【文章內(nèi)容簡介】 性，抑制電流環(huán)內(nèi)部干擾限制最大電流，保障系統(tǒng)的安全運行。電流環(huán)中的電流調(diào)節(jié)器輸出控制電壓與外加調(diào)制電壓疊加送入脈沖形成，分配和驅(qū)動環(huán)節(jié)，從而控制 IGBT 通斷時間，調(diào)節(jié) PWM 對電機輸出的平均功率，通過電流傳感器檢測電樞回路，形成電流反饋環(huán)節(jié)[15]。速度環(huán)的作用是增強系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力，抑制速度的波動。根據(jù)系統(tǒng)對各個控制環(huán)的要求，對速度環(huán)和電流環(huán)均可采用 PID 控制一提高系統(tǒng)的快速跟蹤能力。速度環(huán)中速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定量應(yīng)限制在一定的幅值內(nèi)。速度環(huán)采用比例調(diào)節(jié)器控制方式時，若比例系數(shù)過大，電機的響應(yīng)特性可能會變成震蕩，而且僅采用比例控制時，也不能完全補償外加負(fù)載所引起的擾動。因此，通常采用比例積分控制方式以改善輸出響應(yīng)，并在穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)無差控制。在某些情況下，還會加上微分控制作用，以提高系統(tǒng)的快速性。但是微分作用會加寬系統(tǒng)頻帶，使系統(tǒng)抗干擾能力降低。位置環(huán)作為系統(tǒng)外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤的性能。半閉環(huán)結(jié)構(gòu)以伺服電機軸的角位移為反饋量。位置環(huán)的位置檢測元件（編碼器）將運動機構(gòu)實時的位移或角變化以脈沖形式傳輸?shù)娇刂圃O(shè)備中進行編碼器脈沖計數(shù)，以獲得數(shù)字化位置信息。位置環(huán)的給定可以使操作人員在現(xiàn)場及時輸入期望的位置數(shù)據(jù)，也可以是由按照編好的運動軌跡程序給出位置信息。在數(shù)控機床中，伺服控制系統(tǒng)主要指各坐標(biāo)軸進給驅(qū)動的位置控制系統(tǒng)，當(dāng)前的伺服控制系統(tǒng)主要有三種類型:該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液馬達等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率器放大后，使步進電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機做成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴(yán)格。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)。同樣閉環(huán)精度半比閉環(huán)系統(tǒng)的精度也高，綜合考慮以上三種控制模式，結(jié)合用戶的實際要求，對 X、Y 軸和 Z、W 軸采用不同的控制模式。X、Y 軸的控制精度直接關(guān)系到零件加工的精度，我們采用第三種控制方案。伺服電機采用施耐德公司生產(chǎn)的 BMH型交流伺服電機伺服電機及其配套的Lexium 32驅(qū)動器，選擇光柵尺是新型的海德漢玻璃反射式光柵尺，其特點及電機技術(shù)指標(biāo)如下：光柵尺具有性能穩(wěn)定、可靠性好、精度高、測量范圍大、使用方便、價格適中等特點。在此系統(tǒng)中，主機讀入光柵尺返回的各軸實際位移量，將此位移量與理想值相比較，得到誤差信號并用此誤差控制運動控制卡，使理想值與實際值趨于一致，從而消除運行誤差。如圖42所示：圖42 交流閉環(huán)伺服系統(tǒng)W、Z 軸的運動主要用于加工孔的深度，對精度的要求不高。