10伺服进给系统的动态响应稳定性及精度

1、10.伺服进给系统的动态响应、稳定性及精度10.1 动态性能指标动态是指控制系统在输入作用下从一个稳态向新的稳态转变的过渡过程。 伺 服系统在跟踪加工的连续控制过程中， 几乎始终处于动态的过程之中。在时域方 面，动态性能指标分为对给定输入的跟随性能和对扰动输入的抗扰性能两部分。10.1.1 对给定输入的踉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，来评价其动态性能的好坏。图101为输入R和输出C的过程曲线。 依据动态过程曲线，常用的性能指标如下。10-1动态跟随过程曲线(1)飞升时间tr , t也称为上升时间，是输出响应曲线第一次上升到稳态值 C()所需要

2、的时间。(2)调节时间ts输出响应C与稳态值C()的差值小于等于稳态值的土 2%或土 5%,且不再超出所需要的时间。(3)超调量Mp设系统输出响应在tp时刻达到最大值，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，即C tp CM 0 100%p CC(101)(4)振荡次数N N为响应曲线在ts时刻之前发生振荡的次数。以上指标中，调节时间匕愈小表明系统快速跟随的性能愈好，超调量 Mp愈小表 明系统在跟随过程中比较乎稳，但往往也比较迟钝。显然，快速性要求经常与平 稳性要求相矛盾，因此，需按照加工工艺的要求在各项性能指标中做出一定的选 择。10.1.2 对扰动输入的抗扰性能指标

3、抗扰性能是指当系统的给定输入不变时，在受到阶跃扰动后输出克服扰动的 影响自行恢复的能力。常用最大动态降落和恢复时间这两个动态指标衡量系统的抗扰能力。图102给出一个调速系统在突加负载时，转矩 M t和转速n t的 动态响应曲线。现对和3简介如下。10-2突加负载后转速的挠动响应曲线(1)最大动态速降nm最大动态速降 nm表明系统在突加负载后及时做出反映的能力，常以稳态转速的百分比表示nm100%n(10-2)(2)恢复时间tf由扰动作用瞬间至输出量恢复到允许范围内一般取稳态值的土 (2%5%)所经历的时间，称为恢复时间。从要求系统具有抗扰性能好的角度出发，上述两项指标也应愈小愈好。10.2 系

4、统的稳定性稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本条件。所谓稳定的系统，即系 统在启动状态或外界干扰作用下，系统的输出经过几次衰减振荡后，能迅速地稳 定在新的或原有的平衡状态下。数控机床的伺服系统若在启动状态或在外界干扰作用下，经过短暂的调整过 程(有的允许有轻微的超调或振荡)后，应能迅速地稳定在新的或原有平衡状态下。稳定性的条件 一般线性系统，其闭环传递函数为:Gb sC sb0 smb1smibm 1S bmRnn 1(103)sa0sa1san 1s an式中，a0, a1,，an和b0, b1,，bm为常数，且m<n；分母多项式构成系统的特征方程式。系统稳定的充分必要条件是该系统

5、特征方程的所有根的实部均为负数。(2)稳定性判据劳斯霍尔维茨(Routh Hurwize)判据。表10 1是根据劳斯霍尔维茨判 据得出的，当特征方程低于五阶时系统的稳定判据。1fr ft特径方程系统稳定的必要充分条忤i的Q闻23回广+叫$+1,0|施0闻】0中期0妣产+*/+*+如=0曲0,就】0*.口1。a at -flo 网 C4曲+&1?+/产+内¥ + 口4 =0A1a躯齿.修a；1"仙05" J + 叫 d + %+口 j* + 山 i+as= 07 0嘉1 0皿10避1 0*Q.%0刈 fli "At。1.。曲取砧 +.电oi-aif

