项目7-数控机床伺服系统-数控机床的维修技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,项目7 数控机床伺服系统,本章要点,伺服系统的作用、组成环节及工作原理；,位置比较的方法；,影响轮廓误差的因素；,传统的伺服系统和现代全数字式伺服系统的区别。,技能目标,掌握伺服系统的作用及组成环节；,了解伺服系统的工作原理及位置比较的方法；,了解伺服系统性能参数中随动误差与运动速度及位置增益之间的相互关系；,了解影响轮廓误差的因素；,了解传统的伺服系统和现代全数字式伺服系统的区别。,项目案例导入,如果我们想编写一个在XY平面内加工如图7-1（a）所示正圆的程序，肯定不是一个难题。但数控机床在按照我们编写的程序进行加工时，有时可能不会如我们所愿，刀具有可能会走出如图7-1（b）所示的椭圆形轨迹，这是什么原因造成的哪？,这与伺服系统的调整有很大的关系！,什么是伺服系统？伺服系统的作用、结构、工作原理及调整又如何？这就是本项目中将要介绍的内容。,Y,Y,X,X,（a）正圆形轨迹 （b）椭圆形轨迹,图7-1 加工图,X,7.1 概述,7.1.1 伺服系统的组成,7.1.2 数控机床对进给伺服系统的要求,7.1.1 伺服系统的组成,关于伺服,伺服系统的造成,伺服系统的工作原理,2.伺服系统的组成,位置闭环或半闭环伺服系统由位置检测装置、位置控制、伺服驱动装置、伺服电动机及机床进给传动链组成，如,图,7-2,所示。,闭环伺服系统的一般结构通常由位置环和速度环组成。速度环由伺服电动机、伺服驱动装置、测速装置及速度反馈组成；位置环由数控系统中的位置控制、位置检测装置及位置反馈组成。,图7-2 闭环伺服系统的组成,7.1.2 数控机床对进给伺服系统的要求,进给伺服系统对数控机床的影响,数控机床对进给伺服系统的要求,数控机床对进给伺服系统的要求,1.可逆运行,2.速度范围,3.具有足够的传动刚性和高的速度稳定性,4.快速响应无超调,5.高精度,6.低速大转矩,1.可逆运行,在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的,要求，随时都可能实现正向或反向运动，同,时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运,动的损失。从能量角度看，应该实现能量的,可逆转换，即在加工运动时，电动机从电网,吸收能量变为机械能；在制动时应把电动机,的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实,现快速制动。,3.具有足够的传动刚性和高的速度稳定性,伺服系统应具有良好的静态与动态负载特性，即伺,服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化,时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，速,度受负载力矩变化的影响很小。通常要求承受的额,定力矩变化时，静态速降应小于5%，动态速降应小,于10%。,4.快速响应无超调,为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度值，对位置伺,服系统除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，既要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺服系统的动态性能提出两方面的要求：一方面，在伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产效率和保证加工质量，要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最大减少到零，时间应控制在200ms以下，甚至少于几十毫秒，且速度变化时不应有超调；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振荡，这样才能得到光滑的加工表面。