數控機床及其伺服系統的研究

王桂龍

摘?要：本文主要從數控機床概述、數控機床對進給伺服系統的要求、數控機床伺服系統故障類型、完善數控機床及伺服系統的措施等方面進行了全面的闡述。

關鍵詞：數控機床;伺服系統;故障

前言

隨著我國科技的不斷發展，數控機床應用越來越廣泛，本文就數控機床及其伺服系統方面內容進行了探討。

1.數控機床概述

所謂數控機床，即數字控制機床（Computer?numerical?con-trol?machine?tools），是一種安裝了自動化控制系統的機床。與普通機床相比較，數控機床帶有數控系統（程序控制系統），它可以按照事先編制的程序實現自動化加工過程，而普通機床卻沒有該特性。數控的機床的全面使用，可以降低工人的勞動強度，減少工裝和用工成本，能夠縮短新產品試制周期和生產周期，有利于企業對市場需求做出快速反應。除此之外，隨著科技的進步，信息化技術不斷完善，FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統）以及CIMS（計算機集成制造系統）技術得到越來越廣泛的應用。機床數控化是運用上述技術實現企業信息化改造的基礎，數控技術已經成為制造業自動化的核心技術和基礎技術。

2.數控機床對進給伺服系統的要求

數控機床的數控系統所發出的數字控制指令，是經過進給伺服系統驅動機械執行部分，最終實現精確的進給運動。進給伺服系統的性能決定了數控機床的許多性能，例如：最高移動速度，輪廓跟蹤精度、定位精度等，數控機床對進給伺服系統有以下要求：

2.1定位精度高、輪廓跟蹤精度高

進給伺服系統要具有較好的靜態特性和較高的伺服剛度，從而達到較高的定位精度，以保證數控機床具有較小的定位誤差與重復定位誤差。同時，伺服系統還要具有較好的動態性能，以保證數控機床具有較高的輪廓跟蹤精度。

2.2迅速響應，無超調

為了提高生產效率和保證加工質量，在系統啟動、系統制動時，要求加、減加速度足夠大，以縮短伺服系統的過渡過程時間，?減少輪廓過渡誤差。但是，一般電動機從零變到最高轉速，或者從最高轉速降至零的時間應該小于Zoom。。這就要求伺服系統要能夠快速響應，但是又不能超調，否則將形成過切影響加工質量。同時，當負載突變時，要求速度的恢復時間盡量短，并且不能有振蕩，這樣才能得到光滑的表面。

2.3調速范圍要寬

數控機床在加工過程中，?由于所需要的刀具、被加工材料、主軸轉速以及進給速度等加工工藝要求各有不同，為了保證在任何情況下都能得到最佳的切削條件。

3.數控機床伺服系統故障類型

數控機床伺服系統故障類型既可按故障部位分類又可以按故障形式分類，具按故障部位可分為傳動裝置故障、驅動系統故障和檢測部件故障。傳動裝置故障主要表現為電機等裝置的動力不能傳遞到執行元件，故障大多發生在聯軸器、絲杠、軸承、機床導軌等部件。當這些部件發生如間隙過大，振動、磨損等故障時，就會出現機床精度降低、爬行、過載等問題。驅動系統故障是指伺服電機等驅動裝置出現的故障，主要包括驅動控制單元故障、伺服電機故障等。檢測部件故障主要是指編碼器、光柵尺等檢測部件出現故障，主要表現為反饋數據誤差過大或無反饋。

伺服系統常見故障按表現形式可分為：?伺服軸竄動、伺服軸爬行、伺服軸振動、過載、超行程、返回參考點故障、伺服電機不轉等。伺服軸竄動是指在切削加工過程中，進給速度本應保持均勻，卻突然出現加速的現象。當機床的伺服進給電機和絲杠勻速旋轉時，工作臺卻忽快忽慢甚至是忽跳忽停地運動，這種故障稱為“爬行”。機床爬行故障通常都發生在低速進給或啟動加速時期。振動一般都發生在機床高速運行時，一般都是由于進給系統參數設置不當，傳動機構出現故障引起的。超程故障一般分為軟件超程故障和硬件超程故障。硬限位有干擾，加工程序不妥都會造成超程故障。負載過大，參數設定錯誤及進給傳動鏈潤滑不良等情況都會引起過載報警。伺服電機不轉一般都是由于電機沒有接到運動信號?（如數控系統沒有使能信號）?，機床處于鎖緊狀態或者電機自身故障造成的。

4.完善數控機床及伺服系統的措施

4.1加工精度

精度是機床必須保證的一項性能指標。位置伺服控制系統的位置精度在很大程度上決定了數控機床的加工精度。因此位置精度是一個極為重要的指標。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統中開環放大倍數的大小，另一方面是對位置檢測元件提出精度的要求。因為在閉環控制系統中，對于檢測元件本身的誤差和被檢測量的偏差是很難區分出來的，反饋檢測元件的精度對系統的精度常常起著決定性的作用。

4.2提高可靠性

數控機床是一種高精度、高效率的自動化設備，如果發生故障其損失就更大，所以提高數控機床的可靠性就顯得尤為重要。可靠度是評價可靠性的主要定量指標之一，其定義為：產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的概率。對數控機床來說，它的規定條件是指其環境條件、工作條件及工作方式等，例如溫度、濕度、振動、電源、干擾強度和操作規程等。這里的功能主要指數控機床的使用功能，例如數控機床的各種機能，伺服性能等.平均故障（失效）間隔時間（MTBF）是指發生故障經修理或更換零件還能繼續工作的可修復設備或系統，從一次故障到下一次故障的平均時間，數控機床常用它作為可靠性的定量指標。

4.3寬范圍調速

在數控機床的加工中，伺服系統為了同時滿足高速快移和單步點動，要求進給驅動具有足夠寬的調速范圍。單步點動作為一種輔助工作方式常常在工作臺的調整中使用。伺服系統在低速情況下實現平穩進給，則要求速度必須大于“死區”范圍。所謂“死區”指的是由于靜摩擦力的存在使系統在很小的輸入下，電機克服不了這摩擦力而不能轉動。此外，還由于存在機械間隙，電機雖然轉動，但拖板并不移動，這些現象也可用“死區”來表達。加強對其寬范圍的調節是非常必要的。

5.結束語

加強對數控機床及其伺服系統的研究，可以延長數控機床的使用年限，更好的保障其正常運行，是非常具有現實意義的研究。

參考文獻：

[1]王濤.數控機床的伺服系統性能探究[J].機械，2013（3）：166-168.

[2]盛文仲.淺談數控機床的伺服系統性能[J].數字技術與應用，2012（3）：16-18.

[3]王文鵬.數控機床的伺服系統性能分析[J].經驗交流，2013（6）：66-69.