引言

數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制工作母機(jī)的總稱，是集現(xiàn)代精密機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測技術(shù)、電力電子與微電子技術(shù)、電機(jī)與新材料技術(shù)、液壓與氣動技術(shù)、光電技術(shù)等最新成就而構(gòu)成的機(jī)電一體化的高級典型產(chǎn)品，作為加工制造業(yè)的工作母機(jī)，同時(shí)是兼?zhèn)涓呔?、高柔性、高效率、高自動化特點(diǎn)于一身的現(xiàn)代化設(shè)備。數(shù)控機(jī)床是國防軍工、國民經(jīng)濟(jì)中的重要基礎(chǔ)裝備，它的應(yīng)用遍及社會經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，是機(jī)械、電子、汽車、石化、建筑等部門的支柱產(chǎn)業(yè)，也是能源、交通、材料、通訊等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化重要工具。

在國防、航天、航空、軍工裝備、艦船、空間技術(shù)、海洋等領(lǐng)域更是不可替代，甚至是成為必不可少的關(guān)鍵性設(shè)備。數(shù)控機(jī)床特別是高端數(shù)控機(jī)床體現(xiàn)了國家的經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)綜合實(shí)力，具有戰(zhàn)略地位，在有些情況下，甚至影響了國家與民族的生存。因此，各國都給予極大的重視，我國也毫不例外，歷年都采取一系列措施，支持?jǐn)?shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但由于種種原因，我國的技術(shù)水平發(fā)展還趕不上技術(shù)先進(jìn)的發(fā)達(dá)國家。特別是數(shù)控機(jī)床是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及到許多技術(shù)領(lǐng)域，短期內(nèi)很難由少數(shù)幾個(gè)部門或單位完成如此艱巨的工作任務(wù)。

目前，伺服控制系統(tǒng)不僅在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，而且在許多高科技領(lǐng)域，如激光加工、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、大規(guī)模集成電路制造、辦公自動化設(shè)備、衛(wèi)星姿態(tài)控制、雷達(dá)和各種軍用武器隨動系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)以及自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中的應(yīng)用也迅速發(fā)展。

伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，它的性能優(yōu)劣直接決定與影響著自動控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和精確性，機(jī)、電、液的組合成為目前工業(yè)自動化的主要技術(shù)基礎(chǔ)。伺服控制系統(tǒng)用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是按照控制命令要求，對信號進(jìn)行變換、調(diào)控和功率放大等處理，使驅(qū)動裝置輸出的轉(zhuǎn)矩、速度及位置都能靈活方便的控制。

1、數(shù)控機(jī)床控制方案設(shè)計(jì)

1.1加工精度

精度是機(jī)床必須保證的一項(xiàng)性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。因此位置精度是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)的大小，另一方面是對位置檢測元件提出精度的要求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中，對于檢測元件本身的誤差和被檢測量的偏差是很難區(qū)分出來的，反饋檢測元件的精度對系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用。可以說，數(shù)控機(jī)床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量稱做分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床、尤其是高精度或大中型數(shù)控機(jī)床時(shí)，必須精心選用檢測元件。所選擇的測量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，一般要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級?？傊?，高精度的控制系統(tǒng)必須有高精度的檢測元件作為保證。例如，數(shù)控機(jī)床中常用的直線感應(yīng)同步器的精度已可達(dá)±0.0001mm，即0.1µm，靈敏度為0.05µm，重復(fù)精度0.2µm；而圓型感應(yīng)同步器的精度可達(dá)0.5N，靈敏度0.05N，重復(fù)精度0.1N。

1.2開環(huán)控制放大倍數(shù)

在典型的二階系統(tǒng)中，阻尼系數(shù)x=1/2(KT)-½，速度穩(wěn)態(tài)誤差e(∞)＝1/K，其中K為開環(huán)放大倍數(shù)，工程上多稱作開環(huán)增益。顯然，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是影響伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)指標(biāo)的重要參數(shù)之一。

一般情況下，數(shù)控機(jī)床伺服機(jī)構(gòu)的放大倍數(shù)取為20～30(1/S)。通常把K<20范圍的伺服系統(tǒng)稱為低放大倍數(shù)或軟伺服系統(tǒng)，多用于點(diǎn)位控制。而把K>20的系統(tǒng)稱為高放大倍數(shù)或硬伺服系統(tǒng)，應(yīng)用于輪廓加工系統(tǒng)。

