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1、本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目：数控机床伺服系统刚度及定位精度的研究学 院： 电气工程学院 专业班级： 自动化 学生姓名： 学 号： 导师姓名： 刘 春 芳 开题时间： 2008 年 4 月 23 日1一. 课题的背景及意义1.课题的国内外研究动态、目前的水平及发展趋势当今世界， 工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、 高精、 高效高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以 来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，己形成一条无形战线，特别是随着微电子计算机技术的进步，更加促进了数控机床的加速发展。中国加入 WTO 后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机
2、床工业实力、加速数控机床产业发展，是一件紧迫而又艰巨的任务 1。先进的数控 ( C N C ) 加工技术已经成为现代制造业的重要标志， 无论是在军工国防还是在民用产品中， 以数控装备为核心的制造业正在扮演着越来越重要的角色。 因此有必要对数控领域相关技术展开深入的研究，以提高我国的制造业的科技水平，从而提高其在国际市场的竞争力 2。目前，先进的制造技术正在朝精密化、柔性化、智能化与集成化发展趋势迅猛发展。伴随着产品质量与数量要求的提高，对数控装备中的数控系统以及伺服系统都提出了更高的要求，高速高精度定位成为对数控与伺服系统的共同要求。开放式数控系统是当今数控技术发展的主要方向，由于数控系统在体
3、系结构、 控制功能和控制对象等方面的全面开放，为用户对特定控制目标采用个性化控制策略，提供了广阔的空间 。然而正是因为开放数控系统控制对象的非确定性，导致开放式系统的各项控制参数无法预先确定，在开放式数控系统的机床配置过程中，要求用户必须能够针对自己特定的机械系统，合理设置控制系统中各项控制参数，这样才能真正发挥出开放数控系统的控制功能，获得最佳的动态性能。另一方面，随着电机技术的发展，新设备、新技术广泛应用到最新的数控机床设备中：对这些新设备与技术在伺服系统中产生的作用于影响也需要从系统的高度全面的认识与分析。因此开展数控伺服系统的动力学建模、动态性能仿真分析等方面的研究，对于合理确定伺服系
4、统的各项控制参数，保证控制真正发挥其内在功效显得比以前更为重要，同时这方面的研究工作，也是研制新型伺服系统的重要环节 3-6。22.课题研究的目的、意义及工作设想进给伺服系统是数控机床的重要部分， 它主要是完成刀具相对工件位置的自动控制和机床各坐标进给速度控制，是影响数控机床性能的主要因素，因此，数控机床进给伺服系统的动态性能，如快速性、稳定性、动态静态跟踪精度等都己成为决定数控机床可以达到进给加速度、最大进给速度、定位精度、加工零件精度等机械加工性能的决定因素，而进给伺服系统的机械加工性能基本上可以用该系统的动态特征来表征 7。对数控进给伺服系统的研究，传统的研究方法是，在机床完成样机试制后
5、，对进给伺服系统进行各种性能的试验，通过相关仪器获取实验数据，然后进行数据分析，评价伺服系统的性能，进而对其进行改进设计。随着现代制造业的发展，尤其是敏捷制造的出现，这种传统的设计方法己经不能满足现代制造业的发展。近年来，数值计算方法，特别是有限元方法的日益成熟和仿真技术迅速发展，如软件 Pro/E、 Solid works、ANSYS 、 MATLAB 等的使用， 为现代设计方法的实现提供了可能，这样不仅可以为机床的设计提供科学而可靠的依据，同时可以节省大量的实验经费，缩短机床的开发周期。因此，在结构设计阶段，对数控机床进行刚度、载荷、热变形的理论分析与动态特性的仿真，研究数控机床的伺服系统