,5.高精度,为了满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位,精度和进给跟随精度。这也是伺服系统静态特性与动态特性,指示是否优良的具体表现。位置伺服系统的定位精度一般要,求能达到1m甚至0.1m，相应地，对伺服系统的分辨力也,提出了要求，当伺服系统接受CNC送来的一个脉冲时，工作,台相应移动的单位距离叫分辨率，也称脉冲当量。系统分辨,率取决于系统稳定工作性能和所使用的位置检测元件。目前,的闭环伺服系统都能达到1m的分辨率（脉冲当量）。高精,度数控机床也可达到0.1m的分辨率甚至更小。,6.低速大转矩,低速时进给驱动要有大的转矩输出，以满足,低速进给切削的要求。,7.2,位置控制,7.2.1 位置比较实现的方式,位置控制的实质,位置比较方式的分类,位置比较方式与位置检测装置的关系,位置控制的实质,就闭环和半闭环伺服系统而言，位置控制的实质是位置随动控制。,位置比较方式的分类,脉冲比较法,；,相位比较法；,幅值比较法。,脉冲比较法,1.组成,2.原理,3.脉冲分离电路的作用,1.组成,脉冲比较法是将Pc的脉冲信号（来自查补运算的位置控制指令）与Pf的脉冲信号（代表实际位置）相比较，得到脉冲偏差信号Pe，如,图7-3,所示。,图7-4 脉冲比较器,Pc+、Pc-和Pf+、Pf-的加、减定义见,表7-1,所示。,表 7-1 P,c,、P,f,的定义,2.原理,当数控系统要求工作台向一个方向进给时，经插补运算得到一系列进给脉冲作为指令脉冲，其数量代表了工作台的指令进给量，频率代表了工作台的进给速度，方向代表了工作台的进给方向。以增量式光电编码器为例，当光电编码器与伺服电动机及滚珠丝杠直联时，随着伺服电动机的转动，产生序列脉冲输出，脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。,1)指令脉冲 Pc=0,这时反馈脉冲Pf=0,则Pe=0，则伺服电动机的速度给定为零，工作台继续保持静止不动。,2)现有正向指令Pc+=2,可逆计数器加2，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲Pf+=0。可逆计数器输出Pe=Pc+-Pf+=2-0=2,经转换，速度指令为正，伺服电动机正转，工作台正向进给。,3)工作台正向运动，即有反馈脉冲Pf+产生，当Pf+=1时，可逆计数器减1，此时Pe=Pc+-Pf+=2-10,伺服电动机仍正转，工作台继续正向进给。,4)当Pf+=2时，Pe=Pc+-Pf+=2-2=0，则速度指令为零，伺服电动机停转，工作台停止在位置指令所要求的位置。,当指令脉冲为反方向Pc-时，控制过程与正向时相同，只是Pe0,工作台反向进给。,3.脉冲分离电路的作用,在加、减脉冲先后分别到来时，各自按预定,的要求经加法计数端或减法计数端进入可逆,计数器。若加、减脉冲同时到来时，则由该,电路保证先作加法计数，然后再作减法计,数，这样可保证两路计数脉冲均不会丢失。,7.2.2 速度控制信号的实现方式,经位置控制的脉冲比较、相位比较或幅值比较获得的位置偏差均以脉冲的形式存在，该位置偏差经一定的转换后，形成速度控制信号，数控系统一般输出的速度控制信号为模拟电压-10+10，作为伺服驱动装置的控制信号。