【正文】 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) 混合式伺服系統(tǒng)是位置環(huán)用軟件控制，速度環(huán)和電流環(huán)用硬件控制。 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)名稱(chēng) 單位 說(shuō)明跟隨誤差Following error位控分辨力 指令位置值與實(shí)際位置之間的差值絕對(duì)實(shí)際值A(chǔ)bsolute actual value位控分辨力 軸的實(shí)際位置指令值Set value位控分辨力 根據(jù)編程所指定的目標(biāo)位置指令速度Set speedVELO1 VELO=由位置偏差轉(zhuǎn)換成的速度指令模擬電壓實(shí)際增量Return value位控分辨力 在每個(gè)采樣周期中，從測(cè)量系統(tǒng)來(lái)經(jīng)倍頻后的脈沖數(shù)指令增量Segment Value位控分辨力 在每個(gè)插補(bǔ)周期中輸出到位置控制器的脈沖數(shù)輪廓偏差Contour deviation位控分辨力 由于跟隨誤差的變化而引起的輪廓偏差OFL — 脈沖輸入頻率超過(guò)計(jì)數(shù)器頻率，則置 “1”表 53 SINUMERIK810伺服監(jiān)控說(shuō)明數(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) 全數(shù)字式伺服系統(tǒng) 全數(shù)字式伺服系統(tǒng)的構(gòu)成 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)是位置隨動(dòng)系統(tǒng)，需要對(duì)位置和速度進(jìn)行精確控制。 機(jī)床數(shù)據(jù)號(hào) 含 義 允許值 標(biāo)準(zhǔn)值 單位MD252* KV增益 0～ 10000 1666 MD260* 復(fù)合增益 0～ 64000 2700 1000μm/minMD276* 加速度 0～ 2023 50 10000μm/minMD280* 最大進(jìn)給速度 0～ 44000 10000 1000μm/minMD332* 輪廓監(jiān)控公差帶 0～ 32023 1000 —表 5－ 2 SINUMERIK810系統(tǒng)伺服參數(shù)（部分） 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) 表中， 252*等機(jī)床數(shù)據(jù)號(hào)是參數(shù)設(shè)置的地址值，標(biāo)準(zhǔn)值1666等是該地址下的設(shè)定數(shù)據(jù)，在機(jī)床調(diào)整過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況，在允許值的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。 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) 同時(shí)，還要考慮在允許的跟隨誤差 E的條件下，最高進(jìn)給速度 ，即 =KVE。在 CNC系統(tǒng)中 ，必須考慮軟件處理時(shí)間是否足夠。設(shè)死區(qū)范圍為 A， 則 A≤δ KV， 其中 δ 為脈沖當(dāng)量若取 δ=， KV=171/s， 則最低運(yùn)動(dòng)速度 ≥=17= mm/s=。 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) 調(diào)速范圍 伺服系統(tǒng)為了達(dá)到高速快移和單步點(diǎn)動(dòng)的目的，要求調(diào)速范圍很寬。并非系統(tǒng)的增益越高越好，當(dāng)輸入速度突變舌頭，高增益可能導(dǎo)致輸出變化劇烈，機(jī)械要受到較大的沖擊，有的還可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而把 KV＞ 20的伺服系統(tǒng)稱(chēng)為高增益或硬伺服系統(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) 增益調(diào)整 增益是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，它對(duì)穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能都眼很大的影響。在現(xiàn)代 CNC系統(tǒng)中，位置環(huán)的參數(shù)調(diào)整可通過(guò)系統(tǒng)上的 CRT/MDI操作進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，由系統(tǒng)軟件進(jìn)行控制；速度環(huán)的參數(shù)調(diào)整可通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置上的調(diào)節(jié)電位器或參數(shù)設(shè)定來(lái)調(diào)整?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)均帶有跟隨誤差和 KV值的監(jiān)視顯示。此時(shí)，加工圓弧時(shí)會(huì)產(chǎn)生形狀誤差，加工時(shí)會(huì)使圓形變成橢圓形。