第二讲数控机床进给系统设计_之二_

数控机床

数控机床设计讲座

第二讲

数控机床进给系统设计

之二大连理工大学

戴

曙

关扭词

数控机床

进给系统

伺服电动机

半闭环伺服系统根据牛顿第二定理进给系统所需的力矩,

三伺服电动机伺服电动机有直流和交流两类,。。

、

+

等于系统的转动惯量+ .

,

乘以角加速度

,

即

直流伺服、

,/

电动机开发较早应用广泛交流伺服电动机是!年代开发的由于它没有电刷因而寿命长,,

角加速度影响系统的动态特性角加速度夕小越,

故障少允许的转速较高这种伺服电动机发展,

。

则从计算机发出指令脉冲到进给系统,。

很快已广泛应用于机床

,

。

执行完毕之间的时间越长也就是通常所说的系统反应慢如果/变化则系统的反应将忽快,。

伺服电动机的特性见图

#

。

它可以分为。

两个区域连续工作区和断续工作区两区的交

忽慢影响加工精度,,

当进给伺服电动机已选。

定则+的最大值基本不变如果希望夕的变化小则应使转动惯量,

,

的变化尽量小些,0

。

%一#

刁

惯量惯量,1

,

由伺服电动机转子惯量

和负载

两部分组成, .1

卜 4气 3。

三 断区工的

%

缓 %一

&

攀嵘‘塔

,0 2,

1、

哭矩线线”区!

负载惯量,、

由执行部件以及上面装的夹具工、

件或刀具滚珠丝杠联轴节等直线和旋转运动

神碧)

定

(&

、

件的质量或惯量折合到电动机轴上的惯量组 0成,是定值,钡组执行部件上装的夹具因。

,

、

%辛连“!

%

工件或刀具不同而有所变化、,

。

如果希望+

,

的变+

,

转速

。

# %&

( )

代革

+

,

#‘二

,

,

,

二方一

一了

&

.

+

+

+

+

,

、

+

二

/。

+

,

/

/

二

0 1 2。3,“

一

小些

贝组汁便最”

“。

/

肺

6 5 7 8一 。型文流伺服电动机特性界线为连续工作时输出转矩的上限因而是额图

4

占的比例小些

。

这就是惯量匹配的原则、。

,

综上所述中小型数控机床的进给伺服电,

定转矩线可以看出额定转矩虽随转矩的升高,

。

动机根据下述三个指标选择

而略有下降但变化不大可以看作基本上是恒,,

# ! )最大切削负载转矩不得超过

电动机的

转矩输出,

。

断续工作区的上限是这种电机的最,。

额定转矩矩;为

一#

。

折算至电动机轴的最大切削负载转<;一

大输出转矩用于执行部件的快移这时工作时间很短而且最大转矩仅发生于启动的瞬间用,

以克服惯性,

。

电动机虽发热较多但工作时间,。

式中

>/

短故仍能保证温度不致过高! 99:

箫—

<;

=。

’

# 一 4),

丝杠上的最大轴向载荷等于

进给力加摩擦力?,

年第 ! !期

:9

数控机床

尸5

专+7。

—滚珠丝杠的机械效率—因滚珠丝杠螺母预加载荷引起—的附加摩擦力矩见样本或文献,, 8 9〕4

丝杠导程 6,

大移动快移速度时所需的转矩最大所需转,

。

矩+二

。

为

二 冗? .+一, Α,共共竺/ ΒΧ。

#

一

4

’

6一

‘

、

一9 Δ

6,

式中

?

.Γ/Χ

+

:。

—本或文献 8—。

滚珠丝杠轴承的摩擦力矩见样9

—速—

电动机在执行部件快移时的转,

一

Ε

< 6Φ?,

〕4,

6

加速时间,

Η

“

伺服电机至丝杠的传动比,

在阶跃指令下电动机转速按指数曲线上

电动机的转子惯量, 0应与负载惯量,1

升#

#

经过电动机的机械时间常数玩电动机的,#

相匹配。

通常

,0,

应不小于,,

1

。

但也不是越。

Ι转速可达到要求转速的 > Λ

Κ 经过 玩达,

大越好

因几越大总惯量/

也就越大

为了,

,经过,

ΙΧ 0

达

ΜΛ

Κ经过

=Χ0

达

Μ>

#

。

因此通常认为加速时间气为电动机机械时间

保证足够的角加速度匹配条件为&

使系统反应灵敏将不。

常数Χ #

Χ0

的Ι一=倍Ι

得不采用过大的伺服电动机和伺服控制系统;,0

Α

一=

Χ0

6

Η

一 9Ι

伺服电动机的功率是区分电动机大小的公<,1

;,1

=,

一>

称值并不按此选择,、

。

这是与主电机不同的

。

重型机床的负载惯量,

很大如果伺服电。

动机与丝杠直联以上条件很难满足常用的办法是电动机通过降速后传动丝杠。

四伺服系统数控机床多坐标联动加工直线和曲线时,。

,

负载惯量,1

,1

按动能守恒定理折算 Φ’

