进给伺服系统概述

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进给伺服系统
内容提要 第一节 进给伺服系统概述 第二节 进给伺服系统分析 第三节 脉冲比较的进给伺服系统 第四节 相位比较的进给伺服系统 第五节 幅值比较的进给伺服系统 第六节 幅值比较的进给伺服系统 第七节 数据采样式进给伺服系统 第八节 数据采样式进给伺服系统 第九节 交、直流伺服电动机的微机 数控机床通常有多个运动坐标轴,如车床有 x 和 z 坐标轴,复杂 车床还有平行于 x 的 u 轴和平行于 z 的 w 轴,铣床一般有 x、y 和 z 坐标轴,加工中心则有更多的坐标轴(包括直线轴和回转轴)。 这些轴有的带动装有工件的工作台, 有的带动装有切削刀具的刀 架,通过坐标轴的综合联动,使刀具相对于加工工件产生复杂的曲线 轨迹,加工出所要求的复杂形状的工件。 驱动各加工坐标轴运动的传动装置称为进给伺服系统。 包括机械 传动部件和产生主动力矩以及控制其运动的各种驱动装置。 因传动部 件而影响伺服机构性能的因素主要有刚性、间隙、摩擦、惯量、负载 的均匀性及温度变形等。 进给伺服系统是计算机数控系统(CNC)中一个重要组成部分,
过阻尼 若阻尼比ζ>1 则称为过阻尼。在这种情况下,进给伺服系 统的传递函数有一对不相同的实数极点,传递函数可以写成:
在这种情况下,系统对输入信号的响应是无振荡的。对其斜度输入信 号的响应,如图 8-8 所示。 临界阻尼 若阻尼比ζ=1 则称为临界阻尼。临界阻尼的情况下,进 给伺服系统的传递函数有一对相同的实数极点。传递函数可以写成:

代入(8-1)得:
式中:K=K p K v K A 。 上式表明,闭环进给伺服系统是一个典型的二阶系统,设:
则:
图 8-5 中,前向通道的传递函数:
(8-1) 利用前向通道的传递函数 G 1 (s)可以将图 8-5 简化为图 8-6, 系统的闭环传递函数是:
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2-2、进给伺服系统动、静态性能分析。
它的性能直接决定与影响 CNC 系统的快速性、稳定性和精确性。 数控机床的进给伺服系统是一种精密的位置跟踪与定位系统, 是以位 置为控制对象的自动控制系统。 对于位置控制,若位置比较及位置控制器都由微机完成,则是位 置数字伺服系统。目前,在高性能的 CNC 系统中,位置、速度和加 速度是数字伺服(至少位置、速度是数字伺服);在全功能中档数控 系统,则有的位置环控制是计算机完成的,而速度环则是模拟伺服, 这种情况下,位置控制器的输出往往是数字量,需经 D/A 转换后, 作为速度环的给定命令。
(1)最大动态速降


表明系统在突加载后及时作出反应的能力, 常以 稳态转速的百分比表示。 (2)恢复时间 t f : 由扰动作用进入系统的时刻到输出量恢复到误 差带内(一般也取稳态值的)所经历的时间,称为恢复时间。一般地 说,阶跃扰动下输出的动态变化越小,恢复得越快,说明系统的抗扰 性能力越强。显然,从要求系统具有抗扰性能好的角度出发,上述两 项指标越小越好。 (二)静态性能
第一节 进给伺服系统概述 数控机床进给伺服系统有多种分类方式。 按照有无位置检测和反馈环节以及位置检测元件的安装位置来 分类,可以将进给伺服系统分为开环、半闭环和闭环三种类型;按进 给伺服系统的进给轨迹来分类, 可以将其分成点位控制系统和轮廓控 制系统两类。对于轮廓控制的进给伺服系统来说,它在进给运动中要 连续的接收来自 CNC 装置的运动控制指令。这一指令可以是连续的 脉冲序列,也可以是一个接一个的数字。若按照运动控制指令的形式 来分, 又可将轮廓控制的进给伺服系统分为数据采样式和基准脉冲式 两类。 1-1 开环、闭环和半闭环
第二节 进给伺服系统分析
