第1章绪论1.1历史的回顾1.2自动控制系统的基本概念1.3自动控制系统的基本类型1.3.1开环、闭环与复合控制系统1.3.2连续系统与离散系统1.3.3线性系统与非线性系统1.3.4定常控制系统与时变控制系统1.3.5恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统1.4控制系统示例1.4.1机床导轨的伺服控制系统1.4.2机床导轨的伺服控制系统的基本原理1.5对控制系统性能的基本要求1.6本书内容的安排本章小结习题第2章控制系统的数学模型2.1系统的数学模型的概念与建立方法2.2控制系统的时域数学模型2.2.1系统的微分方程描述2.2.2机床导轨的伺服控制系统的运动描述2.2.3非线性微分方程的线性化2.3传递函数2.3.1传递函数的定义2.3.2传递函数的表达形式2.3.3典型环节的传递函数2.3.4机床导轨的伺服控制系统的传递函数2.4结构图2.4.1结构图的建立2.4.2机床导轨的伺服控制系统结构图2.4.3结构图的等效变换2.5信号流图2.5.1信号流图的定义2.5.2信号流图的常用术语2.5.3系统的信号流图及绘制方法2.5.4信号流图的变换法则与简化2.5.5梅森公式2.6反馈控制系统的传递函数2.7MATLAB软件介绍及Simulink系统建模方法2.7.1...
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版权所有(C)2014 清华大学出版社有限公司 京ICP备号 京公网安备48号自动控制理论在数控机床维修中的应用
　　1 伺服系统的组成
　　从伺服控制系统的角度可分为开环、闭环和半闭环3种方式。其中闭环与半闭环都是基于反馈控制原理工作的，即把反馈回来的实际位置与NC系统给定的指令值进行比较，比较结果用以控制伺服电机向着消除误差的方向旋转，并最终达到与实际要求相符的运行结果。以X轴闭环控制系统为例，数控机床伺服系统就是由内、外环控制的全闭环位置跟随系统。闭环控制系统结构图如图1所示，其简化数学模型如图2所示。
　　图2中，Xi为输入信号；Kp为控制器内部的软件位置增益，可用于调整系统位置环的开环增益；Kda为数模转换系数；Ks为速度调节器增益；Re为电枢回路电阻；Kq为电机力矩常数；Ke为位置编码器的脉冲数；Kn为速度反馈系数；Kb为反电势常数；J为转动惯量；Xo为输出信号。
　　速度闭环控制模型可简化为：
　　知，数控机床的伺服系统是由位置控制系统和速度控制系统组成，也就是由一阶非周期环节和二阶振荡环节所组成。这是因为：
　　①单纯的一阶非周期环节是不能工作的，由于静态误差太大，计算机的计算和控制再精确都无济于事，单纯的二阶振荡环节对于数控机床也不实用，因为数控机床的最终控制是位置，一般由一阶非周期环节及二阶振荡环节所组成才是可行的；
　　②有了二阶振荡环节的参与，使整个控制系统的动态响应时间变小，灵敏度大为提高，系统易于控制，静态误差可以调节得比较小，既不使机床振荡发散，也不使执行机构的动作滞后，以至于达不到精确的位置精度；在目前的数控系统中，二阶振荡环节大都由软件实现，这就给维修调试带来很多方便。
　　2 影响伺服系统性能的指标
　　目前数控机床的脉冲当量都能达到0．001ｍｍ以上，控制精度高，对于多轴联动的数控机床要求各轴之间有良好的动态配合，否则不仅影响加工效率、加工精度和表面粗糙度，甚至一轴动作过慢，耽误了时序所规定的时间，机床会停止工作。同其他控制系统一样，衡量数字伺服控制系统性能的好坏有3个主要指标：动态过渡时间ｔｓ、超调量&和静态误差&D。（1）动态过渡时间ｔｓ是指阶跃响应达到并保持在终值的&5％误差带内所需要的最短时间。由于数控系统都是总线控制，即数据、地址、控制总线分时且共用的，按预先编制好的程序进行工作，零件有多少个程序段，系统就有多少个动作，也就会有多少个过渡时间，也就是说上一个动作未完成，下一个动作就不能进行，所以过渡时间也不能太长，否则影响加工速度。
　　（2）超调量&是指系统输出响应达到最大值时，其超出稳态值部分与稳态值的比值。超调量太大会使机床在给定点附近来回摆动，此时编码器检测不到目标位置，使机床产生报警停机，从而使下一个动作不能执行。
　　（3）静态偏差&D是指在控制系统的作用下，执行机构在接近目标位置时，静态位置偏移给定值的大小。该偏差值过大，也会使执行机构不能到达正确的位置而报警停机。
　　3 应用实例
　　3.1 实例一
　　日本MAKiO卧 式 加 工 中 心，系 统 为FANUC0ic，在运行过程中发现X轴发生振动，同时伴随巨大的噪声，经分析认为是X轴速度控制的超调量太大，即系统增益过高从而导致机床振荡。按ｓｙｓｔｅｍ键&扩展键&SV　PRM软体键，找到伺服调整画面（见图3），修改LOOP　GAiN，把增益从3　500改为3　000，故障解除。这里需要注意的是，不能仅仅修改X轴的增益，由于加工中心是三轴联动，因此也必须将Y轴、Z轴的增益同时修改为3　000，否则机床就不能实现联动，影响加工精度。
　　3.2 实例二
　　长城机床厂产的896数控车床，系统为FANUC0imatec，加工过程中X轴有时会出现411＃报警，而且故 障 率 越 来 越 高。查 阅FANUC维 修 说 明 书，411＃报警是由于伺服移动误差过大，即系统发出移动指令时，系统的位置偏差计数器（0i系统的诊断号为300）偏差值超过了系统参数（0i系统为1828）所规定的数值，系统发出报警。查看诊断号300，发现数值非常大时系统就报警，因为X轴带刹车，所以分析是刹车故障导致位置偏差值过大，测量X轴的刹车线圈电阻显示正常，用示波器测量刹车的DC24V电压时有时无，由于刹车是断电刹车，因此当线圈没有电压时刹车起作用，从而导致报警，经过仔细检查发现是供给刹车线圈电压的DC24V中间继电器底座有问题，导致接触不良，更换底座后，机床恢复正常。
图3 伺服调整画面
　　3.3 实例三
