数控伺服系统（精选12篇）
数控伺服系统 篇1
计算机的产生, 推动着各行各业向自动化的方向迅猛发展, 制造业更是如此。上世纪50年代, 第一台数控机床问世发展至今, 数控系统部分已成为数控机床的关键技术。目前正朝着高精度、高速度、高柔性、高可靠性、网络化、复合加工和基于工业PC机的开放式智能数控系统方向发展[1]。传统数控系统为封闭式结构, 缺乏灵活性、没有共同性和标准接口, 其缺点是在原来基础上很难再加入新的控制策略方案和扩展新功能。这种封闭式的数控系统已经不能适应当今制造业市场的变化与竞争, 也不能满足现代制造业向信息化、自动化发展的需要[2]。
上世纪90年代出现了开放式数控系统, 开放式数控系统:具有下列特性的系统可以被称为开放系统, 符合系统规范的应用, 可以运行在多个销售商的不同平台上, 可以与其它系统应用互操作, 并且具有一致风格的用户交互界面[3]。开放式数控系统具有开放性、移植性、扩展性、替代性和操作性等特点[4]。
开发式数控系统从一个全新的角度分析和实现了数控系统的控制功能, 强调向模块化、平台化、工具化、标准化、网络化、智能化和复合化等方向发展[5]。
1 发展现状
1.1 国际发展现状与比较
1.1.1 现状
上世纪90年代, 一些发达国家以设计生产开放式数控系统为目标, 在自动化领域对开放式体系结构做了大量的研发工作, 美国NGC计划、欧盟OSACA计划和日本OSEC计划相继推出了各自的开放式体系结构规范[6]。
1.1.2 比较
总统上看, OSACA和OSEC均采取分层结构的系统平台, OSACA分层结构是按照通用控制系统的功能划分为硬件、系统软件和应用软件三个层次;OSEC分层结构是按照数控系统控制功能划分的;OMAC则不指定固定的基础体系结构, 通过定义从类和模块形成控制系统的基本要素[7~8]。
1.2 国内发展现状
我国数控技术起步于1958年, 50多年的发展历程大致可分为三个阶段[9~11], 见表1。
目前国内已有的开放式数控系统有四种:华中Ⅰ型和中华Ⅰ型是将数控专用模板嵌入通用PC机构成的单机数控系统;航天Ⅰ型和蓝天Ⅰ型是将PC机嵌入到数控系统之中构成的多机数控系统。国内其它单位也都先后加入了开放式数控系统的开发, 如:沈阳数字控制股份有限公司的S-PBC数控系统;北京机床研究所引进德国PA公司PA8000技术, 对其进行开发;南京航空航天大学研制的超人计算机数控系统上海第三机床厂推出具有自主知识产权的PC平台开放式数控系统。
国内的开放控制系统各有优点, 但还不具备开放式数控系统的本质特征, 仍有许多需要改进之处。
2 基于PMAC运动控制卡的开放式数控系统
开放式数控系统如完全依赖于PC机就会受到其计算能力的限制, 阻碍系统向高速和高精方向发展。20世纪80年代末, 基于DSP的运动控制技术的突破, 为开放式数控系统的发展提供了极好的机遇[12]。
自开放式数控系统的概念出现以来, 基本形成了“PC嵌入NC”、“NC嵌入PC”和纯PC型开放式数控系统。而“NC嵌入PC”结构辅之以运动控制卡 (于1994年在美国出现如Delutan公司的PMAC, PMAC的硬件和软件的结构都具一定的开放性[13~14]) , 其特点是灵活性好, 功能稳定, 还可共享计算机上的资源, 成为当前最理想的数控系统。
3 开放式数控系统的应用案例[15]
(1) 德国Andron公司。Andronic 2060数控系统是该公司的新产品, 它是新一代基于微机的、在Windows平台上的开放式系统, 上海机床集团公司生产的曲轴磨床就采用该系统。 (2) 南京四开电子企业公司。SKY2006型数控系统是南京四开电子企业公司基于Windows平台的开放式数控系统, 采用通用X86工业PC进行数控运算。
4 结语
我国近20年来对数控系统研究投入了大量的人力和无力, 取得了一些研究成果, 并在实际应用中获得了显著的经济效益。但是, 目前主要依靠进口和合资的局面没有改变。因此, 我们要把握好契机, 开发出能与国际数控技术相媲美的开放式数控系统, 提高我国民族数控产业在国际市场上的竞争能力。
摘要：传统的数控系统由于体系是封闭的, 不能满足用户对产品的兼容性等要求, 而开放式数控系统解决的这一问题。本文概述了开放式数控系统的产生、发展与趋势。
关键词：开放式,数控系统,运动控制卡
数控伺服系统 篇2
数控就是数字控制，也就是利用数字化信息对机床轨迹和状态实行控制。
数控系统的组成：输入/输出装置、数控装置、伺服系统（驱动控制装置）、机床电器控制装置。机床坐标系：右手笛卡尔。Z轴平行机床主轴，正方向为工件到刀具夹持的方向。X轴为水平的、平行于工件装夹平面的轴，平行于主切削方向，且以此为正向。
机床零点（机床原点、机械原点）M是机床坐标系的设计原点。机床参考点（电气原点）R是机床制造厂在机床上设置的。工件原点W是变成人员在编写数控的加工程序时为定义工件尺寸，在工件上选择的坐标原点。
4数控系统的分类：按照数控机床的运动轨迹为点位数控系统、直线数控系统、轮廓数控系统；按照数控机床的伺服系统为开环数控系统、全闭环数控系统、半闭环数控系统。（区别:开环不带检测装置，也无反馈电路控制简单，调试维修方便，价格比较低廉，但是精度和速度受到限制。全闭环带有位置检测反馈装置，具有很高的精度和速度，设计和调试困难，系统稳定性难以保证。半闭环的也带有位置检测反馈装置，环路短，刚性好，调试方便，容易获得稳定的控制特性）。
5数控机床的特点：能加工复杂型面的零件，具有较强的适应性和柔性；可以保证高的加工精度，并且产品质量稳定，一致性好；较高的生产效率；可以改善生产条件减轻劳动强度；便于联网实现现代化管理以及规模大的自动化生产。
6DNC分布式数字控制：柔性自动生产线、柔性制造单元、柔性制造系统、计算机建成系统。信息流处理过程：输入、译码、诊断、刀补计算、速度处理、插补计算、位置控制。现代数控系统具有单元功能和通信功能。
7数控加工程序的输入方法：纸带阅读机输入、键盘方式输入、存储器方式输入、通信方式输入。
8译码：将输入的数控加工程序翻译成CNC装置能识别的代码形式。
9译码过程包括代码的识别（通过软件将加工程序缓冲器中的内码读出，并判断该数据的属性）和功能码的翻译（建立一个与数控加工程序缓冲器相对应的译码结果缓冲器，考虑缓冲器的规模，约定存储格式）。
10数控加工程序的诊断包括：语法错误现象、逻辑错误现象。
11刀具补偿：通过数控系统计算偏差量，并将控制对象由道具中心或刀架参考点变换到刀尖或刀刃边缘上，以满足加工需要的变换过程。
12刀具补偿包括：刀具长度补偿、刀具半径补偿。13，0-180为外拐角，180-360为内拐角。
转接过渡方式：插入型0-a-90;伸长型90-a-180；缩短型180-a-360 插补：就是根据零件轮廓尺寸，结合精度和工艺等方面的要求，在已知刀具中心轨线转接点之间插入若干个中间点的过程。
插补算法：1脉冲增量插补算法2数字采样插补算法 提高插补精度的措施：半加载法
数控机床用伺服驱动装置分为开环和闭环两大类。
步进电动机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机索能带动负载转矩将逐渐下降。速度控制中，实现延时的方法：纯软件延时，定时中断延时 自动升降速方法分为定时法和定步法。
闭环位置控制的概念：位置传感器，将机械位移转化为数字脉冲，并送至位置测量借口，由计数器进行计数。计算机以固定周期对反馈值采样，与插补程序所输出的结果进行比较。得到位置误差。经软件增益放大，输出给数模转换器，为伺服装置提供控制电压，驱动工作台向减少误差方向移动。
闭环数控系统中，进给驱动装置与数控装置之间的信号连接方式：模拟电压控制方式，指令脉冲控制方式，现场总线数字量控制方式。
一般参数有：倍频数与分辨率；正负向存储行程极限；间隙与螺距误差；快速移动速度与最大切削进给速度；机床参考点的坐标值；到位范围（取值范围为10微米左右）。
升降速参数（进给轴运动的速度变化可分为无升降速，直线升降速，指数升降速）：直线升降速时间；指数升降速时间；
返回参考点参数，单向定位参数报警保护参数设定。
在进给传动链中，存在反转间隙误差；解决方法：传动反转间隙补偿。
螺距误差补偿：原理是将数控机床某轴的指令位置与高精度位置测量系统所测得的实际位置相比较，计算出在全行程上的误差分布曲线，将误差以表格的形式输入数控系统中。
数控装置硬件结构：其硬件结构按CNC装置中各印制电路板的插接方式不同分为大板式结构，功能模块式结构；按CNC装置硬件的制造方式不同分为专用型结构和个人计算机式结构；按CNC装置中微处理器的个数不同，可以分为单微处理器结构和多微处理器结构。
数控系统软件结构：前后台型软件结构，多重中断型软件结构，功能模块型软件结构。数控系统中软件所承担的任务：管理任务和控制任务。
现代数控对主轴驱动的要求：
1、较宽的调速范围
2、数控机床主轴的变速是依指令自动进行的，要求能在较宽的调速范围内能进行无极调速，并减少中间传递环节，简化主轴箱
3、要求主轴在整个范围内均能提供切削所需功率，并能尽可能的在全速度范围内提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽4.要求有四象限驱动能力，并且加减速时间短5.要求主轴具有高精度的准停控制6,，在车削中心上，要求主轴具有旋转进给轴的控制功能。
分段无极变度：数控机床采用的1~4挡齿轮变速与无极调速相结合的方式, 主轴准停功能又称主轴定位功能，即当主轴停止时，控制其停于固定位置，这是自动换刀所必须的功能。分为：机械准停和电气准停。
