【正文】 通常需要處理位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的控制信息，根據(jù)這些信息是用軟件來處理還是用硬件處理，可以將伺服系統(tǒng)分為全數(shù)字式和混合式。 表 5－ 2所示為 SINUMERIK810系統(tǒng)部分位置環(huán)伺服參數(shù)，供參考。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 最高運(yùn)行速度除了加工要求外，從系統(tǒng)控制的角度看有一個(gè)檢測與反饋的問題。低增益系統(tǒng)也有它的優(yōu)點(diǎn)，如系統(tǒng)調(diào)整比較容易，對干擾不敏感，加工的表面粗糙度值小等。一般將 KV＜ 20的伺服系統(tǒng)稱為低增益或軟伺服系統(tǒng)。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)參數(shù) 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)由位置環(huán)和速度環(huán)組成，兩個(gè)環(huán)的參數(shù)調(diào)整是否合適，直接影響到伺服系統(tǒng)的性能。 實(shí)際上，在大多數(shù)連續(xù)切削控制系統(tǒng)中，兩軸的系統(tǒng)增益稍有差異。當(dāng)指令位置在P(X,Y)點(diǎn)時(shí)，由于跟隨誤差 EX和 EY的存在，實(shí)際位置在點(diǎn) 處，實(shí)際圓弧 與指令圓弧的半徑差 ΔR 可由幾何關(guān)系求得 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 從上式可見，加工誤差與進(jìn)給速度的平方成正比，與系統(tǒng)增益的平方成反比。 Δ KV增大， ε 就增大，實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡將偏離指令軌跡。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于存在跟隨誤差，再某一時(shí)刻，指令位置在 P點(diǎn)，而實(shí)際位置在點(diǎn)，則輪廓誤差 ε 為式中 、 —— X軸、 Y軸的運(yùn)動(dòng)速度 。 以上檢驗(yàn)結(jié)果綜合反映了機(jī)床的輪廓切削精度，其中既有機(jī)床兩坐標(biāo)的跟隨精度的影響，也包含由切削力發(fā)現(xiàn)變化而產(chǎn)生的影響。 ② 相對面間的平行度，即 A和 C面的平行度， B和 D面的平行度。 （ 1）用 X、 Y坐標(biāo)的直線插補(bǔ)，對方形試件的四周進(jìn)行精銑，背吃刀量約為 。此外還與運(yùn)動(dòng)速度及輪廓切線方向變化率等因素有關(guān)。這就是跟蹤性能與抗干擾性能之間存在一定的制約和矛盾的地方，也是閉環(huán)控制系統(tǒng)固有的局限性。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖 532 突加負(fù)載后轉(zhuǎn)速的擾動(dòng)響應(yīng)曲線 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （ 1）最大動(dòng)態(tài)速度 Δ nm 表明系統(tǒng)在突加負(fù)載后及時(shí)作出反映的能力，常以穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的百分比表明： （ 2） 恢復(fù)時(shí)間 tP 由擾動(dòng)作用瞬間至輸出量恢復(fù)到允許范圍內(nèi)（一般取穩(wěn)態(tài)值 177。顯然，作為數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)，希望上述性能指標(biāo)都能做到越小越好，然而，在實(shí)際控制中，快速性要求與平穩(wěn)性要求相矛盾，需按照加工工藝的要求在各項(xiàng)性能指標(biāo)中作出合理的選擇。 （ 2）調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 輸出響應(yīng) C(t)與穩(wěn)定值 C(∞) 的差值小于等于穩(wěn)態(tài)值的 177。伺服系統(tǒng)在控制過程中，幾乎始終處于動(dòng)態(tài)過度過程中。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)跟隨誤差 E為 式中 υ—— 移動(dòng)部件（工作臺(tái)）的運(yùn)動(dòng)速度； KV—— 系統(tǒng)開環(huán)增益。設(shè)曲線 1為某一坐標(biāo)軸的位置命令輸入曲線 R(t)， 曲線 2為實(shí)際運(yùn)動(dòng)的位置曲線 C(t)。