伺服控制系统在数控机床上的应用_1.docx

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1、伺服控制系统在数控机床上的应用蔡列卫导语：伺服系统是自动控制系统的重要组成局部，它的性能优劣直接决定与影响着自动控制系统的快速性、稳定性和准确性，机、电、液的组合成为目前工业自动化的主要技术根底。引言是数字控制工作母机的总称，是集当代精细机械设计与制造技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术、检测技术、电力电子与微电子技术、电机与新材料技术、液压与气动技术、光电技术等最新成就而构成的机电一体化的高级典型产品，作为加工制造业的工作母机，同时是兼备高精度、高柔性、高效率、高自动化特点于一身的当代化设备。数控机床是国防军工、国民经济中的重要根底装备，它的应用普及社会经济的各个领域，是机械、电子、汽车

2、、石化、建筑等部门的支柱产业，也是能源、交通、材料、通讯等根底产业当代化重要工具。在国防、航天、航空、军工装备、舰船、空间技术、海洋等领域更是不可替换，甚至是成为必不可少的关键性设备。数控机床十分是高端数控机床表达了国家的经济与科学技术综合实力，具有战略地位，在有些情况下，甚至影响了国家与民族的生存。因此，各国都给予极大的重视，我国也绝不例外，历年都采取一系列措施，支持数控机床产业的开展。但由于种种原因，我国的技术程度开展还赶不上技术先进的兴旺国家。十分是数控机床是一个非常复杂的机电一体化系统，涉及到很多技术领域，短期内很难由少数几个部门或者单位完成如此艰巨的工作任务。目前，不仅在工农业消费以

3、及日常生活中得到了广泛的应用，而且在很多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化消费线等领域中的应用也迅速开展。伺服系统是自动控制系统的重要组成局部，它的性能优劣直接决定与影响着自动控制系统的快速性、稳定性和准确性，机、电、液的组合成为目前工业自动化的主要技术根底。伺服控制系统用来准确地跟随或者复现某个经过的反应控制系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量系统的输出量是机械位移或者位移速度、加速度的反应控制系统，其作用是使输出的机械位移或者转角准确地跟踪输入的位移或者转角。伺服系统的构造组成和

4、其他形式的反应控制系统没有原那么上的区别。伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进展变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵敏方便的控制。1、数控机床控制方案设计1.1加工精度精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。由于在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏向是很难区分出来的，反应检测元件的精度对系统的精度经常起着决定性的作用。可以讲，数控机床的加工

5、精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统可以测量的最小位移量称做分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或者大中型数控机床时，必须精心选用检测元件。所选择的测量系统的分辨率或者脉冲当量，一般要求比加工精度高一个数目级。总之，高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。例如，数控机床中常用的直线感应同步器的精度已可达0.0001mm，即0.1m，灵敏度为0.05m，重复精度0.2m；而圆型感应同步器的精度可达0.5N，灵敏度0.05N，重复精度0.1N。1.2开环控制放大倍数在典型的二阶系统中，阻尼系数x=1/2(KT)-，速度稳态误差e()1/

6、K，其中K为开环放大倍数，工程上多称作开环增益。显然，系统的开环放大倍数是影响伺服系统的静态、动态指标的重要参数之一。一般情况下，数控机床伺服机构的放大倍数取为2030(1/S)。通常把K20范围的伺服系统称为低放大倍数或者软伺服系统，多用于点位控制。而把K20的系统称为高放大倍数或者硬伺服系统，应用于轮廓加工系统。假假设为了不影响加工零件的外表粗糙度和精度，希望阶跃响应不产生振荡，即要求是取值大一些，开环放大倍数K就小一些；假设从系统的快速性出发，希望x选择小一些，即希望开环放大倍数增加些，同时K值的增大对系统的稳态精度也能有所进步。因此，对K值的选取是必须综合考虑的问题。换句话讲，并非系统

