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　　《數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)踐指南/普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材》是高等工科院校本科生數(shù)控技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教材，主要內(nèi)容分為兩部分：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分安排8個(gè)實(shí)驗(yàn)，采用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的形式，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康�、�?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器操作方法、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)觀察與思考、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求等。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)部分安排3個(gè)實(shí)驗(yàn)，是課程實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充及提高，供學(xué)有余力及對數(shù)控技術(shù)有濃厚興趣的學(xué)生選做。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教材采取實(shí)驗(yàn)介紹的方式，提供同學(xué)必需的知識擴(kuò)充及各項(xiàng)目目前已有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，啟發(fā)學(xué)生在此基礎(chǔ)上提高、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)或凝練成新的實(shí)驗(yàn)課題。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)部分包括知識擴(kuò)充、實(shí)驗(yàn)介紹及思考提示等。
　　《數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)踐指南/普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材》可供四年制機(jī)械工程及自動化和車輛工程專業(yè)本科生選用，也可以作為研究生實(shí)驗(yàn)和數(shù)控技術(shù)培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)教材。本教材可供相關(guān)專業(yè)教師和研究生參考，亦可作為高級數(shù)控加工技工的自修教材。

　數(shù)控技術(shù)發(fā)展迅速，不斷融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)和伺服驅(qū)動技術(shù)等，已成為機(jī)械制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)數(shù)控技術(shù)方面的教材很多，但有關(guān)數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)方面的教材并不多見；而且大多數(shù)數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)受限于學(xué)時(shí)及設(shè)備，以數(shù)控加工編程為主。根據(jù)作者多年的數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，目前國內(nèi)急需涉及數(shù)控技術(shù)原理和系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用方面的實(shí)驗(yàn)教材，這正是我們編寫這本教材的動力。
　　本教材為西安交通大學(xué)本科“十二五”規(guī)劃教材，西安交通大學(xué)“985”工程三期重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)系列教材。
　　本教材是根據(jù)西安交通大學(xué)2010版教學(xué)計(jì)劃，配合梅雪松教授主編的《機(jī)床數(shù)控技術(shù)》課程教材編寫。教材突出2010版教學(xué)計(jì)劃重實(shí)踐的要求，以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以實(shí)踐創(chuàng)新能力的漸進(jìn)式培養(yǎng)為特點(diǎn)，結(jié)合作者多年在數(shù)控加工、數(shù)控機(jī)床改造和數(shù)控技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方面的經(jīng)驗(yàn)，在原有數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加CAD／CAM軟件應(yīng)用及自動編程、開放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建及分析、主軸變頻調(diào)速及伺服電動機(jī)參數(shù)優(yōu)化、數(shù)控機(jī)床誤差測量及補(bǔ)償以及齒輪數(shù)控加工等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，數(shù)控機(jī)床改造及系統(tǒng)調(diào)試、五軸聯(lián)動加工技術(shù)、PID及磁懸浮控制等創(chuàng)新開放實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教材基本涵蓋了機(jī)床數(shù)控技術(shù)的主要實(shí)踐內(nèi)容，在內(nèi)容和體系上都有一定的創(chuàng)新，是數(shù)控技術(shù)課程改革的一次嘗試。
　　本教材在編寫中以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主線，以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用為基礎(chǔ)，以幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理為重點(diǎn)，以培養(yǎng)并提高學(xué)生數(shù)控技術(shù)實(shí)踐能力為目標(biāo)，力求結(jié)構(gòu)新穎，原理清晰，講解詳細(xì)，步驟清楚，使讀者能順利將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐技能融為一體。
　　為便于實(shí)驗(yàn)安排及教材編寫，將實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)兩部分。
