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引言

    數控機床是數字控制工作母機的總稱，是集現代精密機械設計與制造技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術、檢測技術、電力電子與微電子技術、電機與新材料技術、液壓與氣動技術、光電技術等最新成就而構成的機電一體化的高級典型產品，作為加工制造業的工作母機，同時是兼備高精度、高柔性、高效率、高自動化特點于一身的現代化設備。數控機床是國防軍工、國民經濟中的重要基礎裝備，它的應用遍及社會經濟的各個領域，是機械、電子、汽車、石化、建筑等部門的支柱產業，也是能源、交通、材料、通訊等基礎產業現代化重要工具。

    在國防、航天、航空、軍工裝備、艦船、空間技術、海洋等領域更是不可替代，甚至是成為必不可少的關鍵性設備。數控機床特別是高端數控機床體現了國家的經濟與科學技術綜合實力，具有戰略地位，在有些情況下，甚至影響了國家與民族的生存。因此，各國都給予極大的重視，我國也毫不例外，歷年都采取一系列措施，支持數控機床產業的發展。但由于種種原因，我國的技術水平發展還趕不上技術先進的發達國家。特別是數控機床是一個非常復雜的機電一體化系統，涉及到許多技術領域，短期內很難由少數幾個部門或單位完成如此艱巨的工作任務。

    目前，伺服控制系統不僅在工農業生產以及日常生活中得到了廣泛的應用，而且在許多高科技領域，如激光加工、機器人、數控機床、大規模集成電路制造、辦公自動化設備、衛星姿態控制、雷達和各種軍用武器隨動系統、柔性制造系統以及自動化生產線等領域中的應用也迅速發展。

    伺服系統是自動控制系統的重要組成部分，它的性能優劣直接決定與影響著自動控制系統的快速性、穩定性和精確性，機、電、液的組合成為目前工業自動化的主要技術基礎。伺服控制系統用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。在很多情況下，伺服系統專指被控制量（系統的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角）。伺服系統的結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區別。伺服系統的主要任務是按照控制命令要求，對信號進行變換、調控和功率放大等處理，使驅動裝置輸出的轉矩、速度及位置都能靈活方便的控制。

1、數控機床控制方案設計

1.1加工精度

    精度是機床必須保證的一項性能指標。位置伺服控制系統的位置精度在很大程度上決定了數控機床的加工精度。因此位置精度是一個極為重要的指標。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統中開環放大倍數的大小，另一方面是對位置檢測元件提出精度的要求。因為在閉環控制系統中，對于檢測元件本身的誤差和被檢測量的偏差是很難區分出來的，反饋檢測元件的精度對系統的精度常常起著決定性的作用。可以說，數控機床的加工精度主要由檢測系統的精度決定。位移檢測系統能夠測量的最小位移量稱做分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。在設計數控機床、尤其是高精度或大中型數控機床時，必須精心選用檢測元件。所選擇的測量系統的分辨率或脈沖當量，一般要求比加工精度高一個數量級。總之，高精度的控制系統必須有高精度的檢測元件作為保證。例如，數控機床中常用的直線感應同步器的精度已可達±0.0001mm，即0.1µm，靈敏度為0.05µm，重復精度0.2µm；而圓型感應同步器的精度可達0.5N，靈敏度0.05N，重復精度0.1N。

1.2開環控制放大倍數

    在典型的二階系統中，阻尼系數x=1/2(KT)-½，速度穩態誤差e(∞)＝1/K，其中K為開環放大倍數，工程上多稱作開環增益。顯然，系統的開環放大倍數是影響伺服系統的靜態、動態指標的重要參數之一。

    一般情況下，數控機床伺服機構的放大倍數取為20～30(1/S)。通常把K<20范圍的伺服系統稱為低放大倍數或軟伺服系統，多用于點位控制。而把K>20的系統稱為高放大倍數或硬伺服系統，應用于輪廓加工系統。

    假若為了不影響加工零件的表面粗糙度和精度，希望階躍響應不產生振蕩，即要求是取值大一些，開環放大倍數K就小一些；若從系統的快速性出發，希望x選擇小一些，即希望開環放大倍數～增加些，同時K值的增大對系統的穩態精度也能有所提高。因此，對K值的選取是必需綜合考慮的問題。換句話說，并非系統的放大倍數愈高愈好。當輸入速度突變時，高放大倍數可能導致輸出劇烈的變動，機械裝置要受到較大的沖擊，有的還可能引起系統的穩定性問題。這是因為在高階系統中系統穩定性對K值有取值范圍的要求。低放大倍數系統也有一定的優點，例如系統調整比較容易，結構簡單，對擾動不敏感，加工的表面粗糙度好。

