纵向、横向工作台的进给伺服系统设计

1、 毕 业 论 文论文题目：纵向、横向工作台的进给伺服系统设计学 校：专 业：姓 名： 指导老师： 完成设计时间： 目录摘要1第1章 绪论21.1 进给伺服系统的概述21.1.1进给伺服系统的组成21.1.2进给伺服系统的分类3 1.1.3 进给伺服系统的特点4 1.1.4进给伺服系统的要求41.2进给伺服系统的发展5 1.3课题研究意义与内容61.3.1课题研究的来源71.3.2课题研究的背景7 1.3.3课题研究的内容7第2章交流进给伺服系统的构成概述8 2.1驱动装置-永磁同步电动机8 2.1.1永磁同步伺服电动机的组成结构8 2.2传动装置-滚珠丝杠副82.2.1滚珠丝杠副的结构及工作原

2、理8 2.2.2滚珠丝杠副的特点82.2.3滚珠丝杠副的参数及精度92.2.4滚珠丝杠副的安装方式102.3运动装置-工作台导轨10 2.4检测装置-莫尔条纹式光栅112.4.1光栅的应用组成11第3章交流进给伺服系统设计与建模123.1 PMSM伺服系统设计与建模12 3.1.1 PMSM伺服系统电流环设计12第4章交流伺服系统参数整定与仿真144.1 PMSM进给伺服系统主要部件的选型14 4.1.1 直线运动单元的选型14 4.1.2 位置检测元件的选型14第5章交流进给伺服系统的智能控制165.1模糊自适应PID控制165.2混合型模糊PID控制165.3三种PID控制的比较17第6章

3、结论与展望18致 谢19参考文献 纵向、横向工作台的进给伺服系统设计 摘 要 数控车床是工程机械的重要设备之一,它综合了机械、电子、自动控制、精密检测等高科技术。随着社会的多样化需求及相关技术的不断进步,数控车床正向着高精度、高速度的领域发展。其中,进给伺服系统作为数控装置和车床机械传动部件间的联系环节,其动态性能和静态性能决定了数控车床刀塔的运动速度、定位精度及工作可靠性等技术指标。所以,研究与提高伺服系统的技术性能及可靠性,是实现高精密数控车床的关键技术,对于数控车床具有重大现实意义。本课题内容为精密数控车床的刀塔进给伺服系统设计,主要做了以下几方面的研究工作:(1)在分析刀塔进给伺服系统

4、和电力拖动自动控制工作特点的基础上,采用了全闭环位置伺服控制的设计方案对精密数控车床刀塔进给伺服系统进行控制。(2)对PMSM进给伺服系统的驱动、调速、机械传动和进给环节进行了设计建模。(3)为PMSM进给伺服系统的主要部件进行了实际选型。(4)对PMSM进给伺服系统进行了参数整定,对系统进行Simulink仿真,并从时域、频域两方面对系统的性能指标进行了分析。(5)采用模糊自适应PID、混合型模糊-PID及传统PID三种控制策略分别对PMSM进给伺服系统进行智能控制,并对三种控制策略下的性能进行了比较分析。研究结果表明,PMSM进给伺服系统能够满足精密数控车床刀塔的进给要求。而且三环结构可使

5、进给系统的定位精度大大提高;其中全闭环控制有效地减少了机械传动部分给系统带来的误差。关键字:精密数控;进给伺服系统;PMSM;三环控制;模糊控制第1章 绪论 1.1进给伺服系统的概述 数控伺服系统是以机床移动部件的位移和速度为控制对象的自动控制系统,它的作用是接受数控系统发出的进给速度和位置指令信号,经转换放大后,由伺服驱动装置和机械传动机构驱动机床的工作台实现进给运动.伺服系统是数控机床的重要组成部分,包括主运动伺服系统和进给伺服系统,进给伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的加工精度与质量。 伺服(Servo)词来源于拉丁语,其意味着“伺侯”和“服从”,所谓伺服系统(Servo-Sys

6、tem),广义上是指用来控制被控对象的某种状态或某个过程,使其输出量能自动地、连续地、精确地复现或跟踪输入量的变化规律。其控制行为的主要特性表现为输出“服从”输入,输出“跟随”输入(为此伺服系统也叫做随动系统)。从狭义上而言,对于被控量(输出量)是负载机械空间位置的线性位移或角位移,当位置给定量(输入量)做任意变化时,使其控制量(输出量)快速、准确地复现给定量的变化。在机械制造行业中,各种机械运动部分的运动轨迹控制、位置控制等,都是依靠各种伺服系统控制的,尤其是能依靠多套位置伺服系统的配合,完成复杂的空间曲线运动的控制,如数控机床的进给控制、机器人手臂关节的运动控制等。 进给伺服系统用于解决工

