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数控卷板机床伺服系统概述

发布时间:2017-6-17
  数控卷板机床伺服系统是指以工作台、刀具或者主轴等移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统,又称随动系统。它接收CNC系统发出的进给位移量信息,经过转换、放大由伺服电动机带动传动机构,进而使加工部件直线或者旋转运动。
 一、伺服系统的组成
  1、数控卷板机床的伺服系统由驱动控制单元、执行单元(电动机)、反馈检测元件,以及比较环节等组成。图所示为常见的一种伺服系统中的结构图。
      
           常见的一种伺服系统中的结构图
  最外层为位置环,由调节控制模块、位置检测元件和反馈部分组成。中间为速度环,由速度比较调节器、速度检测元件和速度反馈部分组成。位置控制主要控制进给轴,不仅对单个进给轴运动的速度和位置有严格要求,在多轴联动时,还要求各个进给轴的运动相互配合,以保证加工精度和工件表面的光滑度。
  2.对数控卷板机伺服系统的基本要求
  CNC系统是整个机床电气控制系统的核心,用来发出控制指令,伺服系统是机械执行部件,最终实现准确的进给运动。伺服系统的类型和性能决定了数控卷板机床的定位精度、轮廓跟随精度、最高移动速度等许多性能,对其基本要求如下。
  1)精度高
  数控卷板机伺服系统的精度指的是输出量能复现输入量的精确程度,包括定位精度和轮廓加工精度。伺服系统必须具有比较好的静态特性和比较高的伺服刚度,才能达到满足要求的定位精度,定位精度允许偏差一般为0.01—0.001mm,甚至0.1pm。伺服系统还应该具有良好的动态性能,来保证机床的轮廓加工精度。
  2)稳定性好
  稳定性是指系统在给定输入或者在外界的干扰作用下,在短暂的调节过后,能达到新
的或恢复到原来的平衡状态。伺服系统的稳定性直接影响加工的精度和加工件表面粗糙度。伺服系统要求有较强的抗干扰能力。
  3)快速响应
  快速响应反映了伺服系统的跟踪精度,为了保证加工精度和提高生产效率,在启动、制动时,要求伺服系统对信号的响应要快,一般电动机转速从零到最高转速,或者从最高转速到零的时间要小于200ms,但又要求超调量要小;否则会影响加工质量。这两个方面是矛盾的,实际运用中要采取一定的措施,按照加工要求衡量选择。
  4)调速范围宽
  由于数控卷板机床的加工刀具、加工材料及加工工艺要求等各有不同,伺服系统必须具有足够宽的调速范围,通常要求进给系统工作在0-30m/mfn的速度范围内。
  5)低速大转矩
  机床加工在低速时进行重切削,这就要求伺服系统在低速时有较大的转矩输出。进给驱动系统属于恒转矩控制,在整个速度范围内都保持同一转矩。主轴驱动系统在低速时为恒转矩控制,以提供满足要求的转矩,在高速时为恒功率控制,以输出足够大的功率。
  数控卷板机伺服系统中的执行元件——伺服电动机的性能也十分重要,除了应该具有高精度、反应快和大转矩等性能,还要求伺服电动机能承受频繁地正反转、启动和制动,从低速到高速范围内可以平滑运转、转矩波动小,具有过载能力等要求。
 二、数控卷板机床伺服系统的分类
  1.按控制对象分类
  数控卷板机床伺服系统可分为进给伺服系统和主轴伺服系统,本书按照这个分类方法来展开对伺服系统的介绍,本章内容主要介绍进给伺服系统,第7章主要介绍主轴伺服系统。
  1)进给伺服系统
  进给伺服系统负责控制各个进给轴的运动,有定位、轮廓跟踪功能,进给伺服系统一般是位置伺服系统,包括位置控制环和速度控制环,是要求最高的伺服控制。
  2)主轴伺服系统
  主轴伺服系统负责控制主轴旋转运动,控制切肖0过程中的功率和转矩,负责转速范围内的无级变速和转速调节。一般主轴伺服系统是速度控制系统。
  2.按执行元件分类
  早期的机床多采用电液伺瞿系统,发展至今,现代机床基本全部采用电气伺服系统。
  1)电液伺服系统
