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1、第四章 進給伺服系統,內容提要 本章將詳細討論進給伺服系統的軟件硬件結構；進給伺服系統基本功能的原理及實現方法。,第一節(jié) 概述,. 進給伺服系統的定義及組成 . 定義： 進給伺服系統(Feed Servo System)以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統。,組成： 進給伺服系統主要由以下幾個部分組成：位置控制單元；速度控制單元；驅動元件(電機)；檢測與反饋單元；機械執(zhí)行部件。,一、進給伺服系統的定義及組成,調速范圍要寬且要有良好的穩(wěn)定性(在調速范圍內) 調速范圍： 一般要求： 穩(wěn)定性：指輸出速度的波動要少，尤其是在低速時的平穩(wěn)性顯得特別重要。,二、NC機床對數控進

2、給伺服系統的要求,輸出位置精度要高 靜態(tài)：定位精度和重復定位精度要高，即定位誤差和重復定位誤差要小。(尺寸精度) 動態(tài)：跟隨精度，這是動態(tài)性能指標，用跟隨誤差表示。 (輪廓精度) 靈敏度要高，有足夠高的分辯率。,負載特性要硬 在系統負載范圍內， 當負載變化時，輸出速度應基本不變。即F盡可能小； 當負載突變時，要求速度的恢復時間短且無振蕩。即t盡可能短； 應有足夠的過載能力。 這是要求伺服系統有良好的靜態(tài)與動態(tài)剛度。,響應速度快且無超調 這是對伺服系統動態(tài)性能的要求，即在無超調的前提下，執(zhí)行部件的運動速度的建立時間 tp 應盡可能短。 通常要求從 0Fmax（Fmax0），其時間

3、應小于200ms，且不能有超調，否則對機械部件不利，有害于加工質量。,能可逆運行和頻繁靈活啟停。 系統的可靠性高，維護使用方便，成本低。 綜上所述： 對伺服系統的要求包括靜態(tài)和動態(tài)特性兩方面； 對高精度的數控機床，對其動態(tài)性能的要求更嚴。,第二節(jié) 進給伺服系統的位置檢測裝置,一、概 述 組成：位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成的。 作用：實時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式，將運動部件現實位置反饋到位置控制單元，以實施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統的重要組成部分。 閉環(huán)數控機床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，在

4、設計數控機床進給伺服系統，尤其是高精度進給伺服系統時，必須精心選擇位置檢測裝置。,1.進給伺服系統對位置測量裝置的要求 高可靠性和高抗干擾性： 受溫度、濕度的影響小，工作可靠，精度保持性好，抗干擾能力強； 能滿足精度和速度的要求： 位置檢測裝置分辨率應高于數控機床的分辨率（一個數量級）； 位置檢測裝置最高允許的檢測速度應數控機床的最高運行速度。 使用維護方便，適應機床工作環(huán)境； 成本低。,. 位置檢測裝置的分類,按輸出信號的形式分類：數字式和模擬式 按測量基點的類型分類：增量式和絕對式 按位置檢測元件的運動形式分類：回轉型和直線型,常用位置檢測裝置分類表,分類,. 感應同步器,感應同步器的結構

5、及分類 結構,sin,cos,,,節(jié)距2（2mm）,,,,,節(jié)距（0.5mm）,定尺,滑尺,感應同步器的工作原理.,感應同步器是利用勵磁繞組與感應繞組間發(fā)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，感應繞組中的感應電壓隨位移的變化而變化，借以進行位移量的檢測。感應同步器滑尺上的繞組是勵磁繞組，定尺上的繞組是感應繞組。,,U0,U0,1,,定尺,滑尺,1,感應同步器的信號處理原理,滑尺正旋繞組上加激磁電壓Us后，與之相耦合的定尺繞組上的感應電壓為： Uos=KUScos1 滑尺余旋繞組上加激磁電壓Uc后，與之相耦合的定尺繞組上的感應電壓為： Uoc=KUccos（1+/2） =K Ucs

6、in1,滑尺正、余旋繞組上同時加激磁電壓Us、 Uc時，感應同步器的磁路可是為線性的，根據疊加原理，則與之相耦合的定尺 繞組上的總感應電壓為： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 K 電磁感應系數 1 定尺繞組上的感應電壓的相位角,滑尺與定尺 相對位移量 x 的求取： 2: 2= x : 1 x = 1 結論：相對位移量 x 與 相位角1 呈線性關系，只要能測出相位角1 ，就可求得位移量 x 。 根據滑尺正、余旋繞組上激磁電壓Us、 Uc供電方式的不同可構成不同檢測系統-鑒相型系統和鑒幅型系統。,鑒相型系統的工作原理,在鑒相型系統中，激磁電壓是頻率、幅值

