨的累计误差、受力变形和热变形误差 提高精度的几个措施 • 从驱动电路方面改进：采用细分电路减少脉冲当量 • 从软件方面改进：软件实现齿系、螺距误差的补偿
• 从控制原理方面改进：增加一些检测传感装置
一、闭环位置控制系统 （一）闭环位置控制的概念 位置传感器将机械位移转换为数字脉冲，该脉 冲送至数控装置，有计数器技术，计算机以固定的 时间周期对反馈值采样，将采样值与插补程序输出 的结果进行比较，得到位置误差，经软件增益放大， 输出给数模转换器，从而为伺服装置提供控制电压， 驱动工作台向减少误差的方向移动。 其数学模型间P140.


1.半闭环伺服驱动装置的优点。
2. 步进驱动系统、直流伺服驱动系统和交 流伺服驱动系统的优缺点。


1.开环系统脉冲当量和进给速度的计算。
2. 步进的分类。 3.步距角和最大静态转矩的选择

1.简单了解闭环控制系统位置控制回路的数 学模型。 2. 如何减少跟随误差，单位斜坡输入情况 下，如何计算跟随误差。