数控机床对位置系统要求的伺服性能探讨

1、数控机床对位置系统要求的伺服性能探讨数控机床一般由NC控制系统、伺服驱动系统和反馈检测系统三部分组成。数控机床对位置系统要求的伺服性能包括：定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加工 的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态特性。 对闭环系统来说，总希望系统有较高的动态精度，即当系统有一个较小的位置误差时，机床 移动部件会迅速反应。一、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

2、，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。 因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，反 馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。可以说，数控机床的加工精度主要 由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的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脉冲当量，一般要求比加工精度高一 个数量级。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土o.oooimm即0.1

3、卩m灵敏度为0.05卩m重复精度0.2卩m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.二、开环放大倍数在典型的二阶系统中，阻尼系数 x=1/2 ( KT) -1/2，速度稳态误差e () = 1/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2030 ( 1/S)。通常把K20的系统称为高放大倍数或硬伺服系统，应用于轮廓加工系统。如果为了不影响加工零件的表面粗糙度和精度，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；若从

4、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提高。因此，对K值的选取是必需综合考虑的问题。换句话说，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。这是因为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，例如系统调整比较容易，结构简单，对扰动不敏感，加工的表面粗糙度好。三、提高可靠性 数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，如果发生故障其损失就更大，所以提高数控 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

5、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。对数控机床来说，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、干扰强度和操作规程等。 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或更换零件还能继续工作的可修复 设备或系统， 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，其可靠性大大提高，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部分。通常液压伺服系统的可靠性比电气伺服系统差，

6、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 能得到工厂的欢迎，必须进一步提高其可靠性，从而提高其使用价值。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行筛选，在机械互锁装 置等方面，必须给予密切注意，尽量减少因机械部件引起的故障。 四、宽范围调速 在数控机床的加工中，伺服系统为了同时满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常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，则要求速度必须大于“死区”

7、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， 电机克服不了这摩擦力而不能转动。 此外， 还由于存在机械间隙，电机虽然转动，但拖板并不移动，这些现象也可用“死区”来表达。设死区范围为a,则最低速度Vmin,应满足Vmina,由于a< dK, d为脉冲当量（mm脉冲）; K 为开环放大倍数，则Vmin dK若取d=0.01mm/脉冲，K=30X 1/S，则最低速度Vmina=30 x 0.01mm/min=18mm/min伺服系统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,高速度固然能提高生产 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馈的

8、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为速度的脉冲频率，kHz; vmax为进给速度， 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，对应于频率fmax 的倒数则为最小的间隔时间tmin ，即 tmin=1/DK. 显然， 系统必须在 tmin 内通过硬件或软件完成位置检测与控制的操作。 对速度而言，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往往可达到8001000.当今最先进的水平是在

9、脉冲当量d=1m的条件下，进给速度从 0240m/min范围内连续可调。五、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行了分析，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提 高其工作精度。备注说明，非正文，实际使用可删除如下部分。本内容仅给予阅读编辑指点：1、 本文件由微软 OFFICE办公软件编辑而成，同时支持WPS。2、文件可重新编辑整理。3、建议结合本公司和个人的实际情况进行修正编辑。4、因编辑原因，部分文件文字有些微错误的，请自行修正，并不影响本文阅读。Note: it is not the text. The f

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