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1、数控机床的伺服系统性能探究ronggang导语:精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度1、加工精度精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度,一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小,另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。由于在闭环控制系统中,对于检测元件本身的误差和被检测量的偏向是很难区分出来的,反应检测元件的精度对系统的精度经常起着决定性的作用。可以讲,数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统可以测量的
2、最小位移量称做分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身,也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或者大中型数控机床时,必须精心选用检测元件。所选择的测量系统的分辨率或者脉冲当量,一般要求比加工精度高一个数目级。总之,高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。例如,数控机床中常用的直线感应同步器的精度已可达0.0001mm,即0.1m,灵敏度为0.05m,重复精度0.2m;而圆型感应同步器的精度可达0.5N,灵敏度0.05N,重复精度0.1N。2、开环放大倍数在典型的二阶系统中,阻尼系数x=1/2KT-1/2,速度稳态误差e1/K,其中K为开环放大倍数,工程上多称作开环增益。显然,系统的
3、开环放大倍数是影响伺服系统的静态、动态指标的重要参数之一。一般情况下,数控机床伺服机构的放大倍数取为20301/S。通常把K20的系统称为高放大倍数或者硬伺服系统,应用于轮廓加工系统。假假设为了不影响加工零件的外表粗糙度和精度,希望阶跃响应不产生振荡,即要求是取值大一些,开环放大倍数K就小一些;假设从系统的快速性出发,希望x选择小一些,即希望开环放大倍数增加些,同时K值的增大对系统的稳态精度也能有所进步。因此,对K值的选取是必须综合考虑的问题。换句话讲,并非系统的放大倍数愈高愈好。当输入速度突变时,高放大倍数可能导致输出剧烈的变动,机械装置要受到较大的冲击,有的还可能引起系统的稳定性问题。这是
4、由于在高阶系统中系统稳定性对K值有取值范围的要求。低放大倍数系统也有一定的优点,例如系统调整比拟轻易,构造简单,对扰动不敏感,加工的外表粗糙度好。3、进步可靠性数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备,假如发生故障其损失就更大,所以进步数控机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一,其定义为:产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的概率。对数控机床来讲,它的规定条件是指其环境条件、工作条件及工作方式等,例如温度、湿度、振动、电源、干扰强度和操纵规程等。这里的功能主要指数控机床的使用功能,例如数控机床的各种机能,伺服性能等。平均故障失效间隔时间MTBF是指发生故障经修理
5、或者更换零件还能继续工作的可修复设备或者系统,从一次故障到下一次故障的平均时间,数控机床常用它作为可靠性的定量指标。由于数控装置采用微机后,其可靠性大大进步,所以伺服系统的可靠性就相对突出。它的故障主要来自伺服元件及机械传动局部。通常液压伺服系统的可靠性比电气伺服系统差,电磁阀、继电器等电磁元件的可靠性较差,应尽量用无接触点元件代替。目前数控机床因受元件质量、工艺条件及费用等限制,其可靠性还不很高。为了使数控机床能得到工厂的欢送,必须进一步进步其可靠性,进而进步其使用价值。在设计伺服系统时,必须按设计的技术要求和可靠性选择元器件,并按严格的测试检验进展挑选,在机械互锁装置等方面,必须给予亲密留
6、意,尽量减少因机械部件引起的故障。4、宽范围调速在数控机床的加工中,伺服系统为了同时知足高速快移和单步点动,要求进给驱动具有足够宽的调速范围。单步点动作为一种辅助工作方式经常在工作台的调整中使用。伺服系统在低速情况下实现平稳进给,那么要求速度必须大于“死区范围。所谓“死区指的是由于静摩擦力的存在使系统在很小的输入下,电机克制不了这摩擦力而不能转动。此外,还由于存在机械间隙,电机固然转动,但拖板并不挪动,这些现象也可用“死区来表达。设死区范围为a,那么最低速度Vmin,应知足Vmina,由于adK,d为脉冲当量mm/脉冲;K为开环放大倍数,那么VmindK假设取d=0.01mm/脉冲,K=301
7、/S,那么最低速度Vmina=300.01mm/min=18mm/min伺服系统最高速度的选择要考虑到机床的机械允许界限和实际加工要求,高速度虽然能进步消费率,但对驱动要求也就更高。此外,从系统控制角度看也有一个检测与反应的问题,尤其是在计算机控制系统中,必须考虑软件处理的时间是否足够。由于fmax=fmax/d式中:fmax为最高速度的脉冲频率,kHz;vmax为最高进给速度,mm/min;d为脉冲当量,mm。又设D为调速范围,D=vmax/vmin,得fmax=Dvmin/d=DKd/d=DK由于频率的倒数就是两个脉冲的间隔时间,对应于最高频率fmax的倒数那么为最小的间隔时间tmin,即tmin=1/DK。显然,系统必须在tmin内通过硬件或者软件完成位置检测与控制的操纵。对最高速度而言,vmax的取值是受到tmin的约束。一个较好的伺服系统,调速范围D往往可到达8001000。当今最先进的程度是在脉冲当量d=1m的条件下,进给速度从0240m/min范围内连续可调。5、结论上述几方面对数控机床位置伺服系统所要求的伺服性能进展了分析,并提出了系统稳定运行的可靠性指标,该研究结果可用于伺服数控系统的设计,也可用于现有数控机床的改造以进步其工作精度。