探讨伺服系统对数控加工的影响

摘要：近年来，精密数控机床技术被广泛应用，数控机床加工对象从以往的简单曲线零件逐渐转变为复杂曲面加工，而数控机床伺服系统的选择直接关系到精密数控机床的加工速度、精度等各项技术性指标。本文介绍了数控机床伺服系统的发展情况，并对伺服系统的特点及补偿形式进行了分析。

关键词：数控加工；伺服系统；伺服性能

前言

伺服系统是数控机床的关键构成，也是控制系统与机械传动器件进行连接的重要环节，该系统性能的差别直接影响着数控机床的加工速度、稳定性及精度。大部分数控机床需要伺服系统控制定位速度、轮廓切削进给速度、轮廓切削精确度，以及对精加工表层的粗糙度和外部干扰下的运行稳定性。

1.我国数控机床伺服系统的发展现状

现阶段我国能加工各类较为复杂曲面零件的数控机床均使用了非常先进的直线轴技术，该技术为传动轴直接驱动模式，由对应的伺服电机通过简单传动驱动进给设备，并利用多种插补技术来满足加工高精度及高粗糙度等复杂零部件的质量要求。伺服系统的本质就是随动系统，属于控制系统系列，要求系统能够根据不同指令对相关对象的运动进行控制，使其自动连接并精确的依照对应指令完成运动。我国当前主流的数控伺服系统均采用PID控制技术，根据机床类别和使用要求，对系统电流环以及速度、位置环的控制系数进行了调整。由于机床伺服控制系统的变化原因很多，属于非线性系统，对系统控制系数进行优化的难度很大，我国对相关系统及硬件的研究较少，因此我国数控机床使用的伺服控制器等系统部件大部分均采用国外产品。

2.伺服系统对机床性能的影响

伺服系统中的伺服控制器在对应的数字控制系统以及机械器件间进行转换信号，传递数据的工作。数控系统把相关加工代码指令发送至伺服控制器中，伺服控制器将编程指令转换成相应的电信号指示电机驱动机床部件移动，使机床工作台依照指令代码所预设的轨迹进行相对运动，以完成加工符合各类标准零件的操作。因为伺服系统是直接控制工件台、刀具箱以及各类运动性器件的，所以伺服控制系统的匹配和调试对机床精度和加工性能有着非常大的影响。

伺服驱动控制系统和机床性能以及加工零件精确度的统一是选择伺服系统的关键。而要保证加工零件的精度，就需要伺服驱动控制系统控制对应的机床移动器件以稳定速率移动或切削零部件，尽最大的可能确保加工精度不会受到负载变化和电源电压变化的影响。尤其是使用直驱技术的机床主轴，其负载的相对变化，对伺服系统的控制有着相当大的影响。因此为提高伺服控制系统控制精确度以及抗干扰的能力，在高级数控加工中心和高精度、高性能的数控加工系统中，通常使用闭环控制伺服系统，同时执行元器件使用伺服驱动电机以及步进电机，位置检测机构使用激光光栅以及磁栅等有效的传感器件为对应的闭环反馈信号。闭环系统通过反馈系统监控机床工作状况并能自动实时补偿，准确性高且稳定性好，大部分闭环CNC系统已能提供精确至0.001mm的精度控制。根据位置测量装置的安装部位不同，闭环控制系统又分为半闭环控制和全闭环控制。

半闭环控制系统中对应的测量设备均安置在丝杠尾端或者是电机轴处，探测器不会对机床的局部实际运动量进行直接性的检测，只是检测丝杠或是伺服电机的转角，并依照对应的传动链将运动器件位移量导出。然后把该位移量及控制系统所传出的移动指令数值进行比较，并使用对比偏差对机床移动部件的位移进行控制。控制系统虽然有位置检测设备及监测功能，不过由于测量数据不是机床部件的真实位移，故称之为半闭环伺服系统。该控制方法是依照对应程序中的位置性指令来对伺服电机驱动系统传送信号，因为相关的传动链之间存在螺距误差以及反向间隙，从而会造成运动器件实际位置和测量位置的误差，而数控伺服系统的检测设备均安置在电机轴上，无法对传动链之间的误差进行检测和补偿，因此该伺服系统间所存在的传动链各类误差不能校正。半闭环系统的主要优点是反馈过程中不稳定因素较少，调试较方便，稳定性高，目前在单一功能机床设备中应用比较广泛。

3.伺服系统的误差补偿

由于机床滚珠丝杠的生产会存在一定的制造误差，长时间的使用也会造成丝杠磨损，因此要保证数控机床拥有较高的定位精度和稳定性，只有使用合适的误差补偿方式对其定位精确度进行补偿，最常见的就是对主轴滚珠丝杠螺距误差补偿。一般补偿可以分为软件补偿及硬件补偿，硬件补偿使用机械性方式检测数控机床轴滚丝杠全过程的误差分布，并在丝杠螺距积累误差数值到脉冲当量的位置装设挡块，在机床工作台出现移动时，设置在机床上的微动开关和挡块的电路信号指示对应的步进电机移动进行补偿。该方式不足之处就是数控机床工作台上应装配相应的机械器件和电路信号元件。软件补偿则是使用伺服系统控制误差变动范围并进行相应的调整，螺距误差软件补偿与硬件补偿之间最大的不同在于，软件补偿能检测数控机床轴滚珠丝杠运动的全部过程并进行实时补偿，使用相关的数控指令将工作台定位到特定位置点，作为相关的指令位置，采用高精度位置测量器件将位置点的真实位置测出，并把该实际位置和指令位置进行比较，计算出滚珠丝杠运动过程中的误差分布，并将误差分布情况以表格的形式输入对应的数控系统中。

4.结语

随着微电机、控制、电子等新技术的不断进步，微处理器性能的持续提升，对应的变频调速以及高性能的交流式伺服控制系统也获得了快速的发展，交流伺服系统在对应的机床控制性能上较直流式伺服系统有更大的优势和性能提升，因此继续探究不同数控机床伺服系统的伺服性能对现阶段我国数控技术的发展是具有重大意义的。

参考文献：

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[2]刘栋，梅雪松，张东生.基于多采样率控制的伺服系统摩擦补偿研究[J].中国电机工程学报，2013（24）.

作者简介：邵昌明（1985-），男，汉族，贵州贵阳人，中北大学机械设计制造及其自动化专业毕业，从事高职数控专业教学和研究工作。