PLC介于数控装置和机床之间，实现M、S、T功能以及数控机床外围辅助电器的控制。特点：面向工业现场，具有更多功能更强的I/o接口和面向电气工程技术人员的编程语言。由：cpu、存储器、输入输出单元、编程器、电源和外部设备等组成。
在现代数控系统中，采用PLC实现控制是可分为：内装型和独立型。
内装型PLC指PLC内含在CNC装置内，从属于CNC装置，与CNC装置集于一体，PLC的硬件和软件都被作为CNC系统的基本功能统一设计，并且其性能指标也由CNC系统来确定。特点：内装型PLC与CNC系统的软硬件作为一整体设计的，结构紧凑，plc的功能针对性强技术指标合理、实用，适用于单台数控机床及加工中心。
独立型Plc，完全独立于CNC装置，具备完备的硬件和软件，能够独立完成CNC系统所要求的控制任务。独立型PLc与通用型完全相同，一般采用中形或大型plc PLc中信息交换：CNC传送给PLC信息（CNC内部状态信息PlC只读），功能代码MST,手动/自动方式及各种方式及各种适能信息；Plc传送给CNC信息（plc发向CNC的控制请求，PLC读/写）数控系统控制方式选择，坐标的使能；进给率，电动控制及MST应答信息；Plc发向机床的信号（机床的执行元件的控制信号）；机床发向Plc的信号（机床控制面板个按钮开关，各种检测监视信号）
4.CNC与PLC的信息交换：通过激活标志器在ＣＮＣ中产生信息；通过PLC标志器对ＣＮＣ中变量进行读写或修改；执行M/S/T功能过程中对Ｒ２０１－Ｒ２０３的内容进行更新
数控伺服系统 篇3
随着国民经济快速的发展，汽车、船舶、工程机械、航空航天等行业将为我国机床行业提供巨大的需求。预计到2015年，我国数控机床所需的数控系统需求将达到40万台套以上（不包含进口机床所配套数控系统），其中中高档占比预计在60％左右，数控系统市场需求将超过92亿元。
《高档数控机床与基础制造装备》国家科技重大专项要求，到2020年，我国将实现高档数控机床主要品种立足于国内：航空航天、船舶、汽车、发电设备制造所需要的高档数控机床与基础制造装备80％实现国产化；国产中、高档数控机床用的国产数控系统市场占有率达到60％以上：高档数控系统市场占有率将从现在的1％提高到20％。
正是基于这些需求，中国机床工具工业协会副理事长、数控系统分会理事长陈吉红表示，数控系统行业“十二五”努力的方向是：抓住行业发展的重要战略机遇，以发展数控机床为主导、主机为龙头、完善配套为基础，重点突破数控系统和功能部件薄弱环节，加快高档数控机床产业化。依托科技重大专项，坚持科技进步和自主创新。加强创新人才队伍建设，提升企业核心竞争力，推动我国由机床工具生产大国向强国转变。
数控系统的三种发展模式
长期以来，我国数控系统与数控机床的发展呈现“两张皮”的现象比较突出。两者没有形成互相支持、互相促进和共同进步的局面，也没有形成开发与应用产业联盟和利益共同体的战略合作关系，这不仅制约我国数控机床产业的发展和市场竞争力，更制约了我国数控系统行业的发展。
陈吉红介绍说，目前，国际上发展数控系统产业有三种模式，每种模式各有优劣。
西门子模式：系统厂专业生产各种规格的数控系统，提供各种标准型的功能模块，为全世界的主机厂提供批量配套。这种模式的优点是：主机厂和系统厂发挥各自的优势，有利于形成专业化、规模化生产。缺点是：系统厂和主机厂主要是买卖关系，双方结合不够紧密主机厂为了保护自己的知识产权，不太愿意将这些特色技术提供给系统厂。
哈斯模式：主机厂独立开发数控系统，并与其自产的数控机床配套销售。这种模式的优点是：主机销售带动系统推广；其缺点是：主机厂独有品牌的数控系统很难被其他主机厂选用。
马扎克模式：主机厂在系统厂提供开发平台上，研发自主品牌的数控系统，并与所自产的数控机床配套销售。这一模式既避免了“西门子模式”和“哈斯模式”可能出现的缺点，又发扬了其自身的优点。这使得主机厂所需要的特殊控制要求、加工工艺和使用特色要求可方便地融入到数控系统中：主机厂用较少的投入，形成了自己的特色技术、知识产权和数控系统产品；主机厂自主品牌的数控系统的推广，还可以进一步强化主机厂的机床品牌，增加用户对主机厂的忠诚度；降低主机厂采购数控系统的成本同时带动数控系统产业的发展。
“根据多年经验分析，马扎克模式是主机厂发展数控系统产业最适合的模式，数控系统厂和机床厂以资产为纽带，建立战略合作关系，实现主机厂、系统厂、用户多方共赢。”陈吉红举例说，“十一五”期间，华中数控积极与大连机床、北一机床、武重集团、南通机床等重点机床企业建立战略合作关系，大大促进了中高档国产数控机床和数控系统发展。如华中数控与大连机床以资产为纽带，建立战略合作伙伴关系，在华中数控系统开放式平台的基础上，大连机床集成了用户工艺，开发特色功能和界面，研制了“大连数控”品牌的数控系统。这使得大连机床的整机性价比得到提高，用户得到了实惠，也改变了大连机床以往中、高档机床全部配置国外系统的状况。
为与主机全面配套奠定基础
“十一五”期间，国家启动实施《高档数控及基础制造装备》国家科技重大专项，国产数控系统技术水平和可靠性都取得了显著提升。陈吉红说，数控系统的研制与开发在关键技术方面取得了明显突破，已在国产机床上得到应用，为与主机全面配套奠定了基础。
例如，“十一五”期间，华中数控研制的五轴联动高档数控系统填补国内空白，打破国外封锁，300台五轴系统在军工等重点行业使用。基于“高档数控装置”、“国产CPU”、“全数字驱动及电机”三个重大专项课题研制而成的华中HNC-8型总线式高档数控系统，采用开放式软硬件体系结构及总线技术。目前，华中8型数控系统已与10类44台重大专项高档数控机床配套应用，主要技术指标已与国外高档数控系统相当。
广州数控研制的全数字高档数控系统具有高速程序预处理、多通道多轴联动控制、多通道及复合加工控制、等功能，系统基于工业以太网，具有自主知识产权的高速实时串行总线协议GSK—Link，支持EtherCAT，NCUC-Bus、GSK—Link三种协议的高速实时串行总线。
沈阳高精数控研制的高档数控系统系统，为基于多处理器，支持8通道、8轴联动、64轴控制，最小控制分辨率1纳米，具有7200段／秒、2000段前瞻的高速处理功能，可与5轴联动高速加工中心等数控机床配套应用。
大连光洋数控研制的总线数控系统，强大的多通道控制能力；优秀的五轴加工能力，支持多种五轴机床结构，支持斜面加工、定向退刀，支持3维刀具半径补偿；高速高精度控制。配合伺服驱动，可适配0.75～110KW交流同步伺服电机、交流异步主轴电机、力矩电机、直线电机；基于新一代光纤现场总线。
技术与市场差距
“十一五”期间，国产高档数控系统技术有了突破，但和国外高档数控系统相比，差距依然较大，陈吉红认为一方面是技术方面的差距。首先，产品在功能上存在差距：功能还不够完善，在实际应用中验证还不全面，在高速、高精、多通道控制、双轴同步控制等技术上不足；第二，产品的系列化不足：产品品种不齐、规格不足、成套性差、机电接口不一，影响配套。第三，产品的应用验证不够：产品生产完成后验证考核数量、时间不够，可靠性测试结果不能令人信服；第四，产业尚未起步：由以上等原因，导致产品的市场占有率偏低，用户认可度不高。
另一方面，是市场方面的差距。据工信部发布的《机床工具行业“十二五”发展规划》显示，“十一五”期间，数控系统发展滞后已成为制约行业发展的瓶颈。国产中档数控系统国内市场占有率只有35％，而高档数控系统95％以上依靠进口。
因此，为解决与国外高档数控系统的差距，需要通过在数控系统的关键共性技术、应用技术上取得突破，以此带动国产中高档数控系统的生产。陈吉红建议说，首先，以利益为纽带，整合国内的技术和人力资源，集中国家的财力支持建立国产数控系统软件、硬件和共性技术研发平台。建立技术研发管理机制，建立软件开发的质量管理体系（CMM）。
其次，加大在高档数控系统、数字交流伺服驱动自主技术研发的支持力度。组织国内数控系统企业制订下一代高档数控系统标准体系结构的规范和协议，形成中国数控系统的国家标准，从战略高度解决我国数控系统产业的发展瓶颈问题。
龙门式数控钻床数控系统设计 篇4
1.1 数控系统的组成
数控装置、输入输出装置和伺服驱动是数控系统三个基本的组成部分。机床各轴的运动受数控系统的控制，因此数控系统是数控加工设备的核心部件。数控装置是由输入输出数据线、运算器、存储器以及各部分的连接线等部件组成；输入和输出装置是由键盘、监视器、手控盒、各种指示灯和检测开关等部件组成。伺服系统由伺服电机、驱动器和反馈装置等组成，如图1所示。
输入输出装置的主要功能输入加工零件的专用数控加工程序，以及可以在面板或指示灯上显示加工零部件时机床的状态。
数控系统主要通过数据运算控制或时序逻辑控制来实现对机床运动部件的运行速度、运行位置、和角度进行控制，并且对机床运行时的相关系统的温度、流量和压力等信息进行实时监控以保证机床的运行。数控系统通过对伺服系统的控制来实现对机床运动的控制。控制流程为：(1)数控系统发出的指令信号；(2)该信号经数控模块的变换和放大；(3)伺服驱动装置得到指令控制伺服电机运转执行该指令；(4)伺服电动机运转实现了数控机床工作台等部件的移动；(5)通过预设的检测元件，将运动部件的位置、速度和角度等信息回传给数控系统，系统将收到的信息与发出指令相比较对偏差进行修正，保证了设备的精度。
1.2 数控系统的设计方案
FANUC0i-TD系统广泛的应用于数控机床；该系统是CNC、PMC、MMC三位一体的数控装置，具有最大控制4个轴的强大功能，结构上采用模块式结构，具有体积小，集成度高，可靠性高，性价比高的特点。因此本方案的数控系统采用FANUC0i-TD数控系统，该数控系统主要有以下三部分组成：(1)控制面板：包含了操作键盘和面板、彩色显示器、可供程序传输的多种载体的专用接口；(2)各轴伺服电机以及与其相匹配的专用伺服控制器或运动控制器；(3)手控盒单元：包含了点动和手摇等旋钮；(4)为避免因距离不当所导致的信号衰减和失真问题，本设计将PMC安装在操作面板后，配以智能位置控制卡，保证系统运转稳定。
