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數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)研討-資料下載頁

2025-01-01 13:40本頁面
  

【正文】 ,指令位置在 Ci位置,此時實際位置在 點,跟隨誤差 。在 te時刻,插補完成,再沒有新的位置命令發(fā)出,此時仍存在跟隨誤差 E, 坐標軸仍繼續(xù)運動,直到 時刻,實際位置到 Ce位置,即跟隨誤差為零時才完全停止。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)跟隨誤差 E為 式中 υ—— 移動部件(工作臺)的運動速度; KV—— 系統(tǒng)開環(huán)增益。 KV越大,則跟隨誤差 E越小,但 KV過大時,穩(wěn)定性變差;在 KV一定時,運動速度越大,則跟隨誤差 E越大。數(shù)控機床的高速進給運動提高了加工效率,但為了同時保證加工精度,就對伺服系統(tǒng)提出了更高的要求。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 動態(tài)性能 動態(tài)就是控制系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)向新的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的過度過程。伺服系統(tǒng)在控制過程中,幾乎始終處于動態(tài)過度過程中。動態(tài)指標可分為對給定輸入的跟隨性能和對擾動輸入的抗干擾性能兩部分。 對給定輸入的跟隨性能指標 對一個閉環(huán)控制系統(tǒng),通常用輸入單位階躍信號,然后觀察它的輸出響應(yīng)過程,從而來評價其動態(tài)性能的好壞。圖531所示為輸入 R(t)和輸出 C(t)的過程曲線,常用的性能指標有: 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)圖 531 動態(tài)跟隨過程曲線 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) ( 1)上升時間 tr 上升時間 tr是輸出響應(yīng)曲線第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 C(∞) 所需要的時間。 ( 2)調(diào)節(jié)時間 ts 輸出響應(yīng) C(t)與穩(wěn)定值 C(∞) 的差值小于等于穩(wěn)態(tài)值的 177。 ( 2%~ 5%),其不再超出所需要的時間。 ( 3)調(diào)節(jié)量 MP% 系統(tǒng)輸出響應(yīng) tP時刻到達最大值其超出穩(wěn)態(tài)值的部分與穩(wěn)態(tài)值的比值稱為超調(diào)量,通常取百分數(shù)形式,即 ( 4) 振蕩次數(shù) N N為響應(yīng)曲線在 ts時刻之前發(fā)生振蕩的次數(shù)。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 以上指標中,調(diào)節(jié)時間 ts越小,表明系統(tǒng)快速跟隨的性能越好;調(diào)節(jié)量 MP% 越小,表明系統(tǒng)在跟隨過程中比較平穩(wěn),但往往也比較遲鈍。顯然,作為數(shù)控機床的伺服系統(tǒng),希望上述性能指標都能做到越小越好,然而,在實際控制中,快速性要求與平穩(wěn)性要求相矛盾,需按照加工工藝的要求在各項性能指標中作出合理的選擇。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 對擾動輸入的抗干擾性能指標 抗干擾性能是指:當系統(tǒng)的給定輸入不變時,在受到階躍擾動后,克服擾動的影響而自行恢復(fù)的能力。常用最大動態(tài)降落和恢復(fù)時間指標來衡量系統(tǒng)的抗干擾能力。圖 532所示為一個調(diào)速系統(tǒng)在突加負載時轉(zhuǎn)矩 M與轉(zhuǎn)速 n的動態(tài)響應(yīng)曲線。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)圖 532 突加負載后轉(zhuǎn)速的擾動響應(yīng)曲線 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) ( 1)最大動態(tài)速度 Δ nm 表明系統(tǒng)在突加負載后及時作出反映的能力,常以穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的百分比表明: ( 2) 恢復(fù)時間 tP 由擾動作用瞬間至輸出量恢復(fù)到允許范圍內(nèi)(一般取穩(wěn)態(tài)值 177。2 %~ 5%)所經(jīng)歷的時間。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 根據(jù)伺服系統(tǒng)對動態(tài)性能的要求,抗干擾性能應(yīng)使各種擾動輸入對系統(tǒng)跟蹤精度的影響減小至最小。當擾動負載輸入后,同時要做到動態(tài)降落與恢復(fù)時間兩項指標最小有時存在矛盾,一方面,當系統(tǒng)時間常數(shù)愈大,則輸出響應(yīng)的最大動態(tài)降落愈小,而恢復(fù)時間越長,反之,時間常數(shù)愈小,動態(tài)降落越大,但恢復(fù)時間短;另一方面,伺服系統(tǒng)在給定輸入作用下輸出響應(yīng)超調(diào)量越大,上升時間越短,則它的抗干擾性能就越好,而超調(diào)量較小、上升時間較長的系統(tǒng),恢復(fù)時間就長。這就是跟蹤性能與抗干擾性能之間存在一定的制約和矛盾的地方,也是閉環(huán)控制系統(tǒng)固有的局限性。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 輪廓加工中的跟隨精度 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中,點位控制系統(tǒng)由于在運動過程組不進行加工,因此只有定位精度對加工精度的影響最重要,而定位時間以及如何趨近定位點等問題只會影響效率,不會影響加工精度。