该信号通过伺服驱动装置驱动伺服电动机。,速度控制信号的大小与伺服电动机的转数成正比；速度控制信号的正、负决定了伺服电动机的正、反转。从位置偏差到速度控制信号的形成如,图7-5,所示。,速度指令V,c,、位置偏差P,e,与位置增益K,V,三者之间的关系：,V,c,=P,e,K,V,位置增益K,V,的作用：决定了速度对位置偏差的响应程度，它反映了伺服系统的灵敏度。,将速度指令V,c,转换为速度控制电压U,n,*的转换电路常采用脉宽调制器（PWM）的方法。,图7-5 速度控制信号的形成,7.2.3 位置控制实例,进给坐标轴的位置控制一般采用大规模专用,集成电路位置控制芯片，也可采用通用芯片,构成位置控制模板。,位置控制芯片控制框图,位置控制芯片内部各部分的作用,图7-6 MB8739组成的位置控制图,位置控制芯片,位置控制芯片各部分的作用,1）DDA插补器：该插补器作为粗、精二级插补结构的第二精插补，即细插补，它的输入是上一级软件插补及一个插补周期的进给信息，即粗插补数据。,2）误差寄存器：实现指令位置与实际位置的比较，并寄存比较后的误差Pe，实际上是采用可逆计数器的脉冲比较。位置指令Pc来自DDA插补器，位置反馈值Pf来自鉴相器，即Pe=Pc-Pf。,3）位置增益：将位置偏差乘以位置增益KV，获得速度指令值Vc。位置增益KV决定了速度对位置偏差的影响程度，它反映了伺服系统的灵敏度和稳定性，是位置控制很重要的一个伺服参数，可根据实际系统的要求来设定。,4）漂移补偿：伺服系统经常受到漂移的干扰，即在无速度信号输出时，坐标轴可发生移动，从而影响机床的精度。漂移补偿的作用就是当漂移达到一定程度时，自动予以补偿。,5）速度指令脉宽调制PWM：其作用就是将速度指令调制成某一固定频率，宽度与位置偏差成正比的矩形波脉冲，输出粗误差指令CCMD和精误差指令FCMD。,6）鉴相器：其作用是处理光电编码器的反馈信号，通过辨向和倍频获得表示运动方向的一系列脉冲。一方面作为位置反馈脉冲，另一方面经频率电压变换（F/V）形成速度反馈模拟电压TSA、TSB,其大小与转速成正比，正、负由鉴相器对PA、PB脉冲的相位进行辨向获得。,7）参考计数器：机床各坐标轴回参考点时，通过参考计数器对零标志脉冲PC进行计数，产生参考点信号REF，又称栅格信号。,8）地址译码器：控制芯片内部各数据和寄存器的地址选择。,9）CMR和DMR：CMR为指令脉冲倍率，DMR为检测脉冲倍率，它们的数值由软件设定。设置的目的是为了在比较器中进行比较的指令脉冲和反馈脉冲的当量相符。,7.3,主轴定向控制,7.3.1 主轴定向控制的作用,7.3.2 主轴定向控制的实现方式,7.3.1 主轴定向控制的作用,主轴定向控制又称主轴准停控制，对M06,和M19指令有效。作用有：,刀具交换,镗孔退刀,1.刀具交换,在加工中心中，当主轴停转进行刀具交,换时，主轴需停在一个固定不变的位置上，,从而保证主轴端面上的键也在一个固定的位,置。这样，换刀机械手在交换刀具时，能保,证刀柄的键槽对正主轴端面上的定位键，如,图7-7a,所示。,2.镗孔退刀,在精镗孔退刀时，为了避免刀尖划伤已加工表面，采用主轴准停控制，使刀尖停在一个固定位置（X轴或Y轴上），以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖离开工作表面进行退刀，如,图7-7b,所示。,此外，通过前壁小孔镗内壁大孔，或进行反倒角等加工时，采用主轴准停控制，使刀尖停在一个固定位置（X轴或Y轴上），以便主轴偏移一定尺寸后，使刀尖通过前壁小孔进入箱体内对大孔进行镗削，如,图7-7c,所示。