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伺服系統(tǒng)的組成--數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求


日期:2009年09月27 來(lái)源:本站原創(chuàng) 關(guān)鍵字:數(shù)控機(jī)床

    數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)。它足一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng),內(nèi)環(huán)是速度環(huán),外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)中用做速度反饋的檢測(cè)裝置是測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)、脈沖編碼器等。速度控制單元足—個(gè)獨(dú)立的單元部件,它由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器及功率驅(qū)動(dòng)放火器等各部分組成。位置環(huán)是山CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測(cè)及反饋控制等各部分組成。位置控制主要是對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)半標(biāo)軸進(jìn)行控制,軸控制是要求最高的位置控制,不僅對(duì)單個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)速度和位置精度的控制有嚴(yán)格要求,而且在多軸聯(lián)動(dòng)時(shí),還要求各移動(dòng)軸有很好的動(dòng)態(tài)配合,才能保證加工效串、加工精度和表面粗糙度要求。

    伺服系統(tǒng)是把數(shù)控信息轉(zhuǎn)化為機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)床、精密機(jī)床和萬(wàn)能機(jī)床三者的優(yōu)點(diǎn),將高效率、高精度和高柔性集于一體。而數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高首先依賴于進(jìn)給和主軸驅(qū)動(dòng)特性的改善以及功能的擴(kuò)大,為此數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置控制、速度控制、伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)等方面都有很高的要求。
由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同,它們對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同,但通?筛爬橐韵聨追矫。
    1.數(shù)控機(jī)床可逆運(yùn)行
    可逆運(yùn)行要求能靈活地正反向運(yùn)行。在加工過(guò)程中,機(jī)床工作臺(tái)處于隨機(jī)狀態(tài),根據(jù)加工軌跡的要求,隨時(shí)都可能實(shí)現(xiàn)正向或反向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)要求在方向變化時(shí),不應(yīng)有反向間隙和運(yùn)動(dòng)的損失。從能量角度看,應(yīng)該實(shí)現(xiàn)能量的可逆轉(zhuǎn)換,即在加工運(yùn)行時(shí),電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收能量變?yōu)闄C(jī)械能:在制動(dòng)時(shí)應(yīng)把電動(dòng)機(jī)的機(jī)械慣性能量變?yōu)殡娔芑仞伣o電網(wǎng),以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。
    2.?dāng)?shù)控機(jī)床速度范圍寬
    為適應(yīng)不同的加工條件,例如,所加工零件的材料、類型、尺寸、部位以及刀具的種類和冷卻方式等的不同,要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給能在很寬的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)變化。這就要求伺服電動(dòng)饑有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性。經(jīng)過(guò)機(jī)械傳動(dòng)后,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化范圍即可轉(zhuǎn)化為進(jìn)給速度的變化范圍。目前最先進(jìn)的水平,是在進(jìn)給脈沖當(dāng)量為1pm的情況下,進(jìn)給速度在0~240u/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
    對(duì)一般數(shù)控機(jī)床而言,進(jìn)給速度范圍在o~24m/min時(shí),都可滿足加工要求。通常在這樣且速度降低,在零速度時(shí),即工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)時(shí),要求電動(dòng)機(jī)有電磁轉(zhuǎn)矩以維持定位精度,使定由于位置伺服系統(tǒng)是由速度控制單元和位置控制環(huán)節(jié)兩大部分組成的,如果對(duì)速度控制系統(tǒng)也過(guò)分地追求像位置伺服控制系統(tǒng)那么大的調(diào)速范圍而又要其可靠穩(wěn)定地工作,那么速    一般來(lái)說(shuō),對(duì)于進(jìn)給速度范圍為1:20 000的位置控制系統(tǒng),在總的開(kāi)環(huán)位置增益為20-1時(shí),只要保證速度控制單元具有1:1 000的調(diào)速范圍就可以滿足需要,這樣可使速度控制單元線路既簡(jiǎn)單又可靠。當(dāng)然,代表當(dāng)今世界先進(jìn)水平的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),速度控制單元調(diào)速范圍己達(dá)1:100000。  
    這就要求伺服系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)負(fù)載特性,即伺服系統(tǒng)在不同的負(fù)載情況下或切削條件發(fā)生變化時(shí),應(yīng)使進(jìn)給速度保持恒定。剛性良好的系統(tǒng),速度受負(fù)載力矩變化的影響很小。通常要求承受額定力矩變化時(shí),靜態(tài)速降應(yīng)小于5%,動(dòng)態(tài)速降應(yīng)小于10%。
    為了保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面粗糙度,對(duì)位置伺服系統(tǒng)除了要求有較高的定位精度外,還要求有良好的快速響應(yīng)特性,即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。這就對(duì)伺服保證加工質(zhì)量,則要求加/減速度足夠大,以縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。一般電動(dòng)機(jī)速度由。到最大或從最大減少到o,時(shí)間應(yīng)控制在200fas以下,甚至少于幾寸毫秒,且速度變化時(shí)不應(yīng)有超調(diào)。
    5.數(shù)控機(jī)床高精度
    是伺服系統(tǒng)靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)是否優(yōu)良的具體表現(xiàn)。位置伺服系統(tǒng)的定位精度一般要求能達(dá)到1um甚至0.1um,高的可達(dá)到正負(fù)0.01至正負(fù)0.005um。
相應(yīng)地,對(duì)伺服系統(tǒng)的分辨率也提出了要求。當(dāng)伺服系統(tǒng)接受CNC送來(lái)的一個(gè)脈沖是工作臺(tái)相應(yīng)移動(dòng)的單位距離叫分辨率。系統(tǒng)分辨串取決于系統(tǒng)穩(wěn)定工作性能和所使用的位置檢測(cè)元件。目前的閉環(huán)伺服系統(tǒng)都能達(dá)到lgm的分辨串,數(shù)控測(cè)量裝置的分辨率可達(dá)o.1gm,高精度數(shù)控機(jī)床也可達(dá)到o。lgm的分辨宰,甚至更小。
    6.?dāng)?shù)控機(jī)床低速大轉(zhuǎn)矩
    機(jī)床的加工特點(diǎn),大多是在低速時(shí)進(jìn)行切削,即在低速時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要有人的轉(zhuǎn)矩輸出。
    7.數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的要求
    數(shù)控機(jī)床上使用的伺服電動(dòng)機(jī),大多是專用的直流伺服電動(dòng)機(jī),如改進(jìn)型直流電動(dòng)機(jī)、小慣量直流電動(dòng)機(jī),永磁式直流伺冊(cè)電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)等。自20世紀(jì)so年代中期以來(lái),以交流異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)得到了迅速的發(fā)展,它是機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)發(fā)展的一個(gè)方向。
由于數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求,伺服系統(tǒng)也對(duì)其自身的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——電動(dòng)機(jī)----~出了嚴(yán)格的要求。
(1)從最低速到最高速電動(dòng)機(jī)都能干穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小,尤其在低速(如o.1r/min)或更低速時(shí),仍有平穩(wěn)的速度而無(wú)爬行現(xiàn)象。
(2)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有大的較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力,以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。  一般直流伺服電動(dòng)機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過(guò)載4—6倍而不損壞。
(3)為滿足快速響應(yīng)的要求,電動(dòng)機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上角加速度的能力,才能保證電動(dòng)機(jī)可在0.2s以內(nèi)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。
(4)電動(dòng)機(jī)應(yīng)能承受頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。


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