假若為了不影響加工零件的表面粗糙度和精度，希望階躍響應(yīng)不產(chǎn)生振蕩，即要求是取值大一些，開環(huán)放大倍數(shù)K就小一些；若從系統(tǒng)的快速性出發(fā)，希望x選擇小一些，即希望開環(huán)放大倍數(shù)～增加些，同時(shí)K值的增大對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度也能有所提高。因此，對K值的選取是必需綜合考慮的問題。換句話說，并非系統(tǒng)的放大倍數(shù)愈高愈好。當(dāng)輸入速度突變時(shí)，高放大倍數(shù)可能導(dǎo)致輸出劇烈的變動，機(jī)械裝置要受到較大的沖擊，有的還可能引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。這是因?yàn)樵诟唠A系統(tǒng)中系統(tǒng)穩(wěn)定性對K值有取值范圍的要求。低放大倍數(shù)系統(tǒng)也有一定的優(yōu)點(diǎn)，例如系統(tǒng)調(diào)整比較容易，結(jié)構(gòu)簡單，對擾動不敏感，加工的表面粗糙度好。

1.3控制系統(tǒng)可靠性

數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動化設(shè)備，如果發(fā)生故障其損失就更大，所以提高數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤為重要?？煽慷仁窃u價(jià)可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對數(shù)控機(jī)床來說，它的規(guī)定條件是指其環(huán)境條件、工作條件及工作方式等，例如溫度、濕度、振動、電源、干擾強(qiáng)度和操作規(guī)程等。這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的使用功能，例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能，伺服性能等。

平均故障(失效)間隔時(shí)間(MTBF)是指發(fā)生故障經(jīng)修理或更換零件還能繼續(xù)工作的可修復(fù)設(shè)備或系統(tǒng)，從一次故障到下一次故障的平均時(shí)間，數(shù)控機(jī)床常用它作為可靠性的定量指標(biāo)。由于數(shù)控裝置采用微機(jī)后，其可靠性大大提高，所以伺服系統(tǒng)的可靠性就相對突出。它的故障主要來自伺服元件及機(jī)械傳動部分。通常液壓伺服系統(tǒng)的可靠性比電氣伺服系統(tǒng)差，電磁閥、繼電器等電磁元件的可靠性較差，應(yīng)盡量用無接觸點(diǎn)元件代替。

目前數(shù)控機(jī)床因受元件質(zhì)量、工藝條件及費(fèi)用等限制，其可靠性還不很高。為了使數(shù)控機(jī)床能得到工廠的歡迎，必須進(jìn)一步提高其可靠性，從而提高其使用價(jià)值。在設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)時(shí)，必須按設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和可靠性選擇元器件，并按嚴(yán)格的測試檢驗(yàn)進(jìn)行篩選，在機(jī)械互鎖裝置等方面，必須給予密切注意，盡量減少因機(jī)械部件引起的故障。

1.4調(diào)速范圍

在數(shù)控機(jī)床的加工中，伺服系統(tǒng)為了同時(shí)滿足高速快移和單步點(diǎn)動，要求進(jìn)給驅(qū)動具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。

單步點(diǎn)動作為一種輔助工作方式常常在工作臺的調(diào)整中使用。伺服系統(tǒng)在低速情況下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)給，則要求速度必須大于“死區(qū)”范圍。所謂“死區(qū)”指的是由于靜摩擦力的存在使系統(tǒng)在很小的輸入下，電機(jī)克服不了這摩擦力而不能轉(zhuǎn)動。此外，還由于存在機(jī)械間隙，電機(jī)雖然轉(zhuǎn)動，但拖板并不移動，這些現(xiàn)象也可用“死區(qū)”來表達(dá)。

設(shè)死區(qū)范圍為a，則最低速度Vmin，應(yīng)滿足Vmin≥a，由于a≤dK，d為脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)；K為開環(huán)放大倍數(shù)，則：

Vmin≥dK

若取d=0.01mm/脈沖，K=30×1/S，則最低速度

Vmin≥a=30×0.01mm/min=18mm/min

伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機(jī)床的機(jī)械允許界限和實(shí)際加工要求，高速度固然能提高生產(chǎn)率，但對驅(qū)動要求也就更高。此外，從系統(tǒng)控制角度看也有一個(gè)檢測與反饋的問題，尤其是在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理的時(shí)間是否足夠。由于

fmax=fmax/d

式中：fmax為最高速度的脈沖頻率，kHz；vmax為最高進(jìn)給速度，mm/min；d為脈沖當(dāng)量，mm。

又設(shè)D為調(diào)速范圍，D=vmax/vmin，得

fmax=Dvmin/d=DKd/d=DK

則為最小的間隔時(shí)間tmin，即tmin=1/DK。顯然，系統(tǒng)必須在tmin內(nèi)通過硬件或軟件完成位置檢測與控制的操作。對最高速度而言，vmax的取值是受到tmin的約束。

一個(gè)較好的伺服系統(tǒng)，調(diào)速范圍D往往可達(dá)到800～1000。當(dāng)今最先進(jìn)的水平是在脈沖當(dāng)量d=1µm的條件下，進(jìn)給速度從0～240m/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

2、數(shù)控機(jī)床硬件設(shè)計(jì)