,图7-7 主轴准停的用途,a）刀具交换,b）精镗孔退刀,c）通过小孔镗大孔,1,2,7.3.2 主轴定向控制的实现方式,主轴定向控制有机械和电气两种方式,V,形槽定位盘准停装置,磁性传感器准停装置,编码器准停装置,电气方式主轴定向控制,的,特点,1.V形槽定位盘准停装置,V形槽定位盘准停装置是机械定向控制方式。在主轴上固定一个V形槽定位盘，使V形槽与主轴的端面键保持一定的相对位置，如,图7-8,所示。,准停指令发出后，主轴减速，无触点开关发出信号，使主轴电动机停转并断开主传动链，主轴及与之相连的传动件由于惯性继续空转。同时，无触点开关信号使定位活塞伸出，活塞上的滚轮开始接触定位盘。当定位盘的V形槽与滚轮对正时，滚轮插入V形槽使主轴准停，同时，定位行程开关发出定向完成应答信号。无触点开关的感应块能在圆周上进行调整，从而保证定位活塞伸出，滚轮接触定位盘后，在主轴停转之前，恰好落入定位盘上的V形槽内。,图7-8 V形槽定位盘准停装置,2.磁性传感器准停装置,磁性传感器和编码器准停是主轴电气定向控制方式，现代数控机床大都采用此控制方式。电气方式的主轴定向控制，就是利用装在主轴上的磁性传感器或编码器作为检测元件，通过他们输出的信号，使主轴正确地停在规定的位置上。,图7-9,所示为磁性传感器及安装示意图。,图7-10,为磁性传感器主轴定向控制连接图。,主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转轨迹外1,2mm处固定一个磁性传感器，磁性传感器与主轴控制单元连接。当主轴需要定向时，发出主轴定向指令，主轴立即处于定向状态，当发磁体的判别基准孔转到对准磁性传感器上的基准槽时，主轴便停在规定位置上。,图7-10 磁性传感器及安装示意图,a）组成 b）安装,1-发磁体 2-主轴 3-判别基准孔 4-基准槽 5-磁性传感器 6-主轴箱,图7-10磁性传感器主轴定向控制连接图,3.编码器准停装置,采用编码器主轴定向控制，实际上是在主轴,转速控制的基础上增加一个位置控制环。,图,7-11,为编码器主轴定向控制连接图。编码器,主轴定向控制可在0360,0,间任意定向，例,如，执行M19S180指令，在主轴停在180,0,的,位置上。,图7-11 编码器主轴定向控制连接图,4.电气方式主轴定向控制的特点,1）不需要机械部件，只需要简单的连接编码器或磁,性传感器，既可实现主轴定向控制。,2）主轴在高速时直接定向，不必采用齿轮减速，定,向时间大为缩短。,3）由于定向控制采用电子部件，没有机械易损件，,不受外部冲击的影响，因此，主轴定向控制的可,靠性高。,4）定向控制的精度和刚性高，完全能满住自,动换刀的要求。,7.4 伺服系统性能及参数,7.4.1 稳态性能,7.4.2 动态性能,7.4.3 轮廓加工中的跟随精度,7.4.4 伺服系统参数,7.4.1 稳态性能,定位精度及影响因素,一个稳态的控制系统，在受到外部扰动后均需经过短暂的过渡过程才能从一个稳定状态进入到另一个稳定状态。,定位精度：数控机床位置伺服系统的稳态性能就是指在到达新的稳态后，实际状态与期望状态之间的偏差程度，也称为,定位精度,，一般数控机床的定位精度不低于 0.01mm,高性能的定位精度可达到0.001mm。,影响稳态精度的因素：,一是位置测量的误差，它由测量装置和测量误差造成；,二是系统误差，这种误差与系统的性能和形式有关，也与系统本身的结构和参数有关。,典型输入信号及其引起的稳态误差,典型输入信号,稳态误差,1.典型输入信号,在伺服系统的分析中常用以下两种典型,的输入信号：,（1）位置阶跃输入,（2）位置斜坡输入,（3）扰动输入,（1）位置阶跃输入,点位控制伺服系统以位置阶跃的信号形式进,行给定输入，如,图7-12a,所示，当阶跃的幅值,A=1时，称为单位阶跃信号。,（2）位置斜坡输入,这种输入随时间作线性变化，所以也称为速,度输入。