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50年代發(fā)展起來的一種自動控制技術，是用數(shù)字信號對機床的運動及加工過程進行控制的一種方法。在數(shù)控技術中引進計算機技術，稱為CNC(ComputerNumericalControl)，CNC具有柔性好、功能強、可靠性高、經濟性好以及易于實現(xiàn)機電一體化等特點，使數(shù)控技術在質的方面完成了一次飛躍。

   數(shù)控機床的特點：
  數(shù)控機床是具有兩軸聯(lián)動、半閉環(huán)控制的數(shù)控機床。機床具有高剛性的結構設計和吸震性，以保證高精度的切削加工。對控制進給軸X、Z軸的伺服驅動器及電機要求有高的動態(tài)響應特性及精確的定位精度，使機床的刀架移動快速、穩(wěn)定且定位精度高。
  對于機床的主軸，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計，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效率。

  交流伺服主軸驅動系統(tǒng)與變頻的區(qū)別及工作原理：

  主軸驅動系統(tǒng)是數(shù)控機床的大功率執(zhí)行機構，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，驅動主軸進行切削加工。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、強過載能力的基礎上實現(xiàn)寬范圍無級變速，其次要求在自動換刀動作中實現(xiàn)定角度停止(即準停)，這使加工中心主軸驅動系統(tǒng)比一般的變頻調速系統(tǒng)或小功率交流伺服系統(tǒng)在電路設計和運行參數(shù)整定上具有更大的難度。主軸的驅動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變速但不能準停，需要另外裝設主軸位置傳感器，配合CNC系統(tǒng)PMC (指數(shù)控系統(tǒng)內置PLC)的邏輯程序來完成準停速度控制和定位停止;交流伺服主軸本身即具有準停功能，其自身的軸控PLC信號可直接連接至CNC系統(tǒng)的PMC，配合簡捷的PMC邏輯程序即可完成準停定位控制，且后者的控制精度遠遠高于前者。

  交流伺服主軸驅動系統(tǒng)由主軸驅動單元、主軸電動機和檢測主軸速度與位置的旋轉編碼器3部分組成，主要完成閉環(huán)速度控制，但當主軸準停時則完成閉環(huán)位置控制。由于數(shù)控機床的主軸驅動功率較大，所以主軸電動機采用鼠籠式感應電動機結構形式，旋轉編碼器可以在主軸外安裝，也可以與主軸電動機做成一個整體，主軸驅動單元的閉環(huán)控制、矢量運算均由內部的高速信號處理器及控制系統(tǒng)實現(xiàn)。CNC系統(tǒng)向主軸驅動單元發(fā)出速度指令驅動單元將該指令與旋轉編碼器測出的實際速度相比較，經數(shù)字化的速度調節(jié)器和磁鏈函數(shù)發(fā)生器運算，得到轉子當前的希望力矩與希望磁鏈矢量再分別與實際力矩、磁鏈運算結果相比較，且經過力矩、磁鏈調節(jié)器運算得到等效直流電動機(兩相旋轉軸系)的轉矩電流分量和勵磁電流分量換進入兩相靜止軸系，最后經2/3矢量變換進入三相靜止軸系，得到變頻裝置的三相定子電流希望值，通過控制SPWM驅動器及IGBT變頻主回路使負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)設計：
 數(shù)控車床系統(tǒng)架構
  （1）主軸系統(tǒng)：H600伺服主軸系統(tǒng)（4.5KW）
  （2）進給驅動系統(tǒng)：滾珠絲杠+彈性連軸器+直線滾動導軌+DB100系列伺服驅動系統(tǒng)。

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

  伺服性能分析

   對于主軸伺服H600 快速響應：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、旋轉變壓器。在該機床上的應用H600伺服高效穩(wěn)定性保證了機床的主軸高性能。

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

  結束語：
  使用御能動力H600主軸伺服及DB100通用進給系列驅動器的數(shù)控車床能達到數(shù)控機床設計的性能要求。主軸高速穩(wěn)定，進給軸具有啟停迅速，運行平穩(wěn)、提高切削精度與效率等良好的特點。