CNC 伺服液压系统的组成与控制原理详解

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  组成与控制原理从三个层面开始
• 2
  控制环如何闭合
• 3
  液压伺服轴的优势与局限
• 4
  该原理对零件质量意味着什么
• 5
  液压伺服轴与全电伺服轴对比

伺服液压轴由三个必须相互匹配的层面构成：机械、液压、电子。机械层是机床床身、直线导轨、滑枕或滑座，以及承载载荷的滚珠丝杠或齿条。液压层是泵、歧管、伺服阀，以及液压缸或旋转执行器。电子层是 NC 控制器、驱动放大器、编码器或光栅尺，以及压力和温度传感器。

这三个层面都不能单独起作用。如果导轨不直，再好的阀调校也保不住零件上的直边。如果伺服阀选得过大，轴在低进给时会振荡，留下颤纹。如果编码器分辨率太粗，控制环在误差变成可见台阶之前就看不到它。选型要从负载出发，而不是从样本出发。

机械层决定上限。质量、导轨摩擦和结构刚度决定轴在产生振铃之前能加速多快。重滑枕配循环滚子导轨可以高进给运行，但同样的滑枕装在润滑不良的硬轨上就会爬行和卡滞。液压层和电子层只能在这个上限之内工作。

这就是组成与控制原理的前一半：组成不是一张零件清单，而是一组相互匹配的能力，最弱的一层决定整根轴的上限。

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  机械床身、导轨、滑枕和丝杠。决定刚度和运动质量。
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  液压泵、歧管、伺服阀、液压缸。决定力和速度。
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  电子NC 控制器、驱动器、编码器、传感器。决定环带宽和分辨率。

控制器将指令位置与实际位置比较，把差值转换成阀指令。该指令是电流，不是压力。伺服阀把电流转换成阀芯位移，阀芯打开流道，液压缸随之运动。光栅尺读取结果，控制环重复这一过程，每秒数千次。

三个环层层嵌套。最内层是阀芯位置环，通常在阀内部闭合。其外是液压缸位置环，由 NC 闭合。最外层是进给驱动，沿刀路对各轴进行插补。内环误差表现为表面痕迹，外环误差表现为尺寸误差。

增益是最关键的调校参数。增益太小，轴会滞后于指令，拐角变圆并留下跟随误差。增益太大，轴会过冲、修正、再 过冲。液压轴的极限通常比滚珠丝杠轴来得更早，因为油可压缩，阀本身也有滞后。

前馈比单纯提高增益更有效。如果控制器知道路径所需的加速度，就能在误差出现之前加上预期的阀电流。这样既能保持较小的跟随误差，又不会把环推向振荡。许多液压控制器正是为此提供单独的前馈增益。

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  阀芯环在伺服阀内部闭合，速度快，用户很少调整。
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  液压缸位置环由 NC 利用光栅尺闭合。主要调校对象。
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  路径插补环协调各轴。决定曲线和拐角处的轮廓误差。

力密度是选择液压的主要原因。中等缸径的液压缸能以小体积输出数十 kN 的力，滚珠丝杠加伺服电机很难做到。这就是液压轴在压机、注塑单元、重载滑枕铣削以及某些拉削和成形工序中占主导的原因。如果轴需要低速大推力，液压通常是更短的路径。

负载下的刚度是第二个原因。带压油液像一根很硬的弹簧，调校良好的液压轴能在切削力作用下保持位置，变形很小。这在重载断续切削中很重要，滚珠丝杠轴会被推回再弹回。

缺点也是实实在在的。油温变化会改变黏度，黏度变化又改变响应。冷机调好的机床运行四小时后表现会不同。好的设计会加装油冷却、控制器温度补偿，或两者兼有。没有这些，轴会漂移，操作员反复重调，这不是稳定的工艺。

清洁度和维护是另一项成本。液压油会泄漏，滤芯会堵塞，伺服阀对污染敏感。脏的系统在彻底失效之前很久就会表现为运动异常。任何使用液压伺服轴的车间都需要过滤和油液分析制度，而不只是维修人员。

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  选液压大推力、低速、高刚度、重载断续切削。
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  选用全电动高速、低力、洁净室、严格热控、低维护。

在加工零件上，液压伺服轴会留下特定痕迹。加速时的跟随误差表现为长直线切削上的轻微锥度。阀死区表现为轴换向时的平坦点，通常是方向改变处的小台阶。热漂移表现为一个班次内的尺寸趋势，而不是随机散布。

这对诊断有用。如果零件在班次开始时持续偏大、之后尺寸正常，先查油温再动增益。如果台阶只在换向时出现，查阀死区和反向间隙补偿。如果表面有固定间距的规律波纹，查环路带宽与进给速度的关系。

同样的逻辑适用于选择供应商。运行液压伺服轴的车间需要配套管理：油液分析、滤芯更换、温度记录，以及书面的整定规程。没有这些，机床的理论能力永远到不了零件上。有了这些，液压轴在重型工件上能保持很紧的公差。

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如果零件需要大余量粗加工后再精加工，每道工序的轴类型都很重要。用刚性液压轴或高扭矩轴粗加工、用快速热稳定的轴精加工，通常比强迫一台机床兼顾两者更好。

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  长切削上的锥度检查跟随误差和加速度前馈。
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  换向处的台阶检查阀死区和反向间隙补偿。
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  班次内的尺寸趋势检查油温和热补偿。