但對連續(xù)切削控制系統(tǒng),由于一邊進給,一邊要加工零件的輪廓,除了要求定位精度準確外,在整個進給過程中,要求能穩(wěn)定而靈敏地跟隨指令,使實際運動軌跡盡量接近程序給定的軌跡,即要求具有高的輪廓跟隨精度。 輪廓跟隨精度與伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性有關(guān),其中增益、驅(qū)動時間常數(shù)等參數(shù)的影響尤為突出。此外還與運動速度及輪廓切線方向變化率等因素有關(guān)。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 輪廓跟隨精度檢驗 目前,對輪廓控制的跟隨精度尚未有統(tǒng)一的測量標準。輪廓跟隨精度的測量比較困難,一般通過切削加工一定輪廓形狀的工件,檢驗其加工誤差來評價。以數(shù)控銑床為例,目前多采用規(guī)定的鋁合金或鑄鐵試件進行精度檢驗。 ( 1)用 X、 Y坐標的直線插補,對方形試件的四周進行精銑,背吃刀量約為 。 安裝試件時,使試件的一個加工面與坐標軸成 30176。 角,如圖 533a所示。檢驗的項目有: 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) ① 四周的直線度,即 A、 B、 C和 D面的直線度。 ② 相對面間的平行度,即 A和 C面的平行度, B和 D面的平行度。 ③ 相鄰兩面間的垂直度,即 A和 B、 B和 C、 C和 D及 D和 A間的垂直度。 ( 2)用 X、 Y坐標的圓弧插補,試件如圖 533所示,對圓周面進行精銑,把吃刀量約為 。 檢驗的項目為圓周。 以上檢驗結(jié)果綜合反映了機床的輪廓切削精度,其中既有機床兩坐標的跟隨精度的影響,也包含由切削力發(fā)現(xiàn)變化而產(chǎn)生的影響。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 跟隨誤差與輪廓誤差之間的關(guān)系 輪廓誤差是指實際軌跡與要求軌跡之間的最短距離。在加工中可能產(chǎn)生的輪廓誤差有兩軸聯(lián)動加工直線的輪廓誤差和加工圓弧的輪廓誤差。 ( 1)兩軸聯(lián)動加工直線的輪廓誤差 如圖 534所示,在 X— Y平面內(nèi)進行直線加工, ε 為要求軌跡與實際軌跡之間的誤差, EX和 EY分別為 X軸和 Y軸的跟隨誤差。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 由于存在跟隨誤差,再某一時刻,指令位置在 P點,而實際位置在點,則輪廓誤差 ε 為式中 、 —— X軸、 Y軸的運動速度 。 —— X軸、 Y軸聯(lián)動的合成速度, ; ΔK V—— X軸增益 KVX和 Y軸增益 KVY的差值, ΔK V=KVX-KVY; 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) KV—— 平均增益, 。 當 KVX=KVY時, ΔK V=0, 所以 ε=0 。 說明當兩軸的系統(tǒng)增益相同時,即使有跟隨誤差,也不會產(chǎn)生輪廓誤差。 Δ KV增大, ε 就增大,實際運動軌跡將偏離指令軌跡。因此在坐標聯(lián)動控制中,必須調(diào)整聯(lián)動坐標軸的增益要相等,否則軸易產(chǎn)生輪廓誤差。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)( 2)加工圓弧的輪廓誤差 圖 535所示為跟隨誤差對圓弧加工的影響。 圖 535 跟隨誤差對圓弧加工的影響 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 設(shè)指令圓弧為 , X、 Y兩個軸的伺服系統(tǒng)增益相同, KVX=KVY, 進給速度 =常數(shù)。當指令位置在P(X,Y)點時,由于跟隨誤差 EX和 EY的存在,實際位置在點 處,實際圓弧 與指令圓弧的半徑差 ΔR 可由幾何關(guān)系求得 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 從上式可見,加工誤差與進給速度的平方成正比,與系統(tǒng)增益的平方成反比。降低進給速度,增大系統(tǒng)增益將提高輪廓加工精度。同時可以看出,加工圓弧的半徑愈大,加工誤差愈小。對于一定的加工條件,當兩軸系統(tǒng)增益相同時,ΔR 為常值,引起尺寸誤差,該項誤差可以在編程時,通過刀具半徑補償功能予以補償。 實際上,在大多數(shù)連續(xù)切削控制系統(tǒng)中,兩軸的系統(tǒng)增益稍有差異。此時,加工圓弧時會產(chǎn)生形狀誤差,加工時會使圓形變成橢圓形。因此,要求數(shù)控機床各軸的系統(tǒng)增益盡量接近?,F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)均帶有跟隨誤差和 KV值的監(jiān)視顯示。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)參數(shù) 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)由位置環(huán)和速度環(huán)組成,兩個環(huán)的參數(shù)調(diào)整是否合適,直接影響到伺服系統(tǒng)的性能。在現(xiàn)代 CNC系統(tǒng)中,位置環(huán)的參數(shù)調(diào)整可通過系統(tǒng)上的 CRT/MDI操作進行參數(shù)設(shè)置,由系統(tǒng)軟件進行控制;速度環(huán)的參數(shù)調(diào)整可通過驅(qū)動裝置上的調(diào)節(jié)電位器或參數(shù)設(shè)定來調(diào)整。在全數(shù)字的數(shù)控系統(tǒng)中,由于數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動的總線通信,因此位置環(huán)和速度環(huán)的參數(shù)調(diào)整可在 CRT/MDI上進行,并可通過 CRT /MDI監(jiān)控伺服系統(tǒng)的狀態(tài)。