一

, 6‘, 2万普军苦、

ΝΟ

一,

“

是把曲线分成许多小段一段一段地加工的每, 一Μ

一小段的长短取决于曲线的形状进给速度和

、

插补时间在一段插补时间内计算机完成一次,

。

式中

—各旋转件的角速度/<Η—各直线运动件的质量Π

Ν 6—各直线运动件的速度 6<Η—伺服电动机的角速度ΕΠ/—动惯量实心的为<圆柱体的转叭,

,Ν

各旋转件的转动惯量Ε

ΝΟ

6

,

插补运算给出各坐标下一段运动的数字量显,

。

然插补时间应等于或小于完成一小段加工所用的时间,。

,

‘

,

Ο

插补时间与计算机的时钟频率与字ΣΒ6Η

Θ,

,

长有关通常在 .,

范围内,。

。

计算机的时

。

,

Η

钟频率越高播补时间就越短曲线上被分割的小段就越短精度也越高,

,

,

6一音Ρ

Σ

一

矗Σ

二

川Τ

=

Ν‘Ο

一”‘

Β ‘一‘,

计算机输出的各坐标运动的数字量置指令被送到各坐标的伺服系统,

,

空心的为,

—控制伺服电

位

6一音 6,

。一,

一

矗ΝΟ,

二Κ

“Τ#

一Π, 一 9 9

Σ

动机的转动再经过机械传动机构拖动执行部

件#

。

6

Σ

半闭环直流伺服系统的工作原理见图 >。

式中Τ

Π

&

产

—外径和孔径 6—长度 6—密度Ν<6—Ν<6,,

质量

,

ΝΟ

数控系统送来的位置指令值Τ,#

Τ

。

与反馈系

统检测出的实际位置检测值测器,

在位置偏差检Τ。、

9

中比较其差值为。

。

。Τ

经位置控制放大。。

Ο

Ι

钢的

户Α

#

ΗΥ

器

放大后成为速度指令值 。

Τ一。刀 Ρ、

&Ρ,

Ι

Ο

‘

都是数字量。

经数<模

Τ

< 转换器Ι转换

Ι快移时转矩不得超过伺服电动机最大

为与 值成正比的模拟量Ω。。

转矩。

。

当执行部件从静止以阶跃指令加速到最。

—这个电压在速度偏差检测器

速度指令电压=

内与速度反

Λ!

《制遭技术与机床》

数控机床

馈电压Ω相比较其差值为速度偏差电压Ω ,

#

。

图

Ο/,

#

是直流伺服系统图

#

>的控制。

Ω

#

经速度控制放大器

Λ

放大为速度电压Ω,

0

,

框图,

。

图中各个Ψ是各环节的传递函数,。

通

加到直流伺服电动机的角速度 Ξ0,。

上使电动机获得一定Μ

常各环节的固有频率远高于工作频率故可近似地按静态间题处理各个环节的Ψ可看作定值称为增益,。

经机械传动转化为执行部件Λ

的

移动速度 #

交流伺服系统的工作原理与图为逆变器Ω控制逆变器。#

>

相似只是,,

Λ

的,

图中右边虚线围起来的部分称为速度环设其增益为Ψ 。

,

输出频率几使交流伺服电动

机获得一定的角

Ψ

)

与Τ< 转换可合为一个环。

/节设其增益为ΨΚ则图可归并为图Ζ,,

根据控制工程基础速度环的闭环增益为Ψ

ΨΨ0& 2ΨΨ 0Ψ//。

:

一9=,

式中图 #

8

。

8>

Γ

半闭环伺服系统工作原理

与伺服电动机同步转动的编码器馈信号即实际位置检测值Τ#,,

发出反

—伺服电动机增益输入量为电压—# )输出量为电动机的角速ΗΓ

速度控制放大器增益Φ.

Φ%Φ

输往位置偏差8,

度 Ι

Γ夕# Ι %7

7

)

。

故8。

Γ

的单位为

检测器测器=。

9

。

反馈信号又经频率一电压转换器>。,

%

Φ

转换为角速度的模拟电压Ω

输往速度偏差检。

—

速度反馈环节增益

输入量为电.。

动机的角速度量为速度模拟的单位为7

Δ

Γ

# %7 )ΙΚ

输出故8=

伺服系统是一个自动调节系统置误差,

如果执行,。

电压Η#Λ )% Ι。

部件的实际位置未达到程序规定的位置则位ΒΤ

Φ

将使执行部件得到一定的速度。。

乙刀

8

Κ

.的输入量为速度指令电压Η#Φ )输出量为

越大则速度越高这就使执行部件总是跟随着程序规定的轨迹运动系统的放大倍数越大则,

Ι电动机的角速度九# Ι

%

7

)

。

故8

Κ

的单位为

%

7

Φ

为得到一定的速度高。

,

乙刀,

可以越小即精度越,

令8,

8

,

一8 8

Ι

Γ

8.。

但是。

,

乙刀

不能消除因为闭环自动控制系。

称为速度的开环增益输入量为速度偏差电。

统是靠误差控制的

系统的放大倍数也不是越,,

Κ压Η#Λ ) .输出量为速序反馈的模拟电压Η

高越好。

因放大倍数越大系统的灵敏度也越,,

#Φ )

故 8,的单位为,

Φ%Φ

。

、

高由于惯性的存在执行部件的实际位置有可能超过规定位置使。Τ成为负值影响系统的稳定性产生振荡,。

在图Μ中经归并后共有三个环节位置控Κ

制放大环节#包括环增益为 8,,

Ν

%Ο转换 )增益为 8 . .速度,,

Κ

.