6、的性能对整个机床性能的影响，了解进给伺服系统的动态特性，为设计出高精、高效、高自动化的数控机床提供理论依据及提出改进措施，使数控机床能够更好的适应社会的需求 8-9。二. 毕业设计的内容及任务1.设计思想现代数控机床向高精度、高速化方向不断发展，对其性能、精度和效率的要求日趋提高，特别是对伺服系统提出了很高的要求。数控机床对伺服系统的性能指标可归纳为:定位精度要高、跟踪指令的响应要快、系统的稳定性要好。可见数控机床的定位精度是衡量其性能的重要指标，影响数控机床定位精度的3因素很多，其中伺服系统的刚度是最主要的因素之一，因此研究伺服系统的刚度对定位精度的影响有十分重要的意义。本文对伺服系统的刚度
7、和定位精度作了研究，得出了影响伺服系统刚度和定位精度的因素，分析了刚度对定位精度的影响，并提出了通过改善伺服系统的刚度以提高定位精度的措施 10-12。2 设计方案1）对进给伺服系统进行合理简化和理论建模;由于实际的控制系统是非常复杂的，组成控制系统的各环节具有非线性、时变性以及各种相关关系，系统内外又受到众多因素的影响，如果对所有的因素都考虑，则我们可能无法用数学模型来建立一个控制系统，或者即使表达出来也很难求解，在工程上也很难有实用价值。因此，在建立一个系统的数学模型时，必须忽略模型次要的因素，把某些性能理想化，而在进行简化的同时又要尽可能使建立的数学模型能较准确地表达实际的控制系统，所以
8、必须进行合理的简化因为电气传动和机械传动之间是一种串联关系，可以分别对电气传动和机械传动部分建模，然后组合成为进给伺服系统的数学模型。这种建模方法的好处在于降低了建模的复杂程度，而且可移植性好，对于某些数控设备的进给伺服系统来说，只要改变模型中相应参数就可以迅速建立其系统模型 13-14。电气传动 机械传动检测装置数控机床进给伺服系统模型因为电气传动和机械传动之间是一种串连关系，可以把伺服驱动和机械传动部分建立的模型合成一起，就成为了伺服系统的模型。2） 分析伺服系统的刚度，伺服系统由伺服驱动系统和机械传动及执行部件系统两部分组成，伺服系统的刚度包括机械刚度和伺服刚度，讨论时要分别4加以考虑。
9、通过分析得出系统的结构和功能部件的参数对系统刚度的影响和伺服系统刚度的变化规律；3） 对伺服系统定位精度的研究，对伺服系统的定位精度作理论上的分析。深入研究开环和半闭环伺服系统的定位误差和闭环伺服系统的伺服精度； 4） 根据以上得出的伺服刚度和机械刚度的变化规律和得出的伺服系统定位精度的分析结果，提出通过优化系统的结构和功能部件的参数以提高系统刚度，从而达到提高位精度的目的；5） 对以上理论分析得出的结果进行仿真和实验，在理论符合的基础上，通过仿真和实验对提出的优化方案进行验证，以便能更进一步完善和改进优化方案，达到本课题目的 15-16。3.课题研究拟采用的方法和手段经过对伺服系统伺服刚度的
10、分析，对于开环伺服系统，其伺服刚度即为进给伺服系统的机械刚度，所以能够采用提高系统机械刚度的措施来提高伺服刚度。在半闭环伺服系统中，伺服刚度为 其中 为伺服系),/(sRsKkKs统中机械传动及执行部件系统的机械刚度， 为半闭环系IAnIPk/1统中环内电机驱动系统的伺服刚度。可见，通过适当的提高系统的机械刚度和电机驱动系统的伺服刚度气 ，可以提高半闭环系统的伺服刚度 17-18。sKRK对于闭环伺服系统，影响进给伺服系统伺服刚度的主要因素有伺服系统的机械传动机构参数和控制参数等因素，因此，要提高伺服系统的伺服刚度，可以采取如下措施:1）对机械传动及执行部件的改善进给伺服系统机械传动机构是伺服
11、系统控制的对象，由于数控设备的工作状态不断变化，工作台及负载质量和导轨的阻尼也随之变化，所以，机械传动机构系统对整个伺服进给系统伺服刚度造成影响的主要因素是工作台及其负载的质量和导轨的阻尼。惯性负载的变化对伺服系统伺服刚度的影响也较大，要减弱惯性负载的变化对数控进给伺服动态性能的影响，可以采用增大工作台的自重，随着工作台自重的增加，相同负载质量变化引起伺服系统干扰力阶跃输5入响应的变化位移变动量减少，伺服动刚度对学位论文质量变动的敏感性也会降低。所以可以采用增加工作台自重的方法使工件质量在惯性负载中的比例减小，工件质量的改变就可以忽略不计，但这样会增大进给伺服系统的绝对惯性负载，影响数控进给伺
