运动控制技术是装备制造业的核心技术之一，数控机床作为运动控制技术的典型应用对象，是国防和产业安全战略需求和制造领域转型升级的重要支撑，是新技术革命的战略高地。进给系统作为数控机床的基本控制单元和执行部件,其静、动态特性直接影响到数控机床的性能以及最终的轮廓成型精度。因此，机床在机械和电气部件安装完成后，必须对其伺服参数进行优化调整，以保证其运动控制性能达到最优。

1、实验的必要性及实用性

（1）国家战略对专业人才培养的新需求

运动控制技术是装备制造业的核心技术之一，数控机床作为运动控制技术的典型应用对象，是国防和产业安全战略需求和制造领域转型升级的重要支撑，是新技术革命的战略高地，也是智能制造系统中的重要装备。“中国制造2025”将数控机床和基础制造装备列为“加快突破的战略必争领域”，并提出要加强其关键技术突破。而这一切，都离不开具备运动控制系统设计及参数优化设计能力的专业人才的培养。

本项目依托江苏省先进数控技术重点实验室该重点实验室，内容涵盖《电机拖动与运动控制》《数控原理与系统》等是专业重要核心课程，旨在培养学生掌握伺服系统控制参数及其对数控机床的性能影响和能够面向高端数控机床设计一个性能良好的伺服系统。这是培养高端数控装备运动控制人才必备的知识能力之一，也能更好满足国家战略对人才培养的新需求。

（2）本项目解决目前数控装备运动控制人才培养的困境

进给系统作为数控机床的基本控制单元和执行部件,其静、动态特性直接影响到数控机床的性能以及最终的轮廓成型精度。如果数控机床进给轴电气参数达不到最佳设置，数控机床在工作过程中会出现进给轴移动不平稳、噪音大、切削工件时精度达不到设计要求、工件表面产生振纹等问题。因此，机床在机械和电气部件安装完成后，必须对其伺服参数进行优化调整，以保证其运动控制性能达到最优。

但由于现有的数控机床伺服系统是由生产厂家配置的，封闭的，不向用户开放，因此学生无法通过现有数控机床的实物实验掌握伺服系统的运动控制特性及其对机床性能和轮廓成型精度的影响。且实物实验涉及机床性能及成型加工，具有操作专业性强、耗材成本高、破坏性和危险性等也决定了无法开展“真实”实验。

2、教学设计的合理性

（1）教学内容合理性

根据自动化（数控技术）专业培养方案，以数控机床为实验对象，嵌入伺服运动控制系统的基本理论和方法，从包含系统组装设计、数学建模、控制参数优化设计等环节合理设计本实验教学内容。本实验项目涉及《电机拖动与运动控制》、《数控原理与系统》等专业核心课程，涵盖系统惯量计算、电机建模等10个知识点，梳理出单轴运动系统（重点调试电流环、速度环和位置环等参数）、双轴运动系统（以加工典型线段的直线、圆弧和拐角轮廓等精度为目标，进行控制参数调试）、现象探究实验等，使学生系统性掌握伺服运动控制系统的原理、设计和实验分析方法。

（2）实验过程合理性

本着“能实不虚，虚实结合”的原则，模拟实际操作过程，从进给轴选型组装、控制系统数学模型搭建、参数优化设计、结果分析等内容有序递进展开实验过程，由浅入深地设置学生实验操作步骤。且在实验过程中增加了互动环节，需要学生完成当前环节参数调试后，达到预期的设定目标时，才能进行下一步实验。

（3）实验考核合理性

为有效评价学生的实验效果，从考核内容、考核方式与方法、考核结果评分等方面创新设计了本项目的考核要求，并在实验报告中，除实验过程数据和实验结果外，还应对结果成因进行分析，给出建议和措施。在考核中充分考虑学生的实际情况，如设定的目标高，相应的调试分值就高。但也同时根据修改参数的次数来评价，其中修改参数越多，分数越低。通过对实验考核的合理设计，达到客观、公平的评价学生。

3、实验系统的先进性

（1）采用以学生为中心、突出自主探索和多元化能力培养的先进教学理念

遵循学生由浅入深、循序渐进的知识和能力训练要求，构思“简单到复杂”、“内环到外环”、“单轴到联动”递进式的实验模块，且突出学生的自主探究性。如在进行参数优化设计时，由学生自主设定预期的目标值，再设定参数进行仿真实验，根据仿真结果与预期目标值比较，优化参数。通过本实验培养学生知识掌握、技术探索和工程分析等多元化能力。