7、业生产及其他部门中各种复杂的定位控制及目标跟踪控制问题,是运动控制领域中的一个重要分支。1.1.1进给伺服系统的组成 伺服系统由被控对象、执行机构、伺服驱动装置、控制器和传感器等五大部分组成。 (1)伺服系统的执行机构 伺服系统的执行元件有电气的、液压的、气压的。其中伺服电动机是电气的。在小功率伺服系统中多用永磁式伺服电动机,如直流伺服电动机、直流无刷伺服电动机、永磁交流伺服电动机。在大功率或较大功率情况下也可釆用电励的直流或交流伺服电动机。此外,还有特殊伺服电动机,如步进伺服电动机、磁阻式伺服电动机、力矩伺服电动机、直线伺服电动机等。 (2)伺服系统的驱动器 伺服驱动器主要起功率放大的作用,

8、根据不同的伺服电机,输出适合的电压和频率(对于交流伺服电机),控制伺服电机的转矩和转速,满足伺服系统的要求。由于伺服电动机需要四象限运行,故伺服驱动器必须是可逆的,中、小功率的伺服系统,常用IGBT或Power-MOSFET构成的PWM电力电子功率变换器。 (3)伺服系统的控制器 伺服控制器是伺服系统的核心部件,由它实现伺服系统的控制规律,控制器应根据偏差信号,经过必要的控制算法,产生驱动器的控制信号。 (4)伺服系统的传感器 精确而可靠地发出给定信号并检测被控对象的实际位置、速度、电流是伺服系统工作良好的基本保证。传感器将具体的直线、转角或转速转换成模拟的或数字的电量,再通过信号处理电路或相

9、应的算法,形成与控制器输入量相匹配的信号,然后根据偏差信号实施控制,最终消除偏差。1.1.2进给伺服系统的分类 (1)按执行元件分类 按执行元件的物理性质不同可分为:电气伺服系统、液压伺服系统、电液伺服系统、气压伺服系统。本课题主要设计的是电气伺服控制系统,故重点介绍电气伺服系统。其中电气伺服系统按所使用的电动机类型又可分为以下几种。 (a)步进伺服系统 步进伺服系统又称开环位置伺服系统,其执行元件为步进电动机。步进电动机控制系统的结构最简单、控制最容易、维修最方便。其为全数字化(即数字化的输入指令脉冲对应着数字化的输出)控制,符合数字化控制技术的要求。数控系统与步进电动机的驱动控制电路结合为

10、一体。随着计算机技术的发展,除功率驱动电路之外,其他硬件电路均可由软件实现,从而简化了系统的结构,降低了成本,提高了伺服系统的可靠性。 (b)直流伺服系统 直流伺服系统常用的伺服电动机有小惯性直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机(也称为大惯量宽调速直流伺服电动机)。小惯量伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量,所以能获得最好的快速性,在早期的数控车床上应用较多,现在也有应用。小惯量伺服电动机一般都设计成具有较高的额定转速和较低的惯量,所以应用时要经过中间机械传动(如减速器)才能与丝杠相连接。目前,许多数控车床上仍使用这种电动机的直流伺服系统。永磁直流伺服电动机的缺点是有电刷,限制了转速的提高,

11、而且结构复杂、价格较贵。 (C)交流伺服系统 交流进给伺服系统使用永磁同步伺服电动机。由于直流伺服电动机存在着有电刷等一些固有缺点,其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点,且转子惯量较直流电动机小,使其动态响应好。另外,在同样体积下,交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10%至70%。同时交流电动机的容量可以比直流电动机造的大,达到更高的电压和转速。因此,交流伺服系统得到了迅速发展,已经形成伺服系统的主流。从20世纪80年代后期开始,大量使用交流伺服系统,有些国家的厂家己全部使用了交流伺服系统。1.1.3进给伺服系统的特点 (1)精确的检测装置,以组成电流、速度和位置闭环控制。 (2

12、)有多种反馈比较原理与方法。根据检测装置实现信息反馈的原理不同,伺服系统反馈的比较的方法也不相同。目前常用的是脉冲比较、相位比较和幅值比较三种。 (3)高性能伺服电动机。用于高效和复杂型面加工的数控机床,由于伺服系统经常处于频繁地启动和制动过程中,因此要求电动机的输出力矩与转动惯量的比值要大,以产生足够大的加速或制动力矩。并且伺服电动机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳,以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节。 (4)宽调速范围的速度调节系统。从系统的控制结构看,数控机床的位置闭环可以看作是位置调节为外环、速度和电流调节为内环的闭环自动控制系统,其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成

