CNC 机床伺服电机系统在使用中的性能表现

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  CNC 机床伺服电机系统实际控制什么
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  使用中的环路增益、阻尼与阶跃响应
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  检测链中的分辨率与反馈精度
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  速度与稳定性：伺服整定出错的地方
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  伺服行为与各症状指向的问题

CNC 机床伺服电机系统是一个闭环。控制发出位置指令，驱动器将其转换为转矩，电机转动滚珠丝杠或齿轮齿条，反馈装置报告轴的实际位置。零件上看到的每一个误差，都可追溯到该链条中的某一环。

环路不关心图纸。它只比较指令与反馈。如果反馈光栅尺装在电机轴上，丝杠螺距误差、热伸长和反向间隙都不会进入环路。工作台可能已经漂移，而驱动器仍报告误差接近零。

这就是机床制造商在中大型机床上安装直线光栅尺的原因。在 4,000 mm 行程上，丝杠全长 0.01 mm 的螺距误差已大于公差带本身。直接测量滑台可将该项从误差预算中剔除。

开环增益 K 决定环路回推的力度。典型 CNC 伺服机构运行 K 在 20 至 30 1/s 之间。低于 20，轴在换向时感觉发软，圆弧轮廓误差增大。远高于 30，轴开始振铃。

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  反馈位置决定可控范围电机端编码器看不到丝杠误差或热误差。
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  轴惯量决定上限重工作台需要更高增益，而不是更大电机。
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  分辨率不等于精度细光栅尺仍可能读出一个松动的轴。

在二阶模型中，阻尼系数随增益升高而下降。阶跃指令出现超调或振荡，说明环路增益超出机械结构可吸收的范围。通常的解决办法不是降低 K，而是提高传动链刚度。

K 低于 20 的伺服系统，通常由软联轴器、磨损的滚珠丝杠或小电机带过大负载造成。驱动器无法纠正机械弹簧。增益整定只会将其暴露出来。

观察慢速进给时的跟随误差。在健康的轴上，它保持恒定且很小。如果随轴升温而增大，问题是热变形，不是电气问题。如果在行程某一点跳变，查找紧点或损坏的丝杠。

阶跃响应测试仍能在最短时间内提供最多信息。指令一个小移动，采集编码器波形，读取超调、上升时间和稳定时间。不需要专用工具。一台示波器和驱动波形就足够。

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  恒定跟随误差正常。随进给速度成比例变化。
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  跟随误差上升热伸长或滑台拖滞。
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  某一位置出现尖峰丝杠或导轨的机械缺陷。

分辨率是系统能报告的最小位移。它是检测元件加测量线路的属性，不是电机的属性。标称 1 μm 分辨率的驱动器，其分辨能力不会优于所接的光栅尺。

大型 CNC 机床使用的直线感应同步器可达 ±0.0001 mm 精度、0.05 μm 灵敏度和 0.2 μm 重复性。这些数字描述的是传感器。一旦施加负载和热量，其周围机床很少能保持那么好。

在闭环中，检测元件的误差与轴的真实偏差难以区分。如果光栅尺读数偏高 2 μm，环路会把工作台驱动到偏离 2 μm 的位置并认为正确。反馈装置的校准与其分辨率同样重要。

对于大多数加工到 ±0.005 mm 的零件，标准玻璃光栅尺已足够。在每小时热漂移 0.5 μm 的机床上追求 0.05 μm 传感器，在零件上买不到可测量的收益。

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  传感器与机床匹配5 μm 机架上用 0.2 μm 光栅尺是浪费。
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  重复性优于分辨率可重复的误差可以补偿。

高增益带来快速响应和紧密轮廓。它也会放大结构中的每一个共振。在细长滚珠丝杠的机床上，丝杠自身的轴向共振频率低到激进整定会将其激发。

实用方法是把增益设到机械结构允许的最高值，然后略微回调。高进给下少量跟随误差，比每个拐角都振铃的表面更划算。

前馈项会改变局面。它们在不提高环路增益的情况下减小跟随误差，因此轴保持稳定而跟踪改善。在轮廓零件上，这表现为相同切削速度下更好的拐角精度。

机械修复仍优于电气修复。预紧滚珠螺母、更硬的联轴器和正确对中的导轨从源头消除误差。伺服只需保持机械结构所提供的位置。

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  提高增益直到振铃然后回调 20–30% 留余量。
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  先用前馈跟踪改善且不失稳。
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  整定前先修机械增益掩盖反向间隙，不能消除它。