伺服比例閥在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用

英國BSA公司生產(chǎn)的SPEEDTUEN4200多滑體數(shù)控棒料車床最大可配置七軸，其中五個(gè)軸是用比例伺服閥與線性光柵尺配合使用，實(shí)現(xiàn)滑體單閉環(huán)反饋控制。對于小規(guī)格、多軸機(jī)床，如果使用伺服電動機(jī)控制很難布置，利用比例閥與線性光柵尺解決了這個(gè)問題。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，所占空間小，價(jià)格性能比小于伺服電動機(jī)控制，是機(jī)床行業(yè)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(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件（液壓缸）的運(yùn)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(zhuǎn)換成的機(jī)械位移相比較，它們的差值（即控制偏差）傳給由信號轉(zhuǎn)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(zhí)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(dāng)要求液壓驅(qū)動系統(tǒng)的效率較高時(shí)，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(zhí)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(gòu)成了一個(gè)電壓圖70流量與指令電壓曲線（無補(bǔ)償）（或電流）與流量（或壓力）的單閉環(huán)系統(tǒng)。由于采用液壓作為驅(qū)動部件，發(fā)揮了液壓驅(qū)動部分的力矩慣量比很大這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)信號的傳遞與運(yùn)算采用電氣控制，叉克服了液壓這些方面的缺點(diǎn)，所以具有提高精度、衰減干擾、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。

伺服比例閥的壓力流量特性可以近似表達(dá)為

式中：Q_m為負(fù)載流量；Kx為比例閥的流量增益；K_P0為K_x與零點(diǎn)壓力增益K_px之比K_x/K_px求得；p_m為液壓缸壓差,p_s為供油壓力,X為比例閥心位移。

而在直線良好的范圍內(nèi)為

Q_m=K_xX-K_Pp_m

伺服比例放大器可以對滯后等因素進(jìn)行補(bǔ)償，基本實(shí)現(xiàn)模擬電壓與流量成線性關(guān)系。

2．?dāng)?shù)控機(jī)床采用伺服比例閥與光柵尺組合實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動

國內(nèi)外大部分機(jī)床廠采用數(shù)控系統(tǒng)和伺服放大器、伺服電動機(jī)通過滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)機(jī)床直線運(yùn)動。有兩種情況：一種是利用伺服電動機(jī)內(nèi)部編碼器實(shí)現(xiàn)速度和位置反饋，通過伺服電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度換算成絲杠螺距實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)直線運(yùn)動；另一種是通過電動機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動絲杠使用光柵尺作為位置反饋，實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)直線運(yùn)動。在數(shù)控機(jī)床上采用伺服比例閥替代伺服電動機(jī)，用液壓缸替代絲杠，利用光柵尺作為單閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，國內(nèi)生產(chǎn)廠很少使用。現(xiàn)以BOSCH公司生產(chǎn)的伺服比例閥(BO811404046)為例，說明該系統(tǒng)的構(gòu)成。伺服比例閥(BO811404046)系統(tǒng)框圖如圖71所示。模擬電壓U_E與流量Q_PA線性關(guān)系圖如圖72所示。

從伺服比例閥(BO811404046)系統(tǒng)框圖可以看出，Z2、Z16、B2、B12提供給放大器一個(gè)直流24V電源。Z20、B22是CNC供給放大器一個(gè)可連續(xù)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(fù)反饋，ZA+、ZA-、ZB+、ZB-是一個(gè)CNC數(shù)控系統(tǒng)接收光柵尺位置負(fù)反饋。首先選定合適行程的液壓缸，同時(shí)定購與液壓缸行程相當(dāng)?shù)墓鈻懦撸龠x一個(gè)帶模擬電壓的數(shù)控系統(tǒng)。從圖72可看出流量Q_PA與模擬電壓U_E成正比，即Q_PA增大U_E增大，反之U_E減小Q_PA減小。在圖69中，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)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(gè)+15V的參考電壓，實(shí)現(xiàn)閥心移動量的負(fù)反饋，使閥心精確定位。雖然伺服比例閥本身有一個(gè)位置反饋，但數(shù)控系統(tǒng)并不能知道其是否精確到位，所以在此基礎(chǔ)之上，叉增加了一個(gè)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(shù)控系統(tǒng)中，這樣比例閥的閥心控制是由伺服比例放大器的負(fù)反饋精確定位。而數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動指令又由光柵直尺作為保證，真正起到雙保險(xiǎn)作用。

利用伺服比例閥和線性光柵直尺配合使用，不但穩(wěn)定可靠，而且解決了使機(jī)械設(shè)計(jì)感到特別頭疼的空間局限性問題。使用此法在數(shù)控機(jī)床上可以實(shí)現(xiàn)多軸連續(xù)控制。系統(tǒng)小巧玲瓏、簡單可行，可以推廣到各行各業(yè)，很有發(fā)展前景。