  电液伺服系统一般用电液伺服马达或者电液脉冲马达作为执行元件,初期的数控卷板机床,驱动部件为液动机和液压缸。其优点是在低速也可以得到较高的力矩、反应快、速度平稳、时间常数小和刚性好等。但是液压系统供油系统体积大,还有漏油、噪声大等缺点,所以逐渐被电气伺服系统代替。
  2)电气伺服系统
  电气伺服系统的执行元件为伺服电动机(直流电动机、交流电动机和步进电动机),根据伺服电动机的种类它分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进伺服系统三类。电气伺服系统的驱动部件为电力电子器件,操作方便、易维护、可靠性高。
  数控卷板机直流伺服系统的广泛应用主要是从20世纪70年代到80年代中期。当时数控卷板机床进给系统大都采用中小惯量和大惯量宽调速永磁直流伺服电动机,主轴系统多采用他励直流伺服电动机。由于电动机本身的惯量大,容易与机床的传动部件匹配,所以,构成的闭环系统在安装前调整好后,几乎不需要再进行调整,使用方便。直流电动机大都配有晶闸管全控或者半控桥驱动装置。中小惯量的电动机一般都有较高的额定转速和较低的惯量,应用时需要经过中间机械进行传动减速以达到增大转矩,与负载进行惯量匹配的目的。为了满足机床频繁启动、制动和快速定位的要求,出现了适用于直流中小惯量伺服电动机的大功率晶体管脉宽调制驱动装置。
  20世纪80年代后,交流电动机的材料、结构、控制理论等都有了很大的发展与突破,到目前交流伺服系统已经取代了直流伺服系统。交流伺服系统的优点是结构简单,适合恶劣的工作环境。此外,交流伺服电动机动态响应较好,转速高,并且容量大。交流伺服系统使用永磁同步伺服电动机(应用于进给伺服系统)和交流感应异步伺服电动机(应用于主轴伺服系统)。发展至今,交流伺服系统已经全数字化,伺服的数控功能、静动态补偿、控制模型等都由微处理器和控制软件高速实时地完成。
  步进驱动系统在我国老式机床改造和经济型数控卷板机床中起到了重要作用。步进驱动系统一般与脉冲增量插补算法配合。步进电动机有混合式和反应式两种,混合式的步进电动机输出力矩大、升速快、性能好,反应式的步进电动机价格较低。目前,出现了具有细分功能的步进驱动器,并且被广泛应用。3.按控制原理分类按控制原理伺服系统可分为开环伺服系统、全闭环伺服系统和半闭环伺服系统。
  1)开环伺服系统
  开环伺服系统只有前向控制通道,没有反馈回路,其结构图如图6.2所示。这种系统主要采用步进驱动器和步进电动机作为主要元件。开环伺服系统将指令脉冲信号转换为电动机的角度位移,以实现运动和定位控制。电动机转动的角度与指令脉冲的个数成正比,转速由指令脉冲的频率决定。开环伺服系统线路简单,因此,调试维修比较容易,设备投资较低,但是它的精度和速度较低,只能满足中、低档数控卷板机床的要求。
  2)数控卷板机全闭环伺服系统
  全闭环伺服系统结构图如图6-3所示,它是一种误差控制随动系统。全闭环伺服系统中检测装置测出各个进给轴的实时位移或者速度,并将其反馈给CNC系统,与指令进行比较得出误差,CNC系统发出指令控制机床向消除误差的方向运动。全闭环伺服系统中,检测装置直接从工作台等移动部件上获取位移、速度等信息,检测精度受机械传动机构的影响较小,而是取决于检测装置的精度,检测装置精度越高,反馈的各种数据越精确,各种误差的校正和补偿就越全面,进而系统的跟随精度和定位精度就越高。系统对机械传动机构并非没有要求,只有机械装置的精度高,才能保.证各种非线性因素(间隙、摩擦特性、刚性等)的调解品质,进而保证系统的精度和速度。
       
               全闭环伺服系统结构图
  3)半闭环伺服系统
  半闭环伺服系统的检测装置在电动机的轴上,通过电动机角位移的测量间接计算出工作台的位移,由于机械传动部分不在控制环中,所以可以精确稳定地控制电动机的角度。半闭环系统要求检测装置分辨率高,并要求机械传动部件精度高、间隙小,这样才可以满足机床的精度要求。半闭环伺服系统的精度没有全闭环伺服系统高,但是调试方便,所以在精度要求较低、小型的数控卷板机床上应用广泛。半闭环伺服系统结构图如图所示。
      
         半闭环伺服系统结构图