数控加工中伺服控制技术应用

引言：自 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有加工柔性好、加工精度高、生产率高、减轻操作者劳动强度、改善劳动条件等特点，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂且精度要求较高的零件等。伺服控制技术作为数控机床的核心技术之一，对于提高数控机床的加工精度和效率具有至关重要的作用。

1 伺服控制技术的性能指标

1.1 稳定性

伺服控制系统可以降低振荡和抖动，保证运动的平稳性和精确性。在实际应用中，伺服系统的稳定性直接影响到加工件的精度，直接影响到表面的质量。在系统设计阶段充分考虑了各种因素对稳定性的影响，如选择合适的执行器、传感器以及采用合理的布点安装方式等，从而提高了系统的稳定性。

1.2 动态响应速度

动态响应速度是反映伺服系统对输入指令变化反应速度的重要指标，体现了伺服系统动态质量的高低。快速动态反应速度是指系统为了提高加工效率和精度，能够较快的调整其输出以匹配输入指令的速度。系统的动态反应速度在数控加工中尤其如此，特别是复杂的曲面和高速切削的加工中。为了提高动态响应速度，系统的控制算法和参数设置可以选用高性能的电机、减速器和驱动器。

1.3 过载能力

在实际应用中，如遇到突然增加的负载或冲击载荷，伺服系统需要具备一定的过载能力以保持稳定运行。为了提高过载能力，伺服电机的设计通常会采用转矩控制模式，通过调整电流来保持恒定的转矩输出。此外，先进的热管理系统和高质量的材料选择也能帮助伺服系统更好地应对过载情况，确保长期稳定运行。

2 数控加工中伺服控制技术的应用

2.1 伺服控制在数控机床中的应用

在数控加工领域，伺服控制技术扮演着至关重要的角色。数控机床作为现代制造业的核心设备，其性能直接决定了加工精度和效率。同时，伺服控制技术通过精确控制机床的运动部件，实现了对加工过程的精细管理。

2.1.1 主轴伺服控制

主轴伺服控制是负责机床主轴旋转运动控制的数控机床中的一项关键技术。主轴是直接影响加工零件精度和表面质量的旋转精度和稳定性的数控机床的核心部件。通过伺服控制技术，确保主轴在加工过程中保持恒定转速，从而提高加工精度，实现对主轴转速的精确控制。此外，伺服控制技术还可以根据加工需要，对主轴功率、扭矩等进行实时调整，以适应加工对不同材质的要求。在主轴伺服控制中，通常使用闭环式控制系统，透过感应器实时侦测主轴的实际转速及位置，并与设定值作比较，并透过控制器（Controller）调整马达输出，以达成伺服控制这种控制方式在提高机床抗干扰能力和适应性的同时，也提高了主轴的转动精度和稳定性。

2.1.2 进给伺服控制

在实现零件精加工的关键是在数控加工中，工作台移动速度的精确性是实现零件精密加工的根本。通过对伺服控制技术，可以实现对工作台移动速度及位置的精确控制，从而保证工作台的移动速度以及加工过程中按照预定轨迹移动。这不但使加工精度、加工效率得到提高，而且使作业难度、劳动强度等也随之降低。在进给伺服控制当中，同样采用闭环控制系统，通过传感器对工作台的实际位置及速度进行实时检测，与设定值比较，电机的输出由控制器进行调整从而达到伺服控制的精确。此外，为了使加工精度及加工效率得到进一步的提高，且能够对工作台的移动轨迹进行优化，采用先进的插补算法和轨迹规划技术。这些技术的应用不但使数控机床的加工性能得到提升，而且为近代制造业的发展提供强有力的技术支撑。

2.2 伺服控制在数控加工中的关键技术

2.2.1 插补算法

插补算法是伺服控制在数控加工中的一项关键技术，它主要负责在已知曲线的起点、终点以及进给速度的条件下，计算出曲线上的若干个中间点的坐标值，从而实现数据的“密化”，确保加工过程能够沿着预定的轨迹进行。插补算法的种类多样，常用的包括直线插补和圆弧插补等。直线插补算法通过计算两个相邻数据点之间的直线段，生成一系列的直线段来逼近实际加工路径，这种方法简单易行，但在处理复杂曲线时可能会产生较大的加工误差。而圆弧插补算法则通过计算圆弧的参数，生成圆弧段来逼近实际加工路径，这种方法更适用于加工圆弧形工件，能够显著减小加工误差。

2.2.2 轨迹规划

轨迹规划是伺服控制在数控加工中的另一项关键技术，它主要根据产品的加工要求和机床的运动特性，对数控系统的运动轨迹进行优化设计。轨迹规划的核心在于对加工工件的三维模型进行数学描述，然后根据加工工艺要求，通过计算机算法规划出最优的加工路径。

在数控加工中，轨迹规划的应用同样广泛。通过轨迹规划，可以实现对加工过程的精确控制，确保机床能够按照预定的轨迹进行运动，从而提高加工精度和效率。例如，在汽车零部件加工过程中，轨迹规划方法能够根据工件的形状和加工要求，自动规划出最优的加工路径，提高生产效率的同时保证加工精度。此外，轨迹规划还可以根据机床的运动特性和工件的加工要求，自动调整加工速度和加速度，以适应不同的加工需求。

2.2.3 机械刀具补偿

机械刀具补偿是数控加工中的一项关键技术，主要用于保证刀具在加工过程中能够按照预先设定的路径和进深进行切削加工，使加工精度和加工效率刀具补偿主要分为刀具长度补偿和刀具半径补偿两大类。刀具长度补偿是通过调整刀具在Z轴方向的位置，确保其切削端点能够精确地到达编程规定的位置，这是刀具长度补偿的一种方法。这种补偿方式可以有效避免刀具过长或过短造成的加工误差，对于不同工件的加工深度尤为重要。而刀具半径补偿则是以铣刀等旋转刀具为目标，确保其外部轮廓能准确贴合工件轮廓，从而实现高精度加工，通过调整刀具中心点的运动轨迹来实现的。在实际应用中，为了保证加工过程的稳定性和准确性，需要根据刀具的实际尺寸和工件的加工要求，精确设定刀具补偿参数。

2.2.4 路径优化

在路径优化过程中，首先需要根据工件的几何形状和加工要求，如等高切削、螺旋切削和并行切削等，选择合适的切削策略。等高切割适用于圆柱形零件和平面加工的复杂曲面和轮廓的加工。为减少急停和急转弯，降低刀具的磨损和加工成本，同时还需要对切削路径的平滑性和切削次序进行优化。另外，切削速度、进给率、切削深度等切削参数的调整也是实现路径优化的关键所在，这是根据材料和加工要求而制定。

4 结语

伺服控制技术通过精确控制伺服电机的运动，实现数控机床各轴的高精度定位和速度控制。随着科技的不断进步，伺服控制技术也在不断发展，从最初的模拟伺服系统到现在的全数字交流伺服系统，其性能得到了极大的提升。在数控加工中，伺服控制技术不仅影响着机床的加工精度和效率，还关系到机床的稳定性和可靠性。

参考文献：

[1]顾美.数控机床伺服控制技术体系与加工精度优化途径[J].农机使用与维修，2023，（10）：53-55+59.