齊 博，莊開東

沈陽機(jī)床股份有限公司中捷鉆鏜床廠，遼寧沈陽 110142

閉環(huán)伺服系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)負(fù)載特性和靜態(tài)負(fù)載特性，即在數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)際加工作業(yè)中，如果改變了具體的加工條件和負(fù)載力矩,數(shù)控機(jī)床應(yīng)該保持恒定的進(jìn)給速度。如果采用的伺服系統(tǒng)具有良好的剛性,那么在加工條件和負(fù)載力矩發(fā)生改變時(shí)，對(duì)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度產(chǎn)生的影響應(yīng)該很小。通常的規(guī)定是，在產(chǎn)生的力矩變化在額定范圍內(nèi)的情況下,進(jìn)給速度的靜態(tài)速降和動(dòng)態(tài)速降應(yīng)該分別為小于5%和小于10%。為了提高數(shù)控機(jī)床表面加工的精細(xì)度，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床對(duì)輪廓加工的精確控制,除了有效提高伺服系統(tǒng)的定位精度以外，伺服系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性也非常重要,使伺服系統(tǒng)可以快速響應(yīng)相關(guān)的操作指令。因此，在對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行具體的動(dòng)態(tài)性能分析時(shí)，需要考慮以下兩方面的內(nèi)容∶首先，如果伺服系統(tǒng)需要在頻繁地啟動(dòng)、改變速度、制動(dòng)等動(dòng)態(tài)過程中運(yùn)行,為了使數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)質(zhì)量和工作效率達(dá)到要求，需要實(shí)現(xiàn)一定程度的速度調(diào)整范圍，以有效減少完成過渡過程所消耗的時(shí)間。一般要求電機(jī)在幾十毫秒至200ms之內(nèi)完成速度從靜止到最大速度的變化,而且在改變電機(jī)速度是，不允許出現(xiàn)超調(diào)的情況;其次，如果負(fù)載力矩突然發(fā)生變化時(shí)，要求過渡過程具有較陡的前沿,還要求在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù),并且保證無震蕩，以保證表面加工的精細(xì)度。因此，本文通過采用高精度的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速高精度運(yùn)行。

1 閉環(huán)控制系統(tǒng)分析

閉環(huán)系統(tǒng)是一種根據(jù)需求進(jìn)行誤差控制的一種反饋控制系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)到達(dá)的位置與操作人員通過CNC制定的位置出現(xiàn)差值時(shí)，就產(chǎn)生了進(jìn)給系統(tǒng)的誤差。由于閉環(huán)系統(tǒng)無法通過運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件向操作人員提供操作的精確位置,因此通過安裝位置檢測(cè)裝置的方法提高精確度。位置檢測(cè)裝置將工作臺(tái)實(shí)際工作中的精確位置反饋到CNC裝置，CNC將指令中設(shè)定的數(shù)據(jù)與位置檢測(cè)裝置提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和計(jì)算，并從中得出誤差值，形成對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)位移的閉環(huán)控制。閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng),由于安裝了高精度的位置檢測(cè)裝置，因此CNC可以根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)精確的計(jì)算出傳動(dòng)系統(tǒng)誤差，并對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)中的這種誤差進(jìn)行有效的補(bǔ)償，從而有效的提高了數(shù)控機(jī)床在實(shí)際工作中工作臺(tái)的定位精度和位移跟隨精度，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，采用上述高精度系統(tǒng)后，可以將分辨率從1μm提升至0.1μm，在定位精度方面，原來閉環(huán)系統(tǒng)一般的可以達(dá)到0.01μm～±0.005μm左右的定位精度，而高精度系統(tǒng)可以通過使用更高精度的位置檢測(cè)裝置和提高相關(guān)元件安裝精度的方法，不斷提高定位精度，因此可以有效的改善數(shù)控機(jī)床的加工精度。

2 反向間隙系統(tǒng)定位精度分析

在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的各個(gè)部件間都會(huì)存在間隙，比如：在十字滑塊聯(lián)軸節(jié)部件中存在的間隙、軸承部件和軸承座部件之間存在的間隙、絲桿和螺母部件之間存在的游隙等,雖然通過采用一系列的措施消除或者減小部件之間的間隙，但在由于在長期的運(yùn)行總，機(jī)器部件的磨損等原因，使得消除間隙問題并沒有得到理想的解決。如果在實(shí)際成產(chǎn)中，數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)在某坐標(biāo)軸傳動(dòng)部件中存在間隙，就會(huì)出現(xiàn)在該坐標(biāo)軸中當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于間隙的動(dòng)態(tài)特性是非線性的，導(dǎo)致工作臺(tái)向相應(yīng)方向位移出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象。因此為了對(duì)上述情況進(jìn)行分析，本文對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速方面、進(jìn)給速度方面、工作臺(tái)定位方面分別進(jìn)行了反向間隙仿真分析。

2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速反響間隙影響

圖1為在電機(jī)轉(zhuǎn)速方面，反向間隙所產(chǎn)生的影響。其中左圖(a)表示，如果電機(jī)轉(zhuǎn)速為4000mm/min，那么在不用的反向間隙影響下，電機(jī)在2秒的時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速從靜止變化到轉(zhuǎn)速為40(rad/s)時(shí)，所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)特性曲線；右圖(b)主要描述了，在左圖(a)的情況下，將左圖時(shí)間為1s～1.3s之間，電機(jī)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性曲線進(jìn)行具體分析。如圖中所描述的那樣，反向間隙在0mm～0.005mm的范圍中產(chǎn)生變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)曲線會(huì)表現(xiàn)出滯后現(xiàn)象，通過分析可知滯后量的增加與反向間隙的增加成正比。

圖1 間隙對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速影響

2.2 反向間隙對(duì)進(jìn)給速度的影響

在仿真模型中，如果在0mm～0.005mm之間產(chǎn)生反向間隙變化時(shí)，在運(yùn)行環(huán)境為指令速度f=50的條件下，進(jìn)給速度的動(dòng)態(tài)特性曲線，通過對(duì)圖中數(shù)據(jù)的分析表明，當(dāng)反向間隙在0mm～0.005mm的范圍內(nèi)產(chǎn)生遞增變化時(shí)，進(jìn)給速度曲線中，響應(yīng)速度表現(xiàn)出的滯后現(xiàn)象非常明顯，同時(shí)速度曲線根據(jù)反向間隙的改變產(chǎn)生變化。

2.3 工作臺(tái)位移反向間隙影響

在運(yùn)行環(huán)境為指令速度f=50的條件下, 反向間隙在0mm～0.005mm的范圍內(nèi)產(chǎn)生變化時(shí)，工作臺(tái)產(chǎn)生的位移數(shù)據(jù)。通過對(duì)曲線進(jìn)行分析，可以得出反向間隙在0mm～0.005mm的范圍內(nèi)產(chǎn)生變化時(shí)，工作臺(tái)位移的滯后量的增長與反向間隙增加成正比。通過在仿真模型中進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行總結(jié)∶ 數(shù)控機(jī)床動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給速度將受到反向間隙的影響發(fā)生滯后現(xiàn)象，其中進(jìn)給速度受到反向間隙的影響更加明顯，而電機(jī)轉(zhuǎn)速受到反向間隙的影響則不是那么明顯，而且誤差的增大與反向間隙的增加成正比。所以，反向間隙的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床的加工精度降低，特別是數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行高速高精度的動(dòng)作時(shí)，會(huì)對(duì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)精確度提出更加嚴(yán)格的要求。因此，本文對(duì)反向間隙補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行了探討和嘗試，希望對(duì)提高數(shù)控機(jī)床的控制精度有所幫助。

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