2 数控系统的硬件连接
数控单元通常由数控专用的可编程控制器；可以输入编制加工程序的键盘；带有点动或手摇装置的手持单元；可以观测到机床状态的面板和驱动各轴的伺服动机以及与之匹配的驱动器，如图2所示。
数控系统通过现场总线与伺服系统中的驱动器进行通信，并与伺服电机的反馈装置编码器构成半闭环控制。机床运行时，操作人员通过控制面板输入控制指令或加工程序，数控系统通过对指令或加工程序的分析处理后，发出逻辑控制指令并向伺服系统中驱动器发出控制指令，实现对机床的控制。因此为保证机床运行的可靠性，设计时应考虑接口的匹配性和可靠性。并应按照电气技术图进行连接。
3 PLC与数控系统
确保机床内部元件安装正确后，需对设备进行联机调试。按照设计功能需求，设计对应的PLC程序并调试。着重检测各执行元件、各输入输出信号的正确性。数控机床的PLC程序与数控系统中各部分的关系如图3所示。
4 结束语
文章阐述机床数控系统的组成，以及相关部件的组成。文章设计的机床采用FANUC 0i-TD系统并给出了龙门式数控钻数控系统的硬件进行连接，对于应用FANUC0i-TD系统的机床设计和调试有一定的借鉴意义。
摘要：设有数控系统并能通过数字信息技术对机床动作进行控制的机床称为数控机床。龙门式数控钻床是目前机械制造业保证产品高精度、高生产率、高质量的有效保证手段。而龙门式数控钻床性能的优良在一定程度上取决于数控系统的性能。
关键词：FANUC0i-TD,数控系统,方案
参考文献
[1]舒志兵.交流伺服运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2006.
数控系统的维护与保养 篇5
一、数控系统的使用
检查为了避免数控系统在使用过程中发生一些不必要的故障，数控机床的操作人员在操作在使用数控系统以前，应当仔细阅读有关操作说明书，要详细了解所用数控系统的性能，要熟练掌握数控系统和机床操作面板上各个按键、按钮和开关的作用以及使用注意事项。一般说来，数控系统在通电前后要进行检查。
1.数控系统在通电前的检查
为了确保数控系统正常工作，当数控机床在第一次安装调试或者是在机床搬运后第一次通电运行之前，可以按照下述顺序检查数控系统：
(1)、确认交流电源的规格是否符合CNC装置的要求，主要检查交流电源的电压、频率和容量。
(2)、认真检查CNC装置与外界之间的全部连接电缆是否按随机提供的连接技术手册的规定，正确而可靠地连接。数控系统的连接是指针对数控装置及其配套的进给和主轴伺服驱动单元而进行的，主要包括外部电缆的连接和数控系统电源的连接。在连接前要认真检查数控系统装置与MDI/CRT单元、位置显示单元、纸带阅读机、电源单元、各印刷电路板和伺服单元等，如发现问题应及时采取措施或更换。同时要注意检查连接中的连接件和各个印刷线路板是否紧固，是否插入到位，各个插头有无松动，紧固螺钉是否拧紧，因为由于不良而引起的故障最为常见。
(3)、确认CNC装置内的各种印刷线路板上的硬件设定是否符合CNC装置的要求。
这些硬件设定包括各种短路棒设定和可调电位器。
(4)、认真检查数控机床的保护接地线。数控机床要有良好的地线，以保证设备、人身安全和减少电气干扰，伺服单元、伺服变压器和强电柜之间都要连接保护接地线。
只有经过上述各项检查，确认无误后，CNC装置才能投入通电运行。
2.数控系统在通电后的检查
数控系统通电后的检查包括：
(1)、首先要检查数控装置中各个风扇是否正常运转，否则会影响到数控装置的散热问题。
(2)、确认各个印刷线路或模块上的直流电源是否正常，是否在允许的波动范围之内。
(3)、进一步确认CNC装置的各种参数。包括系统参数、PLC参数、伺服装置的数字设定等，这些参数应符合随机所带的说明书要求。
(4)、当数控装置与机床联机通电时，应在接通电源的同时，作好按压紧急停止按钮的准备，以备出现紧急情况时随时切断电源。
(5)、在手动状态下，低速进给移动各个轴，并且注意观察机床移动方向和坐标值显示是否正确。
(6)、进行几次返回机床基准点的动作，这是用来检查数控机床是否有返回基准点的功能，以及每次返回基准点的位置是否完全一致，
(7)、CNC系统的功能测试。按照数控机床数控系统的使用说明书，用手动或者编制数控程序的方法来测试CNC系统应具备的功能。例如：快速点定位、直线插补、圆弧插补、刀径补偿、刀长补偿、固定循环、用户宏程序等功能以及M、S、T辅助机能。
只有通过上述各项检查，确认无误后，CNC装置才能正式运行。
二、数控装置的日常维护与保养CNC系统的日常维护主要包括以下几方面：
1.严格制订并且执行CNC系统的日常维护的规章制度
根据不同数控机床的性能特点，严格制订其CNC系统的日常维护的规章制度，并且在使用和操作中要严格执行。
2.应尽量少开数控柜门和强电柜的门
因为，在机械加工车间的空气中往往含有油雾、尘埃，它们一旦落入数控系统的印刷线路板或者电气元件上，则易引起元器件的绝缘电阻下降，甚至导致线路板或者电气元件的损坏。所以，在工作中应尽量少开数控柜门和强电柜的门。
3.定时清理数控装置的散热通风系统，以防止数控装置过热
散热通风系统是防止数控装置过热的重要装置。为此，应每天检查数控柜上各个冷却风扇运转是否正常，每半年或者一季度检查一次风道过滤器是否有堵塞现象，如果有则应及时清理。
4.注意CNC系统的输入/输出装置的定期维护
例如CNC系统的输入装置中磁头的清洗。
5.定期检查和更换直流电机电刷
在20世纪80年代生产的数控机床，大多数采用直流伺服电机，这就存在电刷的磨损问题，为此对于直流伺服电机需要定期检查和更换直流电机电刷。
6.经常监视CNC装置用的电网电压
CNC系统对工作电网电压有严格的要求。例如FANUC公司生产的CNC系统，允许电网电压在额定值的85%～110%的范围内波动，否则会造成 CNC系统不能正常工作，甚至会引起CNC系统内部电子元件的损坏。为此要经常检测电网电压，并控制在定额值的–15%～10%内。
7.存储器用电池的定期检查和更换
通常，CNC系统中部分CMOS存储器中的存储内容在断电时靠电池供电保持。一般采用锂电池或者可充电的镍镉电池。当电池电压下降到一定值时，就会造成数据丢失，因此要定期检查电池电压。当电池电压下降到限定值或者出现电池电压报警时，就要及时更换电池。更换电池时一般要在CNC系统通电状态下进行，这才不会造成存储参数丢失。一旦数据丢失，在调换电池后，可重新就参数输入。
8. CNC系统长期不用时的维护
当数控机床长期闲置不用时，也要定期对CNC系统进行维护保养。在机床未通电时，用备份电池给芯片供电，保持数据不变。机床上电池在电压过低时，通常会在显示屏幕上给出报警提示。在长期不使用时，要经常通电检查是否有报警提示，并及时更换备份电池。经常通电可以防止电器元件受潮或印制板受潮短路或断路等长期不用的机床，每周至少通电两次以上。具体做法是：
首先，应经常给CNC系统通电，在机床锁住不动的情况下，让机床空运行。其次，在空气湿度较大的梅雨季节，应天天给CNC系统通电，这样可利用电器元件本身的发热来驱走数控柜内的潮气，以保证电器元件的性能稳定可靠。生产实践证明，如果长期不用的数控机床，过了梅雨天后则往往一开机就容易发生故障。
此外，对于采用直流伺服电动机的数控机床，如果闲置半年以上不用，则应将电动机的电刷取出来，以避免由于化学腐蚀作用而导致换向器表面的腐蚀，确保换向性能。
9.备用印刷线路板的维护
对于已购置的备用印刷线路板应定期装到CNC装置上通电运行一段时间，以防损坏。
10. CNC发生故障时的处理
数控伺服系统 篇6
Abstract： the degree of servo system of n c machine tool adjustment profoundly influence on the performance of the machine tool processing. Adjustment of CNC machine tool servo system mainly includes the regulation of machine tool vibration and adjust the servo system of n c machine tools machining precision two aspects .Most of the nc machine tool when use not more optimization setting， combined with the numerical control machine tool in the use of some of the instruments and equipment during the period of change， causing the appearance of the larger error. Elaborates the articles on this basis， in， on the basis of the characteristics of servo system， puts forward some measures to improve the performance of servo system， and the future development direction of the servo system are expounded.