1.3控制系統可靠性

    數控機床是一種高精度、高效率的自動化設備，如果發生故障其損失就更大，所以提高數控機床的可靠性就顯得尤為重要。可靠度是評價可靠性的主要定量指標之一，其定義為：產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的概率。對數控機床來說，它的規定條件是指其環境條件、工作條件及工作方式等，例如溫度、濕度、振動、電源、干擾強度和操作規程等。這里的功能主要指數控機床的使用功能，例如數控機床的各種機能，伺服性能等。

    平均故障(失效)間隔時間(MTBF)是指發生故障經修理或更換零件還能繼續工作的可修復設備或系統，從一次故障到下一次故障的平均時間，數控機床常用它作為可靠性的定量指標。由于數控裝置采用微機后，其可靠性大大提高，所以伺服系統的可靠性就相對突出。它的故障主要來自伺服元件及機械傳動部分。通常液壓伺服系統的可靠性比電氣伺服系統差，電磁閥、繼電器等電磁元件的可靠性較差，應盡量用無接觸點元件代替。

    目前數控機床因受元件質量、工藝條件及費用等限制，其可靠性還不很高。為了使數控機床能得到工廠的歡迎，必須進一步提高其可靠性，從而提高其使用價值。在設計伺服系統時，必須按設計的技術要求和可靠性選擇元器件，并按嚴格的測試檢驗進行篩選，在機械互鎖裝置等方面，必須給予密切注意，盡量減少因機械部件引起的故障。

1.4調速范圍

    在數控機床的加工中，伺服系統為了同時滿足高速快移和單步點動，要求進給驅動具有足夠寬的調速范圍。

    單步點動作為一種輔助工作方式常常在工作臺的調整中使用。伺服系統在低速情況下實現平穩進給，則要求速度必須大于“死區”范圍。所謂“死區”指的是由于靜摩擦力的存在使系統在很小的輸入下，電機克服不了這摩擦力而不能轉動。此外，還由于存在機械間隙，電機雖然轉動，但拖板并不移動，這些現象也可用“死區”來表達。

    設死區范圍為a，則最低速度Vmin，應滿足Vmin≥a，由于a≤dK，d為脈沖當量(mm/脈沖)；K為開環放大倍數，則：

Vmin≥dK

    若取d=0.01mm/脈沖，K=30×1/S，則最低速度

Vmin≥a=30×0.01mm/min=18mm/min

    伺服系統最高速度的選擇要考慮到機床的機械允許界限和實際加工要求，高速度固然能提高生產率，但對驅動要求也就更高。此外，從系統控制角度看也有一個檢測與反饋的問題，尤其是在計算機控制系統中，必須考慮軟件處理的時間是否足夠。由于

fmax=fmax/d

    式中：fmax為最高速度的脈沖頻率，kHz；vmax為最高進給速度，mm/min；d為脈沖當量，mm。

    又設D為調速范圍，D=vmax/vmin，得

fmax=Dvmin/d=DKd/d=DK

    則為最小的間隔時間tmin，即tmin=1/DK。顯然，系統必須在tmin內通過硬件或軟件完成位置檢測與控制的操作。對最高速度而言，vmax的取值是受到tmin的約束。

    一個較好的伺服系統，調速范圍D往往可達到800～1000。當今最先進的水平是在脈沖當量d=1µm的條件下，進給速度從0～240m/min范圍內連續可調。

2、數控機床硬件設計

2.1運動控制卡

    運動控制卡是一種上位控制單元，可以控制伺服電機，是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規模可編程器件實現多個伺服電機的多軸協調控制的一種高性能的步進/伺服電機運動控制卡包括脈沖輸出、脈沖計數、數字輸入、數字輸出、D/A輸出等功能，它可以發出連續的、高頻率的脈沖串，通過改變發出脈沖的頻率來控制電機的速度，改變發出脈沖的數量來控制電機的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計數可用于編碼器的位置反饋，提供機器準確的位置，糾正傳動過程中產生的誤差。數字輸入/輸出點可用于語限位、原點開關等。產品廣泛應用于工業自動化控制領域中需要精確定位、定長的位置控制系統和基于PC的NC控制系統。具體就是將實現運動控制的底層軟件和硬件集成在一起，使其具有伺服電機控制所需的各種速度、位置控制功能。這些功能能通過計算機方便地調用。

