数控机床进给伺服系统

数控机床进给伺服系统数控机床对进给伺服系统的要求进给伺服系统的组成数控机床进给伺服系统的分类典型进给伺服系统数控机床伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称随动系统。数控机床的进给伺服系统是数控装置与机床本体间电传动联系的环节，也是数控系统的执行部分。在数控转塔冲床中，伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的方向和运动的起停位置等。数控机床的性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能。一、数控机床对进给伺服系统的要求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，机床工作台处于随动状态，根据加工轨迹的要求，随时实现正向或反向运动。要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量改变为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给电网，以实现快速制动。2．高精度数控机床是按预定的程序自动进行加工的，不同于普通机床用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响，故要求数控机床的实际位移与指令位移之差要小。现代数控机床的位移精度一般为0.01~0.001㎜，甚至可高达0.1μm，以保证加工质量的一致性，保证复杂曲线、曲面零件的加工精度。3．调速范围宽调速范围是指最高进给速度和最低进给速度之比。由于加工所用刀具、被加工零件材质以及零件加工要求的变化范围很广，为了保证在所有加工情况下都能得到最佳的切削条件和加工质量，要求进给速度能在很大的范围内变化，即有很大的调速范围。目前最先进水平是在脉冲当量或最小设定单位为1μm的情况下，进给速度能在0～240m／min的范围内连续可调。一般数控机床的进给速度能在0～240m／min的范围之内连续可调并能满足加工要求。在这一调速范围内，要求数控冲床速度均匀、稳定，低速时无爬行。还要求在零速时伺服电机处于电磁锁住状态，以保证定位精度不变。4．快速响应并无超调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。伺服系统处于频繁地启动、制动、加速、减速等动态过程中，为了提高生产率和保证加工质量，则要求加、减速度足够大，以缩短过渡过程时间。当负载突变时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短，且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。5．低速大转矩机床加工，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。二、进给伺服系统的组成1．组成是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。２．位置环位置环的输入信号是计算机给出的指令信号和位置检测装置反馈的位置信号，这个反馈是一个负反馈，即与指令信号的相位相反。指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号向位置环送去减数。位置检测装置通常有光电编码器、旋转变压器、光栅尺、感应同步器或磁栅尺等。它们或者直接对位移进行检测，或者间接对位移进行检测。３．速度环速度环是一个非常重要的环，由速度调节器、电流调节器及功率放大器等部分组成。它的输入信号有两个：一个是位置环的输出，作为速度环的指令信号送给速度环；电动机转速检测装置测得的速度信号作为负反馈送给速度环。速度环中用作速度反馈检测的装置通常为测速发电机、脉冲编码器等。三、数控机床进给伺服系统的分类1．开环伺服系统（１）开环伺服系统是最简单的进给伺服系统，无位置反馈环节。伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲电机等。由数控系统发出的指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。1．开环伺服系统（２）控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。系统的位移精度主要取决于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传动元件的节距精度以及系统的摩擦阻尼特性等。开环伺服系统的结构简单，调试、维修方便，成本低廉，但精度差，一般用于经济型数控机床。2．闭环伺服系统闭环伺服系统所用的梳棉机伺服驱动装置主要是直流或交流伺服电机以及电液伺服阀—液压马达。与开环进给系统最主要的区别是：安装在执行部件上的位置检测装置，测量执行部件的实际位移量并转换成电脉冲，反馈到输入端并与输人位置指令信号进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制。由于采用了位置检测反馈装置，所以闭环伺服系统的位移精度主要取决于检测装置的精度。闭环伺服系统的定位精度一般可达±0.01mm～±0.005mm。3．半闭环伺服系统半闭环伺服系统是将检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。闭环系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环系统只能补偿系统环路内部分元件的误差。半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些，但是它的结构与调试都比较简单。4．说明采用直流或交流伺服电机的闭环和半闭环伺服系统，具有较高的精度、速度和动态特性，在数控机床中得到广泛应用。闭环伺服系统的设计和调试都较开环系统困难。目前数控机床上使用半闭环伺服系统较多，只有在高精度数控机床上才使用全闭环伺服系统。５．全数字伺服系统随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已经开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化，应用数字PID算法，用PID程序来代替PID调节器的硬件，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。