在自动控制系统中, 把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变 化而变化的系统称为随动系统,亦称伺服系统。 数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置(或速度)作为 控制对象的目的自动控制系统。 进给伺服系统的作用在于接受来自数 控装置的指令信号,驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动,并保证动 作的快速和准确。 数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于 伺服系统。 在数控机床位置进给控制中,为了加工出光滑的零件表面,绝对 不允许出现位置超调。位置控制器对位置进给伺服系统非常重要。目 前在 CNC 系统中使用的主要有“比例型”“比例加前馈型”两种类 型。 位置控制器本身可以是微处理器, 也可以是由硬件构成的脉冲比 较电路。从传递函数的角度来看,位置控制器相当于一个比例环节, 其比例系数是 K P 。位置控制器输出是数字量,必须经过 D/A 转换 之后才能控制调速单元,D/A 转换也相当于一个比例环节,比例系数 是 KA 。 从位置环的角度看,调速单元可以等效为一贯性环节 K V /(T V s+1),式中,T V 为惯性时间常数;K V 为调速单元的放



在这种情况下,系统对输入的响应也是无振荡的,其对斜坡信号 的响应与过阻尼时的情况差不多。 由于数控机床的伺服进给控制不允许出现振荡, 故欠阻尼的情况
是应当避免的;临界阻尼是一种中间状态,若系统参数发生了变化, 就有可能转变为欠阻尼,临界阻尼的情况也是应该避免的。 由此得出结论: 数控机床的进给伺服系统应当在过阻尼的情况下 进行。 (2).动态性能指标 系统的动态过程用时域分析法最为直观。 系统在给定输入和扰动输入 下,其输出响应具有不同的物理意义。 对给定输入的跟随性能指标 对于位置随动系统,由于给定值的变 化是主要输入,动态过程将围绕这个变化了的给定值而变化。 在 R(t)为单位阶跃信号下,系统输出 c(t)的响应曲线如图 8-9。
安装在工作台上的位置检测器把机械位移变成电量, 反馈到输入 端与输入信号相比较,得到的差值经过放大和变换,最后驱动工作台 向减小差值的方向移动。如果输入信号不断产生,工作台就不断跟随 输入信号运动。只有在差值为零时工作台才停止运动。因此,闭环系 统的定位误差取决于检测单元的误差, 而于放大和传动部分没有直接 关系。 如图 8-2(a)所示,闭环进给伺服系统主要由以下几部分组成: ⑴比较环节 将位置指令和反馈的实际位置进行比较, 得出位置偏差。 ⑵位置控制器 将位置偏差作为输入,完成位置控制策略功能,输出 作为速度的给定命令。 ⑶检测单元 测量工作台或刀架的实际位置,反馈到位置伺服系统的 输入端。位置检测传感器的精度、分辨率对伺服系统的精度起着决定 性作用。 ⑷速度控制及伺服驱动单元 完成进给速度变化范围的调速控制,产 生一定的功率,并通过执行器完成能量转换。 ⑸控制对象 指机床工作台及其传动机构,它们是组成系统的重要部 分,也是系统结构组成要素的重要内容。 由于应用了反馈控制的原理, 闭环伺服系统可以达到较高的速度 和精度,因此在数控机床、特别是大型和精密的机床中广为应用。 图 8-2 所示,直接测量工作台的位移建立反馈系统,可以 消除整个放大和传动部分的误差,间隙和失动。但这种测量装置价格 较高,安装和调整都比较复杂而且不易保养;相比之下,测量转角要
容易得多。 因此根据实际情况可以在传动链和旋转部位安装角度测量 元件进行反馈。 一般把这种在中间部位上取出反馈信号的系统称为半闭环系统。 图 8-3 为半闭环系统原理框图。
这种系统只能补偿环路内部传动链的误差。因此,其精度要比闭 环系统稍差,但由于这种系统结构简单,调整方便,所以广泛应用于 各种数控机床。 1-2、点位和连续控制的伺服系统 连续切削控制的伺服系统与点位控制的伺服控制系统有很大的 不同。在点位控制系统中,重要的是定位精度和定位时间(影响到效 率),对于如何趋近定位点及趋近过程中的精度则无关紧要,因此, 可能采用分级降速,单方向趋近等提高定位精度的办法,一般属于闭 环断续控制方式。 对于连续切削控制系统, 由于一边进给, 一边要加工零件的轮廓, 所以除了定位精度要求准确之外,在整个进给过程中,为使工件精度 高而且表面粗糙度低,要求伺服系统速度稳定,跟随误差小。或者说 要求伺服系统在很宽的速度范围内有良好的稳态和动态品质。