关键词：数控机床；伺服系统；加工精度；优化调整
Key words： CNC machine tools； Servo system； The machining accuracy； Optimizing adjustment
1.前言
伺服系統的数控机床调整程度的好坏对于机床的加工性能有着极大地影响。调整数控机床的伺服系统主要包括抑制机床振动和调整加工精度两个方面。大多数的数控机床在使用时未能进行更加优化的设定，加之数控机床的在使用期间的一些仪器设备的变化，导致较大的误差的出现。在进行伺服系统的调试优化之前应先进行系统的各项功能的了解，进一步进行系统的优化。
2.数控车床伺服系统的主要工作性能
进行伺服系统控制的数控机床最重要的功能是保证输出的速度和距离能够准确的符合输入的要求。伺服系统主要包括速度控制环、电流控制环和位置控制环三环控制系统这三个系统。伺服系统性能的最佳状态能否达到主要体现在以下几个方面。
首先是动态特性。稳定的控制系统在受到外加控制信号或其他扰动信号干扰作用之后，系统恢复原状态或者达到一个新平衡状态，不过因为系统机械部分、电路板块等诸多因素的限制，系统的各信号不能瞬时恢复平衡或者达到新的平衡，而是要经历一个动态的过程。伺服系统的动态特性即是反映在这个过程之中，这种特性表达的是系统跟踪控制信号或抑制扰动速度的快慢、系统响应过程的振荡大小及平稳的程度。
其次是稳定性。伺服系统的稳定性是指伺服系统恢复到原来平衡状态或者新的平衡状态的能力。由于实际的系统是存在惯性的，自然就将导致延迟性的发生。因而一个控制系统必须具有一定的稳定充裕的量值，系统才能进行正常工作。此外当系统参数发生某些变化时，伺服系统的稳定性能够使系统保持稳定。
最后是稳态特性（准确性）。系统的稳态特性主要体现在系统的准确性上，准确性所描述的东西就是系统在受到干扰之后到达一个平衡状态（新的平衡状态或者原来的平衡状态）最终保持的精度，其评价的主要指标是稳态误差。
3.数控机床伺服系统的调试技术
数控机床伺服系统的调试技术主要包括两个方面的技术手段：一方面是机床振动的控制和调节；另一方面是伺服系统的加工精度上的调整。下面主要从这两方面进行伺服系统的调整。第一是对数控机床伺服系统振动的调整。根据伺服系统的数控机床基本知识可以知道，伺服速度环增益提高了，机床伺服环的响应速度也就相应的提高了，减小了由于伺服延时带来的位置误差，使机床加工精度提高，同时速度环增益过高又会导致机床系统的不稳定，产生震动。因此在调整抑制振动时候的原则是在使用HRV滤波器避免系统振动的同时尽量提高速度增益。第二是调整数控机床伺服系统加工精度。在尽量提高速度增益并且得到符合要求的频率响应图后，就可以进行高速、高精的加工调整。首先是高速、高精度相关参数初始设定：选用FANUC 21MB系统的AI先行控制（AI-APC）高速、高精度功能。而后进行进一步细调：第一步基于圆弧的调整、第二步进行基于四角的调整、第三步是基于带有1/4圆弧的四角形状的调整。
4.伺服系统的数控机床参数调试技术的发展方向
从大量的文献之中我们可以发现，国内外的学者对伺服驱动参数调试技术发展方向的看法主要集中在以下两个上面：第一个是手动调整方向和第二个是自动调整方向。一方面是测试系统的性能而后进行一定量的测试，得到各项参数的不足之后进行手动的调整以此来提供一些直观的数据。另一方面是则是通过一定量的参数设定，而后根据不同的实际情况进行参数变化的自行调整，称为自动调整。主要发展趋势如下所述：
首先是直观。各种伺服调整工具的基本功能之一就是将各项所需要的数据展现出来，使伺服驱动系统进行测试时将被测系统性能以性能曲线的方式进行反映，更好的为调试人员手动调整参数提供事实依据。因而伺服参数调整工具的发展趋势之一简单的就是说更加的可视化，能够清晰明了的看出各项所需要的数据。
其次是自动。智能化、自动化是伺服调整工具发展的另一方向，目的就是使伺服系统的数控机床能够更加的智能，不需要过多的人力进行修改和完善，较少人力的投入，提高其效率。首先，伺服调整工具的使用应尽量减少人的参与，也就是说用户只需输入很少的参数就可以完成整个调试过程；其次，尽可能满足普通大众能够操作此系统的要求，即之前的调试工作只能有专业人员来完成，而在使用调试工具之后，未经培训的操作者亦能够同水平的完成。
最后是集成。集成是为了提高调试的效率，伺服调整工具应该提供一整套的功能完善的集成环境，使用户能够在使用期间只要通过这一套集成环境就能够做到完成伺服系统调整的整个过程，而在这个过程中无需专业人员进行指导。
5.总结
伺服系统的数控机床调整程度的好坏对于机床的加工性能有着极大地影响。调整数控机床的伺服系统主要包括抑制机床振动和调整加工精度两个方面。进行伺服系统的调试优化之前应先进行系统的各项功能的了解，进一步进行系统的优化。本文根据数控机床伺服系统自身性能及其特点，研究数控机床伺服系统的性能，对伺服驱动性能的优化提出了一些建设性的意见。最后对数控机床伺服系统参数调试技术的发展方向进行了阐述。
参考文献：
[1]陈芳，朱仕学. 数控机床伺服参数设定与调整[J].机床与液压，2009，（7）：53-55.
[2]夏燕兰. 数控机床伺服系统的性能调整与改进[J].微电机，2011，（12）：83-86.
作者简介：
数控位置伺服系统控制策略研究 篇7
数控系统朝向高速高精度发展,是数控机床适应现代先进制造技术发展的必然趋势。高速高精度加工技术对数控机床的数控系统和伺服控制的性能提出了更高的要求。高性能的数控系统和高精度的位置控制策略是提高数控机床加工精度和加工效率的关键要素。高精度的位置伺服控制系统既要有良好的动态响应能力和静态稳定性,又要有很强的抗干扰能力,即鲁棒性[1]。传统位置伺服控制通常采用PID控制方法[2],但是在数控机床高速加工过程中,位置伺服控制系统是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象,基于经典控制理论的控制方法,在参数匹配良好的情况下可以获得较好的性能,一旦系统参数发生变化或者受到内在或外界的干扰,将导致控制性能下降[3]。因此,单纯的PID控制方法,不适合应用于高速高精度数控机床的位置伺服控制系统。为了提高位置伺服控制的性能,文献[4]使用了一种神经网络IP位置控制器,有效地改进了IP控制器的抗干扰性,取得了较好的控制效果;文献[5]结合神经元的自学习能力,设计了一种神经元离散滑模结构的位置伺服控制算法,削弱了常规滑模结构控制中的抖振现象,使得系统性能得到了提高;文献[6]提出一种神经网络与变结构相融合的控制策略并用于非线性机器人控制,提高了系统的鲁棒性。虽然这些方法对系统的性能有了一定的改善,但是这些方法存在控制复杂、计算量大和实时性较差等缺点,因此不能很好地满足高速高精度数控机床位置伺服控制的实时性要求。
近年来,许多研究人员致力于预测控制和模糊逻辑控制的研究,它们已成为智能控制领域的研究热点之一。文献[7]提出了一种多电机多模型动态矩阵预测控制算法,对多电机的同步控制效果较好。文献[8]采用阶跃响应法建立控制对象的数学模型,将预测控制的思想用于位置跟踪系统的控制,所设计的控制器具有较好的跟踪性能和鲁棒性能。文献[9]针对永磁同步电机交流伺服系统,采用模糊控制方法进行控制,与常规PID控制的交流伺服系统相比,具有良好的动态响应能力、稳态性能以及较强的鲁棒性。文献[10]针对永磁直线同步电机伺服系统参数不确定性设计了一种自构式反馈模糊神经网络控制器,结果表明控制系统具有较强的鲁棒性。因此,预测控制和模糊逻辑控制具有良好的控制性能。
本文采用模糊推理和预测控制相结合的控制策略,提出一种基于模糊推理的广义预测控制方法对数控位置伺服控制系统进行控制。采用广义预测控制方法对数控位置伺服控制系统设计位置广义预测控制器,根据实际反馈偏差及其变化率,采用模糊逻辑推理方法进行自适应的调整控制量,从而有效地提高了位置伺服控制系统的动态响应能力、稳态性能和鲁棒性。
1 数控位置伺服控制模型
数控位置伺服控制系统由位置环、速度环和电流环等组成,其结构如图1所示。由于控制对象的结构、参数和环境具有不确定性,往往很难从机理上获得系统的精确的数学模型。为了建立特定应用场合的被控对象的数学模型,需要根据系统的输入和输出数据对控制系统的结构、参数和模型进行辨识,从而获得位置伺服控制系统的模型,模型表达式为
y(k)=f(y(k-1),y(k-2),…,y(k-n),
u(k-1),u(k-2),…,u(k-m)) (1)
式中,u和y分别为系统的输入和输出;n和m分别为系统阶次和输入阶次。
将式(1)进行时间序列离散化处理,可以得到系统的差分方程形式的表达式:
根据文献[11]和[12]中的利用输入和输出数据进行系统模型辨识的思想,本文采用网格搜索算法和递推最小二乘法相结合的思想对控制系统的模型结构和模型参数进行辨识,从而可以获取数控位置伺服控制系统的数学模型。
1.1 模型结构辨识
模型结构辨识主要是确定系统的系统阶次n和输入阶次m。采用网格搜索算法对控制系统的模型结构辨识就是将系统阶次n和输入阶次m分别取N个值和M个值,对N×M个(n,m)的组合利用递推最小二乘法的方法进行寻优求解,使目标函数值最小。以施耐德400W十字平台中的一个轴作为被控对象进行结构辨识,以辨识建立的数学模型表达式和输出数据的均方误差mse为目标函数,其表达式以及系统满足的条件如下:
xi=[y(i-1) y(i-2) … y(i-n)
u(i-1) u(i-2) … u(i-m)]
式中,f(xi)为辨识建立的数学模型;yi为采集的输出数据。
在MATLAB软件平台下导入输入和输出数据,并经过模型结构辨识算法得到的辨识结果为
1.2 模型参数辨识
经过模型结构辨识后,模型的表达式可以表示为
y(k)=a1y(k-1)+a2y(k-2)+a3y(k-3)+a4y(k-
4)+b1u(k-1)+b2u(k-2)+b3u(k-3) (5)
模型参数辨识就是确定式(5)中的未知量a1～a4和b1～b3的实际值。采用递推最小二乘法进行模型参数辨识,其基本思想为:新的估计值等于旧的估计值与修正值之和。递推最小二乘法的递推公式为[13]
其中,φ(k)=[y(k-1) y(k-2) y(k-3) y(k-4) u(k-1) u(k-2) u(k-3)],θ(k)=[a1a2a3a4b1b2b3],当k=0时,P(0)=106I,θ(0)=0,I为单位矩阵。
在MATLAB软件平台下导入输入和输出数据,采用递推最小二乘法算法得到模型参数辨识结果为
y(k)=-0.0409y(k-1)-0.1050y(k-2)+
0.4031y(k-3)+0.4526y(k-4)+0.1403u(k-1)+
0.2248u(k-2)+0.0364u(k-3) (7)
2 位置伺服控制策略
式(7)是一个理想模型,实际的位置伺服控制系统在运行过程中,由于受到干扰等因素的影响,系统具有不确定性,因此该模型不能很好地反映数控位置伺服控制系统的实际模型。实际的模型可以采用CARIMA模型来描述:
式中,ξ(k)为系统的白噪声;Δ为差分算子,Δ=1-z-1。
2.1 模糊推理广义预测控制
