數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

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1、數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)仿真班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：摘要：進(jìn)給系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)控裝置的重要組成部分，建立進(jìn)給系統(tǒng)各組成部分的傳遞函數(shù)，并利Simulink建立了進(jìn)給系統(tǒng)三環(huán)結(jié)構(gòu)的仿真模型。在研究P—I控制器和I—P控制器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)基于該2種控制器的進(jìn)給系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真比較和驗(yàn)證。在建立數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，確定了伺服系統(tǒng)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。三閉環(huán)控制方案，結(jié)合手工計(jì)算和Matlab仿真給出了各環(huán)節(jié)參數(shù)具體整定的步驟，并根據(jù)仿真模型驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。0前言數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，在一定

2、意義上，伺服系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)能決定了數(shù)控機(jī)床的精度、穩(wěn)定性、可靠性和加工效率?；赑ID控制的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇是關(guān)鍵，很多場合采用簡化模型加經(jīng)驗(yàn)的方法來確定調(diào)節(jié)器參數(shù)，模型的簡化必將給PID參數(shù)的整定結(jié)果帶來誤差，同時(shí)手工計(jì)算繁瑣，效率低下。本文在對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上把手工計(jì)算和利用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化結(jié)合起來，很好的提高系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)的效率、準(zhǔn)確度，為改善和提高數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能提供一定的理論依據(jù)。進(jìn)給系統(tǒng)的精度是影響數(shù)控機(jī)床的精度主要因素，進(jìn)給伺服系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)來的速度與位移指令信號(hào)，

3、由伺服電路做一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工件進(jìn)給和運(yùn)動(dòng)，加工出所需的工件外形和尺寸，因此，進(jìn)給系統(tǒng)的性能直接影響被加工工件的精度。P—I控制器的結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期的工程實(shí)踐中，已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是P一I控制還有經(jīng)常被忽略的缺陷，如在位置給定階躍變化時(shí)電流超調(diào)和位置超調(diào)過大，特別是需要頻繁起制動(dòng)的場合，太大的電流超調(diào)和位置超調(diào)將嚴(yán)重影響控制效果，影響機(jī)械加工精度，甚至損壞變流裝置和機(jī)械設(shè)備。1數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)一般分為兩個(gè)部分：一部分是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，另一部分是機(jī)

4、械傳動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框圖見圖1所示。在整個(gè)伺服控制三環(huán)結(jié)構(gòu)中，以矢量控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)(PMSM)驅(qū)動(dòng)，電流環(huán)和速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。其中，電流環(huán)的作用是改造內(nèi)環(huán)控制對(duì)象的傳遞函數(shù)，提高系統(tǒng)的快速性，及時(shí)抑制電流環(huán)內(nèi)部的干擾，限制最大電流，使系統(tǒng)有足夠大的加速扭矩，并保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。速度環(huán)的作用是增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)。位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤性能，使整個(gè)伺服系統(tǒng)能穩(wěn)定、高性能運(yùn)行。為了提高系統(tǒng)的性能，各環(huán)節(jié)均有調(diào)節(jié)器。工程實(shí)踐中，電流環(huán)和速度環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器，位置環(huán)采用P調(diào)節(jié)器。三環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5、及其控制器的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。2系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立采用Matlab對(duì)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，已成為當(dāng)前控制技術(shù)的一個(gè)新的重要應(yīng)用領(lǐng)域。利用Matlab中Simulink模塊可以方便對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，從而選擇優(yōu)良的控制策略。而要進(jìn)行仿真的前提就是建立精確合理的數(shù)學(xué)模型，以便進(jìn)行分析。2．1機(jī)械傳動(dòng)裝置數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過柔性聯(lián)軸節(jié)與滾珠絲杠連接，直接帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，起物理模型如圖2所示。由圖2可知，機(jī)械部分輸入的是電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角，輸出是工作臺(tái)的位移，機(jī)械系統(tǒng)是一個(gè)二階振蕩環(huán)

6、節(jié)，其傳遞函數(shù)為：Gs=L2πωn2s2+2ξns+ωn2式中：ωn=KJ0，機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，其中K系統(tǒng)等效扭轉(zhuǎn)剛度，Jo工作臺(tái)與滾珠絲杠向滾珠絲杠轉(zhuǎn)化的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。ξ=C02J0ωn,機(jī)械系統(tǒng)的相對(duì)阻尼比，Co等效阻尼系數(shù)。L為滾珠絲杠導(dǎo)程。在仿真時(shí)取.Jo=90．0754X10-4kg·㎡K=8．45×104Nm／rad，Co=0.55Nm/(rad/s),ωn=KJ0=3062.8rad/s=487.5Hz,L=0.012m2．2交流伺服電機(jī)PMSM采用三相交流供電，具有多變量、強(qiáng)耦合及非線性等特點(diǎn)，控制較為復(fù)雜。將多相繞組

7、等效為空間上互差..90。電度角的兩相繞組，即直軸繞組和交軸繞組，轉(zhuǎn)子直軸d、交軸q對(duì)稱，在忽略磁飽和，不計(jì)磁滯和蝸流損耗影響，空間磁T場呈正弦分布的條件下，當(dāng)Ld=Lq=L，阻尼系數(shù)B=0時(shí)，得d—q坐標(biāo)系上永磁同步電機(jī)的狀態(tài)方程為id·iq·ωr·=-R/LPnωr0-Pnωr-R/L-Pnφf/J032Pnφf/J0×idiqωr＋UdLUqL-TLL(1)式中：id,iq分別為d-q坐標(biāo)系上d、q軸的定子電流分量；Ud,Uq分別為d—q坐標(biāo)系上d、q軸的定子電壓分量；R、L分別為定子電阻和電感；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；φf為永久磁鐵對(duì)

8、應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁鏈；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為系統(tǒng)的機(jī)械慣量,pn為極對(duì)數(shù)。為了獲得線性狀態(tài)方程，根據(jù)矢量控制原理，令id=0，式(1)變?yōu)椋篿q·ωr·=-R/L-Pnφf/J32Pnφf/J0×iqωr+Uq/L-