台达伺服在金切机床进给系统上应用分析

1、伺服系统在金切机床进给系统上应用分析一.摘要 随着模具及五金等行业技术与市场的发展 ,对数控金切机床需求越来越大 ,相效普通机床 , 数控机床从加工效率 ,精度 ,稳定性等各方面都有非常高的要求 .进給系統性能好坏直接決定了 整台机床的加工性能 .而伺服电机作为进给系統的驱动部分 ,更是灵魂所在 .关健词: 进给系统 . 整定时间. 惯量匹配. 刚性. 跟随误差. 快速响应 .二.进给系统组成进给系统对一台数控机床而言，其主要任务是将滑动件（工作台或主轴头、立柱等）沿 着导轨，依指令速率平稳的运动，其中除了考虑机械传动元件的设计外,还牵涉到数控系统控制进给功能及精度问题 ,伺服定位控制问题。所

2、以说，本质上进给系统实为一机电整合系统 （使加工件或刀具能依既定的速度、位置、做高精度的移动）（ 图一: 进给系统简易架构 ）完整机床进给系统，一般是由上位控制命令部分 （数控系統）, 驱动部分（伺服驱动器及电 机） 、检测部件以及机械传动机构四大部分组成 （图二） 。按照伺服进给系统的结构特点，它通 常又分为三种基本结构类型 : 开环、闭环、半闭环 . 由于半闭环结构环路中非线性因素少，容 易整定，稳定性较好 , 且能较方便地通过补偿来提高位置控制精度， 电气控制部分与执行机械 相对独立，系统通用性强 .所以在金切机床中应用得最为广泛 . 金切机床进给系统半闭环结构 一个很大的特点是检测装置

3、装在电机端 （ 一般使用交流伺服电机自带的光学编码器作为检测 装置）.（ 图二 ）. 进给系统设计进给系统在设计与使用前 , 必需有几项基本的考虑 :1. 进给系统要有变速功能 , 以便改变进给速率 .2. 进给系统需要有变向功能 , 以便改变进给方向 .3. 进给系统一般需要有旋转运动变换为直线运动的设计 .4. 进给系统应有回馈元件的设计 , 以便滑（移）动件能准确定位 （ 一般使用伺服自带光学编 码器）5. 考虑惯量匹配问题 .衡量机械系统的动态特性时，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，电机的负 载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和电机惯量相匹配才行。不同的机构，对惯量

4、匹配原则有不同的选择，且有不同的作用表现。 金切机床通过伺服电机作高速切削时，当 负载惯量增加时，会发生： 1. 当数控系統控制指令改变时，电机需花费较多时间才能达到新 指令的速度要求； 2. 当机台沿二轴执行弧式曲线快速切削时，会发生较大误差 .1. 一般伺服电机通常状况下，当 JL 3JM,则上面的问题不会发生。2. 当 JL 5 JM，电机的可控性会明显下降，在高速曲线切削时表现突出还有一点非常重要 . 需要根据金切机床应用场合来设计进给系统数控机床价值取决于用在那里 ?不在于具备什么样的性能条件模具加工機（硬材切削，鏡 面切削） 1.3D曲面加工 2. 大型鈑金模加工 3. 硬化鋼材加

5、工4. 微細加工模具加工航空結構加工三維零件加工汽車零組件加工3C產業加工高速切削應用領域大型龍門加工機（高材料去除率）1. 蜂巢結構件加工2. 薄壁加工3. 難切削合金加工五軸複合曲面加工機，車銑 複合加工機 （ 複合加工，多 軸變種變量加工）1. 三維複雜工件2. 減少製程步驟3. 葉片加工輕合金加工機， 3C零件代工量 產化加工機（輕切削加工）1. 鋁鎂合金加工2. 硬脆材料加工3. 微細零件加工4. 去毛邊加工高速臥式綜合加工機（量產速度與靠度）1. 全時加工2. 彈性聯製生產線 （FTL）3. 變種變量生產線 （Agile）4. 非鐵金屬加工数控金切机床对伺服进给系统的设计要求可归纳

