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數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)性能探究
數(shù)控機(jī)床作為現(xiàn)代制造業(yè)的重要支撐,也是未來先進(jìn)制造技術(shù)的核心內(nèi)容,直接反映一個(gè)國家制造業(yè)發(fā)展的水平。伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分,其性能直接影響并決定數(shù)控加工設(shè)備的快速性、精確性與穩(wěn)定性。
數(shù)控機(jī)床一般由NC控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和反饋檢測系統(tǒng)3 部分組成。數(shù)控機(jī)床對(duì)位置系統(tǒng)要求的伺服性能包括：定位速度和輪廓切削進(jìn)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(dòng)態(tài)特性。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來說，總希望系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)精度，即當(dāng)系統(tǒng)有一個(gè)較小的位置誤差時(shí)，機(jī)床移動(dòng)部件會(huì)迅速反應(yīng)。下面就位置控制系統(tǒng)影響數(shù)控機(jī)床加工要求的幾個(gè)方面進(jìn)行論述。
1 加工精度
精度是機(jī)床必須保證的一項(xiàng)性能指標(biāo)。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(jī)床的加工精度。因此位置精度是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。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，另一方面是對(duì)位置檢測元件提出精度的要求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)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(duì)系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用。可以說，數(shù)控機(jī)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(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床、尤其是高精度或大中型數(shù)控機(jī)床時(shí)，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(dāng)量，一般要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。總之，高精度的控制系統(tǒng)必須有高精度的檢測元件作為保證。例如，數(shù)控機(jī)床中常用的直線感應(yīng)同步器的精度已可達(dá)±0.0001mm，即0.1µm，靈敏度為0.05µm，重復(fù)精度0.2µm;而圓型感應(yīng)同步器的精度可達(dá)0.5N，靈敏度0.05N，重復(fù)精度 0.1N。
2 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(dòng)態(tài)指標(biāo)的重要參數(shù)之一。
一般情況下，數(shù)控機(jī)床伺服機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)取為20～30(1/S)。通常把K<20 范圍的伺服系統(tǒng)稱為低放大倍數(shù)或軟伺服系統(tǒng)，多用于點(diǎn)位控制。而把K>20 的系統(tǒng)稱為高放大倍數(shù)或硬伺服系統(tǒng)，應(yīng)用于輪廓加工系統(tǒng)。
假若為了不影響加工零件的表面粗糙度和精度，希望階躍響應(yīng)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(shí)K值的增大對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度也能有所提高。因此，對(duì)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(dāng)輸入速度突變時(shí)，高放大倍數(shù)可能導(dǎo)致輸出劇烈的變動(dòng)，機(jī)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?yàn)樵诟唠A系統(tǒng)中系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)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(diǎn)，例如系統(tǒng)調(diào)整比較容易，結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)擾動(dòng)不敏感，加工的表面粗糙度好。
3 提高可靠性
數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化設(shè)備，如果發(fā)生故障其損失就更大，所以提高數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤為重要。可靠度是評(píng)價(jià)可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對(duì)數(shù)控機(jī)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(dòng)、電源、干擾強(qiáng)度和操作規(guī)程等。這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的使用功能，例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能，伺服性能等。
平均故障(失效)間隔時(shí)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(fù)設(shè)備或系統(tǒng)，從一次故障到下一次故障的平均時(shí)間，數(shù)控機(jī)床常用它作為可靠性的定量指標(biāo)。由于數(shù)控裝置采用微機(jī)后，其可靠性大大提高，所以伺服系統(tǒng)的可靠性就相對(duì)突出。它的故障主要來自伺服元件及機(jī)械傳動(dòng)部分。
通常液壓伺服系統(tǒng)的可靠性比電氣伺服系統(tǒng)差，電磁閥、繼電器等電磁元件的可靠性較差，應(yīng)盡量用無接觸點(diǎn)元件代替。
目前數(shù)控機(jī)床因受元件質(zhì)量、工藝條件及費(fèi)用等限制，其可靠性還不很高。為了使數(shù)控機(jī)床能得到工廠的歡迎，必須進(jìn)一步提高其可靠性，從而提高其使用價(jià)值。在設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)時(shí)，必須按設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和可靠性選擇元器件，并按嚴(yán)格的測試檢驗(yàn)進(jìn)行篩選，在機(jī)械互鎖裝置等方面，必須給予密切注意，盡量減少因機(jī)械部件引起的故障。
4 寬范圍調(diào)速
在數(shù)控機(jī)床的加工中，伺服系統(tǒng)為了同時(shí)滿足高速快移和單步點(diǎn)動(dòng)，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。
單步點(diǎn)動(dòng)作為一種輔助工作方式常常在工作臺(tái)的調(diào)整中使用。
伺服系統(tǒng)在低速情況下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)給，則要求速度必須大于“死區(qū)”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(jī)克服不了這摩擦力而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，還由于存在機(jī)械間隙，電機(jī)雖然轉(zhuǎn)動(dòng)，但拖板并不移動(dòng)，這些現(xiàn)象也可用“死區(qū)”來表達(dá)。
設(shè)死區(qū)范圍為a，則最低速度Vmin，應(yīng)滿足Vmin≥a，由于a≤dK，d為脈沖當(dāng)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=30×1/S，則最低速度
Vmin≥a=30×0.01mm/min=18mm/min
伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機(jī)床的機(jī)械允許界限和實(shí)際加工要求，高速度固然能提高生產(chǎn)率，但對(duì)驅(qū)動(dòng)要求也就更高。此外，從系統(tǒng)控制角度看也有一個(gè)檢測與反饋的問題，尤其是在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理的時(shí)間是否足夠。
由于fmax=fmax/d
式中：fmax為最高速度的脈沖頻率，kHz;vmax為最高進(jìn)給速度，mm/min;d為脈沖當(dāng)量，mm。
又設(shè)D為調(diào)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(gè)脈沖的間隔時(shí)間，對(duì)應(yīng)于最高頻率fmax的倒數(shù)則為最小的間隔時(shí)間tmin，即tmin=1/DK。顯然，系統(tǒng)必須在tmin內(nèi)通過硬件或軟件完成位置檢測與控制的操作。對(duì)最高速度而言，vmax的取值是受到tmin的約束。
一個(gè)較好的伺服系統(tǒng)，調(diào)速范圍D往往可達(dá)到800～1000。當(dāng)今最先進(jìn)的水平是在脈沖當(dāng)量d=1µm的條件下，進(jìn)給速度從0～240m/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
5 結(jié)論
上述幾方面對(duì)數(shù)控機(jī)床位置伺服系統(tǒng)所要求的伺服性能進(jìn)行了分析，并提出了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性指標(biāo)，該研究結(jié)果可用于伺服數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也可用于現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的改造以提高其工作精度。
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