伺服系統(tǒng)在數(shù)控車床上的解決方案

  概述：

  控(NumericalControl，簡稱NC)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字信號(hào)對機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。在數(shù)控技術(shù)中引進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，稱為CNC(ComputerNumericalControl)，CNC具有柔性好、功能強(qiáng)、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好以及易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化等特點(diǎn)，使數(shù)控技術(shù)在質(zhì)的方面完成了一次飛躍。

   數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)：
  數(shù)控機(jī)床是具有兩軸聯(lián)動(dòng)、半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床。機(jī)床具有高剛性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和吸震性，以保證高精度的切削加工。對控制進(jìn)給軸X、Z軸的伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)要求有高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及精確的定位精度，使機(jī)床的刀架移動(dòng)快速、穩(wěn)定且定位精度高。
  對于機(jī)床的主軸，必須是高速、高剛性的主軸，有快速的啟停特性，有著高效率及低噪音的設(shè)計(jì)，這樣可以使零件的加工效率高、精度高，高速也就意味著高的生產(chǎn)效率。

  交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與變頻的區(qū)別及工作原理：

  主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的大功率執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其功能是接受數(shù)控系統(tǒng)(CNC)的S碼速度指令及M碼輔助功能指令，驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行切削加工。數(shù)控加工中心對主軸有較高的控制要求，首先要求在大力矩、強(qiáng)過載能力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)寬范圍無級(jí)變速，其次要求在自動(dòng)換刀動(dòng)作中實(shí)現(xiàn)定角度停止(即準(zhǔn)停)，這使加工中心主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比一般的變頻調(diào)速系統(tǒng)或小功率交流伺服系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)整定上具有更大的難度。主軸的驅(qū)動(dòng)可以使用交流變頻或交流伺服2種控制方式，交流變頻主軸能夠無級(jí)變速但不能準(zhǔn)停，需要另外裝設(shè)主軸位置傳感器，配合CNC系統(tǒng)PMC (指數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC)的邏輯程序來完成準(zhǔn)停速度控制和定位停止;交流伺服主軸本身即具有準(zhǔn)停功能，其自身的軸控PLC信號(hào)可直接連接至CNC系統(tǒng)的PMC，配合簡捷的PMC邏輯程序即可完成準(zhǔn)停定位控制，且后者的控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者。

  交流伺服主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由主軸驅(qū)動(dòng)單元、主軸電動(dòng)機(jī)和檢測主軸速度與位置的旋轉(zhuǎn)編碼器3部分組成，主要完成閉環(huán)速度控制，但當(dāng)主軸準(zhǔn)停時(shí)則完成閉環(huán)位置控制。由于數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)功率較大，所以主軸電動(dòng)機(jī)采用鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式，旋轉(zhuǎn)編碼器可以在主軸外安裝，也可以與主軸電動(dòng)機(jī)做成一個(gè)整體，主軸驅(qū)動(dòng)單元的閉環(huán)控制、矢量運(yùn)算均由內(nèi)部的高速信號(hào)處理器及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。CNC系統(tǒng)向主軸驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出速度指令驅(qū)動(dòng)單元將該指令與旋轉(zhuǎn)編碼器測出的實(shí)際速度相比較，經(jīng)數(shù)字化的速度調(diào)節(jié)器和磁鏈函數(shù)發(fā)生器運(yùn)算，得到轉(zhuǎn)子當(dāng)前的希望力矩與希望磁鏈?zhǔn)噶吭俜謩e與實(shí)際力矩、磁鏈運(yùn)算結(jié)果相比較，且經(jīng)過力矩、磁鏈調(diào)節(jié)器運(yùn)算得到等效直流電動(dòng)機(jī)(兩相旋轉(zhuǎn)軸系)的轉(zhuǎn)矩電流分量和勵(lì)磁電流分量換進(jìn)入兩相靜止軸系，最后經(jīng)2/3矢量變換進(jìn)入三相靜止軸系，得到變頻裝置的三相定子電流希望值，通過控制SPWM驅(qū)動(dòng)器及IGBT變頻主回路使負(fù)載三相電流跟隨希望值，就可以完成主軸的速度閉環(huán)控制。

 系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
 數(shù)控車床系統(tǒng)架構(gòu)
  （1）主軸系統(tǒng)：H600伺服主軸系統(tǒng)（4.5KW）
  （2）進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：滾珠絲杠+彈性連軸器+直線滾動(dòng)導(dǎo)軌+DB100系列伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

  （3）系統(tǒng)是合作商杭州正嘉系統(tǒng)610TC
   以下是驅(qū)動(dòng)器與系統(tǒng)各接頭連接圖：

  伺服性能分析

   對于主軸伺服H600 快速響應(yīng)：速度環(huán)250us，位置環(huán)500us, 支持電子凸輪及電子齒輪，支持工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT,支持17位編碼器，多種編碼器接口，支持類型包括：增量式光電編碼器、串行通訊編碼器、正余弦編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器。在該機(jī)床上的應(yīng)用H600伺服高效穩(wěn)定性保證了機(jī)床的主軸高性能。

對于進(jìn)給軸X、Z的伺服性能的要求主要是伺服系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及較高的定位精度。DB100系列伺服基于DSP+FPGA+IPM的硬件平臺(tái)，有著穩(wěn)定性好、可靠性高、響應(yīng)快、操作簡單的特點(diǎn)，速度響應(yīng)頻寬為500HZ；具有共振抑制功能，可以精確調(diào)諧，消除震動(dòng)；控制精度可以達(dá)到1個(gè)脈沖，最大的輸入頻率可以達(dá)到500Kpps，這都很好的保證了進(jìn)給軸所需驅(qū)動(dòng)的要求。

  結(jié)束語：
  使用御能動(dòng)力H600主軸伺服及DB100通用進(jìn)給系列驅(qū)動(dòng)器的數(shù)控車床能達(dá)到數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的性能要求。主軸高速穩(wěn)定，進(jìn)給軸具有啟停迅速，運(yùn)行平穩(wěn)、提高切削精度與效率等良好的特點(diǎn)。