6、为 （ 表一）:（ 表一 ） 进给系统性能基本要求性能要求性能定义具体内容稳定性为进给系统能够正常工作的基本条件 , .即系 统在自动状态或外界干扰下 ,系统的输出在经 过多次震荡下仍能迅速稳定相对稳定性 绝对稳定性精度进给系统的精度是指输出值相对于输入值的精确程度动态误差 静态误差快速响应性指系统对输入讯号的响应速度及暂态过程结束的迅速程度系统响应时间 . 传动装置的加速能力 .宽调速范围额定负载时进给系统能提供的最高转速与最低转速之比伺服电机调速比 机械变速装置根据运动方式的不同 , 进给系统各性能的影响又有所区别 .见表二.（表二） 金切机床运动方式及需求运动方式 项目点对点直线轮廓特点

7、移动中不加工以定速边移动 , 边加工及定位可同时移动 , 加工 , 变速及定位响应时间一般要求 小于 100ms影响不大一般要求 小于 60ms定位精度一般要求 小于 0.01mm一般要求 小于 0.01mm一般要求小于 0.01mm运动平稳性影响不大影响加工面表面精 度, 非常重要高速进给时特别重 要四. 进给系统刚性的影响 .进给系统的刚性是指受到负载时 , 进给系统抵抗变形的能力 .进给系统刚性可以区分为机械系统的机械 （ 结构）刚性和伺服系統的伺服刚性。（表三 ）机械及伺服系统刚性机械系统刚性1. 进给系统机械刚性是指螺杆等机械元件产生单位变形所需的作用力 , 反 应了机械元件抵抗变形

8、的能力 . 2 机械（静）刚性的定义 :伺服系统刚性1. 指整个进给伺服系统 , 即以控制器到工作台表现出来抵抗负载干扰 ,不 产生消除位置偏差的能力 .（ 特别是伺服系统抵抗负载变化干扰的能力 ）伺服系統剛性更顯重要 . 台達伺服采用強健性控制 ,抵抗負載變化幹擾能力突出进给系统机械刚性的具体影响 .1. 低速直线进给运动时 ,不至产生粘不致滯滑动 （stick slip） 现象。2. 保证微量进给时的灵敏 （ 很多金切机床程式特点为程式大且多为短 BLOCK。）3. 对于半闭回路控制 （ 現阶段金切机床以半闭回路控制为多 ） ，提高机械刚性可降低因机械刚 性变化所引起的定位误差。4. 提高

9、进给系统机械刚性 , 可提高进给机械结构的共振频率 ,使进给系统具有较高的伺服响应 频宽. 进而提高系统响应的快速性与稳定性。影响进给系统定位精度的因素（ 图四 ）五. 进给系统中伺服系统的调试分析 .1. 在数控机床伺服进给系统中，若每个伺服进给轴的增益设定不一样, 则会产生轮廓误差 ,轮廓误差是指实际轮廓轨迹与理论轮廓轨迹之间的最短距离。在进行直线加工时，当 X 轴的增益等于 Y 轴增益时，直线轮廓误差会等于 0，即使有跟随 误差，也不会产生轮廓误差，若 X轴的增益不等于 Y 轴增益时，实际运动轨迹将偏离理论 轨迹，产生了轮廓误差。 由此分析可知， 在圆弧加工时， 其加工误差与进给速度的成

10、正比， 与系统增益成反比，若降低进给速度，增大系统增益将大大提高轮廓加工精度。同时，也 可以得出，加工的圆弧半径越大，加工误差则越小。对于在一定的切削加工条件下，当两 轴系统增益相同时， 就算因半径及速度不同情况下误差有变化 ,但也只是有尺寸误差 , 而不 会有圆度误差。当 X 轴的增益不等于 Y轴增益时，圆弧轮廓加工始终存在圆度误差，零件 轮廓将是长轴 45或 135方向的椭圆 , 因此 , 一起联动的各个坐标轴的系统增益必须 取相同值 , 才能足以保证轮廓的加工精度。2. 在进给速度不变的情况下 , 加大伺服的增益设定值 ,会使追随误差变小 , 提高移动件的动态 精度. 但高增益设定容易带来不稳定 . 需根据实际情况设定一合适值 .台達伺服采用强健性控制 ,在较高增益值设定时 , 仍能保持很强稳定性 ,使响应速度加快 . 追随误差变小 , 且整定时间短 , 最大限度保证动态精度。3. 机台构件有其固有頻率，当产生諧振時，噪音 , 振动. 响应受限 . 如果能利用台达伺服软体 来确认谐振点 , 设软体陷井消除机械谐振 , 将能大大提升机床响应特性 .4. 选择合适惯量电机 . 机床与电机惯量匹配 , 台達伺服独有强健性控制 , 对惯量匹配要求大大 降低. 能适