力矩电机的控制系统设计与性能实验论文.doc
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力矩电机的控制系统设计与性能实验论文,力矩电机的控制系统设计与性能实验摘要现代高档数控机床的发展对转台旋转进给伺服性能提出了越来越高的要求，在各种数控转台中，传统的驱动方式难以实现高精度加工。本文采用kollmirgen力矩电机直接驱动数控转台，消除了中间传动环节，具响应速度快、动态刚度和定位精度高等特点。本文依据“零传动试验台”的具体要求，采用了“nc嵌...
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力矩电机的控制系统设计与性能实验
摘要
现代高档数控机床的发展对转台旋转进给伺服性能提出了越来越高的要求，在各种数控转台中，传统的驱动方式难以实现高精度加工。本文采用KOLLMIRGEN力矩电机直接驱动数控转台，消除了中间传动环节，具响应速度快、动态刚度和定位精度高等特点。
本文依据“零传动试验台”的具体要求，采用了“NC嵌入PC”的开放式数控系统，采用工控机作为上位机，来处理数控系统中的弱实时性任务，用PMAC运动控制卡作为数控系统的控制器，完成数控系统中的强实时性任务；安装了PMAC运动控制卡的IPC与Danaher Motion伺服驱动器、力矩电机组成了三环闭环的控制系统；利用PMAC提供的PID执行程序在线调节整个系统的PID参数，优化系统的动态性能；利用RENISHAW激光干涉仪测定电机的定位误差并编写误差补偿程序，实施误差的在线补偿。通过对电机的调试和检测，电机的性能达到各项设计要求。
关键词：力矩电机，PMAC, RENISHAW激光干涉仪
Design of Torque Motor Control System and Performance Test
ABSTRACT
The performance of the rotative feed servo is more and more important with the development of modern advanced numerical control machine ,in various NC rotary tables, the traditional drive mode is very difficult to implement high precise processing. The text taking kollmorgen direct drive NC rotary table, in this drive mode, all mechanical transmission elements are eliminated, and it has quick response ,high dynamic stiffness and position precision.
According to requirement of zero mechanical transmission experimental table, this text taking “NC+PC” openning architecture, IPC was used as its supervisory to process weak real-time tasks in CNC, and PMAC motion control card was used as the control of CNC to process strong real-time tasks. stage．The whole system PID parameters had been adjusted on—line using the PID executive program provided by PMAC，optimized the dynamic performance of the system. The setting accuracy and the resetting accuracy of the Torque Motor had been determined by RENISHAW laser interferometer. system，and then the setting error compensation on-line had been realized by compiling the error compensation program．
Through the debug and detection of the motor, the performance index of it has fulfilled the designing requirement.
Key words: Torque Motor, PMAC, RENISHAW laser interferometer
目 录
第1章. 绪论 1
1.1. 课题研究的目的及意义 1
1.2. 力矩电机的研究状况及发展趋势 2
1.3. 国内外超精密数控系统中应用PMAC概况 4
1.4. 开放式数控系统 6
1.5. 论文的主要内容与任务 7
第2章. 伺服驱动单元 9
2.1. 力矩电机 9
2.1.1. 力矩电机的主要特点及应用 9
2.1.2. KOLLMORGEN力矩电机D063M 10
2.2. 伺服驱动器 11
2.2.1. 驱动器的主要端口 12
2.2.2. 编码器的引脚及意义 13
2.2.3. 正弦编码器的反馈 15
2.3. 本章总结 15
第3章. PMAC运动控制卡 16
3.1. PMAC运动控制卡的概述 16
3.2. PMAC运动控制卡的功能简介 16
3.3. PMAC运动控制卡的开放性 18
3.4. PMAC运动控制卡的应用 19
3.5. 本章总结 19
第4章. 控制系统设计 20
4.1. 控制系统的组成与分类 20
4.1.1. 运动控制系统的组成 20
4.1.2. 运动控制系统的分类 21
4.2. 运动控制系统的电路设计 22
4.2.1. 系统连线 24
4.2.2. 系统的电气控制 29
4.3. 运动控制系统的调试 29
4.3.1. I变量的设置 29
4.3.2. 驱动器参数的设置 32
4.3.3. 电机PID参数的设定及调节 33
4.4. 系统安全 37
4.4.1. 硬件超程限位开关 38
4.4.2. 软件超程限位 38
4.4.3. 跟随误差限制 38
4.4.4. 屏蔽技术 38
4.4.5. 光电隔离 39
4.5. 本章总结 39
第5章. 系统精度检测实验 40
5.1. RENISHAW激光干涉仪的测量原理 40
5.2. 精度测量结果分析 41
5.2.1. 基于PMAC的误差补偿功能 41
5.2.2. 测量结果分析 42
5.3. 本章小结 44
第6章. 结论及展望 45
6.1. 结论 45
6.2. 展望 45
参考文献 47
致 谢 50
第1章. 绪论
1.1. 课题研究的目的及意义
目前多轴联动数控机床的发展水平已经成为衡量一个国家制造装备业水平的重要标志，国外发达国家已把数控转台直接驱动多轴联动数控机床作为新一代产品的主流发展方向之一，并正在积极研制和开发。作为这种高档次数控产品的核心问题之一——直接驱动技术及其控制系统，是实现高速高精度加工的一项关键技术。在各种数控转台驱动中，传统的驱动方式通常是旋转伺服电机加蜗轮蜗杆副和齿轮副机构，由于存在着传动链，虽有较好的静态刚度，但这种驱动方式要完成启动、加速、减速、反转及停车等运动时，产生的弹性变形摩擦和反向间隙等将造成机械振动、运动响应慢、动态刚度差及其它非线性误差，因而难以实现高精度加工[1]。解决上述问题的途径之一就是采取直接驱动技术实现“零传动”。两种传动方式的最大区别就是取消了从电动机到工作台之间的一切机械中间传动环节，如图1.1所示，伺服系统省掉了机械速度变换机构，将负载
