1、第四章进给运动的控制第四章进给运动的控制主要内容v开环步进电动机的环分v步进电动机速度控制及自动升降速v闭环位置控制的结构与原理v闭环位置控制的数学模型和特性、轮廓误差v数控装置与进给驱动之间的信号连接v进给运动的控制参数设置v进给运动中的补偿第一节第一节 概概 述述一、进给伺服驱动装置的控制性能一、进给伺服驱动装置的控制性能二、电气伺服驱动系统二、电气伺服驱动系统三、驱动系统的工作特性曲线三、驱动系统的工作特性曲线一、进给伺服驱动装置的控制性能一、进给伺服驱动装置的控制性能 进给伺服系统分为开环系统和闭环系统。闭环伺服系统分为半闭环和全闭环系统。开环伺服系统采用步进电动机作为驱动元件没有位置
2、反馈和速度反馈，线路简单设备投资低,调试维修方便进给速度和精度较低广泛应用于经济型数控机床及普通机床的数控改造中l采用直流或交流伺服电动机驱动l半闭环的位置检测元件一般安装在电动机轴上(由电动机厂家装好)，通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台直线位移半闭环伺服系统半闭环伺服系统l若滚珠丝杠精度足够高，间隙小，加之传动链上有规律的误差（如间隙及螺距误差等），则可以通过补偿达到较高的精度l在精度要求适中的中小型数控机床上，半闭环伺服系统得到了广泛应用l 环路短(不包括传动机构)，不易振荡；l 系统容易获得较高位置增益；l 快速性好，动态精度高；l 传动机构非线性因素对系统影响小半闭环方式的优
3、点半闭环方式的不足 若传动机构误差过大或误差不稳定，则数控系统难以补偿：l如由扭曲变形所引起的弹性间隙，因与负载力矩有关，故无法补偿；l由制造、安装和环境温度变化所引起的重复 定位误差也是不容易补偿的v全闭环伺服系统直接从机床移动部件上获取实际位移值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响v全闭环控制方式被大量应用在精度要求较高的大型数控机床上全闭环伺服系统全闭环伺服系统l全闭环环路包括了机械传动机构l闭环动态特性与传动部件的刚性、惯性有关l与阻尼、油的粘度、滑动面摩擦系数等有关l这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化这给位置全闭环控制的这给位置全闭环控制的调整和稳定带来了困难调整和稳
4、定带来了困难v为保证全闭环伺服系统的稳定性，不得不降低位置调节器的增益，但对跟随误差与轮廓加工误差产生不利影响v必须增大机床刚性，改善滑动面摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。全闭环伺服系统num=1;den=1,3,2,0;rlocus(num,den)系统给定输入作用下的稳态误差型别KpKvKar(t)=r0r(t)=v0tr(t)=a0t2/20K00r0/(1+K)IK00v0/KK00a0/K000K:闭环系统的开环增益；KpKvKa分别为系统的静态位置误差系数、静态速度误差系数，静态加速度误差系数二、电气伺服驱动系统二、电气伺服驱动系统（一）步进驱动系统 步进系统一般
5、与脉冲增量插补相配合 永磁式步进电动机(步距角大)反应式步进电协机(易振荡、效率低)永磁反应式(混合式)步进电动机 混合式步进电动机性能更优，目前在数 控机床中被广泛使用1)采用交流伺服控制原理，增加了全数字式电流反馈控制，三相正弦电流输出，运行平稳，无共振区，噪音小2)具有细分、半流、掉电相位记忆等功能，最大可达10000细分3)功放级直接220V交流输入，直流电压达325V，高速运转时具有较高转矩输出。4)具有短路、过压、欠压、过热等完善的保护功能三相细分混合式步进电机驱动器特点三相细分混合式步进电机驱动器特点（二）直流伺服驱动系统 主要应用于上世纪7080年代中期。大惯量直流电动机具有良