6、i的口；0（0缁一口加烟一点工联）一明也一«/:/。奈奎斯特（Nyquist）稳定判据。设系统的闭环频率特性为G j1 G j H jGk j G j H j值使得G j H j 1,则gbGb s其中，(104)即为系统的开环频率特性。显然，若频率S ,输出就会连续振荡或振荡发散。1, jo)称为临界点。若将Gk j写成幅值与相角的形式，即Gk jA ej在临界点处，Gk j =- 1,则A =1,（105）二一18。0。因此，奈奎斯特稳定判据的表达式为i域» = 1y如口其图形如图10 3所示事E稳定裕度根据奈奎斯特稳定判据，一个稳定系统的开环频率特性曲线不包围临界点

7、1' j0 0显而易见，开环频率特性曲线离开临界点1 j0越远，则闭环系统越稳定。为此，以相位为一 180时的幅值A 1的倒数R表示幅值稳 定裕度，以A 1时的矢量与复平面上一 180轴之间夹角 表示相角稳定裕在常用的对数频率特性中，以分贝（dB）表示幅值稳定裕度为1R 20lg 20lg A 1(10-6)A 1式中，1为相角为一 1800时所对应的频率，称为相位交界频率，见图 10310.3 开环、半闭环伺服进给系统的死区误差及定位精度开环或半闭环伺服进给系统，由于没有位置检测装置或半闭环中闭环以外的 环节，在机械传动装置的输入与输出之间存在着误差。 这误差的产生，除了有一 部分是

8、由传动链的传动误差（如丝杠螺距误差）引起的之外，还有一部分是由于传 动系统的动力参数（如传动刚度、移动件惯量，导轨摩擦力、间隙、速度阻力等 ） 产生的。这部分误差在设计开环或半闭环伺服进给系统中必须予以注意。即使在闭环伺服进给系统中也应充分考虑； 否则，它将会使传动链产生振荡。由机械传 动链所产生的误差主要是死区误差（按最小传动刚度考虑的死区误差）。10.3.1 死区误差所谓死区误差，即传动系统启动或反向时产生的输入运动与输出运动的差 值。在开环或半闭环中的开环部分数控进给系统中，由于启动或反向位移误差的存在，直接影响了工件与刀具的定位精度。产生死区误差的主要原因有：机械传动系统中的间隙；为克

9、服导轨摩擦力而 产生的摩擦死区；系统中电气、液压元件的死区 （不灵敏度）。机械传动装置间隙 造成的死区JA等于各传动副的间隙折算到工作台上的间隙量之和。t n 1h hi .对于丝杠传动,i 1 EZi %（10-7）式中h折算到工作台的总间隙；t丝杠导程；hi 第n对齿轮侧隙；mi 第n对齿轮模数；乙第n对齿轮主动轮齿数；第n对齿轮至工作台的降速比，i1。n 1h mZ hi 对于齿条传动，i 1 miZili（10-8）式中 m 齿条模数；Z-与齿条啮合之齿轮齿数。为减小死区误差，应力图消除间隙。从以上公式可见，不同位置传动副间隙 的影响是不同的，在不同半径上的间隙的影响也是不同的， 越是

10、靠近工作台影响 越大，半径越小影响越大，所以，末端环节的间隙应当严格控制。摩擦死区的影响是由于静摩擦力的存在。 在工作台启动或反向时，首先必须在传 动系统中产生一定的弹性变形，使其产生足以克服静摩擦力的驱动力， 才能使工 作台移动。传动系统中的这部分弹性变形称为摩擦死区。由弹性变形引起的变形量 f应为：F 0fK0(109)式中 F0进给导轨白静摩擦力，N;K0 传动系统折算到工作台上的综合拉压刚度，N/ m注意：在计算静摩擦力F。时，应将由预载产生的摩擦转矩考虑进去，摩擦转矩 因制造滚珠丝杠的螺距误差的不同，在不同的位置时，摩擦转矩是不同的。对于齿条传动，应由扭转刚度转换为沿工作台运动方向的

