伺服系统在数控中的应用

0 前言

　　数控技术是利用数字化的信息对机床以及加工过程进行控制的一种方法。数控系统是数控机床的重要部分，它随着计算机技术的发展而发展。现在的数控系统都是由计算机来完成以前硬件数控所做的工作，因此，有时也将其称为计算机数字控制系统。计算机数字控制系统是以微处理器技术为特征，并随着电子技术、计算机技术、数控技术、通讯技术和精密测量技术的发展而不断发展完善的一种先进加工制造系统。

1 数控机床系统分析

　　1.1 数控系统的组成及应用

　　数控机床由数字程序实现机床控制。数控机床具有自动换刀装置，工作自动进给、装卸、刀具寿命检测系统和排屑等各种附加装置，可以进行长时间的无人运转加工。数控机床加工过程的精度和效率很大程度上取决于刀具的进给精度及其与主轴旋转速度的协调关系。

　　如图1所示，数控机床一般由五部分组成。其中数控装置是数控机床的核心，现代数控机床都采用计算机控制CNC装置。它具备的主要功能有：1)多坐标控制；2)实现多种函数插补；3)多种程序输入功能，以及编辑和修改功能；4)信息转换功能；5)补偿功能；6)多种加工方式选择；7)故障自诊断功能；8)显示功能；9)通讯与联网功能。CNC系统的结构框图如图2所示。数控系统是严格按照数控程序对工件进行自动加工的。数控加工程序按照零件加工的轨迹信息、工艺信息和开关命令等。

图1数控机床的组成

图2 CNC系统框图 

　　1.2 数控机床中的伺服系统

　　伺服系统是以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进伺服系统到直流伺服系统，进而到交流伺服系统的发展历程。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。

　数控机床的伺服系统主要有两种：进给伺服系统和主轴伺服系统。进给伺服系统是指一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服系统，它的性能决定了数控机床的最大进给速度和定位精度等。严格来说，一般的主轴控制只是一个速度控制系统。主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无级变速。具有C轴控制的主轴和进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。而随着高速加工技术的发展，对主轴伺服系统的要求也越来越高。此外，刀库的位置控制是为了在刀库的不同位置选择刀具，与进给坐标轴的位置控制相比，性能要低得多，故称为简易位置伺服系统。

　　1.3 数控机床对伺服系统的要求

　　由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对伺服系统的要求也不尽相同。但通常可以概括为以下几个方面：

　　a)可逆运行：可逆运行要求能灵活地双向运行。在加工过程中，机床工作台处于随机状态，根据加工轨迹的要求，随时都可以实现正向和反向运动。同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变换为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能反馈给电网，以实现快速制动；

　　b)速度范围宽：为适应不同的加工条件，例如所加工零件的材料、类型、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等的不同，要求数控机床进给系统能在很宽的范围内无级变换。这就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优异的调速性能。经过机械传动后，电机转速的变化范围即可转化为进给速度的变化范围。目前最先进的水平是在进给脉冲当量为1μm的情况下，进给速度在0～240m／nn范围内连续可调。对一般数控机床而言，进给速度范围在0～24m／min时，都可满足加工要求。由于位置伺服系统是由速度控制单元和位置控制环节两大部分组成的，如果对速度控制系统也过分地追求像位置伺服系统那么大的调速范围而又要可靠稳定的工作，那么速度控制系统将会变得相当复杂，既提高了成本又降低了可靠性。一般来说，对于进给速度范围为1：20 000的位置控制系统，在总的开环位置增益为201／S时，只要保证速度控制单元具有l：1 000的调速范围就可以满足需要，这样可使速度控制单元线路既简单又可靠。当然，代表当今世界先进水平的实验系统，速度控制单元调速范围已达1：100 000；：

　　c)具有足够的传动刚性和高的速度稳定性：这就要求伺服系统具有优良的静态与动态负载特性，即伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，速度负载受负载力矩变化的影响很小。通常要求承受额定力矩变换时，静态速降应小于5％，动态速降应小于10％；

　　d)快速响应并无超调：为了保证轮廓切削形状精度和高的加工表面粗糙度，对位置伺服系统除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，这就对伺服系统的动态性能提出两方面的要求：1)在伺服系统处于频繁地启动、制动、加速和减速等动态过程，为了提高生产率和保证加工品质，则要求加减速度足够大，以缩短过渡时间。一般电机速度由0到最大，或从最大降低到0，时间应控制在200nlS以下，甚至小于几十毫秒，且速度变化时不应有超调；另一方面是当负载突然变化时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短、且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面；

　　e)精度高：为了满足数控加工精度的要求，关键是保证数控机床的定位精度和进给跟踪精度。这也是伺服系统静态特性和动态特性指标是否优良的具体表现。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到1弘m甚至0．1脚，高的可以达到0.01～0.005m。相应地，对伺服系统的分辨力也提出了要求。当伺服系统接受CNC送来的一个脉冲时，工作台相应移动的单位距离叫分辨力。系统分辨力取决于系统稳定工作性能和所使系统用的位置检测元件。目前的闭环伺服都能达到0．1脚的分辨力，甚至更小；

　　f)低速大转矩：机床的加工特点，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。