教学用第7章机床进给伺服系统的控制原理PPT课件

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第四节. 闭环、半闭环进给伺服系统
一、 闭环（半闭环）进给伺服系统的结构和工作原理
1. 比较参考输入信号与输出（反馈）信号：输入信号是根据工件或刀具 期望位置由插补运算计算得到的，该信号作为输入信号送入控制单元， 并与反馈到控制单元的传感器输出信号相比较，其中传感器输出信号 代表工件或刀具的实际位置，比较后就得到工件或刀具实际位置相对 于期望位置的误差信号。
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第二节 进给伺服系统中的位置指令信号
1.位置指令信号的函数规律
位置指令信号是通过插补得到的，所谓插补就是将数控 加工程序中指明的轮廓轨迹方程改写成相应的以时间t为 变量的参数方程，该参数方程所描述的就是各进给轴的 位置指令的函数规律。
对于直线插补，轨迹方程是x=kz，k为常数，其轨迹方 程等价于：
期望关系相符合时，运动就停止。 6.从内存读入输入信号：从内存把下一个输入信号读入控制单
元，重复上述步骤。
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CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节器
速度控制单元
+
-Fra Baidu bibliotek
速度控制 调节与驱动
实际位 置反馈
实际速 度反馈
检测与反馈单元
机械执行部件 电机
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CNC 插补指令
A相、B
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
f、n
脉冲环 形分配
变换
相
功率
放大
C相、…
机械执行部件
电机
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二、系统的工作原理
1.工作台的位移量的控制
数控机床控制系统发出N个进给脉冲，经驱动控制线路之后，变成 控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化次数N，使步进 电机定子绕组的通电状态变化N次。
直线插补的位置 指令为斜坡函数
z zt x k zt
z r sint x r cost
Z轴的进给，X轴的进给
圆弧插补的位置指令是正弦函数
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2.指令值的修正
上述位置指令都是具有加速度的位置指令，其缺点就是没有对加 速度进行限制，而加速度就意味着冲击，这对传动系统是极为不 利的。
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提高步进电机开环系统传动精度的措施
✓ 细分线路：就是把步进电机的一步分成多步，以减小步距角。 ✓ 反向间隙补偿：其原理是根据实际测得的传动间隙的大小，每
当出现反向时，用固定的脉冲数来进行补偿。 ✓ 混合伺服系统：在工作台上增加一个感应同步器，当出现误差，
感应同步器经过比较器得到增加或减少脉冲数量，从而消除误 差。其实质就是闭环系统的控制方法。
指令值修正，就是要对加速度进行限制，经过限制后的进给速度 指令曲线中包含了匀加速上升和匀减速下降段，进给速度不存在 阶跃变化，加速度也被限制在± am之内，这种位置指令函数称为 加速度控制的位置指令函数。
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第三节 开环伺服系统
一、开环数控系统的结构 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→ 进给系统），故系统稳定性好。
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二、闭环伺服系统的数学模型
定子绕组通电状态变化次数N决定了步进电机转子的角位移Φ =Nα ,其中α 为步距角。该角位移经丝杠、螺母之后变为工作台 的位移量L。
即进给脉冲数N→定子绕组通电状态变化次数N →步进电机转子的 转角Φ →工作台位移量L.
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2.工作台进给速度的控制
机床控制系统发出的进给脉冲频率f，经驱动控制线路后，表示为 控制步进电机定子绕组通断电的电平信号变化频率，也就是定子绕 组通电状态变化频率，而定子绕组通电状态的变化频率f决定了步 进电机转子的速度v，该转速v经丝杠、螺母后，体现为工作台的 进给速度v。
要改变定子绕组的通电顺序，可改变进给脉冲方向。
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提高步进电机开环伺服系统传动精度的措施
影响步进电机开环系统传动精度的因素：
✓ 步进电机的步距角精度； ✓ 机械传动部件的精度； ✓ 丝杆等机械传动部件、支承的传动间隙； ✓ 传动件和支承件的变形。
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2. 计算控制信号：依据控制理论，可为闭环（半闭环）系统设计适当的 控制算法，系统工作时，按控制算法对误差信号进行运算，得到控制 信号。（这个控制算法主要有比例、积分、微分及它们的组合）
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3.控制信号送入驱动电源进行放大； 4.电源输出驱动电动机旋转，以减小误差直至为０； 5.达到期望位置；当工件相对于刀具或其他要求的实际关系与
第七章 机床进给伺服系统的控制原理
内容提要
第一节 概述 第二节 进给伺服系统中的位置指令信号 第三节 开环伺服系统 第四节 闭环（半闭环）伺服系统
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第一节 概述
1.数控机床进给运动伺服系统的分类和特点：
（1）开环控制系统：进给动力源是步进电机，一定的脉冲数量使进 给机构运动一定的位移量。没有位置检测元件和转速检测元件。 优点是结构简单，成本低；缺点是一旦产生误差，误差就会逐渐 积累，因此控制精度差。
即进给脉冲频率f →定子绕组通电状态的变化频率f →步进电机转 子转速v →工作台进给速度v
3.工作台运动方向控制
当控制系统发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路后，步进电 机的定子绕组按一定顺序依次通电、断电；
当控制系统发出的进给脉冲是反向时，经驱动控制线路后，步进电 机的定子绕组按反向顺序依次通电、断电；
（2）闭环（半闭环）控制系统：从控制原理上讲，闭环和半闭环控 制没什么区别，半闭环控制是在电机输出轴上安装转速检测元件， 而闭环控制是除了安装转速检测元件之外，还要在机床上安装位 置检测元件。
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2.闭环和半闭环控制系统的区别：
闭环系统为了测量直线进给运行，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 闭环系统则把角位移传感器安装滚珠丝杠端部，测量 其角位移，显然，这时传感器角位移的值不能反应滚 珠丝杠本身的行程误差和变形，以及滚珠丝杠副以后 传动链所产生的那部分工作台的位移误差。