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幾種數控系統的分析與研究
閱讀：287 發布時間：2014-7-14
引言
任何國家、工業和國民經濟的發展，zui基本的是依靠人員素質、裝備精良和資源充足三者，而工業發展所*的裝備就是機床。機床的*、機床工業的實力強大，對一國工業和國民經濟的加速發展具有極其重大的戰略意義。數控機床作為其*代表，代表了機床行業發展的方向和未來。所以對機床數控系統進行分析與研究相當重要，具有深遠的意義。
機床數控系統的檢測裝置和反饋元件，通常安裝在機床的工作臺或絲杠上，相當于普通機床的刻度和人的眼睛。它把機床工作臺的實際位移轉變成電信號反饋給數控裝置，供數控裝置與指令值比較產生誤差信號，以控制機床向消除該誤差的方向移動。
按有無檢測裝置，數控系統可以分為開環與閉環數控系統，而按檢測裝置的安裝位置又可以分為閉環與半閉環數控系統。下面對幾種數控系統分別進行分析與研究：
1開環數控系統
開環數控系統結構簡單，沒有檢測和反饋裝置，數控裝置發出的指令信號是單向的，所以不存在系統穩定性問題。因為無位置反饋裝置，所以精度不高，其精度主要取決于伺服系統的性能。開環數控系統具有工作穩定，反應迅速，調試方便，維修簡單，價格低廉等優點，在精度和速度要求不高，驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。但是長期運行或啟動及結束時易產生丟步和超步的現象，很難提高加工精度。在我國，經濟型數控機床一般都采用開環數控系統。
2半閉環數控系統
半閉環數控系統的位置采樣點是從驅動裝置（常用伺服電機）或絲杠引出，通過采樣旋轉角度而不是采樣運動部件的實際位置進行檢測。因此，由絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的誤差難以消除。半閉環數控系統閉環環路內不包括或只包括少量機械傳動環節，因此可以獲得穩定的控制性能，而機械傳動環節帶來的誤差可用誤差補償的方法消除，因此仍可以獲得比較滿意的精度。這種系統結構簡單，測試方便，精度也較高，因而在現代數控機床中得到了廣泛的應用。
3閉環數控系統
由于機械傳動裝置的剛性、摩擦阻尼等非線性因素和傳動間隙等都不包括在半閉環伺服系統環內，因而其大部分傳動間隙，彈性變形，滾珠絲杠螺母的誤差及滯后都對機床精度產生影響。為了解決這些問題，閉環數控系統應運而生。閉環數控系統的位置采樣點如圖1所示，是從機床運動部件上直接引出，通過采樣運動部件的實際位置進行檢測，可以消除整個放大和傳動環節的誤差、間隙和失動，因而具有很高的位置控制精度。但是由于位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統的不穩定，使閉環數控系統的設計、安裝和調試都相當困難。閉環數控系統主要應用于精度要求很高的精鏜床、超精車床、超精磨床等。
4雙閉環數控系統
雙閉環數控系統是半閉環和閉環控制相結合的產物，不僅具有高精度的位置控制功能，而且還具有*的穩定性和易調試性，其系統組成如圖2所示。該系統的特點是，整個系統由內外兩個位置環組成，其中內部閉環為轉角位置閉環，其檢測元件為裝于電機軸上的光電編碼盤，驅動裝置為交流伺服系統，由此構成一以電機轉角θo為輸出，指令轉角θi為輸入的角度隨動系統。外部位置閉環采用光柵、感應同步器等線位移檢測元件直接獲得機床工作臺的位移信息，并以內環的轉角隨動系統為驅動裝置驅動工作臺運動。該數控系統即有較好的穩定性，又可達到很高的控制精度，具有廣泛的適用范圍。
5包含工件在內的全閉環數控系統
檢測裝置采樣工作臺的實際位置的閉環數控系統，無法在現場環境下根據外部干擾和隨機因素實時動態調整加工余量，從而影響加工精度，尺寸分散性大。包含工件在內的全閉環數控系統，在線檢測技術使在線檢測系統與機床、刀具、工件組成一個全閉環系統，在線檢測系統將測得的工件尺寸信號與反饋給數控機床，控制刀具進給，從而保證工件加工精度。如圖3所示，數控系統在線檢測系統由傳感器、調理電路、驅動系統和單片機控制系統組成。研究設計此系統重點是解決檢測裝置，要求檢測裝置要有較好的動態性能，而動態性能主要是它的頻率特性。
6結束語
中國的制造業要實現從大國到強國，從低端到，數控技術是關鍵技術，具有高精度、率、柔性自動化等特點，對制造業實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。我國的數控技術的發展呈現出的廣闊前景，但與國外發達國家相比水平還較低，所以，大力發展數控技術，振興機床行業，具有重大的現實意義和深遠意義。
