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.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：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。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