11、拉压刚度，具转换K0KmR2(10-10)式中N/ m;K0 沿工作台运动方向的拉压刚度, Km扭转刚度，N - m/rad;R与齿条啮合的齿轮分度圆半径,在传动链中，机械部分的死区误差，主要由间隙和摩擦死区两部分组成:(1011)2F0(1012)K0式中的间隙可以部分消除或完全消除。 然而摩擦死区在滑动导轨的情况下难 以完全消除，只能通过减少摩擦、增加传动刚度而控制在一定的数值内。当采取消除间隙后，死区误差就变为：2F0 2mg 0 2 0g4厂一厂10 m(10-13)Kom nn式中0导轨的静摩擦因数：2g重力加速度(g=980cm/s )；2n机械传动装置的固有频率，rad/ s死区

12、误差，m。上式表明，死区误差与传动链的固有频率及摩擦因数有关，死区误差么应小于脉冲当量值。10.3.2定位精度数控机床的定位误差包括下列几个方面，(1)末端元件(如丝杠、齿条、螺母等)的制造累积误差 无论是开环、半闭环，其 精度等级都应在56级以上，闭环末端元件精度等级可以略低。(2)在滚珠丝杠螺母传动中，由于丝杠预紧拉伸而引起的螺距累积误差为了消除此项误差，国外有的厂家在制造滚珠丝杠时，使丝杠的实际螺距尺寸略小于丝 杠的名义螺距尺寸，以消除因丝杠预紧拉伸引起的误差。(3)死区误差开环或半闭环伺服系统机械传动装置的死区误差是影响定位精度 的主要因素之一，死区误差应小于反向位置误差，取反向位置误

13、差的0.50.8。在设计数控机床传动链时，应充分考虑压板面和导轨面等因摩擦力所产生的 摩擦转矩。这种摩擦转矩受加工精度及装配质量的影响， 特别是摩擦转矩的变化 量，如丝杠螺距的不均匀性，丝杠中心线与导轨面的不平行性， 导轨的直线性和 平行性等，将会直接影响弹性变形的变化。这种变化量应在可以补偿的范围以内。 或者说，运动部件停止时伺服电动机的电流不应过大，以及停止时的电流变化量不应过大。这在设计传动链的刚度时应充分考虑。10.4静态误差与伺服刚度在忽略电气、液压元件不灵敏区的情况下，等速跟踪时的总滞后量为:R t v 7- 2(10-14)式中 V跟踪误差，mm；v工作台进给速度，mm/min

14、；Kv 系统开环增益，s1；R 由扰力矩TD引起的静态位置误差(电动机的角位移误差)rad;i传动比(i>1);t 丝杠导程，cm。上式表明，总滞后量包括两项误差，第一项跟踪误差，此项误差是随着速度 的变化而变化的。它的含义是，当需要某一种速度时，就必须送人一个指令值， 指令是先发出的，运动是接到指令后才产生的。因此，位移总是滞后指令一段距 离，一旦V=0,进给就停止。如图104所示是加工圆形轨迹的情况。当加工半径为R的圆形轨迹时，指示刀具位置在B点，由于存在跟踪误差，实际在 A点。给定条 件为：R工件半径，mm； r一刀具半径，mm：V一切削速度，mm/min； K>X轴系统开环

15、增益, i., 一 、. .i .一s ; Ky Y轴系统开环增益，s 。从图10-4Vy V cos可知：Vx VsinVx V sin xKxKxVyV cosy 一一KyKy从三角形aob中可得:R r R rv 2 R r v cos 90解上式得:22V2 sin cosKxKy Vsin 2112 R r2KxKvx y(10-15)根据上式可得出两种结果：当Kx= Ky时，公式简化成:V2V_22 R r K2s(10-16)Ks Kx Ky简化后的公式表明，当X轴及y轴两坐标的增益相同时, 随工件半径R的变化而变化，当曲率半径 R不变时,丫与在同一条直线上,是一个恒定值，它只影