我們采用第二種控制方案即交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，它的檢測裝置采用高分辨率的脈沖編碼器。 進給軸及主軸的控制方式設(shè)計TK6916系列數(shù)控鏜銑床的數(shù)控軸有 X、Y、Z 及W軸。、Y 軸采用閉環(huán)控制，如圖 43所示。采用計量光柵尺為測量裝置，直接測量工作臺的直線位移。由工作臺直接帶動光柵尺移動的同時，與裝在機床床身上的定尺配合，測量出工作臺的實際位移值。圖 43 閉環(huán)控制原理結(jié)構(gòu)圖光柵檢測系統(tǒng)的精度主要取決于光柵尺本體的制造精度,也就是計量光柵任意兩點間的誤差。選擇的光柵尺是新型的海德漢玻璃反射式光柵尺(X 軸為 4m,Y 軸為 )。采用激光光刻技術(shù)，光柵尺本身的制造精度為 5um/1m，光柵常數(shù)為 50，也就是每毫米50 線，柵格為 。 軸采用半閉環(huán)控制控制，如圖44所示。圖44 半閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)原理圖半閉環(huán)內(nèi)不包括機械傳動環(huán)節(jié)，它的檢測裝置采用高分辨率的脈沖編碼器，編碼器的頻率響應(yīng)值為 100KHz，輸出的脈沖數(shù)為 2500ppr。安裝在絲杠的端頭，脈沖編碼器每旋轉(zhuǎn)一定角度，都嚴(yán)格地對應(yīng)著工作臺移動的一定距離。測量了絲杠的角位移，也就間接地測量了工作臺的直線位移。，檢測裝置為脈沖編碼器，輸出的脈沖數(shù)為 1024ppr。主軸為旋轉(zhuǎn)軸，輸出速度范圍 5～1120rpm 時處于恒功率調(diào)速。主軸有定向控制要求，定向精度為177。176。，由主軸脈沖編碼器的零信號的精度保證[9]。圖45 Lexium 32交流伺服驅(qū)動裝置 伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動模塊的設(shè)計 Lexium 32系列交流伺服驅(qū)動伺服系統(tǒng)控制器，選用了Lexium 32系列。是一種交流數(shù)字變頻調(diào)速伺服控制器。采用模塊式結(jié)構(gòu)分單軸驅(qū)動模塊和雙軸驅(qū)動模塊。選用了Lexium 32系列。如圖45所示。伺服系統(tǒng)數(shù)控機床專用模塊。監(jiān)控各控制模塊的運行。控制模塊則根據(jù) NCU 的指令驅(qū)動各軸電機以某一速度運行或停止。選用了Lexium 32系列，伺服控制系統(tǒng)具有如下特點[11]：(+/10V）和脈沖接口； HMI (裝有調(diào)試軟件的 PC)進行調(diào)試； 、電子齒輪、內(nèi)部位置模式、速度控制和力拒控制運行模式；。伺服驅(qū)動器各部分名稱如圖46所示。圖46 伺服驅(qū)動器各部分名稱 Lexium 32伺服驅(qū)動器/伺服電機的組合Lexium 32 運動控制電源電壓380...480V 三相伺服驅(qū)動器/伺服電機的組合BMH伺服電機如圖47所示。BMH伺服電機是具有中等慣量的電機。它能更好地匹配大負(fù)載應(yīng)用，并且可采用一種更具魯棒性的方式對運動進行調(diào)整。 本產(chǎn)品在1200至6000 rpm1的額度速度范圍內(nèi)可以覆蓋。 Nm的連續(xù)停止轉(zhuǎn)矩范圍。 BSH伺服電機如圖48所示。圖48 BSH伺服電機圖46 BMH伺服電機圖47 BMH伺服電機BSH伺服電機由于轉(zhuǎn)子慣量較低，可以滿足精確和高動態(tài)性能的要求。它們結(jié)構(gòu)緊湊，可實現(xiàn)高功率密度。 Nm的連續(xù)停止轉(zhuǎn)矩范圍。 在對機床進行技術(shù)改造時，考慮到由于該機床的工作性質(zhì)，機床處于穩(wěn)定切削狀態(tài)，只有短時的啟動和制動。