式(8)实际上是一个线性模型,但位置伺服控制系统一般为复杂的非线性动态系统,采用线性模型作为预测模型,必然存在模型误差,当采用传统的广义预测控制策略时,如果模型严重失配可能破坏系统的稳定性。因此,在进行数控位置伺服控制时,为了有效地改善控制器的抗干扰能力和提高控制效果,采用基于模糊逻辑推理的广义预测控制策略,其中式(8)作为广义预测控制的预测模型,通过滚动优化计算系统的最优控制率,控制预测模型的输出;对模型失配或者其他干扰因素引起的输出偏差通过模糊逻辑推理在线反馈校正,进行非线性误差补偿,从而克服了传统的广义预测控制方法的缺点。其控制结构框如图2所示。
2.2 广义预测控制
将式(8)进行变形,得到一般形式的表达式:
根据预测理论,为了预测前j步输出,引入Diophantine方程:
Rj(z-1)=1+rj,1z-1+rj,2z-2+…+rj,j-1z-(j-1)
Sj(z-1)=sj,0+sj,1z-1+sj,2z-2+…+sj,naz-na
当C(z-1)=1时,对式(9)和式(10)联立求解,可以求出前j步模型预测输出:
Y=GΔU+FaΔU(k-1)+S(z-1)y(k)+ξ(k+1) (11)
Y=[ym(k+1|k) ym(k+2|k) … ym(k+Np|k)]T
ΔU=[Δu(k) Δu(k+1) … Δu(k+Np-1)]T
ΔU(k-1)=[Δu(k-1) Δu(k-2) … Δu(k-nb)]T
式中,Y、ΔU、ΔU(R-1)分别为未来的预测输出、当前和未来的控制增量、过去的控制增量。
采用对输出误差和控制增量加权的二次型性能指标作为控制条件,其性能指标可以表示为
J=E{[Y(k+1)-Yr(k+1)]TQ[Y(k+1)-
Yr(k+1)]}+ΔUT(k)ΓΔU(k) (12)
Y(k+1)=[y(k+1) y(k+2) … y(k+n′)]T
Yr(k+1)=[yr(k+1) yr(k+2) … yr(k+n′)]T
ΔU=[Δu(k) Δu(k+1) … Δu(k+m′-1)]T
Q=diag(q1,q2,…,qm′)
Γ=diag(λ1,λ2,…,λm′)
式中,n′为预测时域;m′为控制时域。
根据式(11)和式(12)可以计算出j步模型预测性能最佳的控制增量。
ΔU(k)=(GTQG+Γ)-1GTQ[Yr(k+1)-
FaΔU(k-1)-S(z-1)y(k)] (13)
2.3 反馈误差的模糊推理
由于实际系统多为复杂的非线性系统,采用CARIMA模型进行建模存在建模误差,或者系统受到其他干扰等不确定性因素的影响,系统必然存在输出偏差。设k时刻数控位置实际输出为
y(k)=ym(k)+e(k) (14)
式中,ym(k)为k时刻的预测模型输出;e(k)为k时刻位置伺服系统实际位置与预测模型输出位置的偏差。
假定在输入控制量u(k)的作用下,k+1时刻通过周期采样得到实际输出位置为y(k+1),模型预测输出位置为ym(k+1),定义实际位置输出与预测输出偏差和偏差变化率分别为
采用二维模糊控制对位置反馈偏差进行实时在线校正,模糊控制器以偏差fe和偏差变化率Δfe为输入变量,以偏差的控制量fue为输出量。模糊量的隶属函数采用等腰三角形。模糊控制规则可以表示为
if fe是Ai and Δfe是Bi,则fue是Ci
其中,Ai,Bi,Ci∈{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}={负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},i=1,2,…,49。
清晰化计算采用加权平均法,表达式如下:
在线反馈校正的模糊逻辑推理过程如图3所示。
3 仿真与实验验证
3.1 仿真验证
为了验证基于模糊推理的广义预测控制的控制效果,在MATLAB软件环境下对该方法通过算法编程进行仿真模拟验证。
数控位置伺服控制系统的数学模型如式(8)所示,设仿真所采用到的控制参数,即预测时域n′=3,控制时域m′=2,控制加权系数Γ= diag(0.01,0.01,…,0.01),输出柔化系数α=0.01,预测模型的白噪声ξ(k)取值范围为[-0.3,+0.3]mm。期望输出指令cmd=100mm,在白噪声的干扰下其仿真结果如图4所示。
3.2 实验验证
为了进一步验证本文所提出的控制算法的有效性,在施耐德400W十字平台上进行了基于模糊推理广义预测控制方法和传统的PID控制方法的对比实验,实验条件如表1所示。
以十字平台中的其中的一个轴为被控对象,采样周期Ts=2ms,控制时间长度t=2000ms,分别采用模糊推理的广义预测控制方法和传统的PID控制方法进行实验。设期望输出指令cmd=100mm,通过调试,广义预测控制算法中,预测时域n′=3,控制时域m′=2,控制加权系数Γ=diag(0.8,0.8,…,0.8),输出柔化系数α=0.78,输出的阶跃结果如图5a所示。通过调试,设置PID控制参数为kp=0.013,ki=0,kd=0.02,其输出的阶跃结果如图5b所示。在PID控制调试过程中,当参数取值增大时,发生超调严重。
设输入为(0,30 000),(30 000,48 000),(48 000,60 000)(单位:脉冲数)三段直线指令,输出结果如图6所示,其中虚线为输入指令,实线为输出数据。
通过分析仿真实验,期望输出指令为cmd=100mm时,当系统达到稳定状态后,从图4中可以看出,在[-0.3,0.3]mm范围的白噪声的干扰下,输入信号在平衡位置附近微小波动,调整输入信号量,使输出结果基本上稳定在100mm附近。因此,基于模糊推理的广义预测控制方法具有较强的稳态性能和鲁棒性。
通过十字平台的期望输出指令cmd=100mm的阶跃实验,通过图5可以得出,广义预测控制的上升时间比PID控制的上升时间小了很多,响应速度特别快。因此,广义预测控制具有更好的动态性能。通过三段直线的控制实验,根据实验结果(图6),广义预测控制的跟踪误差比PID控制的跟踪误差更小,跟踪性能更好。因此,基于模糊推理的广义预测控制方法用于数控位置伺服控制系统中,能够提高系统的动态性能和跟踪性能。
4 结语
在深入分析高速高精度加工技术对数控位置伺服控制提出的更高要求的基础上,提出了一种基于模糊逻辑推理的广义预测控制方法,详细地阐述了该方法实现原理和控制过程。通过MATLAB仿真和施耐德十字平台实验,与传统的PID控制方法的对比分析与应用实验表明,该方法具有很好的动态性能、稳态性能和鲁棒性,更适合应用于高速高精度数控系统的位置伺服控制系统。
摘要：针对高速高精度加工技术对数控位置伺服系统的控制性能提出的更高要求以及现行位置伺服控制方法存在不足的问题,提出了一种基于模糊推理的广义预测控制方法。首先采用网格搜索算法和递推最小二乘法相结合的思想对伺服控制系统的模型结构和模型参数进行辨识;然后将广义预测控制方法作为数控位置伺服系统的控制策略,运用模糊逻辑推理对反馈偏差进行非线性在线校正,克服了传统的广义预测控制对CARIMA模型进行线性控制的缺点;最后通过MATLAB仿真和施耐德十字平台实验验证了该方法具有很好的控制性能和鲁棒性。该方法为高速高精度数控机床的位置伺服控制系统提供了一种新的思路。
数控仿真系统在数控教学中的应用 篇8
一、数控加工仿真教学系统
随着虚拟现实技术及计算机技术的发展, 出现了可以模拟实际机床加工环境及其工作状态的计算机加工系统, 它是一个应用虚拟现实技术于数控加工操作技能实训的仿真软件, 利用计算机的仿真系统进行学习, 可以迅速提高学生的理论和实际水平, 非常安全而且实习费用低。目前国内已经出现了各种数控加工仿真教学系统, 如北京斐克、上海宇龙、广州超软和南京宇航等不同数控加工仿真软件。我们学校选择了南京宇航数控仿真软件。通过该软件可以使学生达到实物操作训练的目的, 又可以大大减少昂贵的设备投入。它具有FANUC、SIEMENS系统功能, 学生通过在PC机上操作该软件, 能在很短的时间内就能操作FANUC、SIEMENS系统数控车、数控铣及加工中心, 可手动或自动编程和加工, 教师通过网络教学, 监看窗口滚动控制, 可随时获得学生信息。该软件兼容性广, 可和国内数控设备配套教学使用。它能够像真正的CNC机床一样进行控制面板操作, 可在虚拟的数控系统里编程移动命令和进行机床动作, 而后传输给虚拟机床加工工件, 并实时显示程序路径和三维工件图形。
数控加工仿真软件具有丰富功能, 例如全面的仿真功能、丰富的刀具库管理功能、全面的检测功能等。全面的仿真功能包括机床操作的全过程, 即:毛坯定义、工件装夹、压板安装、刀具安装、基准对刀、机床手动操作、自动加工、检测并且能够做三维仿真, 等同于对真正的CNC机床的操作;丰富多样的刀具库管理体系采用数据库统一管理的刀具材料、特性参数库, 含上百种不同材料、类型和形状的车刀、铣刀, 同时还支持用户自定义刀具及相关特性参数;全面的检测功能有手动、自动加工等模式下的实时碰撞检测, 包括刀具与夹具、压板, 机床行程超程, 主轴不转时刀具与工件的碰撞等出错时会有报警或提示, 从而防止错误操作的发生;完善的图形和标准数据接口即三维铣削CAD功能, 包括交互设计、用鼠标绘图和曲线建模、支持轮廓、凹腔和钻削加工过程, 并将其它软件生成NC程序调入加工;强大的网络功能可实现远程教育, 通过网络实现互动教学, 使得远程教学成为名副其实, 它代表未来教育的发展方向。
二、数控仿真系统在教学中的应用
众所周知, 现在职业中专学生, 学习基础差, 学习的主动性不强, 所以教师教学显得很困难, 传统的教学方法已很难使学生接受, 因此通过灵活的、先进的教学方法和教学手段来提高学生的学习兴趣。作为职专生, 必须有过硬的操作技能, 才能在社会上有立足之地, 我们尊重学科体系, 渗透能力训练, 将理论知识应用到实践中来。通过应用数控仿真软件, 能较为娴熟地运用行为导向教学方法, 在课堂上真正体现学生为主体突出显示学生动手动脑的能力, 变学生被动学习为主动学习。培养学生分析问题, 解决问题的能力。通过情境教学, 大大提高了学生的学习兴趣和主动性。
教师十分重视应用数控加工仿真系统于数控编程这一理论教学课程和作为操作技能训练这一实训课程, 但应摆正数控加工仿真系统在教学中的位置, 既不能完全依赖仿真系统而放弃教师在教学中的引导作用, 也不能延续在教学中教师唱独角戏的教学方法, 而忽视数控仿真系统的应用, 应加强互动, 提高学生的学习能力, 科学地充分发挥仿真系统在教学中的作用。在进行数控编程与操作教学中, 教师重点解决编程方法、工艺安排方面的问题, 利用仿真系统解决程序校验, 以及不同系统不同机床的操作问题, 复习在普通机床加工中已学过的切削用量的选择、刀具的刃磨、刀具的选用等方面的知识。每次上机有明确的课题, 在上机前利用示教模式或投影仪进行数控加工仿真系统的操作演示, 并在学生中进行巡回指导。这样使学生更快更好地掌握对数控编程和操作技能, 培养了学生学习能力, 解决实际问题、独立工作能力。
在教学过程中, 我们主要讲解与训练社会上最常用的FANUC、SIEMENS的编程方法和操作应用, 使学生能熟练掌握、灵活应用;再安排适当的课时讲解国产的华中、广数的编程与操作方法和不同面板的操作, 开阔学生的知识面, 提高学生对不同操作系统、面板的编程与操作能力, 使他们能很快适应不同企业、不同数控系统的数控机床的操作和编程, 并有较强的工艺和现场问题的处理能力。
三、数控仿真系统在教学中效果显著
