數(shù)控機床工作臺位置伺服系統(tǒng)的分析和設計

0 引 言

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

1 位置伺服系統(tǒng)組成元件及工作原理

數(shù)控機床工作臺位置伺服系統(tǒng)有不同的形式，一般均可以由給定環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、校正環(huán)節(jié)、執(zhí)行機構、被控對象或調(diào)節(jié)對象和檢測裝置或傳感器等基本元件組成[1]。根據(jù)主機的要求知系統(tǒng)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(tǒng)。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

數(shù)控機床工作臺位置伺服系統(tǒng)是指以數(shù)控機床工作臺移動位移為控制對象的自動控制系統(tǒng)。位置伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構，集電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護為一體。數(shù)控機床的工作臺位置伺服系統(tǒng)輸出位移能自動地、快速而準確地復現(xiàn)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(zhuǎn)化為電信號反饋到輸入端構成負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。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(zhuǎn)化為電流信號，送入電液伺服閥（電液轉(zhuǎn)換、功率放大元件）轉(zhuǎn)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(qū)動液壓馬達帶動減速齒輪轉(zhuǎn)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(fā)生相應的位移。

2.3 確定伺服閥規(guī)格

液壓馬達最大轉(zhuǎn)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(jù)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(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)

3.1 確定各組成元件的傳遞函數(shù)

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(shù)為

工作臺質(zhì)量折算到液壓馬達軸的轉(zhuǎn)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(shù)產(chǎn)生。零位流量——壓力系數(shù)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(shù)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(jù)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(shù)為

減速齒輪與絲杠的傳遞函數(shù)為

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