對(duì)于一定的加工條件，當(dāng)兩軸系統(tǒng)增益相同時(shí)，ΔR 為常值，引起尺寸誤差，該項(xiàng)誤差可以在編程時(shí)，通過(guò)刀具半徑補(bǔ)償功能予以補(bǔ)償。降低進(jìn)給速度，增大系統(tǒng)增益將提高輪廓加工精度。 圖 535 跟隨誤差對(duì)圓弧加工的影響 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) 設(shè)指令圓弧為 ， X、 Y兩個(gè)軸的伺服系統(tǒng)增益相同， KVX=KVY， 進(jìn)給速度 =常數(shù)。因此在坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制中，必須調(diào)整聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)軸的增益要相等，否則軸易產(chǎn)生輪廓誤差。 說(shuō)明當(dāng)兩軸的系統(tǒng)增益相同時(shí)，即使有跟隨誤差，也不會(huì)產(chǎn)生輪廓誤差。 —— X軸、 Y軸聯(lián)動(dòng)的合成速度， ； ΔK V—— X軸增益 KVX和 Y軸增益 KVY的差值， ΔK V=KVX－KVY； 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) KV—— 平均增益， 。 （ 1）兩軸聯(lián)動(dòng)加工直線的輪廓誤差 如圖 534所示，在 X— Y平面內(nèi)進(jìn)行直線加工， ε 為要求軌跡與實(shí)際軌跡之間的誤差， EX和 EY分別為 X軸和 Y軸的跟隨誤差。 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) 跟隨誤差與輪廓誤差之間的關(guān)系 輪廓誤差是指實(shí)際軌跡與要求軌跡之間的最短距離。 檢驗(yàn)的項(xiàng)目為圓周。 ③ 相鄰兩面間的垂直度，即 A和 B、 B和 C、 C和 D及 D和 A間的垂直度。檢驗(yàn)的項(xiàng)目有： 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 四周的直線度，即 A、 B、 C和 D面的直線度。 安裝試件時(shí)，使試件的一個(gè)加工面與坐標(biāo)軸成 30176。以數(shù)控銑床為例，目前多采用規(guī)定的鋁合金或鑄鐵試件進(jìn)行精度檢驗(yàn)。 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) 輪廓跟隨精度檢驗(yàn) 目前，對(duì)輪廓控制的跟隨精度尚未有統(tǒng)一的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。 輪廓跟隨精度與伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性有關(guān)，其中增益、驅(qū)動(dòng)時(shí)間常數(shù)等參數(shù)的影響尤為突出。 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) 輪廓加工中的跟隨精度 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，點(diǎn)位控制系統(tǒng)由于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程組不進(jìn)行加工，因此只有定位精度對(duì)加工精度的影響最重要，而定位時(shí)間以及如何趨近定位點(diǎn)等問(wèn)題只會(huì)影響效率，不會(huì)影響加工精度。當(dāng)擾動(dòng)負(fù)載輸入后，同時(shí)要做到動(dòng)態(tài)降落與恢復(fù)時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)最小有時(shí)存在矛盾，一方面，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)愈大，則輸出響應(yīng)的最大動(dòng)態(tài)降落愈小，而恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，反之，時(shí)間常數(shù)愈小，動(dòng)態(tài)降落越大，但恢復(fù)時(shí)間短；另一方面，伺服系統(tǒng)在給定輸入作用下輸出響應(yīng)超調(diào)量越大，上升時(shí)間越短，則它的抗干擾性能就越好，而超調(diào)量較小、上升時(shí)間較長(zhǎng)的系統(tǒng)，恢復(fù)時(shí)間就長(zhǎng)。2 ％～ 5％）所經(jīng)歷的時(shí)間。圖 532所示為一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)在突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)矩 M與轉(zhuǎn)速 n的動(dòng)態(tài)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) 對(duì)擾動(dòng)輸入的抗干擾性能指標(biāo) 抗干擾性能是指：當(dāng)系統(tǒng)的給定輸入不變時(shí)，在受到階躍擾動(dòng)后，克服擾動(dòng)的影響而自行恢復(fù)的能力。 