16、响尺寸偏差，而不影响形状精度。尺寸偏差是可以用编程来消除的， 具输入程序尺寸应为：尺寸公差R工件 输入程序尺寸R（曲率半径）=零件名义尺寸曲率半径4,这时所加工出来的轨迹应与实际尺寸完全相符 （在假定曲率半径等于常数的 前提下）。Kx Ky时， 随 变化，这个变化量的差值是不能消除的，这个误差就 是由速度误差所引起的几何形状误差。r tIdR _ _式i 2第二项R是干扰力矩TD引起的静态误差。KR ,其中Kr为伺服刚度，如与摩擦力、惯性力以及切削力有关，并随加工过程切削力 等的波动而变化，因此，它直接影响到轮廓的加工精度、表面粗糙度和反向位置 误差。10.5传动链的自然频率1为了保证系统的稳

17、定性，传动链结构的谐振频率是考虑的主要因素之一。 当 惯量较大时，机械系统传动链各元件就会产生弹性变形， 弹性变形愈大，响应时 间就愈长。对于机床传动链的自然频率估算，其计算基本公式如下(1017)式中 1传动链的谐振频率，rad/s；K1传动链系统的刚度，N/ m;J1折算到电动机轴上的负载惯量，kg m2。Ki相当于机床工作台被固定时，在电动机轴端弹性变形l rad所需的转矩。Ki1的允许数值应根据数值可由计算驱动系统传动链各个部分的弹性变形得到。精度标准内的位置精度和被加工零件的允许误差来确定为了在传动链中得到较高的谐振频率，在结构上应采取相应的措施，以提高 传动链的刚度和减少负载惯量。

18、10.6 刚度计算伺服进给系统的传动刚度应该是整个系统折算到工作台上的当量刚度。由于系统最后的传动副一般都是采用具有较大降速比的丝杠螺母、齿轮齿条等机构， 因此传动系统的当量刚度主要取决于最后传动件的刚度。丝杠螺母的传动刚度主要是由丝杠的拉压刚度 Kt、丝杠螺母间的接触刚度 Kn以及轴承和轴承座组成的支承刚度 Kb三部分组成。由于丝杠的扭转刚度一般 都很大，所以可忽略不计。可分别计算出各部分的刚度，然后再根据轴向固定方 式综合计算出丝杠螺母的总传动刚度。(1)丝杠拉压刚度Kt 丝杠拉压刚度的计算公式见表 102,它与丝杠螺母 机构的安装形式有关。在轴向力 Fa的作用下，弹性位移 s,和刚度分别

19、是螺母 至轴向固定处距离的函数。表10-2e *桂顿金圣力点购JE承，青，it新“比上t有例长-m取效手 中阚也时.FH度僧皆川文 4t时修南度的4倍(2)滚珠丝杠螺母副的轴向接触刚度 由滚珠丝杠螺母副的接触变形可以计 算出轴向接触刚度KNo标准系列的滚珠丝杠副的滚珠螺母接触变形，可查阅机 床设计手册或滚珠丝杠副使用样本。(3)螺母座刚度与轴承座刚度螺母座刚度与轴承座刚度很难准确计算。它应包括支承座、中间套筒、螺栓等零件本身的刚度及这些零件相互之间的接触刚 度和支承座与基体之间的接触刚度。在不考虑接触刚度的情况下，悬臂支承座本 身的刚度可近似按下式计算：Kb3IEL3(1018)4式中I支承座

20、抗弯断面惯性矩， mL支承座中心到支承表面的图度， m；2E弹性模量，N/m 。丝杠传动的综合拉压刚度丝杠传动的综合拉压刚度 K与轴向固定形式及轴承是否预紧有关，其计算公式如下:一端固定，一端自由当轴承未预紧时:1111KminKTmin&Kn(10-19)1轴承预紧时：Kmin111KTmin2KbKn(10-20)注意，此时Kmin按照1 lmin ,计算；若按l lmin计算得到的是Kmax两端固定1轴承未预紧：Kmin14 KT min(10-21)1轴承预紧时：Kmin1114 Kt min4KB Kn(10-22)通常情况下，在设计上将丝杠本身的拉压刚度Kt乘以1/3来作为

