1、加工精度

    精度是機床必須保證的一項性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機床的加工精度。因此位置精度是一個極為重要的指標(biāo)。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)的大小，另一方面是對位置檢測元件提出精度的要求。因為在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對于檢測元件本身的誤差和被檢測量的偏差是很難區(qū)分出來的，反饋檢測元件的精度對系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用?？梢哉f，數(shù)控機床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量稱做分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。在設(shè)計數(shù)控機床、尤其是高精度或大中型數(shù)控機床時，必須精心選用檢測元件。所選擇的測量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，一般要求比加工精度高一個數(shù)量級?？傊呔鹊目刂葡到y(tǒng)必須有高精度的檢測元件作為保證。例如，數(shù)控機床中常用的直線感應(yīng)同步器的精度已可達(dá)±0.0001mm，即0.1µm，靈敏度為0.05µm，重復(fù)精度0.2µm；而圓型感應(yīng)同步器的精度可達(dá)0.5N，靈敏度0.05N，重復(fù)精度0.1N。

    2、開環(huán)放大倍數(shù)

    在典型的二階系統(tǒng)中，阻尼系數(shù)x=1/2（KT）-1/2，速度穩(wěn)態(tài)誤差e（∞）＝1/K，其中K為開環(huán)放大倍數(shù)，工程上多稱作開環(huán)增益。顯然，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是影響伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)指標(biāo)的重要參數(shù)之一。

    一般情況下，數(shù)控機床伺服機構(gòu)的放大倍數(shù)取為20～30（1/S）。通常把K<20 范圍的伺服系統(tǒng)稱為低放大倍數(shù)或軟伺服系統(tǒng)，多用于點位控制。而把K>20 的系統(tǒng)稱為高放大倍數(shù)或硬伺服系統(tǒng)，應(yīng)用于輪廓加工系統(tǒng)。

    假若為了不影響加工零件的表面粗糙度和精度，希望階躍響應(yīng)不產(chǎn)生振蕩，即要求是取值大一些，開環(huán)放大倍數(shù)K就小一些；若從系統(tǒng)的快速性出發(fā)，希望x選擇小一些，即希望開環(huán)放大倍數(shù)～增加些，同時K值的增大對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度也能有所提高。因此，對K值的選取是必需綜合考慮的問題。換句話說，并非系統(tǒng)的放大倍數(shù)愈高愈好。當(dāng)輸入速度突變時，高放大倍數(shù)可能導(dǎo)致輸出劇烈的變動，機械裝置要受到較大的沖擊，有的還可能引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。這是因為在高階系統(tǒng)中系統(tǒng)穩(wěn)定性對K值有取值范圍的要求。低放大倍數(shù)系統(tǒng)也有一定的優(yōu)點，例如系統(tǒng)調(diào)整比較容易，結(jié)構(gòu)簡單，對擾動不敏感，加工的表面粗糙度好。

    3、提高可靠性

    數(shù)控機床是一種高精度、高效率的自動化設(shè)備，如果發(fā)生故障其損失就更大，所以提高數(shù)控機床的可靠性就顯得尤為重要。可靠度是評價可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對數(shù)控機床來說，它的規(guī)定條件是指其環(huán)境條件、工作條件及工作方式等，例如溫度、濕度、振動、電源、干擾強度和操作規(guī)程等。這里的功能主要指數(shù)控機床的使用功能，例如數(shù)控機床的各種機能，伺服性能等。 #p#副標(biāo)題#e#

    平均故障（失效）間隔時間（MTBF）是指發(fā)生故障經(jīng)修理或更換零件還能繼續(xù)工作的可修復(fù)設(shè)備或系統(tǒng)，從一次故障到下一次故障的平均時間，數(shù)控機床常用它作為可靠性的定量指標(biāo)。由于數(shù)控裝置采用微機后，其可靠性大大提高，所以伺服系統(tǒng)的可靠性就相對突出。它的故障主要來自伺服元件及機械傳動部分。通常液壓伺服系統(tǒng)的可靠性比電氣伺服系統(tǒng)差，電磁閥、繼電器等電磁元件的可靠性較差，應(yīng)盡量用無接觸點元件代替。

    目前數(shù)控機床因受元件質(zhì)量、工藝條件及費用等限制，其可靠性還不很高。為了使數(shù)控機床能得到工廠的歡迎，必須進一步提高其可靠性，從而提高其使用價值。在設(shè)計伺服系統(tǒng)時，必須按設(shè)計的技術(shù)要求和可靠性選擇元器件，并按嚴(yán)格的測試檢驗進行篩選，在機械互鎖裝置等方面，必須給予密切注意，盡量減少因機械部件引起的故障。

    4、寬范圍調(diào)速

    在數(shù)控機床的加工中，伺服系統(tǒng)為了同時滿足高速快移和單步點動，要求進給驅(qū)動具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。

    單步點動作為一種輔助工作方式常常在工作臺的調(diào)整中使用。

    伺服系統(tǒng)在低速情況下實現(xiàn)平穩(wěn)進給，則要求速度必須大于“死區(qū)”范圍。所謂“死區(qū)”指的是由于靜摩擦力的存在使系統(tǒng)在很小的輸入下，電機克服不了這摩擦力而不能轉(zhuǎn)動。此外，還由于存在機械間隙，電機雖然轉(zhuǎn)動，但拖板并不移動，這些現(xiàn)象也可用“死區(qū)”來表達(dá)。

    設(shè)死區(qū)范圍為a，則最低速度Vmin，應(yīng)滿足Vmin≥a，由于a≤dK，d為脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；K為開環(huán)放大倍數(shù)，則

    Vmin≥dK
    若取d=0.01mm/脈沖，K=30×1/S，則最低速度
    Vmin≥a=30×0.01mm/min=18mm/min

    伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機床的機械允許界限和實際加工要求，高速度固然能提高生產(chǎn)率，但對驅(qū)動要求也就更高。此外，從系統(tǒng)控制角度看也有一個檢測與反饋的問題，尤其是在計算機控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理的時間是否足夠。

    由于fmax=fmax/d
    式中：fmax為最高速度的脈沖頻率，kHz；vmax為最高進給速度，mm/min；d為脈沖當(dāng)量，mm。
    又設(shè)D為調(diào)速范圍，D=vmax/vmin，得
    fmax =Dvmin/d=DKd/d=DK

    由于頻率的倒數(shù)就是兩個脈沖的間隔時間，對應(yīng)于最高頻率fmax的倒數(shù)則為最小的間隔時間tmin，即tmin=1/DK。顯然，系統(tǒng)必須在tmin內(nèi)通過硬件或軟件完成位置檢測與控制的操作。對最高速度而言，vmax的取值是受到tmin的約束。

    一個較好的伺服系統(tǒng)，調(diào)速范圍D往往可達(dá)到800～1000。當(dāng)今最先進的水平是在脈沖當(dāng)量d=1µm的條件下，進給速度從0～240m/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

    5、結(jié)論

    上述幾方面對數(shù)控機床位置伺服系統(tǒng)所要求的伺服性能進行了分析，并提出了系統(tǒng)穩(wěn)定運行的可靠性指標(biāo)，該研究結(jié)果可用于伺服數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計，也可用于現(xiàn)有數(shù)控機床的改造以提高其工作精度。