數控機床的伺服系統性能探究

數控機床的伺服系統性能探究

　　數控機床作為現代制造業的重要支撐,也是未來先進制造技術的核心內容,直接反映一個國家制造業發展的水平。伺服系統作為數控機床的一個重要組成部分,其性能直接影響并決定數控加工設備的快速性、精確性與穩定性。

　　數控機床一般由NC控制系統、伺服驅動系統和反饋檢測系統3 部分組成。數控機床對位置系統要求的伺服性能包括：定位速度和輪廓切削進給速度;定位精度和輪廓切削精度;精加工的表面粗糙度;在外界干擾下的穩定性。這些要求主要取決于伺服系統的靜態、動態特性。對閉環系統來說，總希望系統有較高的動態精度，即當系統有一個較小的位置誤差時，機床移動部件會迅速反應。下面就位置控制系統影響數控機床加工要求的幾個方面進行論述。

　　1 加工精度

　　精度是機床必須保證的一項性能指標。位置伺服控制系統的位置精度在很大程度上決定了數控機床的加工精度。因此位置精度是一個極為重要的指標。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統中開環放大倍數的大小，另一方面是對位置檢測元件提出精度的要求。因為在閉環控制系統中，對于檢測元件本身的誤差和被檢測量的偏差是很難區分出來的，反饋檢測元件的精度對系統的精度常常起著決定性的作用。可以說，數控機床的加工精度主要由檢測系統的精度決定。位移檢測系統能夠測量的最小位移量稱做分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。在設計數控機床、尤其是高精度或大中型數控機床時，必須精心選用檢測元件。所選擇的測量系統的分辨率或脈沖當量，一般要求比加工精度高一個數量級�？傊�，高精度的控制系統必須有高精度的檢測元件作為保證。例如，數控機床中常用的直線感應同步器的精度已可達±0.0001mm，即0.1µm，靈敏度為0.05µm，重復精度0.2µm;而圓型感應同步器的精度可達0.5N，靈敏度0.05N，重復精度 0.1N。

　　2 開環放大倍數

　　在典型的二階系統中，阻尼系數x=1/2(KT)-1/2，速度穩態誤差e(∞)=1/K，其中K為開環放大倍數，工程上多稱作開環增益。顯然，系統的開環放大倍數是影響伺服系統的靜態、動態指標的重要參數之一。

　　一般情況下，數控機床伺服機構的放大倍數取為20～30(1/S)。通常把K<20 范圍的伺服系統稱為低放大倍數或軟伺服系統，多用于點位控制。而把K>20 的系統稱為高放大倍數或硬伺服系統，應用于輪廓加工系統。

　　假若為了不影響加工零件的表面粗糙度和精度，希望階躍響應不產生振蕩，即要求是取值大一些，開環放大倍數K就小一些;若從系統的快速性出發，希望x選擇小一些，即希望開環放大倍數～增加些，同時K值的增大對系統的穩態精度也能有所提高。因此，對K值的選取是必需綜合考慮的問題。換句話說，并非系統的放大倍數愈高愈好。當輸入速度突變時，高放大倍數可能導致輸出劇烈的變動，機械裝置要受到較大的沖擊，有的還可能引起系統的穩定性問題。這是因為在高階系統中系統穩定性對K值有取值范圍的要求。低放大倍數系統也有一定的優點，例如系統調整比較容易，結構簡單，對擾動不敏感，加工的表面粗糙度好。

　　3 提高可靠性

　　數控機床是一種高精度、高效率的自動化設備，如果發生故障其損失就更大，所以提高數控機床的可靠性就顯得尤為重要�？煽慷仁窃u價可靠性的主要定量指標之一，其定義為：產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的概率。對數控機床來說，它的規定條件是指其環境條件、工作條件及工作方式等，例如溫度、濕度、振動、電源、干擾強度和操作規程等。這里的功能主要指數控機床的使用功能，例如數控機床的各種機能，伺服性能等。

　　平均故障(失效)間隔時間(MTBF)是指發生故障經修理或更換零件還能繼續工作的可修復設備或系統，從一次故障到下一次故障的平均時間，數控機床常用它作為可靠性的定量指標。由于數控裝置采用微機后，其可靠性大大提高，所以伺服系統的可靠性就相對突出。它的故障主要來自伺服元件及機械傳動部分。

　　通常液壓伺服系統的可靠性比電氣伺服系統差，電磁閥、繼電器等電磁元件的可靠性較差，應盡量用無接觸點元件代替。

　　目前數控機床因受元件質量、工藝條件及費用等限制，其可靠性還不很高。為了使數控機床能得到工廠的歡迎，必須進一步提高其可靠性，從而提高其使用價值。在設計伺服系統時，必須按設計的技術要求和可靠性選擇元器件，并按嚴格的測試檢驗進行篩選，在機械互鎖裝置等方面，必須給予密切注意，盡量減少因機械部件引起的故障。

　　4 寬范圍調速

　　在數控機床的加工中，伺服系統為了同時滿足高速快移和單步點動，要求進給驅動具有足夠寬的調速范圍。

　　單步點動作為一種輔助工作方式常常在工作臺的調整中使用。

　　伺服系統在低速情況下實現平穩進給，則要求速度必須大于“死區”范圍。所謂“死區”指的是由于靜摩擦力的存在使系統在很小的輸入下，電機克服不了這摩擦力而不能轉動。此外，還由于存在機械間隙，電機雖然轉動，但拖板并不移動，這些現象也可用“死區”來表達。

　　設死區范圍為a，則最低速度Vmin，應滿足Vmin≥a，由于a≤dK，d為脈沖當量(mm/脈沖);K為開環放大倍數，則

　　Vmin≥dK

　　若取d=0.01mm/脈沖，K=30×1/S，則最低速度

　　Vmin≥a=30×0.01mm/min=18mm/min

　　伺服系統最高速度的選擇要考慮到機床的機械允許界限和實際加工要求，高速度固然能提高生產率，但對驅動要求也就更高。此外，從系統控制角度看也有一個檢測與反饋的問題，尤其是在計算機控制系統中，必須考慮軟件處理的時間是否足夠。

　　由于fmax=fmax/d

　　式中：fmax為最高速度的脈沖頻率，kHz;vmax為最高進給速度，mm/min;d為脈沖當量，mm。

　　又設D為調速范圍，D=vmax/vmin，得

　　fmax =Dvmin/d=DKd/d=DK

　　由于頻率的倒數就是兩個脈沖的間隔時間，對應于最高頻率fmax的倒數則為最小的間隔時間tmin，即tmin=1/DK。顯然，系統必須在tmin內通過硬件或軟件完成位置檢測與控制的操作。對最高速度而言，vmax的取值是受到tmin的約束。

　　一個較好的伺服系統，調速范圍D往往可達到800～1000。當今最先進的水平是在脈沖當量d=1µm的條件下，進給速度從0～240m/min范圍內連續可調。

　　5 結論

　　上述幾方面對數控機床位置伺服系統所要求的伺服性能進行了分析，并提出了系統穩定運行的可靠性指標，該研究結果可用于伺服數控系統的設計，也可用于現有數控機床的改造以提高其工作精度。

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