21、丝杠螺母的传动刚度K。因为丝杠螺母的传动刚度主要是由三个环节串联而成的，见式 （5- 58）。因此若单纯追求某一项刚度而忽视其他项刚度的做法是不合理的。丝杠的 拉压刚度Kt、丝杠螺母间的接触刚度Kn以及轴承和轴承座组成的支承刚度 Kb三部分各占1/3较为合理，并且在两端轴向固定支承是容易实现的。1111KKtKn KbKtKnKb丝杠拉压刚度，N/ m;-丝杠螺母间的接触刚度，N/-轴承和轴承座组成的支承刚度,(10-23)m .N / m11位置检测装置数控设备的加工精度主要由检测系统精度决定。位置检测装置作为数控机床 的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令

22、 信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动 ，直 至偏差等于零为止。为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系 统的精度。数控机床对位置检测系统的基本要求是：最可靠性与抗干扰性，满足精度要求，成本低且便于维护。位置测量系统能测量的最小单位称做分辨率。在闭环和半闭环系统中，分辨率与电机本身的精度无关，它只由位置检测元件的分辨率确定。分辨率所对应的 位移量即是表示位置值的数字量的基本单位。决定系统位置控制精度的分辨率在开环系统与闭环系统（包括半闭环系统）中 是完全不一样的。在开环系统中，它是由脉冲当量决定的。例如，在步进电动机这 种常用的开环系统中，每个指令脉

23、冲使电机走1步产生1个单位的位移量，即脉冲 当量6。因此在开环系统中，分辨率是由步距角等电机本身的精度决定的。但在 闭环和半闭环系统中，分辨率与电机本身的精度无关，它只由位置检测元件的分辨 率确定。位置检测元件的分辨率在半闭环位置控制中是非常重要的。而增量式光电编码器以其高分辨率、高性能价格比等方面的优点，成为最常用的半闭环控制系统 的位置检测元件之一。例如国产的这类增量式光电编码器的精度可做到10000线（脉冲）/转以上，响应频率达100kHz以上。数控机床中常用的位置检测元件分为回转型和直线型两大类。 在回转型中包 括脉冲编码器、旋转变压器、圆感应变压器及圆光栅或圆磁栅等。 而直线型包括

24、直线感应同步器、计量光栅、磁尺激光干涉仪等。11.1 半闭环中的反馈装置半闭环控制方式，将位置编码器内置于驱动电机端部，用它来反馈控制伺服 电机的角位移，间接测量执行部件的实际位置或位移， 保证了输出轴的角向定位 精度，这比开环传动精度高且稳定性好。半闭环伺服控制系统中采用旋转型脉冲 编码器或旋转变压器等对电机或丝杠转角进行位置检测，反馈环节不包括机床最 大惯量部件。从图中看出，闭环传动可以消除从交流电机扭矩输出轴到工作台运 动这一段传动链的传动误差，还可以减少由于这一段传动链刚性不足造成的误 差，以上两种误差在一般机床上总是存在的。电机由寓 他反博米球延杠图9-1半闭环光电编码器与伺服电机的

25、转轴连接， 随着电机的转动产生脉冲序列输出，其 脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。下面是采用光电脉冲编码器为测量元件的 数字脉冲比较伺服系统的工作原理。在数控机床位置控制伺服系统中，采用数字脉冲的方法构成位置闭环控制， 结构比较简单，用光电编码器作位置检测位置，以半闭环的控制结构形式构成脉 冲比较伺服系统。11.2 光电编码器光电脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，编码盘直接装在电机的旋转轴 上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。这种检测方式的 特点是:非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小，响应速度快。缺点是抗污染能力差 容易损坏。按其编码化方式，可分为增量式和绝对值式。用

