工控商務(wù)網(wǎng)：數(shù)控機(jī)床與伺服系統(tǒng)

1、工控商務(wù)網(wǎng)：數(shù)控機(jī)床與伺服系統(tǒng)文章來(lái)自：工控網(wǎng)數(shù)控機(jī)床一般由NC控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和反饋檢測(cè)系統(tǒng)3部分組成。數(shù)控機(jī)床對(duì)位置系統(tǒng)要求的伺服性能包括：定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度；定位精度和輪廓切削精度； 精加工的表面粗糙度； 在外界干擾下的穩(wěn)定性。 這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，總希望系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)精度，即當(dāng)系統(tǒng)有一個(gè)較小的位置誤差時(shí)，機(jī)床移動(dòng)部件會(huì)迅速反應(yīng)。下面就位置控制系統(tǒng)影響數(shù)控機(jī)床加工要求的幾個(gè)方面進(jìn)行論 述。1、加工精度精度是機(jī)床必須保證的一項(xiàng)性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。因此位置精度是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。為

2、了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統(tǒng)中開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)的大小，另一方面是對(duì)位置檢測(cè)元件提出精度的要 求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)于檢測(cè)元件本身的誤差和被檢測(cè)量的偏差是很難區(qū)分出來(lái)的， 反饋檢測(cè)元件的精度對(duì)系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用?？梢哉f(shuō)，數(shù)控機(jī)床的加工精度主要由檢測(cè)系統(tǒng)的精度決定。位移檢測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量的最小位移量稱(chēng)做分辨率。分辨率不僅取決于檢測(cè)元件本身，也取決于測(cè)量線路。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床、尤其是高精度或大中型數(shù)控機(jī)床 時(shí)，必須精心選用檢測(cè)元件。所選擇的測(cè)量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，一般要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。總之，高精度的控制系統(tǒng)必須有高精度的檢測(cè)元件作為保證。例如，數(shù)控機(jī) 床中常用

3、的直線感應(yīng)同步器的精度已可達(dá)土 o.oooimm 即0.1卩m靈敏度為0.05卩m重復(fù)精 度0.2卩m而圓型感應(yīng)同步器的精度可達(dá) 0.5N，靈敏度0.05N，重復(fù)精度0.1N。2、開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)在典型的二階系統(tǒng)中，阻尼系數(shù)x=1/2 ( KT) -1/2，速度穩(wěn)態(tài)誤差e () = 1/K，其中K為開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，工程上多稱(chēng)作開(kāi)環(huán)增益。顯然，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)是影響伺服系統(tǒng)的 靜態(tài)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)的重要參數(shù)之一。一般情況下，數(shù)控機(jī)床伺服機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)取為2030 (1/S )。通常把K<20范圍的伺服系統(tǒng)稱(chēng)為低放大倍數(shù)或軟伺服系統(tǒng)，多用于點(diǎn)位控制。而把K>20的系統(tǒng)稱(chēng)為高放大倍數(shù)或硬伺服系統(tǒng)，

4、應(yīng)用于輪廓加工系統(tǒng)。假若為了不影響加工零件的表面粗糙度和精度，希望階躍響應(yīng)不產(chǎn)生振蕩，即要求是取值大一些，開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)K就小一些；若從系統(tǒng)的快速性出發(fā)，希望x選擇小一些，即希望開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)增加些，同時(shí)K值的增大對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度也能有所提高。因此，對(duì)K值的選取是必需綜合考慮的問(wèn)題。換句話(huà)說(shuō)，并非系統(tǒng)的放大倍數(shù)愈高愈好。當(dāng)輸入速度突變時(shí)， 高放大倍數(shù)可能導(dǎo)致輸出劇烈的變動(dòng)，機(jī)械裝置要受到較大的沖擊，有的還可能引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。這是因?yàn)樵诟唠A系統(tǒng)中系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)K值有取值范圍的要求。 低放大倍數(shù)系統(tǒng)也有一定的優(yōu)點(diǎn)，例如系統(tǒng)調(diào)整比較容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)擾動(dòng)不敏感，加工的表面粗糙度好。3、提高可靠性數(shù)控