12、服系统的加减速能力，从而影响系统的动态性能。进给伺服系统的导轨对运动部件起着导向和支撑作用 19-21。导轨应该具有一定的导向精度，良好的精度保持性，足够的刚度和良好的减摩擦性。导轨的阻尼对滚珠丝杠进给伺服系统伺服动态性能影响较大，一般都要求导轨具有一定的阻尼以提高进给伺服系统的抗震性，合适的阻尼还可以提高进给伺服系统的定位精度。导轨阻尼的变化并不能引起进给伺服系统伺服动刚度显著的变化，这是因为对进给伺服系统起作用的不仅仅有导轨阻尼，还有整个系统的阻尼性能，系统阻尼特性是导轨阻尼和伺服系统结构和控制参数阻尼作用的综合表现。2）采用合适的控制参数影响数控进给伺服系统伺服动刚度的主要控制参数有：位
13、置放大器增益、速度反馈环的增益系数以及伺服电机的电枢电阻凡和电枢电感其中电枢电阻和电感是电机的特性常数，一旦选中电机，这两个参数就不会改变，所以应主要关注位置环增益系数和速度环增益系数。位置环增益系数和速度环增益系数越大，则系统伺服动刚度也就越大 22-23。 4.毕业设计课题的最终目标及达到的水平1）以数控机床直流伺服进给系统为研究分析对象对其进行建模时，可以对系统作适当的简化.并且可以把伺服进给系统抽象为伺服驱动系统模块和机械传动机构模块的串联，分别建立模型。对机械传动机构建模时，可先对各种参量进行等效折算得出等效动力学模型。综合伺服驱动系统的传递函数和机械传动机械的传递函数，可得出伺服进
14、给系统的数学模型，并以此模型作为论文后面部分分析进给伺服系统的刚度和定位精度的基础。2）数控机床伺服系统的刚度可以分为机械刚度和伺服刚度。对伺服系统的机械刚性度，基于质量和弹簧力学模型，可以求出两端止推安装方式和一端止推安装方式时的轴向刚度和扭转刚度的解析表达式。分析表达式可以看出，两6端止推安装方式的机械刚度比一端止推安装方式的机械刚度高，系统的机械刚度可以通过采用丝杠螺母副的预紧，丝杠的拉伸和采用合适的联轴节来提高。根据伺服系统的类型不同，对开环、半闭环伺服系统和闭环伺服系统的伺服刚度分别进行了分析。通过分析可得到，对于开环伺服系统，伺服刚度主要由系统的机械刚度决定。对于闭环和半闭环伺服系
15、统，影响伺服刚度的主要因素有机械传动及执行部件的结构和控制参数。可以通过改善机械传动及执行部件结构和选用适当的控制参数来提高系统的伺服刚度。3）对伺服系统在开环和闭环时定位精度的分析可知，开环和闭环伺服系统的误差主要包括传动刚度引起的定位误差、启动或反向时的死区误差和运动时的动态误差。分析可知，通过提高系统的机械刚度能够减小误差，提高定位精度。求出了闭环伺服进给系统伺服误差的解析表达式。从表达式可以看出，影响伺服系统伺服误差的主要因素有速度误差、伺服静刚度误差、伺服动刚度误差、静内扰误差和动内扰误差，其中伺服静刚度误差是决定伺服系统定位精度的主要因素。4）通过比较几种常见的消除扰动误差的方法，
16、并针对伺服系统的特点，提出了采用前馈控制的方法来消除伺服静刚度误差，提高伺服系统的伺服静刚度并减小定位精度的措施，并通过 Simulink 仿真进一步验证了此方法的正确性。三. 毕业设计工作计划及进度安排第 1 周 查阅相关资料，确定题目和方案。第 2 周 查阅资料，确定外文翻译，准备开题报告。第 3 周 撰写开题报告，学习数控机床工作原理，初步建立相关数学模型。第 4 周 继续查阅资料，完善充实开题报告，确定工作计划。第 5 周 修改开题报告和外文翻译，撰写文成开题报告及绪论。第 6 周 建立电枢控制伺服电机数学模型和传动机构等效动力数学模型，得出传递函数。7第 7 周 对伺服刚度进行分析，对机械刚度进行分析。第 8 周 得出伺服系统结构和功能部件的参数刚度影响和刚度变化规律。第 9 周 根据上述结果，得出改善刚度的方法及措施。第 10 周 在数学模
