數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)性能探究
1、加工精度
精度是機床必須保證的一項性能指標(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)控機床的加工精度。因此位置精度是一個極為重要的指標(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,另一方面是對位置檢測元件提出精度的要求。因為在閉環(huán)控制系統(tǒng)中,對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系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用??梢哉f,數(shù)控機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)計數(shù)控機床、尤其是高精度或大中型數(shù)控機床時,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數(shù)量級??傊呔鹊目刂葡到y(tǒng)必須有高精度的檢測元件作為保證。例如,數(shù)控機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)、動態(tài)指標(biāo)的重要參數(shù)之一。 一般情況下,數(shù)控機床伺服機構(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K值的增大對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度也能有所提高。因此,對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,高放大倍數(shù)可能導(dǎo)致輸出劇烈的變動,機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。這是因為在高階系統(tǒng)中系統(tǒng)穩(wěn)定性對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,例如系統(tǒng)調(diào)整比較容易,結(jié)構(gòu)簡單,對擾動不敏感,加工的表面粗糙度好。
3、提高可靠性
數(shù)控機床是一種高精度、高效率的自動化設(shè)備,如果發(fā)生故障其損失就更大,所以提高數(shù)控機床的可靠性就顯得尤為重要??煽慷仁窃u價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)定時間內(nèi),完成規(guī)定功能的概率。對數(shù)控機床來說,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、電源、干擾強度和操作規(guī)程等。這里的功能主要指數(shù)控機床的使用功能,例如數(shù)控機床的各種機能,伺服性能等。
平均故障(失效)間隔時間(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間,數(shù)控機床常用它作為可靠性的定量指標(biāo)。由于數(shù)控裝置采用微機后,其可靠性大大提高,所以伺服系統(tǒng)的可靠性就相對突出。它的故障主要來自伺服元件及機械傳動部分。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)盡量用無接觸點元件代替。
目前數(shù)控機床因受元件質(zhì)量、工藝條件及費用等限制,其可靠性還不很高。為了使數(shù)控機床能得到工廠的歡迎,必須進(jìn)一步提高其可靠性,從而提高其使用價值。在設(shè)計伺服系統(tǒng)時,必須按設(shè)計的技術(shù)要求和可靠性選擇元器件,并按嚴(yán)格的測試檢驗進(jìn)行篩選,在機械互鎖裝置等方面,必須給予密切注意,盡量減少因機械部件引起的故障。
4、寬范圍調(diào)速
在數(shù)控機床的加工中,伺服系統(tǒng)為了同時滿足高速快移和單步點動,要求進(jìn)給驅(qū)動具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。
單步點動作為一種輔助工作方式常常在工作臺的調(diào)整中使用。
伺服系統(tǒng)在低速情況下實現(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,電機克服不了這摩擦力而不能轉(zhuǎn)動。此外,還由于存在機械間隙,電機雖然轉(zhuǎn)動,但拖板并不移動,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
V≥a=30×0.01mm/min=18mm/min
伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機床的機械允許界限和實際加工要求,高速度固然能提高生產(chǎn)率,但對驅(qū)動要求也就更高。此外,從系統(tǒng)控制角度看也有一個檢測與反饋的問題,尤其是在計算機控制系統(tǒng)中,必須考慮軟件處理的時間是否足夠。
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)就是兩個脈沖的間隔時間,對應(yīng)于最高頻率fmax的倒數(shù)則為最小的間隔時間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。對最高速度而言,vmax的取值是受到tmin的約束。
一個較好的伺服系統(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
上述幾方面對數(shù)控機床位置伺服系統(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,也可用于現(xiàn)有數(shù)控機床的改造以提高其工作精度。
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