数控机床的伺服系统性能探究

　　数控机床一般由NC控制系统、伺服驱动系统和反馈检测系统3 部分组成。数控机床对位置系统要求的伺服性能包括：定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态特性。对闭环系统来说，总希望系统有较高的动态精度，即当系统有一个较小的位置误差时，机床移动部件会迅速反应。下面就位置控制系统影响数控机床加工要求的几个方面进行论述。

　　1 加工精度

　　精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，反馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。可以说，数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或大中型数控机床时，必须精心选用检测元件。所选择的测量系统的分辨率或脉冲当量，一般要求比加工精度高一个数量级。总之，高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。例如，数控机床中常用的直线感应同步器的精度已可达±0.0001mm，即0.1µm，灵敏度为0.05µm，重复精度0.2µm；而圆型感应同步器的精度可达0.5N，灵敏度0.05N，重复精度0.1N。

　　2 开环放大倍数

　　在典型的二阶系统中，阻尼系数x=1/2（KT）-1/2，速度稳态误差e（∞）＝1/K，其中K为开环放大倍数，工程上多称作开环增益。显然，系统的开环放大倍数是影响伺服系统的静态、动态指标的重要参数之一。

　　一般情况下，数控机床伺服机构的放大倍数取为20～30（1/S）。通常把K<20 范围的伺服系统称为低放大倍数或软伺服系统，多用于点位控制。而把K>20 的系统称为高放大倍数或硬伺服系统，应用于轮廓加工系统。

　　假若为了不影响加工零件的表面粗糙度和精度，希望阶跃响应不产生振荡，即要求是取值大一些，开环放大倍数K就小一些；若从系统的快速性出发，希望x选择小一些，即希望开环放大倍数～增加些，同时K值的增大对系统的稳态精度也能有所提高。因此，对K值的选取是必需综合考虑的问题。换句话说，并非系统的放大倍数愈高愈好。当输入速度突变时，高放大倍数可能导致输出剧烈的变动，机械装置要受到较大的冲击，有的还可能引起系统的稳定性问题。这是因为在高阶系统中系统稳定性对K值有取值范围的要求。低放大倍数系统也有一定的优点，例如系统调整比较容易，结构简单，对扰动不敏感，加工的表面粗糙度好。

　　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。

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