如,图7-12b,所示。在轮廓切削加工中,常以位置斜坡输入进行分析。,（3）扰动输入,除了给定的输入信号外，在伺服系统控制中,还存在着扰动输入。凡是力图使系统脱离给,定输入跟踪的输入量，统称为扰动输入。负,载变动引起的扰动常以阶跃输入的形式进行,分析。,图7-12 典型输入信号,a）阶跃输入 b）斜坡输入,2.稳态误差,由自动控制理论可知，一阶无误差系统（也,称I型系统）对于位置阶跃给定输入的稳态误,差为零，而对斜坡给定输入或扰动输入的稳,态误差不等于零；而二阶无差系统（也称II型,系统）则对上述三种输入的稳态误差都等于,零。如,图7-13,所示为I型和II型系统跟踪斜坡,输入的响应曲线。,跟随误差E、位置环增益Kv及运动速度三者之间的关系,E=,v,/k,v,式中,v 移动部件的运动速度,Kv 位置的增益,Kv越大，则跟随误差E越小，,但Kv过大时，稳定性变差；,在Kv一定时，运动速度越大，,则跟随误差E越大。,图 7-13 斜坡输入的响应曲线,图中，R（t）为斜坡输入，C（t）,为跟踪响应输出。在图7-13 a中，,当恒速输入时，稳态情况下系统的,运动速度与速度指令值相同，但两,者的瞬时位置有一恒定的滞后。设,曲线1为某一坐标轴的位置命令输,入曲线R（t），曲线2为实际运动,的位置曲线C（t）。在t=ta时刻以,后，系统进入稳态，实际位置总是,滞后于命令位置一个E值，E称为,跟随误差,。,例如，在ti时刻，指令,位置在Ci位置,此时实际位置在,Ci点，跟随误差E=Ci-Ci。在,te时刻，插补完成，再没有新的位,置指令发出，此时仍存在跟随误差,E，坐标轴仍继续运动，直到te,时刻，实际位置到Ce位置，即跟,随误差为零时才完全停止。,a）型系统 b）型系统,1-位置命令输入曲线R（t）2-实际运动位置曲线C（t）,7.4.2 动态性能,概念及分类,概念：,动态就是控制系统从一个稳态向新的稳态转变的过渡过程。伺服系统在控制过程中几乎始终处于动态过程中，如某工件程序中的两个位置控制指令（1）和（2）：,G00X10Y20;(1),G01X20Y30F100;(2),在执行（,1,）时，我们说系统处于稳态中，但如果执行完（,1,）后，接着又要执行（,2,）时，,我们将系统从执行（,1,）过渡到执行（,2,）的过程称为动态过程，然后在系统执行（,2,）时，我们说系统又处于一个新的稳态中。,分类：,动态指标可分为两部分，即,1.,对给定输入的跟随性能,；,2.,对扰动输入的抗干扰性能,。,1.对给定输入的跟随性能指标,对一个闭环控制系统，通常用输入单位阶跃信号，然后观察它的输出响应过,程，从而评价其动态性能的好坏。,图7-14,所示为输入R（t）和输出响应C（t）的,过程曲线。依据动态过程曲线，常用的性能指标有：,1）上升时间tr：上升时间tr是输出响应曲线第一次上升到稳态值C（）所需,要的时间。,2）调节时间ts：输出响应C（t）与稳定值C（）的差值小于等于稳态值的,（2%-5%），且不在超出所需要的时间。,3）调节量Mp%：系统输出秒响应tp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，既,Mp%=100,4）震荡次数N：N为响应曲线在ts时刻之前发生震荡的次数。,结论：,以上指标中,调节时间ts越小,表明系统快速跟随的性能越好；调节量,Mp%越小，表明系统在跟随过程中比较平稳,但往往也比较迟钝。显然,作为数控机床的伺服系统,希望上述性能指标都能做到越小越好,然而,在实际控制中,快速性要求经常与平稳性要求相矛盾,需,按照加工工艺的要求在各项性能指标中作出合理的选择。,图7-14 动态跟随过程曲线,2.对扰动输入的抗干扰性能指标,当系统的给定输入不便时,在受到阶跃扰动后,克服扰动的影响而自行恢复的,能力。