    運動控制卡不僅要發送脈沖給電機驅動器，同時接受伺服電機編碼器反饋的脈沖數，還接受光柵尺反饋信號，進而控制伺服電機的轉速。伺服驅動器既要與運動控制卡有數據線連接，其本身還要連接插座電源。

    如果你的運動控制卡時比較好的卡，伺服刷新率可以達到要求，可以把編碼器反饋直接接到運動控制卡，形成一個整體的閉環。若對對精度有很高的要求可以用雙閉環，運動控制卡就是根據要求x-y平臺運行的位置，控制電機運動到準確的位置。

2.2PC總線

    現有的放開式數控系統實現方案主要采用PC機和數控系統結合的方法，PC機作為上位機實現較為復雜的網絡通信，人機交互等功能，數控系統作為下位機將上位機輸入的運行參數經過處理交給執行部件執行，同時將檢測系統的反饋信息上傳給上位機實現實時監控，各個模塊之間協調工作互不干擾，給系統升級帶來了方便。

    放開式系統動態控制器的核心是DSP，它具有運算速度快，支持復雜運動算法的特點，可以滿足高精度運動控制的要求，因此，以DSP為核心的多軸動態控制卡越來越廣泛地應用在運動控制系統中，將多軸動態控制卡插在PC機擴展槽上，就可以組成高精度運動控制系統，位置反饋信號的采集、閉環控制計算及控制量的輸出均由動態控制卡完成，極大的提高了運算速度和控制響應速度，將工控機的資源從煩瑣的數據采集和計算中解決出來，從而可以更好的實施整個控制系統的管理。

2.3驅動器

    伺服驅動器是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達。目前主流的伺服驅動器均采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現比較復雜的控制算法，事項數字化、網絡化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動電路,IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的沖擊。功率驅動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。

    伺服驅動器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應用于高精度的定位系統，目前是傳動技術的高端。編碼器（encoder）是將信號或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。

    驅動器是一個驅動放大元件，只是把上位機（如運動控制卡）發來的一些信號進行放大，以致使電機可以運轉起來。MAC系列運動控制卡是基于總線的電機運動控制卡。采用專用控制芯片為核心器件，輸入輸出信號均為光電隔離，可與各種類型的步進電機驅動器連接，驅動步進電機，構成高精度位置控制系統或調速系統。可與PC機構成主從式控制結構：PC機負責人機界面的管理和其它管理工作；而控制卡負責運動控制方面的所有細節。用戶通過我們提供的動態鏈接庫可方便快速的開發出自己需要的運動控制功能。圖1所示為伺服驅動器結構圖。

圖1 伺服驅動器結構圖

3、伺服控制系統設計

    機電一體化的伺服控制系統的結構,類型繁多,但從自動控制理論的角度來分析,伺服控制系統一般包括控制器,被控對象,執行環節,檢測環節,比較環節等五部分。

3.1比較環節

    比較環節是將輸入的指令信號與系統的反饋信號進行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環節,通常由專門的電路或計算機來實現。

3.2控制器

    控制器通常是計算機或PID控制電路,其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理,以控制執行元件按要求動作。

3.3執行環節

    執行環節的作用是按控制信號的要求,將輸入的各種形式的能量轉化成機械能,驅動被控對象工作。機電一體化系統中的執行元件一般指各種電機或液壓,氣動伺服機構等。

3.4被控對象

    機械參數量包括位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對象。

3.5檢測環節

    檢測環節是指能夠對輸出進行測量并轉換成比較環節所需要的量綱的裝置,一般包括傳感器和轉換電路。

4、結論

    對數控機床位置伺服系統所要求的伺服性能進行了分析，并提出了系統穩定運行的可靠性指標，該研究結果可用于伺服數控系統的設計，也可用于現有數控機床的改造以提高其工作精度。本文設計的伺服控制系統性能優越保證了數控機床的運動平穩性及準確性。在運行效果上完全可以和進口伺服系統媲美，在性價比上具有較高的優越性。此設備向客戶充分展示了伺服控制系統的優勢，同時也提高了數控設備在市場上的競爭力。