数控机床伺服系统刚度对定位精度影响的研究
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摘要
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。具体包括：
1．把数控机床伺服进给系统抽象为伺服驱动模块和机械传动系统模块的串联。分别建立了电枢控制的伺服电机的数学模型和机械传动机构的等效动力学模型，得出了传递函数，然后综合为伺服系统的传递函数。
2．伺服系统的刚度可分为机械刚度和伺服刚度。分别对机械刚度和伺服刚度作了分析，得出了伺服系统的结构和功能部件的参数对系统刚度的影响和刚度的变化规律，并提出了改善刚度的方法和措施。
3．根据建立的数控伺服系统的数学模型，分析了伺服进给系统在位置信号、速度信号输入下的稳态误差和伺服系统在开环和闭环时的定位误差，求出了闭环伺服系统伺服误差的表达式，并对表达式作了分析。
4．分析了开环、半闭环、闭环时伺服系统的刚度对定位精度的影响。重点分析了影响伺服系统定位精度的主要因素伺服静刚度误差。并采用前馈控制的方法来消除伺服静刚度误差以提高伺服系统的定位精度，并通过simulink仿真对此方法作了验证。
Modern numerical control machine trends toward to high precision , high speed, the structure is request more and more appropriate. The performance ,precision and efficiency tend towards advance, too. Especially, the requirement for machine tool servo system has been more and more higher. The performance index of servo system in NC machine can summary to: high precision, quick-response, stabilization. Obviously, positioning precision of the NC machine is the important guideline to judge the performance .The influence factor of the positioning precision are multiform, rigidity of the feed system is the uppermost Therefore, study for influence of rigidity of feed system in NC machine on position precision have very signification.
In the paper, have studied the rigidity and the position precision. The influence factor of the rigidity and the position precision have educed. After then, have analysed the influence of rigidity on position precision, and put forward the improvement measure of rigidity and position precision. Including:
1. Divide the NC feeding system into servo drive module and machine drive module. Parted create the servo drive system mathematic model and the actuating mechanism dynamic model and mathematic model. Educed the transfer function, then association with the transfer function of the feed system.
2. The rigidity of the feeding system can divide into mechanical rigidity and servo rigidity and then analysed them. The structure and parameter of function unit in the feed system have been educed, and the regular pattern too, and then put forward the improvement measure of rigidity.
3. According to the created model of the feed system. The steady error that create in feed system when input position signaling and rate signal, and the position error when open loop and close loop in the feed system. Working-out the servo error expression of the feed system in close loop, and analysed the expression.
4. Study for influence of rigidity of feed system on position precision in open loop and close loop. The servo statically rigidity error has been study emphasis, and put forward the method to eliminate the servo statically rigidity error by taking the feedforward control. The validity of this method has proved by simulink simulation.
本文对伺服系统的刚度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。具体包括：
1．把数控机床伺服进给系统抽象为伺服驱动模块和机械传动系统模块的串联。分别建立了电枢控制的伺服电机的数学模型和机械传动机构的等效动力学模型，得出了传递函数，然后综合为伺服系统的传递函数。
2．伺服系统的刚度可分为机械刚度和伺服刚度。分别对机械刚度和伺服刚度作了分析，得出了伺服系统的结构和功能部件的参数对系统刚度的影响和刚度的变化规律，并提出了改善刚度的方法和措施。
3．根据建立的数控伺服系统的数学模型，分析了伺服进给系统在位置信号、速度信号输入下的稳态误差和伺服系统在开环和闭环时的定位误差，求出了闭环伺服系统伺服误差的表达式，并对表达式作了分析。
4．分析了开环、半闭环、闭环时伺服系统的刚度对定位精度的影响。重点分析了影响伺服系统定位精度的主要因素伺服静刚度误差。并采用前馈控制的方法来消除伺服静刚度误差以提高伺服系统的定位精度，并通过simulink仿真对此方法作了验证。
Modern numerical control machine trends toward to high precision , high speed, the structure is request more and more appropriate. The performance ,precision and efficiency tend towards advance, too. Especially, the requirement for machine tool servo system has been more and more higher. The performance index of servo system in NC machine can summary to: high precision, quick-response, stabilization. Obviously, positioning precision of the NC machine is the important guideline to judge the performance .The influence factor of the positioning precision are multiform, rigidity of the feed system is the uppermost Therefore, study for influence of rigidity of feed system in NC machine on position precision have very signification.
In the paper, have studied the rigidity and the position precision. The influence factor of the rigidity and the position precision have educed. After then, have analysed the influence of rigidity on position precision, and put forward the improvement measure of rigidity and position precision. Including:
1. Divide the NC feeding system into servo drive module and machine drive module. Parted create the servo drive system mathematic model and the actuating mechanism dynamic model and mathematic model. Educed the transfer function, then association with the transfer function of the feed system.
2. The rigidity of the feeding system can divide into mechanical rigidity and servo rigidity and then analysed them. The structure and parameter of function unit in the feed system have been educed, and the regular pattern too, and then put forward the improvement measure of rigidity.
3. According to the created model of the feed system. The steady error that create in feed system when input position signaling and rate signal, and the position error when open loop and close loop in the feed system. Working-out the servo error expression of the feed system in close loop, and analysed the expression.
4. Study for influence of rigidity of feed system on position precision in open loop and close loop. The servo statically rigidity error has been study emphasis, and put forward the method to eliminate the servo statically rigidity error by taking the feedforward control. The validity of this method has proved by simulink simulation.
引文
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