随着数控化率的提高, 对数控方面的人才的需求也在不断的增加, 为了保证每个学生有足够的上机时间, 我们的数控机床的数量也必须随着学生的增加而增加。但我们知道数控机床属于高科技产品, 品种多、价格高。一台普通的数控机床少则几万, 多则一、二十万, 加工中心少则五六十万多则几百万, 有的甚至上千万, 所以数控机床的操作训练若完全依赖数控机床进行, 投入大、消耗多、成本高。因此运用数控加工仿真系统教学是解决这一问题的重要途径。把仿真系统引入到教学中这样既可避免因初学者误操作造成价格昂贵的数控机床的损坏, 又可以使操作人员感受仿真数控机床操作过程中产生现场感和真实感。随着人数的增多, 我们可以通过计算机大量配置终端, 彻底解决了数控机床数量不足的难题, 使每位学员有足够的实践机会。因此能够让学生很快的熟悉和了解数控加工的工作过程, 掌握各种数控机床的操作方法。并且仿真软件不存在安全问题, 若操作失误, 系统会有所提示, 给仿真者以警示, 这使得操作变得生动、形象起来, 巩固了学生的操作能力, 达到了实训效果。这样学生可以大胆地、独立地进行学习和练习, 减少了工件材料和能源的消耗, 节约了实训环节的培训成本。所以它是数控实习教学的前期教学的好的辅助手段, 提高了培训效率, 节约了成本。
传统的学习是枯燥的指令讲解, 空对空的编程训练, 特别是考试时, 程序的批阅更是让数控教师头昏眼花, 因为每个人的编程会有所差别, 比如:有人用固定循环编程, 有人用子程序编程, 而且工艺上也会有所差别。改卷的工作量非常大, 所以考核就不一定每个课题都进行。但在应用了数控仿真系统教学以后, 教学变得更加生动、具体、形象, 提高了学生的学习兴趣, 教学效果明显得到提高, 并能自我检测加工零件的几何形状精度, 对学生操作能力和培训起到了极大的提高和加强作用。这样我们就可以每课题进行一次考核, 因为通过仿真软件可以直观看到最终工件的形状, 还可以通过查看刀具轨迹查看他的工艺和中间编程是否存在问题, 真正达到了又直观、又具体、又生动、又准确的考核效果, 减少了教师的工作量, 提高了教学质量。
综上所述, 数控加工仿真系统会在以后教学中发挥越来越重要的作用, 并且在数控教学中的应用也会越来越广泛。
摘要：数控仿真教学软件利用它的虚拟现实技术、图形设计与仿真功能, 改善了目前数控技术课程教学中设备投入大、学生多、上机时间短、学习效率低的现象, 提高了学生的编程和操作能力。
数控系统伺服电机控制 篇9
1 数控机床伺服系统
1.1 开环伺服系统
开环伺服系统不设检测反馈装置, 不构成运动反馈控制回路, 电动机按数控装置发出的指令脉冲工作, 对运动误差没有检测反馈和处理修正过程, 采用步进电机作为驱动器件, 机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度, 难以达到比较高精度要求。步进电动机的转速不可能很高, 运动部件的速度受到限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低, 且其控制电路也简单。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型数控机床。
1.2 全闭环伺服系统
闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器, 进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能, 采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件, 来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上, 其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度, 其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素, 对系统稳定性有很大影响, 使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。因此只是用在高精度和大型数控机床上。
1.3 半闭环伺服系统
半闭环伺服系统的工作原理与全闭环伺服系统相同, 同样采用伺服电动机作为驱动部件, 可以采用内装于电机内的脉冲编码器, 无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统, 其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上, 进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外, 其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响, 安装调试比较方便。机床的定位精度与机械传动装置的精度有关, 而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能, 在传动装置精度不太高的情况下, 可以利用补偿功能将加工精度提高到满意的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。
2 伺服电机控制性能优越
2.1 低频特性好
步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象, 运转非常平稳, 交流伺服系统具有共振抑制功能, 可涵盖机械的刚性不足, 并且系统内部具有频率解析机能, 可检测出机械的共振点, 便于系统调整。
2.2 控制精度高
交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。例如松下全数字式交流伺服电机, 对于带17位编码器的电机而言, 驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈, 即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。
2.3 过载能力强
步进电机不具有过载能力, 为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩, 选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机, 造成了力矩浪费的现象。而交流伺服电机具有较强的过载能力, 例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额定转矩的三倍, 可用于克服启动瞬间的惯性力矩。
2.4 速度响应快
步进电机从静止加速到额定转速需要200~400毫秒。交流伺服系统的速度响应较快, 例如松下MSMA 400W交流伺服电机, 从静止加速到其额定转速仅需几毫秒。
2.5 矩频特性佳
步进电机的输出力矩随转速升高而下降, 且在较高转速时转矩会急剧下降, 所以其最高工作转速一般在300~600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出, 即在其额定转速 (一般为2000RPM或3000RPM) 以内, 都能输出额定转矩。
3 伺服电机控制展望
3.1 伺服电机控制技术的发展推动加工技术的高速高精化
80年代以来, 数控系统逐渐应用伺服电机作为驱动器件。交流伺服电机内是无刷结构, 几乎不需维修, 体积相对较小, 有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中, 交流伺服取代直流伺服、软件控制取代硬件控制成为了伺服技术的发展趋势。由此产生了应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上的交流数字驱动系统。随着微处理器和全数字化交流伺服系统的发展, 数控系统的计算速度大大提高, 采样时间大大减少。硬件伺服控制变为软件伺服控制后, 大大地提高了伺服系统的性能。例如OSP-U10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网, 它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置, 网络连接, 进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。这些技术的发展, 使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强, 大大推动了高精高速加工技术的发展。
另外, 先进传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。交流伺服电机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器, 其传感器具有小于1μs的响应时间。伺服电动机本身也在向高速方向发展, 与上述高速编码器配合实现了60m/min甚至100m/min的快速进给和1g的加速度。为保证高速时电动机旋转更加平滑, 改进了电动机的磁路设计, 并配合高速数字伺服软件, 可保证电动机即使在小于1μm转动时也显得平滑而无爬行。
3.2 交流直线伺服电机直接驱动进给技术已趋成熟
数控机床的进给驱动有“旋转伺服电机+精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两种类型。传统的滚珠丝杠工艺成熟加工精度较高, 实现高速化的成本相对较低, 所以目前应用广泛。使用滚, 珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min, 加速度1.5g。但滚珠丝杠是机械传动, 机械元件间存在弹性变形、摩擦和反向间隙, 相应会造成运动滞后和非线性误差, 所以再进一步提高滚珠丝杠副移动速度和加速度比较难了。90年代以来, 高速高精的大型加工机床中, 应用直线电机直接驱动进给驱动方式。它比滚珠丝杠驱动具有刚度更高、速度范围更宽、加速特性更好、运动惯量更小、动态响应性能更佳, 运行更平稳、位置精度更高等优点。且直线电机直接驱动, 不需中间机械传动, 减小了机械磨损与传动误差, 减少了维护工作。直线电机直接驱动与滚珠丝杠传动相比, 其速度提高30倍, 加速度提高10倍, 最大达10g, 刚度提高7倍, 最高响应频率达100Hz, 还有较大的发展余地。当前, 在高速高精加工机床领域中, 两种驱动方式还会并存相当长一段时间, 但从发展趋势来看, 直线电机驱动所占的比重会愈来愈大。种种迹象表明, 直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。
摘要：近年来, 伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。作为数控机床的执行机构, 伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体, 并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步, 经历了从步进到直流, 进而到交流的发展历程。本文对其技术现状及发展趋势作简要探讨。
关键词：数控系统,伺服电机,直接驱动
参考文献
[1]《交流伺服电机控制技术的研究》, 中国测试技术, 郑列勤, 2006.5.
