论文总字数：25019字

摘 要

课题依托于上海柏楚电子激光切割高功率项目组，目的是实现数控机床X、Y轴负载惯量和摩擦力矩的自动测量，进而给出机床各轴的PID参数，辅助激光切割设备进行精密运动与切割。本文首先介绍了机床惯量计算基础，包括常见几何体转动惯量计算与常见传动机构的等效负载计算；实例分析里主要列举了一些工业生产中常见的机械传动结构等效负载计算，如减速比环节、丝杆螺母传动和齿轮齿条传动等；接着，对伺服系统进行了详细的介绍说明；补充惯量比的相关知识；在控制策略上，介绍了经典PID控制与一些先进的控制策略，如HD控制；对EtherCAT总线进行了深入介绍，包括EtherCAT总线原理、性能以及拓扑结构等；最后给出一种自动测量方法，并给与实际的验证过程。验证平台基于上海柏楚电子有限公司开发的高功率激光切割加工软件Hypcut，输入机床伺服电机参数后启动软件自动测量功能，期间可以监控感兴趣的参数曲线，直接得到测量结果。测试结果作为后续其他项目基础，实验效果良好，说明该测量方法具有一定的实际效果。

关键词：负载惯量，摩擦转矩，惯量比，PID控制，EtherCAT

Abstract

This thesis is based on the project of High Power Project in Shanghai Friendess Electronic Technology Co., Ltd, and its aim is focus on the automatic measurement of load inertia and friction torque. First of all, this paper gives the brief introduction of EtherCAT and method of calculating inertia ratio. What is mostly cared is the final position of the servo motor so in order to clearly verify the difference between the theoretical data and the practical data. Two colors are used to verify these two different circle. Verification method is running motor in a given method and calculate the difference between given value and real value. The moving route is given by this paper and also calculation process included. The moving routing is: firstly, the servo motor is controlled to run at a given acceleration a for a single time; secondly, the servo motor run at a given speed whose acceleration is zero for a single time; finally, the servo motor run at an acceleration of minus a for a single time then stop. Detailed moving route is given in this paper and every calculation method is also given. Some data is monitored for use. And finally the result of this paper is totally meets the requirement and has some practical significance. Just input some parameters and the machine tool runs at the given routine then the result is given as follow so do the variable curves. The result of test is used to serve as the other projects and performs well, which indicates that this method does well in actual working.

KEY WORDS: load inertia, friction torque, inertia ratio, PID control，EtherCAT

目 录

摘 要 1

Abstract I

第一章 绪论 1

1.1 选题背景与意义 1

1.2 需求分析 1

1.3 研究简介 2

第二章 机床惯量计算基础 3

2.1 惯量计算基础 3

2.1.1 常用几何体转动惯量计算基础 3

2.1.2 动能定理 5

2.2 常见传动机构的等效负载计算 5

2.2.1 带减速比的环节 5

2.2.2 丝杆螺母传动 6

2.2.3 齿轮齿条传动 6

2.3 实例分析 7

2.3.1 齿轮齿条结构 7

第三章 伺服系统与伺服控制策略 9

3.1 伺服系统 9

3.1.1 伺服系统简介 9

3.1.2 伺服系统发展历史 9

3.1.3 伺服系统主要结构 9

3.1.4 伺服系统分类 10

3.2 伺服电机 11

3.2.1 伺服电机组成 11

3.2.2 伺服电机三环结构 11

3.2.3 常见伺服电机 13

3.3 常规PID控制 13

3.3.1 常规P控制 13

3.3.2 常规I控制 14

3.3.3 常规D控制 14

3.3.4 PI控制 14

3.3.5 PD控制 14

3.3.6 PID控制 15

3.4 伺服电机三环结构常用控制策略 15

3.5 其他控制策略 15

3.5.1 参数自整定控制（HD） 15

第四章 惯量比与摩擦转矩 18

4.1 惯量比定义 18

4.2 惯量比作用 18

4.2.1 作用于伺服电机速度环 18

4.2.2 作用于伺服电机电流环 18

4.3 惯量比计算方法 19

4.3.1 手动计算 19

4.3.2 自动计算 20

4.4 机床性能与惯量比的关系 20

4.5 工业常见设备推荐惯量比 21

4.6 摩擦转矩补偿作用 21

4.7 摩擦转矩补偿原理 21

第五章 EtherCAT总线 23

5.1 EtherCAT简述 23

5.2 原理 23

5.3 SERCOS接口 24

5.4 SERCOS在EtherCAT上的延展 24

5.4.1 状态机图 25

5.4.2 数据帧 25

5.5 实际使用 26

第六章 自动测量方法 27

6.1 技术背景 27

6.2 机床水平轴（XY轴）自动测量 28

6.2.1 水平轴X自动测量流程 28

6.2.2 水平轴X计算方法 28

6.2.3 水平轴Y自动测量流程 28

6.2.4 水平轴Y计算方法 28

6.3 机床垂直轴（Z轴）自动测量 29

6.3.1 垂直轴自动测量流程 29

6.3.2 计算方法 29

第七章 实验验证与结果分析 30

7.1 硬件平台 30

7.2 软件平台 31

7.3 实验步骤 31

7.4 实验过程记录 31

7.5 实验分析与结论 34

7.5.1 理论验证 34

7.5.2 经验验证 34

第八章 总结与展望 35

致 谢 36

参考文献 37

绪论

选题背景与意义

课题依托于上海柏楚电子激光切割高功率项目组，目的是实现数控机床X、Y轴负载惯量和摩擦力矩的自动测量，进而给出机床各轴的PID参数，辅助激光切割设备进行精密运动与切割。

激光切割与传统的机床加工方式有根本性的不同。以典型的三轴加工机床为例（水平轴x、竖直轴y和纵向轴z），传统机床通过切割头水平或竖直旋转来切割加工钣金件，由于其切割方式的诸多缺点（稳定性差，对有待加工的钣金件有较大损害等）限制了在精密材料方面的切割加工。所以传统机床大部分只能对钣金件进行粗加工（误差较大），而在对切割头运动的影响因素上自然也就忽略掉那些细微的（如加工轴的模型影响）因素。

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