臺(tái)達(dá)伺服在金切機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)上應(yīng)用分析

1、伺服系統(tǒng)在金切機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)上應(yīng)用分析一.摘要 隨著模具及五金等行業(yè)技術(shù)與市場(chǎng)的發(fā)展 ,對(duì)數(shù)控金切機(jī)床需求越來越大 ,相效普通機(jī)床 , 數(shù)控機(jī)床從加工效率 ,精度 ,穩(wěn)定性等各方面都有非常高的要求 .進(jìn)給系統(tǒng)性能好壞直接決定了 整臺(tái)機(jī)床的加工性能 .而伺服電機(jī)作為進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分 ,更是靈魂所在 .關(guān)健詞: 進(jìn)給系統(tǒng) . 整定時(shí)間. 慣量匹配. 剛性. 跟隨誤差. 快速響應(yīng) .二.進(jìn)給系統(tǒng)組成進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床而言，其主要任務(wù)是將滑動(dòng)件（工作臺(tái)或主軸頭、立柱等）沿 著導(dǎo)軌，依指令速率平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)，其中除了考慮機(jī)械傳動(dòng)元件的設(shè)計(jì)外,還牽涉到數(shù)控系統(tǒng)控制進(jìn)給功能及精度問題 ,伺服定位控制問題。所

2、以說，本質(zhì)上進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)為一機(jī)電整合系統(tǒng) （使加工件或刀具能依既定的速度、位置、做高精度的移動(dòng)）（ 圖一: 進(jìn)給系統(tǒng)簡(jiǎn)易架構(gòu) ）完整機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，一般是由上位控制命令部分 （數(shù)控系統(tǒng)）, 驅(qū)動(dòng)部分（伺服驅(qū)動(dòng)器及電 機(jī)） 、檢測(cè)部件以及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)四大部分組成 （圖二） 。按照伺服進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它通 常又分為三種基本結(jié)構(gòu)類型 : 開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán) . 由于半閉環(huán)結(jié)構(gòu)環(huán)路中非線性因素少，容 易整定，穩(wěn)定性較好 , 且能較方便地通過補(bǔ)償來提高位置控制精度， 電氣控制部分與執(zhí)行機(jī)械 相對(duì)獨(dú)立，系統(tǒng)通用性強(qiáng) .所以在金切機(jī)床中應(yīng)用得最為廣泛 . 金切機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)半閉環(huán)結(jié)構(gòu) 一個(gè)很大的特點(diǎn)是檢測(cè)裝置

3、裝在電機(jī)端 （ 一般使用交流伺服電機(jī)自帶的光學(xué)編碼器作為檢測(cè) 裝置）.（ 圖二 ）. 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與使用前 , 必需有幾項(xiàng)基本的考慮 :1. 進(jìn)給系統(tǒng)要有變速功能 , 以便改變進(jìn)給速率 .2. 進(jìn)給系統(tǒng)需要有變向功能 , 以便改變進(jìn)給方向 .3. 進(jìn)給系統(tǒng)一般需要有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì) .4. 進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)有回饋元件的設(shè)計(jì) , 以便滑（移）動(dòng)件能準(zhǔn)確定位 （ 一般使用伺服自帶光學(xué)編 碼器）5. 考慮慣量匹配問題 .衡量機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，慣量越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性反應(yīng)越好；慣量越大，電機(jī)的負(fù) 載也就越大，越難控制，但機(jī)械系統(tǒng)的慣量需和電機(jī)慣量相匹配才行。不同的機(jī)構(gòu)，對(duì)慣量

4、匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現(xiàn)。 金切機(jī)床通過伺服電機(jī)作高速切削時(shí)，當(dāng) 負(fù)載慣量增加時(shí)，會(huì)發(fā)生： 1. 當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)控制指令改變時(shí)，電機(jī)需花費(fèi)較多時(shí)間才能達(dá)到新 指令的速度要求； 2. 當(dāng)機(jī)臺(tái)沿二軸執(zhí)行弧式曲線快速切削時(shí)，會(huì)發(fā)生較大誤差 .1. 一般伺服電機(jī)通常狀況下，當(dāng) JL 3JM,則上面的問題不會(huì)發(fā)生。2. 當(dāng) JL 5 JM，電機(jī)的可控性會(huì)明顯下降，在高速曲線切削時(shí)表現(xiàn)突出還有一點(diǎn)非常重要 . 需要根據(jù)金切機(jī)床應(yīng)用場(chǎng)合來設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床價(jià)值取決于用在那里 ?不在于具備什么樣的性能條件模具加工機(jī)（硬材切削，鏡 面切削） 1.3D曲面加工 2. 大型鈑金模加工 3. 硬化鋼材加