任何國家、工業和國民經濟的發展，zui基本的是依靠人員素質、裝備精良和資源充足三者，而工業發展所*的裝備就是機床。機床的*、機床工業的實力強大，對一國工業和國民經濟的加速發展具有極其重大的戰略意義。數控機床作為其*代表，代表了機床行業發展的方向和未來。所以對機床數控系統進行分析與研究相當重要，具有深遠的意義。
機床數控系統的檢測裝置和反饋元件，通常安裝在機床的工作臺或絲杠上，相當于普通機床的刻度和人的眼睛。它把機床工作臺的實際位移轉變成電信號反饋給數控裝置，供數控裝置與指令值比較產生誤差信號，以控制機床向消除該誤差的方向移動。
按有無檢測裝置，數控系統可以分為開環與閉環數控系統，而按檢測裝置的安裝位置又可以分為閉環與半閉環數控系統。下面對幾種數控系統分別進行分析與研究：
1開環數控系統
開環數控系統結構簡單，沒有檢測和反饋裝置，數控裝置發出的指令信號是單向的，所以不存在系統穩定性問題。因為無位置反饋裝置，所以精度不高，其精度主要取決于伺服系統的性能。開環數控系統具有工作穩定，反應迅速，調試方便，維修簡單，價格低廉等優點，在精度和速度要求不高，驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。但是長期運行或啟動及結束時易產生丟步和超步的現象，很難提高加工精度。在我國，經濟型數控機床一般都采用開環數控系統。
2半閉環數控系統
半閉環數控系統的位置采樣點是從驅動裝置（常用伺服電機）或絲杠引出，通過采樣旋轉角度而不是采樣運動部件的實際位置進行檢測。因此，由絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的誤差難以消除。半閉環數控系統閉環環路內不包括或只包括少量機械傳動環節，因此可以獲得穩定的控制性能，而機械傳動環節帶來的誤差可用誤差補償的方法消除，因此仍可以獲得比較滿意的精度。這種系統結構簡單，測試方便，精度也較高，因而在現代數控機床中得到了廣泛的應用。
3閉環數控系統
由于機械傳動裝置的剛性、摩擦阻尼等非線性因素和傳動間隙等都不包括在半閉環伺服系統環內，因而其大部分傳動間隙，彈性變形，滾珠絲杠螺母的誤差及滯后都對機床精度產生影響。為了解決這些問題，閉環數控系統應運而生。閉環數控系統的位置采樣點如圖1所示，是從機床運動部件上直接引出，通過采樣運動部件的實際位置進行檢測，可以消除整個放大和傳動環節的誤差、間隙和失動，因而具有很高的位置控制精度。但是由于位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統的不穩定，使閉環數控系統的設計、安裝和調試都相當困難。閉環數控系統主要應用于精度要求很高的精鏜床、超精車床、超精磨床等。
4雙閉環數控系統
雙閉環數控系統是半閉環和閉環控制相結合的產物，不僅具有高精度的位置控制功能，而且還具有*的穩定性和易調試性，其系統組成如圖2所示。該系統的特點是，整個系統由內外兩個位置環組成，其中內部閉環為轉角位置閉環，其檢測元件為裝于電機軸上的光電編碼盤，驅動裝置為交流伺服系統，由此構成一以電機轉角θo為輸出，指令轉角θi為輸入的角度隨動系統。外部位置閉環采用光柵、感應同步器等線位移檢測元件直接獲得機床工作臺的位移信息，并以內環的轉角隨動系統為驅動裝置驅動工作臺運動。該數控系統即有較好的穩定性，又可達到很高的控制精度，具有廣泛的適用范圍。
5包含工件在內的全閉環數控系統
檢測裝置采樣工作臺的實際位置的閉環數控系統，無法在現場環境下根據外部干擾和隨機因素實時動態調整加工余量，從而影響加工精度，尺寸分散性大。包含工件在內的全閉環數控系統，在線檢測技術使在線檢測系統與機床、刀具、工件組成一個全閉環系統，在線檢測系統將測得的工件尺寸信號與反饋給數控機床，控制刀具進給，從而保證工件加工精度。如圖3所示，數控系統在線檢測系統由傳感器、調理電路、驅動系統和單片機控制系統組成。研究設計此系統重點是解決檢測裝置，要求檢測裝置要有較好的動態性能，而動態性能主要是它的頻率特性。
6結束語
中國的制造業要實現從大國到強國，從低端到，數控技術是關鍵技術，具有高精度、率、柔性自動化等特點，對制造業實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。我國的數控技術的發展呈現出的廣闊前景，但與國外發達國家相比水平還較低，所以，大力發展數控技術，振興機床行業，具有重大的現實意義和深遠意義。