7、相同，相位差為 /2的交變電壓： US = Um sint UC = Um cost 則： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 = K Um sint cos1K Um cost sin1 = K Um sin（t 1） 結論：只要能測出Uo與US相位差1 ，就可求得滑尺與定尺相對位移量 x 。,鑒幅型系統的工作原理,在鑒幅型系統中，激磁電壓是頻率、相位相同，幅值不同的交變電壓： US = Um sin2sint UC = Um cos2sint 2= x 2 （ x 2是指令位移值） Uo = Uos+ Uos=KUScos1K Uc

8、sin1 = K Um sin2 cos1sint K Um cos2sintsin1 = K Um sin（21）sint 結論：只要能測出Uo與UC相位差1 ，就可求得滑尺與定尺 相對位移量 x 。,. 脈沖編碼器,脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉式數字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉動，可將被測軸的角位移轉換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據內部結構和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電碼盤在數控機床上應用較多，而由霍爾效應構成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。另外，它還可分為絕對式和增量式兩種。,. 增量脈沖編碼器,結構及工作原理,光電碼盤隨被測

9、軸一起轉動，在光源的照射下，透過光電碼盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此光信號轉換成電信號，通過信號處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路： 其中， 是 的取反信號。,,A,B,,,,,90,輸出信號的作用及其處理,A、B兩相的作用 根據脈沖的數目可得出被測軸的角位移； 根據脈沖的頻率可得被測軸的轉速； 根據A、B兩相的相位超前滯后關系可判斷被測軸旋轉方向。 后續(xù)電路可利用A、B兩相的90相位差進行細分處理（四倍頻電路實現）。,Z相的作用 被測軸的周向定位基準信號； 被測軸的旋轉圈數記數信號。 的作用 后續(xù)電路可利用A、 兩相實現差分輸入，以消除遠距離傳輸

10、的共模干擾。,增量式碼盤的規(guī)格及分辨率,規(guī)格 增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉一圈發(fā)出的脈沖數； 現在市場上提供的規(guī)格從 36線/ 轉 到 10萬線 /轉 都有； 選擇：伺服系統要求的分辨率； 考慮機械傳動系統的參數。 分辨率（分辨角） 設增量式碼盤的規(guī)格為 n 線/轉：,. 絕對式編碼器,結構和工作原理 碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數相等； 對應每圈都有光電傳感器； 輸出信號的路數與碼盤圈數成正比； 檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。,絕對編碼盤的編碼方式及特點 二進制編碼： 特點：編碼循序與位置循序相一致，但可能產生非單值性誤差。 誤差分析：,,,,,111

11、1,1000,格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼） 特點：任何兩個編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與位置循序無直接規(guī)律。,格雷碼的編碼方法 它是從二進制碼轉換而來的，轉換規(guī)則為： 將二進制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數碼作不 進位加法，得出的結果即為格雷碼(循環(huán)碼)。 例題： 將二進制碼0101轉換成對應的格雷碼：,絕對式碼盤的規(guī)格及分辨率,規(guī)格 絕對式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數 n 有關； 現在市場上提供從 4道 到 18道 都有； 選擇：伺服系統要求的分辨率； 考慮機械傳動系統的參數。 分辨率（分辨角） 設絕對式碼盤的規(guī)格 n 道：,. 光電編碼器的特點,非接觸測量，

12、無接觸磨損，碼盤壽命長，精度保證性好； 允許測量轉速高，精度較高；。 光電轉換，抗干擾能力強； 體積小，便于安裝，適合于機床運行環(huán)境； 結構復雜，價格高，光源壽命短； 碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動能力差。,第三節(jié) 進給伺服驅動系統,一、概述 進給伺服驅動系統：由進給伺服系統中的 電機及其控制和驅動裝置 組成。 電機：進給系統的動力部件，它提供執(zhí)行部件運動所需的動力，在數控機床上目前常用的電機有： 步進電機 直流伺服電機 交流伺服電機 直線電機。,速度單元：電機的控制和驅動裝置，通常驅動電機與速度控制單元是相互配套供應的，其性能參數都是進行了相互匹配，這樣才能獲得高性能的系統指標。 速度控制

