數(shù)控機床伺服系統(tǒng)研究

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1、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)研究　　摘要：數(shù)控機床是典型的機電一體化系統(tǒng)，隨著數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的普及日漸成為機械行業(yè)的潮流。這對數(shù)控機床制造行業(yè)在研發(fā)、生產(chǎn)、維護等方面如何提高效率、提高質(zhì)量提出了越來越高的要求。本文著重研究了數(shù)控機床伺服系統(tǒng)中的伺服電機和控制方式，對機床伺服系統(tǒng)的建立有著重要的意義?！　￡P(guān)鍵詞：數(shù)控機床；伺服電動機；半閉環(huán)伺服系統(tǒng)　　1.伺服電動機　　伺服電動機的特性可以分為兩個區(qū)域：連續(xù)工作區(qū)和斷續(xù)工作區(qū)。兩區(qū)的交界線為連續(xù)工作時輸出轉(zhuǎn)矩的上限，在連續(xù)工作區(qū)中，額定轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而略有下降，但變化

2、不大，基本上是恒轉(zhuǎn)矩輸出。斷續(xù)工作區(qū)的上限是這種電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩，用于執(zhí)行部件的快移。這時工作時間很短，而且最大轉(zhuǎn)矩僅發(fā)生于啟動的瞬間。用以克服慣性。電動機雖發(fā)熱較多，但工作時間短，故仍能保證溫度不致過高?！　≈?、小型數(shù)控機床的進給伺服電動機根據(jù)下述三個指標選擇。　?。?）最大切削負載轉(zhuǎn)矩不得超過電動機的額定轉(zhuǎn)矩。折算電動機軸的最大切削負載轉(zhuǎn)矩T為：　　式中Fmax為絲杠上的最大軸向載荷，等于進給力加摩擦力；Ph為絲杠導(dǎo)程；η5為滾珠絲杠的機械效率；TP0為因滾珠絲杠螺母預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩；TF0滾珠絲杠軸承

3、的摩擦力矩；U伺服電機至絲杠的傳動比?！　。?）電動機的轉(zhuǎn)子慣量JM應(yīng)與負載慣量JL相匹配。通常，JM應(yīng)不小于JL。但也不是越大越好。因JM越大，總慣量J也就越大。為了保證足夠的角加速度使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，將不得不采用過大的伺服電動機和伺服控制系統(tǒng)。重型機床的負載慣量JL很大，如果伺服電動機與絲杠直聯(lián)，以上條件很難滿足。常用的辦法是電動機通過降速后傳動絲杠?！　∝撦d慣量JL按動能守恒定理折算：　　JK為各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量；wk為各旋轉(zhuǎn)件的角速度；mi為各直線運動件的質(zhì)量；vj各直線運動件的速度；　　w為伺服電動機的角速度；

4、　?。?）快移時，轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電動機最大轉(zhuǎn)矩。當執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到最大移動（快移）速度時，所需的轉(zhuǎn)矩最大。所需轉(zhuǎn)矩Ta為：　　式中：nmax為電動機在執(zhí)行部件快移時的轉(zhuǎn)速；tac為加速時間；在階躍指令下，電動機轉(zhuǎn)速按指數(shù)曲線上升。經(jīng)過電動機的機械時間常數(shù)tm，電動機的轉(zhuǎn)速可達到要求轉(zhuǎn)速的63.2%；經(jīng)過2tm，達86.5%；經(jīng)過3tm達95%；經(jīng)過4tm達98.2%。因此，通常認為加速時間tac為電動機機械時間常數(shù)tm的3～4倍。伺服電動機的功率是區(qū)分電動機大小的公稱值，并不按此選擇。這是與主電機不同。

5、　　2.伺服系統(tǒng)5　　數(shù)控機床多坐標聯(lián)動加工直線和曲線時，是把曲線分成許多小段，一段一段地加工的。每個小段的長短取決于曲線的形狀、進給速度和插補時間。在一段插補時間內(nèi)，計算機完成一次插補運算，給出各坐標下一段運動的數(shù)字量。顯然，插補時間應(yīng)等于或小于完成一小段加工所用的時間。插補時間與計算機的時鐘頻率與字長有關(guān)，通常在2～20ms范圍內(nèi)。計算機的時鐘頻率越高，插補時間就越短，曲線上被分割的小段就越短，精度也越高。　　計算機輸出的各坐標運動的數(shù)字量-位置指令被送到各坐標的伺服系統(tǒng)，控制伺服電動機的轉(zhuǎn)動，再經(jīng)過機械傳動機構(gòu)拖

6、動執(zhí)行部件?！　“腴]環(huán)直流伺服系統(tǒng)的工作見圖2.1。數(shù)控系統(tǒng)送來的位置指令值Do與反饋系統(tǒng)檢測出的實際位置值Da在位置偏差檢測器1中比較。其差值為，通過位置控制放大器2放大后成為速度指令值So。Do、Da、ΔD、So都是數(shù)字量。So經(jīng)數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器3轉(zhuǎn)換為與So值成正比的模擬量――速度指令電壓Uc。這個電壓在速度偏差檢測器4內(nèi)與速度反饋電壓Ug相比較，其差值為速度偏差電壓Ua。Ua經(jīng)速度控制放大器5放大為速度電壓UM，加到直流伺服電動機6上，使電動機獲得一定的角速度θm，經(jīng)機械傳動轉(zhuǎn)化為執(zhí)行部件9的速度移動V，

7、交流伺服系統(tǒng)的工作原理與圖2.1相似，只是5為逆變器。Ua控制逆變器5的輸出頻率為fM，使交流伺服電動機獲得一定的角速度θm?！　∨c伺服電動機同步轉(zhuǎn)動的編碼器7發(fā)出反饋信號，即實際位置檢測值Da，輸往位置偏差檢測器1。反饋信號又經(jīng)頻率-電壓轉(zhuǎn)換器8轉(zhuǎn)換為角速度的模擬電壓Ug，輸往速度偏差檢測器4?！　∷欧到y(tǒng)是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如果執(zhí)行部件的實際位置未到達程序規(guī)定的位置，則位置誤差ΔD將使執(zhí)行部件得到一定的速度。Δ5D越大，則速度越高。這就使執(zhí)行部件總是跟隨著程序規(guī)定的軌跡運動。系統(tǒng)的放大倍數(shù)越大，則為得到一定的速度，

8、ΔD可以越小，即精度越高。但是，ΔD不能消除，因為閉環(huán)自動控制系統(tǒng)是靠誤差控制的。系統(tǒng)的放大倍數(shù)也不是越高越好。因放大倍數(shù)越大，系統(tǒng)的靈敏度也越高。由于慣性的存在，執(zhí)行部件的實際位置有可能超過規(guī)定位置，使ΔD成為負值，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，產(chǎn)生振蕩?！　D中，各個K是各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。通常，各環(huán)節(jié)的固有頻率遠高于工作頻率，故可近似地按