开环进给伺服系统

  使用功率作为伺服驱动装置的开环进给系统,曾在硬线上得到广泛应用,20世纪70年代以后逐渐为闭环进给系统所取代。现在国内一些普通机床的数控化改造,仍在使用功率步进电机的开环进给系统,计算机的外围设备绘图机,多数也采用步进电机开环进给系统来驱动绘图笔。设计步进电机开环进给系统要解决的问题是:传动计算、进给指令的给定和步进电机的驱动电路,现分述如下。

    

               图1 开环进给伺服系统


 1.步进电机开环进给系统的传动计算

   如图1(a)所示为直线进给系统,系统的脉冲当量 (mm),决定于步进电机的步距角。齿轮传动比
i和滚珠丝杠的导程
t(mm),其关系是

                

                       (1)

   对于图1(b)所示的圆周进给系统,如数控转台,设脉冲当量为 ,蜗杆为
Z
k头,蜗
 轮为Zw齿,则有
                     (2)
   步进电机开环进给系统的脉冲当量一般取为0.01mm或0.001°,也有选用0.005~0.002mm或者0.005~0.002°的,脉冲当量小,进给位移的分辨率和精度就高,但是由于进给速度(mm/min)或(mm/min),在同样的最高工作频率f 时,δ越小则最大进给速度值也越小。步进电机的进给系统使用齿轮传动,不仅是为了求得所需的脉冲当量,还有满足结构要求和增大转矩的作用。
 2.提高开环进给伺服系统位移精度的措施
   开环进给系统中,步进电机的步距角精度,机械传动部件的精度,丝杠、支承的传动间隙及传动支承件的变形等,将直接影响进给位移的精度,为了提高系统的精度,应该适当提高系统组成环节的精度,此外,还可采取各种精度补偿措施。
   传动间隙补偿
    在进给传动机构中,提高传动元件的制造精度并采取消除传动间隙的措施,可以减小但不能完全消除传动间隙。由于间隙的存在,接受反向进给指令后,最初的若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用,因此产生了传动误差。传动间隙补偿的基本方法是:当接受反向位移指令后,首先不向步进电机输送反向位移脉冲,而是由间隙补偿电路或补偿软件发出一定数量的补偿脉冲,使步进电机转动越过传动间隙,然后再按指令脉冲使执行部件作准确的位移。
间隙补偿脉冲的数目由实测决定,并作为参数存贮起来,接受反向指令信号后,每向步进电机输送1个补偿脉冲的同时,将所存的补偿脉冲数减1,直至存数为0时,发出补偿完成信号,控制脉冲输出门向步进电机分配进给指令脉冲。
   螺距误差补偿
    用螺距误差补偿电路或软件补偿的方法,可以补偿滚珠丝杠的螺距累积误差,以提高进给位移精度。首先要实测执行部件全行程的位移误差,在累积误差值达到一个位移脉冲当量的位置处,用硬件(如行程开关和挡块)或软件(查找位移误差表,确定误差位置和误差大小)的方法,发出一个正或负补偿脉冲,使步进电机少走或多走和误差大小相同的步数,从而校正位移误差。
,  使用功率作为伺服驱动装置的开环进给系统,曾在硬线上得到广泛应用,20世纪70年代以后逐渐为闭环进给系统所取代。现在国内一些普通机床的数控化改造,仍在使用功率步进电机的开环进给系统,计算机的外围设备绘图机,多数也采用步进电机开环进给系统来驱动绘图笔。设计步进电机开环进给系统要解决的问题是:传动计算、进给指令的给定和步进电机的驱动电路,现分述如下。

    

               图1 开环进给伺服系统


 1.步进电机开环进给系统的传动计算

   如图1(a)所示为直线进给系统,系统的脉冲当量 (mm),决定于步进电机的步距角。齿轮传动比
i和滚珠丝杠的导程
t(mm),其关系是

                

                       (1)

   对于图1(b)所示的圆周进给系统,如数控转台,设脉冲当量为 ,蜗杆为
Z
k头,蜗
 轮为Zw齿,则有
                     (2)
   步进电机开环进给系统的脉冲当量一般取为0.01mm或0.001°,也有选用0.005~0.002mm或者0.005~0.002°的,脉冲当量小,进给位移的分辨率和精度就高,但是由于进给速度(mm/min)或(mm/min),在同样的最高工作频率f 时,δ越小则最大进给速度值也越小。步进电机的进给系统使用齿轮传动,不仅是为了求得所需的脉冲当量,还有满足结构要求和增大转矩的作用。
 2.提高开环进给伺服系统位移精度的措施
   开环进给系统中,步进电机的步距角精度,机械传动部件的精度,丝杠、支承的传动间隙及传动支承件的变形等,将直接影响进给位移的精度,为了提高系统的精度,应该适当提高系统组成环节的精度,此外,还可采取各种精度补偿措施。
   传动间隙补偿
    在进给传动机构中,提高传动元件的制造精度并采取消除传动间隙的措施,可以减小但不能完全消除传动间隙。由于间隙的存在,接受反向进给指令后,最初的若干个指令脉冲只能起到消除间隙的作用,因此产生了传动误差。传动间隙补偿的基本方法是:当接受反向位移指令后,首先不向步进电机输送反向位移脉冲,而是由间隙补偿电路或补偿软件发出一定数量的补偿脉冲,使步进电机转动越过传动间隙,然后再按指令脉冲使执行部件作准确的位移。
间隙补偿脉冲的数目由实测决定,并作为参数存贮起来,接受反向指令信号后,每向步进电机输送1个补偿脉冲的同时,将所存的补偿脉冲数减1,直至存数为0时,发出补偿完成信号,控制脉冲输出门向步进电机分配进给指令脉冲。
   螺距误差补偿
    用螺距误差补偿电路或软件补偿的方法,可以补偿滚珠丝杠的螺距累积误差,以提高进给位移精度。首先要实测执行部件全行程的位移误差,在累积误差值达到一个位移脉冲当量的位置处,用硬件(如行程开关和挡块)或软件(查找位移误差表,确定误差位置和误差大小)的方法,发出一个正或负补偿脉冲,使步进电机少走或多走和误差大小相同的步数,从而校正位移误差。

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