6、好的宽调速特性，输出扭矩大，过载能力强。中小惯量直流伺服电动机适用需要频繁起动、制动及快速定位机床(如钻床、冲床等)。直流伺服驱动系统特点u 具有优良的调速性能u 机械换向限制了其最大功率和最高速度u 价格贵、维修困难（三）交流伺服驱动系统v不需要维护v制造简单v适合于恶劣环境下工作v其控制性能不太理想交流伺服驱动系统的发展p 电动机材料p 电动机结构p 控制理论与方法p 微电子技术p 功率半导体器件进入上世纪80年代，逐渐取代直流伺服电动机v应用于进给驱动的交流伺服电动机有 交流同步电动机 笼式感应异步电动机v大多数进给伺服系统采用的是交流同步电动机大多数进给伺服系统采用的是交流同步电动机
7、由于数控机床进给驱动的功率不大(一般 在数百至数千瓦)笼式感应电动机调速指标一般不如交流同 步电动机交流伺服系统实现了全数字化 除了驱动级外，全部功能均由微处理器完成：前馈控制 各种补偿 最优控制 自学习等功能均可高速实时的实现交流伺服驱动的实现1)由GTR或IGBT等作为驱动器件组成的变频器供电变频器变频器2)采用矢量变换控制算法控制交流感应异步电动机控制算法控制算法3)无换向器直流电动机：采用具有位置检测的交流同步电动机，使用功率驱动器件和位置传感器完成电子换向，代替了直流电动机电刷和机械整流器，由变频装置供电电机电机三、驱动系统的工作特性曲线三、驱动系统的工作特性曲线一）步进驱动系统工作
8、特性曲线v步进驱动系统工作特性主要取决于步进电动机，并且若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。（二）直流伺服驱动系统工作特性曲线 工作区域分为三个区：u 连续工作区内转矩转速的任意组合都可长期连续工作；u 间断工作区内电动机可根据负载周期曲线所决定的允许工作时间与 断电时间作间歇工作；u 瞬时加减速区电动机只能在加减速时工作于其中，即只能在该区域中工作极短的一段时间。（三）交流伺服驱动系统工作特性曲线 电动机的功率(1.8KW)额定转矩(11.5N.m)额定转速(1500r/min)瞬时最大转矩(28N.m)最大转速(3000r/min)FANUC OMD数控系统配套交流
9、伺服C系列电动机主要参数第二节第二节 开环系统进给运动控制开环系统进给运动控制一、开环系统控制原理一、开环系统控制原理二、步进电动机的选择二、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、步进电动机控制四、步进电动机控制五、开环进给系统精度分析五、开环进给系统精度分析步进驱动系统结构一、开环系统控制原理一、开环系统控制原理3工作台运动方向的控制工作台运动方向的控制 改变步进电动机输入脉冲信号的循环顺序方向 改变步进电动机定子绕组电流通断循环顺序 步进电动机实现正转和反转 相应的工作台进给方向就被改变二、步进电动机的选择二、步进电动机的选择(一)步进
10、电动机的特点u 一个电流脉冲对应一个步距角u有脉冲就走，无脉冲则停u脉冲数增加，角位移随之增加u脉冲频率越高，转速越高；反之则低u脉冲频率太快，会引起失步或过冲u改变脉冲分配相序就可改变电机转向u定子绕组所加电源是脉冲电流形式u转角精度较高，无积累误差(二)步进电动机的分类 运动方式：旋转式、直线式、平面式和滚切式；力矩产生原理：反应式、永磁式、永磁感应式；输出力矩大小：伺服式和功率式;电动机结构：径向式、轴向式和印刷绕组式；相数：二相、三相、四相、五相、六相；运行频率：高频式和低频式。（三）步进电动机结构1反应式步进电动机v在结构上分为定子和转子两部分v直径方向相对两个齿上定子绕组串联起来，