位置反馈环节增益为 8,

Π

。

此

外还有一个积分环节把电机的角速度Θ转化Τ

产

一

」Τ

尸一一一一一门广一一一一一一一一一门

刁三Κ佩Β‘[Α 7Δ, 1[&Ε+ ++++习+‘

为角位移

Ι 8 8 .8。

Π

Κ

三者之积称为伺服系统的。。

Χ

…渔已鉴一//

开环增益或简称系统增益 88

瓜寻一

一

一8# )Ι

Π

8 .8

Ρ

# 一 ! )

输入量是角位移,

,

输出量是电动机的角。

当、

!

困陋芯仁一一

止

7 7速度九#Ι% )单位为 !%,,,

在没有位置指令。

输入的条件下角位移就是转角误差系统增益的意义是单位转角误差能使电动机获得多大的角速度显然 8越大则一定的角位移能使。

图 !99:

9

伺服系统控制原理

,

,

年第 ! !期

。

!

。

数控机床

电动机获得较大的角速度即系统的灵敏度越,

高

。

ΨΨ,

#

是伺服系统最主要的性能参数不是越大越好。。

。

Ξ

.ΨΙ!

#

#

系统增益太大灵敏度,

6<Λ

一 9>

太高稳定性就可能不够9<Η。

Λ通常取Ψ一>. ,

工作台达到的最大加速度/

Δ

+Δ

了五

.

尸5

一 9Μ,

Ψ的倒数是系统的时间常数Χ。

#

Χ

。

式中 一 9

+

Α

9<Ψ

#

9<ΡΘ

.尸

Η

—5

伺服电动机的最大输出转矩4

6,

速度环的开环增益Ψ常取为ΨΨΧ#

,

Α

.=Ψ

#

一 9

—

丝杠导程 6/

.》,

/#。

可根据加速度进行验算,

。

如上述条件不能满足可适当加大ΨΞ。

系统要求的最大加速度发生在时间常数。

待续编辉刘茄贵 收稿日期 9ΜΜ=一!>一 9 !

内执行部件从一Ξ,

二

转变为 2

.时

。

Ξ

.

为执行部件的快移速度 6< 6Φ?=小经验卜

速度的变化

用 > =改造单板机+∴> ! 9 东方汽轮机厂庞志伟。

早期经济型数控车床以及部分数控线切割机采用单板机+∴>Ρ& +∴>! 9

一⊥ 任意一个为低电平 > =均被选中改造

作为智能部件,

。

由于,

后

]

0区地址由原 ! ! ! _ .Σ _变为,

存贮区采用。

] ,

0 9 9= 9 9=功耗大

! !Ρ_ .Ι _,

即由=Ψ变为,

Ψ,

容量这样

。

,

断电后存贮内容丢失所以每次开机需重新输入程序操作不便,

一经输入程序只要不经键盘改写断电后信息

仍然保存操作使用方便对于,

+∴> !α&

型机也

解决的办法可用微功耗 =

] 0 99

或

可参考

。

取代原,

>

片

99=

,

断电后由电池供电对程,,

序加以保存但可靠性不十分高改造不够简便若用 > =芯片改造更为简便断电后不需。

,

= )=!>

)99

电池供电便可实现程序保护可靠性很高,

。

9Ι,

#!Μ)

来自

Ω

> =

Σ属于可编程只读存贮器 3∴]

Β 0它,

既象] 0能随时改写字节又可用电全片擦

除而且只用单一电源 2,,

Ξ

。

而 3∴]Β 0只能。

用紫外光擦除写片和工作电源分别用两种 > =

自

Σ

Λ=Ι Ζ荟乏乏艺

9ΣΡ

:匀

…

Η:

用于单板机+。。

∴>Ρ9 ]

0区改造十、

〕

Λ 、

分方便如图= 9脚 )擂座Γ]

在其扩展区焊一只 脚和一只>三总线数据地址控制总线。

、

9

Ι

=

…

Μ

9!

9 9 9

9Ι

9=

已引到了扩展区可方便地焊接

将原,

>

片

0 9 9=全拔掉Ω,

ΙΛ

拔掉⊥ 。、

。

从、

Ω

Σ‘

=1 9Ι>

输出的片选信号集成块

⊥

=

、

⊥ 。⊥

经四与门。

=!>

输出控制

> =

#的百豆厄当⊥ 和己

编辑

杨

力

Λ

《造技术与机床》制

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8234.html