13、單元主要作用：接受來自位置控制單元的速度指令信號，對其進行適當的調節(jié)運算(目的是穩(wěn)速)，將其變換成電機轉速的控制量(頻率，電壓等)，再經功率放大部件將其變換成電機的驅動電量，使驅動電機按要求運行。簡言之：調節(jié)、變換、功放。,進給驅動系統的特點（與主運動（主軸）系統比較）： 功率相對較小； 控制精度要求高； 控制性能要求高，尤其是動態(tài)性能。,、步進電機及其驅動裝置,步進電機流行于70年代，該系統結構簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數字化。隨著計算機技術的發(fā)展，除功率驅動電路之外，其它部分均可由軟件實現，從而進一步簡化結構。因此，這類系統目前仍有相當的市場。目前步進電機僅用于小容量、低速、精度

14、要不高的場合，如經濟型數控；打印機、繪圖機等計算機的外部設備。,、直流伺服電機及驅動,直流電機的工作原理是建立在電磁力定律基礎上的，電磁力的大小正比于電機中的氣隙磁場，直流電機的勵磁繞組所建立的磁場是電機的主磁場，按對勵磁繞組的勵磁方式不同，直流電機可分為： 他激式、 并激式、 串激式、 復激式、 永磁式。 20世紀8090年代中期，永磁式直流伺服電機在NC機床中廣泛采用。,直流伺服電機的特點,過載倍數大，時間長； 具有大的轉矩/慣量比，電機的加速大，響應快。 低速轉矩大，慣量大，可與絲桿直接相聯。 調速范圍大：12000。 帶有高精度的速度和角位置檢測元件； 電機允許溫度達150以上，由

15、于溫升高，影響機床精度 因轉子慣性大，電源容量以及機械傳動件的剛度都需相應增大。 電刷、維護不便,、交流伺服電機及驅動,由于直流伺服電機具有優(yōu)良的調速性能， 80年代初至90年代中，在要求調速性能較高的場合，直流伺服電機調速系統的應用一直占據主導地位。但其卻存在一些固有的缺點，即： 電刷和換向器易磨損，維護麻煩 結構復雜，制造困難，成本高 而交流伺服電機則沒有上述缺點。特別是在同樣體積下，交流伺服電機的輸出功率比直流電機提高10%70%，且可達到的轉速比直流電機高。因此，人們一直在尋求交流電機調速方案來取代直流電機調速的方案。,,,,,編碼器,轉子（永磁體）,定子,繞組線圈,,接線盒,,電機

16、軸,. 分類,. 交流伺服電機的速度控制單元,交流伺服電機轉速 n 調速的理論基礎 結論：交流伺服電機變頻調速的關鍵是要獲得可調頻調 壓的交流電源,調頻調壓電源的分類,電壓型變頻器方案示意圖,電壓型變頻器工作原理 結論：變頻器實現變頻調壓的關鍵 是逆變器控制端獲得要求的 控制波形（如SPWM波）。,控制波形的實現方式（電機調速的控制方式）： 相位控制； 矢量變換控制； PWM控制； 磁場控制；,第四節(jié) 典型進給伺服系統(位置控制),. 開環(huán)進給伺服系統(Open-Loop System) 不帶位置測量反饋裝置的系統； 驅動電機只能用步進電機； 主要用于經濟型數控或普通機

17、床的數控化改造,. 步進電機開環(huán)系統設計,步進電機開環(huán)系統設計要解決的主要問題： 動力計算 、傳動計算、 驅動電路設計或選擇 目的：傳動計算選擇合適的參數以滿足脈沖當量和進 給速度F的要求。 圖中：f 脈沖頻率（HZ ） 步距角 （度） Z1、Z2 傳動齒輪齒數 t 螺距(mm) 脈沖當量（mm）,傳動比選擇： 為了湊脈沖當量mm，也為了增大傳遞的扭矩，在步進電機與絲桿之間，要增加一對齒輪傳動副，那么，傳動比i=Z1/Z2與、 、t之間有如下關系： 例： = 0.01 t = 6 mm = 0.75,,進給速度F： 一般步進電機： 若：=0.01 mm 則：