11、构成一相控制绕组v当某相绕组通入激磁电流时，就在这对齿上形成NS极v根据电磁作用原理，这对定子和转子的小齿一一对齐，而其他磁极下定子和转子小齿分别错开一定角度。v接着当该相断电,并让相邻绕组激磁后，通过磁场作用将驱动转子转过一定角度，然后周而复始获得一个旋转磁场，使电动机带动负载运转反应式步进电动机显著特点 控制十分方便。气隙小，约3050m左右。转子齿数较多，步距角小。励磁电流大，效率较低。内部阻尼较小，单步运行振荡较长。带惯性负载能力差，高频时易失步。断电后无定位转矩。系列：110BF02、110BF03、130BF5、150BF5、160BF5等。2永磁式步进电动机v永磁式步进电动机的转
12、子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方用软磁材料制成。v例如某步进电动机转子是由充过磁的永久磁钢制成，定子由硅钢片叠成，且有三对绕组 当定子绕组中轮流连续通电后，建立的电磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用而产生转矩，带动转子旋动起来。永磁式步进电动机特点 步距角大。由于一个圆周上所能形成的磁极数受到极弧尺寸的限制，不能太多，所以它的步距角不能太小。一般为15、22.5、30、45、90等。控制功率小，效率高。内阻尼较大，单步振荡时间短。断电后具有一定的定位转矩，这对需要锁定的场合十分有用。3永磁反应式步进电动机v永磁反应式步进电动机是反应式步进电动机和永磁式步进电动机两者的结合v由于磁路内含有永久
13、磁钢，从这一点上看像是永磁式步进电动机v由于定子和转子中含有软磁材料，从这一点上看像是反应式步进电动机，所以通常也称为混合式步进电动机v目前在数控机床中应用得越来越多永磁反应式步进电动机特点控制功率小，效率高齿距角小 当用于数控系统中时可减小脉冲当量，从而提高系统精度运行频率高(几十kHz)在相同输出转矩情况下，外径相对较小断电后具有一定的锁定力矩永磁易失磁，则会有振荡点和失步区(三)步进电动机选择三、步进驱动系统与数控装置的信号连接三、步进驱动系统与数控装置的信号连接v步进驱动系统与数控装置的典型连接框图:步进驱动无位置反馈回路，连接比较简单v某公司步进驱动器与数控装置之间信号接口电路：CP
14、+/CP-为脉冲控制信号 DIR+/DIR-为方向控制信号 GAT+/GAT-为使能控制信号 RDY1/RDY2为驱动输出至数控装置的报警信号(继电器触点)v三相细分驱动通常还有二组拨码开关用于选择输出相电流和电动机的细分步数。四、步进电动机控制四、步进电动机控制(一)步进电动机驱动电路 驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电动机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。步进电动机对驱动电路的主要要求：能提供幅值足够，前后沿较好的激磁电流；本身功耗小，转换效率高；能稳定可靠运行、成本低且易维护。v脉冲分配控制 脉冲分配控制用于控制步进电机的通电运行方式，其作用是将数控装
15、置送来的一系统指令脉冲按照一定的顺序和分配方式处理，控制各相绕组的通电、断电。v驱动放大电路 驱动放大电路的功能是将环形分配器发出的TTL电平信号放大至几安培到十几安培的电流送至步进电动机的各绕组。v步进电动机驱动电路主要形式：串电阻型基本驱动电路；高低电压双电源型驱动电路；单电源恒流斩波型驱动电路；高低压双电源恒流斩波驱动电路；调频调压驱动电路；细分控制驱动电路。(二)脉冲分配v脉冲分配环节完成步进电动机绕组中电流通断顺序控制v在数控系统中，脉冲分配器是将插补输出脉冲，按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相输入端，用以控制绕组中电流的开通和关断。v电动机有正反转要求，故脉冲分
