伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及數(shù)控加工原理及應(yīng)用

一.機(jī)電一體化及其機(jī)床電氣控制技術(shù)的發(fā)展概況

機(jī)電一體化技術(shù)是隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新要求而迅速發(fā)展的。在控制方法上主要是從手動(dòng)到自動(dòng)；在控制功能上，是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜；在操作上，是由笨重到輕巧。隨著新的控制理論和新型電器及電子器件的出現(xiàn)，又為電氣控制技術(shù)的發(fā)展開(kāi)拓了新途徑。

傳統(tǒng)機(jī)床電氣控制是繼電器接觸式控制系統(tǒng)，由繼電器、接觸器、按鈕、行程開(kāi)關(guān)等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的啟動(dòng)、停車、有極調(diào)速等控制。繼電器接觸式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、抗干擾強(qiáng)、價(jià)格低，因此廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床和機(jī)械設(shè)備。目前，在我國(guó)繼電器接觸式控制仍然是機(jī)床和其他機(jī)械設(shè)備最基本的電氣控制形式之一。

　　在實(shí)際生產(chǎn)中，由于大量存在一些用開(kāi)關(guān)量控制的簡(jiǎn)單的程序控制過(guò)程，而實(shí)際生產(chǎn)工藝和流程又是經(jīng)常變化的，因而傳統(tǒng)的繼電器接觸式控制系統(tǒng)常不能滿足這種要求，因此曾出現(xiàn)了繼電器接觸控制和電子技術(shù)相結(jié)合的控制裝置，叫做順序控制器。它能根據(jù)生產(chǎn)需要改變控制程序，而又遠(yuǎn)比電子計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，它是通過(guò)組合邏輯元件插接或編程來(lái)實(shí)現(xiàn)繼電器接觸控制的。但它的裝置體積大，功能也受到一定限制。隨著大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，上述控制技術(shù)也發(fā)生了根本性的變化，在上世紀(jì)70年代出現(xiàn)了將計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)技術(shù)引入順序控制器，產(chǎn)生了新型工業(yè)控制器——可編程序控制器(PLC)，它兼?zhèn)淞擞?jì)算機(jī)控制和繼電器控制系統(tǒng)兩方面的優(yōu)點(diǎn)，故目前在世界各國(guó)已作為一種標(biāo)準(zhǔn)化通用裝置普遍應(yīng)用于工業(yè)控制。

　　為解決占機(jī)械總加工量80％左右的單件和小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化難題，50年代出現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床。它綜合應(yīng)用了電子、計(jì)算機(jī)、檢測(cè)、自動(dòng)控制和機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，它是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。數(shù)控機(jī)床經(jīng)過(guò)40年來(lái)的發(fā)展，品種日益增多，性能不斷完善，其中以輪廓控制的數(shù)控機(jī)床和帶有自動(dòng)換刀裝置和工作臺(tái)能自動(dòng)轉(zhuǎn)位的數(shù)控加工中心發(fā)展更為迅速。數(shù)控機(jī)床由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等部分組成，其中伺服系統(tǒng)的性能是決定數(shù)控機(jī)床加工精度和生產(chǎn)率的主要因素之一。

二. 伺服系統(tǒng)在數(shù)控加工中的作用及組成

　　在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把輸出量能以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。

　　伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)元件(或稱執(zhí)行元件伺服電機(jī))組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測(cè)裝置，反饋實(shí)際的輸出狀態(tài)。

　　數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件跟隨指令脈沖運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。以上指的主要是進(jìn)給伺服控制，另外還有對(duì)主運(yùn)動(dòng)的伺服控制，不過(guò)控制要求不如前者高。數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往主要取決于伺服系統(tǒng)。

三.伺服系統(tǒng)的基本要求和特點(diǎn)

　　1. 對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求

　　(1)穩(wěn)定性好：穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后到達(dá)新的或者回復(fù)到原有平衡狀態(tài)。

　　(2)精度高：伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數(shù)控機(jī)床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高，允許的偏差一般都在 0.01～0.00lmm之間。