2.1運(yùn)動控制卡

運(yùn)動控制卡是一種上位控制單元，可以控制伺服電機(jī)，是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)模可編程器件實(shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動控制卡包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機(jī)的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機(jī)的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計(jì)數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機(jī)器準(zhǔn)確的位置，糾正傳動過程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入/輸出點(diǎn)可用于語限位、原點(diǎn)開關(guān)等。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中需要精確定位、定長的位置控制系統(tǒng)和基于PC的NC控制系統(tǒng)。具體就是將實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的底層軟件和硬件集成在一起，使其具有伺服電機(jī)控制所需的各種速度、位置控制功能。這些功能能通過計(jì)算機(jī)方便地調(diào)用。

運(yùn)動控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機(jī)驅(qū)動器，同時(shí)接受伺服電機(jī)編碼器反饋的脈沖數(shù)，還接受光柵尺反饋信號，進(jìn)而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。伺服驅(qū)動器既要與運(yùn)動控制卡有數(shù)據(jù)線連接，其本身還要連接插座電源。

如果你的運(yùn)動控制卡時(shí)比較好的卡，伺服刷新率可以達(dá)到要求，可以把編碼器反饋直接接到運(yùn)動控制卡，形成一個(gè)整體的閉環(huán)。若對對精度有很高的要求可以用雙閉環(huán)，運(yùn)動控制卡就是根據(jù)要求x-y平臺運(yùn)行的位置，控制電機(jī)運(yùn)動到準(zhǔn)確的位置。

2.2PC總線

現(xiàn)有的放開式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案主要采用PC機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合的方法，PC機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信，人機(jī)交互等功能，數(shù)控系統(tǒng)作為下位機(jī)將上位機(jī)輸入的運(yùn)行參數(shù)經(jīng)過處理交給執(zhí)行部件執(zhí)行，同時(shí)將檢測系統(tǒng)的反饋信息上傳給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，各個(gè)模塊之間協(xié)調(diào)工作互不干擾，給系統(tǒng)升級帶來了方便。

放開式系統(tǒng)動態(tài)控制器的核心是DSP，它具有運(yùn)算速度快，支持復(fù)雜運(yùn)動算法的特點(diǎn)，可以滿足高精度運(yùn)動控制的要求，因此，以DSP為核心的多軸動態(tài)控制卡越來越廣泛地應(yīng)用在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，將多軸動態(tài)控制卡插在PC機(jī)擴(kuò)展槽上，就可以組成高精度運(yùn)動控制系統(tǒng)，位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制計(jì)算及控制量的輸出均由動態(tài)控制卡完成，極大的提高了運(yùn)算速度和控制響應(yīng)速度，將工控機(jī)的資源從煩瑣的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算中解決出來，從而可以更好的實(shí)施整個(gè)控制系統(tǒng)的管理。

2.3驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)。目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項(xiàng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動單元的整個(gè)過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?/p>

伺服驅(qū)動器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)，目前是傳動技術(shù)的高端。編碼器（encoder）是將信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。

驅(qū)動器是一個(gè)驅(qū)動放大元件，只是把上位機(jī)（如運(yùn)動控制卡）發(fā)來的一些信號進(jìn)行放大，以致使電機(jī)可以運(yùn)轉(zhuǎn)起來。MAC系列運(yùn)動控制卡是基于總線的電機(jī)運(yùn)動控制卡。采用專用控制芯片為核心器件，輸入輸出信號均為光電隔離，可與各種類型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，構(gòu)成高精度位置控制系統(tǒng)或調(diào)速系統(tǒng)?？膳cPC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面的管理和其它管理工作；而控制卡負(fù)責(zé)運(yùn)動控制方面的所有細(xì)節(jié)。用戶通過我們提供的動態(tài)鏈接庫可方便快速的開發(fā)出自己需要的運(yùn)動控制功能。圖1所示為伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖。

圖1 伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖

3、伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),類型繁多,但從自動控制理論的角度來分析,伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器,被控對象,執(zhí)行環(huán)節(jié),檢測環(huán)節(jié),比較環(huán)節(jié)等五部分。

3.1比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進(jìn)行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié),通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

3.2控制器

控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路,其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進(jìn)行變換處理,以控制執(zhí)行元件按要求動作。

3.3執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求,將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,驅(qū)動被控對象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓,氣動伺服機(jī)構(gòu)等。

3.4被控對象

機(jī)械參數(shù)量包括位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對象。

3.5檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置,一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。

4、結(jié)論

對數(shù)控機(jī)床位置伺服系統(tǒng)所要求的伺服性能進(jìn)行了分析，并提出了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性指標(biāo)，該研究結(jié)果可用于伺服數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也可用于現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的改造以提高其工作精度。本文設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)性能優(yōu)越保證了數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動平穩(wěn)性及準(zhǔn)確性。在運(yùn)行效果上完全可以和進(jìn)口伺服系統(tǒng)媲美，在性價(jià)比上具有較高的優(yōu)越性。此設(shè)備向客戶充分展示了伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，同時(shí)也提高了數(shù)控設(shè)備在市場上的競爭力。

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