16、配器输出是周期性的、可逆的，因此，也可称之为环形分配器。v采用专用集成芯片进行环分，如上海无线电十四厂生产的CH250 就是为三相步进电动机设计的环配芯片，采用CMOS工艺集成，可靠性高，见右图v步进电动机的初始励磁状态为AB 相，当进给脉冲CP的上升沿有效，并且方向信号为“1”则正转，为“0”则反转。2软件脉冲分配查表法v结合电动机的驱动电路，按步进电动机励磁状态转换表，求出脉冲分配器输出状态字组成的状态表v将其存入EPROM中v根据步进电动机运转方向按表地址正向或反向地取出单元中状态字进行输出，实现控制步进电动机正向或反向地旋转v在进行查表法的程序设计时是根据步进电动机当前励磁状态和旋转方
17、向的要求，找到下一个相应单元地址，并取出其中的内容输出。4自动升降速控制进给状态的变化进给状态的变化步进电动机能够实现起动、停止或改变运行速度步进电动机能够实现起动、停止或改变运行速度要求步进电动机的脉冲频率作相应变化变速过程中出现过冲或失步现象变速过程中出现过冲或失步现象步进电动机每次频率变化量小于其突跳频率值步进电动机每次频率变化量小于其突跳频率值步进电动机速度变化较大时，必须按一定步进电动机速度变化较大时，必须按一定规律完成一个升速或降速的过程规律完成一个升速或降速的过程v具体实现时可按直线规律或指数规律进行加减速控制。v当按直线规律升/降速时，其加速度值理论上为恒定，但实际上由于电动机
18、转速升高时输出转矩有所下降，从而导致加速度有所变化。v对于按指数规律进行升/降速时，加速度是逐渐下降的，这比较接近于步进电动机输出转矩随转速变化的规律。自动升降速方法自动升降速方法v定时法定时法就是按一定时间间隔(t)来改变步进电动机的运行频率，从而实现升降速控制。如：fi=f(i+1)t-f(it)v定步法定步法就是按一定步数间隔(p)来改变步进电动机的运行频率，也就是当步进电动机每走完一定步数就改变一次频率，从而实现升降速控制。如：fi=f(i+1)p-f(ip)v设p=100步，电动机突跳频率为15Hz，要求电动机正向进给总步数为N，升速或降速的离散化区间数为n，恒速总步数N-2npv当
19、N(2p)时,按升速段、恒速段和降速段的方式走完全程，并且升速段对称于降速段。定步法定步法五、开环进给系统精度分析五、开环进给系统精度分析(一一)精度分析精度分析步进电动机的步距误差。步进电动机的步距误差。1角秒角秒=2.7777810-4 伺服式：伺服式：1030角秒角秒 功率式：功率式：2025角秒。角秒。步进电动机的动态误差。步进电动机的动态误差。单步运行，明显振荡单步运行，明显振荡 低频区，共振低频区，共振步进电动机的启停误差。步进电动机的启停误差。电机转动滞后于控制脉冲电机转动滞后于控制脉冲齿隙误差齿隙误差滚珠丝杆的螺距累积误差滚珠丝杆的螺距累积误差受力变形和热变形引起的误差受力变形
20、和热变形引起的误差工作台导轨的误差。工作台导轨的误差。(二二)提高精度的几个措施提高精度的几个措施1 1从驱动电路入手从驱动电路入手 尽量选择更理想的驱动电路实现电动机的控制。例如尽量选择更理想的驱动电路实现电动机的控制。例如采用细分驱动电路和调频调压驱动电路等。采用细分驱动电路和调频调压驱动电路等。2 2从软件入手从软件入手 利用软件对齿隙和螺距误差进行补偿。利用软件对齿隙和螺距误差进行补偿。3 3从控制原理方面入手从控制原理方面入手 增设工作台位移检测装置增设工作台位移检测装置(如直光栅或感应同步器如直光栅或感应同步器)，构成混合步进系统。构成混合步进系统。第三节第三节 闭环数控系统进给运
