数控机床工作台位置伺服系统的分析和设计

0 引 言

位置伺服系统是一种自动控制系统。因此，在分析和设计这样的控制系统时，需要用自动控制原理作为其理论基础，来研究整个系统的动态性能，进而研究如何把各种元件组成稳定的和满足稳定性能指标的控制系统。若原系统不稳定可通过调整比例参数和采用滞后校正使系统达到稳定，并选取合适的参数使系统满足设计要求。本文介绍位置伺服系统的各组成元件及工作原理、对系统设计和校正。

1 位置伺服系统组成元件及工作原理

数控机床工作台位置伺服系统有不同的形式，一般均可以由给定环节、比较环节、校正环节、执行机构、被控对象或调节对象和检测装置或传感器等基本元件组成[1]。根据主机的要求知系统的控制功率比较小、工作台行程比较大，所以采用阀控液压马达系统。系统方框图如图1所示。

数控机床工作台位置伺服系统是指以数控机床工作台移动位移为控制对象的自动控制系统。位置伺服系统作为数控机床的执行机构，集电力电子器件、控制、驱动及保护为一体。数控机床的工作台位置伺服系统输出位移能自动地、快速而准确地复现输入位移的变化，是因为工作台输出端有位移检测装置（位移传感器）将位移信号转化为电信号反馈到输入端构成负反馈闭环控制系统。反馈信号与输入信号比较得到差压信号，然后把差压信号通过伺服放大器转化为电流信号，送入电液伺服阀（电液转换、功率放大元件）转换为大功率的液压信号（流量与压力）输出，从而使液压马达的四通滑阀有开口量就有压力油输出到液压马达，驱动液压马达带动减速齿轮转动，从而带动滚珠丝杠运动。因滚珠丝杠与工作台相连所以当滚珠丝杠 运动时，工作台也发生相应的位移。

2.3 确定伺服阀规格

液压马达最大转速为

所以负载流量为

此时伺服阀压降为

考虑到泄漏等影响，将增大15%，取。根据和，查手册得额定流量（阀压降为时的输出流量）为8L/min的阀可以满足要求，该阀额定电流为

2.4 位移传感器和放大器增益

,放大器增益待定。

3 系统的动态品质

3.1 确定各组成元件的传递函数

因为负载特性没有弹性负载，因此液压马达和负载的传递函数为

工作台质量折算到液压马达轴的转动惯量为

考虑到齿轮、丝杆和液压马达的惯性，取并取液压马达的容积则液压固有频率为

假定阻尼比仅由阀的流量——压力系数产生。零位流量——压力系数可近似计算为

液压阻尼比为

将值代入式（2）得

伺服阀的传递函数由样本查得^[4]

额定流量的阀在供油压力时，空载流量（式中：为阀压降），在第二章中，根据查表得到额定流量（阀压降为时的输出流量）为8L/min的阀可以满足要求

所以阀的额定流量增益则伺服阀的传递函数为

减速齿轮与丝杠的传递函数为

根据以上确定的传递函数，用Simulink可绘制出数控机床工作台位置伺服系统的模型如图2所示。