18、若 =0.001mm 則： 因此，當 一定時， 與成正比，故我們在談到步進電機開環(huán)系統的最高速度時，都應指明是在多大的脈沖當量下的 否則是沒有意義的。,. 提高步進電機開環(huán)伺服系統傳動精度的措施,概述 影響步進電機開環(huán)系統傳動精度的因素： 步進電機的步距角精度； 機械傳動部件的精度； 絲桿等機械傳動部件、支承的傳動間隙； 傳動件和支承件的變形。 提高步進電機開環(huán)系統傳動精度的措施 適當提高系統組成環(huán)節(jié)的精度； 采取各種精度補償措施。,傳動間隙補償 在整個行程范圍內測量傳動機構傳動間隙，取其平均值存放在數控系統中的間隙補償單元，當進給系統反向運動時，數控系統自動將補償值加到進給指令中

19、，從而達到補償目的。 螺矩誤差補償 滾珠絲桿在數控機床應用廣泛，雖然滾珠絲桿精度較高，但是總不可做的絕對精確，總是將其精度控制在一定的范圍內的，也就是它的螺距總是存在著一定的誤差的，利用計算機的運算處理能力，可以補償滾珠絲杠的螺矩累積誤差，以提高進給位移精度。 方法：首先測量出進給絲框螺距誤差曲線(規(guī)律)，然后可采用下列兩種方法實現誤差補償：硬件補償、軟件補償。,. 閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統,閉環(huán)進給伺服系統的實現方案分類和特征 按系統的控制信號類型分： 模擬型系統、數字型系統 模擬型系統： 特征：這類系統全部采用模擬元件構成；其輸入（控制） 信號、輸出的位置、速度信號也是模擬量；速度

20、和 位置檢測元也是模擬式的。,特點： 抗干擾能力強，一般不會因峰值誤差導致致命的誤動作。 可用常規(guī)儀器儀表（示波器，萬用表等）直接讀取信息， 易于隨時把握系統工作的基本情況。 對弱信號信噪分離困難，控制精度的提高受到限制。 在零點附近容易受到溫度漂移的影響，使位置控制產生漂移誤差。 位置、速度調節(jié)器的結構和參數調整困難，適應負載變化的能力較差。 模擬系統這種本質缺陷，使它很難滿足高精度位置伺服控制的要求，目前已逐漸被數字伺服系統所取代。,數字型系統： 特征：這類系統是指至少其位置環(huán)控制與調節(jié)采用數字控制技術，即位置指令和反饋信號都不再是模擬信號 改用數字信號（邏輯電平脈沖信號）的系

21、統。,特點： 可以通過增加數字信息的字長，來滿足要求的控制精度。 對邏輯電以下的漂移、噪聲不予晌應，零點定位精度可以得到充分保證。 容易對其結構和參數進行修改（根據控制要求），且易于與計算機進行數據交換。 噪聲峰值大于邏輯電平時，對數據的最高位和最低位的干擾出錯程序是相同的，這種錯誤可能導致系統致命的危害。 傳送數據的數字電路要求具有很寬的頻帶。以保證脈沖上、下降沿有足夠的陡峭度。 抑制干擾、防止數據出錯，是數字伺服系統設計成功的關鍵。,. 數字伺服系統的類型,全硬件伺服系統 全硬件伺服系統又稱脈沖比較伺系統，其典型的組成方式如圖所示：,構成：該系統中，位置閉環(huán)的控制與調節(jié)運算主要由偏差計數器

22、（一般為可逆計數器）和D/A完成。 柔性差：系統全由硬件構成，使得它的各調節(jié)器參數在機電聯調整定后就固定下來了，不易改變，這對負載慣量變化不大的位置伺服系統（如車床刀架進給控制），可獲得滿意的控制性能指。而對某些負載慣量較大的系統，則很難在整個范圍內（負載慣量變化）都獲得滿意的控制效果。 零漂將影響精度：這類系統依靠D/A，將位置調節(jié)輸出的數字量轉化成模擬電壓作速度指令信號。提供給速度伺服單元，因此，其零點漂移將影響定位精度。,半軟件型伺服系統 這種系統的位置控制采用軟硬件組成，速度控制仍采用模擬方式，系統組成如圖所示：,位置控制的軟件現可以由NC裝置的CPU實現，也可以由位置控制板上自帶的