常用最大动态降落和恢复时间指标来衡量系统的抗干扰能力。,图7-15,所示,为一个调速系统在突加负载时,转矩M与转速n的动态影响曲线。,（1）最大动态速度n,m,：表明系统在突加负载后及时作出反映的能力，常以稳,态转速的百分比表示，即,n,m,%=100%,（,2）恢复时间tp：由扰动作用瞬间至输出量恢复到允许范围内(一般取稳定值的,2%-5%)所经历的时间。,结论：,根据伺服系统对动态性能的要求,抗干扰性能应使各种扰动输入对系统,跟随精度的影响减小至最小。当扰动负载输入后,同时要做到动态降落,与恢复时间两项指标最小有时存在矛盾,一方面,当系统的时间常数愈大,则输出响应的最大动态降落越小,而恢复时间越长,反之,时间常数越小,动态降落越大，但恢复时间短；另一方面,伺服系统在给定输入作用下,输出响应的超调量越大,上升时间越短,则它的抗干扰性能就越好,而超,调量较小,上升时间较长的系统,恢复时间就长。这就是跟踪性能与抗干,扰性能之间存在一定的内在制约和矛盾的地方,也是闭环系统固有的局,限性。,图7-15 突加负载后转速的扰动影响曲线,7.4.3 轮廓加工中的跟随精度,跟随精度的重要性,影响跟随精度的因素,1.轮廓跟随精度的检验,2.跟随误差与轮廓误差之间的关系,3.动态特性对加工精度的影响,跟随精度的重要性,在闭环伺服系统中，点位控制系统由于在运动过程中不进行加工，因此只有定位精度对加工精度的影响最重要，而定位时间以及如何趋近定位点等问题只会影响效率，不会影响加工精度。,但对连续切削控制系统，由于一边进给，一边要加工零件的轮廓，除了要求定位精度准确以外，在整个进给过程中，要求能稳定而灵敏的跟随指令，使实际运动轨迹尽量接近程序给定的轨迹，即要求具有高的轮廓跟随精度。,影响跟随精度的因素,轮廓跟随精度,伺服驱动系统的稳态、动态特性有关，其中增益、驱动时间常数等参数的影响尤为突出。,此外还与运动速度及轮廓切线方向变化率等因素有关。,1.轮廓跟随精度的检验,目前，对轮廓控制的跟随精度尚未统一的测量标准。轮廓跟随精度,的测量比较困难，一般通过切削加工一定轮廓形状的工件，检验其加工,误差来评价。以数控铣床为例，目前多采用规定铝合金或铸铁试件进行,精度检验。,（1）用X、Y坐标的直线插补，对方形试件的四周进行精铣，背吃刀量,约为0.1mm。安装试件时，使试件的一个加工面与坐标轴成30,角，如,图7-16a,所示。检验的项目有：,四周的直线度，即A、B、C、D面的直线度。,相对面间的平行度，即A和C面的平行度，B和D面的平行度。,相邻两面间的垂直度，即A和B、B和C、C和D、D和A间的垂直度。,（2）用X、Y坐标的圆弧插补，试件如,图7-16b,所示，对圆周面进行精,铣，背吃刀量约为0.1mm。检验项目为圆度。,以上检验结果综合反映了机床的轮廓切削精度，其中既有机床两坐,标跟随精度的影响，也包含由切削力方向变化而产生的影响。,图7-16 轮廓精度检验试件,a）方形试件 b）圆形试件,2.跟随误差与轮廓误差之间的关系,轮廓误差的概念,两轴联动加工直线时的轮廓误差与跟随误差之间的关系,圆弧轮廓加工时的轮廓误差与跟随误差之间的关系,轮廓误差的概念,轮廓误差是指实际轨迹与要求轨,迹之间的最短距离。,（1）两轴联动加工直线轮廓时,如,图7-17,所示。,图7-17 跟随误差对直线加工的影响,（2）圆弧轮廓加工时,图7-18,所示为跟随误差对圆弧加工的影响。,图7-18 跟随误差对圆弧加工的影响,3.动态特性对加工精度的影响,在轮廓加工过程中,常要求坐标轴瞬时启停或改变运动速度,这时系统的动态特性就会影响轮廓跟随精度。在铣削工件的内、外拐角时,其影响尤为明显。,图7-19a,表示了两轴联动在铣削一个拐角时的情况。开始时,工作台沿X轴方向运动。