[2]《数控机床及其使用维修》, 机械工业出版社, 卢斌, 2005.2.
数控伺服系统 篇10
随着现代制造业的发展,新一代的数控伺服转塔冲床代替老式的机械和液压数控冲床已成为必然。数控伺服转塔冲床具有高柔性、高效性、高精度、低噪环保性、节能、易于维护、稳定性好等优势。比同类数控液压冲床性价比更高,操作更简捷,更可以精确控制滑块行程,有利于实现压窝、浅拉深等难度大的工艺,使生产效率更高,产品质量更优。这些优点,主要是主驱动采用了交流伺服控制技术的结果。数控系统、伺服驱动控制模块、交流伺服电机及编码器检测元件一起组成了伺服主驱动的半闭环反馈控制系统,可以实现主驱动的速度控制、运动轨迹控制、位置控制等。在此系统控制中,我们应用了数控系统的PMC控制功能来实现主驱动轴的数字位置控制。
2 PMC控制功能
PMC是指数控系统的顺序逻辑编程系统,用于编辑控制机床动作的所有顺序逻辑控制程序。一般机床数控轴都由数控系统CNC直接控制,由系统发出给定轴的位移和速度指令,通过伺服驱动系统完成给定轴的各种指定运行。当某轴的控制指令由PMC发出而非CNC发出时,我们称此轴为PMC控制轴。FANUC系统具有这种独立于CNC直接控制给定轴的PMC控制功能。PMC能直接控制下列操作:快速移动指令距离、连续进给、参考点返回、进给速度控制等各种轴控功能操作。一个轴是CNC轴还是PMC轴可由系统特定信号定义。
3 PMC控制功能应用
考虑到FANUC系统应用在伺服冲床上的特殊性,在x、Y轴送料过程中伺服主驱动轴(Z轴)的冲压运行,即Z轴的快速移动,由数控系统发出有关信号进行启动,我们定义Z轴为PMC轴更方便其控制使用。下面介绍Z轴作为PMC轴是如何实现其应用的。
3.1 定义PMC轴
PMC提供4个通道,使用输入和输出指令控制这些操作。这里只选择一个通道,通道1(A组)。由参数No.8010定义选此通道控制Z轴。设定Z轴为机床的第一个轴,于是设定参数为No.8010A1P1A2P0A3P0A4P0A5P0表示第一轴Z轴是受通道1 (A组)控制的PMC轴。
3.2 定义PMC轴有效
为使Z轴作为PMC轴有效,需要设定Z轴的PMC选择信号EAX1为1。相应地址为G136.0,编入梯形图(图1)。图1中MA为系统准备好常1状态。
3.3 定义操作类型
从FANUC系统定义我们知道,轴控制指令信号、轴控制进给速度信号、轴控制数据信号和程序段停止禁止信号一起决定一个完整的操作。这些信号总称为轴控制程序段数据信号,相当于CNC控制的自动操作期间执行一个程序段。其控制信号见表1。
(1)轴控制指令信号ECOA—EC6A相应地址为G143.0—G143.6。我们定义Z轴为快速定位轴,使用快速移动指令,定义用00h代码。梯形图编程如图2所示。
图2中R9091.1为系统常1状态。
(2)轴控制进给速度信号EIFOA—EIF15A相应地址为G144和G145两个字节,定义PMC轴快速移动速度,即Z轴的进给速度。梯形图编程如图3所示。
图3中180000为Z轴最大转速,单位度/min。Z轴我们定义为旋转轴,所以此速度=500rpm。这里设定参数No.8002第一位PRD=1,用轴控制指令的进给速度数据作为被指令的进给速度。如果PRD=0,则使用参数No.1420的数据作为进给速度。
(3)轴控制数据信号EID0A—EID31A相应地址为G146、G147、G148、G149四个字节,根据EC0A—EC6A用到00h代码,那么在这里EID0A—EID31A定义为Z轴移动距离。梯形图编程见图4。
图4中,F0056为通过宏指令定义的Z轴移动距离值,R100.0为相关启动Z轴移动的信号。这样当启动Z轴时,Z轴就获得了需要移动的数据值。
(4)程序段停止禁止信号EMSBKA,相应地址为G143.7。目前设其为0,如果需要可加以应用。
通过以上各个编程,确定了Z轴作为PMC轴完成一个独立的程序段所需要的各种数据。
3.4 PMC程序段的执行
CNC可以将PMC的轴控功能存贮在它的缓冲区中,所以,可以顺序执行多个PMC控制的操作。图5表示一个例子。在此例中,命令[1]正在执行,命令[2]和[3]被储存在缓冲区中,并且命令[4]已经发出(轴控制程序段数据信号已设定)。
当命令[1]的执行完成时:命令[2]从等待缓冲区传输到执行缓冲区;命令[3]从输入缓冲区传输到等待缓冲区;命令[4]传输到输入缓冲区作为指令程序段;输入缓冲区接收的命令[4]后,PMC把命令[5]发送到CNC(轴控制程序段数据信号被设定)。命令操作时序图参见图6。
[1,2],[3],[4],[5]:在这些间隔期间,新程序段不能发出(当EBUFA和EBSYA在不同的逻辑状态时)。参见表2的介绍。从上可见,一个完整操作(一个程序段)的执行需要轴控制命令阅读信号EBUFA和轴控制命令阅读完成信号EBSYA逻辑状态的配合一致。
在3.3中已经确定了Z轴作为PMC轴需要的控制程序段数据,因此,要完成程序段的执行,我们按照信号EBUFA和EBSYA逻辑状态的要求编入梯形图(图7)。
图7中R100.0为相关启动Z轴移动的信号。G142.7为信号EBUFA的地址,F130.7为信号EB-SYA的地址。
通过以上定义和程序的编制,当由有关的信号启动Z轴后,可以控制Z轴以输入的速度和位移进行轴的移动,实现作为PMC轴的控制运行。
4 结语
以上介绍了如何实现PMC轴最基本的控制功能:如何获得程序段控制数据,如何根据逻辑要求编制逻辑程序等内容。这里仅仅是抛砖引玉。如果要使Z轴真正投入使用还需要完善Z轴的各项功能,比如返回参考点、选择坐标系、加入辅助功能等等项目,但基本思路和方法都是一样的。本文希望对读者在有关数控系统中PMC轴控制方面有一定的认识和帮助。
摘要：介绍了FANUC系统中PMC轴控制功能的应用。具体阐述了PMC轴控制程序段数据信号的组成,各信号的含义和应用。
关键词：机床技术,PMC轴控制功能,数控冲床,应用
参考文献
[1]王玉山.伺服机械压力机发展状况.锻压装备与制造技术, 2010,45(1):29-31.
