数控机床的伺服系统性能探究

　　3 提高可靠性

　　数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，如果发生故障其损失就更大，所以提高数控机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一，其定义为：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。对数控机床来说，它的规定条件是指其环境条件、工作条件及工作方式等，例如温度、湿度、振动、电源、干扰强度和操作规程等。

　　这里的功能主要指数控机床的使用功能，例如数控机床的各种机能，伺服性能等。

　　平均故障（失效）间隔时间（MTBF）是指发生故障经修理或更换零件还能继续工作的可修复设备或系统，从一次故障到下一次故障的平均时间，数控机床常用它作为可靠性的定量指标。由于数控装置采用微机后，其可靠性大大提高，所以伺服系统的可靠性就相对突出。它的故障主要来自伺服元件及机械传动部分。通常液压伺服系统的可靠性比电气伺服系统差，电磁阀、继电器等电磁元件的可靠性较差，应尽量用无接触点元件代替。

　　目前数控机床因受元件质量、工艺条件及费用等限制，其可靠性还不很高。为了使数控机床能得到工厂的欢迎，必须进一步提高其可靠性，从而提高其使用价值。在设计伺服系统时，必须按设计的技术要求和可靠性选择元器件，并按严格的测试检验进行筛选，在机械互锁装置等方面，必须给予密切注意，尽量减少因机械部件引起的故障。

　　4 宽范围调速

　　在数控机床的加工中，伺服系统为了同时满足高速快移和单步点动，要求进给驱动具有足够宽的调速范围。单步点动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使用。伺服系统在低速情况下实现平稳进给，则要求速度必须大于“死区”范围。所谓“死区”指的是由于静摩擦力的存在使系统在很小的输入下，电机克服不了这摩擦力而不能转动。此外，还由于存在机械间隙，电机虽然转动，但拖板并不移动，这些现象也可用“死区”来表达。设死区范围为a，则最低速度Vmin，应满足Vmin≥a，由于a≤dK，d为脉冲当量（mm/脉冲）；K为开环放大倍数，则
            Vmin≥dK
            若取d=0.01mm/脉冲，K=30×1/S，则最低速度
            Vmin≥a=30×0.01mm/min=18mm/min

　　伺服系统最高速度的选择要考虑到机床的机械允许界限和实际加工要求，高速度固然能提高生产率，但对驱动要求也就更高。此外，从系统控制角度看也有一个检测与反馈的问题，尤其是在计算机控制系统中，必须考虑软件处理的时间是否足够。由于fmax=fmax/d式中：fmax为最高速度的脉冲频率，kHz；vmax为最高进给速度，mm/min；d为脉冲当量，mm。

　　又设D为调速范围，D=vmax/vmin，得fmax =Dvmin/d=DKd/d=DK由于频率的倒数就是两个脉冲的间隔时间，对应于最高频率fmax的倒数则为最小的间隔时间tmin，即tmin=1/DK。

　　显然，系统必须在tmin内通过硬件或软件完成位置检测与控制的操作。对最高速度而言，vmax的取值是受到tmin的约束。

　　一个较好的伺服系统，调速范围D往往可达到800～1000。当今最先进的水平是在脉冲当量d=1µm的条件下，进给速度从0～240m/min范围内连续可调。

　　5 结论

　　上述几方面对数控机床位置伺服系统所要求的伺服性能进行了分析，并提出了系统稳定运行的可靠性指标，该研究结果可用于伺服数控系统的设计，也可用于现有数控机床的改造以提高其工作精度。