闭环伺服系统分析

一般数控机床对位置伺服系统有如下要求：
1) 定位速度和轮廓切削进给速度。
2) 定位精度和轮廓切削精度。
3) 精加工的表面粗糙度。
4) 在外界干扰下的稳定性。
这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态特性。一般对于闭环系统来说，总希望系统有一个较小的位置误差时，机床移动部件能迅速反应，即系统有较高的动态精度。下面对位置控制系统影响数控机床加工要求的几个方面作一些简单的分析。
一、开环增益
数控机床的位置伺服系统是一个典型的二阶系统。在典型的二阶系统中，阻尼系数， 速度稳态误差e(∞)=1／K，其中K为开环放大倍数，工程上也称作开环增益。 系统的开环增益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，数控机床伺服系统的增益取为20~30(1/s)。通常把K＜20范围的伺服系统称为低增益或软伺服系统，多用于点位控制。而把K＞20的系统称为高增益或硬伺服系统，应用于轮廓加工系统。
假若为了不影响被加工零件的表面粗糙和精度，希望阶跃响应不产生振荡，即要求ξ取得大一些，开环增益K就小一些；若从系统的快速件出发，希望ξ选择小一些，即希望开环增益K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值的选取是个应综合考虑的问题。
二、位置精度　　
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（闭环）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、尤其是设计高精度或大中型数控机床时，必须精心选用检测元件。选择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。
三、调速范围
在数控机床的加工中，伺服系统为了同时满足快速移动和单步点动，要求进给驱动系统具有足够宽的调速范围。
一个较好的伺服系统，调速范围往往可达到800～1000。当今最先进的水平是在脉冲当量δ =1μm的条件下，进给速度从0～240m/min范围内连续可调。
四、速度误差系数
在数控机床的位置伺服系统中，对速度误差系数Kv(在数值上Kv＝K，K为系统的开环放大倍数）的要求可由下式给出：

当vmax为空行程的最向速度时，e可规定得大一些，但在轮廓加工中，e不能随便设定，e要控制在精度要求范围内。过大的误差e会直接引起工件的尺寸误差。考虑到这一点，提高伺服系统的Kv值是至关重要的，即Kv愈大，系统的跟随误差小，但过大的Kv会影响系统的稳定性。
对于连续切削系统要求同时精确地控制每个坐标轴运动的位置与速度，实际上由于每个轴的伺服控制系统存在着稳态误差，就会影响坐标轴的协调运动和位置的精确性，产生轮廓跟随误差，简称轮廓误差。
轮廓误差是指实际轨迹与要求轨迹之间的最短距离，用e表示。
五、伺服系统的可靠性
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。
数控机床常用平均故障(失效)间隔时间(MTBF)作为可靠性的定量指标。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。