杨京伟
（天津钢管集团股份有限公司 天津 300301）
摘要：伺服系统是指利用某一部件（如控制杆）的作用能使系统所处的状态到达或接近某一预定值，并能将所需状态（所需值）和实际状态加以比较，依照它们的差别（有时是这一差别的变化率）来调节控制部件的自动控制系统。本文主要就数控机床的伺服系统改造要点进行分析。
关键词：伺服系统；改造要求；数控机床
前 言
伺服系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，其是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。随着高速加工技术的发展，对伺服系统的要求也越来越高。因此，对原有的一些伺服系统进行升级改造就十分有必要。
一、数控机床伺服系统概述
数控机床由数字程序实现机床控制，可以进行长时间的无人运转加工。而数控机床的伺服系统充当着“执行机构”的角色。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。数控机床的伺服系统主要有两种：1）进给伺服系统。一般概念的伺服系统，它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统完成各坐标轴的进给运动，具有定位和轮廓跟踪功能，是数控机床中要求最高的伺服系统，它的性能决定了数控机床的最大进给速度和定位精度等。2）主轴伺服系统。一般的主轴控制只是一个速度控制系统，主要实现主轴的旋转运动，提供切削过程中的转矩和功率，且保证任意转速的调节，完成在转速范围内的无级变速。具有C轴控制的主轴和进给伺服系统一样，为一般概念的位置伺服控制系统。
二、改造后数控机床伺服系统的要求
1）可逆运行。在加工过程中，机床工作台处于随机状态，根据加工轨迹的要求，应随时都可以实现正向和反向运动。同时要求在方向变化时，不应有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变换为机械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能反馈给电网，以实现快速制动。
2）速度范围宽。为适应不同的加工条件，例如所加工零件的材料、类型、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等的不同，要求数控机床进给系统能在很宽的范围内无级变换。这就要求伺服电动机有很宽的调速范围和优异的调速性能。经过机械传动后，电机转速的变化范围即可转化为进给速度的变化范围。
3）具有足够的传动刚性和高的速度稳定性。这就要求伺服系统具有优良的静态与动态负载特性，即伺服系统在不同的负载情况下或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，速度负载受负载力矩变化的影响很小。通常要求承受额定力矩变换时，静态速降应小于5％，动态速降应小于10％。
4）快速响应并无超调。一方面，在伺服系统处于频繁地启动、制动、加速和减速等动态过程，为了提高生产率和保证加工品质，则要求加减速度足够大，以缩短过渡时间。一般电机速度由0到最大，或从最大降低到0，时间应控制在200ms以下，甚至小于几十毫秒，且速度变化时不应有超调；另一方面，当负载突然变化时，过渡过程前沿要陡，恢复时间要短、且无振荡。这样才能得到光滑的加工表面。
5）精度高。位置伺服系统的定位精度一般要求能达到1μm甚至0.1μm，高的可以达到0.01-0.005μm。相应地，对伺服系统的分辨力也提出了要求。系统分辨力取决于系统稳定工作性能和所使系统用的位置检测元件。目前的闭环伺服都能达到0.1μm的分辨力，甚至更小。
6）低速大转矩：机床的加工特点，大多是低速时进行切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。
三、数控系统改造实例
我单位原机床为840C数控系统，由于840C系统已经停产多年，机床没有系统备件。且系统元件老化，系统运行不稳定，报警频繁，制约到了机床的生产。原主轴电机为85.5KW直流电机，电机及备件均处于报废状态，电机存在振动现象，影响到工件的加工。原机床系统为西门子840C数控系统，主轴部分为西门子直流驱动，主要有：1）85.5KW直流电机一台；2）西门子6RA27系列直流驱动一台；3）西门子840C数控系统一套，S5PLC I/O模块10组；4）模拟量伺服电机两台5）操作面板（带按钮）一组；6）工艺用手轮一个。
本次改造采用840D数控系统，主轴采用伺服方式（改造后相关设备状态如图所示）。硬件部分改造为：1）系统由西门子840C系统升级为西门子840D系统；2）保留原数控系统光栅尺，X轴海德汉LS107-640mm，Z轴海德LB326-18000mm；3）保留原数控系统X轴扫描单元；增加信号转换器（TTL>1VPP），在保留Z轴光栅尺的同时，可以使Z轴扫描单元满足840D系统信号需求；4）PLC由原来的S5升级为S7，数字量输入点数128点、数字量输出点数96点；5）更换电柜内元器件，柜内电气重新布线。按原线号标记。6）机床至配电箱的数字量输入信号、数字量输出信号线保留原有；7）主轴驱动由原来的6RA27直流调速器采用伺服控制方式，原85.5KW直流电机改为100KW交流伺服电机；8）主轴安装编码器、制作编码器过渡连接法兰盘（测绘制作）；9）更换X轴Z轴伺服电机为27N.M FT6086系列电机两台。软件部分，HMI人机画面利用HMI V7.3进行安装，原PLC程序由S5转换为S7程序；操作界面工艺部分采用西门子原有界面，新增监控等界面。通讯部分，新系统PLC部分采用profibus总线方式，数控数据的传输采用MPI总线的方式。
经改造后，呈现以下特点：1）新系统采用西门子S7-300 PLC系统，极大地提高了数据处理速度，不但提高了通讯速度，而且保证了通讯的稳定性。2）实现了数控系统的升级改善了840C系统没有备件的现状，新系统备件费用低，故大大降低了备件成本。3）新增了监控，维修等界面，方便了设备的维修减少了设备的维修时间，提高了设备的运行率。4）优化了原加工程序，减少了整支芯棒的加工时间，提高了生产效率。5）跟另外一台（TP901#）数控机床改造相比，此次改造将主轴部分由直流改为交流伺服主轴，费用比上台只增加7万元，单独改交流伺服主轴的费用达到30万元。仅此一项节约改造成本23万元6）改造后，提高了工艺的加工效率，增加了芯棒的产量，减少了抛光时间及抛光带的的消耗，预计年可创造效益84万元。
四 小结
综上所述，数控机床伺服系统对数控机床的性能有着决定性的作用，伺服系统的改造可用于现有数控机床的改造以提高其工作精度。本文对数控机床伺服系统的改造要求进行了相关论述，以期为今后的相关工作提供指导。
参考文献：
[1]胡丘.数控机床伺服进给系统的设计[J].机床与液压，2004，06.
[2]吴焱明，赵福民，王治森.提高伺服系统定位精度的方法[J].制造技术与机床，1999，12.
作者简介：
杨京伟：男；汉；工程师；本科；研究方向：设备技术改造；供职单位：天津钢管集团股份有限公司。
论文作者:杨京伟
论文发表刊物:《电力设备》第02期供稿
论文发表时间:2015/9/21
标签：伺服系统论文; 数控机床论文; 主轴论文; 系统论文; 速度论文; 加工论文; 机床论文; 《电力设备》第02期供稿论文;