21、动闭环数控系统进给运动控制及特性分析控制及特性分析一、闭环位置控制系统一、闭环位置控制系统二、位置控制回路的数学模型二、位置控制回路的数学模型三、定位过程的误差分析三、定位过程的误差分析四、直线插补轮廓误差分析四、直线插补轮廓误差分析五、圆弧插补轮廓误差分析五、圆弧插补轮廓误差分析六、拐角轮廓误差分析六、拐角轮廓误差分析 一、闭环位置控制系统一、闭环位置控制系统（一）闭环位置控制的概念v数控装置以固定时间周期采样采样工作台位置v与插补程序的输出进行比较比较，得到位置误差v该误差经软件增益放大放大，输出给数模转换器v为伺服装置提供控制电压，驱动驱动工作台向减少误差的方向移动u若插补程序不断产生进
22、给量，工作台及时跟随运动若插补程序不断产生进给量，工作台及时跟随运动u当位置误差为零时，工作台才停止在所要求的位置当位置误差为零时，工作台才停止在所要求的位置（二）闭环位置控制的实现v图示为数控装置中位置控制(以X轴为例)接口关系v采用电动机同轴连接的光电脉冲编码器作为反馈元件v位置闭环控制程序和插补程序一样，都是在计算机的中断服务中断服务程序程序中实现。中断服务程序中断服务程序运行停止-插补输出值零-XXF-输出的模拟电压为零进给轴运动-插补输出值X-新指令位置XX-计算机将其与计数器中反映的实际位置进行比较-当不相等时，其差值E经Kc增益放大(软件完成)-数模转换器输出一定的模拟电压-电动
23、机带动工作台向减小误差的方向移动-指令值与实际值相等为止。v电机停止运动时，位置闭环控制仍处于工作状态：干扰-电机偏移指令位置-位置闭环控制立即输出一定的电压给伺服装置-驱动电机维持原来的指令位置v电机停止运动时，在定位位置上始终存在着闭环修正v动态定位本质上是由电磁力矩维持的定位。动态定位动态定位二、位置控制回路的数学模型二、位置控制回路的数学模型 v半闭环位置控制结构的数学模型三、定位过程的误差分析三、定位过程的误差分析v当伺服系统时间常数一当伺服系统时间常数一定时，增加定时，增加K会引起位会引起位置响应曲线的变化情况。置响应曲线的变化情况。01T112KT 11010 过阻尼 无超调和振
24、荡临界阻尼 无超调和振荡欠阻尼 超调、衰减振荡无阻尼 等幅振荡v当K一定时，改变伺服系统时间常数会引起位置响应曲线的变化情况。0-T（时间常数）-发生超调01T112KT v结论1：要想取得较高的位置增益(较高的位置增益会明显减小跟随误差，减小过渡过程时间，并且对减小轮廓误差也是有好处的)，所使用驱动装置的时间常数必须较小，也就是说伺服驱动装置的快速性要好。否则提高位置增益会产生超调，而在数控机床上超调就意味着过切或刀具干涉，是不允许的。v跟随误差 ssnn211Ke,2KTT 其中，v过渡过程时间（调节时间）当大于上述值时，snsnn3t3T,0.685%4t4T,0.762%1 （）（）（
25、）（）其中T=为系统的时间常数sn1t(6.451.7)返回返回v结论2：v如果选择了快速性很好的伺服驱动，但没有相应提高位置增益，那么整个位置控制回路的瞬态响应并不能得到明显改善，因此K与T的配合是很重要的。一般来说取KT(0.20.3)是比较合适的，这样即可以保证很小的超调又可以保证良好的快速性。四、直线插补轮廓误差分析四、直线插补轮廓误差分析 v实现直线二轴联动插补时，实现直线二轴联动插补时，X、Y轴分别进行恒速运动轴分别进行恒速运动五、圆弧插补轮廓误差分析五、圆弧插补轮廓误差分析222xyxysincosvKK2(Rr)vsin(2)11()2KK 六、拐角轮廓误差分析六、拐角轮廓误差