13、相应的速度给定信号,再通过调速系统驱动伺服电动机,实现实际位移。数控机床的主轴运动要求调速性能也比较高,因此要求伺服系统为高性能的宽调速。1.1.4进给伺服系统的要求 理想情况下,伺服控制系统的被控量和给定值任何时候都应该相等,完全没有误差,而且不受干扰的影响。然而在实际系统中,由于机械部分质量、惯量的存在以及电路中电感、电容的存在和能源功率的限制,运动部件的加速度不会很大,速度和位移不会瞬间变化,而要经历一段时间。通常把系统受到外加信号(给定值或干扰)作用后,被控量随时间变化的全过程称为系统的动态过程,则系统的控制性能的优劣,可以从动态过程中较充分地显示出来。 本课题主要研究应用在数控车床上

14、的伺服系统。故主要介绍针对数控机床伺服控制系统的技术要求。其中数控车床加工机械零件的基本要求是:保证点位控制的定位精度和重复精度,连续控制的轮廓切削精度,加工表面达到要求的表面粗糙度,合适的快速移动和加工进给速度,以及在运动速度和工作负载范围内稳定可靠地工作。归纳起来,对数控车床伺服系统有以下几项要求。 (1)工作精度 数控车床的工作精度包括定位精度和综合加工精度两项指标。定位精度是指工作台、刀架或主轴由某点移到另一点时,指令值与实际移动距离的最大差值。综合加工精度是指最后加工出来的工件尺寸与所要求的尺寸的误差。车床精度,尤其是伺服传动机构和伺服执行机构的精度是影响伺服系统工作精度的主要因素。

15、 (2)调速性能 伺服系统在全部负载工作情况下,应具有很宽的调速范围,以适应工件材料、尺寸和刀具变化的需要。为了保证精度定位,伺服系统的低速趋近为0.1 m/min;为了缩短辅助时间,快速移动速度可高达15 m/min。如此宽的调速范围是伺服系统设计中的难题。 (3)负载能力 车床工作负载主要包括在加工条件下工作进给必须克服的切削力,执行元件、执行机构和传动机构运动时需要克服的摩擦力及各构件加减速运动时的惯性力。这些负载在调速范围内和调速过程中是变化的,伺服系统必须适用外加载荷的变化。负载变化对系统输出位移的影响程度,标志系统的伺服刚度,是伺服系统的一项重要指标。 (4)响应速度 响应速度的大

16、小不仅影响机床的加工效率,而且影响加工精度。标志响应速度的参数是系统时域阶跃响应下的时间常数,他反映速度变化的快慢,即加减速的能力。一般来说,系统增益大,时间常数小,响应就快。但增大系统增益将增大超调量,延长调节时间,使过渡过程性能指数下降,甚至造成系统不稳定。若减小系统增益,又会增加稳态误差。所以应适当选择系统增益,以便获得合理的响应速度。 (5)稳定性 稳定性是伺服系统能否正常工作的前提,特别要求数控车床在低速进给情况下不产生爬行,并能适应负载变化不产生共振。稳定性与系统的惯性、刚性、阻尼及增益等有关,应适当选择各项参数,以达到最佳工作稳定性。对数控车床伺服系统,影响车床加工过程稳定性的主

17、要因素是伺服系统稳定性,而伺服系统的增益和伺服刚度是评价影响稳态特性的两个重要参数。1.2进给伺服系统的发展 进给伺服系统的技术进步在很大程度上取决于伺服驱动元件的发展水平。随着数控技术的演变和发展,进给伺服系统的驱动元件大致经历了三个阶段。 (1) 20世纪60年代以前。这是电液伺服和步进电动机伺服系统的全盛时期。电液驱动具有惯性小、反应灵敏、刚性好等特点,早期的数控车床大多采用电液伺服系统。但是电液驱动设备复杂、效率低、发热大、噪音大、维护困难。步进电动机开环伺服系统,具有结构简单、价格低廉、使用维修方便的优点,在当时被大力推广,至今仍在经济型数控车床中使用。 (2)20世纪60-70年代

18、。功率晶体管和晶体管脉宽调制(PWM)驱动装置的出现,加速了直流pcM伺服系统性能的提高和推广,直流伺服逐渐占据主导地位。小惯量直流伺服电动机具有电抠回路时间常数小、调速范围宽、转向特性好的特点,在一部分需要频繁启动和快速定位的机床(如钻床、冲床等)上迅速推广。大惯量宽调速直流伺服电动机,由于输出扭矩大,过载能力强,电动机惯性与机床传动部件的惯性相当,可直接带动丝杠,易于控制与调整,在数控车床上得到广泛应用。直流伺服系统的缺点是结构复杂,价格昂贵,电刷对防油、防尘要严格,易磨损,需要定期维护。 (3) 20世纪80年代以后。由于交流(AC)伺服电动机的材料、结构、控制理论及方法都有了突破性的进