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 增益調(diào)整 增益是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的重要指標之一,它對穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能都眼很大的影響。一般將 KV< 20的伺服系統(tǒng)稱為低增益或軟伺服系統(tǒng)。而把 KV> 20的伺服系統(tǒng)稱為高增益或硬伺服系統(tǒng)。用于輪廓加工的連續(xù)控制應(yīng)選用高增益系統(tǒng),而低增益系統(tǒng)多用于點位控制。并非系統(tǒng)的增益越高越好,當輸入速度突變舌頭,高增益可能導(dǎo)致輸出變化劇烈,機械要受到較大的沖擊,有的還可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。低增益系統(tǒng)也有它的優(yōu)點,如系統(tǒng)調(diào)整比較容易,對干擾不敏感,加工的表面粗糙度值小等。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 調(diào)速范圍 伺服系統(tǒng)為了達到高速快移和單步點動的目的,要求調(diào)速范圍很寬。伺服系統(tǒng)在低速情況下實現(xiàn)平穩(wěn)進給,要求有較大的增益,以克服由靜摩擦等因素引起的控制 “ 死區(qū) ” ,避免工作臺出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。設(shè)死區(qū)范圍為 A, 則 A≤δ KV, 其中 δ 為脈沖當量若取 δ=, KV=171/s, 則最低運動速度 ≥=17= mm/s=。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 最高運行速度除了加工要求外,從系統(tǒng)控制的角度看有一個檢測與反饋的問題。在 CNC系統(tǒng)中 ,必須考慮軟件處理時間是否足夠。若取調(diào)速比 N為 1000, KV=17 1/s, 則對應(yīng)于最高進給速度 的脈沖頻率 : 對應(yīng)于 的最小時間間隔 ,即系統(tǒng)必須在該時間內(nèi)通過硬件或軟件完成位置檢測與控制的運算。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 同時,還要考慮在允許的跟隨誤差 E的條件下,最高進給速度 ,即 =KVE。 表 5- 2所示為 SINUMERIK810系統(tǒng)部分位置環(huán)伺服參數(shù),供參考。 機床數(shù)據(jù)號 含 義 允許值 標準值 單位MD252* KV增益 0~ 10000 1666 MD260* 復(fù)合增益 0~ 64000 2700 1000μm/minMD276* 加速度 0~ 2023 50 10000μm/minMD280* 最大進給速度 0~ 44000 10000 1000μm/minMD332* 輪廓監(jiān)控公差帶 0~ 32023 1000 —表 5- 2 SINUMERIK810系統(tǒng)伺服參數(shù)(部分) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 表中, 252*等機床數(shù)據(jù)號是參數(shù)設(shè)置的地址值,標準值1666等是該地址下的設(shè)定數(shù)據(jù),在機床調(diào)整過程中,根據(jù)實際情況,在允許值的范圍內(nèi)進行調(diào)整。 圖 536所示為 SINUMERIK810CNC位置伺服監(jiān)控 CRT顯示,表 53為監(jiān)控參數(shù)的說明。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)名稱 單位 說明跟隨誤差Following error位控分辨力 指令位置值與實際位置之間的差值絕對實際值A(chǔ)bsolute actual value位控分辨力 軸的實際位置指令值Set value位控分辨力 根據(jù)編程所指定的目標位置指令速度Set speedVELO1 VELO=由位置偏差轉(zhuǎn)換成的速度指令模擬電壓實際增量Return value位控分辨力 在每個采樣周期中,從測量系統(tǒng)來經(jīng)倍頻后的脈沖數(shù)指令增量Segment Value位控分辨力 在每個插補周期中輸出到位置控制器的脈沖數(shù)輪廓偏差Contour deviation位控分辨力 由于跟隨誤差的變化而引起的輪廓偏差OFL — 脈沖輸入頻率超過計數(shù)器頻率,則置 “1”表 53 SINUMERIK810伺服監(jiān)控說明數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 全數(shù)字式伺服系統(tǒng) 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)的構(gòu)成 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)是位置隨動系統(tǒng),需要對位置和速度進行精確控制。通常需要處理位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的控制信息,根據(jù)這些信息是用軟件來處理還是用硬件處理,可以將伺服系統(tǒng)分為全數(shù)字式和混合式。 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 混合式伺服系統(tǒng)是位置環(huán)用軟件控制,速度環(huán)和電流環(huán)用硬件控制。在混合式伺服系統(tǒng)中,位置環(huán)控制在數(shù)控系統(tǒng)中進行,并由 CNC插補得出
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