数控伺服系统 篇11
【关键词】数控仿真系统 数控机床教学 应用研究
【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）03-0149-01
随着互联网技术的迅猛发展，特别是随着部分虚拟现实化实用技术的不断发展，我国逐渐产生了可以通过模拟实际设备加工环境及实际工作状态的数控仿真教学系统。教师可以运用计算机仿真模拟系统来对班级中的学生进行教学，不仅可以快速提升学生的实际操作能力，同时还具备安全性、经济性、实用性等优势。数控仿真教学系统其本质内容就是虚拟数控机床，虚拟数控机床同时又是虚拟制造技术中的一个基础性的内容，它不仅有利于学生在进行实际操作数控加工过程中为产品设计提供理论依据，还有效的提高了数控机床专业课堂教学的质量，全面提升了学生的综合素质。
一、数控仿真系统简析
数控仿真系统，实质上就是通过应用计算机技术对数控加工过程进行模拟仿真的一门新技术。该技术向学生直观展示实际生产过程的机床仿真操作流程，加工过程通过三维立体动态化的逼真再现，使得班级中的每一位学生，都可以对数控加工建立系统性的认知。学生不仅可以反复动手进行数控加工的具体操作，还能有效解决院校内因数控设备比较稀缺，很难实现学生“一人一机”的问题，最终实现全面培养熟练掌握数控加工技术的实用型人才的教学目标。
二、数控仿真系统在数控机床教学实践中的应用策略
1.教师需要在教学过程中，不断强化学生的学习能动性
在过去传统的教学模式下，学生很难全面掌握数控加工技术。为此，教师需要在教学中科学的运用先进的教学方法和教学理念来不断提高学生对于数控机床教学内容的学习兴趣。作为一名数控机床专业的毕业生，必须具备专业的实践操作技能，才能适应市场经济中数控机床企业对于实用型人才的需求。学生在课堂学习的过程中，通过对数控仿真软件反复学习，可以比较熟练的掌握数控机床操作要领，并真正实现课堂学习的主体地位，从而进一步提升学生的实际操作能力，将传统教学模式下学生被动学习的状态转变成为积极主动的学习状态，全面提升自我分析问题和解决问题的能力。
2.教师在教学过程中，需要重视学生之间的学习互动
在实际教学中，教师需要重视数控仿真系统在数控机床专业教学中编程和实践操作训练中的重要作用，同时还要摆正自身对于数控仿真系统在课堂教学中的教学地位的认识。教师不可以完全依赖数控仿真系统而放弃自身在课堂教学中的知识引导作用，也不可以完全依靠自身的教学而轻视数控仿真系统的教学优势。为此，教师需要不断加强培养班级中学生群体间的合作意识，全方位提高学生的实际操作能力，最大限度的发挥出数控仿真系统在教学中的教学作用。教师需要在学生进行上机课堂学习的活动，为学生制定出非常明确的学习目标，要求学生利用网络教学功能进行数控加工仿真系统的操作演示。学生在进行实际操作练习的过程中，教师需要时刻关注学生的学习状态，及时解决学生在进行操作练习时遇到的问题。只有这样，学生才可以在比较短的时间内全部掌握数控机床专业中涉及到的数控编程和实际操作技能等，进而有效的提升了学生的实际操作能力和实际解决问题的能力。
3.教师需要强化自身对于项目化教学方法的应用
在开展实际教学的过程中，教师运用的数控仿真系统是当前阶段数控机床教学中最实用、最安全、最科学的编程方法。学生在这样的学习环境下，可以熟练掌握并灵活的应用于实践生活。教师需要定期安排一些课程来为学生进行讲解我国生产的华中、广数的具体编程流程与操作手法以及不同面板的实际操作步骤，进一步的拓展学生的学习面，全方位的提高学生对数控机床中不同种类的操作系统、面板的编程流程与实践操作能力等。教师的这一做法，可以极大的促使学生尽快适应市场经济下不同数控系统中的数控机床的具体操作和编程流程，增强学生们解决实际问题的能力。
4.教师需要重视学生对知识的反馈信息，全面提高学生学习的主动性
教师在进行实际应用数控仿真系统教学的过程中，需要为学生制定不同的学习目标，这样一来，学生就可以有针对性进行知识的学习。教师还需要为学生提供一些小测试，通过设计测试内容，全方位的考核学生的实际学习情况。学生通过测试可以更加精准的掌握教材中重点难点，进而全面的掌握数控机床专业的教学内容。教师同时可以通过小测试来提升学生学习的信心和动力，也可以依据学生学习的反馈信息进行适当的教学调整，从而更加具有针对性的进行教学，以此来不断提升数控机床课堂教学质量。
三、结束语
综上所述，在中职教育数控机床教学过程中应用数控仿真系统，不仅有利于解决中职数控机床设备数量不足，设备不能满足学生实际实训需求的问题，还有利于教师提高学生的学习兴趣和积极性，进而全面培养学生的实际数控操作能力，提高课堂教学的有效性。
参考文献：
[1]史文杰，魏茂源. 数控仿真系统在数控机床编程与操作实训教学中的应用[J]. 价值工程，2014，05：270-271.
数控机床的伺服系统性能探究 篇12
精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度, 一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小, 另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环控制系统中, 对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的, 反馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。可以说, 数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身, 也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或大中型数控机床时, 必须精心选用检测元件。所选择的测量系统的分辨率或脉冲当量, 一般要求比加工精度高一个数量级。总之, 高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。例如, 数控机床中常用的直线感应同步器的精度已可达±0.0001mm, 即0.1, 灵敏度为0.05, 重复精度0.2;而圆型感应同步器的精度可达0.5N, 灵敏度0.05N, 重复精度0.1N。
2 开环放大倍数
在典型的二阶系统中, 阻尼系数x=1/2 (KT) -1/2, 速度稳态误差e (∞) =1/K, 其中K为开环放大倍数, 工程上多称作开环增益。显然, 系统的开环放大倍数是影响伺服系统的静态、动态指标的重要参数之一。一般情况下, 数控机床伺服机构的放大倍数取为20~30 (1/S) 。通常把K<20范围的伺服系统称为低放大倍数或软伺服系统, 多用于点位控制。而把K>20的系统称为高放大倍数或硬伺服系统, 应用于轮廓加工系统。假若为了不影响加工零件的表面粗糙度和精度, 希望阶跃响应不产生振荡, 即要求是取值大一些, 开环放大倍数K就小一些;若从系统的快速性出发, 希望x选择小一些, 即希望开环放大倍数增加些, 同时K值的增大对系统的稳态精度也能有所提高。因此, 对K值的选取是必需综合考虑的问题。换句话说, 并非系统的放大倍数愈高愈好。当输入速度突变时, 高放大倍数可能导致输出剧烈的变动, 机械装置要受到较大的冲击, 有的还可能引起系统的稳定性问题。这是因为在高阶系统中系统稳定性对K值有取值范围的要求。低放大倍数系统也有一定的优点, 例如系统调整比较容易, 结构简单, 对扰动不敏感, 加工的表面粗糙度好。
3 提高可靠性
数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备, 如果发生故障其损失就更大, 所以提高数控机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一, 其定义为:产品在规定条件下和规定时间内, 完成规定功能的概率。对数控机床来说, 它的规定条件是指其环境条件、工作条件及工作方式等, 例如温度、湿度、振动、电源、干扰强度和操作规程等。这里的功能主要指数控机床的使用功能, 例如数控机床的各种机能, 伺服性能等。平均故障 (失效) 间隔时间 (MTBF) 是指发生故障经修理或更换零件还能继续工作的可修复设备或系统, 从一次故障到下一次故障的平均时间, 数控机床常用它作为可靠性的定量指标。由于数控装置采用微机后, 其可靠性大大提高, 所以伺服系统的可靠性就相对突出。它的故障主要来自伺服元件及机械传动部分。通常液压伺服系统的可靠性比电气伺服系统差, 电磁阀、继电器等电磁元件的可靠性较差, 应尽量用无接触点元件代替。目前数控机床因受元件质量、工艺条件及费用等限制, 其可靠性还不很高。为了使数控机床能得到工厂的欢迎, 必须进一步提高其可靠性, 从而提高其使用价值。在设计伺服系统时, 必须按设计的技术要求和可靠性选择元器件, 并按严格的测试检验进行筛选, 在机械互锁装置等方面, 必须给予密切注意, 尽量减少因机械部件引起的故障。
4 宽范围调速
在数控机床的加工中, 伺服系统为了同时满足高速快移和单步点动, 要求进给驱动具有足够宽的调速范围。单步点动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使用。伺服系统在低速情况下实现平稳进给, 则要求速度必须大于“死区”范围。所谓“死区”指的是由于静摩擦力的存在使系统在很小的输入下, 电机克服不了这摩擦力而不能转动。此外, 还由于存在机械间隙, 电机虽然转动, 但拖板并不移动, 这些现象也可用“死区”来表达。设死区范围为a, 则最低速度Vmin, 应满足Vmin≥a, 由于a≤d K, d为脉冲当量 (mm/脉冲) ;K为开环放大倍数, 则Vmin≥d K若取d=0.01mm/脉冲, K=30×1/S, 则最低速度Vmin≥a=30×0.01mm/min=18mm/min伺服系统最高速度的选择要考虑到机床的机械允许界限和实际加工要求, 高速度固然能提高生产率, 但对驱动要求也就更高。此外, 从系统控制角度看也有一个检测与反馈的问题, 尤其是在计算机控制系统中, 必须考虑软件处理的时间是否足够。由于fmax=fmax/d式中:fmax为最高速度的脉冲频率, k Hz;vmax为最高进给速度, mm/min;d为脉冲当量, mm。又设D为调速范围, D=vmax/vmin, 得fmax=Dvmin/d=DKd/d=DK由于频率的倒数就是两个脉冲的间隔时间, 对应于最高频率fmax的倒数则为最小的间隔时间tmin, 即tmin=1/DK。显然, 系统必须在tmin内通过硬件或软件完成位置检测与控制的操作。对最高速度而言, vmax的取值是受到tmin的约束。一个较好的伺服系统, 调速范围D往往可达到800~1000。当今最先进的水平是在脉冲当量d=1的条件下, 进给速度从0~240m/min范围内连续可调。
5 结论