员工风采
您现在的位置: 凯发国际k8 > 公司新闻 > 伺服系统在数控机床中的应用

伺服系统在数控机床中的应用

时间:2019-02-23 09:19 来源: 作者:凯发国际k8 点击:

  数控(numerical contro1)技术是操作数字化的信息对机床以及加工过程停止控制的一种方法。数控系统是数控机床的重要局部,它随着计算机技术的开展而开展。如今的数控系统都是由计算机来完成以前硬件数控所做的工作,因而,有时也将其称为计算机数字控制系统。计算机数字控制系统是以微办理器技术为特征,并随着电子技术、计算机技术、数控技术、通讯技术和精细丈量技术的开展而一直开展完善的一种先进加工制造系统。
2 进给伺服系统
  C)具有足够的传动刚性和高的速度不变性:这就要求伺服系统具有优质的静态与动态负载特性,即伺服系统在差异的负载状况下或切削条件发生变革时,应使进给速度保持恒定。刚性优良的系统,速度负载受负载力矩变革的影响很小。通常要求接受额定力矩变更时,静态速降应小于5%,动态速降应小于10%;
  由于各种数控机床所完成的加工任务差异,它们对伺服系统的要求也不尽雷同。但通常可以概括为以下几个方面:
2.4 直线伺服系统

1.1 数控系统的组成及应用
  数控机床的伺服系统主要有两种:进给伺服系统和主轴伺服系统。进给伺服系统是指一般概念的伺服系统,它包含速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动,具有定位和轮廓跟踪功能,是数控机床中要求最高的伺服系统,它的性能决定了数控机床的最大进给速度和定位精度等。严格来说,一般的主轴控制只是一个速度控制系统。主要实现主轴的旋转运动,提供切削过程中的转矩和功率,且担保任意转速的调节,完成在转速范围内的无级变速。具有C轴控制的主轴和进给伺服系统一样,为一般概念的位置伺服控制系统。而随着高速加工技术的开展,对主轴伺服系统的要求也越来越高。别的,刀库的位置控制是为了在刀库的差异位置选择刀具,与进给坐标轴的位置控制比拟,性能要低得多,故称为简易位置伺服系统。

CNC系统框图

  a)可逆运行:可逆运行要求能灵敏地双向运行。在加工过程中,机床工作台处于随机状态,依据加工轨迹的要求,随时都可以实现正向和反向运动。同时要求在标的目的变革时,不应有反向间隙和运动的丧失。从能量角度看,应该实现能量的可逆转换,即在加工运行时,电动机从电网吸收能量变更为机械能;在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能反响给电网,以实现快捷制动;
  b)速度范围宽:为适应差异的加工条件,例如所加工零件的资料、类型、尺寸、部位以及刀具的品种和冷却方式等的差异,要求数控机床进给系统能在很宽的范围内无级变更。这就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优秀的调速性能。经过机械传动后,电机转速的变革范围即可转化为进给速度的变革范围。目前最先进的程度是在进给脉冲当量为1Ⅲ的状况下,进给速度在0~240m/min范围内间断可调。对一般数控机床而言,进给速度范围在0-24m/min时,都可满足加工要求。由于位置伺服系统是由速度控制单元和位置控制环节两大局部组成的,假如对速度控制系统也过分地追求像位置伺服系统那么大的调速范围而又要牢靠不变的工作,那么速度控制系统将会变得相当复杂,既进步了老本又降低了牢靠性。一般来说,对于进给速度范围为1:20000的位置控制系统,在总的开环位置增益为201/s时,只有担保速度控制单元具有1:1000的调速范围就可以满足必要,这样可使速度控制单元线路既简略又牢靠。固然,代表当今世界先进程度的尝试系统,速度控制单元调速范围已达1:100000;
1.2 数控机床中的伺服系统
  直流伺服系统常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机。小惯量伺服电机最大限度减少了电枢的转动惯量,所以能取得更好的快捷性。在早期的数控机床上应用较多,如今也有应用。小惯量伺服电机一般都设想成有高的额定转速和低的惯量,所以应用时,要经过中间机械传动威力与丝杠相连贯。
  进给伺服系统的现状及展望:数控机床的进给伺服系统是以机床挪动部件的位置和速度为控制量,蒙受来自插补安置或插补软件生成的进给脉冲指令,经过必然的信号变更以及电压、功率放大,检测反响,最终实现机床工作台相对于刀具运动轨迹的控制系统。伺服系统的构造方框图如图3所示。数控机床对进给伺服系统的位置控制、速度控制、伺服电动机和机械传动等方面都有很高的要求。详细有位置精度、定位精度、不变性快捷响应无超调和宽调速范围等。依据系统使用的电动机,进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交换伺服和直线伺服。