（2）实验内容和过程具有工程性，并有效融入课程思政

本实验内容和实验过程均来源具体工程问题需求和调试过程，学生学习后能胜任运动控制系统开发设计岗位需求。且将社会责任、职业道德、工程伦理等课程思政、立德树人融入实验全过程，让学生身临其境进行伺服运动控制系统的调试，触发学生对大国重器的理解，将个人价值追求和国家战略发展有效结合起来。

（3）实验项目效果高仿真性和使用快捷性

实验项目开发采用VR技术、实物1:1建模，制作渲染等多种开发技术，达到与现场实物十分逼真效果，让学生学习感觉身临其境。且本实验可以依托国家、省、校公共教学资源开放平台，学生只要有上网工具（电脑、平板、智能手机等），登录到公共平台，就可以沉浸式学习，不受时空限制，为学习带来极大地便捷性。

（1）实验原理

本实验项目遵循“从简单到复杂”、“从内环到外环”、“从低维到高维”的认知规律，以单轴和双轴进给系统为实验对象，通过系统建模、调节器设计、参数调试优化，并利用虚拟仿真技术，旨在考察数控机床伺服系统电流、速度、位置以及轮廓轨迹等控制与调试方法。实验原理如图1所示。

图1 实验原理

知识点：共10个

1.系统惯量计算

负载惯量为

电机惯量为，负载折算到电机轴的惯量为，其中为传动比，则系统总惯量为。

2.电机建模

采用矢量控制方法可以将交流伺服电机的直轴和交轴解耦，其交轴模型可近似等效为直流电机模型。因此，电机动态结构如图2所示。

图2 电机动态结构框图

3.电流环建模

电流环动态结构框图如图3所示，其中ACR为电流调节器。

图3 电流环动态结构框图

4.电流调节器设计

对电流环的要求是稳态无静差，动态超调不大，因此把电流环矫正成典型Ⅰ型系统，采用如下PI型调节器：

则电流环结构框图简化为图4。

图4 电流环简化动态结构框图

可根据所需动态性能指标选取，要求电流超调量，可选，，则，可得。则电流环动态结构框图变为图5所示典型Ⅰ型系统。

图5 矫正为典型Ⅰ型系统的电流环结构框图

5.速度环建模

速度环动态结构框图如图6所示，其中ASR为速度调节器。

图6 速度环动态结构框图

6.速度调节器设计

为实现速度无静差，将速度环设计成典型Ⅱ型系统（Ⅱ型系统跟踪斜坡信号无静差），ASR采用如下PI调节器：

则速度环结构框图简化为图7。

图7 速度环简化动态结构框图

采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，由动态性能要求确定中频宽，取，，则速度环动态结构框图变为图8所示典型Ⅱ型系统，其中。

图8 矫正为典型Ⅱ型系统的速度环结构框图

7.位置环建模

位置环动态结构框图如图9所示，其中APR为位置调节器。

图9 位置环动态结构框图

8.位置环调节器设计

数控机床运行时不允许有超调，因此位置环采用P型调节器，即，系统被矫正成Ⅰ型系统。位置环开环传递函数为

选择为

9.位置环前馈控制器设计

为减小Ⅰ型系统跟踪误差，引入前馈控制，其结构图如图10所示

图10 位置环复合控制系统动态结构框图

其闭环传递函数为

其中，一般取输入信号的一阶导数作为前馈补偿信号

取，可得等效开环传递函数为

因此复合控制系统等效为Ⅱ型系统，可大大提高系统的稳态精度。

10.轮廓误差分析

1）跟随误差对加工直线轮廓的影响

图11 直线插补轮廓误差与跟随误差的关系

直线插补轮廓误差为

2）跟随误差对加工圆弧轮廓的影响

图12 圆弧插补轮廓误差与跟随误差的关系

轮廓误差为

（2）核心要素仿真设计

虚拟仿真实验以数控机床为对象，开展数控机床伺服运动控制系统参数设计与优化，伺服运动控制系统主要由电机、减速器、丝杠及工作台组成。在结构上，本实验仿真模型主要建立了电机、减速器、丝杠及工作台各环节数学模型，同时将减速器、丝杠及工作台的惯量往电机轴做等效，因此该控制对象可以真实模拟机床工作台。本实验可以根据机床大小，选择不同的电机、减速器、丝杠及工作台进行虚拟仿真。

伺服运动控制系统由伺服驱动器控制电机拖动工作台运动，伺服驱动器由转矩环/电流环、速度环、位置环构成，本虚拟仿真实验建立三环控制结构模式，转矩环/电流环采用PI调节、速度环采用PI调节、位置环采用P加前馈算法，跟实际驱动器内部控制完全一致。仿真模型可以为实验者呈现不同调节器参数下进给轴运动情况，包括参数不合理时，出现工作台超调，机床振动、噪音等情况。

