综述数控机床对进给伺服驱动系统的要求

综述数控机床对进给伺服驱动系统的要求

科　技　论　坛

中国科技信息２００５年第２３期　　　　ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｄｅｃ．２００５

综述数控机床对进给伺服驱动系统的要求

冯琪玲　辽宁工程技术大学职业技术学院　　１２３０００

摘　　要：数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，将高效率、高精度和高柔性集中于一体。而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特征的改善以及功能的扩大。为此，数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电动机、机械传动等方面都有很高的要求。关键词：柔性；进给伺服系统；数控机床；位置控制

引言

数控机床的进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，最终实现机床工作台相对于刀具运动的控制系统。

伺服驱动系统是ＣＮＣ装置和机床的联系环节。ＣＮＣ装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。其性能很大程度上决定了数控机床的性能，因此，研究与开发性能优良的进给伺服系统是现代数控机床的关键技术之一。

１、伺服驱动系统的作用

（１）伺服驱动系统能放大控制信号，具有输出功率的能力；

（２）伺服驱动系统根据ＣＮＣ装置发出的控制信息对机床移动部件的位置和速度进行控制。

２、分析方法

２．１　闭环伺服驱动系统的组成：（１）驱动电路

接收微机发出的指令，并将输入信号转换成电压信号，经过功率放大后，驱动电动机旋转。转速的大小由指令控制。（２）执行元件

可以是直流电动机、交流电动机，也可以是步进电动机。采用步进电动机通常是开环控制。

（３）传动装置

包括减速箱和滚珠丝杠等。（４）位置检测元件及反馈电路

位置检测元件有直线感应同步器、光栅和磁尺等。位置检测元件检测的位移信号由反馈电路转变成计算机能识别反馈信号送入计算机，由计算机进行数据比较后送出差值信号。（５）测速发电机及反馈电路

测速发电机实际是小型发电机，发电机两端的电压值和发电机的转速成正比，故可将转速的变化量转变成电压的变化量。

２．２　由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，现从以下几个方面进行分析：（１）可逆运行

可逆运行要求能灵活地正反向运行。在加工过程中，机床工作台处于随机状态，根据加工轨迹的要求，随时都可能实现正向或反向运动。同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。（２）进给调速范围要宽

调速范围是指机械装置要求伺服电动机能提供的最高转速和最低转速之比。

为适应不同的加工条件，例如加工零件的材料、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等不同，数控机床的进给速度需在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优异的调速特性。经过机械传动后，电动机转速的变化范围即可转化为进给速度的变化范围。对一般机床而言，进给速度范围在０￣２４ｍ／ｍｉｎ时，即可满足加工要求。具体技术要求如下。

①　在１￣２４０００ｍｍ／ｍｉｎ即１∶２４０００调速范围内，要求均匀、稳定、无爬行，且速降小。

②　在１ｍｍ／ｍｉｎ以下时，具有一定的瞬时速度，但瞬时速度要低。

③　在零速时，即工作台停止运动时，要求电动机有电磁转矩以维持定位精度，使定位误差不超过系统的允许范围，即电动机处于伺服锁定状态。

（３）具有足够的传动刚性和速度稳定性

要求伺服系统具有优良的静态与动态负载特性，即伺服系统在负载或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，负载力矩的变化对进给速度影响很小。

（４）快速响应无超调

快速响应是衡量伺服系统动态性能的一项重要性能指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削精度和低的加工表面粗糙度，对进给伺服系统除要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。一方面，在伺服系统处于频繁启动、制动、加速、减速等动态过程中，要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间，一般在２００ｍｓ以内，甚至小于几十毫秒，且速度变化是不应有超调；另一方面，当负载突变时，过渡过程恢复时间要短且无振荡。（５）高精度

为了满足数控加工精度，关键是保证数控机床的定位精度和位移精度。

①　位移精度　进给伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床进给的位移量和该指令

脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，伺服系统的位移精度愈高。目前，数控机床伺服系统的位移精度可达到在全程范围内±５μｍ，一般数控机床的脉冲当量为０．０１￣０．００５ｍｍ／脉冲，高精度的数控机床其脉冲当量可达０．００１ｍｍ／脉冲，甚至更高。

②　定位精度　进给伺服系统的定位精度是指输出量能复现输入量的精确程度。进给伺服系统的定位精度一般要求能达到１μｍ，甚至０．１μｍ。

精度是对伺服系统的一项重要的性能要求，影响伺服系统精度的因素很多，如系统组成组件本身的误差、系统本身的结构形式以及输入指令信号的形式等，人们主观上总是希望伺服系统在任何情况下运行时，其输出量的误差都为零，但实际上是不可能的，只要保证系统的误差满足精度指标就可以了。

（６）低速大转矩

根据数控机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。这种可使动力源尽量靠近机床的执行机构，使传动装置机械部分的结构简化，系统刚性增加，传动精度提高。

３、结论

数控机床集中了传统的自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，将高效率、高精度和高柔性集中于一体。而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动特征的改善以及功能的扩大。为此，数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电动机、机械传动等方面都有很高的要求，所以，研究与开发性能优良的进给伺服系统是现代数控机床的关键技术之一。

参考文献：

１，赵长明．数控加工工艺及设备．高等教育出版社．２００３

２，张辽远．现代加工技术．机械工业出版社．２０００

３，华茂发．数控机床加工工艺．机械工业出版社．２０００

作者简介：

冯琪玲，女，１９６３年出生。毕业于北京理工大学机电工程专业，大学讲师。