当指令信号到达O点时,由于有跟随误差Ex,工作台实际位置滞后一端距离在-0.4mm处,此时,Y轴已根据指令信号移动,同时,X轴在消除Ex的过程中继续移动到O点,结果构成了一个弯曲的过度,产生了欠程误差,最大值为,1,。在系统增益较高的情况下,会由于超调而产生超程误差,最大值为,2,。,图7-19b,比较了系统在不同增益时的实际轨迹。当增益较低时Kv=17 1/S，X轴由于响应迟缓，跟随误差较大，因而欠程误差大；当增益过大时，如Kv=70 1/S，系统产生超程并使表面不光滑，影响了形状精度。当Kv=25 1/S时，系统有最佳状态，此时系统响应较快，超程量极小，可以忽略不计。,在铣内拐角时，如图,7-20a,所示，由超程误差,2,引起的过切削对工件质量影响较为严重，应该尽量避免，应通过减小Kv值以减小超调量。减小Kv值会引起欠程误差,1,增大，但可以通过编程让刀具在拐角停留3050ms，既可消除欠切现象。,在铣外拐角时，如,图7-20b,所示，超程或欠程会多切取一些金属，但一般影响不大，可通过在拐角外延时的等措施加以消除。,图7-19 动态特性对拐角过渡的影响,a）加工拐角时的超程和欠程误差 b）不同Kv下的超程和欠程误差,图7-20 铣削拐角时的误差,a）内拐角 b）外拐角,7.4.4 伺服系统参数,伺服系统参数的重要性及设置,1.增益调整,2.调速范围,伺服系统参数的重要性及设置,数控机床伺服系统由位置环和速度环组成，两个环的参数调整是否合适，直接影响到伺服系统的性能。在现代CNC系统中，位置环的参数调整可通过系统上的CRT/MDI操作进行参数设置，由系统软件进行控制；速度环的参数调整可通过驱动装置上的调节电位器或参数设定来调节。在全数字式数控系统中由于数控系统与伺服驱动的总线通信，因此位置环和速度环的参数调整均可在CRT/MDI上进行，并可通过CRT/MDI监控伺服系统的状态。,1.增益调整,增益是数控机床伺服系统的重要指标之一，它对稳态精度和动态性能都有很多的影响。,一般将Kv20的伺服系统称为低增益或软伺服系统。,而把Kv20的伺服系统称为高增益或硬伺服系统。,对于轮廓加工的连续控制应选用高增益系统，而低增益系统多用于点位控制。,并非系统的增益愈高愈好，当输入速度突变时，高增益可能导致输出变化剧烈，机械要受到较大冲击，有的还可能影响系统的稳定性。,低增益系统也有它的优点，如系统调整较容易，对干扰不敏感，加工的表面粗糙度值小等。,2.调速范围,伺服系统为了达到高速快移和单步点动的目的，要求调速范围很宽。伺服系统在低速情况下实现平稳进给，要求有较大的增益以克服由静摩擦等因素引起的控制“死区”，避免工作台出现爬行现象。,最高运行速度除了加工要求外,从系统控制的角度看有一个检测与反馈的问题。在CNC系统中必须考虑软件处理的时间是否足够。既系统必须在该时间内通过硬件或软件完成位置检测与控制的运算。,同时，还要考虑在允许的跟随误差E的条件下，最高给进速度V,max,，既V,max,=K,v,E。,7.5 全数字式伺服系统,7.5.1 全数字式伺服系统的构成,7.5.2 全数字式伺服系统的特点,7.5.1 全数字式伺服系统的构成,分类,构成,分类,数控机床进给伺服系统是位置随动系,统，需要对位置和速度进行精度控制。通常,需要处理位置环、速度环和电流环的控制信,息，根据这些信息是用软件来处理还是用硬,件来处理，可以将伺服系统分为两种，即,全数字式,混合式,混合式伺服系统的构成,混合式伺服系统是位置环用软件控制，速度环,和电流环用硬件控制。,在混合式伺服系统中，位置环控制在数控系统中进行，并由,CNC,插补得出位置指令值，并由位置采样输入实际值，用软件求出位置偏差，经软件位置调节后得到速度指令值，经,D/A,转换后作为速度控制单元（伺服驱动装置）的速度给定值，通常为模拟电压,-10,+10V,，在驱动装置中，经速度和电流调节后，经功率驱动控制伺服电动机转速及转向。