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)誤差 由自動(dòng)控制理論可知，一階無差系統(tǒng)（也稱 Ⅰ 型系統(tǒng)）對于位置階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，而對斜坡給定輸入或擾動(dòng)輸入的穩(wěn)態(tài)誤差不等于零；而二階無差系統(tǒng)（也 Ⅱ 稱型系統(tǒng)）則對上述三種輸入的穩(wěn)態(tài)誤差都等于零。在輪廓切削加工中常以位置斜坡輸入進(jìn)行分析。數(shù)控機(jī)床位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能就是指在到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)后，實(shí)際狀態(tài)與期望狀態(tài)之間的偏差程度，也稱為定位精度，一般數(shù)控機(jī)床的定位精度不低于 ， 高性能的定位精度可達(dá)到 mm。 （ 4）定向控制的精度和剛性高，完全能滿足自動(dòng)換刀的要求。 的位置上。圖 528為編碼器主軸定向控制連接圖。圖 526所示為磁性傳感器及安裝示意圖，圖 527所示為磁性傳感器主軸定向控制連接圖。當(dāng)定位盤上的 V形槽與滾輪對正時(shí)，滾輪插入 V形槽使主軸準(zhǔn)停，同時(shí)，定位行程開關(guān)發(fā)出定向完成應(yīng)答信號(hào)。 V形槽定位盤準(zhǔn)停裝置 V形槽定位盤準(zhǔn)停裝置是機(jī)械定向控制方式。作用有： 刀具交換 在加工中心中，當(dāng)主軸停轉(zhuǎn)進(jìn)行刀具交換時(shí)，主軸需停在一個(gè)固定不便的位置上，從而保證主軸端面上的鍵也在一個(gè)固定的位置，這樣，換刀機(jī)械手在交換刀具時(shí)，能保證刀柄上的鍵槽對正主軸端面上的定位鍵，如圖 524所示。軟件負(fù)責(zé)位置偏差的計(jì)算以形成速度控制指令，硬件由位置控制輸出組件和位置測量組件組成。 圖 523中， X141伺服輸出端的 1 4端子， 18端子及2 12端子分別是第 1軸、第 2軸和第 3軸（可定義為 X軸、 Y軸、 Z軸或主軸）的速度控制電壓，該電壓為直流模擬電壓－ 10～＋ 10V； 14端子， 2 8端子和 22端子分別為第1軸、第 2軸和第 3軸的伺服驅(qū)動(dòng) “ 使能 ” （ Enable） 信號(hào)。位置輸出組件中的D/A由緩沖計(jì)數(shù)器、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、數(shù)值檢出器、方向控制線路和比較放大器五個(gè)部分組成，以脈寬調(diào)制（ PWM） 的形式輸出模擬電壓。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 位置控制功能由軟件和硬件兩部分共同實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器的感應(yīng)電壓經(jīng)位置檢測電路中的鑒幅器、絕對值處理和方向辨別及 F/V變換后得到相應(yīng)的頻率脈沖送 MB8720。 1. 位置控制的軟件處理 在數(shù)控系統(tǒng)伺服中斷期間，系統(tǒng)每隔 4ms定時(shí)地從 MB8720中的實(shí)際位置計(jì)數(shù)器中采集實(shí)際位置增量 ΔP f（ 在 4ms內(nèi)所移動(dòng)的實(shí)際位移，按脈沖當(dāng)量換算后所得的數(shù)字量），原實(shí)際位置為 ，則新的實(shí)際位置值為數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 同樣，插補(bǔ)周期每 8ms內(nèi)的位置指令增量為 ΔP C， 位置指令值為，則新的位置指令值為 式中系數(shù) 1/2是因?yàn)?8ms插補(bǔ)的進(jìn)給量是由兩次 4ms的位置控制中斷來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)置的目的是為了在比較器中進(jìn)行比較的指令脈沖和反饋脈沖的當(dāng)量相符。一方面作為位置反饋脈沖，另一方面經(jīng)頻率－電壓變換（ F/V） 形成速度反饋模擬電壓 TSA、 TSB， 其大小與轉(zhuǎn)速成正比，正、負(fù)由鑒相器對 PA、 PB脈沖的相位進(jìn)行辨向獲得。 (4) 漂移補(bǔ)償 伺服系統(tǒng)經(jīng)常受到漂移的干擾，即在無速度輸出時(shí)，坐標(biāo)軸可能發(fā)生移動(dòng)，從而影響機(jī)床的精度。 (2) 誤差寄存器 實(shí)現(xiàn)指令位置與實(shí)際位置的比較，并寄存比較后的誤差 Pe， 實(shí)際上是采用可逆計(jì)數(shù)器的脈沖比較。該芯片適用的位置檢測裝置為增量式的光柵或光電編碼器。措施 2是增大放大倍數(shù)，由上面可知的放大倍數(shù)是 4，而的放大倍數(shù)是 ，兩者之比為 16。也就是說計(jì)數(shù)器的每次減 1，計(jì)數(shù)器使速度指令電壓 UP的變化比精計(jì)數(shù)器大 512倍。 