摘要
现代高档数控机床的发展对转台旋转进给伺服性能提出了越来越高的要求，在各种数控转台中，传统的驱动方式难以实现高精度加工。本文采用KOLLMIRGEN力矩电机直接驱动数控转台，消除了中间传动环节，具响应速度快、动态刚度和定位精度高等特点。
本文依据“零传动试验台”的具体要求，采用了“NC嵌入PC”的开放式数控系统，采用工控机作为上位机，来处理数控系统中的弱实时性任务，用PMAC运动控制卡作为数控系统的控制器，完成数控系统中的强实时性任务；安装了PMAC运动控制卡的IPC与Danaher Motion伺服驱动器、力矩电机组成了三环闭环的控制系统；利用PMAC提供的PID执行程序在线调节整个系统的PID参数，优化系统的动态性能；利用RENISHAW激光干涉仪测定电机的定位误差并编写误差补偿程序，实施误差的在线补偿。通过对电机的调试和检测，电机的性能达到各项设计要求。
关键词：力矩电机，PMAC, RENISHAW激光干涉仪
Design of Torque Motor Control System and Performance Test
ABSTRACT
The performance of the rotative feed servo is more and more important with the development of modern advanced numerical control machine ,in various NC rotary tables, the traditional drive mode is very difficult to implement high precise processing. The text taking kollmorgen direct drive NC rotary table, in this drive mode, all mechanical transmission elements are eliminated, and it has quick response ,high dynamic stiffness and position precision.
According to requirement of zero mechanical transmission experimental table, this text taking “NC+PC” openning architecture, IPC was used as its supervisory to process weak real-time tasks in CNC, and PMAC motion control card was used as the control of CNC to process strong real-time tasks. stage．The whole system PID parameters had been adjusted on—line using the PID executive program provided by PMAC，optimized the dynamic performance of the system. The setting accuracy and the resetting accuracy of the Torque Motor had been determined by RENISHAW laser interferometer. system，and then the setting error compensation on-line had been realized by compiling the error compensation program．
Through the debug and detection of the motor, the performance index of it has fulfilled the designing requirement.
Key words: Torque Motor, PMAC, RENISHAW laser interferometer
目 录
第1章. 绪论 1
1.1. 课题研究的目的及意义 1
1.2. 力矩电机的研究状况及发展趋势 2
1.3. 国内外超精密数控系统中应用PMAC概况 4
1.4. 开放式数控系统 6
1.5. 论文的主要内容与任务 7
第2章. 伺服驱动单元 9
2.1. 力矩电机 9
2.1.1. 力矩电机的主要特点及应用 9
2.1.2. KOLLMORGEN力矩电机D063M 10
2.2. 伺服驱动器 11
2.2.1. 驱动器的主要端口 12
2.2.2. 编码器的引脚及意义 13
2.2.3. 正弦编码器的反馈 15
2.3. 本章总结 15
第3章. PMAC运动控制卡 16
3.1. PMAC运动控制卡的概述 16
3.2. PMAC运动控制卡的功能简介 16
3.3. PMAC运动控制卡的开放性 18
3.4. PMAC运动控制卡的应用 19
3.5. 本章总结 19
第4章. 控制系统设计 20
4.1. 控制系统的组成与分类 20
4.1.1. 运动控制系统的组成 20
4.1.2. 运动控制系统的分类 21
4.2. 运动控制系统的电路设计 22
4.2.1. 系统连线 24
4.2.2. 系统的电气控制 29
4.3. 运动控制系统的调试 29
4.3.1. I变量的设置 29
4.3.2. 驱动器参数的设置 32
4.3.3. 电机PID参数的设定及调节 33
4.4. 系统安全 37
4.4.1. 硬件超程限位开关 38
4.4.2. 软件超程限位 38
4.4.3. 跟随误差限制 38
4.4.4. 屏蔽技术 38
4.4.5. 光电隔离 39
4.5. 本章总结 39
第5章. 系统精度检测实验 40
5.1. RENISHAW激光干涉仪的测量原理 40
5.2. 精度测量结果分析 41
5.2.1. 基于PMAC的误差补偿功能 41
5.2.2. 测量结果分析 42
5.3. 本章小结 44
第6章. 结论及展望 45
6.1. 结论 45
6.2. 展望 45
参考文献 47
致 谢 50
第1章. 绪论
1.1. 课题研究的目的及意义
目前多轴联动数控机床的发展水平已经成为衡量一个国家制造装备业水平的重要标志，国外发达国家已把数控转台直接驱动多轴联动数控机床作为新一代产品的主流发展方向之一，并正在积极研制和开发。作为这种高档次数控产品的核心问题之一——直接驱动技术及其控制系统，是实现高速高精度加工的一项关键技术。在各种数控转台驱动中，传统的驱动方式通常是旋转伺服电机加蜗轮蜗杆副和齿轮副机构，由于存在着传动链，虽有较好的静态刚度，但这种驱动方式要完成启动、加速、减速、反转及停车等运动时，产生的弹性变形摩擦和反向间隙等将造成机械振动、运动响应慢、动态刚度差及其它非线性误差，因而难以实现高精度加工[1]。解决上述问题的途径之一就是采取直接驱动技术实现“零传动”。两种传动方式的最大区别就是取消了从电动机到工作台之间的一切机械中间传动环节，如图1.1所示，伺服系统省掉了机械速度变换机构，将负载
