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数控机床伺服系统是实现机床轴线运动的关键系统之一

时间:2021-06-25    作者:星辰智能

伺服系统的发展

  20世纪60年代初,数控机床使用液压伺服系统。与当时的传统DC电机相比,液压伺服系统响应时间更短,输出相同转矩的伺服元件尺寸更小。然而,液压伺服系统存在热值高、效率低、污染环境、维护不方便等缺点。

  20世纪60年代中期,由小功率伺服步进电机和液压扭矩放大器组成的开环系统曾被广泛应用于数控机床。

  20世纪60年代末,小惯性DC电机被广泛应用于数控机床。由于增加了中间齿轮传动,小惯量DC电机的结构变得更加复杂,容易磨损,增大传动间隙,影响传动精度。

  自20世纪80年代以来,随着大规模集成电路、电力电子和计算机控制技术的发展,特别是计算机对交流伺服电机磁场矢量控制技术的重大突破,人们长期以来一直试图用交流伺服电机代替DC伺服电机进行调速和伺服控制。交流伺服系统几乎保留了DC系统的所有优点,具有调速范围宽、稳速精度高、动态响应特性好等优良技术特性,并继承了交流伺服电机本身固有的许多优良性能。

  伺服进给系统的要求

  伺服系统是以机械参数(位置、速度、加速度)为控制变量的自动控制系统。它的基本要求是系统的输出能够快速准确地响应指令输入的变化。伺服系统的基本要求是:

  1.良好的稳定性是指系统在给定的输入或外部干扰下,经过一个短暂的调整过程后,可以达到新的或恢复到原来的平衡状态。

  2.高精度伺服系统的精度是指输出跟随输入的精度。作为精密加工的数控机床,所要求的定位精度或轮廓加工精度通常有很大的不同。

  3.快速响应是伺服系统动态品质的标志之一,即要求跟踪命令信号快速响应,一方面要求过渡时间短,一般在200毫秒以内甚至不到几十毫秒;另一方面,过渡过程的前沿要求陡峭,即上升速度要大。

  4.灵敏度:系统对参数变化的灵敏度要小,即系统不会受到参数变化的很大影响。抗干扰:系统应具有良好的抗外部负载干扰和高频噪声的能力。

  5.对机械传动系统的要求;为了保证数控机床进给系统的传动精度和工作稳定性,在设计机械传动装置时提出以下要求:

  (1)传动精度和定位精度:数控机床进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键作用。传动精度和定位精度是表征数控机床性能的主要指标,无论是点控制系统、线性控制系统还是轮廓控制系统。 

       (2)响应速度要快:工作台应能在规定的速度范围内灵敏准确地跟踪指令,并能进行单步或连续运动,运行中不出现失步或多步现象。

  (3)无间隙传动:进给系统的传动间隙一般是指反向间隙,即反向死区误差,它存在于整个传动链的每个传动副中,直接影响数控机床的加工精度;因此,应尽可能消除传动间隙,以减少反向死区误差。

  (4)稳定性好,使用寿命长:稳定性是伺服进给系统正常工作最基本的条件,特别是低速进给的情况下,能够适应外部负载的变化,不会产生共振。进给系统的寿命主要是指它保持数控机床传动精度和定位精度的时间长度,以及各传动部件保持其原有制造精度的能力。

  (5)易于使用和维护:进给系统的结构设计应便于维护,尽量减少维护工作量,提高机床利用率。

  主轴伺服系统

  数控车床主轴驱动系统的特点和要求包括:主轴控制系统的功能是按照程序要求驱动主轴。在数控车床的加工方式中,主轴主要驱动工件旋转,并与进给伺服驱动轴配合完成切削运动。数控车床对主轴的位置精度和速度调节没有进给伺服系统要求的高,所以一般的交流伺服电机多用于执行零件,很少使用昂贵的永磁交流伺服电机。一般“逆变交流异步电机”用于矢量控制,编码器用于速度检测。随着行业的不断升级,“主轴交流伺服驱动器和主轴交流伺服电机外编码器”已广泛应用于斜数控车铣复合机床,能满足加工一般精度零件和车削螺纹的要求,调速方便,成本相对较低,应用广泛。

  数控车床的主轴运动是传递主切削力,消耗的功率约占机床总功率的60%,所以驱动系统要有足够的功率,良好的刚度,低速时保持足够的扭矩;此外,为了满足不同加工工艺对主轴转速的要求,如车削螺纹、粗加工和精加工,主轴需要有较宽的转速范围。

  与进给伺服驱动一样,主轴伺服系统有三个回路,但其精度和响应要求不如进给伺服高。一般主轴伺服电机采用增量式2500光电编码器,很多厂家都在处理振动大的切割场地,采用旋转变压器作为反馈元件。

  数控车床主轴机械传动有三种常见方式:

  1.分段无级变速。主轴电机通过有限齿轮传动带动主轴旋转,适用于大型数控机床,尤其是强切削场合;2.皮带传动变速。主轴电机通过同步带传动方式驱动主轴旋转,适用于中小型数控机床,尤其是抗振要求高的场合;

  3.电机是直接驱动的。主轴电机通过联轴器直接驱动主轴旋转或直接采用电主轴,适用于小型数控机床,特别是高精度加工场合。

  综上所述,数控机床伺服系统是实现机床轴线运动的关键系统之一,包括进给运动、主轴运动和位置控制。其性能对数控机床的重复定位精度、动态响应特性和最高空转速度有重要影响;同时,伺服系统的发展对数控机床的发展有着不可估量的影响。


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