数控机床机电匹配性能测试平台软件设计毕业设计说明书

1西华大学毕业设计说明书1前言数控机床的进给伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是：接受由数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流伺服电机、直流电机、功率步进电机、电液伺服阀—液压马达等)相机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系统有本质上的差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。发展高性能的数控进给伺服系统，在很大程度上决定了机床的加工精度、表面质量和生产效率。数控进给伺服系统的性能取决于组成它的伺服驱动系统与机械传动机构中各环节的特性，也取决于系统中各环节性能参数的合理匹配。以伺服驱动装置与控制调节器为中心的伺服驱动系统已有较成熟的理论分析、实验研究和设计方法。图1.1数控进给系统在CNKI中所受关注度（来源于CNKI学术趋势）由图1.1可以看出，数控进给系统的研究，近年来也逐渐受到诸多学者的重视，他们也进行了不少的工作，并取得了一定得进步。这些进步都有效地促进了进给伺服系统技术的发展，进给系统的功能也随之得到了巨大提高。但是，若只有单轴的进给系统精度等各方面性能优越是不够的，在双轴或多轴的系统中，它们各自不一定能够完全发挥各自的优越性，这样就会造成严重的资源浪费，不利于实际生产。只有在各个进给系统之间的参数密切配合才能够将每个进给系统的性能发挥到极致，这样就有效地提高了资源的利用率，对实际生产才有益。因此，进一步研究数控机床中伺服系统的特性以及探寻测试数控机床机电匹配的方法、途径，并探讨数控机床机电匹配的作用、地位，并定性、定量地分析系统增益的匹配对运动（加工）轨迹精度的影响就显得尤为重要。只有正确认识进给系统的特性以及进给系统增益对轮廓加工精度的影响，才能够采取有效的措施提高整2西华大学毕业设计说明书个数控系统的整体性能，服务于整个数控行业。1.1数控进给伺服系统的特点数控机床的进给系统与普通机床不同。数控机床的数控系统发出进给指令，经进给电动机和驱动机构，使执行部件如刀架、工作台、主轴箱等按程序的规定运动。数控机床的进给系统，按其控制方式，可分为开环、半闭环和闭环三类。开环系统结构简单，但是当载荷突然发生剧烈变化时，可能导致执行部件的运动误差。闭环系统可以检查指令的执行情况并及时反馈误差信息，所以精度较高。半闭环由于反馈装置装在伺服电机或丝杠上，不能纠正丝杠误差以及受载后丝杠、轴承等的变形，所以精度比全闭环低。在大多数精度要求较高的机床上都采用全闭环控制。但执行部件是一个质量元件，传动机构是一个弹性元件，因此执行机构和传动机构构成一个振荡环节。全闭环系统如果参数选得不合适，则有可能产生进给振荡。数控系统发出的进给位移和速度指令，经过转换和功率放大后，作为伺服驱动装置的输入信号，并控制其作某一速度和距离的角位移和直线位移，从而驱动执行部件实现给定的速度和位移量。伺服驱动装置的性能，在很大程度上影响机床进给系统的品质，因此，伺服驱动装置应满足如下的要求。①调速范围宽:调速范围是指最高进给速度与最低进给速度之比。在整个调速范围内，输出运动要有良好的稳定性。一般调速范围应大于1：10000，而且低速应该能够达到0.1r／min以下。对于一般的数控机床，其进给速度都在1mm/min～24000mm/min的范围之内，即调速范围为：1：24000。在这一调速范围内，要求速度均匀、稳定、低速时无爬行，还要求当速度为0mm/min时，伺服电机处于电磁锁住状态，以保持定定位精度不变。②位移精度高：即输出的位移有较高的精度，也就是实际位移与指令位移量之差要小。现代数控机床的位移精度一般为0.01～0.001mm,甚至可以高至0.1μm。