  直流伺服的工作原理是建设在电磁力定律根底上。与电磁转矩相关的是相互独立的两个变量主磁通与电枢电流,它们别离控制励磁电流与电枢电流,可便捷地停止转矩与转速控制。另一方面从控制角度看,直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统,典范控制实践完全适用于这种系统,因而,直流伺服系统控制简略,调速性能优秀,在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。然而,从实际运行思考,直流伺服电动机引入了机械换向安置。但其老本高、故障多和维护艰难,经常因碳刷孕育发生的火花而影响消费,并对其他办法孕育发生电磁干扰。同机会械换向器的换向才华,限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上使得电动机效率低、散热差。为了改善换向才华,减小电枢的漏感,转子变得短粗,影响了系统的动态性能。
2.1 步进伺服系统
  伺服系统是以机械运动的驱动办法— —电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变更安置为执行机构,在自动控制实践的领导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角,将电能转换为机械能,实现运动机械的运动要求。详细在数控机床中,伺服系统接管数控系统发出的位移、速度指令,经变更、放大与调整后,由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等,带开工作台及刀架,通过轴的联动使刀具相对工件孕育发生各种复杂的机械运动,从而加工出用户所要求的复杂外形的工件。作为数控机床的执行机构,伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及护卫等集为一体,并随着数字脉宽调制技术、特种电机资料技术、微电子技术及现代控制技术的提高,经验了从步进伺服系统到直流伺服系统。进而到交换伺服系统的开展历程。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。


2.3 交换伺服系统

  直线伺服系统接纳的是一种间接驱动(direct drive)方式,与传统的旋转传动方式比拟,最大特点是打消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节,即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式,带来了旋转驱动方式无奈到达的性能指标,如加速度可达3g以上,为传统驱动安置的10~20倍,进给速度是传统的4~5倍。从电动机的工作原理来讲,直线电动机有直流、交换、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式;而从构造来讲,又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等模式。目前应用到数控机床上的主要有高精度、高频响、小行程直线电动机与大推力、长行程、高精度直线电动机两类。直线伺服是高速高精数控机床的抱负驱动形式,遭到机床厂家的器重,技术开展迅速。在2001年欧洲机床展上,有几十家公司展出直线电动机驱动的高速机床,快移速度达100~120m/min,加速度1.5~2g,此中尤以德国DMG公司与日本MAZAK公司最具代表性。2000年DMG公司已有28种机型接纳直线电动机驱动,年产1500多台,约占总产量的1/3。而MAZAK公司最近也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心,切削速度2720m/s,主轴最高转速踟80000r/min,快移速度500m/min,加速度6g。所有这些,都标识表记标帜着以直线电动机驱动为代表的第二代高速机床,将代替以高速滚珠丝杠驱动为代表的第一代高速机床,并在使用中逐步占据主导地位。  
  数控机床由数字步伐实现机床控制。数控机床具有自动换刀安置,工作自动进给、装卸、刀具寿命检测系统和排屑等各种附加安置,可以停止长工夫的无人运转加工。数控机床加工过程的精度和效率很洪流平上取决于刀具的进给精度及其与主轴旋转速度的协调关系。
  步进伺服是一种用脉冲信号停止控制,并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比,转速与脉冲频次成正比,通过扭转脉冲频次可调节电动机的转速。假如停机后某些绕组仍保持通电状态,则系统还具有自锁才华。步进电动机每转一周都有固定的步数,如500步、1000步、50000步,等等,从实践上讲其步距误差不会累计。步进伺服构造简略,合乎系统数字化开展必要,但精度差、能耗高、速度低,且其功率越大挪动速度越低。出格是步进伺服易于失步,使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧办法改造。但近年开展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术,使得步进电动机的上下频特性得到了很大的进步,出格是随着智能超微步驱动技术的开展,将把步进伺服的性能进步到一个新的程度。