　　台湾高明五面体加工中心，系统为FANUC0系统，开机准备完毕马上就出现420报警，在FANUC维修说明书上指出420报警是由于Y轴伺服移动误差过大，即系统发出停止移动指令或静止时，系统的位置偏差计数器（0系统的诊断号为801）偏差值超过了系统参数（0系统为594）所规定的数值，因此系统发出报警。报警同时发现X轴往下移动一点。经分析是由于主轴自重下移导致静态偏差过大产生报警，因为Y轴是垂直轴，一般在伺服准备好以后电机线圈得电，电机靠自身的扭矩防止下移，但是检查发现Y轴电机的U相断线，电机缺相，自身的扭矩不足以承受主轴的重力。经更换电缆后，机床恢复正常。前言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
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系统控制软件设计 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 24
致谢 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 27
参考文献 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 28
现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工程工业的渗透，从而使机械工业的技术结构、产品、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大的变化，工业生产已由“机械电气化”迈出了“机电一体化”时代的发展阶段。
机电一体化是指从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能的价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。
一个较完整的机电一体化系统应该包括以下几个要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的数控系统这类典型的机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展
课程设计的目的、意义及要求
课程设计的目的,意义
《机电一体化系统设计》课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。主要目的是：
1. 能够正确运用《机电一体化系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；
2. 学习机电一体化系统设计方案的拟定、分析与比较的方法。
3. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；
4. 通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式；
5. 通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；
6. 通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。
课程设计的要求：
1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；
2. 认真阅读《课程设计指导书》，明确题目及具体要求；
3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准；
4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；
5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；
6. 微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；
7. 课程设计说明书一份，包括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。
课程设计的内容
课程设计题目：两维数控平台及控制系统设计。
已知条件：脉冲当量：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h（中等冲击）， 工作台的有效行程为LX=300mm,Ly=200;快速进给速度Vxmax=800mm/minVymax=800mm/min和工作载荷2000N
课程设计的内容
1.数控装置总体方案的确定
(1).数控装置设计参数的确定；
(2).方案的分析，比较，论证。
2.机械部分的设计
(1).确定脉冲当量；
(2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；
(3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用；
(4).确定伺服电机；
(5).绘制机械结构装配图；
(6).系统等效惯量计算；
(7).系统精度分析。
3.数控系统的设计
(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；
(2).I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用；
(3).系统控制软件的设计
4.编写课程设计说明书
说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明,尽量用计算机完成；伺服控制系统原理_中国百科网
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伺服控制系统原理
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