5、工4. 微細(xì)加工模具加工航空結(jié)構(gòu)加工三維零件加工汽車零組件加工3C產(chǎn)業(yè)加工高速切削應(yīng)用領(lǐng)域大型龍門加工機(jī)（高材料去除率）1. 蜂巢結(jié)構(gòu)件加工2. 薄壁加工3. 難切削合金加工五軸複合曲面加工機(jī)，車銑 複合加工機(jī) （ 複合加工，多 軸變種變量加工）1. 三維複雜工件2. 減少製程步驟3. 葉片加工輕合金加工機(jī)， 3C零件代工量 產(chǎn)化加工機(jī)（輕切削加工）1. 鋁鎂合金加工2. 硬脆材料加工3. 微細(xì)零件加工4. 去毛邊加工高速臥式綜合加工機(jī)（量產(chǎn)速度與靠度）1. 全時(shí)加工2. 彈性聯(lián)製生產(chǎn)線 （FTL）3. 變種變量生產(chǎn)線 （Agile）4. 非鐵金屬加工數(shù)控金切機(jī)床對(duì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求可歸納

6、為 （ 表一）:（ 表一 ） 進(jìn)給系統(tǒng)性能基本要求性能要求性能定義具體內(nèi)容穩(wěn)定性為進(jìn)給系統(tǒng)能夠正常工作的基本條件 , .即系 統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)或外界干擾下 ,系統(tǒng)的輸出在經(jīng) 過多次震蕩下仍能迅速穩(wěn)定相對(duì)穩(wěn)定性 絕對(duì)穩(wěn)定性精度進(jìn)給系統(tǒng)的精度是指輸出值相對(duì)于輸入值的精確程度動(dòng)態(tài)誤差 靜態(tài)誤差快速響應(yīng)性指系統(tǒng)對(duì)輸入訊號(hào)的響應(yīng)速度及暫態(tài)過程結(jié)束的迅速程度系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間 . 傳動(dòng)裝置的加速能力 .寬調(diào)速范圍額定負(fù)載時(shí)進(jìn)給系統(tǒng)能提供的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比伺服電機(jī)調(diào)速比 機(jī)械變速裝置根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式的不同 , 進(jìn)給系統(tǒng)各性能的影響又有所區(qū)別 .見表二.（表二） 金切機(jī)床運(yùn)動(dòng)方式及需求運(yùn)動(dòng)方式 項(xiàng)目點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線輪廓特點(diǎn)

7、移動(dòng)中不加工以定速邊移動(dòng) , 邊加工及定位可同時(shí)移動(dòng) , 加工 , 變速及定位響應(yīng)時(shí)間一般要求 小于 100ms影響不大一般要求 小于 60ms定位精度一般要求 小于 0.01mm一般要求 小于 0.01mm一般要求小于 0.01mm運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性影響不大影響加工面表面精 度, 非常重要高速進(jìn)給時(shí)特別重 要四. 進(jìn)給系統(tǒng)剛性的影響 .進(jìn)給系統(tǒng)的剛性是指受到負(fù)載時(shí) , 進(jìn)給系統(tǒng)抵抗變形的能力 .進(jìn)給系統(tǒng)剛性可以區(qū)分為機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械 （ 結(jié)構(gòu)）剛性和伺服系統(tǒng)的伺服剛性。（表三 ）機(jī)械及伺服系統(tǒng)剛性機(jī)械系統(tǒng)剛性1. 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械剛性是指螺桿等機(jī)械元件產(chǎn)生單位變形所需的作用力 , 反 應(yīng)了機(jī)械元件抵抗變形

