伺服控制技術在數控加工中的應用價值與提升方向

單 煒

(江蘇省惠山中等專業學校,江蘇 惠山 214151)

0 引言

機械加工是國家機械工業和經濟發展的關鍵行業,機械加工的生產力受到技術條件和設備先進性的明顯制約。數控技術作為制造業向現代化發展的基礎技術,在機床產品中應用廣泛。近年來,我國數控機床的普及程度持續提高,改善了機械化生產效率,但從國際范圍看,我國自主研發的數控機床產品和配套技術仍有較大提升空間,國內機床企業現階段生產的產品自主研發能力不足,對于伺服控制技術的深度應用、參數探究、性能分析不足,導致數控機床在加工精度、工作效率、穩定性等方面與國際一線品牌產品存在較大技術差距,通過積極利用和深入研究數控機床伺服控制技術體系來改善機械制造質量,已成為現階段我國機械加工行業發展的重要工作之一。

1 機床數字控制技術特征

數字控制技術(Numerical Control,NC)是數控機床自動運行的基礎,其原理是通過建立數學控制公式配合程序指令實現對電氣可控設備的自動控制,是計算機技術與電氣技術的有機結合。國內在機床上開展了數字控制技術的相關研究,通過科研人員的不懈努力,目前國內的數控機床技術已逐步接近國際先進水平,使我國機械制造業也呈現出自動化、柔性化和集成化的發展趨勢。機床數字控制技術現階段已與機械行業有效融合,實現了兼容CAD、CAM,并發展成整合FMS、CIMS特征的新機械加工制造體系[1]。

2 伺服控制系統的應用價值

伺服控制系統是電氣化自動控制系統的重要分類之一,由控制器、驅動元件、被控對象和檢測裝置組成,能通過控制指令實現對相對運動的控制,該技術在機械相關產品中應用廣泛。伺服控制與傳統控制過程相對比,特征在于伺服控制系統能夠按照人們的意愿進行精準控制,同時對控制質量進行跟蹤和修正,應用于數控機床的生產加工中,實現智能控制。伺服控制系統按照數控編程指令和程序修正功能,精確控制工作臺與主軸刀具和被切割工件的相對位置,實現關鍵加工器具的規律運動,更容易保證機械加工質量,該系統具有穩定、靈活、方便、快速、準確等特性[2-3]。

伺服控制系統在數控機床上應用價值體現在以下幾方面:一是有效提升數控機床的加工精度,能通過精確控制和邏輯分析與判斷實現精確加工與制造;二是有效提高自動化程度,減少人工參與過程,降低勞動強度;三是有效縮短生產制造周期,實現多道工序的連續加工,降低不同工序加工誤差累積,提高零件制造合格率,降低廢品率,尤其適合精密零件的生產制造;四是隨著伺服控制系統進入全數字化和交流化時代,利用軟件優化可實現性能升級[4]。

3 技術體系組成與原理

3.1 基礎組成及功能

伺服控制系統在數控機床的應用,主要包括3個功能分類,分別為控制系統、伺服驅動裝置和位置檢測系統,其工作原理如圖1所示。控制系統是數控機床的“大腦”,能夠接收和利用檢測系統反饋數據,實現對加工程序和修正程序的調取,根據加工實施狀態進行判斷調整,通過計算機的數學運算形成指令,并發送給伺服驅動裝置;伺服驅動裝置是數控機床的“軀干”,是機械加工的執行主體能夠根據控制系統制定的執行動作,主要由驅動元件、機械傳動部件和末端執行件等組成;位置檢測系統由多種傳感器和通訊設備組成,能夠實現對機械部件實際位移量的檢測,并能將檢測結果反饋給控制系統。控制系統、伺服驅動裝置、位置檢測系統之間形成循環配合。目前,數控機床伺服控制技術已經進入智能化控制階段,先進的數控機床能夠利用控制系統自主運算、自主控制并發送指令,驅動機床部件自動加工制造零件,隨著機床技術的發展,數控機床伺服控制功能也進一步向集成化、人性化方向發展。

圖1 數控機床伺服控制技術工作原理

3.2 控制系統

數學控制模型是控制系統的關鍵邏輯基礎,伺服控制系統在數控機床中應用的廣泛控制方法為PID控制(Proportion Integration Differentiation),其技術原理如圖2所示。PID控制主要由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成,該控制可形成一個具有執行反饋循環功能的可控回路系統,通過比較收集數據和預設值之間的差值,調整控制過程中的執行量,以保證系統的準確性和穩定性,尤其適用于數控機床這一類具有穩定誤差和批量反復加工統一零件的條件中,PID控制能充分發揮其穩定性和準確性的優勢[5]。