19、展,使交流伺服系统得到很快发展,并有逐渐取代直流伺服系统之势。交流伺服系统最大的优点是电动机结构简单、不需要维护,适合在较恶劣的环境中使用。 交流伺服系统主要有模拟式、混合式和全数字式三大类。模拟交流伺服系统用途单一,功能扩展性不好,但价格便宜。混合式交流伺服系统功能强,各种监控参数均以数字方式设定,全部伺服的控制模型和动态补偿均由通用高速微处理器及其控制软件进行处理,采样周期只有零点几毫秒,有的系统还自带三环(电流一速度一位置),使用方便,价格适中,是当前实际应用最多的系统。 全数字式交流伺服系统是随开放式数控系统一起发展起来的一种新型伺服系统,它的特点是通过增强软件功能,将专用硬件改为通用

20、硬件,各种控制方式和不同规格、功率的伺服电动机的监控程序(数据),分别赋以软件代码全部存入机内,厂商或用户只需设定其软件代码和相关数据即可使用,通用性好,自检能力强,控制与调试极为方便。同时由于通用硬件的釆用,易于降低系统的生产成本。 当今,交流伺服系统已实现了全数字化,即在伺服系统中,除了驱动级外,电流环、速度环和位置环全部数字化。全部伺服的控制模型、数控功能、静动态补偿、前馈控制、最优控制、自学习功能等均由微处理器及其控制软件高速实时地实现。其性能更加优越,已达到和超过直流伺服系统,是高精密伺服控制领域应用最为广泛的形式。1.3课题研究意义与内容1.3.1课题研究的来源 本课题属国家十一五

21、机床重大专项。1.3.2课题研究的背景 数控车床综合了当今世界上许多领域最新的技术成果,主要包括精密机械、计算机及信息处理、自动控制及伺服驱动、精密检测及传感、网络通信等技术。数控车床制造业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力的基础产业,其技术水平的高低和拥有量的多少是衡量一个国家工业化的重要标志。近些年来,数控车床被广泛的应用于我国的制造业,在国内工业发达的地区已经得到普及。随着社会的多样化需求及其相关技术的不断进步,数控车床也向着更广的领域和更深的层次发展。 高精数控技术是先进制造技术的重要内容之一,各国对高速高精数控技术都极为重视,国际生产工程学会(CIRP)将其确定为21世纪的研究方

22、向。伺服驱动的进给伺服系统是数控装置和车床机械传动部件间的联系环节,是数控车床的重要组成部分。其控制精度是保证数控系统加工精度的关键。它包括机械、电子、电动机等各种部件。并涉及到强电与弱电控制,是一个复杂的控制系统。而伺服系统的动态和静态性能决定了数控车床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标。数控车床的故障也主要出现在伺服系统上。所以,提高伺服系统的技术性能和可靠性,对于数控机床具有重大意义,研究与 发高性能的伺服系统一直是现代数控车床的关键技术之一 。1.3.3课题研究的内容 (1)确定精密数控车床刀塔进给伺服系统的控制方案。 (2)对PMSM进给伺服系

23、统的驱动、调速、机械和进给环节进行设计建模。 (3)为PMSM进给伺服系统主要部件进行实际选型。 (4)对PMSM进给伺服系统进行参数整定,对系统进行Simulink仿真,从时域、频域两方面对系统的性能指标进行分析。 (5)对PMSM进给伺服系统进行智能控制,并对模糊自适应PID、混合型模糊-PID及传统PID三种控制策略进行比较分析。第2章交流进给伺服系统的构成概述 交流进给伺服系统广泛应用于各种精密的机械加工设备,尤其在数控系统中得到了广泛应用。目前,在数控车床、工业机器人等小功率应用场合,采用数字控制的稀土永磁正弦波伺服电动机(PMSM)为控制对象的全数字交流伺服系统正逐渐取代以直流伺服

24、电动机为控制对象的直流伺服系统,这是由于永磁同步电动机能满足进给伺服系统的高精度要求,特别适合于低转速和负载不断冲击的场合。因此基于PMSM进给伺服系统的模型建立及其性能的分析,成为提高数控系统加工精度的必要条件,同时也为具体的加工过程提供了理论基础。2.1驱动装置一永磁同步电动机2.1.1永磁同步伺服电动机的组成结构永磁同步伺服电动机由定子和转子两大部分组成。转子上装有特殊形状的永磁体,用来产生恒定磁场。转子上的永磁材料可以采用铁氧体或稀土永磁材料。高性能而价格适宜的永磁材料为提高电动机的伺服性能和实用化提供了条件。由于转子上没有励磁绕组,由永磁体产生磁场,因而不需要引入励磁电流,电动机内部