26、分析l 当X轴的位置指令到达后，另一轴Y立即开始从零加速至指定速度运动l由于X轴指令位置与实际位置之间有VKx的滞后量。所以当Y轴开始运动时，X尚在B点，从而形成了拐角误差。减小拐角误差的途径：选取动态性能较好的伺服驱动装置。如果效率允许，尽可能降低切削速度。可在要求较高的轮廓交接处，加入一条G04延时指令。采用尖角过渡指令(例如有些数控系统的指令为G07)。使用数控系统的自动升降速功能第四节第四节 闭环数控系统闭环数控系统进给驱动装置的信号连接进给驱动装置的信号连接电机控制方式v模拟电压控制方式模拟电压控制方式v指令脉冲控制方式指令脉冲控制方式v其他控制方式其他控制方式(总线控制方式总线控制
27、方式)ISAPCI在运动控制卡上设置跳线v建立主机与运动控制器之间的通讯，必须选择并设置运动控制卡的基地址vJP1 为运动控制器的基地址开关，控制器出厂默认基地址为0 x300。运动控制器从该地址其连续占用14 个主机I/O 地址，实现与主机的通讯。v设置跳线时须查PC 机已占用的I/O 地址，以免地址发生冲突，影响系统工作中断选择，JP2v运动控制器提供时间中断和事件中断信号，供主机使用。JP2 为运动控制器中断矢量跳线器看门狗设置，JP3v运动控制器提供看门狗，实时监视其工作状态。JP3 为看门狗跳线选择器。v用户通过跳线设置使看门狗有效后，当控制器死机时，看门狗在延时150ms 后自动使
28、控制器复位v默认设置为：看门狗无效。将运动控制卡插入计算机1.用随板配备的62-Pin 扁平电缆，将控制器的CN2 接口与转接挡板（ACC1）相连接；关断计算机电源。2a.对于ISA 卡，打开计算机机箱，选择一条空闲的ISA 插槽，用螺丝刀卸下对应该插槽的挡板条。2b.对于PCI 卡，打开计算机机箱，选择一条空闲的PCI 插槽，用螺丝刀卸下对应该插槽的挡板条。3.将控制卡可靠地插入该槽，拧紧其上的固定螺丝。4.卸下相近插槽的一条挡板条，用螺丝将转接板(ACC1)固定在机箱上，盖上计算机机盖，打开PC 电源，启动计算机。v安装控制器通讯驱动v建立主机与运动控制器的通讯v连接电机和驱动器 在驱动器
29、没有与控制卡连接之前，连接驱动器与电机。连接控制卡和端子板v关闭计算机电源，取出产品附带的两条屏蔽电缆。v一条屏蔽电缆连接控制器的CN1与端子板的CN1v另一条屏蔽电缆连接转接板的CN2 与端子板的CN2v保证外部电路正常运行，必须连接此两条屏蔽电缆。连接驱动器、系统输入/输出和端子板v连接端子板电源 端子板的CN3 接由用户提供的外部电源。板上标有+12V+24V 的端子接+12V+24V，标有OGND 的接外部电源地编码器输入连接方法v编码器信号如果是差动输入，可以直接连接到CN5(CN6、CN7、CN8)的A+、A-、B+、B-、C+、C-和VCC、GND编码器输入连接方法v如果是单端输
30、入信号，将编码器信号连接到CN5(CN6、CN7、CN8)的A+、B+、C+和VCC、GND 上，同时将A-、B-、C-悬空。控制输出信号连接方法v在脉冲量信号输出方式下，有两种工作模式。一种是脉冲/方向信号模式，另一种是正/负脉冲信号模式模拟量控制输出连接模拟量控制输出连接 模拟控制输出信号通过端子板的CN5(CN6、CN7、CN8)的引脚8输出，地为数字地引脚，连接方法见图一、模拟电压控制方式一、模拟电压控制方式v数控装置输出010V的模拟电压控制伺服驱动电动机的转速，位置反馈信号输入数控装置，由其内部数控软件完成位置环控制。v数控装置与伺服驱动装置之间采取模拟电压控制方式的典型连接。一）