圖2 PID控制技術原理

PLC可編程邏輯控制器控制模型(Programmable Logic Controller)是數控機床中應用的一種成熟的控制模型,能使電氣線路布線更加簡潔,而且能實現常規控制電路不能實現的特殊控制功能。其在機械加工行業中已發展成為相對成熟的電子控制系統,并配備有專用的可編程存儲器,通過快捷選擇功能和自主編程,實現對機床驅動和執行機構狀態的控制、運行邏輯運算,以及時間、空間相對關系的調整。其軟件控制的實現需要依托電源、中央處理單元、存儲器、輸入單元、輸出單元等硬件支持。近年來,PLC控制技術在數控機床方面也實現了快速優化調整,其功能由傳統的編程控制逐漸向邏輯控制、時序控制、模擬控制等自主控制方向轉型,逐漸實現控制功能的優化。

3.3 伺服驅動裝置

伺服驅動根據技術特征和發展時期可分為直流伺服驅動和交流伺服驅動兩種。直流伺服驅動技術應用較早,主要驅動裝置是制動電機,通過對直流電機的轉速控制實現對機床加工制造狀態的調整,直流驅動裝置能適應機械加工中高負載加工需求,實現大扭矩輸出下的精確控制。交流伺服驅動在現階段數控機床中應用更為廣泛,屬于新興伺服驅動技術,其能夠通過變頻調速技術實現對交流電機的精確控制,進而驅動機床主軸及刀具實現精準加工。交流伺服驅動的優勢在于驅動控制過程能夠實時與旋轉編碼器速度測量數據進行對比控制,實現實時修正[6]。

3.4 位置檢測系統

位置檢測系統是對數控機床伺服控制原始環境、執行狀態進行數據獲取與處理的功能系統,其主要功能裝置為傳感器。隨著傳感器技術的快速發展,傳感器的種類和型號也持續增加,能夠實現對位置、距離、轉速、壓力等多種參數的快速準確獲取,輔助機床實現功能關系的客觀判斷。

傳感器主要通過敏感元件技術實現檢測功能,常用的傳感器包括位移傳感器、加速度傳感器、荷重傳感器和溫度傳感器等[7]。

4 伺服控制技術的提升方向

4.1 明確影響加工精度的因素

要提高數控機床的加工制造精度,應從伺服控制的特征出發,明確影響加工精度的重要因素。第一,控制原點的選擇是加工制造的基礎坐標定位,實際加工中常因為原點選擇不合理造成加工制造精度下降;第二,編程軌跡及數據處理不合理會造成外形輪廓和表面質量的下降;第三,誤差補償技術的應用對于加工質量和合格率也會產生直接影響;第四,檢測系統的準確性和實時性對于加工準確程度會產生關鍵影響[8]。

4.2 合理選擇編程原點

編程原點需根據數控機床結構、待加工零件圖紙和生產加工工藝綜合考慮后進行選擇,多工序加工制造時必須保證編程原點坐標相同。同時,編程原點的選擇應保證加工過程的數學運算盡量簡單,避免出現尺寸鏈反復換算、頻繁換算公差加工的情況,兼顧加工過程中刀具的運行邏輯,盡量減少刀具空行時間,避免路徑重復和無效驅動。

4.3 合理設計編程軌跡

首先,要結合零件加工工藝和機床結構特征合理設計進刀、退刀的路徑,降低進刀接觸誤差和退刀切削影響表面質量,減少進刀和退刀作業過程中產生的刀痕;其次,應合理選擇刀具行進方向,對于硬度較大的原材料、表面經特殊處理的原材料,需根據材料特征選擇合理的行進路線;此外,對于不同的材料應合理設計粗加工、精加工的單次切削量,設計是否可實現來回往復加工,在保證表面加工質量的同時提高工作效率;最后,加工路線的設計應充分考慮零件和刀具的受力狀態,避免突然受力造成加工質量下降[9]。

4.4 合理應用誤差補償

誤差補償的方式方法是多種多樣的,傳統誤差補償多采用減少原始誤差、轉移原始誤差、均分原始誤差、均化原始誤差等方法實現,隨著伺服控制技術的持續升級,系統對于原始誤差的處理方式更加智能化,能夠實現實時補償與修正。合理利用軟件系統驅動硬件,使誤差補償的過程更為精確且便捷。深入應用在線檢測、在線誤差補償和偶件自動配磨等新技術,達到降低誤差的目的。以某一編程原點為基準,采取絕對式編程,實現零部件坐標程序的應用和循環程序加工指令運用,達到提高加工精度的目的[10-11]。

4.5 優化檢測系統功能

從伺服系統設計角度出發,持續優化傳感器硬件應用合理性,科學引進最新的傳感器設備和技術,提高檢測精確度和數據反饋實效性,助力控制系統優化判斷過程,提高伺服控制的整體調整能力。

5 結語

近年來,國產高端數控機床市場占有率穩步提升,據機床產業數據統計顯示,我國2022年數控機床產業規模超4 000億元。作為技術更復雜、精密的現代化機床,伺服控制技術在機床領域的應用仍有很深的潛力可以挖掘,伺服控制技術能有效促進機床產品向高度自動化的方向發展,為我國制造業乃至工業發展提供重要基礎保證,未來還應持續加強數控機床伺服系統軟硬件升級研究,為機床技術的現代化發展和應用創造有利條件。