探討伺服系統(tǒng)對(duì)數(shù)控加工的影響

摘要：近年來(lái)，精密數(shù)控機(jī)床技術(shù)被廣泛應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床加工對(duì)象從以往的簡(jiǎn)單曲線零件逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜曲面加工，而數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的選擇直接關(guān)系到精密數(shù)控機(jī)床的加工速度、精度等各項(xiàng)技術(shù)性指標(biāo)。本文介紹了數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的發(fā)展情況，并對(duì)伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)及補(bǔ)償形式進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；伺服系統(tǒng)；伺服性能

前言

伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵構(gòu)成，也是控制系統(tǒng)與機(jī)械傳動(dòng)器件進(jìn)行連接的重要環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)性能的差別直接影響著數(shù)控機(jī)床的加工速度、穩(wěn)定性及精度。大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床需要伺服系統(tǒng)控制定位速度、輪廓切削進(jìn)給速度、輪廓切削精確度，以及對(duì)精加工表層的粗糙度和外部干擾下的運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.我國(guó)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我國(guó)能加工各類較為復(fù)雜曲面零件的數(shù)控機(jī)床均使用了非常先進(jìn)的直線軸技術(shù)，該技術(shù)為傳動(dòng)軸直接驅(qū)動(dòng)模式，由對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)通過(guò)簡(jiǎn)單傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給設(shè)備，并利用多種插補(bǔ)技術(shù)來(lái)滿足加工高精度及高粗糙度等復(fù)雜零部件的質(zhì)量要求。伺服系統(tǒng)的本質(zhì)就是隨動(dòng)系統(tǒng)，屬于控制系統(tǒng)系列，要求系統(tǒng)能夠根據(jù)不同指令對(duì)相關(guān)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，使其自動(dòng)連接并精確的依照對(duì)應(yīng)指令完成運(yùn)動(dòng)。我國(guó)當(dāng)前主流的數(shù)控伺服系統(tǒng)均采用PID控制技術(shù)，根據(jù)機(jī)床類別和使用要求，對(duì)系統(tǒng)電流環(huán)以及速度、位置環(huán)的控制系數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。由于機(jī)床伺服控制系統(tǒng)的變化原因很多，屬于非線性系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)控制系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的難度很大，我國(guó)對(duì)相關(guān)系統(tǒng)及硬件的研究較少，因此我國(guó)數(shù)控機(jī)床使用的伺服控制器等系統(tǒng)部件大部分均采用國(guó)外產(chǎn)品。

2.伺服系統(tǒng)對(duì)機(jī)床性能的影響

伺服系統(tǒng)中的伺服控制器在對(duì)應(yīng)的數(shù)字控制系統(tǒng)以及機(jī)械器件間進(jìn)行轉(zhuǎn)換信號(hào)，傳遞數(shù)據(jù)的工作。數(shù)控系統(tǒng)把相關(guān)加工代碼指令發(fā)送至伺服控制器中，伺服控制器將編程指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)指示電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床部件移動(dòng)，使機(jī)床工作臺(tái)依照指令代碼所預(yù)設(shè)的軌跡進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以完成加工符合各類標(biāo)準(zhǔn)零件的操作。因?yàn)樗欧到y(tǒng)是直接控制工件臺(tái)、刀具箱以及各類運(yùn)動(dòng)性器件的，所以伺服控制系統(tǒng)的匹配和調(diào)試對(duì)機(jī)床精度和加工性能有著非常大的影響。

伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和機(jī)床性能以及加工零件精確度的統(tǒng)一是選擇伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵。而要保證加工零件的精度，就需要伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)控制對(duì)應(yīng)的機(jī)床移動(dòng)器件以穩(wěn)定速率移動(dòng)或切削零部件，盡最大的可能確保加工精度不會(huì)受到負(fù)載變化和電源電壓變化的影響。尤其是使用直驅(qū)技術(shù)的機(jī)床主軸，其負(fù)載的相對(duì)變化，對(duì)伺服系統(tǒng)的控制有著相當(dāng)大的影響。因此為提高伺服控制系統(tǒng)控制精確度以及抗干擾的能力，在高級(jí)數(shù)控加工中心和高精度、高性能的數(shù)控加工系統(tǒng)中，通常使用閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)，同時(shí)執(zhí)行元器件使用伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)，位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)使用激光光柵以及磁柵等有效的傳感器件為對(duì)應(yīng)的閉環(huán)反饋信號(hào)。閉環(huán)系統(tǒng)通過(guò)反饋系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)床工作狀況并能自動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，準(zhǔn)確性高且穩(wěn)定性好，大部分閉環(huán)CNC系統(tǒng)已能提供精確至0.001mm的精度控制。根據(jù)位置測(cè)量裝置的安裝部位不同，閉環(huán)控制系統(tǒng)又分為半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制。

半閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的測(cè)量設(shè)備均安置在絲杠尾端或者是電機(jī)軸處，探測(cè)器不會(huì)對(duì)機(jī)床的局部實(shí)際運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行直接性的檢測(cè)，只是檢測(cè)絲杠或是伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角，并依照對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)鏈將運(yùn)動(dòng)器件位移量導(dǎo)出。然后把該位移量及控制系統(tǒng)所傳出的移動(dòng)指令數(shù)值進(jìn)行比較，并使用對(duì)比偏差對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的位移進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)雖然有位置檢測(cè)設(shè)備及監(jiān)測(cè)功能，不過(guò)由于測(cè)量數(shù)據(jù)不是機(jī)床部件的真實(shí)位移，故稱之為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。該控制方法是依照對(duì)應(yīng)程序中的位置性指令來(lái)對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳送信號(hào)，因?yàn)橄嚓P(guān)的傳動(dòng)鏈之間存在螺距誤差以及反向間隙，從而會(huì)造成運(yùn)動(dòng)器件實(shí)際位置和測(cè)量位置的誤差，而數(shù)控伺服系統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備均安置在電機(jī)軸上，無(wú)法對(duì)傳動(dòng)鏈之間的誤差進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償，因此該伺服系統(tǒng)間所存在的傳動(dòng)鏈各類誤差不能校正。半閉環(huán)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是反饋過(guò)程中不穩(wěn)定因素較少，調(diào)試較方便，穩(wěn)定性高，目前在單一功能機(jī)床設(shè)備中應(yīng)用比較廣泛。

3.伺服系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償

由于機(jī)床滾珠絲杠的生產(chǎn)會(huì)存在一定的制造誤差，長(zhǎng)時(shí)間的使用也會(huì)造成絲杠磨損，因此要保證數(shù)控機(jī)床擁有較高的定位精度和穩(wěn)定性，只有使用合適的誤差補(bǔ)償方式對(duì)其定位精確度進(jìn)行補(bǔ)償，最常見(jiàn)的就是對(duì)主軸滾珠絲杠螺距誤差補(bǔ)償。一般補(bǔ)償可以分為軟件補(bǔ)償及硬件補(bǔ)償，硬件補(bǔ)償使用機(jī)械性方式檢測(cè)數(shù)控機(jī)床軸滾絲杠全過(guò)程的誤差分布，并在絲杠螺距積累誤差數(shù)值到脈沖當(dāng)量的位置裝設(shè)擋塊，在機(jī)床工作臺(tái)出現(xiàn)移動(dòng)時(shí)，設(shè)置在機(jī)床上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)和擋塊的電路信號(hào)指示對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。該方式不足之處就是數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)上應(yīng)裝配相應(yīng)的機(jī)械器件和電路信號(hào)元件。軟件補(bǔ)償則是使用伺服系統(tǒng)控制誤差變動(dòng)范圍并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，螺距誤差軟件補(bǔ)償與硬件補(bǔ)償之間最大的不同在于，軟件補(bǔ)償能檢測(cè)數(shù)控機(jī)床軸滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)的全部過(guò)程并進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，使用相關(guān)的數(shù)控指令將工作臺(tái)定位到特定位置點(diǎn)，作為相關(guān)的指令位置，采用高精度位置測(cè)量器件將位置點(diǎn)的真實(shí)位置測(cè)出，并把該實(shí)際位置和指令位置進(jìn)行比較，計(jì)算出滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的誤差分布，并將誤差分布情況以表格的形式輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)中。

4.結(jié)語(yǔ)

隨著微電機(jī)、控制、電子等新技術(shù)的不斷進(jìn)步，微處理器性能的持續(xù)提升，對(duì)應(yīng)的變頻調(diào)速以及高性能的交流式伺服控制系統(tǒng)也獲得了快速的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)的機(jī)床控制性能上較直流式伺服系統(tǒng)有更大的優(yōu)勢(shì)和性能提升，因此繼續(xù)探究不同數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的伺服性能對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展是具有重大意義的。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：邵昌明（1985-），男，漢族，貴州貴陽(yáng)人，中北大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)，從事高職數(shù)控專業(yè)教學(xué)和研究工作。