labview大作业

机床进给量的测量和控制

摘要

在机床加工工件时，进给量是决定被加工表面质量的关键因素，同时也影响加工时切屑形成的范围和切屑的厚度。在对刀具寿命影响方面，进给量过小，后刀面磨损大，刀具寿命大幅降低；进给量过大，切削温度升高，后刀面磨损也增大，但较之切削速度对刀具寿命的影响要小。因此对于进给量的测量和控制在机床研发制造过程中显得尤为关键，下文对于进给量的伺服控制系统进行了简要介绍。

一.进给量的定义

进给运动的大小可以用进给量f来表示，即工件或刀具每转一转或往复行程一次时，刀具沿进给运动的方向上相对于工件的移动量。主运动是旋转运动时，进给量f的单位是mm/r；主运动是往复直线运动时，进给量f的单位是mm/dst（毫米/双行程）。 进给量：

式中 f（mm/rev）：每转进给量 ； l（mm/min）：每分钟切削速度 ； n（min-1）

二.进给量的控制

进给伺服控制系统

伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

机床工作台（包括转台）的进给是用伺服机构驱动的，目前都是电气化的，是用伺服电动机驱 动的，而且多数都是用同步电动机。电动机与滚珠丝杠直接连接（如下图），这样由于传动链短， 运动损失（lost motion）小，且反应迅速，因此可获得高精度。

机床的进给伺服属于位置控制伺服系统。如下图所示，输入端接收的是来自 CNC 插补器、在 每个插补周期内串行输出的位置脉冲。脉冲数表示位置的移动量（通常是一个脉冲为 1μm------即 系统的分辨率为 1μm）；脉冲的频率（即在单位时间内输出的脉冲数的多少）表示进给的速度；脉 冲的符号表示轴的进给方向,通常是将脉冲直接送往不同伺服轴的指令输入口。

下图只画出了一个进给轴，实际的机床有几个轴，但是控制原理都是一样的。几个轴在同一插 补周期内接收到插补指令时，由于在同一时间内的进给量不同，进給速度不同，运动方向不同，其 合成的运动就是曲线，刀具依此曲线轨迹运动即可加工出程序所要求的工件轮廓。

对进给伺服的要求不只是静态特性，如：停止时的定位精度、稳定度。更重要的是进给的

伺服 刚性好，响应性快，运动的稳定性好，分辨率高。这样才能高速、高精度地加工出表面光滑的高质量工件。

数控机床的进给伺服系统从基本结构上看, 伺服系统主要由控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机三部分组成。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差, 调节控制量功率驱动装置作为系统的主回路, 一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上, 调节电动机转矩的大小, 另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电电动机则按供电大小拖动机械运转。数控机床的进给伺服系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象, 以控制器为核心, 以电力电子功率变换装攫为执行机构, 在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统, 控制电动机的转矩、转速和转角, 将电能转换为机械能, 实现运动的要求。数控机床的进给伺服系统把接收到的数控系统发出的位移、速度指令, 经变换、放大调整后, 由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等部件从而带动工作台及刀架的运动, 通过联动轴使刀具相对工件产生各种预定的机械运动, 加工出用户要求的工件。

数控机床的进给伺服系统根据驱动电动机的类型, 可将其分为直流伺服和交流伺服根据控制器实现方法的不同, 可将其分为模拟伺服和数字伺服根据控制器的特点及其闭环的多少, 可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。

控制系统结构类型

开环：所谓开环，就是没有位置反馈的伺服系统。这种结构的电气系统都用步进电动机驱动，如下图 所示。由于没有速度和位置的反馈，所以跟随精度差，响应性差，因此加工精度差，效率低。另外由于步进电动机控制原理及本身的结构等原因：运行及定位速度不高，控制性不好，易丢 失控制脉冲，响应性差、效率低等，不适于 CNC 机床工作台的驱动控制。 闭环： 闭环是有被控元件的位置反馈的伺服系统。系统的构成包括：执行元件------伺服电动机（一般 与滚珠丝杠直接连接）；速度控制器和位置控制器，位置控制器接收 CNC 插补器的输出指令（如下面的图所示）。 根据使用的位置反馈元件的种类：回转式还是直线式以及位置反馈元件的机械安装部位，闭环系统从机械使用角度又可分为半闭环、闭环和混合式闭环，如下图。