本实验通过构建XY轴合成运动虚拟仿真机床的平面轮廓运动，仿真实验可以呈现平面铣削的加工过程及加工结果，包括在伺服运动控制系统参数设置不合理时，机床呈现振动、噪音等现象，以及在不同参数配置下加工直线轮廓、圆弧轮廓、直角轮廓所形成的尺寸、形状及其误差。

1、登录虚拟仿真系统，点击选择任务一，弹出“智能制造生产线”实物效果画面；

2、依次点击分站实物（数控车床、加工中心、上料机器人、并联机器人、装配机器人、立体仓库搬运机构、中控电脑、中控触摸屏、看板、AGV小车、分站电气柜等），出现实物语音及文字性能指标介绍。

3、点击“中控触摸屏”的（HMI）画面“操作”，进入总控触摸屏（HMI）画面，选择操作方式（实物仿真、空运行、连锁、独立等）。

3.1若选择“实物仿真”操作方式，依次点击中控触摸屏“自动方式”、“启动”，依次仿真生产线毛坯自动上料（A/B毛坯）、产品自动加工、自动分拣、自动装配、自动成品入库、AGV运送物料等。

3.2若选择“空运行仿真”操作方式，不会出现仿真零件实物，依次点击“中控触摸屏” 的“自动方式”、“启动”，但生产线仍依次仿真生产线毛坯上料、产品自动加工、自动分拣、自动装配、自动成品入库、AGV运送物料等动作。

3.3若选择“连锁”操作方式，依次点击“中控触摸屏”的 “自动方式”、“启动”，依次仿真生产线毛坯上料（A/B毛坯）、产品自动加工、自动分拣、自动装配、自动成品入库、AGV运送物料等动作；若点击某个站点急停，会出现生产线某个站点后面的站点运行停止。

3.4若选择“独立”操作方式，依次点击“中控触摸屏” 的“工位选择”、选择相应工位的“启动”，仿真软件依次独立仿真生产线毛坯上料（A/B毛坯）、产品自动加工、自动分拣、自动装配、自动成品入库、AGV运送物料等。也可以在“中控触摸屏”的“工位选择”设置不联机各个分站，可以单独在分站操作启动和停止运行各方分站。

3.4.1 加工区操作

（1）数控车床

可以单独运行数控车床加工，需在中控触摸屏上设置“工位选择”数控车床。操作方法与前面介绍独立运行相同。

（2）加工中心

可以单独运行加工中心加工，需在中控触摸屏上设置“工位选择”加工中心。操作方法与前面介绍独立运行相同。

（3）七轴机器人

可以单独运行机器人，需在中控触摸屏上设置“工位选择”七轴机器人。操作方法与前面介绍独立运行相同。

3.4.2 分拣搬运区

操作步骤：

（1）点击“分拣搬运”实物图，进入并联机器人触摸屏画面；

（2）在触摸屏上选择“欢迎进入”、设置工件类型（以B工件为例，设为2）、点击“调试”按键、进入并联机器人励磁和回零操作功能、在进入主操作画面，点击“自动”，按启动，就可以自动运行并联机器人分拣搬运。

（3）也可以选择“屏蔽工件A”和“屏蔽工件B”测试空运行并联机器人。

3.4.3 组件装配区

操作步骤：

（1）点击“组件装配区”实物图，进入组件装配机器人触摸屏画面；

（2）点击装配区“A机器人”触摸屏上选择“欢迎进入”，进入操作主画面；

（3）选择“自动”方式，设置产品类型；选择机器人程序0009;

（4）若测试，就选择“屏蔽工件A”；

（4）若协调作业，点击“AB协调作业”，若单机，确认单机模式；

（5）若手动方式，可以选择“机器人启动”，若需停止，就选择“机器人停止”

（6）在“功能设置”画面，设置产品类型：1-A工件，2-B工件，3-C工件。机器人程序号，目前固定0009.

（7）若AB协调作业，还需设置B机器人信号屏蔽：B机器人准备好、B机器人夹具准备好、B机器人等待取成品。

（8）也可以按A机器人工作站上按钮盒（启动/停止/急停）。

（9）装配区B机器人操作步骤与功能与A机器人相对应。

3.4.4 立体仓库搬运区

（1）点击“立体仓库”实物图，进入立体仓库触摸屏画面；

（2）确认“手动”方式，按触摸屏盒下方的“复位”按钮，会听到Z轴抱闸松开。

（3）点击“伺服调试”按键，进入伺服调试画面，按“回安全点”按键，直至X/Y/Z三轴都回到安全点不再移动再松开。

（4）选择“自动”方式，若实物搬运入库，可以直接按启动，若测试功能，可以选择“屏蔽工件”，再按启动，搬运机构就进入到自动搬运运行状态。