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(dòng)控制系統。因此，在分析和設計這樣的控制系統時(shí)，需要用自動(dòng)控制原理作為其理論基礎，來(lái)研究整個(gè)系統的動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)而研究如何把各種元件組成穩定的和滿(mǎn)足穩定性能指標的控制系統。若原系統不穩定可通過(guò)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(mǎn)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(huán)節、比較環(huán)節、校正環(huán)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(dòng)位移為控制對象的自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huán)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(guò)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(kāi)口量就有壓力油輸出到液壓馬達，驅動(dòng)液壓馬達帶動(dòng)減速齒輪轉動(dòng)，從而帶動(dòng)滾珠絲杠運動(dòng)。因滾珠絲杠與工作臺相連所以當滾珠絲杠 運動(dòng)時(shí)，工作臺也發(fā)生相應的位移。

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(shí)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(shí)的輸出流量）為8L/min的閥可以滿(mǎn)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(dòng)態(tài)品質(zhì)

3.1 確定各組成元件的傳遞函數

因為負載特性沒(méi)有彈性負載，因此液壓馬達和負載的傳遞函數為

工作臺質(zhì)量折算到液壓馬達軸的轉動(dòng)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(chǎn)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(shí)，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(shí)的輸出流量）為8L/min的閥可以滿(mǎn)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

根據以上確定的傳遞函數，用Simulink可繪制出數控機床工作臺位置伺服系統的模型如圖2所示。