8、的能力 . 2 機(jī)械（靜）剛性的定義 :伺服系統(tǒng)剛性1. 指整個(gè)進(jìn)給伺服系統(tǒng) , 即以控制器到工作臺(tái)表現(xiàn)出來抵抗負(fù)載干擾 ,不 產(chǎn)生消除位置偏差的能力 .（ 特別是伺服系統(tǒng)抵抗負(fù)載變化干擾的能力 ）伺服系統(tǒng)剛性更顯重要 . 臺(tái)達(dá)伺服采用強(qiáng)健性控制 ,抵抗負(fù)載變化幹?jǐn)_能力突出進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械剛性的具體影響 .1. 低速直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí) ,不至產(chǎn)生粘不致滯滑動(dòng) （stick slip） 現(xiàn)象。2. 保證微量進(jìn)給時(shí)的靈敏 （ 很多金切機(jī)床程式特點(diǎn)為程式大且多為短 BLOCK。）3. 對(duì)于半閉回路控制 （ 現(xiàn)階段金切機(jī)床以半閉回路控制為多 ） ，提高機(jī)械剛性可降低因機(jī)械剛 性變化所引起的定位誤差。4. 提高

9、進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械剛性 , 可提高進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)的共振頻率 ,使進(jìn)給系統(tǒng)具有較高的伺服響應(yīng) 頻寬. 進(jìn)而提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性與穩(wěn)定性。影響進(jìn)給系統(tǒng)定位精度的因素（ 圖四 ）五. 進(jìn)給系統(tǒng)中伺服系統(tǒng)的調(diào)試分析 .1. 在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中，若每個(gè)伺服進(jìn)給軸的增益設(shè)定不一樣, 則會(huì)產(chǎn)生輪廓誤差 ,輪廓誤差是指實(shí)際輪廓軌跡與理論輪廓軌跡之間的最短距離。在進(jìn)行直線加工時(shí)，當(dāng) X 軸的增益等于 Y 軸增益時(shí)，直線輪廓誤差會(huì)等于 0，即使有跟隨 誤差，也不會(huì)產(chǎn)生輪廓誤差，若 X軸的增益不等于 Y 軸增益時(shí)，實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡將偏離理論 軌跡，產(chǎn)生了輪廓誤差。 由此分析可知， 在圓弧加工時(shí)， 其加工誤差與進(jìn)給速度的成

10、正比， 與系統(tǒng)增益成反比，若降低進(jìn)給速度，增大系統(tǒng)增益將大大提高輪廓加工精度。同時(shí)，也 可以得出，加工的圓弧半徑越大，加工誤差則越小。對(duì)于在一定的切削加工條件下，當(dāng)兩 軸系統(tǒng)增益相同時(shí)， 就算因半徑及速度不同情況下誤差有變化 ,但也只是有尺寸誤差 , 而不 會(huì)有圓度誤差。當(dāng) X 軸的增益不等于 Y軸增益時(shí)，圓弧輪廓加工始終存在圓度誤差，零件 輪廓將是長(zhǎng)軸 45或 135方向的橢圓 , 因此 , 一起聯(lián)動(dòng)的各個(gè)坐標(biāo)軸的系統(tǒng)增益必須 取相同值 , 才能足以保證輪廓的加工精度。2. 在進(jìn)給速度不變的情況下 , 加大伺服的增益設(shè)定值 ,會(huì)使追隨誤差變小 , 提高移動(dòng)件的動(dòng)態(tài) 精度. 但高增益設(shè)定容易帶來不穩(wěn)定 . 需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定一合適值 .臺(tái)達(dá)伺服采用強(qiáng)健性控制 ,在較高增益值設(shè)定時(shí) , 仍能保持很強(qiáng)穩(wěn)定性 ,使響應(yīng)速度加快 . 追隨誤差變小 , 且整定時(shí)間短 , 最大限度保證動(dòng)態(tài)精度。3. 機(jī)臺(tái)構(gòu)件有其固有頻率，當(dāng)產(chǎn)生諧振時(shí)，噪音 , 振動(dòng). 響應(yīng)受限 . 如果能利用臺(tái)達(dá)伺服軟體 來確認(rèn)諧振點(diǎn) , 設(shè)軟體陷井消除機(jī)械諧振 , 將能大大提升機(jī)床響應(yīng)特性 .4. 選擇合適慣量電機(jī) . 機(jī)床與電機(jī)慣量匹配 , 臺(tái)達(dá)伺服獨(dú)有強(qiáng)健性控制 , 對(duì)慣量匹配要求大大 降低. 能適