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技術(shù)文章
幾種數(shù)控系統(tǒng)的分析與研究
閱讀：271 發(fā)布時間：2014-7-14
引言
任何國家、工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展，zui基本的是依靠人員素質(zhì)、裝備精良和資源充足三者，而工業(yè)發(fā)展所*的裝備就是機床。機床的*、機床工業(yè)的實力強大，對一國工業(yè)和國民經(jīng)濟的加速發(fā)展具有極其重大的戰(zhàn)略意義。數(shù)控機床作為其*代表，代表了機床行業(yè)發(fā)展的方向和未來。所以對機床數(shù)控系統(tǒng)進行分析與研究相當(dāng)重要，具有深遠(yuǎn)的意義。
機床數(shù)控系統(tǒng)的檢測裝置和反饋元件，通常安裝在機床的工作臺或絲杠上，相當(dāng)于普通機床的刻度和人的眼睛。它把機床工作臺的實際位移轉(zhuǎn)變成電信號反饋給數(shù)控裝置，供數(shù)控裝置與指令值比較產(chǎn)生誤差信號，以控制機床向消除該誤差的方向移動。
按有無檢測裝置，數(shù)控系統(tǒng)可以分為開環(huán)與閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，而按檢測裝置的安裝位置又可以分為閉環(huán)與半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。下面對幾種數(shù)控系統(tǒng)分別進行分析與研究：
1開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，沒有檢測和反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號是單向的，所以不存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。因為無位置反饋裝置，所以精度不高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試方便，維修簡單，價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高，驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。但是長期運行或啟動及結(jié)束時易產(chǎn)生丟步和超步的現(xiàn)象，很難提高加工精度。在我國，經(jīng)濟型數(shù)控機床一般都采用開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。
2半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點是從驅(qū)動裝置（常用伺服電機）或絲杠引出，通過采樣旋轉(zhuǎn)角度而不是采樣運動部件的實際位置進行檢測。因此，由絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的誤差難以消除。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可以獲得穩(wěn)定的控制性能，而機械傳動環(huán)節(jié)帶來的誤差可用誤差補償?shù)姆椒ㄏ虼巳钥梢垣@得比較滿意的精度。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測試方便，精度也較高，因而在現(xiàn)代數(shù)控機床中得到了廣泛的應(yīng)用。
3閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
由于機械傳動裝置的剛性、摩擦阻尼等非線性因素和傳動間隙等都不包括在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)環(huán)內(nèi)，因而其大部分傳動間隙，彈性變形，滾珠絲杠螺母的誤差及滯后都對機床精度產(chǎn)生影響。為了解決這些問題，閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運而生。閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖1所示，是從機床運動部件上直接引出，通過采樣運動部件的實際位置進行檢測，可以消除整個放大和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動，因而具有很高的位置控制精度。但是由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于精度要求很高的精鏜床、超精車床、超精磨床等。
4雙閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
雙閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)是半閉環(huán)和閉環(huán)控制相結(jié)合的產(chǎn)物，不僅具有高精度的位置控制功能，而且還具有*的穩(wěn)定性和易調(diào)試性，其系統(tǒng)組成如圖2所示。該系統(tǒng)的特點是，整個系統(tǒng)由內(nèi)外兩個位置環(huán)組成，其中內(nèi)部閉環(huán)為轉(zhuǎn)角位置閉環(huán)，其檢測元件為裝于電機軸上的光電編碼盤，驅(qū)動裝置為交流伺服系統(tǒng)，由此構(gòu)成一以電機轉(zhuǎn)角θo為輸出，指令轉(zhuǎn)角θi為輸入的角度隨動系統(tǒng)。外部位置閉環(huán)采用光柵、感應(yīng)同步器等線位移檢測元件直接獲得機床工作臺的位移信息，并以內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)角隨動系統(tǒng)為驅(qū)動裝置驅(qū)動工作臺運動。該數(shù)控系統(tǒng)即有較好的穩(wěn)定性，又可達(dá)到很高的控制精度，具有廣泛的適用范圍。
5包含工件在內(nèi)的全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
檢測裝置采樣工作臺的實際位置的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調(diào)整加工余量，從而影響加工精度，尺寸分散性大。包含工件在內(nèi)的全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，在線檢測技術(shù)使在線檢測系統(tǒng)與機床、刀具、工件組成一個全閉環(huán)系統(tǒng)，在線檢測系統(tǒng)將測得的工件尺寸信號與反饋給數(shù)控機床，控制刀具進給，從而保證工件加工精度。如圖3所示，數(shù)控系統(tǒng)在線檢測系統(tǒng)由傳感器、調(diào)理電路、驅(qū)動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成。研究設(shè)計此系統(tǒng)重點是解決檢測裝置，要求檢測裝置要有較好的動態(tài)性能，而動態(tài)性能主要是它的頻率特性。
6結(jié)束語
中國的制造業(yè)要實現(xiàn)從大國到強國，從低端到，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，具有高精度、率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。我國的數(shù)控技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出的廣闊前景，但與國外發(fā)達(dá)國家相比水平還較低，所以，大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，振興機床行業(yè)，具有重大的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)意義。