根據(jù)圖 517， UNP經(jīng)濾波和運(yùn)算放大器 A A2處理后，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電壓 UREFD= V， 則速度控制電壓 UP=－ 4UNPC－ (V) （ 5－ 7） （ 5－ 8） （ 5－ 9） 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （ 1）當(dāng)正向最高速度指令值 VC=+8191時(shí)，占空比 τ/ T=1， 根據(jù)式（ 5－ 7）， UNP=0V， 即 UNPC=0 V， UNPF=0 V， 根據(jù)式（ 5－ 9） UP= V， 這表示伺服電動(dòng)機(jī)獲得最高正向轉(zhuǎn)速。 因此 NP是一個(gè)半波寬隨計(jì)數(shù)值而變化的脈沖。因而每一個(gè)置數(shù)周期輸出一個(gè)方波。當(dāng)計(jì)數(shù)器的輸出 MP為負(fù)時(shí)，無論符號(hào)位 SN是正還是負(fù)， C門開通， A、 B兩門關(guān)閉，輸出端 NP為＋ 。三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓＋ 5V、＋ V、 0 V分別接到傳輸門 A、 B、 C的輸入端，三個(gè)門的輸出端連到一起，作為電壓輸出端，三個(gè)門開關(guān)的控制信號(hào)來自計(jì)數(shù)器和符號(hào)位。 為能連續(xù)計(jì)數(shù)，每隔 128μs ， 速度指令寄存器必須向兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)送數(shù)一次。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 最高位用作符號(hào)位， 0～ 8位送往精計(jì)數(shù)器， 9～ 12位送往精計(jì)數(shù)器。由軟件部分計(jì)算出的速度指令值首先送入硬件部分的速度指令寄存器寄存，如前所述，每1/2插補(bǔ)時(shí)間軟件部分計(jì)算一次位置偏移量 ΔD i和速度指令值 V0i， 因此，每 4ms速度指令寄存器得到一個(gè)新值。 將速度指令 VC轉(zhuǎn)換為速度控制電壓 UP的轉(zhuǎn)換電路常采用的脈寬調(diào)制器 (PWM)的方法。速度控制信號(hào)的大小與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比；速度控制信號(hào)的正、負(fù)決定了伺服電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。 再經(jīng)輸出門將這些信號(hào)合成，產(chǎn)生調(diào)制波 U1和 U2。 。 的電角度的溢出脈沖輸出，通過組合邏輯進(jìn)行調(diào)寬脈沖的波形合成。因此，可將對電氣角的控制轉(zhuǎn)變對脈沖寬度的控制。 若滑尺上的兩勵(lì)磁繞組加以矩形波勵(lì)磁信號(hào)。壓控振蕩器（ VCO） 它輸出的脈沖頻率與控制電壓成正比關(guān)系。另外，從圖 514中可以看出，站柜臺(tái)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出端 UF為正值；工作臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出端 UF為負(fù)值。該信號(hào)經(jīng)低通濾波器 Ⅱ 后，鑒幅器輸出信號(hào)為一平滑的直流信號(hào) UF。然后，由互為反向的開關(guān)信號(hào) SL和 實(shí)現(xiàn)通道的通斷控制，其開關(guān)頻率與輸入信號(hào)相同。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 圖 513為鑒幅器原理圖。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 若系統(tǒng)接收到負(fù)的指令脈沖，整個(gè)系統(tǒng)的檢測、比較及控制過程與系統(tǒng)接收到正的指令脈沖類似。 脈沖 Pf一方面與指令脈沖作比較，獲得位置偏差Pe=PC－ Pf； 另一方面輸入勵(lì)磁電路，作為修改勵(lì)磁信號(hào)電氣角 的設(shè)定輸入，使 跟隨 變化。 當(dāng)系統(tǒng)接收到正的指令脈沖 PC＞ 0時(shí)，工作臺(tái)仍保持靜止?fàn)顟B(tài)，和均沒有變化，反饋脈沖 Pf仍為 0。為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，電動(dòng)勢幅值需經(jīng)電壓－頻率變換電路，才能變成相應(yīng)的數(shù)字脈沖。 （ 5－ 4） 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 若 ，則定尺繞組電動(dòng)勢幅值 E0m≠0 。 ⑦ 將鑒幅器的直流電壓轉(zhuǎn)變成反饋脈沖的電壓－頻率變換器。 ③ 將模擬控制信號(hào)進(jìn)行功率和電壓放大的伺服放大器。幅值比較伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的過程與相位比較伺服系統(tǒng)相類似。當(dāng)接于 端的 信號(hào)滯后于信號(hào)時(shí)， 領(lǐng)先 從 1變?yōu)?0， 觸發(fā)器由 信號(hào)的下降沿觸發(fā)時(shí)， 端的 信號(hào)仍為 1，所以 NE端也為 1。 △越大， S端輸出方波的平均電壓越大。 由于 信號(hào)相位超前， =0時(shí)，仍有 =1，使上與門輸出為 0，下與門輸出為 1，或門輸出端又有 S=1， 直到和都為 0，或門又為 S=0。若 、 信號(hào)相位相同，則或門兩輸入端同時(shí)為 0， S=0。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖 510 脈沖加減器 （一）數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖 510 脈沖加減器 （二）數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 為了將指令信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行相位比較，需要應(yīng)用鑒相器。當(dāng)輸入一個(gè) PC+指令脈沖時(shí)，觸發(fā)器 C3的 Q3變?yōu)?1，觸發(fā)器 C4的 Q4也變?yōu)?1。 的同頻率信號(hào)， 是主頻率，經(jīng)與非門 Ⅰ 輸出，作為計(jì)數(shù)器的基準(zhǔn)脈沖。 ）， 如圖58所示。 ， 即 X計(jì)數(shù)器的相位超前了標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器 1，其波形如圖 58所示。由于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器是 N分頻，所以 N個(gè)基準(zhǔn)脈沖會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器的輸出變化一個(gè)周期，即360176。另一路輸入調(diào)相分頻通道，和指令脈沖一起作用，產(chǎn)生指令相位信號(hào) 。 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 三、脈沖調(diào)相器 脈沖調(diào)相器是將脈沖數(shù)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)相位的裝置。 的相位移，因此需要將一個(gè)節(jié)距分成 2023等份，即分頻系數(shù) N=2023（ 176。 電角度），脈沖當(dāng)量 δ= mm/ 脈沖，則相位增量為 δ/τ360176。所不同的是指令脈沖相對于基準(zhǔn)脈沖為減脈沖，故指令相位 相對于基準(zhǔn)相位 滯后，同時(shí)，實(shí)際相位 相對于基準(zhǔn)相位 也為滯后，經(jīng)鑒相器比較后所得的速度指令信號(hào)為負(fù)，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，工作臺(tái)移動(dòng)至指令位置。數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ， Pc+=2， 在指令獲得瞬時(shí)，工作臺(tái)仍靜止，此時(shí)，指令脈沖的相位 超前基準(zhǔn)相位 ，但實(shí)際位置相位 保持不變，經(jīng)鑒相器 ，速度控制信號(hào)大于零，伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，工作臺(tái)正向移動(dòng)，如圖 56所示。 （ 5－ 1） 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 二、相位比較伺服系統(tǒng)的工作原理 脈沖 — 相位變換器又稱脈沖調(diào)相器，作用有兩個(gè)：一是通過對基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行分頻，產(chǎn)生基準(zhǔn)相位脈沖 ，由該脈沖形成的正、余弦勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電壓頻率與 頻率相同，感應(yīng)電壓 ud的相位 隨著工作臺(tái)的移動(dòng)，相對于基準(zhǔn)相位 有超前或滯后；二是通過對指令脈沖 Pc+、 PC的加、減，再通過分頻產(chǎn)生相位超前或滯后于 的指令相位脈沖 。 根據(jù)感應(yīng)同步器工作在相位工作方式時(shí)有 其中， 。 （ 3）檢測工作臺(tái)位移的位置檢測元件（感應(yīng)同步器）。 原理框圖如圖 55所示。由于脈