数控技术及应用清华版7数控机床进给伺服系统的控制原理

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1、第7章数控机床进给伺服系统的控制原理机床数控系统的本质是位置控制系统。数控机床进给伺服系统的类型及其性能与机床加工精度有着重要的联系。本章将介绍数控机床进给伺服系统位置控制的基本工作原理。17.1概述机床的主运动提供金属切削所需的能量，而进给运动则根据被加工工件的形状，保持工件与刀具的相对位置。这样设计机床的运动，则主运动一般均为旋转运动，要求驱动动力源的功率大，其控制问题主要是进行调速，要求较低；而进给运动驱动动力源的功率较小，为了保证生成被加工工件所要求的型线和一定的加工精度，一般应进行位置伺服控制，因此控制上的要求较高。27.1.1数控机床进给运动伺

2、服系统的分类和特点数控机床进给运动伺服系统按其控制原理可以分为开环系统和闭环(半闭环)系统。在开环系统中，不进行位置和速度的检测，电动机将依据电脉冲驱动进给运动达到期望的位置。开环系统采用步进电动机作为动力源，并且假定只要输入一定数量的电脉冲，机床就有相应的位移量。由于没有检测元器件，构成这样的系统成本较低，但是它的缺点是一旦产生误差，就会逐渐积累。前面已经提到，开环系统必须采用步进电动机或电液脉冲马达作为动力源。闭环(半闭环)系统要进行闭环控制，从控制原理上讲，闭环与半闭环系统没有什么差别。在系统硬件构成上，与开环系统相比，闭环(半闭环)系统要使用位置检

3、测元器件和比较器。37.1.2全闭环和半闭环控制系统的区别全闭环系统为了测量直线进给运动，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在滚珠丝杠端部，测量其角位移，显然，这时传感器角位移的值不能反映滚珠丝杠本身的行程误差及其变形，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。全闭环系统与半闭环系统反馈信号测取上的差异，会明显地影响实际控制效果，因此，全闭环系统与半闭环系统在工程上有时被认为是两种不同的类型。不过，由于下面我们将仅仅从理论上分析开环和闭环系统的工作原理，所以不再强调全闭环系统与半闭环系统的

4、区别。47.2进给伺服系统中的位置指令信号数控机床的进给位置指令是由CNC装置通过插补运算而得到的。纵观整个加工程序段的插补过程，了解位置进给指令信号究竟属于什么类型，对于深入理解进给伺服系统的工作原理是很重要的。57.2.1位置指令信号的函数规律在数控机床中，最常见的插补公式有直线插补和圆弧插补。对于两轴直线插补(图7.1)，轨迹方程是x=kz，其中k是常数，该直线轨迹方程等价于式(7-1)所示的参数方程组。对于两轴圆弧插补(图7.2)，轨迹如图7.2所示，轨迹方程是x2+z2＝r2。该圆弧轨迹方程等价于参数方程式组(7-2)。67.2.2指令值的修正现

5、在来分析典型的斜坡位置指令。参见图7.3。图7.3(a)表示的是斜坡位置指令，图7.3(b)表示的是图7.3(a)中所包含的进给速度信息，图7.3(c)表示图7.3(a)中所包含的加速度信息。很明显，这里没有加减速的过程，进给速度是突变的，这样就产生了冲击加速度，加速度是与驱动力成正比的，因而冲击加速度意味着驱动力的冲击，这对机械传动部件是不利的。此外，指令进给速度的突变会造成系统跟踪失步，增大跟随误差。77.2.2指令值的修正图7.3所描述的位置指令称为具有速度控制的位置指令，这种位置指令函数的主要缺点是没有对加速度进行限制。这种位置指令函数是没有经过修

6、正的指令函数。对位置指令函数进行修正就是要对加速度进行限制。图7.4(a)所描述的是经过修正以后的位置指令函数，这一指令函数呈现“S”形，而不是如图7.3(a)所描述的斜坡形。这一经过修正的位置指令函数中也包含了速度和加速度信息，分别如图7.4(b)和7.4(c)所示。87.3开环伺服系统7.3.1开环伺服系统的结构图7.5是步进电动机驱动的开环伺服系统。开环系统的结构简单，易于控制，但精度差，低速不平稳，高速扭矩小。一般用于轻载且负载变化不大的场合，或经济型数控机床上。97.3.2系统工作原理开环系统驱动控制线路接受来自数控机床控制系统的进给脉冲信号，并

7、将该信号转换为控制步进电动机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电动机运转。步进电动机的转子与机床丝杠连在一起，转子带动丝杠转动，丝杠转动使工作台产生移动。1.工作台位移量的控制2.工作台进给速度的控制3.工作台运动方向的控制综上所述，在步进式伺服系统中，输入进给脉冲数量、频率、方向经驱动控制线路和步进电动机，可以转换为工作台的位移量、进给速度和进给方向，能够满足数控机床伺服系统对位移控制的要求。107.3.3提高步进系统精度的措施1.细分线路所谓细分线路，就是把步进电动机的一步再分得细一些，来减小步距角。其基本原理是把原来的一步分为10小步来走。如图7

8、.6所示。2．反向间隙补偿减小传动链中的间隙，可采用间隙补偿线路，