任何國家、工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展，zui基本的是依靠人員素質(zhì)、裝備精良和資源充足三者，而工業(yè)發(fā)展所*的裝備就是機床。機床的*、機床工業(yè)的實力強大，對一國工業(yè)和國民經(jīng)濟的加速發(fā)展具有極其重大的戰(zhàn)略意義。數(shù)控機床作為其*代表，代表了機床行業(yè)發(fā)展的方向和未來。所以對機床數(shù)控系統(tǒng)進行分析與研究相當(dāng)重要，具有深遠(yuǎn)的意義。
機床數(shù)控系統(tǒng)的檢測裝置和反饋元件，通常安裝在機床的工作臺或絲杠上，相當(dāng)于普通機床的刻度和人的眼睛。它把機床工作臺的實際位移轉(zhuǎn)變成電信號反饋給數(shù)控裝置，供數(shù)控裝置與指令值比較產(chǎn)生誤差信號，以控制機床向消除該誤差的方向移動。
按有無檢測裝置，數(shù)控系統(tǒng)可以分為開環(huán)與閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，而按檢測裝置的安裝位置又可以分為閉環(huán)與半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。下面對幾種數(shù)控系統(tǒng)分別進行分析與研究：
1開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，沒有檢測和反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號是單向的，所以不存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。因為無位置反饋裝置，所以精度不高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試方便，維修簡單，價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高，驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。但是長期運行或啟動及結(jié)束時易產(chǎn)生丟步和超步的現(xiàn)象，很難提高加工精度。在我國，經(jīng)濟型數(shù)控機床一般都采用開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。
2半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點是從驅(qū)動裝置（常用伺服電機）或絲杠引出，通過采樣旋轉(zhuǎn)角度而不是采樣運動部件的實際位置進行檢測。因此，由絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的誤差難以消除。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可以獲得穩(wěn)定的控制性能，而機械傳動環(huán)節(jié)帶來的誤差可用誤差補償?shù)姆椒ㄏ虼巳钥梢垣@得比較滿意的精度。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測試方便，精度也較高，因而在現(xiàn)代數(shù)控機床中得到了廣泛的應(yīng)用。
3閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
由于機械傳動裝置的剛性、摩擦阻尼等非線性因素和傳動間隙等都不包括在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)環(huán)內(nèi)，因而其大部分傳動間隙，彈性變形，滾珠絲杠螺母的誤差及滯后都對機床精度產(chǎn)生影響。為了解決這些問題，閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運而生。閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖1所示，是從機床運動部件上直接引出，通過采樣運動部件的實際位置進行檢測，可以消除整個放大和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動，因而具有很高的位置控制精度。但是由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于精度要求很高的精鏜床、超精車床、超精磨床等。
4雙閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
雙閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)是半閉環(huán)和閉環(huán)控制相結(jié)合的產(chǎn)物，不僅具有高精度的位置控制功能，而且還具有*的穩(wěn)定性和易調(diào)試性，其系統(tǒng)組成如圖2所示。該系統(tǒng)的特點是，整個系統(tǒng)由內(nèi)外兩個位置環(huán)組成，其中內(nèi)部閉環(huán)為轉(zhuǎn)角位置閉環(huán)，其檢測元件為裝于電機軸上的光電編碼盤，驅(qū)動裝置為交流伺服系統(tǒng)，由此構(gòu)成一以電機轉(zhuǎn)角θo為輸出，指令轉(zhuǎn)角θi為輸入的角度隨動系統(tǒng)。外部位置閉環(huán)采用光柵、感應(yīng)同步器等線位移檢測元件直接獲得機床工作臺的位移信息，并以內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)角隨動系統(tǒng)為驅(qū)動裝置驅(qū)動工作臺運動。該數(shù)控系統(tǒng)即有較好的穩(wěn)定性，又可達(dá)到很高的控制精度，具有廣泛的適用范圍。
5包含工件在內(nèi)的全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
檢測裝置采樣工作臺的實際位置的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機因素實時動態(tài)調(diào)整加工余量，從而影響加工精度，尺寸分散性大。包含工件在內(nèi)的全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，在線檢測技術(shù)使在線檢測系統(tǒng)與機床、刀具、工件組成一個全閉環(huán)系統(tǒng)，在線檢測系統(tǒng)將測得的工件尺寸信號與反饋給數(shù)控機床，控制刀具進給，從而保證工件加工精度。如圖3所示，數(shù)控系統(tǒng)在線檢測系統(tǒng)由傳感器、調(diào)理電路、驅(qū)動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成。研究設(shè)計此系統(tǒng)重點是解決檢測裝置，要求檢測裝置要有較好的動態(tài)性能，而動態(tài)性能主要是它的頻率特性。
6結(jié)束語
中國的制造業(yè)要實現(xiàn)從大國到強國，從低端到，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，具有高精度、率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。我國的數(shù)控技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出的廣闊前景，但與國外發(fā)達(dá)國家相比水平還較低，所以，大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，振興機床行業(yè)，具有重大的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)意義。