ch精密机械伺服系统设计.ppt

开环伺服系统 控制装置发出运动指令脉冲后，无法确定运动的预期目标是否达到要求。适用于对运动速度和定位精度要求不高的场合 复合控制系统 设计要求及性能指标 1.稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。 2.系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。 3.响应特性 响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。 4.安全性 过渡过程及性能指标 稳态过程及性能指标 设计步骤 总传动比的确定 伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构,只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时,才通过传动装置变速 在伺服系统中,通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度。传动模型如图示。  传动关系 式中: ——电动机的角位移、角速度、角加速度； TLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF / i ； JL换算到电动机轴上的转动惯量为JL/i2。 设Tm为电动机的驱动转矩,在忽略传动装置惯量的前提下,根据旋转运动方程,电动机轴上的合转矩Ta为 式(2-2)中若改变总传动比i,则也随之改变。根据负载角加速度最大的原则,令 ,则解得 若不计摩擦,即TLF＝0, 则  机械系统性能分析 1 数学模型的建立 在图示的数控机床进给传动系统中,电动机通过两级减速齿轮G1、G2、G3、G4及丝杠螺母副驱动工作台作直线运动。设J1为轴Ⅰ部件和电动机转子构成的转动惯量；J2、J3为轴Ⅱ、Ⅲ部件构成的转动惯量； K1、K2、K3分别为轴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的扭转刚度系数； K为丝杠螺母副及螺母底座部分的轴向刚度系数； m为工作台质量； C为工作台导轨粘性阻尼系数； T1、T2、T3分别为轴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的输入转矩。 建立该系统的数学模型,首先是把机械系统中各基本物理量折算到传动链中的某个元件上（本例是折算到轴Ⅰ上）,使复杂的多轴传动关系转化成单一轴运动,转化前后的系统总机械性能等效； 然后,在单一轴基础上根据输入量和输出量的关系建立它的输入/输出数学表达式（即数学模型）。对该表达式进行的相关机械特性分析就反映了原系统的性能。在该系统的数学模型建立过程中,我们分别针对不同的物理量（如J、K、ω）求出相应的折算等效值。 把T2和ω2值代入整理得 （2） 将工作台质量折算到Ⅰ轴。在工作台与丝杠间,T′3 驱动丝杠使工作台运动。根据动力平衡关系有 v —— 工作台的线速度；  L —— 丝杠导程。 所以丝杠转动一周所做的功等于工作台前进一个导程时其惯性力所做的功。 又根据传动关系有 把v值代入上式整理后得 （3） 折算到轴Ⅰ上的总转动惯量。消去中间变量并整理后求出电机输出的总转矩T1为 为系统各环节的转动惯量（或质量）折算到轴Ⅰ上的总等效转动惯量,其中 ,分别为Ⅱ、Ⅲ轴转动惯量和工作台质量折算到Ⅰ轴上的折算转动惯量。 2. 粘性阻尼系数的折算 当工作台匀速转动时,轴Ⅲ的驱动转矩T3完全用来克服粘滞阻尼力的消耗。考虑到其他各环节的摩擦损失比工作台导轨的摩擦损失小得多,故只计工作台导轨的粘性阻尼系数C。据工作台与丝杠之间的动力平衡关系有 T32π=CvL 3. 弹性变形系数的折算 机械系统中各元件在工作时受力或力矩的作用,将产生轴向伸长、压缩或扭转等弹性变形,这些变形将影响到整个系统的精度和动态特性, 建模时要将其折算成相应的扭转刚度系数或轴向刚度系数。 上例中,应先将各轴的扭转角都折算到轴Ⅰ上来,丝杠与工作台之间的轴向弹性变形会使轴Ⅲ产生一个附加扭转角,也应折算到轴Ⅰ上来,然后求出轴Ⅰ的总扭转刚度系数。同样,当系统在无阻尼状态下时,T1、T2、T3等输入转矩都用来克服机构的弹性变形。 （1） 轴向刚度的折算。 当系统承担负载后,丝杠螺母副和螺母座都会产生轴向弹性变形, 在丝杠左端输入转矩T3的作用下,丝杠和工作台之间的弹性变形为δ,对应的丝杠附加扭转角为Δθ3。根据动力平衡原理和传动关系,在丝杠轴Ⅲ上有：  T32π=KδL 式中: K′——附加扭转刚度系数,其值为  K′=