　　基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分注重于數(shù)控技術(shù)基本原理和基本理論的驗(yàn)證，要求學(xué)生必做，每個(gè)實(shí)驗(yàn)以2學(xué)時(shí)為單元，占用課內(nèi)16學(xué)時(shí)。由于數(shù)控齒輪加工機(jī)床的特殊性，實(shí)驗(yàn)八亦可安排為選做。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)部分則重在開拓學(xué)生視野，擴(kuò)展學(xué)生數(shù)控技術(shù)實(shí)踐的空間，是課程實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充及提高，供學(xué)有余力及對數(shù)控技術(shù)有濃厚興趣的學(xué)生選做。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)部分采用開放方式運(yùn)行，學(xué)生自選實(shí)驗(yàn)，自行安排時(shí)間（一般每周課外安排2學(xué)時(shí)），自愿成組（4~6人），每個(gè)實(shí)驗(yàn)擬在32學(xué)時(shí)內(nèi)完成為宜。亦可結(jié)合CDIO（Conceive、De-sign、Implement，Operate）工程教育模式進(jìn)行安排。
　　本教材在梅雪松教授指導(dǎo)下，由多位教師及實(shí)驗(yàn)人員參與編寫，并經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，進(jìn)行了補(bǔ)充和修改�；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)六、實(shí)驗(yàn)七由徐學(xué)武編寫，實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)三由孫挪剛編寫，實(shí)驗(yàn)四由李晶編寫，實(shí)驗(yàn)五由姜歌東編寫，實(shí)驗(yàn)八由馬振群編寫。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)部分中，實(shí)驗(yàn)九、實(shí)驗(yàn)十由徐學(xué)武編寫，實(shí)驗(yàn)十一由張東升、姜歌東編寫，李晶參加了實(shí)驗(yàn)十的編寫。本教材由徐學(xué)武任主編，姜歌東任副主編。此外，鄒創(chuàng)、申建廣、趙偉剛等也參加了部分編寫工作。
　　中北大學(xué)王愛玲教授審閱了本書，并提出許多寶貴意見及建議，在此表示衷心的感謝。
　　由于編者水平所限及時(shí)間倉促，錯(cuò)漏之處懇請讀者批評指正。
　　編者

�。ǘ┧欧䞍�(yōu)化方法簡介
　　伺服進(jìn)給系統(tǒng)PID參數(shù)整定方法一般可以分為理論整定和工程整定兩類。在實(shí)際應(yīng)用中，由于系統(tǒng)誤差、現(xiàn)場條件變化（例如干擾、負(fù)載變化）等因素的存在，理論整定法的效果并不理想。因此，伺服進(jìn)給系統(tǒng)PID參數(shù)整定一般采用工程整定方法。
　　用工程整定法進(jìn)行數(shù)控機(jī)床伺服參數(shù)調(diào)試時(shí)，一般采用先速度環(huán)、再位置環(huán)這樣的次序。在位置參數(shù)調(diào)試完成后，還可以再次微調(diào)速度環(huán)參數(shù)，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)動態(tài)特性。
　�。�1）速度環(huán)參數(shù)調(diào)節(jié)速度環(huán)控制器參數(shù)包括：速度環(huán)增益、速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)矩濾波器參數(shù)。其中速度環(huán)增益、速度環(huán)積分時(shí)間常數(shù)直接影響到軸的動態(tài)響應(yīng)，轉(zhuǎn)矩濾波器參數(shù)影響著系振動性能的優(yōu)劣。
　　在機(jī)床能夠正常運(yùn)行的情況下使增益盡量大、積分時(shí)間盡量小，以擴(kuò)展頻帶寬度。一般情況下調(diào)整過程為：先將速度環(huán)積分時(shí)間調(diào)到最大，使積分環(huán)節(jié)失效；然后逐漸增加速度環(huán)增益，直至電動機(jī)嘯叫或有較為明顯的振動；速度環(huán)增益調(diào)節(jié)完畢后，減小速度環(huán)積分時(shí)間值以突出積分環(huán)節(jié)的效果、消除穩(wěn)態(tài)誤差，最終使頻率響應(yīng)Bode圖上的最高點(diǎn)不超過3dB。
　　當(dāng)?shù)皖l處的頻率響應(yīng)較差時(shí)，可以采用低通濾波使低頻段頻率特性穩(wěn)定；速度環(huán)增益增大的同時(shí)，頻率響應(yīng)會在某些頻率處產(chǎn)生較大的峰尖，通過轉(zhuǎn)矩濾波器可以將這些峰尖屏蔽掉。由于濾波器的使用相當(dāng)于給系統(tǒng)增加了非線性環(huán)節(jié)，造成了系統(tǒng)的遲滯，從而引起系統(tǒng)較大的跟隨誤差和輪廓誤差，因此應(yīng)該盡可能少用濾波器。
　�。�2）位置環(huán)參數(shù)調(diào)節(jié)位置環(huán)對系統(tǒng)的位置控制精度有著重要的影響，位置環(huán)控制器一般為比例環(huán)節(jié)。高的位置環(huán)增益對系統(tǒng)的跟隨誤差有著較好的抑制效果，可以提高系統(tǒng)頻響特性的帶寬、提高整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的伺服剛度；但是如果位置環(huán)增益過大，也會產(chǎn)生進(jìn)給軸過沖，造成機(jī)床的振動，因此需要合理調(diào)節(jié)。
　　位置環(huán)增益可以通過系統(tǒng)頻率響應(yīng)的Bode圖來調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)中應(yīng)遵循以下原則：當(dāng)振幅響應(yīng)低于0dB時(shí)，增大比例增益；當(dāng)振幅響應(yīng)高于0dB時(shí)，減小比例增益；最終使在較寬的頻率范圍內(nèi)振幅響應(yīng)為0dB，而在部分點(diǎn)振幅響應(yīng)的極值在1～3dB。
　　如果在完成了上述參數(shù)調(diào)整后，伺服進(jìn)給系統(tǒng)的跟隨誤差仍舊比較大，可以在位置環(huán)中加入速度前饋和在速度環(huán)中加入加速度前饋來降低跟隨誤差。
　　另外，為了達(dá)到良好的輪廓精度，要進(jìn)行伺服跟蹤或圓運(yùn)動測試，保證各個(gè)聯(lián)動軸的位置環(huán)增益相互匹配。
　�。ㄈ⿺�(shù)控機(jī)床動態(tài)特性測試儀原理
　　數(shù)控機(jī)床動態(tài)特性測試儀是一款集數(shù)據(jù)采集及分析、處理功能于一體的工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，主要用于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)特性、數(shù)控機(jī)床主軸軸心軌跡、數(shù)控機(jī)床振動特性的測試和分析�？梢詫�(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床加工過程的動態(tài)特性的監(jiān)測、分析，提供數(shù)控機(jī)床工作狀態(tài)監(jiān)測信息，為用戶進(jìn)行故障診斷與預(yù)警提供重要參考數(shù)據(jù)。
　　本實(shí)驗(yàn)主要測試Mx-3開放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺伺服進(jìn)給電動機(jī)的伺服參數(shù)匹配性。電動機(jī)伺服匹配實(shí)驗(yàn)測量原理如圖5-2所示。圖中編碼器反饋TTL信號反映了各個(gè)伺服電動機(jī)的運(yùn)動信息，因此可以利用編碼器反饋信號來匹配各個(gè)電動機(jī)的伺服參數(shù)。
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