25、的发热只取决于电枢电流。在电动机的定子铁芯上绕有三相电枢绕组,接在可控制的变频电源上。与其他形式的同步伺服电动机相比,它出力大、体积小、耗电少、结构简单、可靠,是同步伺服电动机中最主要的品种,目前,功率从几瓦到几百瓦,甚至可达几千瓦,并在各种自动控制系统中得到广泛的应用。2.2传动装置一滚珠丝杆副2.2.1滚珠丝杠副的结构及工作原理 滚珠丝杠副是回转运动和直线运动相互转换的新型理想动装置。它的结构特点是具有螺旋槽的丝杜螺母间装有滚珠作为中间传动件,以减少摩擦。滚珠丝杠副的工作原理是:在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽,当把它们套装在一起时形成螺旋通道,并且滚道流动,减少摩擦阻力,滚珠在丝杠上滚过数

26、圈后,通过回程引导装置,逐个滚回到丝杠和螺母之间,构成一个闭合的回路管道。2.2.2滚珠丝杠副的特点 在传动时,滚珠与丝杠、螺母之间基本上是滚动摩擦,所以具有很多优、缺点: (1)传动效率高。滚珠丝杠副传动效率很高达92%至98%,是普通丝杠传动2至4倍。(2)摩擦力小。因为滚珠滚动时的动、静摩擦系数相差小,因而传动灵敏,运动平稳、低速运动不易产生爬行,随动精度和定位精度高。(3)使用寿命长。滚珠丝杠副采用优质合金钢制成,其滚道表面经萍火热处理后硬度高达HRC6062,表面粗糙度值小,另外,因为是滚动摩擦,故磨损很小。 (4)刚度高。滚珠丝杠副经预紧后可以消除轴向间隙,提高系统的刚度。 (5)

27、运动精度高。由于反向运动时无空行程,可以提高轴向运动精度。 (6)制造成本高。滚珠丝杠对自身的加工精度和装配精度要求严格,其制造成本大大高于普通丝杠。 (7)不能实现自锁。由于其摩擦系数小不能自锁,当其作用于垂直位置时,为防止因突然停电而造成箱体自动下滑,必须加有制动装置。 综合滚珠丝杠副具有这些特点,数控机床的进给系统普遍采用滚珠丝杠。2.2.3滚珠丝杠副的参数及精度 滚珠丝杠副的参数有: (1)名义直径:滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径,它是滚珠丝杆副的特征尺寸。 (2)导程:丝杆相对于螺母旋转任意弧度时,螺母上基准点的轴向位移。 (3)基本导程:丝杠相对于螺母旋转2

28、;r弧度时,螺母上基准点的轴向位移。(4)接触角:在螺纹滚道法向剖面内,滚珠球心与滚道接触点的连线和螺纹轴线的垂直线间的夹角,理想接触角等于45度。 此外还用螺纹大径、丝杆螺纹小径、螺纹全长、滚珠直径、螺母螺纹大径、螺母螺纹小径、滚道圆弧偏心距以及滚道圆弧半径等。 其中,导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。精度要求高的,应将导程取小些,这样在一定的轴向力作用下,丝打?上的摩擦阻力较小。为了使滚珠丝奸副具有一定的承载能力,滚珠直径不能太小。导程取小了,就势必将滚珠直径取小,滚珠丝杆副的承载能力亦随之减小。若丝杆副的名义直径不变,导程小,则螺旋升角也小,传动效率也变小。因此导程的数值在满足机

29、床加工精度的条件下,应尽可能取大些。 滚珠丝杠副的精度等级为1-10级精度,代号分别为1-10。其中1级为最高,依次逐级降低。 滚珠丝杠副的精度包括元件的精度和装配后的综合精度,其中包括导程误差、丝杆大径对螺纹轴线的径向圆跳动、丝杆和螺母表面粗糙度、有预加载荷时螺母安装端面对丝杆螺纹轴线的圆有预加载荷时螺母安装直径对丝杆螺纹轴线的径向圆跳动以及滚珠丝朴名义直径尺寸变动量等。 在开环数控机床和其他精密机床中,滚珠丝杆的精度直接影响定位精度和随动精度。对于闭环系统的数控机床,丝奸的制造误差使得它在工作时负载分布不均勾,从而降低承载能力和接触刚度,并使预紧力和驱动力矩不稳定。因此,传动精度始终是滚珠

30、丝杆最重要的质量指标。2.2.4滚珠丝杠副的安装方式 螺母座、丝杠的轴承及其支架等刚性不足,将严重地影响滚珠丝杠副的传动刚度。因此,螺母座应有加强助,以减少受力后的变形,螺母座与床身的接触面积宜大,其连接螺钉的刚度也应高,定位销要紧密配合,不能松动。 滚珠丝杠常用推力轴承支承,以提高轴向刚度(当滚珠丝杜的轴向负载很小时,也可用深沟球轴承支承),滚珠丝杜的支承方式有以下几种: (1)一端装推力轴承。这种安装方式只适用于短丝杆,它的承载能力小、轴向刚度低,一般用于数控机床的调节环节或升降台式数控机床的立向(垂直)坐标中。 (2)端装推力轴承,另一端装深沟球轴承。当滚珠丝杆较长时,一端装推力轴承固定