23、CPU實現。 位置控制的調節(jié)運算部分由軟件實現，增加了靈活性： 調節(jié)器的參數可以通過進行修改、設定 調節(jié)算法可以采用較復雜的算法，以提高控制性能（變結構、變增益） 可增加許多輔助功能（故障診斷、脈沖當量變換等） 零點漂移可通過軟件進行補償,由于這種系統的速度單元仍是模擬型的，全硬件型系統中存在的問題并未明顯解決，如它的內環(huán)參數（速度、電流）和位置環(huán)中D/A轉換器的位數依然是固定的。因此難以兼顧負載慣量大的變化。不過，由于利用軟件采用一些補償措施，這就使得半軟件位置伺服系統的位置控制精度和控制性能要高于全硬件型的位置伺服系統。,全軟件位置伺服系統 這種系統是指除電流環(huán)仍為模擬結構外，位置、速度控

24、制均由微機通過控制軟件來實現，系統組成如圖所示：,NC系統,,,微機 位置、速度 控制 (D/A輸出),,模擬電流 控制與功放,整形.信頻.辨向,A、B,Z,,,工作臺,PG,電壓,,,,,,,,,圖中的微機位置、速度控制既可以是單微機，又可以是雙微機（一個是位置控制，另一個是速度控制）。不過系統中的微機常由單片機來構成。 由于微機的應用，使系統的控制更加靈活，其特點是： 位置、速度調節(jié)器的結構和參數可以按工作環(huán)境自動進行切換，使之適應負載變化的能力顯著增強，應用優(yōu)化理論還可使調節(jié)器的參數自動化，使系統可驅動不同的執(zhí)行機械，通用化程度大大提高。 其余同半軟件型系統。,這種系統的輸出通過D/A轉

25、換成模擬電壓作為電流指令送往模擬電流環(huán)，這樣，模擬量的零點漂移只會使電流指令產生微小的變化，一般這種變化不足以產生驅動伺服電機運動的力矩，也不會對位置控制精度產生不良影響。 由于電流環(huán)的結構和參數還是固定的，所以還不能通過微機改變控制策略，以獲得較理想的控制效果。 由于該系統工作可靠，結構緊湊，控制性能也優(yōu)于前述兩種系統，使得它在80年代中期以來的交、直流位置伺服系統的產品中逐漸占據了主導地位，成為位置伺服系統的首選方案。,全數字位置伺服系統 自以軟件位置伺服系統誕生以來，人們就一直致力于用軟件盡可能多地去取代硬件的工作，以降低成本，提高性能。隨著可直接用邏輯電平控制通斷的電子半導體器件功率

26、晶體管，功率場率應管的商品化，以及高性能單片機的出現，使得全數字位置伺服系統的實現成為現實。,一種全數字、采用脈寬調制（PWMpulse width modulation）控制的位置伺服系統如下圖所示。,系統的所有控制調節(jié)全部由軟件完成，最后直接輸出邏輯電平的脈寬調制控制信號驅動功率晶體管放大器，對伺服電機進行控制，完成位置控制任務。 調節(jié)器的全部軟件化使控制理論中的許多控制思想和手段，包括經典的、現代的、智能的等新型的控制方法都可以衩方便地引進來，例如：魯棒控制、自適應控制、變參數控制、變結構控制、神經網絡控制、模糊控制、專家系統控制等等。還可以完成參數的自動優(yōu)化和故障的自動診斷等，使系統控

27、制性能能進一步得到提高。,. 典型閉環(huán)伺服系統示例,以半軟件型位置伺服系統為例,這里僅介紹位置控制單元，速度控制前面已介紹了 位置控制軟件部分的任務： 指令位置計算（含反向間隙、螺距誤差補償、限位處理） 實際位置計算（反饋累積） 跟隨誤差計算 調節(jié)運算 零點漂移補償,指令位置計算（反向間隙、螺距誤差補償、限位處理）：,實際位置計算（反饋累積） 跟隨誤差計算 調節(jié)運算 零點漂移補償,,,,,,,硬件部分的任務,第五節(jié) 伺服系統性能分析,前面各節(jié)我們重點討論了進給伺服系統的組成原理與實現方法，然而該系統要能真正實現預期的快速、準確及平穩(wěn)驅動的要求，一個重要的問題是如何根據要求，進行閉環(huán)系統的參數設

