數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位置伺服系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)

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1、數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位置伺服系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)2013-1-2822:12:00來源：[關(guān)閉][打印]?0?引?言位置伺服系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。因此，在分析和設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)時(shí)，需要用自動(dòng)控制原理作為其理論基礎(chǔ)，來研究整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)而研究如何把各種元件組成穩(wěn)定的和滿足穩(wěn)定性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)。若原系統(tǒng)不穩(wěn)定可通過調(diào)整比例參數(shù)和采用滯后校正使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，并選取合適的參數(shù)使系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。本文介紹位置伺服系統(tǒng)的各組成元件及工作原理、對系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校正。1?位置伺服系統(tǒng)組成元件及工作原理數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位置伺服系統(tǒng)有不同的形式，一般均可以由給定

2、環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、校正環(huán)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象或調(diào)節(jié)對象和檢測裝置或傳感器等基本元件組成[1]。根據(jù)主機(jī)的要求知系統(tǒng)的控制功率比較小、工作臺(tái)行程比較大，所以采用閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位置伺服系統(tǒng)是指以數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)位移為控制對象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。位置伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，集電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)為一體。數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)位置伺服系統(tǒng)輸出位移能自動(dòng)地、快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入位移的變化，是因?yàn)楣ぷ髋_(tái)輸出端有位移檢測裝置（位移傳感器）將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)反饋到輸入端構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋信號(hào)與輸入信號(hào)比較得到差壓信

3、號(hào)，然后把差壓信號(hào)通過伺服放大器轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，送入電液伺服閥（電液轉(zhuǎn)換、功率放大元件）轉(zhuǎn)換為大功率的液壓信號(hào)（流量與壓力）輸出，從而使液壓馬達(dá)的四通滑閥有開口量就有壓力油輸出到液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)減速齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)。因滾珠絲杠與工作臺(tái)相連所以當(dāng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作臺(tái)也發(fā)生相應(yīng)的位移。設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：靜態(tài)位置誤差（位置分辨率）2??確定動(dòng)力元件參數(shù)，選擇位移傳感器和伺服放大器2.1?計(jì)算總負(fù)載力負(fù)載力有切削力三部分組成。摩擦力具有“下降”特性，為了簡化可認(rèn)為與速度無關(guān)，是定值，取最大值假定系統(tǒng)是在最惡劣的負(fù)載條件（即所以

4、負(fù)載力都存在，且加速度最大）下工作，則總負(fù)載力為2.2??計(jì)算液壓馬達(dá)排量液壓馬達(dá)力矩為取，則液壓馬達(dá)每轉(zhuǎn)排量為液壓馬達(dá)每轉(zhuǎn)排量為計(jì)算出的液壓馬達(dá)排量需標(biāo)準(zhǔn)化，按選取的標(biāo)準(zhǔn)化值再計(jì)算負(fù)載壓力值。本題中液壓馬達(dá)排量計(jì)算值符合標(biāo)準(zhǔn)。2.3??確定伺服閥規(guī)格液壓馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速為所以負(fù)載流量為此時(shí)伺服閥壓降為考慮到泄漏等影響，將增大15%，取。根據(jù)和，查手冊得額定流量（閥壓降為時(shí)的輸出流量）為8L/min的閥可以滿足要求，該閥額定電流為2.4??位移傳感器和放大器增益,放大器增益待定。3??系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)3.1??確定各組成元件的傳遞函數(shù)因?yàn)樨?fù)載特性

5、沒有彈性負(fù)載，因此液壓馬達(dá)和負(fù)載的傳遞函數(shù)為工作臺(tái)質(zhì)量折算到液壓馬達(dá)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為考慮到齒輪、絲桿和液壓馬達(dá)的慣性，取并取液壓馬達(dá)的容積則液壓固有頻率為假定阻尼比僅由閥的流量——壓力系數(shù)產(chǎn)生。零位流量——壓力系數(shù)可近似計(jì)算為液壓阻尼比為將值代入式（2）得伺服閥的傳遞函數(shù)由樣本查得[4]額定流量的閥在供油壓力時(shí)，空載流量?（式中：為閥壓降），在第二章中，根據(jù)查表得到額定流量（閥壓降為時(shí)的輸出流量）為8L/min的閥可以滿足要求所以閥的額定流量增益則伺服閥的傳遞函數(shù)為減速齒輪與絲杠的傳遞函數(shù)為根據(jù)以上確定的傳遞函數(shù)，用Simulink可繪制出數(shù)

6、控機(jī)床工作臺(tái)位置伺服系統(tǒng)的模型如圖2所示。3.2??編程實(shí)現(xiàn)繪制系統(tǒng)開環(huán)Bode圖并根據(jù)穩(wěn)定性確定開環(huán)增益系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，用MATLAB編程繪制系統(tǒng)Bode圖，結(jié)果如圖3所示。通過K?a=1的Bode圖，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的相角裕量和幅值裕量都是負(fù)值所以系統(tǒng)不穩(wěn)定[2][3]。MATLAB程序如下：Ka=1num=Ka*4216e-6*1.25e6*9.56e-4*100den=conv([1/600^22*0.5/6001],[1/388^22*1.24/38810])sys=tf(num,den)margin(sys)4

7、?系統(tǒng)校正和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算一般為滿足電液伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的相角裕量應(yīng)該在30~60之，幅頻裕量應(yīng)當(dāng)大于6dB。因此，將圖中零dB線上移，使相位裕量=50，此時(shí)增益裕量G=11dB，穿越頻率，開環(huán)增益由上述操作得開環(huán)增益所以放大器開環(huán)增益，運(yùn)行模型，得出系統(tǒng)輸出結(jié)果可以看出系統(tǒng)是穩(wěn)定的。?運(yùn)用MATLAB對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)分析得5?系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和頻帶寬度計(jì)算對于干擾來說，系統(tǒng)是零型的。啟動(dòng)和切削不處于同一動(dòng)作階段，靜摩擦干擾就不必考慮。伺服放大器的溫度零漂、伺服閥零漂和滯環(huán)、執(zhí)行元件的不靈敏區(qū)假定上述干擾量之和為，由此引起的位置誤差為：對指

8、令輸入來說，系統(tǒng)是Ⅰ型的，最大速度時(shí)的速度誤差為調(diào)用MATLAB中求系統(tǒng)頻帶寬度程序得系統(tǒng)頻帶寬度為：6結(jié)論本文在對數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求