31、外,另一自由端装深沟球轴承。应将推力轴承远离液压马达热源及丝杠上的常用段,以减少丝杆热变形的影响。 (3)两端装推力轴承。把推力轴承装在滚珠丝杆的两端,并施加预紧拉力,这样有助于提高刚度,但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感。 (4)两端装推力轴承及深沟球轴承。为使丝杆具有较大刚度,他的两端可用双重支承,即推力轴承加深沟球轴承,并使丝奸具有较大刚度,方式可使丝杆的温度变形转化为推力轴承的预紧力,但设计时要求提高推力轴承的承载能力和支架刚度。2.3运动装置一工作台导轨 工作台导轨对数控机床的精度有很大影响。导轨的制造误差直接影响工作台运动的几何精度。导轨的摩擦特性影响工作台的定位精度和低速进给的

32、均匀性。导轨的材料和热处理影响工作精度的保持性。按机床调节技术的要求,希望工作台导轨要刚度大、摩擦小和阻尼性能好。 在数控机床中主要使用三种类型的导轨:滑动导轨、滚柱导轨和静压导轨。 对于滑动导轨,如果丝杠工作中系统总刚度增加,则会使阻尼比得到显著提高。对滚柱导轨,只有当润滑剂是带有极化添加物的润滑剂时,系统刚度的增加才会使阻尼比增加,否则阻尼和刚度之间没有依赖关系。对于静压导轨,影响阻尼性能的因素只有粘性摩擦和系统刚度。靠改变液体粘性來影响阻尼式有限的,应确保丝杠工作台系统具有很好的刚度值。2.4检测装置一莫尔条纹式光栅 位置检测元件是半闭环和闭环控制伺服系统的重要组成部分。实践证明,一个设

33、计完善的闭环控制系统,其定位精度和加工精度主要取决于位置检测元件的性能。2.4.1光栅的应用组成 光栅是利用光的反射、投射和干涉现象制成的一种光电检测装置,有物理光栅和计量光栅。物理光栅刻线较细密,两刻线之间距离(栅距)在0.002 mm至0.005 mm之间,通常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅刻线较粗,栅距在0.004 mm至0.025 mm之间,在数字检测系统中,通常用于高精度位移的检测,是数控系统中应用较多的一种检测装置,尤其是在闭环伺服系统中。 光栅位置检测装置由光源、长光栅(标尺光栅)、短光栅(指示光栅)和光电元件组成。第3章交流进给伺服系统设计与建模 由于交流位置伺服电机的

34、数学模型具有非线性、强稱合的性质,仅采用单环闭环位置控制方式难以达到位置伺服系统的动态要求。通常交流位置伺服系统都是建立在高性能(矢量控制、直接转矩控制)交流调速系统之上的,即在高性能交流调速系统的基础上再设置一个位置闭环,就形成了电流、速度、位置三环控制系统。3.1 PMSM伺服系统调速环节设计建模 PMSM位置伺服控制系统是由电流环、速度环及位置环构成的三环调节系统。以电流环和速度环为内环,位置环为外环的三环结构可以使伺服系统获得较好的动态跟随性能和抗干扰性能。其中,电流环的作用是改造内环控制对象的传递函数,提高系统的快速性,及时抑制电流环内部的干扰。限制最大电流,使系统有足够大的加速扭矩

35、,并保障系统安全运行;速度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力,抑制速度的波动;位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪性能,使整个伺服进给系统能稳定、高性能的运行。 伺服运动调速环节设计的原则是:由内环向外环,一环一环地设计。对双闭环的系统来说,先内环,即从电流环开始,根据电流环的要求,选择它属于哪种典型系统,依调节对象选调节器及其参数。然后将电流闭环等效成一个小惯性环节,使它成为外环(速度环)的一个环节。再用同样方法做外环(速度环)的设计。也是将速度环校正成典型系统,选调节器及计算其参数。3.1.1 PMSM伺服系统电流环设计 各环节性能的最优化是整个伺服系统高性能的基础,而外环性能的发挥依

36、赖于系统内环的优化。尤其是电流环是高性能PMSM位置伺服系统构成的根本,其动态响应特征直接关系到矢量控制策略的实现,也直接影响整个系统的动态性能。系统中必须有快速的电流环以保证定、转子电流对矢量控制指令的准确跟踪,这样才能在电动机模型中将定、转子电压方程略去,或仅用小惯量环节替代,达到矢量控制的目的。因而电流环的动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现,研究同步电动机控制系统必须涉及电流环的研究。 (1)电流环的控制对象为PWM逆变器和PMSM的电枢回路。PWM逆变器一般可以看成具有时间常数T和控制增益K的一阶惯性环节。 (2)PMSM位置伺服控制系统对反馈电流测量器材的精度和相应速度有较高的