28、計和調試。例如，開環(huán)增益，阻尼系數等參數對伺服系統的穩(wěn)態(tài)精度與動態(tài)性能影響很大，這將是本節(jié)討論的重點,. 控制系統的一般結構及傳遞函數,開環(huán)傳遞函數：反饋與偏差之比 閉環(huán)傳遞函數：輸入與輸出之比 干擾的閉環(huán)傳遞函數：輸出與噪聲之比 系統誤差的函數：偏差與輸入之比,二、進給伺服系統的數字模型及傳遞函數,閉環(huán)進給伺服系統的一般結構：,1. 位置控制單元的數學模型,位置控制單元是以XC為輸入以 UP為輸出的一個控制環(huán)節(jié)，位置調節(jié)器一般采用比例調節(jié)，放大系數為KN，則有： 取拉氏變換得： 結構框圖：,2. 速度控制單元的數學模型,速度控制單元是以指令電壓UP 為輸入，電機的驅動電壓U為輸出的控制環(huán)節(jié)

29、，速度調節(jié)器通常采用PI調節(jié)，驅動放大是比例環(huán)節(jié)，若忽略非線性和滯后特性的影響，可視它們?yōu)楸壤h(huán)節(jié)，則傳遞函數為KA ，速度反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數為KV ，則有： 取拉氏變換得： 結構框圖：,3. 直流伺服電機的數學模型,直流伺服電機是以驅動電壓U為輸入，電機的角位移m為輸出的變換環(huán)節(jié)，其數字模型是根據電機電樞電勢平和電機轉矩衡方程導出的,式中： Tm=RaJ a/ KeKT 電機的機械時間常數 Km=1 / Ke 電機的增益系數 KR=Ra / KT,拉氏變換得：,結構框圖：,由此可知：電機輸出的角位移由兩部分組成，一是無負載時由控制U(S)的激勵而

30、產生的輸出，另一部分是由負載的擾動產生的輸出。而且經適當的簡化后，直流伺服電機可視為一個慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)串聯而成。,4. 機械傳動與執(zhí)行單元的數學模型,機械傳動與執(zhí)行單元的輸入為電機的角位移m，輸出為工作臺的線位移X0，其機械系統力平衡方程為：,拉氏變換：,結構框圖：,由此可知，機械系統可視為一個二階振蕩環(huán)節(jié)。,5. 整個進給伺服系統的數學模型,由圖可知：X0 是對XC 和FD 兩個激勵的響應，根據疊加原理， 可先分別求出每個激勵單獨作用的響應，然后進行疊加。,當FD=0時，僅有XC 激勵的傳遞系數,,當XC , FD同時激勵時系統的響應,三、進給伺服系統的性能分析,系統增益 KS (開

31、環(huán)增益，速度增益),KS 是進給伺服系統的重要性能參數，為了說明其物理意義，可對上述系統進行一些簡化： 假設上述各環(huán)節(jié)均是理想的，即各環(huán)節(jié)均是無慣量，無阻尼，剛度為無窮大，且無速度環(huán)，則：,XC,KS對系統動態(tài)性能的影響,進給伺服系統的輸入通常是斜坡激勵：,討論 KS 與輸出速度 的關系 當KS 時， 到達 F 所需的時間越短，系統的響應加快，靈敏度增高。 KS 與系統的加速度 的關系 當KS 時，系統的加速度 增大，尤其是在剛啟動時，它使系統的響應加快，但對系統的沖擊也大，尤其對慣性較大的系統，將產生很大的沖擊力，另外，加速度太大也可能系統超調，引起系統失穩(wěn)。,KS 與跟

32、隨誤差D 的關系。,KS D 即：有利于提高系統的跟隨精度。 結論： KS的選擇，要綜合考慮，折衷選取，才能獲得優(yōu)良的綜合 性能。,KS的初選方法 在工程調試中，KS 可按下列方式初選： Mm、ML：分別是電機的輸出轉矩和負載轉矩； GDm2、GDL2：分別是電機轉子和負載等效飛輪慣量,數控系統中 KS的設定方法 由前面的推導可知： KN ：位置環(huán)增益； KA ：速度環(huán)增益 Km ：電機增益 L / 2：機械系統增益 其中： KA 、 Km 、 L / 2 在數控系統、伺服系統和機械系統選定后便確定了，而 KN 是作為可調參數，允許用戶根據具體情況選

33、定，以滿足系統的穩(wěn)定性和快速度性的要求。,. 定位精度,定位精度的檢查通常是在空載的情況進行的，即無負載力（Fc =0）。只有摩擦力，而且系統接受的是階躍位置指令，即：,閉環(huán)系統的定位誤差為：,半閉環(huán)系統的定位誤差,討論 由 可知，為減小定位誤差可采用下列措施： 減小傳動間的摩擦力Fcr，如采用滾動傳動取代滑動。 增大KN、KA ，其實質增大KS (在系統穩(wěn)定的范圍內)。 減小KR （=Ra / KT），即選擇 KT 大的伺服電機。 在半閉環(huán)系統中，要盡可能增大傳動機構的剛度K，這是因為當K較小時，將產生較大的彈性變形，從而加大定位誤差。,四、進給伺服系統參數的匹配,進給伺服系統是由