数控机床的组成

  如图1所示,数控机床一般由五局部组成。此中数控安置是数控机床的核心,现代数控机床都接纳计算机控制CNC(computer numerical contro1)安置。它具备的主要功能有:1)多坐标控制;2)实现多种函数插补;3)多种步伐输入功能。以及编纂和批改功能;4)信息转换功能;5)赔偿功能;6)多种加工方式选择;7)故障自诊断功能;8)显示功能;9)通讯与联网功能。CNC系统的构造框图如图2所示。数控系统是严格依照数控步伐对工件停止自动加工的。数控加工步伐依照零件加工的轨迹信息、工艺信息和开关命令等。
1 数控机床系统剖析

1.3 数控机床对伺服系统的要求
  永磁直流伺服电机能在较大过载转矩下长工夫工作以及电机的惯量较大。能间接与丝杠相连而不需中间传动安置。别的,它还有一个特点是可在低速下运转,如能在1r/min以至在0.1r/min下平稳地运转。因而,这种直流伺服系统在数控机床上取得了宽泛的应用,自20世纪70年代至踟年代中期,它在数控机床上应用占绝对统治地位。至今,许大都控机床上仍使用这种电机的直流伺服系统。永磁直流伺服电机的弊端是有电刷,限制了转速的进步。一般额定转速为1000~1500r/min,并且构造复杂,价格较贵。
  针对直流电动机的缺陷,假如将其做“里翻外”的办理。即把电驱绕组装在定子、转子为永磁局部,由转子轴上的编码器测出磁极位置,就形成了永磁无刷电动机,同时随着矢量控制方法的实用化,使交换伺服系统具有优良的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快捷动态响应及四象限运行等优良的技术性能,使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制,拓宽了系统的调速范围,适应了高性能伺服驱动的要求。目前,在机床进给伺服中接纳的主要是永磁同步交换伺服系统有三品种型:模拟模式、数字模式和软件模式。模拟伺服用途单一,只接管模拟信号,位置控制通常由上位机实现;数字伺服可实现一机多用,如做速度、力矩和位置控制。可接管模拟指令和脉冲指令,各种参数均以数字方式设定,不变性好,且具有较丰硕的自诊断、报警功能;软件伺服是基于微办理器的全数字伺服系统。可将各种控制方式和差异规格、功率的伺服电机的监控步伐以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口,扭转工作方式、更换电动机规格时,只需重设代码即可,故也称万能伺服。交换伺服已占据了机床进给伺服的主导地位,并随着新技术的开展而一直完善,详细体如今三个方面:1)系统功率驱动安置中的电力电子器件一直向高频化标的目的开展,智能化功率模块得到普及与应用;2)基于微办理器嵌入式平台技术的成熟,将促进先进控制算法的应用;3)网络化制造形式的推广及现场总线技术的成熟,将使基于网络的伺服控制成为可能。
2.2 直流伺服系统
  e)精度高:为了满足数控加工精度的要求,关键是担保数控机床的定位精度和进给跟踪精度。这也是伺服系统静态特性和动态特性指标能否优质的详细表示。位置伺服系统的定位精度一般要求能到达1μm以至0.1μm,高的可以到达0.01-0.005μm。相应地,对伺服系统的分辨力也提出了要求。当伺服系统蒙受CNC送来的一个脉冲时,工作台相应挪动的单位间隔叫分辨力。系统分辨力取决于系统不变工作性能和所使系统用的位置检测元件。目前的闭环伺服都能到达0.1μm的分辨力,以至更小;f)低速大转矩:机床的加工特点,大多是低速时停止切削,即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。

伺服系统的根本方框图

  d)快捷响应并无超调:为了担保轮廓切削外形精度和高的加工外表粗拙度,对位置伺服系统除了要求有较高的定位精度外,还要求有优良的快捷响应特性,即要求跟踪指令信号的响应要快,这就对伺服系统的动态性能提出MachineBuilding g Automation,A 2007,36(2):10~13两方面的要求:1)在伺服系统处于频繁地启动、制动、加速和减速等动态过程,为了进步消费率和担保加工品质,则要求加减速度足够大,以缩短过渡工夫。一般电机速度由0到最大,或从最大降低到0,工夫应控制在200ms以下,以至小于几十毫秒,且速度变革时不应有超调;另一方面是当负载忽然变革时,过渡过程前沿要陡,恢复工夫要短、且无振荡。这样威力得到润滑的加工外表;