①半闭环：如上图所示：这种结构，使用回转运动的脉冲编码器（光码盘），并将其安装于 电动机轴上或滚珠丝杠上（远离电机轴的一端）。因此，编码器只能随着电动机的回转，测量电动机轴或滚珠丝杠转过的角度。但是，工作台是带动工件作直线运动的，位置检测器应该实测其直线 移动量，并将其反馈至位置控制器。因为编码器不是直接测量工作台的直线移动，需经滚珠丝杠和 螺母将丝杠的转角转换为直线位移，属于被控元件（这里是直线运动的工作台）的被控量（这里是 位置量）的间接测量，就称之为半闭环。就是说进给传动链上有一部份元件没有闭在环内（如图中 的滚珠螺母和工作台），因此会造成反馈量（实际位置）的测量误差，以至于影响整个伺服系统环 路的控制误差。图中，电机轴与滚珠丝杠间的耦合，滚珠丝杠与螺母间的反向时的间隙，丝杠、工 作台的变形等等引起的运动误差，编码器均未测到。因此，这种结构从理论上讲，伺服的跟随精度不如全闭环高。

由图中可见，其中的编码器既作为电动机的速度反馈，以维持电动机转速的恒定，从而使工作 台的进给速度恒定；又作为被控元件的位置反馈。作速度反馈时，是将电动机的转速以单位时间内的脉冲数表示、将其反馈至速度控制器，与指令速度进行比较。作位置反馈时，是将实测的脉冲个数反馈至位置控制器，与 CNC 输出的位置指令值比较，用求出的位置误差作为位置环路的控制量。

②全闭环：这种结构使用直线尺（通常使用直线光栅尺）作为位置测量元件，并将其安装于 工作台的侧面，随工作台一起运动。因此，能够直接测量出工作台的实际移动量（称之为直接测量）。 整个传动链上的所有元件全部被包括于闭环内，故测量精度高，因之伺服的控制精度也就高。 此种结构中，装在电动机轴上的编码器只用于电动机的速度反馈，位置量的反馈使用直线光栅尺。 ③混合控制闭环（双闭环）：这种结构中，位置量的测量同时使用了两种元件：脉冲编码器 和直线光栅尺。 另外，编码器还和半闭环一样，同时兼用于速度反馈（如上图所示）。由于有两种位置反馈，故系 统精度较高，跟随性好。

上述三种结构，尽管全闭环达到的精度较高，但是使用的还是比较少，其原因是调试比较困难， 特别是当机床的机械刚性较差，如：丝杠细而长、工作台和导轨间的摩擦大、工作台较重、使用蜗 轮/蜗杆传动、装配时机件间的间隙较大时，极易引起传动链的震动，因而无法调试。使用全闭环 系统，对机床的机械元、部件的结构设计，机件的变形，机件的制造精度，传动部件的装配精度要求都较高。鉴于此种原因，一般机床都使用半闭环结构。这种

结构对机械要求一般，调试比较容易。其伺服传动的精度可以用反向间隙补偿和滚珠丝杠的螺距误差补偿功能加以弥补。在大型机床或是要求高精度的机床上可以使用混合闭环控制技术。

参考文献

郭庆鼎, 等 直线交流伺服系统跳精密控制技术[M] 北京：清华大学出版社,2001 孙汉卿, 数控机床维修技术[M] 北京:高等教育出版社, 2005

秦忆, 等 现代交流伺服系统[M] 武汉:华中科技大学出版社,1995 王润效, 数控机床原理与系统[M] 西安:西北工业大学出版社,1991 郭庆鼎, 王成元, 交流伺服系统 北京:机械工业出版社，1994

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/09fa.html