數控機床工作臺位置伺服系統的分析和設計

　　0 引 言

　　位置伺服系統是一種自動控制系統。因此，在分析和設計這樣的控制系統時，需要用自動控制原理作為其理論基礎，來研究整個系統的動態性能，進而研究如何把各種元件組成穩定的和滿足穩定性能指標的控制系統。若原系統不穩定可通過調整比例參數和采用滯后校正使系統達到穩定，并選取合適的參數使系統滿足設計要求。本文介紹位置伺服系統的各組成元件及工作原理、對系統設計和校正。

　　1 位置伺服系統組成元件及工作原理

　　數控機床工作臺位置伺服系統有不同的形式，一般均可以由給定環節、比較環節、校正環節、執行機構、被控對象或調節對象和檢測裝置或傳感器等基本元件組成[1]。根據主機的要求知系統的控制功率比較小、工作臺行程比較大，所以采用閥控液壓馬達系統。系統方框圖如圖1所示。

　　數控機床工作臺位置伺服系統是指以數控機床工作臺移動位移為控制對象的自動控制系統。位置伺服系統作為數控機床的執行機構，集電力電子器件、控制、驅動及保護為一體。數控機床的工作臺位置伺服系統輸出位移能自動地、快速而準確地復現輸入位移的變化，是

　　因為工作臺輸出端有位移檢測裝置(位移傳感器)將位移信號轉化為電信號反饋到輸入端構成負反饋閉環控制系統。反饋信號與輸入信號比較得到差壓信號，然后把差壓信號通過伺服放大器轉化為電流信號，送入電液伺服閥(電液轉換、功率放大元件)轉換為大功率的液壓信號(流量與壓力)輸出，從而使液壓馬達的四通滑閥有開口量就有壓力油輸出到液壓馬達，驅動液壓馬達帶動減速齒輪轉動，從而帶動滾珠絲杠運動。因滾珠絲杠與工作臺相連所以當滾珠絲杠 運動時，工作臺也發生相應的位移。

　　設計指標要求：靜態位置誤差(位置分辨率)

　　2 確定動力元件參數，選擇位移傳感器和伺服放大器

　　2.1 計算總負載力

　　負載力有切削力三部分組成。摩擦力具有“下降”特性，為了簡化可認為與速度無關，是定值，取最大值假定系統是在最惡劣的負載條件(即所以負載力都存在，且加速度最大)下工作，則總負載力為

　　2.2 計算液壓馬達排量

液壓馬達力矩為 取，則液壓馬達每轉排量為

　　液壓馬達每轉排量為

計算出的液壓馬達排量需標準化，按選取的標準化值再計算負載壓力值。本題中液壓馬達排量計算值符合標準。

　　2.3 確定伺服閥規格

　　液壓馬達最大轉速為

　　所以負載流量為

　　此時伺服閥壓降為

考慮到泄漏等影響，將增大15%，取。根據和，查手冊得額定流量(閥壓降為時的輸出流量)為8L/min的閥可以滿足要求，該閥額定電流為

　　2.4 位移傳感器和放大器增益

,放大器增益待定。

　　3 系統的動態品質

　　3.1 確定各組成元件的傳遞函數

因為負載特性沒有彈性負載，因此液壓馬達和負載的傳遞函數為

　　工作臺質量折算到液壓馬達軸的轉動慣量為

考慮到齒輪、絲桿和液壓馬達的慣性，取并取液壓馬達的容積則液壓固有頻率為 假定阻尼比僅由閥的流量——壓力系數產生。零位流量——壓力系數可近似計算為

　　液壓阻尼比為

將值代入式(2)得

　　伺服閥的傳遞函數由樣本查得[4]

額定流量的閥在供油壓力時，空載流量(式中：為閥壓降)，在第二章中，根據查表得到額定流量(閥壓降為時的輸出流量)為8L/min的閥可以滿足要求所以閥的額定流量增益則伺服閥的傳遞函數為

　　減速齒輪與絲杠的傳遞函數為