7、的放大倍数愈高愈好。当输入速度突变时，高放大倍数可能导致输出剧烈的变动，机械装置要受到较大的冲击，有的还可能引起系统的稳定性问题。这是由于在高阶系统中系统稳定性对K值有取值范围的要求。低放大倍数系统也有一定的优点，例如系统调整比拟轻易，构造简单，对扰动不敏感，加工的外表粗糙度好。1.3控制系统可靠性数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，假如发生故障其损失就更大，所以进步数控机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一，其定义为：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。对数控机床来讲，它的规定条件是指其环境条件、工作条件及工作方式等，例如温度、湿度、振动、电源、

8、干扰强度和操纵规程等。这里的功能主要指数控机床的使用功能，例如数控机床的各种机能，伺服性能等。平均故障(失效)间隔时间(MTBF)是指发生故障经修理或者更换零件还能继续工作的可修复设备或者系统，从一次故障到下一次故障的平均时间，数控机床常用它作为可靠性的定量指标。由于数控装置采用微机后，其可靠性大大进步，所以伺服系统的可靠性就相对突出。它的故障主要来自伺服元件及机械传动局部。通常液压伺服系统的可靠性比电气伺服系统差，电磁阀、继电器等电磁元件的可靠性较差，应尽量用无接触点元件代替。目前数控机床因受元件质量、工艺条件及费用等限制，其可靠性还不很高。为了使数控机床能得到工厂的欢送，必须进一步进步其可

9、靠性，进而进步其使用价值。在设计伺服系统时，必须按设计的技术要求和可靠性选择元器件，并按严格的测试检验进展挑选，在机械互锁装置等方面，必须给予亲密留意，尽量减少因机械部件引起的故障。1.4调速范围在数控机床的加工中，伺服系统为了同时知足高速快移和单步点动，要求进给驱动具有足够宽的调速范围。单步点动作为一种辅助工作方式经常在工作台的调整中使用。伺服系统在低速情况下实现平稳进给，那么要求速度必须大于死区范围。所谓死区指的是由于静摩擦力的存在使系统在很小的输入下，电机克制不了这摩擦力而不能转动。此外，还由于存在机械间隙，电机固然转动，但拖板并不挪动，这些现象也可用死区来表达。设死区范围为a，那么最低

10、速度Vmin，应知足Vmina，由于adK，d为脉冲当量(mm/脉冲)；K为开环放大倍数，那么：VmindK假设取d=0.01mm/脉冲，K=301/S，那么最低速度Vmina=300.01mm/min=18mm/min伺服系统最高速度的选择要考虑到机床的机械允许界限和实际加工要求，高速度虽然能进步消费率，但对驱动要求也就更高。此外，从系统控制角度看也有一个检测与反应的问题，尤其是在计算机控制系统中，必须考虑软件处理的时间是否足够。由于fmax=fmax/d式中：fmax为最高速度的脉冲频率，kHz；vmax为最高进给速度，mm/min；d为脉冲当量，mm。又设D为调速范围，D=vmax/vm

11、in，得fmax=Dvmin/d=DKd/d=DK那么为最小的间隔时间tmin，即tmin=1/DK。显然，系统必须在tmin内通过硬件或者软件完成位置检测与控制的操纵。对最高速度而言，vmax的取值是受到tmin的约束。一个较好的伺服系统，调速范围D往往可到达8001000。当今最先进的程度是在脉冲当量d=1m的条件下，进给速度从0240m/min范围内连续可调。2、数控机床硬件设计2.1运动控制卡运动控制卡是一种上位控制单元，可以控制伺服电机，是基于PC总线，利用高性能微处理器如DSP及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡包括脉冲输出、脉冲计

12、数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，它可以发出连续的、高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数目来控制电机的位置，它的脉冲输出形式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反应，提供机器准确的位置，纠正传动经过中产生的误差。数字输入/输出点可用于语限位、原点开关等。产品广泛应用于工业自动化控制领域中需要准确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。详细就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功能能通过计算机方便地调用。运动控制卡不仅要发送脉冲给电机驱动器，同时承受伺服电机编