結(jié)合機床的實際情況和電機的計算公式，選用施耐德公司生產(chǎn)的 BMH型伺服電機,專用于Lexium 32 運動控制變頻系統(tǒng)下工作。伺服驅(qū)動器/伺服電機的組合電路如圖49所示，它具有較高的動態(tài)性能、高可靠性及非常低的維護要求。圖49 伺服驅(qū)動器/伺服電機的組合5 機床電氣系統(tǒng)的設(shè)計機床電氣部分的設(shè)計是機床設(shè)計部分的關(guān)鍵，一臺機床的性能很大程度上取決于電氣部分的設(shè)計，本章就數(shù)控鏜銑床從數(shù)控系統(tǒng)的選型到具體參數(shù)的設(shè)置分別做了詳細(xì)的介紹，從而實現(xiàn)機床的自動化。 數(shù)控系統(tǒng)的選用CNC 系統(tǒng)由數(shù)控程序、輸入/輸出裝置、計算機數(shù)控裝置（CNC 裝置）、可編程邏輯控制器（PLC）、主軸驅(qū)動裝置和進給（伺服）驅(qū)動裝置（包括檢測裝置）等組成。目前國內(nèi)外用過的數(shù)控系統(tǒng)有很多種，而國外引進的居多，國外控制系統(tǒng)市場占有率較大的有日本 FANUC 系統(tǒng)、德國西門子系統(tǒng)，其次是法國施耐德公司的NUM系統(tǒng)、西班牙FAGOR系統(tǒng)、日本三菱系統(tǒng)等。 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)FANUC 數(shù)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作界面友好，系統(tǒng)各系列總體結(jié)構(gòu)非常的類似，具有基本統(tǒng)一的操作界面。 FANUC 系統(tǒng)可以在較為寬泛的環(huán)境中使用，對于電壓、溫度等外界條件的要求不是特別高，因此適應(yīng)性很強，但是因出廠之后系統(tǒng)已經(jīng)被廠家固化，可供用戶開發(fā)的可能性不大，因此本機床數(shù)控系統(tǒng)不選擇此系統(tǒng)。 西門子數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 不僅意味著一系列數(shù)控產(chǎn)品品牌，其力度在于生產(chǎn)一種適于各種控制領(lǐng)域不同控制需求的數(shù)控系統(tǒng)，其構(gòu)成只需要很少的部件，它具有高度的模塊化、開放性以及規(guī)范化的結(jié)構(gòu)，適于操作、編程和監(jiān)控。三十年來，西門子憑借在數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動產(chǎn)品方面的專業(yè)思考與深厚積累，不斷制造出機床產(chǎn)品的典范之作，為自動化應(yīng)用提供了日趨完美的技術(shù)支持。SINUMERIK 數(shù)控系統(tǒng)的突出之處在于其不斷擴展的特性，因此市場的使用率比較廣泛，我們應(yīng)該推出其他性能比較好的系統(tǒng)，以便增加市場的競爭力，完善整個市場的需求。 法國 NUM 數(shù)控系統(tǒng)NUM公司是法國一家著名的國際性公司，專門從事CNC數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和研究，歐洲第二大數(shù)控系統(tǒng)供貨商。其產(chǎn)品覆蓋諸多行業(yè)，如：汽車制造業(yè)、航空及航天業(yè)、發(fā)電設(shè)備行業(yè)、鐘表業(yè)等。多年來，NUM 公司致力于各種專用領(lǐng)域的發(fā)展，開放出了多種專用應(yīng)用軟件。NUM作為世界上工業(yè)控制的領(lǐng)導(dǎo)者施耐德電氣公司的一員，NUM致力于機床自動化和運動控制的開發(fā)和研究。30年來，NUM在高精度、高速加工方面，與客戶密切合作，并以提供專業(yè)的技術(shù)支持和服務(wù)而著稱，特別適合于 1～6軸的數(shù)控機床。緊湊且功能完善的32位數(shù)控系統(tǒng)，其具體的技術(shù)特點如下。