31、一）FANUC SCR-D直流驱动装置直流驱动装置 FANUC SCR-D晶闸管调速系统与数控装置之间的外部连接图v200U、200V、200W为三相交流200V电源，是触发晶闸管的同步电源v18A、0T、18B为带中心抽头的18V交流电源，经变换作为伺服单元中运放控制电路的15V直流电源vR、S、T为120V交流电源，提供给主回路的动力电源vTOH1、TOH2为装在变压器内部的热控开关，变压器过热时，热控开关断开vA1、A2为伺服装置控制伺服电动机电枢电压的动力信号vTSA、TSB为装在电动机轴上测速发电机输出的信号，是与转速成正比的电压信号数控装置与伺服单元连接信号分五组：1)VCMD、G
32、ND为数控装置输出控制伺服单元转速的电压控制信号。2)PRDY1、PRDY2为准备好控制信号。3)ENBL1、ENBL2为使能控制信号。4)VRDY1、VRDY2为伺服单元通知数控装置其正常工作的触点信号。5)OVL1与OVL2为伺服单元中热继电器信号，常闭状态，过热断开报警。安川YASKAWA交流驱动装置二、指令脉冲控制方式二、指令脉冲控制方式 由于全数字式交流伺服系统均有位置控制模式，其位置控制环由伺服系统内部完成，数控装置只需对伺服系统输出进给脉冲和正转/反转方向信号即可vSANYO公司全数字式交流伺服驱动与数控装置之间的外部连接图。v一般交流伺服驱动系统设有 位置、速度、力矩 三种模式
33、可供选择。v当选择位置控制模式时，可采用指令脉冲控制方式，由伺服驱动装置完成位置环控制v当选择速度控制模式时，即模拟电压控制方式，位置环控制由数控系统完成三、其他控制方式三、其他控制方式vSINUMERIK 802D采用了PROFIBUS总线总线与其SIMODRIVE 611U伺服驱动器连接，系统通过PROFIBUS总线非周期性的数据交换完成指令、状态、设定值和实际值的采集与控制，从而实现精确的控制。vFANUC 21i数控系统设计有专用的专用的FSSB光光缆总线缆总线控制其多个进给轴，这种专用总线接口的协议是不公开的 小结：v对于不同公司的产品，其在外部信号的功能设置上差别很大，使用时要详细
34、阅读其说明书再进行设计。v一般来说，伺服装置与数控装置之间至少有:1.数控装置 伺服装置的控制信号2.数控装置 伺服装置的使能开关量控制3.伺服装置 数控装置的报警开关三类信号第五节第五节 进给运动控制参数设置进给运动控制参数设置一、一般参数的设定一、一般参数的设定二、变增益位置控制的增益设定二、变增益位置控制的增益设定三、升降速参数三、升降速参数四、返回参考点参数四、返回参考点参数五、单向定位参数五、单向定位参数六、报警保护参数设定六、报警保护参数设定一、一般参数的设定一、一般参数的设定v电流环、速度环及位置环构成了所谓的三环系统。(一)倍频数与分辨率v通常进给轴分辨率由 电动机编码器输出脉
35、冲数 数控装置位置检测接口的倍频数 传动机构 共同决定。一般为0.001mm、0.002mm、0.005mm等。v倍频数与所用传感器有关，如:使用方波型光电编码器，可选1、2或4倍频 使用正弦波形光电编码器或光栅，可选5、10或20倍频(二)正负向存贮行程极限v数控系统可利用正负向存贮行程极限，进行软件限位保护，因此有时也称为软极限软极限v它通常设定在进给轴超程限位开关的内侧进给轴超程限位开关的内侧v注意:存储行程极限是在机床坐标系中建立的，因此数控机床必须首先返回机床参考点，从而建立起机床坐标系后，它才有意义。(三)间隙与螺距误差v传动链的反转空程间隙值可作为参数在数控系统中设定，然后由数控
