數(shù)控機床對位置系統(tǒng)要求的伺服性能探討

1、數(shù)控機床對位置系統(tǒng)要求的伺服性能探討數(shù)控機床一般由NC控制系統(tǒng)、伺服驅動系統(tǒng)和反饋檢測系統(tǒng)三部分組成。數(shù)控機床對位置系統(tǒng)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(wěn)定性。這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。 對閉環(huán)系統(tǒng)來說，總希望系統(tǒng)有較高的動態(tài)精度，即當系統(tǒng)有一個較小的位置誤差時，機床 移動部件會迅速反應。一、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(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù) 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(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)的大小

2、，另一方面是對位置檢測元件提出精度的要求。 因為在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對于檢測元件本身的誤差和被檢測量的偏差是很難區(qū)分出來的，反 饋檢測元件的精度對系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用?？梢哉f，數(shù)控機床的加工精度主要 由檢測系統(tǒng)的精度決定。位移檢測系統(tǒng)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(shù)控機床、 尤其是高精度或大中型數(shù)控機床時， 必須精心選用檢測元件。所選擇的測量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當量，一般要求比加工精度高一 個數(shù)量級?？傊呔鹊目刂葡到y(tǒng)必須有高精度的檢測元件作為保證。例如，數(shù)控機床中常用的直線感應同步器的精度已可達土o.oooimm即0.1

3、卩m靈敏度為0.05卩m重復精度0.2卩m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.二、開環(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 開環(huán)放大倍數(shù)， 工程上多稱作開環(huán)增益。 顯然， 系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是影響伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、 動態(tài)指標的重要參數(shù)之一。一般情況下，數(shù)控機床伺服機構的放大倍數(shù)取為2030 ( 1/S)。通常把K20的系統(tǒng)稱為高放大倍數(shù)或硬伺服系統(tǒng)，應用于輪廓加工系統(tǒng)。如果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(chǎn)生振蕩，即要求是取值大一些，開環(huán)放大倍數(shù) K就小一些；若從

4、系統(tǒng)的快速性出發(fā)，希望x選擇小一些，即希望開環(huán)放大倍數(shù)增加些，同時 K值的增大對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)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(tǒng)的放大倍數(shù)愈高愈好。當輸入速度突變時，高 放大倍數(shù)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(tǒng)的穩(wěn) 定性問題。這是因為在高階系統(tǒng)中系統(tǒng)穩(wěn)定性對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，例如系統(tǒng)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。三、提高可靠性 數(shù)控機床是一種高精度、高效率的自動化設備，如果發(fā)生故障其損失就更大，所以提高數(shù)控 機床的可靠性就顯得尤為重要。可靠度是評價可靠性的主要

5、定量指標之一，其定義為：產(chǎn)品 在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的概率。對數(shù)控機床來說，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、電源、干擾強度和操作規(guī)程等。 這里的功能主要指數(shù)控機床的使用功能，例如數(shù)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(fā)生故障經(jīng)修理或更換零件還能繼續(xù)工作的可修復 設備或系統(tǒng)， 從一次故障到下一次故障的平均時間， 數(shù)控機床常用它作為可靠性的定量指標。 由于數(shù)控裝置采用微機后，其可靠性大大提高，所以伺服系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性比電氣伺服系統(tǒng)差，

6、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(shù)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(shù)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(tǒng)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。 四、寬范圍調速 在數(shù)控機床的加工中，伺服系統(tǒng)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(tǒng)在低速情況下實現(xiàn)平穩(wěn)進給，則要求速度必須大于“死區(qū)”

7、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(xiàn)象也可用“死區(qū)”來表達。設死區(qū)范圍為a,則最低速度Vmin,應滿足Vmina,由于a< dK, d為脈沖當量（mm脈沖）; K 為開環(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=30 x 0.01mm/min=18mm/min伺服系統(tǒng)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(chǎn) 率,但對驅動要求也就更高。此外,從系統(tǒng)控制角度看也有一個檢測與反饋的

8、問題,尤其是 在計算機控制系統(tǒng)中,必須考慮軟件處理的時間是否足夠。由于 fmax=fmax/d式中：fmax為速度的脈沖頻率，kHz; vmax為進給速度， 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(shù)就是兩個脈沖的間隔時間，對應于頻率fmax 的倒數(shù)則為最小的間隔時間tmin ，即 tmin=1/DK. 顯然， 系統(tǒng)必須在 tmin 內通過硬件或軟件完成位置檢測與控制的操作。 對速度而言，vmax的取值是受到tmin的約束。一個較好的伺服系統(tǒng)，調速范圍D往往可達到8001000.當今最先進的水平是在

9、脈沖當量d=1m的條件下，進給速度從 0240m/min范圍內連續(xù)可調。五、結論 上述幾方面對數(shù)控機床位置伺服系統(tǒng)所要求的伺服性能進行了分析，并提出了系統(tǒng)穩(wěn)定運行 的可靠性指標，該研究結果可用于伺服數(shù)控系統(tǒng)的設計，也可用于現(xiàn)有數(shù)控機床的改造以提 高其工作精度。備注說明，非正文，實際使用可刪除如下部分。本內容僅給予閱讀編輯指點：1、 本文件由微軟 OFFICE辦公軟件編輯而成，同時支持WPS。2、文件可重新編輯整理。3、建議結合本公司和個人的實際情況進行修正編輯。4、因編輯原因，部分文件文字有些微錯誤的，請自行修正，并不影響本文閱讀。Note: it is not the text. The f

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