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：Q_m為負載流量；Kx為比例閥的流量增益；K_P0為K_x與零點壓力增益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為

Q_m=K_xX-K_Pp_m

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U_E與流量Q_PA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。