數(shù)控機床是數(shù)字控制工作母機的總稱，是集現(xiàn)代精密機械設(shè)計與制造技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測技術(shù)、電力電子與微電子技術(shù)、電機與新材料技術(shù)、液壓與氣動技術(shù)、光電技術(shù)等最新成就而構(gòu)成的機電一體化的高級典型產(chǎn)品，作為加工制造業(yè)的工作母機，同時是兼?zhèn)涓呔?、高柔性、高效率、高自動化特點于一身的現(xiàn)代化設(shè)備。

數(shù)控機床是國防軍工、國民經(jīng)濟中的重要基礎(chǔ)裝備，它的應(yīng)用遍及社會經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，是機械、電子、汽車、石化、建筑等部門的支柱產(chǎn)業(yè)，也是能源、交通、材料、通訊等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化重要工具。

機床

在國防、航天、航空、軍工裝備、艦船、空間技術(shù)、海洋等領(lǐng)域更是不可替代，甚至是成為必不可少的關(guān)鍵性設(shè)備。數(shù)控機床特別是高端數(shù)控機床體現(xiàn)了國家的經(jīng)濟與科學技術(shù)綜合實力，具有戰(zhàn)略地位，在有些情況下，甚至影響了國家與民族的生存。

因此，各國都給予極大的重視，我國也毫不例外，歷年都采取一系列措施，支持數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但由于種種原因，我國的技術(shù)水平發(fā)展還趕不上技術(shù)先進的發(fā)達國家。特別是數(shù)控機床是一個非常復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)，涉及到許多技術(shù)領(lǐng)域，短期內(nèi)很難由少數(shù)幾個部門或單位完成如此艱巨的工作任務(wù)。

目前，伺服控制系統(tǒng)不僅在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，而且在許多高科技領(lǐng)域，如激光加工、機器人、數(shù)控機床、大規(guī)模集成電路制造、辦公自動化設(shè)備、衛(wèi)星姿態(tài)控制、雷達和各種軍用武器隨動系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)以及自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域中的應(yīng)用也迅速發(fā)展。

伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，它的性能優(yōu)劣直接決定與影響著自動控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和精確性，機、電、液的組合成為目前工業(yè)自動化的主要技術(shù)基礎(chǔ)。

伺服控制系統(tǒng)用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。

伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是按照控制命令要求，對信號進行變換、調(diào)控和功率放大等處理，使驅(qū)動裝置輸出的轉(zhuǎn)矩、速度及位置都能靈活方便的控制。

1、數(shù)控機床控制方案設(shè)計

1.1加工精度

精度是機床必須保證的一項性能指標。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。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)的分辨率或脈沖當量，一般要求比加工精度高一個數(shù)量級?？傊?，高精度的控制系統(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±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0.5N，靈敏度0.05N，重復(fù)精度0.1N。

1.2開環(huán)控制放大倍數(shù)

在典型的二階系統(tǒng)中，阻尼系數(shù)x=1/2(KT)-?，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K20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。

1.3控制系統(tǒng)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?？煽慷仁窃u價可靠性的主要定量指標之一，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。

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。

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。

1.4調(diào)速范圍

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。

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為脈沖當量，mm。又設(shè)D為調(diào)速范圍，D=vmax/vmin，得

fmax=Dvmin/d=DKd/d=DK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往往可達到800～1000。當今最先進的水平是在脈沖當量d=1μm的條件下，進給速度從0～240m/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

2、數(shù)控機床硬件設(shè)計

2.1運動控制卡

運動控制卡是一種上位控制單元，可以控制伺服電機，是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)模可編程器件實現(xiàn)多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進/伺服電機運動控制卡包括脈沖輸出、脈沖計數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。

脈沖計數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機器準確的位置，糾正傳動過程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入/輸出點可用于語限位、原點開關(guān)等。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中需要精確定位、定長的位置控制系統(tǒng)和基于PC的NC控制系統(tǒng)。具體就是將實現(xiàn)運動控制的底層軟件和硬件集成在一起，使其具有伺服電機控制所需的各種速度、位置控制功能。這些功能能通過計算機方便地調(diào)用。

運動控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機驅(qū)動器，同時接受伺服電機編碼器反饋的脈沖數(shù)，還接受光柵尺反饋信號，進而控制伺服電機的轉(zhuǎn)速。伺服驅(qū)動器既要與運動控制卡有數(shù)據(jù)線連接，其本身還要連接插座電源。

如果你的運動控制卡時比較好的卡，伺服刷新率可以達到要求，可以把編碼器反饋直接接到運動控制卡，形成一個整體的閉環(huán)。若對對精度有很高的要求可以用雙閉環(huán)，運動控制卡就是根據(jù)要求x-y平臺運行的位置，控制電機運動到準確的位置。

2.2PC總線

現(xiàn)有的放開式數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)方案主要采用PC機和數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合的方法，PC機作為上位機實現(xiàn)較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信，人機交互等功能，數(shù)控系統(tǒng)作為下位機將上位機輸入的運行參數(shù)經(jīng)過處理交給執(zhí)行部件執(zhí)行，同時將檢測系統(tǒng)的反饋信息上傳給上位機實現(xiàn)實時監(jiān)控，各個模塊之間協(xié)調(diào)工作互不干擾，給系統(tǒng)升級帶來了方便。

放開式系統(tǒng)動態(tài)控制器的核心是DSP，它具有運算速度快，支持復(fù)雜運動算法的特點，可以滿足高精度運動控制的要求，因此，以DSP為核心的多軸動態(tài)控制卡越來越廣泛地應(yīng)用在運動控制系統(tǒng)中，將多軸動態(tài)控制卡插在PC機擴展槽上，就可以組成高精度運動控制系統(tǒng)，位置反饋信號的采集、閉環(huán)控制計算及控制量的輸出均由動態(tài)控制卡完成，極大的提高了運算速度和控制響應(yīng)速度，將工控機的資源從煩瑣的數(shù)據(jù)采集和計算中解決出來，從而可以更好的實施整個控制系統(tǒng)的管理。

2.3驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達。目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應(yīng)的直流電。

經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。

伺服驅(qū)動器一般可以采用位置、速度和力矩三種控制方式，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)，目前是傳動技術(shù)的高端。編碼器（encoder）是將信號或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。

驅(qū)動器是一個驅(qū)動放大元件，只是把上位機（如運動控制卡）發(fā)來的一些信號進行放大，以致使電機可以運轉(zhuǎn)起來。MAC系列運動控制卡是基于總線的電機運動控制卡。

采用專用控制芯片為核心器件，輸入輸出信號均為光電隔離，可與各種類型的步進電機驅(qū)動器連接，驅(qū)動步進電機，構(gòu)成高精度位置控制系統(tǒng)或調(diào)速系統(tǒng)。

可與PC機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機負責人機界面的管理和其它管理工作；而控制卡負責運動控制方面的所有細節(jié)。用戶通過我們提供的動態(tài)鏈接庫可方便快速的開發(fā)出自己需要的運動控制功能。

3、伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),類型繁多,但從自動控制理論的角度來分析,伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器,被控對象,執(zhí)行環(huán)節(jié),檢測環(huán)節(jié),比較環(huán)節(jié)等五部分。

3.1比較環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié),通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。

3.2控制器

控制器通常是計算機或PID控制電路,其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理,以控制執(zhí)行元件按要求動作。

3.3執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求,將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機械能,驅(qū)動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓,氣動伺服機構(gòu)等。

3.4被控對象

機械參數(shù)量包括位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對象。

3.5檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置,一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。