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) 以上指標(biāo)中，調(diào)節(jié)時(shí)間 ts越小，表明系統(tǒng)快速跟隨的性能越好；調(diào)節(jié)量 MP％ 越小，表明系統(tǒng)在跟隨過(guò)程中比較平穩(wěn)，但往往也比較遲鈍。 （ 2％～ 5％），其不再超出所需要的時(shí)間。圖531所示為輸入 R(t)和輸出 C(t)的過(guò)程曲線，常用的性能指標(biāo)有： 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 531 動(dòng)態(tài)跟隨過(guò)程曲線 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）上升時(shí)間 tr 上升時(shí)間 tr是輸出響應(yīng)曲線第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 C(∞) 所需要的時(shí)間。動(dòng)態(tài)指標(biāo)可分為對(duì)給定輸入的跟隨性能和對(duì)擾動(dòng)輸入的抗干擾性能兩部分。 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) 動(dòng)態(tài)性能 動(dòng)態(tài)就是控制系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)向新的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)度過(guò)程。 KV越大，則跟隨誤差 E越小，但 KV過(guò)大時(shí)，穩(wěn)定性變差；在 KV一定時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度越大，則跟隨誤差 E越大。在 te時(shí)刻，插補(bǔ)完成，再?zèng)]有新的位置命令發(fā)出，此時(shí)仍存在跟隨誤差 E， 坐標(biāo)軸仍繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直到 時(shí)刻，實(shí)際位置到 Ce位置，即跟隨誤差為零時(shí)才完全停止。 在 t=ta時(shí)刻以后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，實(shí)際位置總是滯后于命令位置一個(gè) Ei值， Ei稱(chēng)為跟隨誤差。在圖 526中，當(dāng)恒速輸入時(shí)，穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度與速度指令值相同，但兩者的瞬時(shí)位置有一恒定的滯后。如圖 530所示為 Ⅰ 型和 Ⅱ 稱(chēng)型系統(tǒng)跟蹤斜坡輸入的響應(yīng)曲線。負(fù)載變動(dòng)引起的擾動(dòng)常以階躍輸入的形式進(jìn)行分析。 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) （ 3）擾動(dòng)輸入 除了給定的輸入信號(hào)外，在伺服系統(tǒng)控制中還存在著擾動(dòng)輸入。 （ 2）位置斜坡輸入 這種位置輸入隨時(shí)間作線性變化，所以也稱(chēng)為速度輸入，如圖 529所示。 影響穩(wěn)定精度的因素，一是位置測(cè)量的誤差，它由測(cè)量裝置和測(cè)量誤差造成；二是系統(tǒng)誤差，誤差與系統(tǒng)輸入的性質(zhì)和形式有關(guān)，也與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)。 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)性能 一個(gè)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，在受到外部擾動(dòng)后均需經(jīng)過(guò)短暫的過(guò)渡過(guò)程才能從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。 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) 伺服系統(tǒng)性能及參數(shù) 伺服系統(tǒng)要求滿足預(yù)期的快速、正確及平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)的要求，還有一個(gè)重要的問(wèn)題是通過(guò)合適的參數(shù)調(diào)整，滿足位置伺服控制的性能要求。 （ 3）由于定向控制采用電子部件，沒(méi)有機(jī)械易損件，不受外部沖擊的影響，因此，主軸定向控制的可靠性高。 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)電氣方式主軸定向控制具有以下特點(diǎn)： （ 1）不需要機(jī)械部件，只需要簡(jiǎn)單地連接編碼器或磁性傳感器，即可實(shí)現(xiàn)主軸定向控制。 間任意定向，例如，執(zhí)行 M1 S180指令，主軸就停在 180176。編碼器主軸定向控制可在 0176。 采用編碼器主軸定向控制，實(shí)際上是在主軸轉(zhuǎn)速控制的基礎(chǔ)上增加一個(gè)位置控制環(huán)。 