1.静态性能分析
控制系统中,最重要的是稳定性问题。如果一台数控机床的伺服 控制系统是不稳定的,那么机床工作台就不可能稳定在指定位置,是 无法进行切削加工的。因此,任何控制系统首先必须是稳定的。 2、稳态性能指标 位置伺服系统的稳态性能指标主要是定位精度,指的是系 统过度过程终了时实际状态与期望状态之间的偏差程度。 一般数控机 床的定位精度应不低于 0.01mm,而高性能数控机床定位精度将达到 0.001mm 以上。 影响伺服系统稳态精度的原因主要有两类, 一类是位置测量装置
分析响应曲线 c(t)的质量时,常用的指标有: 超调量 σ% 设系统输出响应在
t p 时刻到达最大值,其
超出稳态值的部分与稳态值的比值称为超调量,通常取百分数形式。 即:
调节时间 ts
首先,若把 c(∞)的形成的区域称为误差带,那么调节
时间 ts 定义是:从加上输入量的时刻到输出量 c(t)进入,而且不再超 出误差带为止的一段时间。 从以上指标中,调节时间 ts 愈小表明系统快速性及跟随性能愈 好。超调量 比较迟钝。 实际中快速性和稳定性往往是互相矛盾的。 压低了超调量就会延长过度过程, 加快了过度过程却又增大超调 量,因此,需按照加工工艺需求在各项性能指标中作一定的选择。 对扰动输入的抗扰性能指标 抗扰性能是指 当系统的给定输入不变时,即给定量为定值时,在受到阶跃扰动 后,输出克服扰动的影响自行恢复的能力。抗扰能力指标用的是最大 动态变化(降落或上升)和恢复时间。 以调速系统为例,给出一个调速系统在突加载时,力矩 M(t) 与转速 n(t)的动态响应曲线。图 8-10 所示。 σ% 愈小表明系统在跟随过程中比较平稳,但往往也
大倍数。 调速单元输出的量是速度量,这一速度量经过积分环节 1/s 后成为角 位移量。
2-1、进给伺服系统的数学模型
对控制系统的数学描述, 实际上就是首先建立系统中各环节的传 递函数,然后求出整个系统的传递函数。有速度内环的闭环系统如 图 8-4 所示:
位置检测环节是指位置传感器(光电编码器,旋转变压器等)和后置 处理电路。作用是把位置信号转换为电信号。这个环节也可以看做是 一个比例环节,比例系数是 K f 。 将各环节的传递函数置换 8-4 的框图, 就得到了动态结构图, 如图 8-5 所示:
的误差,另一类是系统误差。系统误差与系统输入信号的性质和 形式有关,也与系统本身的结构和参数有关。 在进给伺服系统中,这一误差也称为系统跟随误差。与“伺服滞 后”的本质是一样的,一般数控系统应用说明中常用“伺服滞后” 来表达。参见图 8-11。
上面已经把数控机床位置伺服系统简化为典型的二阶系统。 下面 将应用控制系统的分析方法来讨论数控机床位置伺服系统的性能指 标。 (一)动态性能 (1).动态性能分析 动态过程是指控制系统在输入作用下从一个稳态向新的稳态转 变的过渡过程。位置伺服系统在跟踪加工的连续控制过程中,几乎始 终处于动态的过程中。 控制系统都是受到给定与扰动两种输入的作用。 理想的控制系统 应该对给定输入的变化能够准确地跟踪, 同时又完全不受扰动输入的 影响。即系统应该具有很好的跟随性和很强的抗干扰性。 对于位置随动系统,给定值的变化量是主要输入,动态过程将围 绕这个变化了的给定值变化。 阻尼比ζ是描述系统动态性能的重要参 数。 欠阻尼 0<ζ<1 时进给伺服系统的传递函数: 这种情况下系统对于斜坡输入信号的跟随响应是要经历振荡的, 如下 图所示 :
数控机床中最简单的位置伺服系统如图 8-1 所示。
步进电动机直接将进给脉冲变换为机械运动; 通过齿轮和丝杆带 动工作台移动。对应于每个进给脉冲,工作台移动一个脉冲当量的距 离。这种只含有信号的放大和变换,不带有检测反馈的伺服 系统称为开环伺服系统,或简称开环系统。 由于没有反馈检测部件, 开环系统中各部分的误差都折合成系统 的位置误差。因此,开环系统的精度较差,速度上也有一定限制(主 要是受步进电动机性能的限制)。但由于其结构简单,容易调整,适 于速度、精度要求不太高的场合。 与开环相对应的是闭环伺服系统。 原理框图如图 8-2 所示。
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