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數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本形式
日期：2010年10月25 來(lái)源：沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)） 關(guān)鍵字：數(shù)控機(jī)床
數(shù)控機(jī)床所采用的伺服進(jìn)給系統(tǒng)按控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以分為開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制以及混合控制4種。
無(wú)位置反饋裝置的伺服進(jìn)給系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（包括電渡脈沖馬達(dá)）作為伺服執(zhí)行元件，是其最明顯的特點(diǎn)。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，數(shù)控裝置輸出的脈沖'經(jīng)過(guò)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的環(huán)形分配器或脈沖分配軟件的處理，在驅(qū)動(dòng)電路中進(jìn)行功率放大后控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，最終控制了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)再經(jīng)過(guò)減速裝置（或直接連接）帶動(dòng)了絲杠旋轉(zhuǎn)，通過(guò)絲杠將角位移轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線(xiàn)位移。因-' la制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，就可以間接控制移動(dòng)部件的移動(dòng)速度與位移量。5一la為開(kāi)環(huán)控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。
采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的鼓控機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低，但是由于系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)部件的實(shí)際位移量不進(jìn)行檢測(cè)，因此無(wú)法通過(guò)反饋?zhàn)詣?dòng)進(jìn)行誤差檢測(cè)和校正。另外，步迸電動(dòng)機(jī)的步距角誤差、齒輪與絲杠等部件的傳動(dòng)誤差，最終都將影響被加工零件的精度；特別是在負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，將導(dǎo)致步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的“失步”，使加工無(wú)法進(jìn)行。因此'開(kāi)環(huán)控制僅適用于加I精度要求不高，負(fù)載較輕且變化不大的簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。
半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是：機(jī)床的傳動(dòng)絲杠或伺服電動(dòng)機(jī)上裝有角位移檢測(cè)裝置（如：光電編碼器等），通過(guò)它可以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)或絲杠的轉(zhuǎn)角，從而間接地檢測(cè)了移動(dòng)部件的位移。角位移信號(hào)被反饋到數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動(dòng)中，實(shí)現(xiàn)了從位置給定到電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角間的閉環(huán)自動(dòng)訶節(jié)。同樣，由于伺服電動(dòng)機(jī)和絲杠相連，通過(guò)絲杠可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線(xiàn)位移，因此間接地控制了移動(dòng)部件的移動(dòng)速度與位移量。這種結(jié)構(gòu)只對(duì)電動(dòng)機(jī)或絲杠的角位移進(jìn)行了閉環(huán)控制，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)最終輸出的直線(xiàn)位移的閉環(huán)控制，故稱(chēng)為“半閉環(huán)”控制系統(tǒng)。
采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，電氣控制與機(jī)械傳動(dòng)間有明顯的分界，因此調(diào)試、維修與故障診斷較方便；且機(jī)械部分的間隙、摩擦死區(qū)、剮度等非線(xiàn)性環(huán)節(jié)都在閉環(huán)咀外，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。伺服電動(dòng)機(jī)和光電編碼器通常做成一體，電動(dòng)機(jī)和絲杠間可以直接聯(lián)接或通過(guò)減速裝置聯(lián)接；位置檢測(cè)單位和實(shí)際最小移動(dòng)單位間的匹配，可以通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)（通常被稱(chēng)為“電子齒輪比”）進(jìn)行設(shè)置。它具有傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低、陛能價(jià)格比高等特點(diǎn)，從而在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛應(yīng)用。
圖5-lh、c為半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)原理圖。圖5 - lb為伺服
電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝編碼器的情況，圖5 -1c為編碼器安裝于絲杠上的情況。
閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是：機(jī)床移動(dòng)部件上直接安裝有直線(xiàn)位移檢測(cè)裝置，檢測(cè)裝置檢測(cè)最終位移輸出量。實(shí)際位移值被反饋到數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動(dòng)中，它可以直接與輸入的指令位移值進(jìn)行比較，用誤差進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)部件的精確運(yùn)動(dòng)和定位。從理論上說(shuō)，對(duì)于這樣的閉環(huán)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)精度僅取決于檢測(cè)裝置的檢測(cè)精魔，它與機(jī)械傳動(dòng)的誤差無(wú)關(guān)，顯然，其精度將高于半閉環(huán)系統(tǒng)。而且它可以對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙、磨損能自動(dòng)補(bǔ)償，其精度保持性要比半閉環(huán)系統(tǒng)好得多。圖5 - Id為閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)原理圖。
由于閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，它對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及傳動(dòng)系統(tǒng)的要求比半閉環(huán)更高，傳動(dòng)系統(tǒng)的剮度、間隙、導(dǎo)軌的爬行等各種非線(xiàn)性因素將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴(yán)重 時(shí)甚至產(chǎn)生振蕩。
解決以上問(wèn)題的最佳途徑是采用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行器件。采用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以完全取消傳動(dòng)系統(tǒng)中將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本�(xiàn)運(yùn)動(dòng)的環(huán)節(jié)，大大簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了所謂的“零傳動(dòng)”。它從根本上消除了傳動(dòng)環(huán)節(jié)對(duì)精度、剛度、快速性、穩(wěn)定性的影響，故可以獲得比傳統(tǒng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更高的定位精度、快進(jìn)速度和加速度。
從原理上說(shuō)，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)應(yīng)包括從位置指令脈沖給定到實(shí)際位置輸出的全部環(huán)節(jié)，即包括位置控制、速度控制、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。檢測(cè)元器件等部分。但在很多系統(tǒng)中，為了制造方便，通常將伺服系統(tǒng)的位置控制部分與CNC裝置制成一體，所以，人們平時(shí)習(xí)慣上所說(shuō)的機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)，一般是指伺服進(jìn)給系統(tǒng)的速度控制單元、伺服電動(dòng)機(jī)、檢測(cè)元器件部分，而不包括位置控制部分。
按伺服進(jìn)給系統(tǒng)使用的伺服電動(dòng)機(jī)類(lèi)型，半閉環(huán)、閉環(huán)數(shù)控機(jī)床常用的伺服進(jìn)給系統(tǒng)可以分直流伺服驅(qū)動(dòng)和交流伺服驅(qū)動(dòng)兩大類(lèi)。在20世紀(jì)70年代至80年代的數(shù)控機(jī)床上，一般均采用直流伺服驅(qū)動(dòng)：從80年代中、后期起，數(shù)控機(jī)床上多采用交流伺服驅(qū)動(dòng)。
直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般按其主回路采用的功率放大元器件類(lèi)型，又分“晶閘管調(diào)速方式”（簡(jiǎn)稱(chēng)為SCR速度拉制系統(tǒng)）和“晶體管脈寬調(diào)制調(diào)速方式”（簡(jiǎn)稱(chēng)PWM速度控制系統(tǒng)）兩類(lèi)。在控制上可以采用模擬量控制或數(shù)字量控制，因此，在某些場(chǎng)合還可以分為模擬式與數(shù)字式兩種類(lèi)型。
交流伺服系統(tǒng)一般均采用PWM調(diào)制信號(hào)控制功率晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大的主回路，并按其指令信號(hào)與控制型式，分為模擬式伺服與數(shù)字式伺服兩類(lèi)。初期的交流伺服系統(tǒng)一般是模擬式伺服系統(tǒng)，而目前使用的交流伺服通常都是采用數(shù)字量控制的全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。
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