　　(3)快速響應(yīng)性好：快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，一方面要求過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，一般在200ms以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒；另一方面，為滿足超調(diào)要求，要求過(guò)渡過(guò)程的前沿陡，即上升率要大。

　　2. 伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

　　(1)精確的檢測(cè)裝置：以組成速度和位置閉環(huán)控制。

　　(2)有多種反饋比較原理與方法:根據(jù)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)信息反饋的原理不同，伺服系統(tǒng)反饋比較的方法也不相同。目前常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較3種。

　　(3)高性能的伺服電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱伺服電機(jī))：用于高效和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機(jī)床，伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中。要求電機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動(dòng)力矩。要求伺服電機(jī)在低速時(shí)有足夠大的輸出力矩且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。

　　(4)寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即速度伺服系統(tǒng)：從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看，數(shù)控機(jī)床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其內(nèi)部的實(shí)際工作過(guò)程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號(hào)后，再通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)要求調(diào)速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速系統(tǒng)。

四.伺服系統(tǒng)的分類

　　伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件劃分，有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱直流電機(jī))伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱交流電機(jī))伺服系統(tǒng)。按控制方式劃分，有開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)等，實(shí)際上數(shù)控系統(tǒng)也分成開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)3種類型，就是與伺服系統(tǒng)這3種方式相關(guān)。

　　1. 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)

　　圖1是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖，它主要由驅(qū)動(dòng)電路，執(zhí)行元件和機(jī)床3大部分組成。常用的執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)，通常稱以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)為步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，如果是大功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件。驅(qū)動(dòng)電路的主要任務(wù)是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件所需的信號(hào)。

　　2. 閉環(huán)系統(tǒng)

　　閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)床5部分組成。其構(gòu)成框圖如圖2所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測(cè)元件將機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋給比較環(huán)節(jié)。常見(jiàn)的檢測(cè)元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。通常把安裝在絲杠上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)；把安裝在工作臺(tái)上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。由于絲杠和工作臺(tái)之間傳動(dòng)誤差的存在，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。

　　比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路，控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，直到跟隨誤差為零。根據(jù)進(jìn)入比較環(huán)節(jié)信號(hào)的形式以及反饋檢測(cè)方式，閉環(huán)(半閉環(huán))系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)3種。 

　　由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號(hào)比較微弱，不足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，故需對(duì)其進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)電路正是為此而設(shè)置的。

　　執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號(hào)，即來(lái)自比較環(huán)節(jié)的跟隨誤差信號(hào)，將表示位移量的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)等。執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)中必不可少的一部分，驅(qū)動(dòng)電路是隨執(zhí)行元件的不同而不同的。

　　最近，我校研制開(kāi)發(fā)出了高性能交流伺服(數(shù)控機(jī)床)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，可廣泛應(yīng)用于數(shù)碼雕刻，包裝機(jī)械，模具生產(chǎn)等工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)合，更適用于高等學(xué)校機(jī)電一體化，電子電器，電氣自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生(研究生)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，課程設(shè)計(jì)等課程的實(shí)驗(yàn)研究。

五.伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向

　　隨著生產(chǎn)力不斷發(fā)展，要求伺服系統(tǒng)向高精度、高速度、大功率方向發(fā)展。

　　(1)充分利用迅速發(fā)展的電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用數(shù)字式伺服系統(tǒng)，利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，增強(qiáng)軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調(diào)整誤差以及溫度漂移等因素的影響，這可大大提高伺服系統(tǒng)的性能，并為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制創(chuàng)造條件。

　　(2)開(kāi)發(fā)高精度、快速檢測(cè)元件。

　　(3)開(kāi)發(fā)高性能的伺服電機(jī)(執(zhí)行元件)。目前交流伺服電機(jī)的變速比已達(dá)1∶10000，使用日益增多。無(wú)刷電機(jī)因無(wú)電刷和換向片零部件，加速性能要比直流伺服電機(jī)高兩倍，維護(hù)也較方便，常用于高速數(shù)控機(jī)床。