34、電氣、機械等環(huán)節(jié)組成的一個整體，其組成環(huán)節(jié)的特性參數對整體系統的特性的影響。從理論上講，可以根據要求與系統的數學模型確定其參數，但是由于進給伺服系統工作條件復雜多變，尤其是機械系統的阻尼、剛度、慣量等參數，尚無完善的計算方法。因此在進行設計和調試時，除必要的理論計算外，還必輔之以實驗分析和類比法，利用已有的系統的參數和經驗數據進行新的設計，這是目前常用的辦法。下面定性分析和介紹幾個重要參數對系統性能影響及其確定方法。,1. 阻尼 阻尼主要與伺服驅動裝置的電感、電阻、電機機械部件、機械傳動機構的摩擦阻尼和粘性阻尼有關，它對系統的影響是：阻尼大則 系統的伺服剛度高，抗干擾能力強，穩(wěn)定性高。 系統

35、的定位精度低，定位的離散程度大。 由此可知，這兩方面的矛盾的，應在精度與伺服剛度之間折衷考慮。例如，采用滾動、靜壓導軌就是減少機械系統的阻尼。它可有效提高定位精度，但系統的穩(wěn)定性裕度將減小，因此，現在有些進給系統設置了可調阻尼器，或者采用軟件的方法來改變系統的阻尼參數。,2. 慣量 執(zhí)行部件的慣量越小越好，因為慣量越大，時間常數越大，系統的靈敏度變差，且固有頻率降低（ ），易發(fā)生共振。但由于剛度、強度等方面的原因，慣量的降低受到的限制。一般要求（交流伺服電機）： 式中： JL ：傳動部件折算到伺服電機輸出軸上的慣量 Jm：電機的慣量 要滿足這一要求有兩個途徑： 盡可能使

36、執(zhí)行部件折算到電機軸上的慣量減小。 盡可能使用本身慣量大的電機為驅動源。,3. 剛度 K 與固有頻率n 剛度是指系統抵抗變形的能力，即： K = F / e 開環(huán)系統：K 失動量系統的死區(qū) 閉環(huán)系統：K n 系統的穩(wěn)定性 系統的固有頻率n是系統動剛度的重要參數，應注意： 機械傳動機構的n伺服驅動系統n 的2-3倍。 各個環(huán)節(jié)的n應相互錯開，以免發(fā)生振動耦合現象。 各個環(huán)節(jié)的n應避開系統的工作頻率范圍，以免在工作頻率上發(fā)生共振。,第六節(jié) 伺服系統的特性對加工精度的影響,對于輪廓加工系統，要求精確地、實時地同時控制多個坐標軸的位置與速度，但由于系統存在著跟隨誤差D ，將可能會影響多

37、坐標軸運動合成軌跡的精確性，產生輪廓誤差。,一. 跟隨誤差D 的含義及特性,定義：指令位置D0i 與實際位置 Dai 之差稱為跟隨誤差D。 跟隨誤差D 是由進給伺服系統各環(huán)節(jié)信息傳遞延遲效應引起的。 實際位置滯后指令位置。 當執(zhí)行部件進入勻速運動時D為常數。當它減速并停止時，D逐漸減少到零。 當位置環(huán)為P調節(jié)時，D與F、KS 的關系為： D = F / KS,二. 跟隨誤差D對輪廓加工精度的影響,1. D 對直線輪廓加工精度的影響 加工直線時兩軸的輸入指令為：,由于存在跟隨誤差DX 、 DY在某時刻指令位置在A點，實際位置在A點，則有：,輪廓誤差的幾何求法：,KS：平均系統增益； KS ：兩軸

38、系統增益差； KS / KS ：系統增益失配量,討論 當 KSX = KSY 時， KS = 0，=0；這說明當兩軸系統增益相等時，跟隨誤差DX 、 DY對輪廓精度無影響。,,,,,X,Y,,,,Dy,Dx,=0,A,A,,,,,,,當兩軸增益不一致，但KSX 、KSY 常數時，Ks、Ks 為常數，則為常數，也就是說，直線的輪廓形狀無誤差，但位置偏離了原位置。,,,,X,Y,,,,,DY,DX,,A,A,,,,,,,,,當兩軸增益不一致，且KSX 、KSY 不是常數時，則不是常數，也就是說，將產生輪廓形狀誤差，即加工出的輪廓就不是直線了。,在同等情況下： 輪廓誤差與KS 成正比，與KS 的平方