37、要求。这是因为电流控制的性能和电流检测器件的性能有着密切的关系,高性能的转矩控制必然要求有快响应、低漂移的电流反馈检测器件。通常,在交流伺服控制系统中采用零磁平衡式的霍尔效应电流传感器作为电流检测器件。零磁平衡式霍尔效应电流传感器在一定的电流范围内具有良好的线性度。因此,可将由霍尔电流传感器构成的电流检测环节当作比例环节处理,其传递函数用Kf表示。 (3)釆用PID电流调节器。由于电流反馈信号中含有较多的谐波分量,这些谐波分量容易引起系统振荡,因此电流反馈信号都要经过滤波。电流反馈滤波环节可以视为时间常数为T的一阶惯性环节。 但电流反馈滤波器对反馈信号起延迟作用,为了补偿滤波环节对电流惯性的影

38、响,在电流给定的输入端设置了给定信号滤波器,且电流给定的滤波时间常数和反馈滤波时间常数相等。它可以让给定信号与反馈信号经过相同的时间延迟,使二者在时间上得到匹配。第4章交流伺服系统参数整定与仿真4.1 PMSM进给伺服系统主要部件的选型4.1.1直线运动单元的选型 现今绝大多数数控机床证在使用中的精密工作台都使用滚动元件(球或滚柱)线性支承。这些元件分为两个主要的类型:往复循环支撑(方轨和圆轨),它们可能有非常长的运行距离,和做往复循环(球和杆及滚柱),它们提供非常平稳的平移。本课题的运行距离较大,故主要讨论PARCK的往复循环支撑类型的直线运动单元。 (1)方轨直线工作台 方型导轨是往复循环

39、式滚珠支撑,设计用来在一个精密的直线路径上移动重负载。直线导向包有几排往复循环的球支撑,坐落于一个方轨或矩形钢轨上。轨道横断面使支滚道能在轨道侧面内研磨而成。这些支撑滚道做成同滚球支撑半径大约相同的弧形。这样增加滚珠和轨道之间的接触表面,从而增加直线支撑的负载能力。这种支撑的行程只受可以提供的基座、轨道长度和驱动机构的限制。这种工作台由精密研磨的滚珠螺杆驱动,参考性能同直线支撑匹配,使定位精度及负载/寿命性能都达到最优化。 方轨工作台的关键特性是强度高、行程范围长、精密度高。 (2)圆轨支承是一种往复循环式直线支承系统。包括两根大直径的研磨的钢杆,滚珠球形衬套装在这两根钢杆上,这种衬套,内有几

40、排往复循环式滚珠支承,以支撑运动的台架允许非常长的运行行程,球形衬套提供摩擦力低的、很好的负载能力。由于这种驱动具有摩擦低、速度高、行程距离长和成本低的特性,非常适合应用于采用双圆轨支承系统的工作台。 结合本课题刀塔进给伺服系统强度高、行程范围长、精密度高等特点,故选取方轨直线工作台。4.1.2位置检测元件的选型 位置的检测环节,是进给系统中最关键的环节,是依照具体条件和精度要求选用各种形式的位置检测元件。 对检测元件的技术要求: (1)精度高,不灵敏区小,即分辨率要高,误差应比整个伺服系统允许误差要小。 (2 )被检测量与输出信号间在给定工作范围内应具有线性比例关系。 (3)电输出信号不受温

41、度、老化、大气变化、电网电压波动及电磁干扰等因素短时或长时间扰动影响,即要求输出信号所含扰动成分少。 (4)输出信号应能在所要求的频带内准确地复出被测量,尽量避免储能元件造成动态滞后。 (5)机电检测元件自身的转动惯量要小,摩擦力或力矩要小。 (6)检测元件输出的功率应足够大,以便不失真地传递信号和作进一步信号处理。 (7)应兼顾可靠性、经济件、信用寿命、环保条件、体积、质量等方面要求。第5章交流进给伺服系统的智能控制 智能控制是自动控制发展的最新阶段,主要用于解决传统控制难以解决的复杂系统的控制问题。所谓的智能控制,即设计一个控制器(或系统,使之具有学习、抽象、推理、决策等功能,并根据环境(