③稳定性好：即负载特性要硬，当负载发生变化或承受外界干扰时，输出速度应基本不变，而且保持平稳均匀。当低速运动相加工时，应有足够的负载能力和过载能力。④动态响应快：即有高的灵敏度，达到最大稳态速度的时间要短，一般要求在200-100ms以内,有时甚至要求小于几十毫秒。动态响应的快慢，反映了系统跟踪精度的高低，直接影响了轮廓精度的高低和加工表面质量的好坏。出此之外，还要求静态、动态误差小，反向死区小，能频繁启、停和正反运动。3西华大学毕业设计说明书1.2设计任务本次毕业设计，笔者将完成如下设计任务：①建立数控机床进给系统数学模型，分析数控进给伺服系统的特性；②以数控直线的加工情况为基础，定性分析数控机床中进给增益匹配的作用；③定量分析数控机床中进给系统增益的匹配对运动（加工）轨迹精度的影响；④开发出基于PC的分析测试软件，要求该软件具有数据采集、误差分析、数据浏览、图形显示、结果分析等功能；⑤撰写符合相关要求的软件设计说明书、使用说明书和测试分析报告；⑥撰写毕业设计说明书。1.3总体方案本次设计总体方案由理论分析部分和软件测试部分组成，总体方案图如下图1.1所示：图1.2总设计方案图如图1.2所示，由理论分析部分和软件设计部分组成，笔者将在2章介绍理论部分，在3、4、5章将对软件部分进行介绍。总方案的实现思路如下：理论部分系统建模是特性分析的基础，笔者将选用常用的进给系统结构进行建模，然后对其进行传递函数的推动，从而进行特性分析，最后通过定性和定量两个方面就进给系统参数匹配对轮廓加工精度的影响进行分析。鉴于理论分析结果，为了提高其实际使用价值，并充分运用于实际生产过程中，笔者将在WindowsXP系统下基于VC++开发环境设计一套系统进给增益匹配测试软件，最后运用PC机接口电路采集的位移数据对该软件进行检测，从而见证测试软件的实用性。总方案具体实现细节请参看相关章节。4西华大学毕业设计说明书2数控进给伺服系统2.1数控进给伺服系统的结构原理2.1.1数控进给伺服系统的结构图2.1为采用全闭环控制的数控机床的进给伺服系统的结构图，目前大部分高速机床都采用与此类似的控制结构。图2.1数控机床的进给伺服系统的结构图此种闭环进给系统采用感应同步器作为位置检测装置，包括位置控制单元、位置检测单元和速度控制单元等部分。位置检测单元测得执行部件的实际位置AD，位置控制单元将位置指令AD与OD的差值D乘以增益常数Nk，经变换后，得到速度指令电压PU。将PU与测速发电机的反馈电压CU的差值D通过速度控制器乘以增益常数AK，得到伺服电机的电枢电压U，它控制电机旋转速度。指令位置OD与实际位置AD相等时，也就是位置偏差值D为0时，PU与U均为0，系统停止工作，执行部件到达指令所要求的位置。所以整个系统在偏差不为0时，始终处于不断凋整阶段，因此，增益系数在整个进给过程中,对系统快速到达指定位置起着至关重要的作用。本文将会针对进给系统增益系数匹配对加工精度的影响做进一步深入的分析，那么，首先让我们了解一下位置误差D的物理概念以及位置误差是如何产生的。2.1.2位置误差D深刻理解位置误差D的物理概念对数控进给系统性能分析至关重要，不妨假设系统获得一个恒速指令信号，下面就针对恒速进给时的位置误差D进行分析。如图2.2(a)所示，当进给系统获得恒速F进给的位置指令时，执行部件的实际速度并不能立即达到指令速度值F，而是从零逐渐上升到F值，以后就稳定在此速度值上运行。在Pt时，位置指令到达指令值PD，指令速度下降至零，但是执行感应同步器OD位置检测单元测速发电机交流伺服电机位置控制单元速度控制单元DUUPUNkNkNUND5西华大学毕业设计说明书部件的实际速度只能逐渐下降到零。将指令位移量，按脉冲当置换算成数字量，则以恒速F进给的指令位置的数字量值将按如图2.2(b)所示的指令位置直线（直线OP）变化，由零时刻的零位置到达Pt时刻的位置PD。因为实际速度是逐渐上升至F值的，所以按同一脉冲当量换算成数字量的实际位置值将按另一条曲线OP变化，实际位置总是滞后于指令位置。