26、光电编码器作为位置检测元件时， 依靠光电转换原理，要求将输入的机械 位移、轴转角转换成相应的数字量，它能测量旋转角度、旋转速度、直线位移等, 在自动测量和自动控制中得到越来越广泛的应用。11.2.1 增量式光电编码器的基本原理增量式光电编码器的基本原理如图11-1所示，编码盘安装在被测轴上并与 其一起旋转，在盘的一侧固定发光元件，另一侧固定光电探测器，在盘的边上用照相或光刻的办法沿圆周方向均匀地等间隔开有透光的狭缝。 通过狭缝，光照到 光电元件一一光电三极管上，使其导通，从而输出电信号。此信号经处理后便形 成脉冲输出。班时针旋转/相 IIB 相 _II _逆时针旋转H 相 I I 刀相r图11

27、-1增量式光电编码器基本原理为了辨别旋转方向，在码盘上开有两圈狭缝，又称为 A, B两个码道。这种 输出为互差90。的A、B两相电脉冲信号可以满足位置反馈系统对位置检测的需 要福到所需的位置、方向、速度和加速度等信号：(1)运动方向可由鉴别A、B两相的相位来确定，当A相领先于B相时,为逆时 针方向旋转，而当B相领先于A相时，则为顺时针方向旋转将 A和B信号经过整形 处理后送至可逆计 数器，若码盘正转进行加数，若反转进行减计数。(2)实际位移的大小，则由此方向的脉冲数(或跳变数)确定。(3)速度和加速度可以通过测量给定的采样周期内计数值来计算得到。在位置与速度控制系统中，采用光电编码器是为了检测

28、位置或电动机的速度。它的可靠性与精度直接决定了控制系统的可靠性与控制精度。一个控制系统的控制精度不可能高于检测元件的精度，即检测元件的误差是决定控制系统稳态 误差的关键，这种误差也是控制系统无法克服的。因此，选择高精度的检测装置是 至关重要的。光电编码器在数控机床，伺服系统中特别适用，对系统有微振动的 情况，仍能获得准确的测量结果，有利于提高系统的控制精度。11.3 转角位置测量方法和精度检测位置时，为了确定具体的相位，零位脉冲作为起始脉冲.通过对编码器输 出脉冲采用简单的记数方式就可得出被测量的角位移为：360 M o MoKZ(11-1)式中：Z为编码器的分辨率(脉冲数/转，每个脉冲表征的

29、角度为3600 /Z);Mo 为脉冲编码器输出脉冲数；K为编码器输出脉冲的倍频系数。由于控制脉冲的上升沿并不一定与检测脉冲上升沿同步，计数值受量化误差 的影响，在不考虑脉宽误差时，位置检测的误差最大将达到一个脉冲角度。因此这 种简单的通过计数来检测当前角位移所能达到的测量精度范围为，00 V Mo<360KZ o上式表明测量精度V M0将直接受到光电脉冲编码器本身的分辨率以及 内部码盘的分度精度的影响。若采用普通精度的编码器测量转角位移时，编码盘的最大制造误差可达到 4.5%故传统测量方法的精度不能符合控制要求.通过提高分辨率减小测量误差是 行之有效的方法，但成本往往是随分辨率的增加而成

30、倍增加，在具体的使用中受到 限制。12.定位误差定位误差指，某点的定位误差为该点的位置偏差与该点离散度之和 ，并取其 最大绝对值。 x 3 (取绝对值较大的一个)x为实际误差的平均值，该平均值 与目标值之间的位置偏差反映了该移动部件系统存在的系统性误差。 误差的离散 带宽表示了该点的重复定位精度，即重复定位精度：R 6 ，反映了系统的随机性 误差。12.1 定位误差的补偿原理误差补偿的原理就是制造一个大小相等，方向相反的误差去补偿修正原有的 误差。定位误差补偿用数学形式可表示为：i i 0 i 1,2, n,、1 i(12-1)式中：i 各定位点的定位误差值；i 误差修正值。误差补偿一般用于补