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 526 磁性傳感器及安裝示意圖（ a） 組成（ b） 安裝1發(fā)磁體 2主軸 3判別基準(zhǔn)孔 4基準(zhǔn)槽 5磁性傳感器 6主軸箱 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) 主軸上安裝一個(gè)發(fā)磁體與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離發(fā)磁體旋轉(zhuǎn)軌跡外 1～ 2㎜處固定一個(gè)磁性傳感器，磁性傳感器與主軸控制單元連接。電氣方式的主軸定向控制，就是采用裝在主軸上的磁性傳感器或編碼器作為檢測(cè)元件，通過(guò)他們輸出的信號(hào)，使主軸正確地停在規(guī)定的位置上。無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的感應(yīng)塊能在圓周上進(jìn)行調(diào)整，從而保證定位活塞伸出、滾輪接觸定位盤(pán)后，在主軸停轉(zhuǎn)之前，恰好落入定位盤(pán)上的 V形槽內(nèi)。同時(shí)，無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)信號(hào)使定位活塞伸出，活塞上的滾輪開(kāi)始接觸定位盤(pán)。在主軸上固定一個(gè) V形槽定位盤(pán)，使 V形槽與主軸上的端面鍵保持一定的相對(duì)位置，如圖 525所示。 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 524 主軸準(zhǔn)停的用途 (a)刀具交換 (b)精鏜孔退刀 (c)通過(guò)大孔鏜小孔1－刀柄 2－主軸 3－定位鍵 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) 主軸定向控制的實(shí)現(xiàn)方式 主軸定向控制有機(jī)械和電氣兩種方式。 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) 鏜孔退刀 在精鏜孔退刀時(shí)，為了避免刀尖劃傷已加工表面，采用主軸準(zhǔn)?？刂?，使刀尖停在一個(gè)固定位置（ X軸或 Y軸上），以便主軸偏移一定尺寸后，使刀尖離開(kāi)工件表面進(jìn)行退刀，如圖 524所示。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 523 SINUMERIK 810測(cè)量模塊 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) 主軸定向控制 主軸定向控制的作用 主軸定向控制又稱(chēng)主軸準(zhǔn)停控制，對(duì) M06和 M19指令有效。在位置控制輸出組件中，速度控制指令通過(guò) PWM調(diào)制和濾波放大，由伺服輸出口 X141輸出速度控制電壓至伺服驅(qū)動(dòng)裝置。 位控模塊通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)總線與其他模塊進(jìn)行信息傳遞，位置控制功能由軟件和硬件兩部分共同實(shí)現(xiàn)。所謂 “ 使能 ” 就是伺服驅(qū)動(dòng)條件，如潤(rùn)滑、壓力、電磁制動(dòng)釋放等條件是否滿足，該信號(hào)為直流＋ 24V控制電壓輸出。圖 523所示為 SINUMERIK810數(shù)控系統(tǒng)位控模板（又稱(chēng)測(cè)量模塊）接口示意圖。 位置測(cè)量組件的作用是對(duì)位置反饋信號(hào)進(jìn)行整形、放大辨向，必要時(shí)進(jìn)行倍頻處理，輸出脈沖至跟隨誤差計(jì)數(shù)器進(jìn)行位置比較。位置輸出組件一般包括 D/A轉(zhuǎn)換和放大兩個(gè)環(huán)節(jié)。軟件負(fù)責(zé)計(jì)算位置跟隨誤差和進(jìn)給速度指令的數(shù)值；硬件由位置控制輸出組件和位置測(cè)量組件組成。 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) 位置控制模板 數(shù)控系統(tǒng)采用位置控制模板的方案很普遍，圖 522為采用位置控制模板的 CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 在 MB8720中，該脈沖一方面作為計(jì)數(shù)脈沖送入實(shí)際位置計(jì)數(shù)器，另一方面至 sin、 cos信號(hào)發(fā)生器，使 sin、 cos勵(lì)磁電壓的電氣設(shè)定角始終跟隨感應(yīng)電壓中的相位角。 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) 2. 位置控制的硬件處理 在 MB8720中，數(shù)字量的速度指令值經(jīng) PWM調(diào)制輸出再經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換得到速度控制電壓 VCMD。位置偏差 Pe為 其中 為原位置偏差， ΔP e為位置偏差增量。該芯片適配的位置檢測(cè)裝置為工作在幅值方式下的旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器，其位置控制如圖 521所示。設(shè)光電編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為 N， 指令脈沖當(dāng)量為 δ ， 滾珠絲杠螺距為 t，則CMR=Nδ/ tDMR