随着科技的突飞猛进，数控系统应用越来越广泛，逐步渗透到多个领域，钣金行业冲床也在经历着这一场数控化革命。数控系统、伺服驱动、伺服电机等部件构成了数控冲床送料轴的电气雏形，使数控冲床朝着智能化、数字化方向发展。其中PID参数应用是数控冲床不可或缺的部分，伺服驱动器三环控制的PID参数调节让伺服电机响应更快、精度更高，从而使数控冲床朝着更快、更宽的道路发展。

数控冲床

从20世纪30年代世界上第一台冲床诞生以来，冲床由单一的普通冲床发展到今天的数控冲床，由原来单一零件逐个加工到现在多个零件智能化加工，数控系统在冲床上发挥着无可替代的作用。

数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为Numerical Control System，是一种对计算机存储器中的程序或者数值功能进行执行，同时配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过数字、文字和符号组成的数字指令可实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。

目前市场上应用的数控系统主要有国外的FANUC系统、Siemens系统、BECKHOFF系统等；国内的有GSK（广州数控）、华中世纪星系统、凯恩帝系统等。冲床领域主要应用的是FANUC系统，Siemens系统。比如AMADA冲床与金方圆冲床都是FANUC系统，通快冲床和亚威冲床应用的是Siemens系统。

伺服驱动装置

伺服装置是数控系统的重要组成部分。伺服驱动器（servo drives）又称“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统中一部分，主要应用于高精度定位系统。一般通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。

伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度、位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应。在自动控制系统中用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压小等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点为当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

冲床送料轴系统

目前市场上的数控冲床主要以转塔冲为主，主传动的结构形式主要有曲柄连杆结构、摆杆式结构等。送料轴都以丝杠传动为主，转塔有同步带和链条两种传动。具有代表性的为AMADA冲床、金方圆ET/MT系列冲床、亚威的HPE系列冲床。

数控冲床一般由5个轴构成，分别是X/Y/T/C/Z轴，其中Z轴是冲头轴，垂直上下运动；X/Y是送料轴，水平方向运动；T轴是转塔轴，上面装有若干模具，旋转方向运动；C轴也是旋转轴，主要是用于模具任意方向的旋转。其中X/Y送料轴是数控冲床的关键部件，由于Z轴的冲压中心位置，X/Y轴负责把板材运送至冲压中心进行加工，这个就需要X/Y轴送料速度快，定位精度高，才能提高数控冲床的整体效率。

机械结构

X/Y轴是数控机床中重要的机械传动装置，主要是水平方向运动结构，其部件主要由传动部件以及支撑部件组成。

数控冲床的X/Y轴普遍采用滚珠丝杠将伺服电机的旋转运动转变为直线运动，并实现工作台运动。滚珠丝杠副是实现数控机床运行的重要传动构件，且体现了较高的传动效率，灵敏度、稳定度、刚度、耐久性也在长期应用中表现良好。

支撑丝杠的是轴承座与轴承，轴承座与轴承共同组成轴的支撑构件，它们是影响到数控机床整体加工精度的重要构件。滚珠丝杠副的支撑模式主要有以下三种：一是将一端固定，另一端自由；二是采用一端固定，一端游动；三是两端皆固定。应用最广泛的则是两端皆固定的形式，这样能够提供更高的精度，且整体刚度较强，利于提高机床加工精准度。

电气结构

冲床的数控系统（CNC）通过总线形式与伺服驱动进行通讯，对X/Y轴实现精准的位置规划与控制。伺服电机主要靠CNC系统指令来实现位置控制，在实现位置控制的过程中，我们需要对伺服驱动进行优化，伺服驱动优化的目的是让机电系统的匹配达到最佳，以获得最优的稳定性和动态性能。在数控机床中，机电系统的不匹配通常会引起机床振动、加工零件表面过切、表面质量不良等问题。尤其在数控冲床加工中，对伺服驱动的优化是必须的。

数控系统伺服驱动包括3个反馈回路，即位置回路、速度回路以及电流回路，其组成的框图如图2所示。最内环回路反应速度最快，中间环节反应速度必须高于最外环，如果没有遵守此原则，将会造成振动或反应不良。

图1 送料轴简化模型

图2 驱动控制图

伺服系统要求

⑴调速范围宽，可以在电机的速度范围内实现快速的无极变速。

⑵定位精度高，可以达到0.001mm。

⑶有足够的传动刚性和高的速度稳定性。

⑷快速响应，无超调，为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，来缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。

⑸低速大转矩，过载能力强。一般来说伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4～6倍而不损坏。

⑹可靠性高。要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，要具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰能力。

电机要求

基于上述要求，我们需要对数控冲床送料轴进行驱动优化，在优化的过程中最重要的是对电流环、速度环、位置环的参数优化，其重点在于PID参数的控制与应用。

PID参数控制与应用

三环分析

PID参数

PID参数综合利用

图3 速度环响应图

结束语

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