伺服比例閥在數控機床的應用
英國BSA公司生產的SPEEDTUEN4200多滑體數控棒料車床最大可配置七軸,其中五個軸是用比例伺服閥與線性光柵尺配合使用,實現滑體單閉環反饋控制。對于小規格、多軸機床,如果使用伺服電動機控制很難布置,利用比例閥與線性光柵尺解決了這個問題。機械結構簡單,所占空間小,價格性能比小于伺服電動機控制,是機床行業多軸控制較理想的一種方法。
1.伺服比例閻與放大器
伺服比例閥是把指令輸入電壓(通常10V)無級變換為成比例的液壓輸出信號。控制比例閥的流量或壓力實現執行元件(液壓缸)的運動。伺服比例閥與放大器框圖如圖69所示。
從圖69中很容易看出指令電壓與由被控量轉換成的機械位移相比較,它們的差值(即控制偏差)傳給由信號轉換部分與功率放大部分組成的液壓操作器。液壓操作器的輸出及控制比例閥,控制供人液壓執行元件壓力油的方向與流量,使被控對象沿控制偏差減小的方向動作。另外,當要求液壓驅動系統的效率較高時,也有用控制閥改變泵輸出流量和輸出方向,從而控制供人液壓執行元件的流量。流量與指令電壓的曲線圖如圖70所示。
從圖70中可以看出,指令電壓與流量Q成正比。伺服比例閥與放大器構成了一個電壓圖70流量與指令電壓曲線(無補償)(或電流)與流量(或壓力)的單閉環系統。由于采用液壓作為驅動部件,發揮了液壓驅動部分的力矩慣量比很大這個優點,同時信號的傳遞與運算采用電氣控制,叉克服了液壓這些方面的缺點,所以具有提高精度、衰減干擾、快速響應等優點。
伺服比例閥的壓力流量特性可以近似表達為
式中:Qm為負載流量;Kx為比例閥的流量增益;KP0為Kx與零點壓力增益Kpx之比Kx/Kpx求得;pm為液壓缸壓差,ps為供油壓力,X為比例閥心位移。
而在直線良好的范圍內為
Qm=KxX-KPpm
伺服比例放大器可以對滯后等因素進行補償,基本實現模擬電壓與流量成線性關系。
2.數控機床采用伺服比例閥與光柵尺組合實現直線運動
國內外大部分機床廠采用數控系統和伺服放大器、伺服電動機通過滾珠絲杠實現機床直線運動。有兩種情況:一種是利用伺服電動機內部編碼器實現速度和位置反饋,通過伺服電動機旋轉的角度換算成絲杠螺距實現半閉環直線運動;另一種是通過電動機旋轉帶動絲杠使用光柵尺作為位置反饋,實現單閉環直線運動。在數控機床上采用伺服比例閥替代伺服電動機,用液壓缸替代絲杠,利用光柵尺作為單閉環位置控制系統,國內生產廠很少使用。現以BOSCH公司生產的伺服比例閥(BO811404046)為例,說明該系統的構成。伺服比例閥(BO811404046)系統框圖如圖71所示。模擬電壓UE與流量QPA線性關系圖如圖72所示。
從伺服比例閥(BO811404046)系統框圖可以看出,Z2、Z16、B2、B12提供給放大器一個直流24V電源。Z20、B22是CNC供給放大器一個可連續變動的模擬電壓,B8、B6是通過放大器的放大控制比例閥心位移,B30、R24、Z30、B22是閥心位置負反饋,ZA+、ZA-、ZB+、ZB-是一個CNC數控系統接收光柵尺位置負反饋。首先選定合適行程的液壓缸,同時定購與液壓缸行程相當的光柵尺,再選一個帶模擬電壓的數控系統。從圖72可看出流量QPA與模擬電壓UE成正比,即QPA增大UE增大,反之UE減小QPA減小。在圖69中,數控系統發出一個指令模擬電壓輸入到伺服比例閥放大器中。通過放大器放大,從B6、B8輸出控制閥心的左右移動,從而控制油量的大小,即控制液壓缸的位移大小。B30、B24、230、B22提供一個+15V的參考電壓,實現閥心移動量的負反饋,使閥心精確定位。雖然伺服比例閥本身有一個位置反饋,但數控系統并不能知道其是否精確到位,所以在此基礎之上,叉增加了一個光柵直尺。液壓缸的左右移動,通過光柵直尺的位置反饋精確地回饋到數控系統中,這樣比例閥的閥心控制是由伺服比例放大器的負反饋精確定位。而數控系統的運動指令又由光柵直尺作為保證,真正起到雙保險作用。
利用伺服比例閥和線性光柵直尺配合使用,不但穩定可靠,而且解決了使機械設計感到特別頭疼的空間局限性問題。使用此法在數控機床上可以實現多軸連續控制。系統小巧玲瓏、簡單可行,可以推廣到各行各業,很有發展前景。