36、系统自动进行补偿。全行程螺距误差则以误差表的方式输入数控系统，进行自动补偿。(四)快速移动速度与最大切削进给速度v数控系统自身可以达到的快速移动速度与最大切削速度是很高的，需根据所配机床具体确定其数值(五)机床参考点的坐标值v数控系统是靠返回机床参考点来建立机床坐标系的。因此，须设定机床参考点在机床坐标系的坐标值。(六)到位范围v用于尖角过渡指令，当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，即处于等待状态，直至跟随误差修正至小于到位范围，才执行下一程序段。二、变增益位置控制的增益设定二、变增益位置控制的增益设定v现代数控系统均采用变增益控制策略。1)K1为切削
37、进给运动时所使用的增益值，一般要尽可能的使其高一些，以减小跟随误差。2)K2为快速定位G00所使用的增益。为了减小起动、制动时加速度对机床进给机构的冲击，可将位置增益减小为K2。K2一般为K1的5080。三、升降速参数三、升降速参数v进给轴运动的速度变化可分为无升降速、直线升降速与指数升降速三种。由于直线升降速处理的加速度限制在一定范围之内，指数曲线升降速的加速度变化无突变，速度变化比较平滑，因此这两种方法被大量采用。(一)直线升降速时间v用户根据负载惯量核算最大可达到的加速度，从而确定加速至最高速度所需时间。(二)指数升降速时间v 对指数升降速曲线须设定加减速总时间与加速度升降时间四、返回参
38、考点参数四、返回参考点参数v快速寻找粗定位开关v低速寻找栅格零点两个步骤来实现返回参考点五、单向定位参数五、单向定位参数v单向定位可有效地提高数控机床G00快速运动至该定位点重复定位精度。v单向定位的方向v接近点与定位点距离与运动速度六、报警保护参数设定六、报警保护参数设定(一)超速保护速度设定 通过对计数频率的判别，数控系统对超速提供报警保护功能。(二)最大跟随误差报警 跟随误差可较全面的判断位置控制是否处于正常状态。(三)位置反馈失线报警 数控系统监视位置编码器的反馈线是否有断线、编码器损坏等故障。第六节第六节 进给运动的误差补偿进给运动的误差补偿一、传动反转间隙补偿一、传动反转间隙补偿二
39、、螺距误差补偿二、螺距误差补偿三、其他因素引起的误差及其补偿三、其他因素引起的误差及其补偿一、传动反转间隙补偿一、传动反转间隙补偿v在进给传动链中，齿轮传动、滚珠丝杠螺母副等均存在反转间隙v这种反转间隙会造成在工作台反向运动时，电动机空走而工作台不运动v半闭环系统的误差v全闭环系统的位置环振荡不稳定二、螺距误差补偿二、螺距误差补偿v由于制造误差总是存在的，并且当希望得到超过滚珠丝杠精度的运动精度时，则可以采用螺距误差补偿功能，对误差进行补偿修正。v当数控机床长时间使用后，由于磨损导致精度下降。这样，采用该功能定期测量与补偿可在保持精度前提下，延长机床使用寿命。v螺距误差补偿实施步骤：1）安装高
40、精度位移测量装置。2）编制数控程序，在整个行程上顺序定位。3）记录运动到这些点的实际精确位置。4）标出各点处误差，并形成误差表。5）测量多次，取平均值。6）将该表输入数控系统，按此表进行补偿。螺距误差补偿应注意以下几点：1)螺距误差补偿无法补偿重复定位误差。2)只有建立机床坐标系后，螺距误差补偿才有意义。3)在误差表中参考点的误差要为零。4)必须采用比滚珠丝杠精度高至少一个数量级的检测装置来测量误差分布曲线。一般常用激光干涉仪来测量。三、其他因素引起的误差及其补偿三、其他因素引起的误差及其补偿(一)摩擦力与切削力所产生的弹性间隙v由于机械传动链具有有限刚度，因此由摩擦力与切削力可能引起传动链的弹性变形，从而形成弹性间隙。由于这种间隙与外部负载有关，因此无法进行补偿，只有靠增大传动链的刚性，减小摩擦力来解决。v如果要想进一步提高机床的精度只有采用全闭环系统。(二)位置环跟随误差 前面已对位置环的特性进行了详细的讨论，解决它所形成的误差可以采用如下措施：1）选用动态特性好的驱动装置；2）减小负载惯量；3）提高位置开环增益；4）使各轴位置开环放大倍数尽量相等。