13、码器反应的脉冲数，还承受光栅尺反应信号，进而控制伺服电机的转速。伺服驱动器既要与运动控制卡有数据线连接，其本身还要连接插座电源。假如你的运动控制卡时比拟好的卡，伺服刷新率可以到达要求，可以把编码器反应直接接到运动控制卡，形成一个整体的闭环。假设对对精度有很高的要求可以用双闭环，运动控制卡就是根据要求x-y平台运行的位置，控制电机运动到准确的位置。2.2PC总线现有的放开式数控系统实现方案主要采用PC机和数控系统结合的方法，PC机作为上位机实现较为复杂的网络通讯，人机交互等功能，数控系统作为下位机将上位机输入的运行参数经过处理交给执行部件执行，同时将检测系统的反应信息上传给上位机实现实时监控，各

14、个模块之间协调工作互不干扰，给系统晋级带来了方便。放开式系统动态控制器的核心是DSP，它具有运算速度快，支持复杂运动算法的特点，可以知足高精度运动控制的要求，因此，以DSP为核心的多轴动态控制卡越来越广泛地应用在运动控制系统中，将多轴动态控制卡插在PC机扩展槽上，就可以组成高精度运动控制系统，位置反应信号的收集、闭环控制计算及控制量的输出均由动态控制卡完成，极大的进步了运算速度和控制响应速度，将工控机的资源从烦琐的数据收集和计算中解决出来，进而可以更好的施行整个控制系统的治理。2.3驱动器伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通沟通马达。目前主流的伺服驱动器均采用

15、数字信号处理器DSP作为控制核心，可以实现比拟复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块IPM为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还参加软启动电路，以减小启动经过对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或市电进展整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或者市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步沟通伺服电机。功率驱动单元的整个经过可以简单的讲就是AC-DC-AC的经过。整流单元AC-DC主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。伺服驱动器一般

16、可以采用位置、速度和力矩三种控制方式，主要应用于高精度的定位系统，目前是传动技术的高端。编码器encoder是将信号或者数据进展编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。驱动器是一个驱动放大元件，只是把上位机如运动控制卡发来的一些信号进展放大，以致使电机可以运转起来。MAC系列运动控制卡是基于总线的电机运动控制卡。采用专用控制芯片为核心器件，输入输出信号均为光电隔离，可与各种类型的步进电机驱动器连接，驱动步进电机，构成高精度位置控制系统或者调速系统。可与PC机构成主从式控制构造：PC机负责人机界面的治理和其它治理工作；而控制卡负责运动控制方面的所有细节。用户通过我们提供的动态链接库可

17、方便快速的开发出自己需要的运动控制功能。图1所示为伺服驱动器构造图。图1伺服驱动器构造图3、伺服控制系统设计机电一体化的伺服控制系统的构造,类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器,被控对象,执行环节,检测环节,比拟环节等五局部。3.1比拟环节比拟环节是将输入的指令信号与系统的反应信号进展比拟,以获得输出与输入间的偏向信号的环节,通常由专门的电路或者计算机来实现。3.2控制器控制器通常是计算机或者PID控制电路,其主要任务是比照较元件输出的偏向信号进展变换处理,以控制执行元件按要求动作。3.3执行环节执行环节的作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能

18、,驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或者液压,气动伺服机构等。3.4被控对象机械参数目包括位移，速度，加速度，力，和力矩为被控对象。3.5检测环节检测环节是指可以对输出进展测量并转换成比拟环节所需要的量纲的装置,一般包括传感器和转换电路。4、结论对数控机床位置伺服系统所要求的伺服性能进展了分析，并提出了系统稳定运行的可靠性指标，该研究结果可用于伺服数控系统的设计，也可用于现有数控机床的改造以进步其工作精度。本文设计的伺服控制系统性能优越保证了数控机床的运动平稳性及准确性。在运行效果上完全可以和进口伺服系统媲美，在性价比上具有较高的优越性。此设备向客户充分展示了伺服控制系统的上风，同时也进步了数控设备在市场上的竞争力。