it时刻的瞬时位置指令值OiD与瞬时实际位置值AiD之间的差值D，称为该时刻的位置偏差。它由执行部件升速启动时的零值逐渐增大到某一稳态值，这一稳态值就是所谓的速度误差或随动误差，当执行部件减速并停止时，它由稳态值逐渐减小到零。图2.2位置误差D利用D再乘上Nk，并加上位置误差补偿S，可得速度指令值0v，再变换为速度指令电压PU。可见D越大，则PU就越大，伺服电机的速度就越高。而且控制启动与停止时的位置指令值OiD的大小，从而控制D变化的大小，就可以控制升降速的快慢，即升降速时间的长短。一般而言，D按照等差数列或指数曲线规律变化，可获得直线或指数规律的升降速。2.2进给伺服系统数学模型数控进给伺服系统，总是接受数控系统发出的位置与速度指令。驱动执行部件在一定切削参数下进行加工。从控制系统的角度来看，位置指令是系统的一个输入；与切削或使用条件有关的负载可以说是系统的干扰输入。执行机构的位置(角位移或直线位移)是系统的输出。进给系统的特性主要是系统的静态特性，以及在指令与负载作用下的动态特件。然而，我们在设计与分析进给系统的特性时，主要分析它的动态特性。从加工精度和加工能力方面来考虑，动态特性主要有两个方面：与输入指令有oxS(b)(a)结束6西华大学毕业设计说明书关的特性，即执行部件跟随位置指令的特性，这就是执行部件的定位精度或直线与轮廓进给的精度；另外，执行部件由于切削力等因素将产生静态或动态的变位，因而降低了加工精度甚至产生系统震荡。除此以外，还要求系统必须是稳定的。从指令信号、给定装置到伺服驱动装置，为构成进给系统的重要组成部分，称之为伺服驱动系统。另一部分是伺服驱动装置以后的机械传动机构。进给系统可以概括成如图2.3所示的结构。在设计和分析进给系统时，既要设计这两个部分并分析各自的特性，还要求这两部分合理匹配，从整体上综合系统的特性。图2.3进给系统结构图下面将以图2.3中所示的闭环系统为例，简要叙述动态特性方面的问题。2.2.1伺服驱动系统的数学模型图2.1所示为采用直流伺服电机驱动的全闭环控制的进给伺服系统的结构图。伺服驱动系统由位置控制器与速度控制器组成。位置指令OD与实际位置反馈值AD之差D＝OD-AD，经数模变换与放大后，变为速度指令电压PU，位置控制单元的作用是一个比例放大环节，它的传递函数为常数Nk，因此有PNNOAUkDkDD(2.1)速度指令电压PU与测速发电机的速度反馈信号[]MGGVdtUUkdt之差值为速度误差信号，经速度控制单元变换放大后，获得直流伺服电机的电枢控制电压U，速度控制单元同样是一个比例放大环节，比例系数Ak即为传递函数，它们的关系式为：[]MpVAdtUUkkdt(2.2)式中:Mt——直流伺服电机的角位移；输出伺服驱动系统机械传动机构输入检测装置7西华大学毕业设计说明书Vk——速度反馈环的增益系数。此处，位置控制器与速度控制器都是采用比例控制，这是现今实际使用的大多数进给伺服系统所采用的控制策略。在这两个控制器中，可以采用PI控制器、PID控制器，甚至其他的控制方案，当然其传递函数也要发生改变。2.2.2机械传动机构的数学模型以伺服电机的角位移Mt作为机械传动机构的输入，以执行部件的运动0Xt作为输出，所设计的机械传动机构是多种多样的。但是采用大惯量直流伺服电机时，可以将电机通过联轴器与滚珠丝杠直接相连，如图2.4(a)所示。如果因为结构的原因，或者要求放大力矩时，可以通过一对降速齿轮或齿链传动将电机与滚珠丝杠连接起来，如图(b)所示。图2.4进给机械传动机构图由于机械传动机构部分不是本文讨论的重点，所以笔者略去对于机械传动机构中各种参数（如转动惯量、刚度等）的等效折算。有了机械传动机构的等效动力学模型,便可推导出系统的动特性方程和传递函数。对于图2.4(a)所示的动力学模型，其转矩平衡方程为:mLLLLLMJBM弹性变形方程为：xoFcFcrmJ2，Z2M，J，θMJ1，Z1JSIII(