39、成反比，與進給速度成 F 正比。 當加工45直線時，輪廓誤差最大。 當加工0或90直線時，輪廓誤差與增益無關。,例題 在 X-Y 平面上銑削工件的一個平面， 該面與 X 軸成45角，進給速度為：F = 450 mm / min ，KS 為 152% （1/s），計算最大輪廓誤差 max。 解：,2. D 對園弧輪廓加工精度的影響,D 對園弧輪廓加工精度的影響可用加工圓弧的半徑變動量R描述。 通常R 的變化較為復雜，為此，可先討論下面條件下的情況： KSX = KSY = KS 然后再定性的討論其它較為復雜的情況,R的求取,討論 當 KSX = KSY ，且進給速度 F 為恒速時，

40、 R 是常數。只產生尺寸誤差，不產生形狀誤差。當從圓上某一點開始加工整圓時，則實際軌跡如下圖所示，為什么？,,,當 KSX KSY 時， 此時不僅產生尺寸誤差，而且產生形狀誤差?？梢宰C明： 當 KSX = a KSY（a為常數）時，圓弧插補所形成的形狀為橢圓（長軸與 X 軸成45夾角）。 當 KSX 與 KSY 無確定關系時，圓弧插補所形成的形狀為無規(guī)則的形狀。,在條件一定的情況下： 輪廓誤差R 與 KS 的平方成反比；輪廓誤差R與 F 的平方成正比。因此，KS 或 F 可大大提高輪廓加工精度。 輪廓誤差R與加工園弧的半徑 R成反比。在小圓弧加工時，要保證加工精度，進給速度F不能太高。,在數控

41、系統中，各軸進給伺服系統的增益均稍有差別，在進行輪廓加工時會產生輪廓誤差，因此，要求各軸的 KS 值盡量接近，尤其是在低增益系統。目前先進的CNC系統均帶有跟隨誤差D的監(jiān)視和 KS 值的顯示功能。,3. 跟隨誤差對拐角加工精度的影響,在輪廓加工過程中，常要求坐標軸瞬時啟?；蚋淖兯俣?，這時進給伺服系統的跟隨誤差就會影響輪廓精度。當在銑床上加工工件的內、外拐角時，其影響尤其明顯。,解決上述問題的辦法是：在編程時使第一段先減速到零，然后再啟動第二軸，在數控系統中由實現這種功能的指令，如G09、G60 等，除此之外，合理選擇 KS 也是至關重要的。,1. 低速進給運動平穩(wěn)性的概念 進給系統在低速進給

42、時，在驅動速度是均勻的情況下，當系統的剛度不足、摩擦力偏大等系統參數不恰當時，就會出現執(zhí)行部件運動時快時慢、甚至停頓的現象，這種現象稱為爬行現象。它是低速運動不平穩(wěn)的體現。,三、系統參數對低速進給運動平穩(wěn)性的影響,2.爬行現象產生的原因,,D,K,,,,,,,,M,,,,,,,,,,,F（Fs ,Fd）,X0,,,X,D點均勻向右運動M不動（K小和Fs作用）彈簧（絲桿）被壓縮,,K(XX0) M加速 Fd FsM運動當K(XX0)F時儲存能量,,當K(XX0)=F時 M勻速慣性M繼續(xù)向右 K(XX0) M減速,,D點均勻向右運動M 停頓 XX0=0 若M慣性較大,爬行對加工精度的影響 爬行是在低速運動時產生的，因此，在低速加工過程中易產生爬行現象，其危害是影響進行運動平穩(wěn)性(即均勻性)，其結果是； 使被加工零件的加工精度和表 面光潔度變差； 機床的定位精度降低； 加劇導軌的磨損,,,Y,X,抑制爬行產生的措施 衡量進行運動平穩(wěn)性的指標 臨界爬行速度Vc。 爬行其本質是自激振動，可以證明Vc與下列參數的關系為： 措施（減小Vc的辦法） 改善導軌面間和摩擦特性 滾動----靜壓----滑動 (塑料) 提高傳動剛度 減輕運動件的重量 增加系統的阻尼,