探討伺服系統對數控加工的影響

摘要：近年來，精密數控機床技術被廣泛應用，數控機床加工對象從以往的簡單曲線零件逐漸轉變為復雜曲面加工，而數控機床伺服系統的選擇直接關系到精密數控機床的加工速度、精度等各項技術性指標。本文介紹了數控機床伺服系統的發展情況，并對伺服系統的特點及補償形式進行了分析。

關鍵詞：數控加工；伺服系統；伺服性能

前言

伺服系統是數控機床的關鍵構成，也是控制系統與機械傳動器件進行連接的重要環節，該系統性能的差別直接影響著數控機床的加工速度、穩定性及精度。大部分數控機床需要伺服系統控制定位速度、輪廓切削進給速度、輪廓切削精確度，以及對精加工表層的粗糙度和外部干擾下的運行穩定性。

1.我國數控機床伺服系統的發展現狀

現階段我國能加工各類較為復雜曲面零件的數控機床均使用了非常先進的直線軸技術，該技術為傳動軸直接驅動模式，由對應的伺服電機通過簡單傳動驅動進給設備，并利用多種插補技術來滿足加工高精度及高粗糙度等復雜零部件的質量要求。伺服系統的本質就是隨動系統，屬于控制系統系列，要求系統能夠根據不同指令對相關對象的運動進行控制，使其自動連接并精確的依照對應指令完成運動。我國當前主流的數控伺服系統均采用PID控制技術，根據機床類別和使用要求，對系統電流環以及速度、位置環的控制系數進行了調整。由于機床伺服控制系統的變化原因很多，屬于非線性系統，對系統控制系數進行優化的難度很大，我國對相關系統及硬件的研究較少，因此我國數控機床使用的伺服控制器等系統部件大部分均采用國外產品。

2.伺服系統對機床性能的影響

伺服系統中的伺服控制器在對應的數字控制系統以及機械器件間進行轉換信號，傳遞數據的工作。數控系統把相關加工代碼指令發送至伺服控制器中，伺服控制器將編程指令轉換成相應的電信號指示電機驅動機床部件移動，使機床工作臺依照指令代碼所預設的軌跡進行相對運動，以完成加工符合各類標準零件的操作。因為伺服系統是直接控制工件臺、刀具箱以及各類運動性器件的，所以伺服控制系統的匹配和調試對機床精度和加工性能有著非常大的影響。

伺服驅動控制系統和機床性能以及加工零件精確度的統一是選擇伺服系統的關鍵。而要保證加工零件的精度，就需要伺服驅動控制系統控制對應的機床移動器件以穩定速率移動或切削零部件，盡最大的可能確保加工精度不會受到負載變化和電源電壓變化的影響。尤其是使用直驅技術的機床主軸，其負載的相對變化，對伺服系統的控制有著相當大的影響。因此為提高伺服控制系統控制精確度以及抗干擾的能力，在高級數控加工中心和高精度、高性能的數控加工系統中，通常使用閉環控制伺服系統，同時執行元器件使用伺服驅動電機以及步進電機，位置檢測機構使用激光光柵以及磁柵等有效的傳感器件為對應的閉環反饋信號。閉環系統通過反饋系統監控機床工作狀況并能自動實時補償，準確性高且穩定性好，大部分閉環CNC系統已能提供精確至0.001mm的精度控制。根據位置測量裝置的安裝部位不同，閉環控制系統又分為半閉環控制和全閉環控制。

半閉環控制系統中對應的測量設備均安置在絲杠尾端或者是電機軸處，探測器不會對機床的局部實際運動量進行直接性的檢測，只是檢測絲杠或是伺服電機的轉角，并依照對應的傳動鏈將運動器件位移量導出。然后把該位移量及控制系統所傳出的移動指令數值進行比較，并使用對比偏差對機床移動部件的位移進行控制。控制系統雖然有位置檢測設備及監測功能，不過由于測量數據不是機床部件的真實位移，故稱之為半閉環伺服系統。該控制方法是依照對應程序中的位置性指令來對伺服電機驅動系統傳送信號，因為相關的傳動鏈之間存在螺距誤差以及反向間隙，從而會造成運動器件實際位置和測量位置的誤差，而數控伺服系統的檢測設備均安置在電機軸上，無法對傳動鏈之間的誤差進行檢測和補償，因此該伺服系統間所存在的傳動鏈各類誤差不能校正。半閉環系統的主要優點是反饋過程中不穩定因素較少，調試較方便，穩定性高，目前在單一功能機床設備中應用比較廣泛。

3.伺服系統的誤差補償

由于機床滾珠絲杠的生產會存在一定的制造誤差，長時間的使用也會造成絲杠磨損，因此要保證數控機床擁有較高的定位精度和穩定性，只有使用合適的誤差補償方式對其定位精確度進行補償，最常見的就是對主軸滾珠絲杠螺距誤差補償。一般補償可以分為軟件補償及硬件補償，硬件補償使用機械性方式檢測數控機床軸滾絲杠全過程的誤差分布，并在絲杠螺距積累誤差數值到脈沖當量的位置裝設擋塊，在機床工作臺出現移動時，設置在機床上的微動開關和擋塊的電路信號指示對應的步進電機移動進行補償。該方式不足之處就是數控機床工作臺上應裝配相應的機械器件和電路信號元件。軟件補償則是使用伺服系統控制誤差變動范圍并進行相應的調整，螺距誤差軟件補償與硬件補償之間最大的不同在于，軟件補償能檢測數控機床軸滾珠絲杠運動的全部過程并進行實時補償，使用相關的數控指令將工作臺定位到特定位置點，作為相關的指令位置，采用高精度位置測量器件將位置點的真實位置測出，并把該實際位置和指令位置進行比較，計算出滾珠絲杠運動過程中的誤差分布，并將誤差分布情況以表格的形式輸入對應的數控系統中。

4.結語

隨著微電機、控制、電子等新技術的不斷進步，微處理器性能的持續提升，對應的變頻調速以及高性能的交流式伺服控制系統也獲得了快速的發展，交流伺服系統在對應的機床控制性能上較直流式伺服系統有更大的優勢和性能提升，因此繼續探究不同數控機床伺服系統的伺服性能對現階段我國數控技術的發展是具有重大意義的。

參考文獻：

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作者簡介：邵昌明（1985-），男，漢族，貴州貴陽人，中北大學機械設計制造及其自動化專業畢業，從事高職數控專業教學和研究工作。