數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類及應用要求

數(shù)控伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，用于實現(xiàn)數(shù)控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。數(shù)控伺服系統(tǒng)的作用是把接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大、整形處理后，轉(zhuǎn)換成機床執(zhí)行部件的直線位移或角位移運動。由于數(shù)控伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的最后環(huán)節(jié)，其性能將直接影響數(shù)控機床的精度和速度等技術(shù)指標。因此，對數(shù)控機床的伺服驅(qū)動裝置，要求具有良好的快速反應性能，準確而靈敏地跟蹤數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字指令信號，并能忠實地執(zhí)行來自數(shù)控裝置的指令，提高系統(tǒng)的動態(tài)跟隨特性和靜態(tài)跟蹤精度。測量元件將數(shù)控機床各坐標軸的實際位移值檢測出來并經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機床的數(shù)控裝置中。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng),簡稱為伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機床進給運動的執(zhí)行機構(gòu)，在許多自動化控制領(lǐng)域廣泛應用。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的種類繁多、技術(shù)原理各具特色，這對其應用帶來很大的困擾，本文就數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類及其應用要求做簡單介紹。

一、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類

數(shù)控機床伺服系統(tǒng)按其用途和功能分為進給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng);按其控制原理和有無位置檢測反饋環(huán)節(jié)分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng);按驅(qū)動執(zhí)行元件的動作原理分為電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

1.進給驅(qū)動與主軸驅(qū)動

進給驅(qū)動是用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標的控制系統(tǒng)，控制機床各坐標軸的切削進給運動，并提供切削過程所需的轉(zhuǎn)矩。主軸驅(qū)動控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動，為機床主軸提供驅(qū)動功率和所需的切削力。一般地，對于進給驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心它的轉(zhuǎn)矩大小、調(diào)節(jié)范圍的大小和調(diào)節(jié)精度的高低，以及動態(tài)響應速度的快慢。對于主軸驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調(diào)節(jié)范圍及速度調(diào)節(jié)范圍。

2.開環(huán)控制和閉環(huán)控制

數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)按有無位置反饋分兩種基本的控制結(jié)構(gòu)，即開環(huán)控制和閉環(huán)控制，如圖5--1所示。由此形成位置開環(huán)控制系統(tǒng)和位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)又可根據(jù)位置檢測裝置在機床上安裝的位置不同，進一步分為半閉環(huán)伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)和全閉環(huán)伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)。若位置檢測裝置安裝在機床的工作臺上，構(gòu)成的伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)為全閉環(huán)控制系統(tǒng);若位置檢測裝置安裝在機床絲杠上，構(gòu)成的伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)則為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。現(xiàn)代數(shù)控機床的伺服驅(qū)動多采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)常用于經(jīng)濟型數(shù)控或老設(shè)備的改造。

3.直流伺服驅(qū)動與交流伺服驅(qū)動

70年代和80年代初，數(shù)控機床多采用直流伺服驅(qū)動。直流大慣量伺服電機具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，而且，由于電機慣性與機床傳動部件的慣量相當，構(gòu)成閉環(huán)后易于調(diào)整。而直流中小慣量伺服電機及其大功率晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動裝置，比較適應數(shù)控機床對頻繁啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。但直流電機一個最大的特點是具有電刷和機械換向器，這限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展，使其應用受到限制。

進入80年代，在電機控制領(lǐng)域交流電機調(diào)速技術(shù)取得了突破性進展，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)大舉進入電氣傳動調(diào)速控制的各個領(lǐng)域。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的最大優(yōu)點是交流電機容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅(qū)動系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來看，采用交流電機比直流電機將更合理。

二、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的應用要求

(1)精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。

(2)穩(wěn)定性好穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。

(3)快速響應快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。

(4)調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。0~30m/min。

(5)低速大轉(zhuǎn)矩進給坐標的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩;主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。