5、機(jī)床是一種高精度、 高效率的自動(dòng)化設(shè)備， 如果發(fā)生故障其損失就更大， 所以提高 數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤為重要?？煽慷仁窃u(píng)價(jià)可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為： 產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)， 完成規(guī)定功能的概率。 對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)， 它的規(guī)定條件是 指其環(huán)境條件、工作條件及工作方式等，例如溫度、濕度、振動(dòng)、電源、干擾強(qiáng)度和操作規(guī) 程等。這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的使用功能，例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能，伺服性能等。平均故障（失效）間隔時(shí)間（MTBF是指發(fā)生故障經(jīng)修理或更換零件還能繼續(xù)工作的可 修復(fù)設(shè)備或系統(tǒng)， 從一次故障到下一次故障的平均時(shí)間， 數(shù)控機(jī)床常用它作為可靠性的定量 指標(biāo)。由于數(shù)控裝置采用微

6、機(jī)后，其可靠性大大提高，所以伺服系統(tǒng)的可靠性就相對(duì)突出。 它的故障主要來(lái)自伺服元件及機(jī)械傳動(dòng)部分。通常液壓伺服系統(tǒng)的可靠性比電氣伺服系統(tǒng) 差，電磁閥、繼電器等電磁元件的可靠性較差，應(yīng)盡量用無(wú)接觸點(diǎn)元件代替。目前數(shù)控機(jī)床因受元件質(zhì)量、 工藝條件及費(fèi)用等限制， 其可靠性還不很高。 為了使數(shù)控 機(jī)床能得到工廠的歡迎， 必須進(jìn)一步提高其可靠性， 從而提高其使用價(jià)值。 在設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng) 時(shí)，必須按設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和可靠性選擇元器件， 并按嚴(yán)格的測(cè)試檢驗(yàn)進(jìn)行篩選， 在機(jī)械互 鎖裝置等方面，必須給予密切注意，盡量減少因機(jī)械部件引起的故障。4、寬范圍調(diào)速在數(shù)控機(jī)床的加工中， 伺服系統(tǒng)為了同時(shí)滿(mǎn)足高速快移和單步點(diǎn)動(dòng)

7、， 要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)具有 足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。單步點(diǎn)動(dòng)作為一種輔助工作方式常常在工作臺(tái)的調(diào)整中使用。伺服系統(tǒng)在低速情況下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)給，則要求速度必須大于“死區(qū)”范圍。所謂“死 區(qū)”指的是由于靜摩擦力的存在使系統(tǒng)在很小的輸入下，電機(jī)克服不了這摩擦力而不能轉(zhuǎn) 動(dòng)。此外，還由于存在機(jī)械間隙， 電機(jī)雖然轉(zhuǎn)動(dòng)， 但拖板并不移動(dòng)， 這些現(xiàn)象也可用“死區(qū)” 來(lái)表達(dá)。設(shè)死區(qū)范圍為a,則最低速度 Vmin，應(yīng)滿(mǎn)足Vmina,由于a<dK, d為脈沖當(dāng)量（mm/ 脈沖）；K為開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，則Vmin dK若取d=0.01mm/脈沖，K=30X 1/S，則最低速度Vmina=30x 0.01mm/min=18mm/

8、min伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機(jī)床的機(jī)械允許界限和實(shí)際加工要求,高速度固然能提高生產(chǎn)率, 但對(duì)驅(qū)動(dòng)要求也就更高。 此外,從系統(tǒng)控制角度看也有一個(gè)檢測(cè)與反饋的問(wèn)題, 尤其是在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,必須考慮軟件處理的時(shí)間是否足夠。由于 fmax=fmax/d式中：fmax為最高速度的脈沖頻率，kHz; vmax為最高進(jìn)給速度，mm/min; d為脈沖當(dāng)量，mm。又設(shè)D為調(diào)速范圍，D=vmax/vmin，得fmax=Dvmi n/d=DKd/d=DK由于頻率的倒數(shù)就是兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間，對(duì)應(yīng)于最高頻率fmax的倒數(shù)則為最小的間隔時(shí)間tmin，即tmin=1/DK。顯然，系統(tǒng)必須在 tmin內(nèi)通過(guò)硬件或軟件完成位置檢測(cè)與控 制的操作。對(duì)最高速度而言，vmax的取值是受到tmin的約束。一個(gè)較好的伺服系統(tǒng)，調(diào)速范圍D往往可達(dá)到8001000。當(dāng)今最先進(jìn)的水平是在脈沖當(dāng)量d=