,全数字式伺服系统的构成,在全数字式伺服系统中，CNC系统直接将插补运算得到的位置指令以数字信号的形式传给伺服驱动装置，伺服驱动装置本身具有位置反馈和位置控制功能，独立完成位置控制。全数字式伺服系统的组成如,图7-21,所示。,CNC与伺服驱动之间通过通信联系，传递如下信息：1）位置指令和实际位置；2）速度指令和实际速度；3）扭矩指令和实际扭矩；4）伺服系统及伺服电动机参数；5）伺服状态和报警；6）控制方式命令。,图7-21 全数字式伺服系统,7.5.2 全数字式伺服系统的特点,全数字伺服满足高速度和高精度的要求。,（1）系统的位置、速度和电流的校正环节PID控制由软件实现。,（2）具有较高的动、静态特性。在检测灵敏度、时间温度漂移、燥声及外部干扰等方面都,优于混合式伺服系统。,（3）引入前馈控制，实际上构成了既有反馈和前馈的符合控制的系统结构。这种系统在理,论上可以完全消除系统的静态位置误差、速度、加速度误差以及外界扰动引起的误,差，即实现完全的“无误差调节”。,（4）由于全数字伺服系统采用总线通信方式，可极大的减少联接电缆，便于机床安装和维,护，提高了系统的可靠性。同时，便于通过CRT实时监控伺服状态。,当前，数字式交流伺服系统在数控机床的伺服系统中得到了越来越广泛的应用。和模拟式交流伺服相比，模拟式交流伺服只能接受模拟电压指令信号，功能上具有简单的指示灯光显示（如伺服正常、伺服报警等），缺乏丰富的自诊断、自测量及显示功能（如显示电流值、指令值及故障类别等），控制参数用可调电位器调节。,数字式交流伺服可作速度、力矩和位置控制，可接受模拟电压指令信号和脉冲指令，并自带位置环，具有较丰富的自诊断、报警功能。根据不同类型的数字式交流伺服系统，各种控制参数有以下方法以数字方式设定：通过驱动位置上的显示器和设置按键进行设定；通过驱动装置上的通信接口和上位机通信进行设定；通过可分离式编程器和驱动装置上的接口进行设定。,由数字式交流伺服系统发展而来的软件交流伺服系统是将各种控制方式（如速度、力矩、位置）和不同规格、不同功率伺服电动机的数据分别赋以软件代码全部存入机内，使用时由用户设定软件代码，相关的一系列数据即自动进入工作，改变工作方式或更换电动机规格只需重设代码。通过操作显示可方便地跟踪观察和调整伺服系统的各状态（如指令电压值、电机电流值、负荷率、当前位置、给进速度和故障类别等）。无需外部信号，可自检、试运行，在数分钟甚至数秒内判断出整机的故障范围。,7.6 内容小结,数控机床伺服系统是数控系统与机床机械传动部件的联接环节，是数控机床的重要组成部分。伺服系统有位置开环、闭环和半闭环控制之分。开环控制无位置检测，闭环和半闭环控制有位置检测。闭环和半闭环伺服系统由位置环和速度环组成，位置环由位置控制、位置检测及位置反馈组成；速度环由伺服电动机、伺服驱动装置、测速装置及速度反馈组成。,闭环和半闭环控制是基于反馈控制原理工作的。在位置控制中，将指令位置与实际位置比较，形成位置偏差，经转换得到速度控制信号送至驱动装置。位置比较方式有脉冲比较法、相位比较法和幅值比较法，通过位置控制芯片或位置控制模块及软件来实现。,数控机床的伺服特性有静态和动态特性之分，特性的好坏受位置增益Kv、跟随误差及进给速度等因素的影响。调整伺服参数，就是要获得较好的静态特性和动态特性，以满足数控机床对位置控制的要求。,传统伺服系统的位置比较法在数控系统中实现，然后再由数控系统输出-10+10V的模拟速度控制电压给伺服系统驱动装置；全数字式伺服系统的位置比较在伺服系统驱动装置中进行，数控系统仅输出一串数字信号（位置指令）至驱动装置。,