31、偿系统性误差，由于大多数情况下，系统性误差总是大于 随机性误差，因此其效果显著。12.2 定位误差的补偿方法(1)反向间隙误差补偿。间隙补偿脉冲由间隙补偿电路产生。间隙补偿脉冲 数根据实测到的失动量确定，并用拨码开关预先给定。(2)丝杠螺距累积误差补偿。采用定点的脉冲补偿方法修正距螺累积误差。 根据实测的丝杠在全行程的误差曲线，在累积误差达到一个脉冲当量处安装一个 档块。当工作台移动时装在床身上的微动开关每与挡块接触一次就通过螺距误差 补偿控制电路，相应进行增减脉冲补偿。补偿后的螺距误差可以控制在一个脉冲 当量以内。数控机床通常采用电气补偿法进行反向间隙补偿和螺距累积误差补偿来提 高定位精度。

32、电气补偿法是在控制系统中设置相应的间隙补偿电路和螺距补偿电 路以达到误差补偿的目的。还有软件补偿法，它是利用软件进行计算机辅助补偿的方法消除定位误差 ， 包括螺距累积误差补偿、反向间隙误差补偿及热变形误差补偿。 还可以根据定期 测定的定位误差值，补偿由于磨损等引起的精度损失。此方法灵活性大，补偿量可 13以方便地改变。12.3 进给误差进给误差是指数控机床进给传动链中存在的误差。 数控机床进给传动链中包 含有齿轮、轴和滚珠丝杠螺母副等。12.3.1 进给误差的来源进给误差的来源主要有：(1)由于在进给传动链中齿轮传动和滚珠丝杠螺母副均存在反转间隙，当工 作台反向运动时，这种反转间隙会造成电动机

33、空走而工作台不运动的现象。(2)在开环和半闭环系统中对螺距累积误差不可消除，从而造成开环系统、 半闭环系统的误差和闭环系统的位置环振荡而不稳定。(3)滚珠丝杠的螺距累积误差。工作台导轨的误差。12.3.2 减小进给误差的主要方法减小进给误差的主要方法如下：(1)对传动反转间隙可采取调整和预紧的方法来减小间隙。对剩余间隙，在 开环和半闭环系统中可将其间隙值测出， 作为参数输入数控系统。此后每当数控 机床反向运动时，数控系统会控制电动机多走一段距离，这段距离等于间隙值， 从而补偿了间隙误差。需注意的是对闭环数控系统不能采取以上补偿方法 (通常 闭环数控系统要求将间隙值设为零)，因此必须从机械上减小

34、或消除间隙。(2)滚珠丝杠、螺母支架和轴承等机械部分的利用数控系统对误差进行补偿 与修正。螺距误差补偿的基本原理就是将数控机床某轴的指令位置与高精度位置 测量系统所测得的实际位置相比较， 计算出在全行程上的误差分布曲线， 将误差 以表格的形式输入数控系统中。以后数控系统在控制该轴运动时， 会自动考虑到 该差值并加以补偿。(3)对于由于机械传动链受力变形和热变形而引起的误差，可通过增大传动 链的刚性，减小摩擦力等措施来解决。13.进给伺服系统的常见故障及诊断数控机床进给伺服系统由各坐标轴的进给驱动装置、位置检测装置及机床进 给传动链等组成，其任务是要实现各坐标轴的位置控制。 在数控机床的使用过程

35、 中，进给伺服系统是比较容易发生故障的部分，因此，做好进给伺服系统的故障诊断和处理工作是数控机床维护和维修工作的关键。数控机床进给伺服系统的常 见故障形势有：超程、过载、爬行、振动、窜动、伺服电动机不转、位置误差、 漂移和回参考点故障等。当进给伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：一是在CRT或操作面板上 显示报警内容或报警信息；二是在进给伺服单元上用报警灯或数码管显示驱动单元的故障;三是进给运动不正常，但无任何报警信息。13.1 超程当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关设定的硬限位时，就会发生超程报警。一般会在CRT1显示报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障， 解除报警。13