42、包括被控对象或被控过程)信息的变化做出适应性反应,从而实现由人来完成的任务。 在工程实践中,人们发现,一个复杂的控制系统可由一个操作人员凭着丰富的实践经验得到满意的控制效果。这说明,如果通过模拟人脑的思维方法设计控制器,可实现复杂系统的控制,由此产生了一种反应人类智慧的智能控制一模糊控制。模糊控制自从1965年被Zadeh提出以来,广泛应用于温度控制、核能技术、家电产品、炼钢、地铁等方面,国外己经将模糊控制运用于机床上。 传统的PID控制主要是控制具有确定模型的线性过程,在实际中,伺服系统运行情况复杂,具有参数时变性和模型不确定性,而且进给系统动态特性的模型建立涉及到摩擦特性,扰动扭矩的因素,

43、尤其是机械系统的阻尼、刚度惯量等参数,尚不能可靠地获得较好的PID参数。因此,采用并发展先进的控制技术,不断改善与提高位置伺服系统的稳态精度、动态响应特性及对系统参数变化的自适应性和抗干扰性是一个当今实际研究的必然趋势。5.1模糊自适应PID控制 复杂系统通常难以建立数学模型,或者数学模型随时间、外界条件变化而变化,传统的比例-积分-微分控制及现代控制理论控制效果较差。但是比例-积分-微分控制是闭环系统控制的理论基础,在控制量变化的不同阶段,采用不同的PID控制可实现复杂系统的简单控制。模糊-PID控制通过分析偏差及偏差变化率,在线调整PID控制的比例系数、积分系数和微分系数,实现复杂系统的模

44、糊自适应PID控制。5.2混合型模糊-PID控制 单纯的模糊控制不甚理想,可以将模糊控制和PID控制结合起来形成混合型模糊-WD控制以达到改善系统的控制效果。其基本控制思想'是在大偏差范围内采用模糊控制,在小偏差范围内转化成PID控制,两者的转换由事先给定的偏差范围自动实现。其中控制器中PID控制器的主要作用在于消除稳态误差,改善稳态性能;而模糊控制器的作用主要在于提高相应的快速性,获得优良的动态特性和较好的鲁棒性。 5.3三种PID控制的比较 由三种PID控制仿真所得的时域性能性能比较可知: (1)采用传统PID控制,上升时间较长,过程中无超调。 (2)采用模糊自适应PID控制,对优

45、化结构的影响不大,但上升时间比传统PID控制有所减少,过程中无超调。 (3)采用混合型模糊-PID控制,上升时间和调节时间均有所缩短,得到了较好的优化仿真效果,过程中无超调。 由此可以看出混合型模糊-PID控制仿真效果最好,传统PID控制仿真效果较差。但是此三种PID控制都是建立在仿真相对理想的环境中得出的效果图,实际应用中影响效果曲线的因素有很多,每种控制影响的程度也不完全相同,进而实际应用中可能得出不同的控制效果。第6章结论与展望 三环控制是进给伺服系统的核心环节。本文结论主要有以下几点: (1)三环控制全闭环伺服进给系统能够满足精密数控车床刀塔的进给要求。而且三环结构可使进给系统的定位精

46、度大大提高,其中全闭环控制有效的减少了机械传动部分给系统带来的误差。 (2)在此控制系统中由于存在积分作用的环节(PI调节器),在电流环和速度环的输出中出现了超调现象。其仿真结果与理论设计具有一定的差距。结合实际情况来分析,可知出现超调的原因是由于在调速环节设计时考虑了理论分析,对系统进行了简化处理。这里的简化主要是将非线性问题做线性化处理。 (3)在采用Simulink仿真软件对该进给伺服系统进行数值模拟的基础上,通过对系统的三种PID控制结果进行比较可知:混合型模糊-PID控制仿真效果最好,传统PID控制仿真效果较差;而且三种控制均满足了了该刀塔进给伺服系统不应有超调量的预期要求。 (4)

47、如果在实际装置上再对系统进行实际调试,可能实际调试结果与仿真结果之间还将有一些差距。这些差距主要是由仿真所用系统模型的不准确及系统模型参数本身的不确定性所造成的。 虽然本文对刀塔进给伺服系统进行了研究,得到了一些可供实际工作参考的结论,但仍有许多工作有待于进一步完善。 (1)要实现高精度进给控制,不但需要较高精度的控制系统和机械传动系统,更重要的要有高精密的检测装置,才能使伺服系统的控制精度得以在mm级甚至级。所以实现高精密实际项目时对部件的要求要高。而且在有负载情况下的进给伺服系统的精度分析需做进一步的研究。(2)在设计调速环节时,PI调节器的整定是按照“工程最优参数”来计算的,而在实际应用中的参数又要进行大范围调整,才能得到较好的系统性能指标。而加入模糊控制后,使控制系统设计更加复杂。因此有必要优化智能控制,进而实现仿真与实际的无缝对接。致 谢经过近十个周的工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个工科类本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的指导老师。他平日里工作繁多，但在我做毕业设计的