36、.2 过载当进给运动的负载过大，频繁正、反向运动以及进给传动链润滑状态不良时 ， 均会引起过载报警。一般会在CRT上显示伺服电机过载、过热或过电流等报警信 息。同时，在强电柜中的进给驱动单元上，用指示灯或数码管提示驱动单元过载、 过电流等信息。13.3 爬行在实际运彳T过程中，数控机床的工作台在低速或微小位移运动时，虽然伺服电 机作匀速运动，但工作台常常出现时快时慢或时走时停的现象 （爬行现象），也即摩 擦自激振动.爬行发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑状态不良、 伺服系统增益过低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服电动机和 滚珠丝杠连接用的联轴器，由于连接松动

37、或联轴器本身的缺陷，如裂纹等,造成滚 珠丝杠转动和伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现 象。13.4 振动当数控机床发生振动故障时，要分析机床振动周期是否与进给速度有关。1 如与进给速度有关，振动一般与该轴的速度环增益太高或速度反馈故障有关。2若与进给速度无关，振动一般与位置环增益太高或位置反馈故障有关。3如振动在 加减速过程中产生，往往是系统加减速时间设定过小造成的。13.5 窜动在进给时出现窜动现象的原因有:1测速信号不稳定，如测速装置故障、测速 反馈信号干扰等。2速度控制信号不稳定或受到干扰。3接线端子接触不良，如螺 钉松动等。当窜动发生在由正向运动转为反向运动的瞬

38、间，一般是由于进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。13.6 伺服电动机不转数控系统至进给驱动单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，当发生伺 服电动机不转的故障时，可从以下几个方面检查原因:1检查数控系统是否有速度 控制信号输出。2检查使能信号是否接通。通过 CRT®察I/O状态，分析机床PLC 梯形图（或流程图），以确定进给轴的起动条件，如润滑、冷却等是否满足。3对带电 磁制动的伺服电动机，应检查电磁制动是否释放。4进给驱动单元故障。5伺服电 动机故障。13.7 位置误差当伺服轴运动超过位置允差范围时，数控系统就会产生位置误差过大的报警包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。

39、主要原因 :1系统设定的允差范围过小。2伺服系统增益设置不当。3位置检测装置有污染或损坏。4进给传动链累积误 差过大。5主轴箱垂直运动时平衡装置（如平衡油缸等）不稳。13.8 漂移当数控机床的指令值为零时，坐标轴仍移动，从而造成位置误差。通过漂移补 偿和驱动单元上的零速调整来消除。13.9 回参考点故障机床回参考点的故障一般可分为找不到参考点和找不准（偏离）参考点两类。前一类故障主要是回 参考点减速开关产生的信号或零标志脉冲信号失效（包括信号未产生或在传输处 理中丢失）所致。排除故障时先要搞清机床回参考点的方式 ，再对照故障现象来分 析，可采用先“外”后“内”和信号跟踪法查找故障部位。这里的“外”是指安 装在机床外部的挡块和参考点开关，可以用CNC系统PLC接口 I/O状态指示直接 观察信号的有无；“内”是指脉冲编码器的零标志位或光栅尺上的零标志位，可以用示波器检测零标志脉冲信号。后一类故障往往是参考点开关挡块位置设置不当 引起的，只要重新调整即可.结论机床的数控系统（包括可编程控制器、驱动及伺服系统和位置检测与反馈系 统等）实质上是集机械制造、计算机、控制、传感检测，信息处理和光电等各种 先进技术相结合的产物。数控机床与传统机床的根本区别就在于机床的“数控 化”。数控机床是由数控系统装备而成。并以它为主，才可能发展更先